RU2641314C1

RU2641314C1 - Device for generating constant frequency ac voltage at variable speed of generator drive

Info

Publication number: RU2641314C1
Application number: RU2016143741A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Сергеевич Мыцык; Мин У Хлаинг; Артём Сергеевич Фрейдлин
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2018-01-17

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: this device contains an electrical machine in generator mode 1 with armature windings 2, 3, configured with the star topology, two three-phase rectifier bridges - primary 4 and secondary 5 with DC outputs 4.1, 4.2 and 5.1, 5.2 respectively, as well as two transfilters 6, 7. Each of the rectifier bridges 4, 5 with their inputs 4.3÷4.5 and 5.3÷5.5, respectively, is connected to one of the armature windings 2, 3. Some of the same polarity outputs 4.1, 5.1 of bridges 4 and 5 are connected to the ends 6.1, 6.2 of the transfilter windings 6, others same polarity outputs 4.2 5.2 of these bridges 4 and 5 are connected to the ends of 7.1, 7.2 of transfilter 7 winding. The middle points 6.3 and 7.3 of the transfilters 6, 7 windings are connected to the ends of the smoothing inductors 8, 9, the other ends are connected to the rationed capacitor 10 armature, connected to power buses for a three-phase voltage inverter 11. Elements 8, 9, 10 form a filter unit for the 12-pulse rectified voltage. The output terminals 11.1, 11.2, 11.3 of the three-phase inverter are connected to the three-phase filter 12. A balanced three-phase load 13 is connected to its outputs 12.1, 12.2, 12.3. One or several single-phase loads 14 are connected through an individual G-shaped LC filter inductor 15 and condenser 16. Two-channel design of the winding 1 armature and rectifier unit using transfilter 6, 7 channels for summing up currents, that improves weight-size parameters of the generator and improves the quality of the rectified voltage due to the double reduction of its pulsation level and double increase of their frequency, and this improves the weight-size parameters of the inductors 8, 9. Transfilters 6, 7 provide independent operation of rectifiers 4, 5 and operate at a triple generator frequency - 3ƒ₁.

EFFECT: expanded functional capacity.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты при переменной частоте вращения привода генератора. Такие системы обозначают как машинно-электронные генерирующие системы типа ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота) - см., например, стр. 432 в [1]: Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Изд. МЭИ, 2005. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов - 2005. - 568 с.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to build systems for generating AC voltage of a stable frequency at a variable speed of the generator drive. Such systems are referred to as machine-electronic generating systems of the type PSPCH (variable speed - constant frequency) - see, for example, page 432 in [1]: Electrical equipment of aircraft: a textbook for high schools. In two volumes / ed. S.A. Gruzkova. - M.: Publishing. MPEI, 2005. Volume 1. Aircraft power supply systems - 2005. - 568 p.

Известны системы типа ПСПЧ, выполненные в виде последовательно включенных синхронного генератора (СГ) с переменной частотой вращения вала и статического преобразователя частоты (СПЧ), обеспечивающего стабилизацию частоты. Для решения этой задачи могут применяться два типа СПЧ - непосредственного типа (НПЧ) и со звеном постоянного тока (ПЧЗПТ) - рис. 12.55 на стр. 430 и рис. 12.49 на стр. 432 в [1] соответственно. Последний тип СПЧ - ПЧЗПТ в транзисторном исполнении получил наибольшее распространение в силу своей большей простоты. Он включает в себя последовательно соединенные выпрямительный блок, сглаживающий фильтр и инверторный блок, выполненный по трехфазной мостовой схеме с выходным фильтром.Known systems such as PSPCH, made in the form of sequentially connected synchronous generator (SG) with a variable speed shaft and a static frequency converter (HFC), which provides frequency stabilization. To solve this problem, two types of FH can be used - the direct type (NFC) and with a DC link (PCPT) - Fig. 12.55 on page 430 and fig. 12.49 on p. 432 in [1] respectively. The last type of HFC - PCHZPT in transistor design is most widely used due to its greater simplicity. It includes a rectifier block, a smoothing filter, and an inverter block connected in series according to a three-phase bridge circuit with an output filter.

