CC BY
164
ментарных значении энергии за все время разряда Ш = £Л.
При отключении стартера, как известно, ток аккумулятора изменяет направление (ток разряда переходит в ток заряда, обусловленный началом работы генератора), и программа переходит в режим вывода значения энергии и времени на жидкокристаллический индикатор.
Заключение.
1. Изложенная в данной статье методика вычислений энергии пуска может быть использована для реализации цифрового микропроцессорного измерительного прибора.
2. Применение датчика Холла в качестве первичного преобразователя больших по величине однополярных импульсов тока позволяет исключить потери энергии аккумулятора по сравнению с резистивными измерительными преобразователями.
3. Предлагаемый измеритель энергии может быть использован также для исследования различных электрохимических процессов.
4. Предлагаемый принцип построения цифрового измерителя энергии электростартерного пуска дви-
гателя позволяет исключить влияние на процесс измерения зарядного тока аккумулятора, возникающего после аккумуляторного запуска.
Библиографический список
1. Браммер, Ю. А. Импульсные цифровые устройства / Ю. А. Браммер. — М. : Высш шк., 2006. — 351 с.
2. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85). Схемы алгоритмов программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения. — М. : Издательство стандартов, 1991. — 3 с.
ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника». СЫСОЛЯТИН Виктор Юрьевич, преподаватель Учебного военного центра при ОмГТУ, аспирант кафедры «Теоретическая и общая электротехника». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.01.2013 г.
© А. П. Попов, В. Ю. Сысолятин
УДК 621.313.3 А. в. САПСАЛЕВ
С. А. ХАРИТОНОВ Е. И. АЛГАЗИН
Новосибирский государственный технический университет
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ_________________________________________________
Рассмотрены возможности системы электроснабжения летательных аппаратов и автономных транспортных объектов. Предложена система стабилизации напряжения переменного тока в широком диапазоне изменения скорости вращения вала первичного двигателя синхронного магнитоэлектрического генератора.
Ключевые слова: система электроснабжения, магнитоэлектрический генератор, инвертор напряжения, электрический привод.
Задачи авиационной электротехники. В настоящее время, в связи с повышением технического уровня производства, авиационная электротехника должна решать важные задачи:
— по дальнейшему повышению надежности, высотности и живучести всего электрооборудования;
— по снижению веса, уменьшению габаритов и повышению энергетических показателей (КПД и совф) электрических машин, аппаратов, приборов;
— по разработке мероприятий по дальнейшему повышению высотных и скоростных характеристик электрооборудования;
— по комплексной автоматизации и электромеханизации управления самолетов; по широкому внедрению переменного тока постоянной частоты;
— по разработке автоматически управляемых и регулируемых электроприводов переменного тока;
— по разработке новых типов авиационных генераторов, трансформаторов, двигателей, регуляторов и т. д.;
— по повышению точности и стабильности регулирования напряжения и частоты;
— по изучению переходных, несимметричных и аварийных режимов в авиационных электрических машинах и усовершенствованию схем защиты;
— по разработке мероприятий по повышению электрической безопасности на самолетах;
— по развитию теории авиационных электрических машин и усовершенствованию методов их проектирования.
Данные задачи сформулированы А. И. Бертино-вым в учебном пособии «Авиационные электрические генераторы», изданном в 1959 г. [1]. Авторы статьи убеждены, что и в настоящее время практически все эти задачи сохранили свою актуальность для систем электроснабжения автономных транспортных объектов.
Источники питания, применяемые в системах электроснабжения летательных аппаратов, судов, других транспортных средств и автономных объ-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
КЕ3!
+
и
—и
>н
10
ЧР"
Рис. 1
9
2
5
4
8
6
1
п-уаг
7
ектов, выполняются, как правило, на основе механо-электрических систем генерирования. В авиации широко применяется привод генераторов от маршевых двигателей, при котором обеспечивается высокая надежность и экономичность.
