Многоканальная система электроснабжения (варианты)

Многоканальная система электроснабжения (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании многоканальных систем электроснабжения переменного тока, например, для летательных аппаратов.

В настоящее время «слабым звеном» систем электроснабжения лайнеров является недостаточная надежность авиадвигателя и связанного с ним генератора (особенно в системах аварийного электропитания, обеспечивающих полет в режиме ETOPS - 2х часового полета лайнера на одном двигателе). Данное снижение надежности усугубляется в случаях, когда расстояние между генератором и преобразователем энергии на его входе на порядок больше расстояния между преобразователями соседних каналов генерирования.

Известна система электроснабжения, содержащая N каналов генерирования переменного тока, каждый из которых рассчитан так, что в случае выхода из строя одного из них всю нагрузку берут на себя оставшиеся каналы, которые и питают потребителей (например, при N=2 каждый канал рассчитывается на двойную мощность нагрузки), «Системы электроснабжения пассажирских самолетов», Злочевский B.C., М.: «Машиностроение», 1971, стр. 75).

Недостатком вышеприведенной системы электроснабжения являются повышенные массогабаритные характеристики, которые увеличиваются в два раза даже при минимальном увеличении числа каналов (при N=2).

Наиболее близким к изобретению по обоим вариантам его выполнения является многоканальная система электроснабжения, содержащая в каждом из каналов нерегулируемый генератор переменного тока, выпрямитель, инвертор и силовой фильтр (система ПСПЧ: «переменная скорость - постоянная частота»). Данная система предназначена для преобразования механической энергии вала приводного двигателя с изменяющимися (до двух раз) оборотами в энергию стабильного напряжения и стабильной частоты («Результаты разработки системы генерирования электрической энергии типа «переменная скорость - постоянная частота» на базе синхронного генератора и инверторов напряжения», авторы Левин А.В., Юхнин М.М., Лившиц Э.Я., Харитонов С.А. и др., специализированный информационно-аналитический журнал «Силовая интеллектуальная электроника» №1(7), 2007, стр. 17-20).

Недостатком данного технического решения являются повышенные массогабаритные характеристики системы, определяемые в основном блоками инверторов и выходных фильтров, мощности которых приходится увеличивать, по меньшей мере, вдвое при резервировании, например, двух каналов (рассматриваются только длительные - ресурсные режимы эксплуатации. Кратковременные режимы перегрузки не рассматриваются).

Цель изобретения - снижение массы и габаритов многоканальной системы электроснабжения, надежное обеспечение бесперебойного снабжения потребителей энергии.

Поставленная цель достигается по первому варианту изобретения в многоканальной системе электроснабжения, содержащей N идентичных каналов генерирования переменного тока, каждый из которых состоит из последовательно соединенных двигателя, m-фазного генератора, основных фидеров, выпрямителя, инвертора и силового фильтра. Выходные цепи постоянного тока выпрямителей всех каналов соединены друг с другом с помощью 2-проводных резервных фидеров постоянного тока, причем мощность генератора и выпрямителя каждого канала рассчитана на k-кратное превышение номинальной мощности нагрузки канала, а мощность инвертора и силового фильтра каждого канала рассчитана на номинальную мощность нагрузки канала, при этом k - коэффициент, определяемый как , где N - число каналов генерирования, L - число отказавших каналов, выбираемое из условия обеспечения надежности электропитания потребителей.

Поставленная цель достигается по второму варианту изобретения в многоканальной системе электроснабжения, содержащей N идентичных каналов генерирования переменного тока, каждый из которых состоит из последовательно соединенных двигателя, m-фазного генератора, основных фидеров, выпрямителя, инвертора и силового фильтра. Выпрямители каналов состоят из k соединенных параллельно по выходу идентичных выпрямительных секций, входы которых подсоединены соответственно к выходам генераторов каналов с помощью m-фазных фидеров переменного тока, причем мощность генератора и выпрямителя каждого канала рассчитана на k-кратное превышение номинальной мощности нагрузки канала, а мощность каждой выпрямительной секции, инвертора и силового фильтра каждого канала рассчитана на номинальную мощность нагрузки канала, при этом k - коэффициент, определяемый как , где N - число каналов генерирования, L - число отказавших каналов, выбираемое из условия обеспечения надежности электропитания потребителей.

Оба варианта изобретения объединены единым техническим замыслом, направленным на достижение одного и того же технического результата в одном устройстве с помощью использования различных модификаций аналогичных технических средств.

