![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/work/work-img.png)
Анализ системы электроснабжения постоянного тока летательных аппаратов
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………….4 Глава 1 Анализ систем электроснабжения летательных аппаратов……………….16 1.1 Классификация систем электроснабжения летательных аппаратов и режимы их работы………………………………………………………………………………16 1.2 Основные требования к системам электроснабжения летательных аппара- тов………………………………………………………………………………………20 1.3 Типовые структуры систем электроснабжения летательных аппаратов………22 Выводы по главе 1……………………………………………………………………………31 Глава 2 Основные математические модели…………………………………………..32 2.1 Математическая модель синхронного генератора с комбинированным возбуж- дением при работе на активный выпрямитель напряжения………………………..33 2.2 Математическая модель активного выпрямителя напряжения………………..38 2.3 Математическая модель dc/dc преобразователя………………………………….47 2.4 Математические модели нагрузок……………………………………………….49 2.5 Полная математическая модель системы………………………………………..54 Выводы по главе 2……………………………………………………………………….55 Глава 3 Алгоритмы управления системой электроснабжения постоянного тока на основе синхронного генератора с комбинированным возбуждением и активного выпрямителя напряжения……………………………………………………………..56 3.1 Принцип действия системы электроснабжения постоянного тока, режимы ее работы…………………………………………………………………………………………….56 3.2 Основные допущения, математическое описание системы……………………61 3.3 Количественная оценка электрических параметров системы электроснабжения постоянного тока………………………………………………………………………65 3.4 Параметрические законы управления синхронным генератором с комбиниро- ванным возбуждением…………………………………………………………………65 3.5 Сравнение основных характеристик и параметров трех способов параметриче- ского управления синхронным генератором с комбинированным возбуждени- ем……………………………………………………………………………………..112
3.6 Управление синхронным генератором с комбинированным возбуждением и активным выпрямителем напряжения с нулевым значением реактивного тока ге- нератора…………………………………………………………………………………116 3.7 Управление явнополюсным синхронным генератором с комбинированным возбуждением и активным выпрямителем напряжения…………………………..146 Выводы по главе 3…………………………………………………………………….176 Глава 4 Модельный и физический эксперименты………………………………….177 4.1 Система автоматического регулирования активным выпрямителем напряже- ния на основе принципов подчиненного регулирования с последовательной кор- рекцией ……………………………………………………………………………….177 4.2 Результаты модельного эксперимента………………………………………….179 4.3 Результаты физического эксперимента………………………………………..188 Выводы по главе 4…………………………………………………………………..194 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………195 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………..197
ПРИЛОЖЕНИЕ А Документы о внедрении результатов диссертационной работы …………………………………………………………………………………………207
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведены сведения об апробации и публикациях, личном вкладе автора в работу, а также представлена структура работы.
Первая глава посвящена анализу существующих систем электроснабжения летательных аппаратов и современных тенденций их развития.
В диссертационной работе предложен вариант построения системы электроснабжения постоянного тока СЭС ПТ, на основе синхронного генератора с комбинированным возбуждением (СГК) и активного выпрямителя напряжения (АВН), отвечающей по структуре построения и реализуемым функциям всем современным тенденциям. Структурная схема системы представлена на Рисунке 1.
СЭС ПТ
СГK
Iн
Нагрузка
n var Первичный
двигатель
I ОВ в
ПП1 (dc/dc)
Рисунок 1 Структурная схема СЭС ПТ
В состав исследуемой СЭС ПТ входят СГК и два полупроводниковых преобразователя (ПП). СГК осуществляет преобразование механической энергии вращающегося с переменной частотой вала ( n var ) в электрическую энергию переменного тока. Первый полупроводниковый преобразователь (ПП1) является DC/DC преобразователем и осуществляет функцию регулирования тока возбуждения СГК с целью стабилизации выходного напряжения СЭС ПТ или СГК и имеет относительно небольшую мощность. Второй полупроводниковый преобразователь (ПП2) построен на базе инвертора напряжения (ИН) с высокочастотной широтно- импульсной модуляцией (ШИМ), в режиме генерирования системы он выполняет функцию активного выпрямителя напряжения (АВН) и обеспечивает качественные характеристики генерируемого постоянного напряжения, уменьшает перетоки
ПП2 (Активный выпрямитель напряжения)
Cф
Uн
неактивной мощности между СГК и ИН. В режиме электростартерного запуска ИН преобразует напряжение постоянного тока, например, аккумуляторной батареи в напряжение переменного тока и обеспечивает перевод СГК в двигательный режим.
1. 2. 3.
К достоинствам предложенной системы относятся: форма тока генератора близка к синусоидальной;
роль продольного элемента силового фильтра выполняют реактансы генератора; силовая схема обладает возможностью повышения выходного напряжения
постоянного тока по сравнению с неуправляемым выпрямителем (НВ);
4. благодаряизменениюнаправленияпотокамощностивсистемевозможенрежим
электростартерного запуска первичного двигателя;
5. при наличии высокочастотной широтно-импульсной модуляции значительно
уменьшается величина ёмкости конденсатора выходного фильтра, улучшаются динамические параметры системы при импульсной динамической нагрузке;
6. благодаря применению СГК при переменной частоте вращения вала не повышаются требования по допустимому напряжению элементов АВН.
Анализу таких систем на примере СЭС ПТ посвящена настоящая работа. В работе предложены способы выбора параметров генератора, алгоритмы управления генератором и активным выпрямителем напряжения, обеспечивающие минимизацию перетоков неактивной мощности между СГК и АВН, тем самым уменьшающие массу и габариты системы.