Особенность систем электроснабжения (СЭС) автономных объектов (авиационных, корабельных, наземного транспорта) и ветроэнергетических установок состоит в том, что выходное напряжение генератора может изменяться в широком диапазоне, как по амплитуде, так и по частоте. Так, например, в зависимости от типа двигателя летательного аппарата кратность изменения скорости его выходного вала в диапазоне работы силовой установки от режима малого газа до форсажа может изменяться от 1,2 (для турбовинтовых и винтовентиляторных двигателей) до 2,8 (для одноконтурных турбореактивных и поршневых двигателей) [2]. Поэтому применение непосредственной связи ротора генераторов с валом маршевого двигателя (прямого привода), при всей простоте кинематической цепи, имеет существенные недостатки. В первую очередь это связано с необходимостью проектирования всех элементов электрооборудования на нижний предел допускаемой частоты вращения вала первичного двигателя. Вследствие этого все электромагнитные устройства электрооборудования, рассчитанные на работу при минимальной частоте вращения, будут иметь завышенные габариты и массу.
В СЭС летательных аппаратов постоянство частоты вращения вала электрического генератора обеспечивается за счет введения промежуточного звена — привода постоянной частоты вращения. Данный привод фактически выполняет функции редуктора с управляемым различными методами передаточным числом. Он является достаточно сложным звеном, вносит дополнительные потери и весьма несущественно снижает габариты и массу системы электроснабжения автономных транспортных средств.
Поэтому, несмотря на указанные недостатки прямого привода, он представляется достаточно перспективным для применения в автономных транспортных объектах с относительно небольшим диапазоном изменения скоростей в рабочих режимах.
Наиболее перспективны системы, содержащие магнитоэлектрические генераторы (с возбуждением от постоянных магнитов), непосредственно связанные с валом первичного двигателя. При отсутствии привода постоянной частоты вращения генераторы формируют на своих выходах напряжение, действующее значение которого зависит от скорости вращения вала первичного двигателя и тока нагрузки.
На рис. 1 приведен один из возможных вариантов источника питания для автономных транспортных и летательных объектов. В состав структурной схемы входят первичный двигатель 1, вал которого непосредственно связан с ротором 3 синхронного генератора 2 с возбуждением от постоянных магнитов. С выхода обмотки статора 4 трехфазное напряжение
поступает на вход трехфазного мостового выпрямителя 5. Для уменьшения пульсаций напряжения постоянного тока служит фильтр 6. Трехфазное напряжение с выхода обмотки статора 4 может быть использовано для питания переменным током потребителей, не критичных к частоте и уровню напряжения 7, а также через дополнительный выпрямитель (на рисунке не показано) для потребителей постоянного тока, не критичных к уровню напряжения.
Изменение частоты и уровня выходного напряжения генератора накладывает особые требования на преобразователи для обеспечения постоянной частоты и стабильного уровня напряжения электропитания для различного типа нагрузок автономных объектов, критичных к этим параметрам. Например, в [3] отмечается, что применение устройств силовой электроники в автомобильной промышленности при 10 %-ной экономии топлива имеет потенциал экономии в 29 млрд долл. на парке 500 млн автомобилей.
Широкий спектр потребителей электрической энергии авиационного и наземного транспорта составляют электрические двигатели. Традиционным электроприводам постоянного тока в последнее время все большую конкуренцию составляют электроприводы переменного тока. Это обусловлено не только известными преимуществами двигателей переменного тока, но и широким внедрением в состав управляющих устройств электропривода микропроцессорной техники, позволяющей достаточно просто реализовать требуемые алгоритмы управления двигателями переменного тока на основе цифровых систем управления. «Прогресс в области создания дешевых и надежных микропроцессоров открыл широкие возможности для применения в регулируемом электроприводе элементов цифровых устройств, вплоть до полной замены ими аналоговых элементов» [4]. В этом плане перспективно создание комбинированных систем электроснабжения, как на постоянном, так и на переменном токе. Структурная схема (рис. 1) показывает, что эта задача легко реализуема. Для этих целей достаточно ввести в систему электроснабжения трехфазный мостовой инвертор (преобразователь частоты) 8, к выходу которого подключается трехфазная нагрузка 9.
