• высокую стоимость



Скачать 398.23 Kb.
страница1/2
Дата26.04.2019
Размер398.23 Kb.
  1   2

Введение


В настоящее время во многих авиационных системах генерирования для стабилизации частоты бортового переменного напряжения продолжают широко использовать дифференциальные гидромеханические или турбомеханические привода постоянной скорости (ППС). Такие привода преобразовывают механическую энергию, отбираемую от редуктора авиационного двигателя, в механическую энергию вращения ротора магистрального генератора с постоянной частотой.

На летательных аппаратах, особенно военного назначения, широко используют системы генерирования с гидромеханические дифференциальными реверсивными ППС, которые при выходной мощности (Рвых) до 60 кВА имеют малую относительную массу 1,0 - 1,3 кг/кВА (с учетом массы системы маслоснабжения и регулятора), высокий КПД равный 0,85 - 0,95. При интегральном исполнении с синхронным генератором за счет объединенного корпуса, снижения числа подшипников, применения общей системы масленого охлаждения и повышения частоты вращения выходного вала до 12000 об/мин относительная масса таких приводов снижается до 0.5 - 0,7 кг/кВА.

Однако в целом многолетний опыт эксплуатации показывает, что вследствие жестких требований к герметичности, наличия вращающихся уплотнений подшипников и применения большого числа трущихся деталей и узлов, имеющих высокие механические напряжения, рассматриваемые ППС имеют следующие существенные недостатки:

• высокую стоимость;

• сложность установки и наладки на авиационном двигателе;

• высокую трудоемкость регламентных работ и капитального ремонта;

• тяжелый запуск при низких температурах окружающей среды.

Следует заметить, что с целью снижения массы и габаритов авиационного гидромеханического ППС его рабочий диапазон температур выбирают на уровне 150° С - 350° С. При этом высокие рабочие температуры обуславливают применение специальных жидкостей, которые из-за своих агрессивных свойств значительно усложняют процесс эксплуатации данных ППС.

В связи с этим на самолетах гражданской авиации большое распространение получили альтернативные системы генерирования с турбомеханическими дифференциальными реверсивными ППС, в которых принцип действия основан на использовании сжатого компрессором воздуха. Они по сравнению с гидромеханическим приводом имеют более простую конструкцию, не нуждаются в обогреве и охлаждении, не требуют абсолютной герметичности, так как утечки воздуха не представляют опасности по сравнению с утечкой жидкости в гидромеханических приводах. Благодаря всему этому рассматриваемые ППС обладают сравнительно высокой надежностью и относительно низкой стоимостью. Однако по сравнению с гидромеханическими ППС данные привода постоянной скорости имеют малую жесткость механических характеристик, низкий КПД равный 0,8 - 0,85 и большую относительную массу 1,6-1,8 кг/кВА.

В целом из-за высокой стоимости изготовления, установки и проведения регламентных работ, относительно низкой надежности, существующие ППС начинают не удовлетворять современным авиационным требованиям, что предопределяет поиск новых принципов построения систем генерирования переменного тока постоянной частоты.

Из возможных перспективных авиационных систем генерирования переменного тока особое место занимают так называемые системы «переменная скорость постоянная частота» (ПСПЧ). В таких системах, магистральный генератор непосредственно размещен на валу раздаточной коробки авиационного двигателя и соответственно имеет переменную угловую скорость ротора. При этом постоянство частоты выходного напряжения ПСПЧ достигается посредством статического преобразователя частоты, который установлен на выходе магистрального генератора.

Благодаря отсутствию привода постоянной частоты и высокой управляемости статического преобразователя рассматриваемые системы генерирования переменного тока с ПСПЧ потенциально способны значительно улучшить качество вырабатываемой электроэнергии, повысить быстродействие и точность согласования всех параметров напряжения при включении на параллельную работу и в конечном результате улучшить массогабаритные и энергетические показатели всего авиационного электрооборудования в целом. Помимо применения на летательных аппаратах, также считается перспективной областью использование ПСПЧ и в автономных ветроэнергетических и дизель-генераторных установках наземного назначения.

В связи с этим многие ведущие фирмы, например, General Electric (США), Синко Денки (Япония), Westinghouse и т.п., ведут интенсивные работы по созданию автономных систем генерирования типа «переменная скорость постоянная частота». Этой тематике посвящены научные труды таких видных ученых как Д.Э. Брускин, И.М. Синдеев, Ф.Ф. Галтеев, Ф.И. Ковалев, Г. С. Мыцык, О.И. Хасаев, B.C. Руденко, В.И. Сенько, Б.И. Фигаро, Ю.М. Быков, М. Rosswurm, Л. Джюджи, Б. Пелли, M. William, M. Nasser и др. В большинстве из них рассматриваются ПСПЧ без учета особенностей, присущих системам электроснабжения малых летательных аппаратах, имеющих общую мощность потребителей электрической энергии не более 15. 25 кВА и кратность изменения угловой скорости ротора магистрального генератора не менее 1.5. Хотя данная область применения ПСПЧ с учетом современного уровня развития силовой полупроводниковой техники представляется наиболее перспективной с точки зрения быстрой и эффективной практической реализации. Поэтому анализ существующих и разработка перспективной системы генерирования переменного тока типа ПСПЧ для малых ЛА, тщательное исследование ее рабочих процессов и основных характеристик является актуальной технической задачей.

I РАЗДЕЛ


Усовершенствованный анализ бортовых электрических систем

Современная электрификация самолета является комплексной задачей и основана на стремлении сделать самолеты более эффективными, менее дорогостоящими в эксплуатации и также более экологичными с точки зрения выхлопных газов и уровня шума. Чтобы преобразовать современные обычные самолеты в электрический самолет, гидравлические и пневматические приводы и системы будут постепенно заменяться электрическими приводами и системами.

Основными технологическими задачами для их достижения являются снижение веса и повышение эффективности, плотности мощности и надежности компонентов электрической системы летательного аппарата, то есть электрических генераторов, аккумуляторов, регуляторов мощности и двигателей. Для проверки эффективности преобразования энергии этих компонентов требуются системы сбора данных (DAQ), которые способны с высокой точностью и надежностью измерять совокупную входную и выходную мощность и предоставляют исходные исходные данные, необходимые для понимания и повышения эффективности использования энергии в процессе НИОКР.

В результате электрификации становится все сложнее обеспечить стабильную работу электрической системы самолета. Как отдельные компоненты, так и вся электрическая сеть самолета должны быть подвергнуты более тщательному анализу на соответствие качества электроэнергии. Системы Сбора Данных (DAQ) для таких испытаний должны иметь возможность как непрерывно регистрировать весь профиль полета, так и переключаться на более высокие частоты дискретизации, чтобы фиксировать единичные помехи. Они должны иметь возможность выполнять как гармонический анализ, так и измерения мощности с помощью одного и того же прибора.



c:\users\hersgory\appdata\local\microsoft\windows\inetcache\content.word\01.png


c:\users\hersgory\appdata\local\microsoft\windows\inetcache\content.word\flugzeug-messpunkte.jpg

Рис. 1 - Полнофункциональный тестовый блок на борту ВС (решение фирмы HBM)


Одна универсальная СДД для электрических, механических и эксплуатационных испытаний всех компонентов электрической системы самолета, включая генераторы, аккумуляторы, топливные элементы, регуляторы мощности, автоматические выключатели, распределительные сети, преобразователи частоты и двигатели.

В рамках одной цифровой системы могут выделяться следующие преимущества для проверки устойчивости и сертификации электрических распределительных сетей самолетов и их компонентов:

- Запуск или непрерывный сбор данных, вплоть до полной продолжительности профиля полета

- Изолированные входы постоянного напряжения от ± 10 мВ до ± 1000 В

- База данных датчиков для токовых клещей для простой и безошибочной настройки канала

- Изолированные двоичные входы состояния

- Универсальные шины и температурные каналы

- RMS в реальном времени, расчет мощности и эффективности

- Одна встроенная система ССД для всех данных - включая токи, напряжения, крутящий момент и скорости вращения

- Непрерывное хранение всех исходных данных для проверки в реальном времени или после обработки и анализа измеренной активной, полной и реактивной мощности.

- Интеграция в реальном времени в испытательные стенды через универсальный протокол промышленных сетей EtherCAT

- Модульная и масштабируемая система ССД с 6 до 42 каналами в одном базовом блоке;


Современные системы анализа качества электроэнергии на борту ВС предполагают также интерфейсы на основе жидкокристаллических универсальных многофункциональных дисплеев (MFD) и специализированных панелей, способных отображать информацию в наглядном виде, пример изображён на рис. 2.
c:\users\hersgory\appdata\local\microsoft\windows\inetcache\content.word\02.jpg

Рисунок 2 - Панель отображения информации о вырабатываемой электроэнергии постоянного и переменного тока сети ВС


По существу выполненная научно-техническая работа способствует решению комплекса задач, связанных с созданием эффективной авиационной системы генерирования переменного тока постоянной частоты для малых летательных аппаратов.

Цель работы - исследование перспективной авиационной системы генерирования переменного тока постоянной частоты на базе статического преобразователя с амплитудно-импульсной модуляцией и выработка рекомендаций к проектированию основных ее узлов и элементов.

Для достижения указанной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ возможных вариантов построения, выбор и разработка структурной схемы перспективной авиационной системы генерирования переменного тока постоянной частоты для малых летательных аппаратов;

2. Анализ возможных вариантов построения, выбор и разработка силовой схемы статического трехфазного преобразователя перспективной системы генерирования ЛA;

3. Анализ рабочих процессов предложенной силовой схемы статического преобразователя;

4. Определение основных расчетных выражений и характеристик предложенного статического преобразователя;

5. Проверка достоверности полученных расчетно-теоретических положений работы посредством компьютерного моделирования;

6. Экспериментальная проверка достоверности полученных расчетно-теоретических положений работы;

7. Выработка рекомендаций к проектированию предложенного статического преобразователя с амплитудно-импульсной модуляцией для перспективных систем генерирования ЛА.


Технический результат изобретения заключается в улучшении показателей качества устройства генерирования, включая ее массогабаритные показатели.

Достигается это тем, что устройство генерирования напряжения переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения привода генератора, содержащее последовательно включенные синхронный генератор с основной трехфазной якорной обмоткой с топологией «звезда», подключенной ко входам основного трехфазного выпрямителя по мостовой схеме с блоком фильтрации на выходе, в состав которого входит конденсаторный делитель, а также трехфазный инвертор напряжения с выходным фильтром, выходные выводы которого предназначены для подключения к ним несимметричной трехфазной нагрузки с топологией «звезда», причем средняя точка конденсаторного делителя предназначена для подключения ее к нулевой точке нагрузки, снабжено индивидуальным LC фильтром для однофазных нагрузок, дроссель которого одним своим концом подключен непосредственно к одному их выходных выводов трехфазного инвертора напряжения, дополнительным трехфазным выпрямителем по мостовой схеме, двумя трансфильтрами, каждый с обмоткой со средней точкой, блок фильтрации снабжен двумя сглаживающими дросселями, а синхронный генератор выполнен с дополнительной якорной обмоткой, по числу витков аналогичной основной якорной обмотке, но сдвинутой в пространстве относительно нее на угол π/6, которая подключена к входам дополнительного трехфазного выпрямителя, одни одноименные по полярности выводы основного и дополнительного трехфазных выпрямителей подключены к концам обмотки первого трансфильтра, другие одноименные по полярности выводы этих мостов подключены к концам обмотки второго трансфильтра, два сглаживающих дросселя включены между средними точками обмоток трансфильтров и соответствующими обкладками конденсаторного делителя, а нулевые точки основной и дополнительной якорных обмоток объединены.

Кроме того, нулевые точки основной и дополнительной якорных обмоток подключены к средней точке конденсаторного делителя.

Сущность системы поясняется чертежами, где на рис. 3. представлена принципиальная электрическая схема устройства генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты (называемой также системой ПСПЧ), на рис. 4. приведены осциллограммы рабочих процессов в устройстве генерирования напряжения.
03

Рисунок 3 - Принципиальная электрическая схема устройства генерирования напряжения переменного тока стабильной частоты

Устройство генерирования напряжения переменного тока постоянной частоты при переменной частоте вращения привода генератора содержит электрическую машину (СГ) в генераторном режиме 1 с якорными обмотками 2, 3, выполненными по топологии «звезда», два трехфазных выпрямительных моста - основной 4 и дополнительный 5 с выходными выводами постоянного тока 4.1, 4.2 и 5.1, 5.2 соответственно, а также два трансфильтра 6, 7. Каждый из выпрямительных мостов 4, 5 своими входами 4.3÷4.5 и 5.3÷5.5 соответственно подключен к одной из якорных обмоток 2, 3. Одни одноименные по полярности выходные выводы 4.1, 5.1 мостов 4 и 5 подключены к концам 6.1, 6.2 обмотки трансфильтра 6, другие одноименные по полярности выходные выводы 4.2, 5.2 этих мостов 4 и 5 подключены к концам 7.1, 7.2 обмотки трансфильтра 7. Средние точки 6.3 и 7.3 обмоток трансфильтров 6, 7 подключены к одним концам сглаживающих дросселей 8, 9, другие концы которых подключены к тем обкладкам конденсаторного делителя 10, которые подсоединены к шинам питания трехфазного инвертора напряжения 11. Элементы 8, 9, 10 образуют блок фильтрации 12-пульсного выпрямленного напряжения. Выходные выводы 11.1, 11.2, 11.3 трехфазного инвертора подключены к трехфазному фильтру 12. К его выходным выводам 12.1, 12.2, 12.3 подключают симметричную трехфазную нагрузку 13. Одну или несколько однофазных нагрузок 14 согласно изобретению подключают через индивидуальный Г образный LC фильтр - дроссель (L) 15 и конденсатор (С) 16. Благодаря этому решению, а также использованию конденсаторного делителя 10 однофазные нагрузки практически не оказывают влияния на показатели качества симметричной трехфазной нагрузки 13.

Двухканальное (в виде обмоток 2, 3) исполнение якорной обмотки 1 и выпрямительного блока (в виде выпрямителей 4, 5) с использованием для суммирования токов каналов трансфильтров 6, 7 позволяет улучшить массогабаритные показатели синхронного генератора (СГ), а именно: снизить потери в якорных обмотках и в магнитопроводах статора и ротора, а также повысить качество выпрямленного напряжения за счет снижения вдвое уровня его пульсаций и увеличения вдвое их частоты, что позволяет также улучшить и массогабаритные показатели дросселей 8, 9. Что касается трансфильтров 6, 7, то они обеспечивают независимую работу выпрямителей 4, 5 и работают на утроенной частоте генератора - 3ƒ1. Режим независимой работы выпрямителей способствует снижению габаритной мощности генератора (СГ). Например, при отсутствии трансфильтров режим работы СГ значительно ухудшается, что на этапе его проектирования требует увеличения его габаритной мощности в 1,36 раза. Заметим, что при использовании трансфильтров их габаритная мощность не превышает 3% от мощности нагрузки.

Для снижения массы выходных фильтров в трехфазном инверторе используют алгоритмы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) - Рисунок 5 г).

В случае применения данной системы генерирования на некоторых летательных аппаратах приходится выполнять требование «зануления» генератора и потребителей. В этом случае необходимо объединять нулевую точку 01 якорных обмоток 2, 3 со средней точкой 03 конденсаторного делителя 10 (на фиг. 1 эта связь показана пунктиром), которая в свою очередь уже соединена с нулевой точкой 02 трехфазной и однофазной нагрузок 13, 14. Показатели качества такой системы при этом несколько (на 2÷3%) ухудшаются из-за протекания в нулевом проводе 01-03 гармоник нулевой последовательности. Этот факт следует иметь в виду, так что целесообразность введения связи 01÷03 каждый раз, когда это возможно, должна внимательно рассматриваться и обосновываться.



04

Рисунок 4 - Осциллограммы рабочих процессов в устройстве генерирования напряжения

Осциллограммы рабочих процессов в устройстве генерирования, поясняющие ее работу, представлены на рис. 5, где показаны: а), б) - фазные напряжения и токи на якорных обмотках 2.1 и 3.1; в) - эквивалентный фазный ток этих двух обмоток, определяющий реакцию якоря СГ и потери в стали магнито-проводов якоря и ротора; г) - фазные напряжения до фильтра (между точками 11.1.и 02), после фильтра (между точками 12.1.и 02) и ток нагрузки (в фазе 13.1); д) - напряжения на одной из обмоток трансфильтров 6 и 7; е) - одно из линейных напряжений на входе трехфазного выпрямителя, а также 12-пульсное выпрямленное напряжение до блока фильтрации (между точкам 6.1 и 7.1) и после блока фильтрации (на конденсаторном делителе, т.е. непосредственно между шинами питания трехфазного инвертора). На осциллограмме эти напряжения практически плохо различимы между собой, что, в частности, свидетельствует о незначительной установленной мощности элементов блока фильтрации выпрямленного напряжения.

Осциллограммы соответствуют режиму, когда частота напряжения СГ ƒ1=300 Гц, а выходная частота системы генерирования ƒ2=400 Гц. Искажения в напряжениях СГ обусловлены индуктивностями рассеяния его обмоток.

Использование системы позволяет при одновременном расширении области применения, снизить потери в якорных обмотках и в магнитопроводах статора и ротора, а также повысить качество выпрямленного напряжения за счет снижения вдвое уровня его пульсаций и увеличения вдвое их частоты, что позволяет также улучшить и массогабаритные показатели дросселей.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использованы: аналитические методы, принятые в электротехнике и общей теории электрических цепей, эмпирико-эвристические методы, методы гармонического анализа и компьютерное моделирование. Достоверность основных теоретических положений и результатов должна быть подтверждена посредством экспериментальных исследований на макетном образце силовой схемы статического преобразователя.

В работе должны быть получены следующие результаты:

- предложен новый подход к проектированию статического преобразователя систем ПСПЧ, при котором требования к форме кривой выходного напряжения определяются из условия, что дополнительные потери основных потребителей электрической энергии от гармонических составляющих не будут превышать заданного уровня. При этом питание потребителей электрической энергии, критичных к качеству входного напряжения, осуществляется через дополнительные сглаживающие фильтры;

- определены основные выражения для проведения инженерных расчетов среднего и действующего значений токов и напряжений на нагрузке и в силовых элементах, амплитудных значений гармонических составляющих, коэффициентов искажения синусоидальности, формы и синусоидальности кривых фазного и линейного выходного напряжения статического преобразователя;

- установлены параметры силовой цепи разработанного статического преобразователя, при которых синтезируемое выходное напряжение имеет наименьший коэффициент искажения синусоидальности кривой;

- дана аналитическая и количественная оценка влияния параметров нагрузки на рабочие процессы в разработанной силовой схеме статического преобразователя.

Практическая ценность работы должна быть определяться тем, что

- разработана рациональная структурная схема ПСПЧ для малых ЛА, в которой генерирование электрической энергии осуществляется посредствам магистрального генератора с возбуждением от постоянных магнитов, стабилизация постоянного напряжения промежуточного звена осуществляется посредствам последовательно включенного дополнительного канала с понижающим конвертором, а формирование выходного трехфазного напряжения осуществляется посредством статического преобразователя с амплитудно-импульсной модуляцией;

- разработана силовая схема статического преобразователя, в которой основная часть электрической энергии осуществляется с помощью классической трехфазной мостовой схемы, а требуемое качество выходного переменного напряжения обеспечивается посредством маломощной вспомогательной преобразовательной ячейки, содержащей минимальное количество ключевых полупроводниковых приборов;

- получены расчетные выражения и характеристики рассматриваемой системы ПСПЧ и статического преобразователя, на основе которых выработаны рекомендации по проектированию основных силовых элементов;

- выработан алгоритм расчета и выбора силовых элементов статического преобразователя, посредством использования которого выявлено, что предложенный подход к проектированию статического преобразователя для систем генерирования малых ЛА позволяет снизить потери мощности в разрабатываемом устройстве на 20-30 % и повысить коэффициент использования ключевых приборов на 10-22 %\
Требования к параметрам качества электроэнергии современных систем генерирования переменного тока.

1. Существующие системы генерирования ЛА переменного тока постоянной частоты из-за неудовлетворительного современному уровню быстродействия, высокой стоимости изготовления, установки и проведения регламентных работ, относительно низкой надежности гидромеханических и турбомеханических приводов постоянной скорости все в большей мере начинают не удовлетворять современным авиационным требованиям. В тоже время среди возможных авиационных систем генерирования все более перспективными становятся системы «переменная скорость постоянная частота» (ПСПЧ), в которых магистральный генератор непосредственно размещен на валу раздаточной коробки авиационного двигателя, а постоянство частоты выходного напряжения ПСПЧ обеспечивается посредством статического преобразователя частоты;

2. На малых ЛА, имеющих общую мощность потребителей не более 15 кВА и кратность изменения скорости вращения ротора магистрального генератора не менее 1.5 целесообразно применять системы ПСПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. По сравнению с системами генерирования на базе НПЧ в таких системах формирование кривых выходного напряжения практически не зависит от частоты колебаний и числа фаз выходного напряжения магистрального генератора. Это по существу обуславливает простоту практической реализации как системы управления, так и всего преобразователя в целом, что определяет ее основные преимущества. При повышении мощности потребителей свыше 15 кВА системы ПСПЧ на базе НПЧ становятся более перспективными за счет однократного преобразования электрической энергии;

3. Применительно к малым ЛА рационально принять за базу такие требования к форме кривой выходного напряжения, при которых основные бортовые потребители электрической энергии имеют дополнительные потери от гармонических составляющих не больше заданного уровня. При этом необходимое качество питающего напряжения для остальных потребителей, имеющих сравнительно небольшую входную мощность, необходимо обеспечивать с помощью дополнительных входных фильтров;

4. При установленном качестве формы кривой выходного напряжения

1.1) в системах ПСПЧ с промежуточным звеном постоянного тока эффективно использовать преобразователь с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), который при заданных условиях имеет потенциально малые динамические потери электрической энергии по сравнению с преобразователем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Причем в случае повышения требований к качеству формы кривой бортового переменного напряжения очевидно эффективным становится применение ШИМ преобразователя;

5. С целью повышения надежности, улучшения массогабаритных показателей и снижения стоимости технического обслуживания целесообразно в перспективной системе ПСПЧ использовать генератор с возбуждением от постоянных магнитов. При этом стабилизацию постоянного напряжения промежуточного звена рационально осуществлять посредством дополнительного канала с понижающим конвертором, который последовательно включен с основным каналом передачи электрической энергии;

6. Среди различных схемотехнических решений построения силовой схемы преобразователя с АИМ предпочтение дано тому, в котором основная часть электрической энергии осуществляется с помощью классической трехфазной мостовой схемы, а требуемое качество выходного напряжения обеспечивается посредством маломощного вспомогательного устройства, содержащего минимальное количество ключевых полупроводниковых приборов;

7. Разработанная силовая схема трехфазного преобразователя обеспечивает требуемое качество выходного напряжения при снижении числа ключевых приборов на 60 % по сравнению с традиционными схемами;

8. Гармонический анализ показывает, что в спектральном составе выходного напряжения предложенного преобразователя отсутствуют четные и кратные трем гармоники, а на амплитудные значения гармоник с порядковыми номерами 9(2п+1)±4 и 9(2п+1)±2 существенное действие оказывает амплитуда V выходного напряжения вспомогательного преобразователя. Причем при V = 0.074 в спектре выходного напряжения трехфазного преобразователя отсутствуют гармоники с номерами 9(2п+1') ±4, а при значении V равном 0.217 отсутствуют гармоники с номерами 9(2п+1) + 2;

9. Оптимальное качество выходного напряжения трехфазного преобразователя достигается при относительной амплитуде V равной 0.165. В этом случае относительный коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения на 18 % ниже требуемого значения, а коэффициент Kgj искажения синусоидальности кривой имеет минимальное значение равное 0,1177. При этом отклонение V от оптимальной величины допускается в весьма широких пределах. Так при изменении V в диапазоне от 0.12 до 0.2 коэффициент ^; изменяется всего на 0.005 единиц, что является допустимым отклонением;

10. При оптимальной значении амплитуды Ud вспомогательного преобразователя коэффициенты синусоидальности и формы кривых фазного и линейного напряжений статического преобразователя отличаются не более чем на 1 % и 1.7 % от соответствующих коэффициентов идеальной синусоидальной кривой. Данный фактор отражает высокую степень синусоидальности кривых синтезируемого выходного напряжения разработанного преобразователя;

11. Анализ рабочих процессов показывает, что при снижении коэффициента мощности нагрузки (cosqy) амплитуда мгновенного тока силовых обратных диодов сравнивается с амплитудой мгновенного тока (1тут) силовых транзисторов, а амплитуда мгновенного тока дополнительных ключей переменного тока даже превышает ImVr. В тоже время амплитуды мгновенного тока транзисторов и диодов вспомогательного преобразователя с понижением коэффициента мощности сравниваются. Также с уменьшением коэффициента мощности и среднее значение тока силовых обратных диодов и других силовых элементов по отношению к среднему значению тока силовых транзисторов повышается. Поэтому к данным факторам необходимо внимательно относиться при проектировании трехфазного преобразователя;

12. Компьютерные исследования подтверждают правильность основных теоретических положений работы и выведенных выражений для инженерного расчета. Превышение расчетных значений над компьютерными результатами объясняется тем, что было принято допущение о синусоидальной форме фазного тока и отсутствии пульсации напряжения на входных конденсаторах и падения напряжения на полупроводниковых элементах. Однако с учетом абсолютных величин полученные расхождения являются незначительными с точки зрения инженерного проектирования и выбора силовых элементов;

13. Анализ результатов, полученных посредством применения разработанного расчетного алгоритма эскизного проектирования показывает, что предложенный подход к проектированию статического преобразователя для систем генерирования малых ЛА позволяет снизить потери мощности в разрабатываемом устройстве на 20-30 % и повысить коэффициент использования ключевых приборов на 10-22 %, что определяет достоинства его использования;

14. Проведенные экспериментальные исследования на макетном образце также подтверждают достоверность расчетно-теоретических положений и сравнительно высокую точность выведенных аналитических выражений, которая достаточна при проектировании трехфазного преобразователя напряжения;

Таким образом, применительно к малым ЛА, имеющих общую мощность потребителей не более 15 кВА и кратность изменения скорости вращения ротора магистрального генератора не менее 1.5, должна быть подтверждена перспективность системы генерирования переменного тока постоянной частоты, в которой генерирование электрической энергии осуществляется посредством магистрального генератора с возбуждением от постоянных магнитов, стабилизация постоянного напряжения промежуточного звена осуществляется посредством дополнительного канала с понижающим конвертором, а формирование выходного трехфазного напряжения осуществляется посредством АИМ преобразователя. Подобные системы при заданном качестве переменного выходного напряжения также целесообразно использовать в автономных ветроэнергетических и дизель-генераторных установках наземного назначения.

II РАЗДЕЛ


Для обычных самолетов системы вторичного энергопотребления объединяют пневматическую, гидравлическую, механическую и электрическую энергию, и их энергопотребление составляет примерно 5% от общего количества топлива, сжигаемого во время полета.

С появлением инициативы по созданию более электрифицированного самолета (MEA) электроэнергетические системы постепенно вытесняют пневматические, гидравлические и механические энергетические системы.

Со временем эта тенденция привела к увеличению требуемой электрической мощности, особенно для более крупных самолетов. Например, в B787 достаточное количество полезных нагрузок, которые традиционно обеспечивались пневматической системой отбора воздуха, в настоящее время осуществляются агрегатами и системами с электрическим приводом. Эти нагрузки включают (но не ограничиваются ими) системы противообледенения крыла, систему контроля окружающей среды (ECS) и систему запуска двигателя. Поэтому важным игроком во всем этом является необходимость выработки электроэнергии на борту. На рис. 5 представлена ​​общая схема системного уровня, касающаяся исторического развития производства и распределения электроэнергии на борту.
c:\users\hersgory\appdata\local\microsoft\windows\inetcache\content.word\01.jpg
Рисунок 5 - Эволюция электрических систем постоянного и переменного тока
Потребность в электроэнергии на борту самолета началась с требования запуска главных двигателей. