Комбинированное устройство для управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока и питания двигателя переменного тока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в сетях постоянного тока на борту летательного аппарата и в любых типах бортовых сетей (морское судно, автомобиль и т.д. и в не бортовых сетях, например в стационарных сетях (локальная сеть постоянного тока, железнодорожная сеть и т.д.). Техническим результатом является снижение рисков нестабильности и обеспечение качества и подачи мощности как в нормальном, так и в аварийном режиме (отключение источника, перегрузка мощности на центре и т.д.). Комбинированное устройство (10) для управления передачей мощности между двумя центрами (42, 46) сети постоянного тока и питания двигателя (13) переменного тока содержит блок (19) из двух трехфазных инверторов, каждый из которых включает в себя три коммутационных элемента, соединенных с указанным двигателем (13), при этом двигатель (13) содержит три обмотки статора, соединенные с двумя трехфазными инверторами. Также устройство содержит модуль (23) управления указанным блоком (19), обеспечивающий возможность регулируемой передачи энергии на постоянном токе, стабилизации постоянного напряжения на одном из двух указанных центров при отсоединении другого и управления двигателем (13). 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к комбинированному устройству для управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока и для питания двигателя переменного тока и может быть использовано, в частности, в сетях постоянного тока на борту летательного аппарата, а также в любых типах бортовых сетей (морское судно, автомобиль и т.д.) и даже в других, не бортовых сетях, например в стационарных сетях (локальная сеть постоянного тока, железнодорожная сеть и т.д.).

Для простоты изложения в дальнейшем описание изобретения ограничивается использованием только в области авиационных бортовых сетей.

Уровень техники

Интерес к передаче энергии по линии постоянного тока в бортовых сетях в основном связан с развитием электронных силовых систем, в частности, с увеличением числа установленных на борту самолета электромеханических приводов. Большинство этих приводов, управляемых и питаемых при помощи преобразователей постоянного тока, требуют наличия каскада постоянного напряжения. Однако такой каскад получают на основе классической переменной сети с использованием преобразования переменного тока в постоянный.

Все используемые блоки преобразования можно заменить централизованным распределением энергии: это распределение может быть полным прямым распределением (сеть высокого постоянного напряжения или HVDC) или частичным прямым распределением (смешанная сеть переменного/постоянного напряжения).

Однако применение таких постоянных сетей связано со многими техническими проблемами, в частности, с необходимостью обеспечения стабильности этих сетей независимо от типа силовой нагрузки.

Чтобы обеспечить достаточное качество напряжения для каждого прибора, подключенного к такой постоянной сети, и отфильтровать гармонические частоты, генерируемые этими приборами, можно использовать, например индуктивно-емкостной фильтр типа L/C (L - индуктивность; С - емкость), установленный на входе прибора. В современных сетях постоянного тока подключенные нагрузки часто управляются силовыми электронными устройствами управления, которые в шкале граничных частот фильтра потребляют почти постоянную мощность. Такое явление является тем более очевидным, учитывая, что регулирование подключенного прибора происходит динамически. Однако входной фильтр, помещенный между источником постоянного тока и регулируемым преобразователем постоянного тока, в этом случае может входить в состояние колебания во время подачи мощности. Чем больше соотношение L/C, что, в частности, происходит, когда прибор подключают к кабелю большой длины, тем больше колебания напряжения на контактах конденсатора фильтра.

В документе «Méthode d'etude de la stabilite des ensembles convertisseurs-filtres» de Philippe Barrade, Hubert Piquet, et Yvon Cheron (Journal de Physique III, vol.6, pages 91 á 104 janvier 1996), далее - [1] показано, что любая система, образованная фильтром, нагружаемым преобразователем постоянного тока, и потребляющая постоянную мощность в динамическом диапазоне фильтра, является потенциально нестабильной системой.

Архитектуры современных сетей переменного тока предполагают подключение всех приборов к единому «центру» по линиям, которые могут достигать большой длины и становиться в этом случае высокоимпедансными.