Данный канал передачи электрической энергии потребуется в первую очередь для электрических двигателей. Это обусловлено неоспоримыми преимуществами трехфазных электрических двигателей по отношению к машинам постоянного тока. Здесь отметим только два основных фактора: отсутствие скользящих электрических контактов, что существенно повышает ресурс и надежность асинхронных двигателей по сравнению с электродвигателями постоянного тока, и более высокие удельные массогабаритные показатели, что весьма существенно для летательных аппаратов.
Для управления реверсивными потребителями постоянного тока можно использовать однофазный мостовой инвертор 10 на полностью управляемых
СЕ3
4
2\2\ 2\
1\2\ 2\
10
У-
и
Рис. 2
2
7
6
1
8
п-уаг
9
5
ключах с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения [5]. Инвертор обеспечивает реверс полярности постоянного напряжения в зависимости от сигнала задания, например, для изменения направления вращения исполнительного двигателя 11.
Решить задачу стабилизации уровня напряжения на выходе звена постоянного тока можно, если трехфазный выпрямитель 5 выполнить управляемым. Но при большом диапазоне изменения скорости вращения вала первичного двигателя в рабочем режиме и при условии поддержания тока нагрузки на номинальном уровне здесь потребуется рассеяние значительной мощности в звене постоянного тока. Если в рабочем режиме скорость вращения вала первичного двигателя может изменяться в два раза, то соответственно, и мощность звена постоянного тока должна соответствовать данному условию. Частично остроту вопроса можно снять, если потребители электрической энергии разделить на две группы, для одной из которых уровень напряжения не играет существенной роли, а для другой требуется питание стабильным напряжением с возможностью его регулирования. Например, на турбовинтовых самолетах доля потребителей электрической энергии, не критичных к роду тока и частоте переменного тока, составляет до 70 % всей потребляемой энергии [2].
В соответствии со структурной схемой нагрузка, не критичная к частоте тока и уровню напряжения (блок 7), должна подключаться к выводам статорной обмотки 4. Частично уровень напряжения ответственных потребителей можно ограничить с помощью управляемых инверторов 8 и 10. В результате данных мероприятий, разделения нагрузок и применения управляемых инверторов можно несколько сократить мощность, подлежащую рассеиванию в наиболее тяжелых режимах роботы, но полностью разгрузить звено постоянного тока не представляется возможным.
Оптимальным решением проблемы является применение первичного генератора с регулируемым выходным напряжением. Принципиально при фиксированной частоте вращения ротора синхронного генератора это можно реализовать двумя путями. Наиболее просто этот вопрос решается в генераторах с электромагнитным возбуждением за счет регулирования тока возбуждения. Но применение таких генераторов в автономных объектах не всегда оправдано, например, для летательных аппаратов.
Наиболее перспективным направлением в области развития автономных источников питания, в том числе и для летательных аппаратов, является разработка и внедрение генераторов с возбуждением
от постоянных магнитов. В относительно небольших пределах выходное напряжение магнитоэлектрического генератора можно регулировать путем изменения магнитной проводимости ярма якоря. Стабилизации напряжения реализуется изменением сопротивления магнитопровода магнитной цепи якоря за счет введения дополнительной тороидальной под-магничивающей обмотки [1]. Система эффективна для стабилизации выходного напряжения генератора при изменении его нагрузки. Но в то же время имеет ограниченные возможности регулирования напряжения при изменении частоты вращения вала генератора в широком диапазоне, что является ее недостатком. В этом случае сохраняется необходимость применения механического привода постоянной частоты вращения, либо электронного преобразователя уровня напряжения. В любом случае подобные системы стабилизации напряжения, при изменении частоты вращения вала генератора в широком диапазоне, будут иметь повышенные массогабаритные характеристики и относительно низкий коэффициент мощности.
Для стабилизации напряжения переменного тока летательных аппаратов при изменении скорости вращения вала первичного двигателя в широком диапазоне применяют авиационные генераторы с комбинированным возбуждением [1]. Магнитный поток в таких генераторах создается в результате совместного действия постоянных магнитов и дополнительной обмотки возбуждения, выполняющей роль регулировочного звена. Повышенные массогабаритные показатели электромеханического преобразователя и высокая трудоемкость изготовления ограничивают применение таких систем.
В [6] для стабилизации напряжения переменного тока предложено использовать магнитоэлектрический генератор, который содержит рабочую и дополнительную обмотки. Но функции дополнительной обмотки здесь существенно отличаются по сравнению с функциями дополнительной обмотки возбуждения авиационных генераторов с комбинированным возбуждением. Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет источника формирования реактивного тока в дополнительной обмотке генератора. Для регулирования потока возбуждения используется звено формирования реактивного тока достаточно сложной конструкции и фильтр высших гармоник относительно больших габаритов для приближения формы выходного напряжения к синусоидальной. Существенно устранить данные недостатки позволяет система стабилизации напряжения переменного тока [7], схема которого приведена на рис. 2.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
Система состоит из синхронного генератора 2 с магнитоэлектрическим возбуждением, который содержит рабочую (основную) обмотку 4 и дополнительную 5 (для формирования требуемого потока возбуждения). Вал первичного двигателя 1 непосредственно связан с ротором 3 синхронного генератора. От выходных выводов рабочей обмотки 4 генератора через промежуточный фильтр 6 обеспечивается питание нагрузки (потребителя) 7 стабильным напряжением переменной частоты. Параллельно нагрузке подключен узел сравнения 8, ко второму входу которого присоединен источник 9 задания требуемого (эталонного) напряжения изад потребителей электрической энергии. Выход узла сравнения 8 соединен с управляемым короткозамыкателем 10, к другим зажимам которого присоединены выходные выводы дополнительной обмотки 5.
Работа системы стабилизации переменного напряжения состоит в следующем. Фазу генератора можно смоделировать схемой замещения, приведенной на рис. 3. На рис. 4 приведена ее векторная диаграмма.
В соответствии со схемой замещения напряжение на выходе генератора определяется выражением
и = Е1 - ]ЪМТ2 - ]«>Ь111,
где Е1 = К1юФ — ЭДС вращения, наводимая результирующим магнитным потоком Ф в фазе рабочей обмотки; К1 — коэффициент пропорциональности; ю — угловая частота вращения ротора; 11 — ток фазы рабочей обмотки; 12 — ток фазы дополнительной обмотки; -]юМ/2 = ЕМ2 — ЭДС взаимной индукции, наводимая током дополнительной обмотки и пропорциональная угловой частоте вращения ротора; М — коэффициент взаимной индукции между рабочей и дополнительной обмотками; Ь1 — синхронная индуктивность фазы рабочей обмотки.
Таким образом, основными факторами, определяющими стабильность выходного напряжения генератора, являются изменение частоты вращения ю, тока нагрузки 11 и тока дополнительной обмотки 12.
Рассмотрим влияние частоты вращения и тока дополнительной обмотки на выходное напряжение генератора в режиме холостого хода, когда ток фазы основной обмотки 11 равен нулю. При вращении первичного двигателя 1 (и связанной с ним полюсной системы ротора 3, выполненной на постоянных ман-ганитах) в фазах дополнительной обмотки 5 генератора 2 в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС Е2, равная
Е2
■ К2<В Фв ,
Е2
№ + X 2
К2юФБ
7(^2 / ®)2 + 4
и на угол ф2 = агс1д(ю!.2/Л2) смещен относительно ЭДС ег
Здесь Я2 — активное сопротивление фазы дополнительной обмотки; Ь2 — индуктивность дополнительной обмотки; Х2 = юЬ2 — реактивное сопротивление дополнительной обмотки.