Недостатком такой системы ПСПЧ является неудовлетворительное качество ее работы при несимметричной трехфазной нагрузке. В этом случае выходные фазные напряжения приобретают амплитудную и фазовую несимметрию и различный уровень их искажений, которые по своему уровню выходят за пределы, допустимые соответствующим авиационным ГОСТом.The disadvantage of such a PSPCH system is the unsatisfactory quality of its operation with an asymmetric three-phase load. In this case, the output phase voltages acquire amplitude and phase asymmetry and a different level of distortion, which in their level goes beyond the limits allowed by the relevant aviation GOST.

Кроме того, качество потребляемого от генератора тока достаточно низкое (с коэффициентом гармоник примерно 0,3), что приводит к повышенной установленной мощности сглаживающего фильтра и к повышенным потерям в магнитопроводах статора и ротора из-за большого содержания в нем 5-й и 7-й гармоник.In addition, the quality of the current consumed from the generator is quite low (with a harmonic coefficient of about 0.3), which leads to an increased installed power of the smoothing filter and to increased losses in the stator and rotor magnetic circuits due to the high content of the 5th and 7th th harmonics.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты при переменной частоте вращения привода генератора, выполненная на базе СПЧ со звеном постоянного тока - ПЧЗПТ, описанная на стр. 147 статьи [2]: Грабовецкий Г.В., Коробков Д.В., Харитонов С.А. Несимметричная нагрузка в системе генерирования электрической энергии с инвертором напряжения// Доклады ТУСУРа, №1 (25), часть 1, июнь 2012. Устройство содержит последовательно включенные синхронный генератор с основной трехфазной якорной обмоткой с топологией «звезда», основной трехфазный выпрямитель по мостовой схеме с блоком фильтрации на выходе, включающий в себя конденсаторный делитель, и трехфазный инвертор напряжения с выходным фильтром, выходные выводы которого предназначены для подключения к ним несимметричной трехфазной нагрузки с топологией «звезда», причем средняя точка конденсаторного делителя предназначена для подключения ее к нулевой точке нагрузки. В таком решении использование в нем конденсаторного делителя позволяет повысить качество работы устройства при несимметричной трехфазной нагрузке, заключающийся в ухудшении показателей качества выходного напряжения системы генерирования при несимметрии фазных сопротивлений трехфазной нагрузки. Однако качество потребляемого от генератора тока достаточно низкое (с коэффициентом гармоник примерно 0,3), что приводит к повышенной установленной мощности сглаживающего фильтра и к повышенным потерям в магнитопроводах статора и ротора из-за большого содержания в нем 5-й и 7-й гармоник. Оба недостатка отрицательно сказываются на массогабаритных показателях системы.The closest in technical essence to the invention is a device for generating alternating current voltage of a stable frequency at a variable speed of the generator drive, made on the basis of the frequency converter with a direct current link - PCZPT, described on page 147 of article [2]: Grabovetsky GV, Korobkov D.V., Kharitonov S.A. Unbalanced load in a power generation system with a voltage inverter // TUSUR Reports, No. 1 (25), part 1, June 2012. The device contains sequentially connected synchronous generator with a main three-phase armature winding with star topology, the main three-phase rectifier according to the bridge circuit with an output filtering unit, including a capacitor divider, and a three-phase voltage inverter with an output filter, the output terminals of which are designed to connect an asymmetric three-phase load to them ki with a star topology, with the midpoint of the capacitor divider designed to connect it to the zero point of the load. In such a solution, the use of a capacitor divider in it allows to improve the quality of the device with an asymmetric three-phase load, which consists in deteriorating the quality indicators of the output voltage of the generating system with an asymmetry of the phase resistances of the three-phase load. However, the quality of the current consumed from the generator is quite low (with a harmonic coefficient of about 0.3), which leads to an increased installed power of the smoothing filter and to increased losses in the stator and rotor magnetic circuits due to the high content of the 5th and 7th harmonics . Both disadvantages negatively affect the overall dimensions of the system.