«Центром» является узел соединения источник-нагрузка, содержащий защитные и контактные элементы, напряжение (в данном случае постоянное) которого стабилизируется внешним элементом. Центр может быть соединен с источником энергии: блок генератора переменного тока и выпрямителя («связанный центр»). Он может быть также соединен только с одним источником энергии (аккумулятор) или просто с одним или несколькими другими центрами («несвязанный центр»).

Учитывая упомянутые выше явления потенциальной нестабильности и усиление этих явлений при использовании кабелей большой длины, нецелесообразно переносить архитектуру сетей постоянного тока на архитектуру сетей переменного тока.

В документах «Subsystem interaction analysis in power distribution System of next génération airlifters» de Sriram Chandrasekaran, Douglas K. Lindner, Konstantin Louganshi, et Dushan Boroyevich (European power electronics conférence, Lausanne, Suisse, 7-9 septembre 1999, pages 1-6), далее - [2] и «An active bus conditioner for a distributed power System» de Kun Xing, Jinghong Guo, Wenkang Huang, Dengming Peng, Fred C. Lee et Dusan Borojevic (Power Electronics Specialists Conférence, pages 895-900, 1' PESC 99. 30-th Annual IEEE), далее - [3] описаны два известных технических решения, целью которых является снижение опасности нестабильности.

В первом из этих документов описана бортовая система распределения мощности для самолета в рамках инициативы МЕА ("More Electric Aircraft" или «Более электрический самолет»). Большинство нагрузок, включая исполнительные устройства, регулируются с использованием двунаправленных силовых преобразователей, которые контролируют и согласовывают мощность при помощи постоянной шины. В этом документе анализируется потеря стабильности в случае больших возмущений, чтобы показать преимущество нелинейного метода анализа стабильности.

Во втором из этих документов описано устройство согласования активной постоянной шины для системы распределения мощности, которое компенсирует гармонический и реактивный ток на постоянной шине и активно ослабляет колебания в силовой системе постоянного тока.

Задачей настоящего изобретения является совмещение двух функций:

а) снижение рисков нестабильности путем размещения между двумя центрами, находящимися в разных зонах системы, и, следовательно, разделенных большими расстояниями, силовой и управляющей электроники, которая может управлять передачей мощности между этими центрами, обеспечивая качество и подачу этой мощности как в нормальном, так и в аварийном режиме (отключение источника, перегрузка мощности на центре и т.д.).

б) питание двигателя переменного тока.

Раскрытие изобретения

Объектом настоящего изобретения является устройство, сочетающее в себе две функции: управление передачей мощности между двумя центрами (узлами) сети постоянного тока; и управляемое питание двигателя переменного тока.

Согласно настоящему изобретению устройство содержит:

- блок из двух трехфазных инверторов, каждый из которых содержит три коммутационных элемента, соединенные с указанным двигателем, при этом двигатель содержит три обмотки статора, соединенные с двумя трехфазными инверторами,

- модуль управления этим блоком, одновременно обеспечивающий передачу энергии на постоянном токе, стабилизацию постоянного напряжения на одном из двух центров и управление двигателем.

Предпочтительно каждый коммутационный элемент состоит из двух ключей, однонаправленных по напряжению и двунаправленных по току. Каждый ключ может содержать транзистор, связанный с диодом по встречной схеме.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет следующие преимущества:

- оно позволяет проектировать архитектуры многозвенных сетей с децентрализованными центрами и обеспечивать стабильность этих сетей, сводя к минимуму длину кабелей между стабилизированными узлами напряжения (центрами) и приборами, даже если речь идет о дестабилизирующих нагрузках, потребляющих почти постоянную мощность;

- оно осуществляет в нормальном режиме регулируемую передачу мощности между двумя центрами, позволяя распределять и балансировать поток мощности сети или сетей. Стабильность тока обеспечивается, благодаря соединению, управляемому по току, даже если длина кабелей между центрами является большой и присутствуют контуры, которые могут быть колебательными. Таким образом, режимы соединения/отсоединения центров являются стабильными и «бесперебойными»;

- в нормальном режиме оно может выполнять роль «стабилизатора напряжения» центра, не соединенного с источником энергии;

