RU2460204C1 - Autonomous starter-generator power supply system - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: system comprises one inverter and one electric machine, operating as a start or as a generator, during the start the inverter provides for development of a rotating electromagnetic field and rotation of a rotor in accordance with any available program, and in the generation mode the inverter operates as a rectifier and a step-up controller of DC voltage. Its transition into the generation mode is realised with a switch of control units power supply by a signal of an electric machine rotor rpm controller, afterwards in turns, by half-cycles, power keys of the inverter are controlled from a metering element of output voltage via two width-pulse modulators.

EFFECT: stabilisation of voltage on loads with reduction of their weight and cost of a system.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, обеспечивающей электроснабжение автономных объектов. К таким объектам относятся, например, летательные аппараты, транспортные средства. Во многих упомянутых объектах нагрузки питаются постоянным напряжением 27 В, при этом требуется обеспечить как автономный запуск двигателя объекта, так и обеспечение нагрузок стабилизированным постоянным напряжением при самых жестких требованиях к массе и габаритам системы.The invention relates to the field of electrical engineering, providing power to autonomous objects. Such objects include, for example, aircraft, vehicles. In many of the aforementioned facilities, the loads are supplied with a constant voltage of 27 V, while it is necessary to ensure both autonomous starting of the engine of the facility, and providing the loads with stabilized constant voltage with the most stringent requirements for the mass and dimensions of the system.

Известна [1] стартер-генераторная электроэнергетическая установка, обеспечивающая снабжение нагрузок электроэнергией и запуск двигателя внутреннего сгорания. В этой установке для запуска и генерирования использована одна электрическая машина и один преобразователь со звеном постоянного тока и инвертором, что обеспечивает снижение массы и стоимости. Однако эта установка обеспечивает нагрузки переменным током и не может быть применена в системах постоянного тока.Known [1] starter-generator electric power plant, providing power to the loads and starting the internal combustion engine. In this installation, one electric machine and one converter with a DC link and an inverter are used to start and generate, which ensures a reduction in mass and cost. However, this installation provides loads with alternating current and cannot be applied in DC systems.

Известен [2] способ управления вентильным электроприводом и электропривод [3], обеспечивающий режим торможения за счет поочередного широтно-импульсного управления всеми силовыми ключами трехфазного инвертора, соединенными с положительной шиной, а потом ключами, соединенными с отрицательной силовой шиной.Known [2] is a method of controlling a valve actuator and an electric actuator [3], which provides a braking mode due to alternating pulse-width control of all power switches of a three-phase inverter connected to a positive bus, and then the keys connected to a negative power bus.