Технической задачей изобретения является расширение области применения системы генерирования напряжения переменного тока.An object of the invention is to expand the scope of the AC voltage generation system.

Технический результат изобретения заключается в улучшении показателей качества устройства генерирования, включая ее массогабаритные показатели.The technical result of the invention is to improve the quality indicators of the generating device, including its overall dimensions.

Достигается это тем, что устройство генерирования напряжения переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения привода генератора, содержащее последовательно включенные синхронный генератор с основной трехфазной якорной обмоткой с топологией «звезда», подключенной ко входам основного трехфазного выпрямителя по мостовой схеме с блоком фильтрации на выходе, в состав которого входит конденсаторный делитель, а также трехфазный инвертор напряжения с выходным фильтром, выходные выводы которого предназначены для подключения к ним несимметричной трехфазной нагрузки с топологией «звезда», причем средняя точка конденсаторного делителя предназначена для подключения ее к нулевой точке нагрузки, снабжено индивидуальным LC фильтром для однофазных нагрузок, дроссель которого одним своим концом подключен непосредственно к одному их выходных выводов трехфазного инвертора напряжения, дополнительным трехфазным выпрямителем по мостовой схеме, двумя трансфильтрами, каждый с обмоткой со средней точкой, блок фильтрации снабжен двумя сглаживающими дросселями, а синхронный генератор выполнен с дополнительной якорной обмоткой, по числу витков аналогичной основной якорной обмотке, но сдвинутой в пространстве относительно нее на угол π/6, которая подключена к входам дополнительного трехфазного выпрямителя, одни одноименные по полярности выводы основного и дополнительного трехфазных выпрямителей подключены к концам обмотки первого трансфильтра, другие одноименные по полярности выводы этих мостов подключены к концам обмотки второго трансфильтра, два сглаживающих дросселя включены между средними точками обмоток трансфильтров и соответствующими обкладками конденсаторного делителя, а нулевые точки основной и дополнительной якорных обмоток объединены.This is achieved by the fact that the device for generating alternating current voltage of constant frequency at a variable speed of the generator drive, containing a synchronously connected synchronously generator with a main three-phase armature winding with a star topology connected to the inputs of the main three-phase rectifier via a bridge circuit with an output filtering unit, which includes a capacitor divider, as well as a three-phase voltage inverter with an output filter, the output terminals of which are designed to connect to them an asymmetric three-phase load with a star topology, the midpoint of the capacitor divider designed to connect it to the zero point of the load, equipped with an individual LC filter for single-phase loads, the choke of which is connected at one end directly to one of their output terminals of the three-phase voltage inverter, an additional three-phase bridge rectifier, two transfilters, each with a winding with a midpoint, the filtering unit is equipped with two smoothing inductors, and the synchronous generator is made with an additional anchor winding, in the number of turns similar to the main anchor winding, but shifted in space relative to it by an angle π / 6, which is connected to the inputs of the additional three-phase rectifier, the same polarity leads of the main and additional three-phase rectifiers are connected to the ends of the winding the first transfilter, the other terminals of the same bridges with the same polarity are connected to the ends of the winding of the second transfilter, two smoothing chokes are connected between the middle and points of the windings of the transfilters and the corresponding plates of the capacitor divider, and the zero points of the main and additional anchor windings are combined.

Кроме того, нулевые точки основной и дополнительной якорных обмоток подключены к средней точке конденсаторного делителя.In addition, the zero points of the main and additional anchor windings are connected to the midpoint of the capacitor divider.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты (называемой также системой ПСПЧ), на фиг. 2 приведены осциллограммы рабочих процессов в устройстве генерирования напряжения.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a circuit diagram of a device for generating an alternating current voltage of a stable frequency (also called an MSS system), FIG. Figure 2 shows the waveforms of work processes in a voltage generating device.