- в аварийном режиме (например, при отказе источника) оно может выполнять функцию «стабилизатора напряжения» центра, соединенного с неисправным источником, после отсоединения центра от этого источника;

- оно не требует наличия дополнительных индуктивностей, поскольку использует индукционные обмотки двигателя переменного тока, при этом на функцию питания не влияет или лишь незначительно влияет большая длина кабеля;

- напряжение, подаваемое дифференцирование на шесть контактов трех обмоток двигателя переменного тока, удваивается по сравнению с напряжением, поступающим от центра, что позволяет уменьшить ток при одинаковой мощности и рассчитать оптимальные размеры двигателя переменного тока;

- повышение затрат на кремний ничтожно по сравнению с классической функцией привода при одинаковой мощности.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано комбинированное устройство управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока и питания двигателя переменного тока в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.2 изображена архитектура бортовой сети с децентрализованным центром в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.3 показан пример выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.4А-4D изображены временные диаграммы, полученные для примера выполнения, показанного на фиг.3, на которых показаны, соответственно, токи в двигателе IM, напряжения шин VB, токи шин IB1 и токи нагрузки IC1 в зависимости от времени.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично показано комбинированное устройство 10 управления передачей мощности между двумя центрами 42 и 46 сети постоянного тока и питания двигателя 13 переменного тока в соответствии с настоящим изобретением.

Устройство содержит:

- блок 19 из двух трехфазных инверторов 14 и 15, каждый из которых содержит по три коммутационных элемента 16, 17, 18 и 20, 21, 22, соединенных с двигателем 13, как показано на фиг.3. При этом каждый коммутационный элемент содержит два ключа, однонаправленных по напряжению и двунаправленных по току, например, в виде транзистора, связанного с диодом по встречной схеме, а двигатель 13 переменного тока содержит три обмотки статора, соединенные с двумя трехфазными инверторами,

- модуль 23 управления этим блоком 19, который обеспечивает одновременно передачу энергии на постоянном токе, стабилизацию постоянного напряжения на одном из двух центров 42 и 46 и управление двигателем.

Управление коммутационными элементами 16, 17, 18 и 20, 21, 22 обеспечивает почти мгновенное управление током на линии, соединяющей оба центра 42 и 46, при времени реагирования порядка величины нескольких периодов коммутации соответствующих элементов в устройстве (обычно несколько миллисекунд).

Такое управление позволяет:

- осуществить регулирование передачи мощности между двумя центрами 42 и 46 в нормальном режиме работы, а также в случае неисправности связанного с одним из них генератора, причем передача мощности может происходить как от одного из двух центров к другому, так и наоборот;

- регулировать и балансировать мощность, выдаваемую генераторами и поступающую на центры;

- обеспечивать стабильность напряжения, поступающего на уровень центров 42 и 46, за счет соответствующего управления коммутационными элементами устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением выполняет несколько функций, одновременно обеспечивая:

- регулируемую передачу энергии на постоянном токе,

- контроль и стабилизацию постоянного напряжения одного из двух центров 42 или 46,

- питание и управление двигателем переменного тока.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено, в частности, для управления и контроля над обменом энергии между двумя децентрализованными центрами, которые имеют фундаментальный признак типа «источника напряжения» (по меньшей мере, в моментальном режиме), который может быть подтвержден, в случае необходимости, наличием набора конденсаторов.

На фиг.2 показана архитектура на борту самолета 34 с децентрализованными центрами 30, 31, 32 и 33, в которой между двумя соседними центрами установлено, соответственно, несколько устройств 35, 36, 37, 38 и 39 согласно настоящему изобретению.

Далее будет рассмотрена каждая из функций устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Регулируемая передачи мощности

Устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет равномерно распределять мощность, потребляемую потребителями сети, между генераторами переменного тока.

На фиг.1 показано распределение потребляемой мощности между двумя генераторами 40 и 41 переменного тока.

Первый генератор 40 соединен с первой шиной 42 распределения (первый центр) через первый модуль 43 стабилизированного преобразования переменного тока в постоянный. С этой распределительной шиной 42 соединена первая нагрузка 44 через первый модуль 45 преобразования постоянного тока в постоянный.