Коэффициент k определяется как , где N - число каналов генерирования, L - число отказавших каналов, выбираемое из условия обеспечения надежности электропитания потребителей. В этом случае для двухканальной системы генерирования (N=2) при прогнозируемом выходе из строя одного канала (L=1), коэффициент k=N=2, т.е. мощность генератора и выпрямителя рассчитывается на двойную мощность. При N=4 и прогнозируемом выходе из строя также одного канала (L=1), коэффициент k=1,33, т.е. мощность генератора и выпрямителя увеличивается на 30%, а мощность инверторов и фильтров по-прежнему остается равной номинальной. При N=4 и L=2, коэффициент k=2, что соответствует двухкратному увеличению мощности генератора и выпрямителя, а мощности инверторов и фильтров рассчитываются на номинальную мощность и т.д.

В источниках информации не обнаружено сведений о создании многоканальной системы электроснабжения, обеспечивающей бесперебойное снабжение потребителей энергии путем автоматического переключения входных цепей инверторов аварийных каналов на питание от выпрямителей работающих каналов, что позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критериям охраноспособности.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлены функциональные схемы многоканальной системы электроснабжения, состоящие, как пример, из двух каналов генерирования, по первому и второму варианту выполнения в соответствии с формулой изобретения (с коммутацией входных цепей инверторов каналов путем автоматического переключения цепей постоянного тока выпрямителей с помощью двухпроводных фидеров и с коммутацией входных цепей инверторов каналов путем автоматического переключения цепей переменного тока выпрямителей с помощью m-фазных фидеров), где:

1, 2 - приводные двигатели соответственно первого и второго каналов генерирования 11, 12,

3, 4 - генераторы переменного тока соответственно первого и второго каналов генерирования 11, 12,

5, 6 - выпрямители соответственно первого и второго каналов генерирования 11, 12,

5.1, 5.2, 6.1, 6.2 - выпрямительные секции,

7, 8 - инверторы соответственно первого и второго каналов генерирования 11, 12,

9, 10 - силовые фильтры соответственно первого и второго каналов генерирования 11, 12,

11 - первый канал генерирования,

12 - второй канал генерирования,

13, 14 - основные силовые фидеры соответственно первого и второго каналов генерирования 11, 12,

15, 16 - резервные фидеры соответственно первого и второго каналов генерирования 11, 12.

Многоканальная система электроснабжения по обоим вариантам выполнения (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из N каналов генерирования, в частности, но не ограничиваясь этим, двух. Каждый из каналов генерирования 11 и 12 содержит приводные двигатели 1 и 2 соответственно с переменной частотой вращения вала, соединенные с генераторами переменного тока 3 и 4 с нестабильным напряжением и частотой. Выходы генератора каждого из каналов генерирования связаны с входами (цепями переменного тока) выпрямителей 5 и 6 соответственно, цепи постоянного тока которых присоединены к входным цепям инверторов 7 и 8 соответственно, выходы которых через силовые фильтры 9 и 10 соответственно соединены с выходными выводами. Узлы 1, 3, 5, 7, 9 образуют первый канал 11 генерирования, а узлы 2, 4, 6, 8, 10 образуют второй канал 12 генерирования. Выходы генераторов 3 и 4 соединены с входами соответствующих выпрямителей 5 и 6 через соответствующие основные силовые фидеры 13 и 14. К выходным цепям каждого из выпрямителей 5, 6 могут быть подключены повышающие преобразователи.

По первому варианту исполнения системы (фиг. 1) выходы (цепи постоянного тока) выпрямителей 5 и 6 соединены друг с другом посредством двухпроводных резервных фидеров 15 и 16.

По второму варианту исполнения системы (фиг. 2) каждый из выпрямителей 5 и 6 N каналов (в частном случае - двух) состоит из двух соединенных параллельно по выходу идентичных выпрямительных секций 5.1, 5.2 и 6.1, 6.2, входы которых подсоединены соответственно к выходам генераторов 3 и 4. Таким образом, генераторы первого и второго каналов 3 и 4 соединены с входами секций 5.1 и 6.2 и 6.1 и 5.2 соответственно с помощью m-фазных фидеров переменного тока 15 и 16.

Генераторы и выпрямители всех каналов по обоим вариантам исполнения рассчитаны на мощности, в k раз превышающие номинальную мощность нагрузки (S_ном) одного канала, в то время как инверторы и силовые фильтры рассчитаны на номинальную мощность нагрузки одного канала. При выполнении выпрямителя k-секционным мощность каждой секции рассчитана на номинальную мощность нагрузки канала. Таким образом, мощность генератора и выпрямителя каждого канала рассчитывается из условия k·S_ном, а мощность инвертора и силового фильтра =S_ном.