Вторая глава посвящена рассмотрению и разработке математических моделей основных компонентов, входящих в состав СЭС ПТ, функциональная схема системы представлена на Рисунке 2.
i1 u1
u1,u2,u3
uн
iн
n var Первичный
двигатель
if
АВН
СУавн
СГК
ССавн
ОВ
uf
i2 u2 i3 u3
Cф uн
Нагрузка
ССdc/dc
dc/dc
СУdc/dc
uвхdc / dc
Рисунок 2 – Функциональная схема СЭС ПТ ЛА
В работе рассмотрены следующие математические модели:
Регулируемого синхронного генератора с комбинированным возбуждением во вращающейся системе координат при переменной частоте вращения вала и работе
на АВН.
Активного выпрямителя напряжения в «abc» координатах для анализа скалярных
алгоритмов управления с неявнополюсным СГК.
Активного выпрямителя напряжения в «β» координатах для анализа векторных
алгоритмов управления с неявнополюсным СГК.
Активного выпрямителя напряжения в «dq» координатах для анализа векторных
алгоритмов управления с явнополюсным СГК.
Упрощённая модель активного выпрямителя для основных гармоник напряжения и
тока применяется.
DC/DC преобразователя.
В диссертации предложен ряд структурных схем основных элементов СЭС ПТ. На Рисунке 3 приведена структурная схема модели DC/DC преобразователя, где
обозначены: СУdc/dc – микропроцессорная система управления, udc/d c Mdc – пульсационная составляющая напряжения преобразователя, Mdc – глубина модуляции,
Uоп – амплитуда опорного сигнала ШИМ.
СУdc/dc
u уdc
Mdc
uвхdc/dc
Uf
uf
Uоп
udc Mdc Рисунок 3 – Структурная схема модели DC/DC преобразователя
Получена полная структурная схема математической модели СЭС ПТ, модель представлена на Рисунке 4, на которой: L ,L ,L ,r,r – параметры СГК,
dqfsf
ud M , uq M – пульсационные составляющие напряжения АВН по продольной и
поперечной осям.
udу
Uн 2Uоп
id
32
1
rs pLd
Ld i uн
uqу Uн 2Uоп
Eo Ef
u U
uуdc 1Mdc f f Lf f
iн
dc 1
Lq pCф
rs pLq
iq
СУdc/dc
Uоп
rf pLf
Рисунок 4 – Структурная схема полной модели СЭС ПТ
uвхdc/dc
В третьей главе для системы СЭС ПТ предложены три варианта выбора параметров СГК (Рисунок 5) и управления его возбуждением в функции частоты напряжения СГК при изменяющейся нагрузке.
В первом варианте выбирается некоторое среднее значение частоты напряжения СГК 0, на которой определяется потокосцепление, создаваемое постоянными магнитами Ψ0 и ЭДС E0ном исходя из обеспечения генератором номинальной нагрузки
при нулевом потокосцеплении от тока возбуждения Ψf. В этом случае потокосцепление Ψf для обеспечения стабильности напряжения на нагрузке при var должно быть знакопеременным.
E Е
Eхх
E0max
Е0ном
Eхх
Exx
Е0ном
0max 0 ном
E
E
max
E0
min
I
E II
E0
E
E
Е0min
fmax fmax
f
E
0
f
max
0 0
min
max
min
E0
0
f
а) Вариант No1
СУавн
fmax
б) Вариант No2 в) Вариант No3 Рисунок 5 – Три варианта выбора параметров СЭС ПТ
Во втором варианте потокосцепление 0 и ЭДС E0ном для номинального режима
нагрузки выбираются при min . В этом случае потокосцепление Ψf с целью стабилизации Uн при изменении частоты должно быть всегда противоположного
знака по отношению к потокосцеплению 0 и увеличиваться по величине с ростом частоты .
В третьем варианте потокосцепление 0 и ЭДС E0ном для номинального режима
нагрузки выбираются при max . Очевидно, что в этом случае для достижения цели
стабилизации Uн при изменении частоты , потокосцепление Ψf должно быть одного знака с потокосцеплением 0 и уменьшаться с уменьшением частоты .
Для каждого из вариантов определяются следующие параметры СГК:
Номинальная частота выходного напряжения – 0.
Потокосцепление, создаваемое постоянными магнитами – .
Номинальное значение ЭДС холостого хода при нулевом значении тока возбуждения – E0ном.
По заданному току короткого замыкания СЭС определяются реактансы генератора при X0 (X0 полное реактивное сопротивление якоря для неявнополюсного и Xd для явнополюсного генератора).
Потокосцепление обмотки возбуждения f и его зависимость от частоты
вращения вала генератора и тока нагрузки.
Зависимость изменения ЭДС холостого хода генератора Eхх от частоты
вращения вала и тока нагрузки при условии поддержания заданной величины напряжения на выходе системы.
Проведённые исследования показали, что с методической точки зрения в системе, спроектированной по Варианту No 1, установленная мощность транзисторов будет минимальной, если её оценивать, как произведение максимальной величины тока, который будет через него протекать, на максимальную величину напряжения, которое может быть к нему приложено.
В Таблице 1 приведены полученные основные параметры СГК в составе СЭС
ПТ при переменной частоте вращения вала в диапазоне D max min 2 . Как следует
из данной таблицы, максимальное потокосцепление от постоянных магнитов характерно для Варианта No 2, а минимальное по определению режима соответствует Варианту No 3. При этом потокосцепление, создаваемое обмоткой возбуждения, имеет максимальную величину в Вариантах No 2 и 3. Если принять, что в оговорённых условиях сравнения, установленная мощность синхронного генератора пропорциональна суммарному потокосцеплению f max 0 , то теоретически в случае
Варианта No 1 СГК будет иметь меньшую установленную мощность.
Таким образом, из сопоставления вариантов проектирования СЭС ПТ, следует, что с точки зрения установленной мощности АВН и СГК предпочтительным является
Вариант No1.
Таблица 1 – Соотношения основных величин для различных вариантов проектирования электромагнитной системы СГК
Номер варианта
0
f max 0
D2
f max D2
E0ном f max max
D2
1
0 E0ном 0
1.33 E0ном max
0.413
0.549 E0 ном max
0.549
2
0 E0ном min
2 E0ном max
0.69
1.38 E0ном max
1.38
3 0 E0ном 0.925 0.925 E0ном 0.925 max max
Для трёх вариантов выбора параметров предложены следующие вида алгоритмов управления:
Управление СЭС ПТ на основе неявнополюсного СГК и АВН в функции изменения частоты напряжения генератора.