В предлагаемой стартер-генераторной системе электроснабжения способ управления при торможении электропривода использован в режиме генерирования, а предложенная схема снабжена дополнительными управляющими блоками, позволяющими минимизировать массу и стоимость системы, при одновременной стабилизации напряжения. Технический результат достигается за счет того, что автономная стартер-генераторная система электроснабжения постоянным током, снабженная пусковым источником электроэнергии, например аккумулятором, содержащая двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной, которая при пуске работает как двигатель, а в рабочем режиме, как генератор, причем обмотки статора электрической машины соединены с трехфазным мостовым инвертором на полупроводниковых ключах, соединенных через согласующие каскады с системой управления запуском и с двухканальной системой широтно-импульсных модуляторов, причем выход первого канала через согласующие каскады связан с полупроводниковыми ключами, подключенными к плюсовой шине системы электроснабжения, а выход второго канала связан с ключами, подключенными к минусовой шине, причем каждый канал имеет два входа, при этом первые входы подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения, а нагрузки системы электроснабжения через контактор и буферный аккумулятор соединены с шинами постоянного тока инвертора, а к клеммам питания нагрузок присоединен измерительный орган напряжения, выход которого через усилитель присоединен ко вторым входам каждого канала широтно-импульсного модулятора, причем система снабжена контроллером числа оборотов ротора электрической машины, который через пороговый элемент соединен с переключателем электропитания блоков управления режимами запуска и генерирования с регулированием величины выходного напряжения системы электроснабжения нагрузок постоянным током.In the proposed starter-generator power supply system, the control method for braking the electric drive is used in the generating mode, and the proposed circuit is equipped with additional control units to minimize the weight and cost of the system while stabilizing the voltage. The technical result is achieved due to the fact that the autonomous starter-generator system of direct current power supply, equipped with a starting source of electricity, for example, a battery, contains an internal combustion engine, mechanically connected to an electric machine, which at start-up works as an engine, and in operating mode, as a generator moreover, the stator windings of the electric machine are connected to a three-phase bridge inverter on semiconductor switches connected through matching cascades to the control system by starting and with a two-channel system of pulse-width modulators, the output of the first channel through the matching stages connected to the semiconductor switches connected to the positive bus of the power supply system, and the output of the second channel connected to the keys connected to the negative bus, each channel has two inputs, the first inputs are connected to the antiphase outputs of the sawtooth generator, and the loads of the power supply system are connected to the DC buses through a contactor and a buffer battery an inverter, and a voltage measuring organ is connected to the load power terminals, the output of which through an amplifier is connected to the second inputs of each channel of a pulse-width modulator, the system being equipped with a rotor speed controller of an electric machine, which is connected via a threshold element to the power switch of the control units for starting and generating with regulation of the output voltage of the DC power supply system.

Система представлена на фигуре 1, где обозначено:The system is presented in figure 1, where it is indicated:

1 - Электрическая машина с ротором на постоянных магнитах;1 - Electric machine with a permanent magnet rotor;

2 - Трехфазный инвертор на полупроводниковых ключах, шунтированных диодами;2 - Three-phase inverter on semiconductor switches, shunted by diodes;

3 - Основной двигатель объекта, например турбина;3 - The main engine of the object, such as a turbine;

4 - Накопительный конденсатор на шинах постоянного тока инвертора;4 - Storage capacitor on the DC bus of the inverter;

5 - Аккумуляторная батарея;5 - rechargeable battery;

6 - Пусковой контактор;6 - Starting contactor;

7 - Нагрузки электросети автономного объекта;7 - Power grid autonomous object;

8 - Согласующие каскады, например драйверы;8 - Matching cascades, for example drivers;

9 - Система управления запуском;9 - launch control system;

10 - Контроллер числа оборотов с пороговым элементом;10 - Speed controller with a threshold element;

11 - Переключатель электропитания блоков управления;11 - Power switch control units;

12 - Генератор пилообразного напряжения;12 - sawtooth voltage generator;

13 - Измерительный орган выходного напряжения с усилителем;13 - Measuring body of the output voltage with an amplifier;

14; 15 - Первый и второй широтно-импульсные модуляторы.fourteen; 15 - The first and second pulse width modulators.

Работает предложенная система следующим образом.The proposed system works as follows.

При запуске замыкаются контакты 6 пускового устройства. От аккумулятора 5 поступает электропитание на нагрузки 7 и в систему зажигания двигателя внутреннего сгорания 3. Одновременно через контакты переключателя 11 электропитание поступает на блок 9, обеспечивающий программу управления пуском, и через согласующие каскады 8 начинают коммутироваться силовые полупроводниковые ключи инвертора 2, так что в статоре электрической машины 1 образуется вращающееся электромагнитное поле. В результате начинает вращаться ротор электрической машины 1, механически связанный с двигателем внутреннего сгорания 3, и по достижении определенных оборотов, осуществляется устойчивый пуск двигателя 3 с последующим увеличением оборотов.When starting, contacts 6 of the starting device are closed. From the battery 5, power is supplied to the loads 7 and to the ignition system of the internal combustion engine 3. At the same time, through the contacts of the switch 11, power is supplied to the block 9, which provides the start control program, and through the cascading stages 8, the power semiconductor switches of the inverter 2 begin to be switched, so that in the stator electric machine 1, a rotating electromagnetic field is formed. As a result, the rotor of the electric machine 1, mechanically connected with the internal combustion engine 3, begins to rotate, and upon reaching a certain speed, a steady start of the engine 3 is carried out with a subsequent increase in speed.