Работа многоканальной системы электроснабжения показана на примере работы двухканальной системы электроснабжения и заключается в следующем.

При работе всех каналов системы электроснабжения в штатном режиме валы приводных двигателей 1, 2 вращаются с переменным числом оборотов (n-var). На выходе связанных с ними нерегулируемых m-фазных генераторов 3, 4 формируется напряжение с нестабильной величиной и нестабильной частотой. Данное напряжение через основные силовые фидеры 13 и 14 поступает на входы выпрямителей 5 и 6 (либо на входы всех параллельно соединенных выпрямительных секций (фиг. 2)) и далее поступает на входные цепи инверторов 7, 8, соединенных с силовыми фильтрами 9, 10. На выходе фильтров имеет место напряжение трехфазного тока требуемой частоты, направляемое к потребителям энергии.

На фиг. 1 представлены два канала 11 и 12, при этом резервные фидеры 15 и 16, выполненные однопроводными, подключены соответственно к положительному и отрицательному выходным выводам выпрямителей 5 и 6.

В случае выхода из строя, например, приводного двигателя 1 и/или связанных с ним генератора 3, основного силового фидера 13, выпрямителя 5 питание потребителей канала 11 поступает от канала 12 по цепи: 2-4-14-6-15-16-7-9. В случае выхода из строя приводного двигателя 2 и/или связанных с ним генератора 4, основного силового фидера 14, выпрямителя 6 питание потребителей канала 12 поступает с канала 11 по цепи: 1-3-13-5-15-16-8-10.

Аналогично, при снижении либо пропадании напряжения на выходе генератора (на входе секции, соединенной с этим генератором) одного из каналов (фиг. 2) питание потребителей этого канала поступает от секций выпрямителя, соединенных с генераторами работающих каналов.

Таким образом, за счет обеспечения возможности постоянного задействования в работе силовых инверторов и силовых фильтров каналов генерирования (переход на тот или иной канал осуществляется автоматически по входным цепям инверторов) исключена необходимость увеличения их мощности, что значительно снижает массу и габариты системы электроснабжения - один из основных ее параметров при использовании в самолетах.

Наибольший эффект применения данного изобретения достигается в случае выполнения генератора высокооборотным (n>20·10³ об/мин), особенно, если он «встроен» в авиадвигатель. При этом выпрямители могут содержать на своем выходе повышающие преобразователи с выходом на постоянном токе.

Благодаря повышению безотказности работы, высокой надежности обеспечения бесперебойного снабжения потребителей энергии и оптимальным массогабаритным показателям изобретение может быть наиболее предпочтительным при проектировании бортовых систем электроснабжения.

1. Многоканальная система электроснабжения, содержащая N идентичных каналов генерирования переменного тока, каждый из которых состоит из последовательно соединенных двигателя, m-фазного генератора, основных фидеров, выпрямителя, инвертора и силового фильтра, отличающаяся тем, что выходные цепи постоянного тока выпрямителей всех каналов соединены друг с другом с помощью 2-проводных резервных фидеров постоянного тока, причем мощность генератора и выпрямителя каждого канала рассчитана на k-кратное превышение номинальной мощности нагрузки канала, а мощность инвертора и силового фильтра каждого канала рассчитана на номинальную мощность нагрузки канала, при этом k - коэффициент, определяемый как , где N - число каналов генерирования, L - число отказавших каналов, выбираемое из условия обеспечения надежности электропитания потребителей.

2. Многоканальная система электроснабжения, содержащая N идентичных каналов генерирования переменного тока, каждый из которых состоит из последовательно соединенных двигателя, m-фазного генератора, основных фидеров, выпрямителя, инвертора и силового фильтра, отличающаяся тем, что выпрямители каналов состоят из k соединенных параллельно по выходу идентичных выпрямительных секций, входы которых подсоединены соответственно к выходам генераторов каналов с помощью m-фазных фидеров переменного тока, причем мощность генератора и выпрямителя каждого канала рассчитана на k-кратное превышение номинальной мощности нагрузки канала, а мощность каждой выпрямительной секции, инвертора и силового фильтра каждого канала рассчитана на номинальную мощность нагрузки канала, при этом k - коэффициент, определяемый как , где N - число каналов генерирования, L - число отказавших каналов, выбираемое из условия обеспечения надежности электропитания потребителей.