Управление СЭС ПТ на основе неявнополюсного СГК и АВН с нулевым значением реактивного тока генератора.
Управление СЭС ПТ на основе явнополюсного СГК и АВН. Фаза основной гармоники тока АВН совпадает с фазой ЭДС СГК.
Получены аналитические выражения зависимостей для мощностей, напряжений, токов, потокосцеплений и коэффициента мощности по основной гармонике в системе.
Для управления СЭС ПТ на основе неявнополюсного СГК и АВН в функции изменения частоты напряжения генератора получен закон управления и выражения для выбора основных параметров СГК, формулы приведены ниже, в качестве примера, для Варианта No 1 выбора параметров СГК:
I
I fmax F,I ,
f 0 fmax
fmax, max 0
f 0 I
max 0 F,I fmax , fmax 0
max 0
E0ном (kuMUн)2(X0kперIнном)2,Iкз0E0ном 0. 3ku M X0 L
На Рисунке 6 приведена структурная схема управления током возбуждения.
СС i fзад+ у
_
if
I
F ,Ifmax РТ
к ССdc/dc ШИМ
Рисунок 6 – Структурные схемы алгоритма регулирования тока возбуждения СГК
Ниже, в виде графиков приведена зависимость основных энергетических показателей системы от режима работы.
Как следует из Рисунка 9 данный алгоритм управления позволяет
минимизировать реактивную мощность по основной гармонике ( 1 cos 1) в
режимах близких к номинальному. На краях частотного диапазона реактивная мощность существенна.
3
Iкз
0.8
E 0.3
0.6
E0.2 E
0 ном
0.4
E xx
E xx 1
X 0.152, I 3, k 2 0 кз0 пер
E
0 ном
E 0.3 E 0.2
E 0.01
1
X 0.152, I 3, k 2
I кз0
кз0 пер
E 0.01
10.5
Рисунок 7 – Зависимости относительных значений: а) тока короткого замыкания I
2 0.20.5
а)
и б) ЭДС холостого хода генератора ЭДС E от частоты напряжения СГК *
2.5 2
1.5 1 0.5
I
2
xx
3 S 2
1.5
1 1.5
б)
2 1
кз
1 0.7
0.7 I нн
I
00 0.5 1 1.5 200 0.5 1 1.5 2
а) б)
Рисунок 8 – График зависимости тока СГК (а) и полной мощности СГК (б) от тока
нагрузки СЭС ПТ ( Iн* )
UАВ Exx X X 180 0 0
a
a0
13
1 0.8 0.6 0.4 0.2
00 0.5 1 1.5 2
Рисунок 9 – Графики зависимости коэффициента мощности по основной гармонике
СГК от тока нагрузки СЭС ПТ (I ) н
На Рисунке 10 приведён годограф тока СГК, построенный в полярной системе координат в соответствии с соотношением вида:
1
2
1
0.7
I н
kM 2kM2
I u sin I u cos , где I – зависимость относительного
X êç X 00
значения тока СГК от фазового сдвига относительно напряжения при относительном
значении частоты ( ), реактанса генератора ( X ) и заданной глубине модуляции М. 0
На данном годографе отражены важные для изучения состояния системы точки: a, b, c, d, e, f, при этом для каждой точки определены координаты. Правая полуплоскость графика отражает генераторный режим работы системы, левая – двигательный режим. Минимальное потребление реактивной мощности соответствует положению вектора тока в точке b. Выше и ниже её происходит потребление индуктивного или ёмкостного тока.
I 120 р
4 150 3
60
E U E2U2 xxАВ
2 2X1
xxАВ X X 00I
f
b
E U E
xx X0
АВ X0
0` с
d
E U xx АВ
X 270 0
xx X
0
e
Рисунок 10 – Годограф тока СГК с характерными точками
Для управления СЭС ПТ на основе неявнополюсного СГК и АВН с нулевым значением реактивного тока генератора получены выражения для основных параметров СГК и АВН, формулы приведены ниже, также для Варианта No 1 выбора параметров СГК:
1 2I2 f 0 kuMUн L н ,
3ku M
1 2I21
If 0 kuMUн L н F,M,Uн,Iн, (1)
3kuM Lf
2I2 Exx 0 f kuMUн L н ,
3ku M 3Uн kuM 2
LIн .
Структурная схема векторного управления АВН представлена на Рисунке 11.
arctg
Здесь операторы Fˆ и Fˆ осуществляют прямое и обратное преобразование Парка – dqˆ dqˆ
Горева. Управление током возбуждения осуществляется в соответствии с алгоритмом
F , M ,Uí , Ií
к ССавн
М
Далее, в виде графиков приведены некоторые зависимости от режимов работы основных энергетических показателей системы.
представленным на рисунке 6 и соотношения (1).
uн
Uнзад iзадd
ПИ1
id F i
t
Рисунок 11 – Структурная схема векторного управления АВН
с
использованием
функционала
ПИ2
t uуd
i i ,i ,i
123dqq dq
F
ШИМ
uуq iзадq 0
ПИ3
uуd uуq
а)
Рисунок 12 – Зависимость суммарного потокосцепления СГК от относительных
б)
значений частоты напряжения СГК * (а) и тока нагрузки СЭС ПТ I* (б)
н
а) б)
Рисунок 13 – Зависимость потокосцепления возбуждения СГК от относительных
значений частоты напряжения СГК * (а) и тока нагрузки СЭС ПТ I* (б) н
а) б)
Рисунок 14 – Зависимость угла сигнала управления АВН от относительных значений
частоты напряжения СГК * (а) и тока нагрузки СЭС ПТ I* (б) н
Для управления СЭС ПТ на основе явнополюсного СГК и АВН, фаза основной гармоники тока АВН совпадает с фазой ЭДС СГК, получены выражения для основных параметров СГК и АВН при данном управлении. Формулы для Варианта No 1 выбора параметров СГК:
(2)
1 2I2 f 0 kuMUн L н ,
3ku M
1 2I21
If 0 kuMUн L н F,M,Uн,Iн,
3kuM Lf
2I2 Exx 0 f kuMUн L н ,
arctg
3ku M 3Uн kuM 2
LIн .