Контроллер 10 числа оборотов с пороговым элементом осуществляет мониторинг числа оборотов и при заданной их величине обеспечивает с помощью переключателя 11 перевод электропитания с блока 9 на блоки 14 и 15. На эти же блоки подаются сигналы с генератора пилообразного напряжения 12. Причем на один блок подаются положительные полуволны пилообразного напряжения, а на другой блок подаются отрицательные полуволны пилообразного напряжения. На эти же блоки подается с измерительного органа 13 сигнал, который сравнивается с соответствующим пилообразным напряжением. Если выходное напряжение равно заданному, то сигнал с измерительного органа 13 превосходит сигнал с генератора пилообразного напряжения 12. В этом случае все полупроводниковые ключи инвертора 2 закрыты и он работает как мостовой трехфазный выпрямитель, снабжая электроэнергией нагрузки 7 и подзаряжая аккумулятор 5.The controller 10 of the revolutions with a threshold element monitors the number of revolutions and, with a given value, provides the switch 11 to switch the power supply from block 9 to blocks 14 and 15. The signals from the sawtooth generator 12 are sent to the same blocks. Moreover, positive signals are sent to one block half wave of sawtooth voltage, and negative half wave of sawtooth voltage is applied to another block. A signal is supplied to the same blocks from the measuring organ 13, which is compared with the corresponding sawtooth voltage. If the output voltage is equal to the specified one, then the signal from the measuring body 13 exceeds the signal from the sawtooth voltage generator 12. In this case, all the semiconductor switches of the inverter 2 are closed and it works as a three-phase bridge rectifier, supplying electricity to the load 7 and recharging the battery 5.

При снижении выходного напряжения сигнал с измерительного органа 13 уменьшается и на некоторое время t сигнал пилообразного напряжения превышает его. При этом все силовые ключи инвертора 2, присоединенные к положительной или отрицательной шине, в зависимости от какого из модуляторов идет сигнал, открываются (см. схему по фиг.1).When the output voltage decreases, the signal from the measuring body 13 decreases and for a certain time t the sawtooth voltage signal exceeds it. In this case, all the power switches of the inverter 2 connected to the positive or negative bus, depending on which of the modulators the signal goes, open (see the diagram of figure 1).

В результате на полупериоде T/2 пилообразного напряжения в течение времени t три присоединительных к одной шине полуприводниковых ключа открыты, а в течение (T/2-t) - закрыты.As a result, at the sawtooth half-wave period T / 2, for the time t, the three semi-drive switches connected to the same bus are open, and closed (T / 2-t).

Энергия за время t запасается в закороченных обмотках статора и во внешних индуктивностях, обозначенных на фигуре 1 пунктиром, а на этапе (T/2-t) сбрасывается в конденсатор 4. В выходное напряжение будет увеличиваться. Если полупроводниковые ключи инвертора 2 имеют встроенную защиту по току, то внешних индуктивностей не требуется. Для установившегося процесса, в режиме непрерывных токов, выходное напряжение будет определяться выражениемEnergy for time t is stored in the shorted stator windings and in the external inductors indicated by a dotted line in figure 1, and at stage (T / 2-t) it is discharged into the capacitor 4. The output voltage will increase. If the semiconductor switches of inverter 2 have built-in current protection, then external inductors are not required. For a steady process, in continuous current mode, the output voltage will be determined by the expression

В результате, за счет действия обратной связи, выходное напряжение будет стабилизироваться.As a result, due to the feedback action, the output voltage will stabilize.

Если обороты основного двигателя 3 уменьшатся в два раза, в два раза уменьшится напряжение на обмотках электрической машины 1, а отношение

достигнет значения 0,5.If the speed of the main engine 3 decreases by half, the voltage across the windings of the electric machine 1 decreases by half, and the ratio

reaches a value of 0.5.

При этом выходное напряжение на нагрузках уменьшается только на величину статической ошибки системы регулирования.In this case, the output voltage at the loads decreases only by the value of the static error of the control system.

В результате, предложенная стартер-генераторная система будет снабжать нагрузки автономного объекта стабилизированным постоянным напряжением при простейшей силовой части, а следовательно, при минимальной массе и стоимости.As a result, the proposed starter-generator system will supply the loads of an autonomous object with a stabilized constant voltage at the simplest power unit, and therefore, with a minimum weight and cost.

Источники информацииInformation sources

1. Патент на изобретение №2363090 от 21.01.2008 г.1. Patent for invention No. 2363090 dated January 21, 2008

авторы Лаптев Н.Н., Харитонов С.А.authors Laptev NN, Kharitonov S.A.

2. Патент на изобретение №2398348 от 01.12.2008 г.2. Patent for invention No. 2398348 dated 01.12.2008.

автор Лаптев Н.Н.author Laptev N.N.

3. Патент на полезную модель №82077 от 05.12.2008 г.3. Patent for utility model No. 82077 dated December 5, 2008.

авторы Лаптев Н.Н., Левин А.В., Довгаленок В.М., Ходунов М.Ф.authors Laptev N.N., Levin A.V., Dovgalenok V.M., Khodunov M.F.

Claims (1)

Автономная стартер-генераторная система электроснабжения постоянным током, снабженная пусковым источником электроэнергии, например аккумулятором, содержащая двигатель внутреннего сгорания, механически соединенный с электрической машиной, которая при пуске работает как двигатель, а в рабочем режиме - как генератор, причем обмотки статора электрической машины соединены с трехфазным мостовым инвертором на полупроводниковых ключах, соединенных через согласующие каскады с системой управления запуском и с двухканальной системой широтно-импульсных модуляторов, причем выход первого канала через согласующие каскады связан с полупроводниковыми ключами, подключенными к плюсовой шине системы электроснабжения, а выход второго канала связан с ключами, подключенными к минусовой шине, причем каждый канал имеет два входа, первые входы которых подключены к противофазным выходам генератора пилообразного напряжения, отличающаяся тем, что нагрузки системы электроснабжения через контактор и буферный аккумулятор соединены с шинами постоянного тока инвертора, а к клеммам питания нагрузок присоединен измерительный орган напряжения, выход которого через усилитель присоединен ко вторым входам каждого канала широтно-импульсного модулятора, причем система снабжена контроллером числа оборотов ротора электрической машины, который через пороговый элемент соединен с переключателем электропитания блоков управления режимами запуска и генерирования с регулированием величины выходного напряжения системы электроснабжения нагрузок постоянным током. Autonomous starter-generator DC power supply system, equipped with a starting source of electricity, for example a battery, containing an internal combustion engine, mechanically connected to an electric machine, which at start-up works as an engine, and in operating mode - as a generator, and the stator windings of the electric machine are connected to a three-phase bridge inverter on semiconductor switches connected through matching cascades to a start-up control system and to a two-channel latitude system -pulse modulators, and the output of the first channel through matching cascades is connected to semiconductor switches connected to the positive bus of the power supply system, and the output of the second channel is connected to switches connected to the negative bus, and each channel has two inputs, the first inputs of which are connected to antiphase outputs sawtooth voltage generator, characterized in that the loads of the power supply system through the contactor and the buffer battery are connected to the DC buses of the inverter, and to the power terminals the load is connected to a voltage measuring organ, the output of which through the amplifier is connected to the second inputs of each channel of the pulse-width modulator, and the system is equipped with a rotor speed controller of the electric machine, which is connected via a threshold element to the power switch of the control units for starting and generating modes with regulation of the output voltage DC power supply systems.