Рис. 3
где К2 — коэффициент пропорциональности; ФБ — магнитный поток, созданный постоянными магнитами полюсной системы ротора.
Данная ЭДС на 90° отстает от вектора магнитного потока ФБ, как это показано на векторной диаграмме рис. 4. При этом в фазах дополнительной обмотки возникает ток 12, который определяется выражением
Рис. 4
Этот ток создает магнитный поток Ф2, который по отношению к магнитному потоку полюсной системы является продольно размагничивающим. В результате рабочий магнитный поток в воздушном зазоре машины Ф уменьшается (векторная диаграмма построена при пренебрежении потоками рассеяния). Рабочий магнитный поток наводит в витках основной обмотки якоря ЭДС Е1, которая отстает от этого потока на 90°. Кроме того, в витках основной обмотки током дополнительной обмотки наводится также ЭДС взаимной индукции ЕМ2. В результате напряжение на выходе рабочей обмотки в режиме холостого хода будет равно
ию = Е1 - jwM12 .
Как видно из векторной диаграммы, выходное напряжение и10 меньше ЭДС вращения, так как вектора Е1 и Е М2 находятся практически в противо-фазе.
Таким образом, можно сделать вывод, что дополнительная обмотка уменьшает выходное напряжение основной обмотки за счет двух факторов: снижения результирующего магнитного потока, обусловленного продольно размагничивающей реакцией якоря, и противо ЭДС взаимной индукции.
Параметры рабочей обмотки при отсутствии тока в дополнительной обмотке (12 = 0) должны обеспечивать номинальное напряжение генератора при максимально допустимой величине тока нагрузки и минимально допустимой скорости вращения ротора.
При увеличении скорости вращения ротора или уменьшении тока нагрузки для сохранения уровня выходного напряжения генератора необходимо установить соответствующую величину тока дополнительной обмотки (12Ф 0). В результате уменьшится ЭДС рабочей обмотки до величины необходимой для обеспечения номинального выходного напряжения генератора.
Параметры дополнительной обмотки должны выбираться из условия обеспечения номинального выходного напряжения в режиме холостого хода (11 = 0) при максимальных допустимых оборотах вала генератора и замкнутом короткозамыкателе (12 = 12тш). С уменьшением числа оборотов вала генератора или увеличением тока рабочей обмотки для сохранения
I
2
К 2 Фб
І2 =
заданного напряжения нагрузки необходимо соответствующим образом уменьшать ток дополнительной обмотки.
Величина тока дополнительной обмотки определяется узлом сравнения 7, выходной сигнал которого пропорционален разности между уровнями заданного напряжения и напряжения нагрузки. Регулирование тока осуществляется широтно-импульсным методом. Требуемая величина тока дополнительной обмотки определяется скважностью (отношением длительности сигнала к его периоду) широтно-модулированного выходного сигнала узла сравнения. При высокой несущей частоте сигнала управления пульсации тока дополнительной обмотки, связанные с импульсной коммутацией управляемого ключа короткозамыкателя, могут быть практически сведены к нулю. Следовательно, управляемый коротко-замыкатель не создает пульсаций в выходном напряжении генератора. Это позволяет существенно уменьшить габариты промежуточного фильтра 5 между генератором и нагрузкой. При синусоидальной форме выходного напряжения генератора промежуточный фильтр 5 вообще может быть исключен, что уменьшает габариты системы стабилизации напряжения.
Вывод.