Второй генератор 41 соединен со второй шиной 46 распределения (второй центр) через второй модуль 47 стабилизированного преобразования переменного тока в постоянный. С этой второй распределительной шиной 46 соединена вторая нагрузка 48 через второй модуль 49 преобразования постоянного тока в постоянный.

Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением, которое установлено между двумя распределительными шинами (центрами) 42 и 46, позволяет сбалансировать мощность, выдаваемую двумя генераторами 40 и 41. Когда на одном из центров 42 или 46 появляется колебание нагрузки, наименее нагруженный генератор направляет через устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением часть мощности, необходимой для питания нагрузок 44, 48 и 50.

При нормальной работе мощность, распределяемую между генераторами 40 и 41, можно рассчитать в зависимости от общей суммы мощностей потребляющих элементов, а не от суммы мощностей потребляющих элементов, связанных только с одним отдельным генератором. Таким образом, можно зафиксировать и контролировать рабочую точку этих генераторов 40 и 41. Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением работает наподобие электронного «крана», который может регулировать передачу мощности даже при наличии колебаний напряжения питающего его источника.

Контроль и стабилизация напряжения

Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением позволяет питать несвязанный центр от связанного центра или управлять изменением конфигурации сети в случае выхода из строя одного или нескольких источников питания.

В случае неисправности одного из генераторов 40 или 41 переменного тока устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением позволяет осуществлять передачу мощности в часть сети, находящуюся со стороны неисправного генератора, и контролировать переходные явления и колебания, которые могут произойти.

Управление двигателем переменного тока

Как показано на фиг.3, электрический двигатель 13 дифференцированно подключен между двумя инверторами 14 и 15, соединенными с двумя выпрямительными блоками 11 и 12.

Это решение позволяет получать напряжение питания этого двигателя 13, удвоенное по сравнению со случаем, когда питание осуществляется при помощи только одного инвертора напряжения. Этот вариант работы является классическим, и управление двумя инверторами 14 и 15 для обеспечения необходимой производительности двигателя 13 известно специалистам.

Если два центра 42 и 46 находятся друг от друга на большом расстоянии, каждый инвертор 14 или 15 необходимо устанавливать вблизи центра, с которым он соединен. В этом случае индуктивности кабелей (не показаны) соединены с обмотками двигателя 13 последовательно.

Таким образом, обмотки двигателя 13 используют в качестве средства для обеспечения циркуляции униполярной составляющей тока в трех фазах инверторов, являющейся средством передачи мощности между центрами.

Контроль этой униполярной составляющей, который осуществляют при помощи управления инверторами, позволяет:

- осуществить регулирование передачи мощности между двумя центрами 42 и 46 в нормальном режиме работы, а также в случае неисправности связанного с одним из них генератора, причем для этой передачи мощности нет приоритетного направления, и она может происходить как от одного из двух центров к другому, так и наоборот;

- регулировать и, в частности, балансировать мощность, выдаваемую генераторами 40 и 41 и поступающую на центры;

- обеспечивать стабильность напряжения, поступающего на уровень центров 42 и 46, за счет соответствующего управления двумя инверторами 14 и 15.

Если между двумя центрами не происходит обмена энергией, двигатель 13 питается нормально и выполняет классическую функцию привода. Если необходим обмен энергией, от одного центра к другому может предаваться регулируемая мощность. В этом случае на переменные токи двигателя 13 накладывается униполярная составляющая тока. В рамках управления функции могут быть разделены очень легко и очень просто с использованием преобразования Парка. Действительно, управление (момент, скорость и т.д.) приводом классически осуществляют путем управления токами (оси d, q), тогда как функции передачи мощности и стабилизации напряжения «накладываются друг на друга» за счет простого управления униполярным током (ось 0). Таким образом, в данном случае используют все степени свободы трехфазной системы.