Устройство генерирования напряжения переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения привода генератора содержит электрическую машину (СГ) в генераторном режиме 1 с якорными обмотками 2, 3, выполненными по топологии «звезда», два трехфазных выпрямительных моста - основной 4 и дополнительный 5 с выходными выводами постоянного тока 4.1, 4.2 и 5.1, 5.2 соответственно, а также два трансфильтра 6, 7. Каждый из выпрямительных мостов 4, 5 своими входами 4.3÷4.5 и 5.3÷5.5 соответственно подключен к одной из якорных обмоток 2, 3. Одни одноименные по полярности выходные выводы 4.1, 5.1 мостов 4 и 5 подключены к концам 6.1, 6.2 обмотки трансфильтра 6, другие одноименные по полярности выходные выводы 4.2, 5.2 этих мостов 4 и 5 подключены к концам 7.1, 7.2 обмотки трансфильтра 7. Средние точки 6.3 и 7.3 обмоток трансфильтров 6, 7 подключены к одним концам сглаживающих дросселей 8, 9, другие концы которых подключены к тем обкладкам конденсаторного делителя 10, которые подсоединены к шинам питания трехфазного инвертора напряжения 11. Элементы 8, 9, 10 образуют блок фильтрации 12-пульсного выпрямленного напряжения. Выходные выводы 11.1, 11.2, 11.3 трехфазного инвертора подключены к трехфазному фильтру 12. К его выходным выводам 12.1, 12.2, 12.3 подключают симметричную трехфазную нагрузку 13. Одну или несколько однофазных нагрузок 14 согласно изобретению подключают через индивидуальный Г образный LC фильтр - дроссель (L) 15 и конденсатор (С) 16. Благодаря этому решению, а также использованию конденсаторного делителя 10 однофазные нагрузки практически не оказывают влияния на показатели качества симметричной трехфазной нагрузки 13.A device for generating AC voltage of constant frequency at a variable speed of the generator drive contains an electric machine (SG) in generator mode 1 with anchor windings 2, 3 made according to the star topology, two three-phase rectifier bridges - the main 4 and additional 5 with output terminals DC 4.1, 4.2 and 5.1, 5.2, respectively, as well as two transfilters 6, 7. Each of the rectifier bridges 4, 5 with its inputs 4.3 ÷ 4.5 and 5.3 ÷ 5.5, respectively, is connected to one of the armature windings 2, 3. Some of the same name on polarity, the output terminals 4.1, 5.1 of bridges 4 and 5 are connected to the ends 6.1, 6.2 of the transformer winding 6, other polarity output terminals 4.2, 5.2 of these bridges 4 and 5 are connected to the ends 7.1, 7.2 of the transformer winding 7. Midpoints 6.3 and 7.3 transformer filter windings 6, 7 are connected to one end of the smoothing chokes 8, 9, the other ends of which are connected to those plates of the capacitor divider 10, which are connected to the supply busbars of the three-phase voltage inverter 11. Elements 8, 9, 10 form a filter block of a 12-pulse rectified voltage . The output terminals 11.1, 11.2, 11.3 of a three-phase inverter are connected to a three-phase filter 12. A symmetrical three-phase load 13 is connected to its output terminals 12.1, 12.2, 12.3. One or more single-phase loads 14 according to the invention are connected via an individual L-shaped LC filter - choke (L) 15 and capacitor (C) 16. Due to this solution, as well as the use of a capacitor divider 10, single-phase loads practically do not affect the quality indicators of a symmetric three-phase load 13.

Двухканальное (в виде обмоток 2, 3) исполнение якорной обмотки 1 и выпрямительного блока (в виде выпрямителей 4, 5) с использованием для суммирования токов каналов трансфильтров 6, 7 позволяет улучшить массогабаритные показатели синхронного генератора (СГ), а именно: снизить потери в якорных обмотках и в магнитопроводах статора и ротора, а также повысить качество выпрямленного напряжения за счет снижения вдвое уровня его пульсаций и увеличения вдвое их частоты, что позволяет также улучшить и массогабаритные показатели дросселей 8, 9. Что касается трансфильтров 6, 7, то они обеспечивают независимую работу выпрямителей 4, 5 и работают на утроенной частоте генератора - 3ƒ₁. Режим независимой работы выпрямителей способствует снижению габаритной мощности генератора (СГ). Например, при отсутствии трансфильтров режим работы СГ значительно ухудшается, что на этапе его проектирования требует увеличения его габаритной мощности в 1,36 раза. Заметим, что при использовании трансфильтров их габаритная мощность не превышает 3% от мощности нагрузки.The two-channel (in the form of windings 2, 3) design of the anchor winding 1 and the rectifier block (in the form of rectifiers 4, 5) using transfilters 6, 7 for summing the channel currents improves the overall dimensions of the synchronous generator (SG), namely: to reduce losses in anchor windings and in the stator and rotor magnetic circuits, as well as improve the quality of the rectified voltage by halving the level of its ripples and doubling their frequency, which can also improve the overall dimensions of the chokes 8, 9. What concerns Since the transfilters 6, 7, they provide independent operation of rectifiers 4, 5 and operate at a triple generator frequency - 3 генератора ₁ . The mode of independent operation of the rectifiers helps to reduce the overall power of the generator (SG). For example, in the absence of transfilters, the SG mode of operation significantly deteriorates, which at the design stage requires an increase in its overall power by 1.36 times. Note that when using transfilters, their overall power does not exceed 3% of the load power.

Для снижения массы выходных фильтров в трехфазном инверторе используют алгоритмы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) - фиг. 2 г).To reduce the mass of output filters in a three-phase inverter, pulse-width modulation (PWM) algorithms are used - FIG. 2 g).

В случае применения данной системы генерирования на некоторых летательных аппаратах приходится выполнять требование «зануления» генератора и потребителей. В этом случае необходимо объединять нулевую точку 0₁ якорных обмоток 2, 3 со средней точкой 0₃ конденсаторного делителя 10 (на фиг. 1 эта связь показана пунктиром), которая в свою очередь уже соединена с нулевой точкой 0₂ трехфазной и однофазной нагрузок 13, 14. Показатели качества такой системы при этом несколько (на 2÷3%) ухудшаются из-за протекания в нулевом проводе 01-03 гармоник нулевой последовательности. Этот факт следует иметь в виду, так что целесообразность введения связи 0₁÷0₃ каждый раз, когда это возможно, должна внимательно рассматриваться и обосновываться.In the case of using this generation system on some aircraft, it is necessary to fulfill the requirement of "zeroing" the generator and consumers. In this case, it is necessary to combine the zero point 0 _{1 of the} armature windings 2, 3 with the midpoint 0 _{3 of the} capacitor divider 10 (in Fig. 1 this connection is indicated by a dashed line), which in turn is already connected to the zero point 0 _{2 of} three-phase and single-phase loads 13, 14. The quality indicators of such a system are somewhat (by 2–3%) deteriorating due to the occurrence of zero-sequence harmonics in the neutral wire 01-03. This fact should be borne in mind, so that the feasibility of introducing the relationship 0 ₁ ÷ 0 ₃ each time it is possible should be carefully considered and justified.

Осциллограммы рабочих процессов в устройстве генерирования, поясняющие ее работу, представлены на фиг. 2, где показаны: а), б) - фазные напряжения и токи на якорных обмотках 2.1 и 3.1; в) - эквивалентный фазный ток этих двух обмоток, определяющий реакцию якоря СГ и потери в стали магнито-проводов якоря и ротора; г) - фазные напряжения до фильтра (между точками 11.1.и 0₂), после фильтра (между точками 12.1.и 0₂) и ток нагрузки (в фазе 13.1); д) - напряжения на одной из обмоток трансфильтров 6 и 7; е) - одно из линейных напряжений на входе трехфазного выпрямителя, а также 12-пульсное выпрямленное напряжение до блока фильтрации (между точкам 6.1 и 7.1) и после блока фильтрации (на конденсаторном делителе, т.е. непосредственно между шинами питания трехфазного инвертора). На осциллограмме эти напряжения практически плохо различимы между собой, что, в частности, свидетельствует о незначительной установленной мощности элементов блока фильтрации выпрямленного напряжения.Oscillograms of the working processes in the generating device explaining its operation are shown in FIG. 2, which shows: a), b) - phase voltages and currents on the armature windings 2.1 and 3.1; c) is the equivalent phase current of these two windings, which determines the reaction of the SG armature and the loss in the steel of the magnetic wires of the armature and rotor; d) - phase voltages before the filter (between points 11.1. and 0 ₂ ), after the filter (between points 12.1. and 0 ₂ ) and the load current (in phase 13.1); d) - voltage on one of the windings of the transfilters 6 and 7; f) - one of the line voltages at the input of a three-phase rectifier, as well as a 12-pulse rectified voltage to the filtering unit (between points 6.1 and 7.1) and after the filtering unit (on the capacitor divider, i.e. directly between the supply lines of the three-phase inverter). On the waveform, these voltages are almost poorly distinguishable among themselves, which, in particular, indicates an insignificant installed power of the rectified voltage filtering unit elements.

Осциллограммы соответствуют режиму, когда частота напряжения СГ ƒ₁=300 Гц, а выходная частота системы генерирования ƒ₂=400 Гц. Искажения в напряжениях СГ обусловлены индуктивностями рассеяния его обмоток.The oscillograms correspond to the mode when the SG frequency is ƒ ₁ = 300 Hz, and the output frequency of the generation system is ƒ ₂ = 400 Hz. Distortions in the voltages of the SG are due to the inductances of the dissipation of its windings.

Использование изобретения позволяет при одновременном расширении области применения, снизить потери в якорных обмотках и в магнитопроводах статора и ротора, а также повысить качество выпрямленного напряжения за счет снижения вдвое уровня его пульсаций и увеличения вдвое их частоты, что позволяет также улучшить и массогабаритные показатели дросселей.The use of the invention allows, while expanding the scope, to reduce losses in the armature windings and in the stator and rotor magnetic circuits, as well as to improve the quality of the rectified voltage by halving its ripple rate and doubling their frequency, which can also improve the overall dimensions of the chokes.

Claims

1. A device for generating alternating current voltage of constant frequency at a variable speed of the generator drive, comprising a synchronous generator in series with a main three-phase armature winding with a star topology connected to the inputs of the main three-phase rectifier in a bridge circuit with an output filter block, which a capacitor divider is included, as well as a three-phase voltage inverter with an output filter, the output terminals of which are designed to connect asymmetries to them a three-phase load with a star topology, the midpoint of the capacitor divider is designed to connect it to the zero point of the load, characterized in that it is equipped with an individual LC filter for single-phase loads, the choke of which is connected at one end directly to one of their output terminals of the three-phase inverter voltage, an additional three-phase rectifier in a bridge circuit, two transfilters, each with a winding with a midpoint, the filtering unit is equipped with two smoothing chokes and the synchronous generator is made with an additional anchor winding, in the number of turns similar to the main anchor winding, but shifted in space relative to it by an angle π / 6, which is connected to the inputs of the additional three-phase rectifier, the same polarity leads of the main and additional three-phase rectifiers are connected to the ends of the windings of the first transfilter, other polarity leads of the same bridges connected to the ends of the windings of the second transfilter, two smoothing chokes are connected between the environments transfiltrov points of the windings and the corresponding plates of the capacitor divider and zero points of basic and additional armature coils are combined.

2. The device according to p. 1, characterized in that the zero points of the main and additional anchor windings are connected to the midpoint of the capacitor divider.