В предложенном варианте система электроснабжения автономных транспортных объектов обеспечивает стабилизацию напряжения за счет двух факторов: снижения результирующего магнитного потока, обусловленного продольно размагничивающей реакцией якоря, и противо ЭДС взаимной индукции, наводимой дополнительной обмоткой в фазах рабочей обмотки. Т.е. дополнительная обмотка не только формирует реактивный размагничивающий ток генератора при увеличении числа оборотов, но и выполняет роль внутренней отрицательной обратной связи по напряжению.
Кроме того, применение управляемого коротко-замыкателя снижает пульсации в выходном напряжении генератора, что позволяет уменьшить габариты системы стабилизации напряжения переменного тока за счет существенного снижения массы промежуточного фильтра между генератором и нагрузкой. При синусоидальной форме выходного напряжения генератора промежуточный фильтр вообще может быть исключен.
Библиографический список
1. Бертинов, А. И. Авиационные электрические генераторы : учеб. пособие / А. И. Бертинов. — М. : Государственное издательство оборонной промышленности, 1959. — 594 с.
2. Грузков, С. А. Электрооборудование летательных аппаратов : учебник для вузов. В 2 т. Т. 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов / С. А. Грузков ; под ред. С. А. Грузкова. — М. : Издательство МЭИ, 2005. — 568 с.
3. Зиновьев, Г. В. Основы силовой электроники : учеб. пособие / Г. В. Зиновьев. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.
4. Ишматов, З. Ш. Микропроцессорное управление электроприводами и технологическими объектами. Полиноми-нальные методы : моногр. / З. Ш. Ишматов. — Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2007. — 278 с.
5. Лихошерст, В. И. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии с импульсным регулированием / В. И. Лихошерст. — Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2000. — 116 с.
6. Пат. 81609 Российская Федерация, МПК Н 02 Р 9/00. Система генерирования стабильного напряжения переменного тока / Юхнин М. Г., Левин А. В., Лившиц Э. Я., Пузанов В. Г., Харитонов С. А. ; заявитель и патентообладатели Юхнин М. Г., Левин А. В., Лившиц Э. Я., Пузанов В. Г., Харитонов С. А. — № 2008147984/22 ; заявл. 05.12.08 ; опубл. 20.03.09. — 6 с.
7. Пат. 115434 Российская Федерация, МПК Н 02 Р 9/00, Н02 Р 9/44. Система стабилизации напряжения переменного тока / Макаров Д. В., Харитонов С. С., Калужский Д. Л., Сапсалев А. В., Лившиц Э. Я., Юхнин М. М. ; заявители и патентообладатели Новосибирский гос. техн. университет , производственное объединение «Север». — № 2011128321/07 ; заявл. 08.07.11 ; опубл. 20.04.12, Бюл. № 11.
САПСАЛЕВ Анатолий Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор, заместитель заведующего кафедрой «Электроника и электротехника».
ХАРИТОНОВ Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электроника и электротехника». АЛГАЗИН Евгений Игоревич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электроника и электротехника».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 06.12.2012 г.
© А. В. Сапсалев, С. А. Харитонов, Е. И. Алгазин
Книжная полка
Гусев В. Г. Электроника и микропроцессорная техника : учеб. для вузов по направлению подгот. бакалавров и магистров «Биомедицинская инженерия» и направлению подгот. дипломир. специалистов «Биомедицинская техника» / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. - 6-е изд., стер. - М. : КНОРУС, 2013. - 798 ^ - ISBN 978-5-406-02537-6.
В учебнике в общедоступной форме приведены сведения об элементной базе и схемотехнике аналоговой и цифровой электроники и оптоэлектроники. Описаны компоненты электронных цепей, функции усилителей и аналоговых преобразователей.Издание включает в себя, в частности, разделы, разделы, в которых содержится информация об электронных счетчиках; о регистрах, шифраторах, дешифраторах, преобразователях кодов; запоминающих устройствах; источниках вторичного электропитания, а также зарубежные стандарты. Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования третьего поколения.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