Таким образом, благодаря структуре устройства в соответствии с настоящим изобретением, пока общий ток (постоянный + переменный) остается меньше максимально допустимого тока для выключателей, и благодаря наличию двигателя 13, последний питается в нормальных (не ограниченных) условиях работы, и обмен мощностью между двумя сетями является для двигателя прозрачным. Если достигается максимально допустимое значение тока и приоритет переходит к функциям передачи мощности и стабилизации напряжения (приоритетной становится постоянная составляющая), необходимо уменьшить переменную составляющую тока в двигателе: в этом случае функция привода снижается.

Пример выполнения

Двигатель 13 устройства в соответствии с настоящим изобретением отличается максимальной работой при фазовом токе Imax с амплитудой 150 А, как показано на фиг.4А. Стратегия управления инверторами 14 и 15 требует никогда не превышать это значение, чтобы обеспечить безопасность двигателя 13 и инверторов 14 и 15. Эта стратегия не является обязательной характеристикой в структуре устройства в соответствии с настоящим изобретением и представлена в данном случае только в качестве примера. Ввод униполярной составляющей, которая выражается постоянной составляющей Icont в трех фазах двигателя, происходит в данном случае в ущерб амплитуде синусоидальной составляющей фазовых токов, как показано на фиг.4А (таким образом, неизбежным следствием этого выбора является снижение механической мощности, выдаваемой двигателем).

Определение униполярной составляющей тока, который проходит через устройство в соответствии с настоящим изобретением, в данном случае обусловлено задачей уравновешивания мощности, выдаваемой двумя генераторами 40 и 41. О достижении этой цели можно судить из второй части (фазы 3 и 4) на фиг.4С, соответствующей нормальной работе, где показаны токи Idc1 и Idc2, отражающие мощности, выдаваемые двумя генераторами 40 и 41.

Нагрузка 44 центра 42 характеризуется непрерывным потребляемым током Ich1, как показано на фиг.4D. Нагрузка 48 центра 46 характеризуется пульсирующим потребляемым током Ich2, как показано на фиг.4D.

Изначально оба генератора 40 и 41 являются работающими. В момент t1=20 мс предполагается, что генератор 41 оказался неисправным и не может обеспечить питание центра 46 необходимой мощностью. На фиг.4С показано отключение тока питания Idc2.

В этом случае вся мощность выдается генератором 40. Сохранение напряжения на центре 46 Vdc2 обеспечивается переходом инвертора 15 в режим выпрямителя. На фиг.4В показано изменение напряжения на двух центрах 42 (Vdc1) и 46 (Vdc2).

1. Комбинированное устройство для управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока и питания двигателя переменного тока, содержащая: блок из двух трехфазных инверторов, каждый из которых включает в себя по три коммутационных элемента, соединенных с указанным двигателем, при этом двигатель содержит три обмотки статора, соединенные с двумя трехфазными инверторами, модуль управления указанным блоком, обеспечивающий возможность регулируемой передачи энергии на постоянном токе, стабилизации постоянного напряжения и управления указанным двигателем.

2. Устройство по п.1, в котором каждый коммутационный элемент включает в себя два ключа, однонаправленных по напряжению и двунаправленных по току.

3. Устройство по п.2, в котором каждый ключ содержит транзистор, связанный с диодом по встречной схеме.

4. Летательный аппарат, содержащий устройство по любому из предыдущих пунктов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к релейной технике и предназначено для предотвращения аварийного снижения частоты в энергосистеме и ее восстановления до заданного уровня путем автоматического отключения части потребителей при возникновении дефицита активной мощности и для автоматического включения отключенных потребителей после ликвидации аварийного дефицита мощности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для мониторинга и управления режимом работы всех силовых трансформаторов на одной подстанции.

Изобретение относится к автоматике электрических сетей. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам передачи электрической энергии. .

Изобретение относится к системам электропитания радиолокационных станций (РЛС). .

Изобретение относится к автоматике электрических сетей и предназначено для контроля неуспешного автоматического повторного включения (АПВ) на короткое замыкание (к.з.) и последующего отказа отключения секционирующего выключателя в линии электропередачи.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам питания нагрузки постоянным током. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в сетях постоянного тока на борту летательного аппарата и в любых типах бортовых сетей (морское судно, автомобиль и т.д

Наверх