Предлагаемое управление реализуется почти аналогично предыдущему, с той
лишь разницей, что ток СГК ориентируется по оси d генератора, а управление током
возбуждения производится с использованием функционала F,M,Uн,Iн
соотношение (2).
Ниже, в виде графиков приведена часть зависимостей основных энергетических
показателей системы от режимов работы системы.
2
00 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
Рисунок15–ЗависимостьустановленноймощностиСГКS оттоканагрузкиСЭСПТ
I для различных значений реактанса X нq
S
kпер
2
X q
X 0.093 q
X q
0.06
0.08
I н
0.03
0.022
0.02
0.01
0.01
0.02 -0.022
0.03 0 0.5
Рисунок 16 – Зависимость ЭДС возбуждения СГК от тока нагрузки СЭС ПТ
E f
X 0.07 q
E 0.022 f
I н
E 0.022 f
1
0.9
0.8
1 1.5 2
1
kпер 2
Xq 0.06
X 0.08 q
X 0.093 q
I н
0.70 0.5 1 1.5 2 In1
Рисунок 17 – Зависимость коэффициента мощности СГК по основной гармонике 1 от тока нагрузки СЭС ПТ I для различных значений реактанса СГК X
нq
Основные выводы: Предложен параметрический алгоритм управления СЭС ПТ в генераторном режиме теоретически обеспечивающий поддержание на зажимах СГК 1 cos = 1. Для данного алгоритма подвергнуты детальному анализу три варианта проектирования СЭС ПТ, получены выражения для токов и напряжений в системе. Выявлено, что Вариант No 1 проектирования СЭС ПТ с ориентацией выбора номинального режима в средней точке частотного диапазона напряжения СГК является предпочтительным, так как в этом случае теоретически установленная мощность СГК
и АВН меньше по сравнению с Вариантами No 2 и 3.
В четвертой главе представлены результаты модельного и физического
экспериментов, проведенных для подтверждения правильности аналитических расчетов СЭС ПТ, управляемой с помощью предложенных в диссертационной работе комбинации параметрического управления и управления по отклонению, а также с целью проверки адекватности выбора параметров электромагнитной системы СГК и подтверждения работоспособности системы автоматического регулирования (САР) СЭС ПТ.
В компьютерной программе моделирования технических систем PSIM были реализованы математические модели СЭС ПТ, СГК и нагрузок. В PSIM проведены модельные эксперименты работы СГК на автономную нагрузку, используя параметрическое управление и выбор параметров генератора в соответствии с предложенными тремя вариантами.
Проведен модельный эксперимент замкнутого астатического управления САР СЭС ПТ по выходному напряжению постоянного тока для Варианта No 1, как наиболее предпочтительного к практическому применению. Структурная схема САР АВН приведена на Рисунке 18.
Рисунок 18 – Структурная схема САР АВН
Для проведения моделирования параметрического управления возбуждением СГК в функции стабилизации фазного напряжения при изменении частоты вращения вала генератора и выбора параметров его электромагнитной системы, на первом этапе, экспериментально, на математической модели были получены базовые значения потокосцепления Ψ0 для каждого из трех, вышеописанных вариантов, при которых при нулевом токе возбуждения If и базовой угловой частоте вращения вала, выходное
напряжение СГК равно базовому (номинальному) значению. Результаты представлены в Таблице 2.
Таблица 2 – Базовое потокосцепление обмотки возбуждения для каждого варианта параметрического управления и выбора параметров магнитной системы СГК. Единицы измерения относительные
No Варианта Значение Uг
Значение 0 Значение 0
1 2 3 1.0 1.0 1.0
0.6705 1.0
1.5 1.0 2.0
0.505
Ниже, в виде графиков приведен ряд полученных результатов модельного эксперимента.
Uг – напряжение СГК, о.е.
1 0.8 0.6
1.4 1.2 1
0.004 0.002 0
Omega
– круговая частота напряжения СГК, о.е
If – ток возбуждения СГК, о.е
0 0.5 1 1.5 2 Time (s)
Рисунок 19 – Результат работы СЭС ПТ при = 1.5, единицы измерения относительные
Uг 0 mid Const Uг 0 min Const Uг 0 max Const U0 U0 U0
ttt
max 0
mid mid
0 min tt
max 0
min
а)ВариантNo1
Так же было проведено моделирование управление СГК и АВН с нулевым значением реактивного тока генератора.
Для проведения этой части модельного эксперимента, в начале, экспериментально на модели устройства были получены значения базового потокосцепления обмотки возбуждения СГК для каждого варианта проектирования в соответствии с изменяющейся частотой вращения генератора. При этом выходное напряжение генератора было базовым (номинальным) при максимально возможном в работе СЭС ПТ значении коэффициента перегрузки по току kп = 2.
Полученные значения Ψ0 представлены в Таблице 3.
в) ВариантNo3
Рисунок 20 – Обобщенные графики результатов работы СЭС ПТ и выбора параметров
б)ВариантNo2 электромагнитной системы СГК
t
Таблица 3 – Базовое потокосцепление обмотки возбуждения для каждого варианта параметрического управления и выбора параметров магнитной системы СГК. Единицы измерения относительные
No Варианта Значение Uг
Значение 0 Значение 0
1 2 3 1.0 1.0 1.0
0.681 1.0105
1.5 1.0 2.0
0.5185
Результаты моделирования для Варианта No1 в виде графиков представлены на Рисунке 21.
Udc – выходное напряжение СЭС ПТ, о.е 1
0.96 0.92
Omega – круговая частота напряжения СГК, о.е 1.56
1.44
PF – коэффициент мощности СГК по основной гармонике 1.04
0.96
23456 Time (s)
Рисунок 21 – Астатическое регулирование выходного напряжения постоянного тока СЭС ПТ, Вариант No 1, Udc = 1.0, Ψ0 = 0.681, 0 = 1.5, PF = 1.0, единицы измерения относительные
Результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы: 1.Алгоритмы управления СГК и АВН, предложенные в диссертационной работе, обеспечивают работу СЭС ПТ в установившемся режиме с минимальными перетоками неактивной мощности между генератором и АВН. Коэффициент
мощности по основной гармонике 1 cos 1.
2.Обеспечивается заданная величина выходного напряжения АВН.
3.Астатическое регулирование выходного напряжения СЭС ПТ в установившемся
режиме возможно, система в целом устойчива и управляема.
Физический эксперимент работы АВН с минимальным потреблением реактивной мощности проведен на макетном образце разработанного на кафедре Электроники и электротехники НГТУ инвертора напряжения (ИН) мощностью 3 кВт, в ходе выполнения работ по договору No ИСЭ – 07 – 17 от 01 ноября 2017 г.
Рисунок 23 – Макетный образец разработанного инвертора напряжения
Рисунок 24 – Временные диаграммы напряжения и тока одной из фаз трехфазного напряжения питающей сети
В системе управления ИН реализован алгоритм управления АВН с нулевым реактивным током. Из осциллограммы представленной на рисунке 24 следует, что коэффициент мощности по основной гармонике 1 cos 1.
В заключении приводятся основные выводы и результаты по диссертационной работе. В приложении представлен акт и справка о внедрении результатов диссертационной работы при проведении НИОКР в НТЦ Автономной энергетики МФТИ (г. Москва) и в учебном процессе НГТУ (г. Новосибирск).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
В процессе выполнения диссертационной работы была решена важная научно- техническая задача по исследованию перспективной системы электроснабжения для летательных аппаратов на базе синхронного генератора с комбинированным возбуждением, анализу способов выбора параметров и алгоритмов управления синхронным генератором и полупроводниковыми преобразователями электрической энергии.
Uф Iф
Основными результатами работы являются:
1. Проведен анализ и обоснование энергетической эффективности предложенного
структурного варианта системы электроснабжения постоянного тока на основе синхронного генератора с комбинированным возбуждением и активного выпрямителя напряжения.
2. Разработаны математические модели как самой СЭС ПТ, так и ее отдельных элементов: синхронного генератора с комбинированным возбуждением, активного выпрямителя напряжения, различных видов нагрузок системы.
3. Предложены и проанализированы способы выбора параметров электромагнитной системы синхронного генератора с комбинированным возбуждением, позволяющие осуществлять параметрическое регулирование тока возбуждения генератора в функции стабилизации его напряжения при переменной частоте вращения вала.
4. Синтезированы алгоритмы управления возбуждением синхронного генератором с комбинированным возбуждением и активным выпрямителем напряжения, обеспечивающие минимизацию перетоков неактивной мощности между генератором и активным выпрямителем напряжения и заданную величину выходного напряжения, при этом коэффициент мощности по основной гармонике в системе близок к единице.
5. Проведен анализ электромагнитных процессов в СЭС ПТ при работе в установившемся режиме.
6. Проведенный модельный эксперимент работы СЭС ПТ в установившемся режиме подтвердил предложенные аналитически методы параметрического регулирования возбуждения СГК и астатического регулирования выходного напряжения системы.
7. Разработан физический макет устройства, проведен ряд экспериментальных исследований, подтверждающих принципиальную возможность практической реализации разработанных в диссертационной работе алгоритмов управления выходным напряжением СЭС ПТ, с минимальными перетоками неактивной мощности в системе и коэффициентом мощности по основной гармонике, близким к единице.
Стоит отметить, что за рамками данной работы осталась важная задача по
исследованию работы СЭС ПТ в динамическом режиме работы, сброс – наброс нагрузки, скачкообразные изменения задания генерируемой неактивной мощности в системе. Интересным с научной точки зрения представляется исследование стартерного режима работы СЭС ПТ, когда синхронный генератор работает в двигательном режиме.
Актуальность работы.
Среди всех способов преобразования первичной механической энергии в электрическую преобразование с помощью электрических машин реализуется с наибольшей эффективностью. При этом электроэнергия постоянного и перемен- ного тока может быть получена в достаточно большом диапазоне мощностей и напряжений. Это обстоятельство предопределило широкое применение электро- генераторов (далее генераторов) в качестве бортовых источников электроэнергии на летательных аппаратах (ЛА) различного назначения. Генераторы являются ос- новными (магистральными) и резервными источниками электроэнергии в энерге- тических установках самолётов и вертолётов любой размерности и назначения. Они также применяются на большинстве беспилотных летательных аппаратах (БЛА) и на некоторых типах ракет [1].
Как правило, все современные пилотируемые ЛА и отдельные типы БЛА имеют первичные системы электроснабжения (СЭС), построенные на базе генера- торов [2]. В таких СЭС генераторы приводятся во вращение маршевыми двигате- лями ЛА непосредственно или с помощью привода постоянной частоты вращения как в самолёте, или же редуктором несущего винта как в вертолёте. Электриче- ский генератор является важной составляющей первичной СЭС ЛА и к нему предъявляется ряд особых требований, к основным из них можно отнести ниже следующие.
Высокая надёжность, применительно к генераторам это требование сво- дится к исключению контактных способов передачи электрической мощности. Согласно современной статистике 80 % неисправностей генераторов связано с наличием у них контактных токопередающих частей типа щетка – коллектор или щетка – кольцо. С повышением высоты полета и частоты вращения вала надеж- ность работы таких контактных пар резко снижается.
Внутренние параметры генератора и качество вырабатываемой элек- троэнергии, это требование определено нормативными документами и обеспечи- вается комплексом мер, включающим: выбором соответствующих значений па- раметров генератора на стадиях проектирования и изготовления; применение кон- структивных способов устранения высших гармонических из кривых изменения потокосцепления обмоток якоря; применение соответствующей регулирующей аппаратуры, которая может эффективно использоваться только при условии регу- лируемости генератора.
Регулируемость, при полете ЛА в зависимости от режима работы его сило- вой установки и этапа выполнения полетного задания частота вращения вала авиационного двигателя, и количество работающих бортовых приемников элек- троэнергии могут меняться в достаточно широких пределах. Эти обстоятельства вызывают изменение напряжения в сети, для стабилизации которого при наличии указанных возмущающих воздействий должна обеспечиваться возможность из- менения в широком диапазоне магнитного потока в рабочем воздушном зазоре генератора. При этом для получения заданного быстродействия системы регули- рования напряжения постоянную времени цепи возбуждения необходимо свести к минимуму [3].
Анализ развития авиационной техники показывает, что идет постоянное увеличение числа и мощности приемников электрической энергии на ЛА, растет протяженность электрических сетей, а также увеличивается их интеграция с бор- товыми цифровыми управляющими системами [4, 5]. Суммарная доля электро- оборудования на борту неуклонно растет, и это можно сказать практически о лю- бом типе ЛА [6, 7]. Это значит, что нагрузка на СЭС ЛА будет только возрастать, а значит, будут возрастать и требования, предъявляемые к ним [8].
Для того, чтобы соответствовать этим все более возрастающим требовани- ям, необходимо применять новые конструкционные материалы, нетрадиционные конструкторские решения и новые подходы к проектированию, как самих элек- тромеханических генераторов, так и систем управления ими [9, 10].
Последние десятилетия основные тенденции в развитии авиационных си- стем электроснабжения определяются реализацией концепции «Более Электриче- ского Самолёта» – «БЭС» [11 – 26]. Основными из них являются: 1. Повышение мощности каналов генерирования, максимальное значение мощности СЭС ЛА на дальне магистральных самолётах может достигать единиц МВт [26, 27, 28];
2. Стремление совмещать в одном агрегате различные функции, например, режимы генерирования электроэнергии и электростартерного запуска авиационных двигателей;
3. Переход на более высокое значение величин напряжений [29 – 32];
4. Отказ от системы стабилизации оборотов;
5. Использование в системах генерирования переменного тока переменной
частоты.
Степень разработанности темы исследования.
Разработке бортовых систем электроснабжения для БЭС посвящено доста- точно много известных работ таких научных школ как МАИ, МЭИ, НГТУ, УГА- ТУ, МГТУ ГА, ТПУ, АО «АКБ Якорь», АО «Технодинамика», АО «Аэроэлектро- маш» направленных на создание теоретических основ построения систем элек- троснабжения, методов анализа и синтеза силовых схем, систем и алгоритмов управления. Различные аспекты теоретического и практического плана построе- ния систем электроснабжения и отдельных её элементов для автономных объек- тов нашли отражение в трудах В.Г. Андреева, И.И. Алексеева, Н.И. Бородина, Г.В. Грабовецкого, А.Г. Гарганеева, А.О. Давидова, Б.С. Зечихина, Г.С. Зиновье- ва, Ю.М. Инькова, В.В. Иванцова, Ф.Р. Исмагилова, В.А. Калия, Д.Л. Калужского, К.Л. Ковалева, Ю.И. Конева, С.Ф. Коняхина, Д.В. Коробкова, Н.Н. Лаптева, А.В. Левина, И.И. Лукина, С.М. Мусина, Г.С. Мыцыка, И.В. Нежданова, С.П. Халюти- на, С.А. Харитонова, В.А. Цишевского, Е.Е. Чаплыгина, М.М. Юхнина, Э.М. Че- хета и многих других.
По данным исследований реализация концепции БЭС применительно к среднемагистральному самолёту позволит получить:
1. снижение потребления топлива – 8–12 %;
2. снижение полной взлётной массы – 6–10 %;
3. снижение прямых эксплуатационных расходов – 5–10 %;
4. снижение стоимости жизненного цикла – 3–5 %;
5. увеличение среднего налёта на отказ – 5–6 %;
6. снижение времени технического обслуживания – 4–4,5 %.
Достижение указанной эффективности БЭС сопряжено с создание перспек-
тивных систем электроснабжения, удовлетворяющим всем вышеуказанным тен- денциям.
Применение электрической тяги на самолётах предоставляет новые воз- можности, связанные, в первую очередь со свойствами электрических машин (об- ратимость, высокий коэффициент полезного действия). Суммарные мощности си- ловых установок в зависимости от количества пассажиров находятся в диапазоне от 0,5 до 60 МВт. При этом ключевым элементом самолёта, к разработке которого стремятся большинство производителей, становится электрическая машина мощ- ностью 1 МВт как базовый «кирпичик» при создании систем с распределённой тягой.
На смену трехкаскадным синхронным генераторам, в качестве электриче- ского генератора на борту ЛА приходят синхронные генераторы с комбинирован- ным возбуждением (СГК). Рабочий магнитный поток в таком генераторе создает- ся от двух источников магнитодвижущей силы (МДС) – постоянного магнита и обмотки возбуждения. Основная (как правило, большая) часть рабочего магнит- ного потока создается постоянными магнитами, обмоткой возбуждения создается дополнительная (как правило, меньшая) часть потока, чем обеспечивается изме- нение суммарного потока и регулирование в определенном диапазоне выходного напряжения генератора.
Преимуществами СГК являются:
1. высокая надежность в работе, относительная простота конструкции и об-
служивания благодаря отсутствию скользящих контактов и щеток;
2. высокий коэффициент полезного действия и меньший нагрев машины
благодаря отсутствию потерь в скользящем контакте; 3. регулируемость, возможность обеспечить независимость величины маг- нитного потока в воздушном зазоре от скорости вращения и температуры машины;
4. отсутствие искровых контактов, вызывающих радиопомехи;
5. снижение стоимости, веса и габаритов благодаря отсутствию скользящих
контактов у высокочастотных машин и машин малой мощности.
К недостаткам СГК можно отнести:
1. повышение стоимости, веса и габаритов машин средней мощности;
2. относительно низкий предел наибольшей мощности машины. В основ-
ном, СГК проектируются на мощность до 100кВА.
Применение СГК как элемента электрооборудования существенно повыша-
ет надежность СЭС ЛА в целом, так как полностью исключается контактный спо- соб передачи электрической мощности [33].
Кроме того, начало промышленного освоения магнитов на основе интерме- таллических соединений редкоземельных материалов, таких как самарий, лантан, празеодим позволяет существенно сократить массу и габариты СГК, так как маг- нитные характеристики этих материалов значительно лучше, чем у ранее исполь- зовавшихся сплавов Alnico или ферритов. По данным из открытых источников, удельная масса СГК с постоянными магнитами из редкоземельных материалов может составлять 0,3-0,1 кг/кВт [34].
На сегодняшний день СГК применяются на борту самолетов для питания магистральных сетей переменного тока. Отечественною промышленностью раз- работаны генераторы СГК-30/1,5 и СГК-30М, используемые в качестве маги- стральных в смешанных СЭС на борту ряда модификаций многорежимных само- летов, таких как МиГ-23, МиГ-27 и Су-24 [35].
Появились полностью управляемые полупроводниковые приборы, облада- ющие уникальными характеристиками, это силовые полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Их применение резко увеличило мощность, значительно уменьшило массогабарит- ные показатели и цену полупроводниковых преобразователей (ПП), разрабатыва- емых на их основе [36]. Что в итоге привело к появлению новых схемотехниче- ских решений в области силовой электроники.
Все это в целом даёт возможность создавать совершенные, обладающие но- выми полезными качествами энергоэффективные СЭС для ЛА.
В последние годы в связи с реализацией концепции «более электрического самолёта», появились новые тенденции в построении систем электроснабжения для летательных аппаратов, особенно это характерно для средне- и дальне- магистральных самолётов.
С ростом мощности каналов генерирования при построении СЭС перемен- ного и постоянного тока появились ЛА с повышенной величиной напряжения, 220В для систем переменного тока и 270В для систем постоянного тока. По этой же причине, а также потому, что значительная часть генерируемой электрической энергии на борту ЛА преобразуется по величине и частоте, наметился отказ от использования привода постоянных оборотов. В этом случае системы переменно- го тока проектируются с переменной частотой выходного напряжения.
Так при разработке СЭС как постоянного, так и переменного тока, очевидно стремление разработчиков объединить в одном агрегате канал генерирования и устройство электрического запуска первичного двигателя, что объясняется из- вестным свойством электрических машин.
В диссертационной работе рассмотрен вариант построения системы элек- троснабжения постоянного тока, отвечающей по структуре построения и реализу- емым функциям всем современным тенденциям [37, 38].
Рассмотрению подлежит вариант построения системы электроснабжения постоянного тока (СЭС ПТ) летательных аппаратов с выходным напряжением (27÷270В), на базе синхронного генератора с комбинированным возбуждением и полупроводниковых преобразователей (ПП) электрической энергии. Анализ си- стемы и все результаты исследований получены для переменной частоты враще- ния вала синхронного генератора [39]. При выборе такой структуры обязательным условием полагалась возмож- ность обеспечения электростартерного запуска первичного двигателя с помощью СЭС ПТ от источника постоянного тока.
В состав исследуемой СЭС ПТ входят СГК и два полупроводниковых пре- образователя (Рисунок В.1). СГК осуществляет преобразование механической энергии вращающегося с переменной частотой вала ( n var ) в электрическую энергию переменного тока. Первый полупроводниковый преобразователь (ПП1) является dc/dc преобразователем и осуществляет функцию регулирования тока возбуждения СГК с целью стабилизации выходного напряжения СЭС ПТ или СГК и имеет относительно небольшую мощность. Второй полупроводниковый преобразователь (ПП2) построен на базе инвертора напряжения (ИН) с высокоча- стотной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в режиме генерирования си- стемы он выполняет функцию активного выпрямителя напряжения (АВН) и обес- печивает качественные характеристики генерируемого постоянного напряжения, уменьшает перетоки неактивной мощности между СГК и ИН. В режиме электро- стартерного запуска ИН преобразует напряжение постоянного тока, например, аккумуляторной батареи в напряжение переменного тока и обеспечивает перевод СГК в двигательный режим.
СЭС ПТ
СГK
Iн
n var
Первичный двигатель
I ОВ в
ПП1 (dc/dc)
Рисунок В.1 Структурная схема СЭС ПТ
ПП2 (Активный выпрямитель напряжения)
Cф
Uн
Нагрузка
Таким образом, в рассмотренной системе возможны два канала регулирова- ния потока мощности, отбираемой от СГК. Управление возбуждением СГК в функции стабилизации напряжения самого генератора и (или) выходного напря- жения системы, а также управление АВН в функции стабилизации выходного напряжения СЭС ПТ и регулирование реактивной мощности, отбираемой от гене- ратора.
Необходимо отметить, что данная система может быть элементом системы электроснабжения переменного тока, построенной по типу «Переменная Скорость – Постоянная Частота» (ПСПЧ). В этом случае к зажимам постоянного тока под- ключается трёхфазный инвертор напряжения. В такой структуре сохраняется так- же возможность режима электростартерного запуска, причём как от источников постоянного тока, так и от источников переменного тока.
Данная СЭС ПТ обладает универсальной структурой и может служить эле- ментом множества функционально различных систем электропитания автоном- ных объектов. При этом базовым режимом в любом применении является режим генерирования постоянного напряжения, исследованию которого посвящена настоящая работа.
В дополнение к сказанному, данная структура как система электроснабже- ния постоянного тока обладает следующими преимуществами:
1. форма тока генератора близка к синусоидальной;
2. роль продольного элемента силового фильтра выполняют реактансы ге-
нератора;
3. силовая схема обладает возможностью повышения выходного напряже-
ния постоянного тока по сравнению с неуправляемым выпрямителем
(НВ);
4. благодаря изменению направления потока мощности в системе возможен
режим электростартерного запуска первичного двигателя [40, 41, 42];
5. при наличии высокочастотной широтно-импульсной модуляции значи- тельно уменьшается величина ёмкости конденсатора выходного фильтра, улучшаются динамические параметры системы при импульсной динами-
ческой нагрузке [43, 44];
6. благодаря применению СГК при переменной частоте вращения вала не
повышаются требования по допустимому напряжению элементов АВН. Цель работы. Целью работы является решение важной научно-технической проблемы исследования перспективной системы электроснабжения постоянного тока летательных аппаратов на базе синхронного генератора с комбинированным возбуждением, анализ способов выбора параметров и разработка энергоэффек- тивных алгоритмов управления синхронным генератором и полупроводниковыми
преобразователями электрической энергии.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. разработка математической модели СЭС ПТ на основе СГК и АВН;
2. разработка способов выбора параметров СГК в СЭС ПТ при переменной
частоте вращения вала СГК;
3. синтез алгоритмов управления СГК и АВН, обеспечивающих минимиза-
цию перетоков неактивной мощности между СГК и АВН и заданную ве-
личину выходного напряжения;
4. анализ электромагнитных процессов в системе СЭС ПТ в установившем-
ся режиме, определение оптимального способа выбора параметров;
5. проведение модельного эксперимента работы СЭС ПТ;
6. разработка физического макета и проведение экспериментальных иссле-
дований СЭС ПТ.
Методы исследования. Для получения основных результатов диссертаци-
онной работы использованы базовые методы анализа теории электрических це- пей, методы аналитического и численного решения линейных дифференциальных уравнений и модельный эксперимент в пакете прикладных программ. Также, в работе применяются Фурье преобразование, матричное исчисление, различные разделы линейной алгебры и математического анализа. Экспериментальные ис- следования проводятся путём физического макетирования. Достоверность. Достоверность полученных результатов подтверждается корректной постановкой задач, адекватностью применения математического ап- парата, результатами модельного и физического экспериментов.
Научная новизна состоит в следующем:
1. В разработке математической модели СЭС ПТ на базе СГК с переменной частотой вращения вала и АВН, учитывающей основные параметры ге- нератора и полупроводникового преобразователя.
2. Предложены и исследованы способы выбора параметров СГК с перемен- ной частотой вращения вала в составе СЭС ПТ для ЛА. Аналитически определены базовые параметры генератора при работе с АВН в составе СЭС ПТ
3. Предложены алгоритмы управления СГК и АВН, обеспечивающие ми- нимизацию перетоков неактивной мощности между генератором и ин- вертором напряжения и заданную величину выходного напряжения.
4. В результатах проведённого анализа электромагнитных процессов в си- стеме СЭС ПТ при использовании предложенных способов выбора пара- метров СГК и алгоритмов управления.
Практическая ценность работы:
1. Предложена структура СЭС ПТ ЛА на основе СГК с переменной часто- той вращения вала и АВН, обеспечивающая режим генерирования по- стоянного тока и электростартерный запуск от электрической сети по- стоянного тока.
2. Определены базовые параметры СГК при работе с АВН в составе СЭС ПТ при переменной частоте вращения вала генератора.
3. Предложены алгоритмы управления СГК и АВН в составе системы элек- троснабжения постоянного тока для ЛА при переменной частоте враще- ния вала генератора.
4. Определён способ выбора параметров СГК и алгоритмы управления СЭС ПТ, минимизирующие перетоки неактивной мощности между СГК и АВН и массогабаритные показатели СГК. Основные положения, выносимые на защиту:
1. математическая модель СЭС ПТ на основе СГК с переменной частотой вращения вала и АВН, учитывающая основные параметры генератора и полупроводникового преобразователя;
2. варианты выбора параметров СЭС ПТ и результаты расчета основных параметров СГК при переменной частоте вращения вала и работе на АВН;
3. результаты анализа электромагнитных процессов в СЭС ПТ при пере- менной частоте вращения вала генератора;
4. энергоэффективные алгоритмы управления СЭС ПТ при широком диапа- зоне изменения нагрузки и частоты вращения вала генератора.
Апробация работы. Основные результаты доложены, обсуждены и
одобрены на следующих научных семинарах и конференциях:
1. Международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП», Новосибирск, НГТУ, 2018 г.;
2. Международная конференция молодых специалистов по микро/нано тех- нологиям и электронным приборам «EDM», Новосибирск, НГТУ, 2018 г.;
3. Международная Уральская конференция «Электропривод переменного
тока ACED», Екатеринбург, 2018 г.;
4. Научные чтения по авиации, посвящённые памяти Н. Е. Жуковского,
Москва, 2018 г.;
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных
работ, из них, 4 работы в печатных изданиях ВАК, 3 работы в изданиях, индекси- руемых в базах данных Scopus и Web of Science.
Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве с коллега- ми, заключается в участии в постановке задач исследований, разработке струк- турного варианта и математической модели СЭС ПТ для ЛА, аналитических и численных расчётах электромагнитной системы СГК, анализе вариантов парамет- рического способа управления возбуждением СГК и выбора параметров электро- магнитной системы генератора, проведении имитационного моделирования рабо- ты системы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из вве- дения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 208 страниц, в том числе 144 рисунка, 4 таблицы. Список литерату- ры содержит 78 наименований.
![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/signup-document.png)
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!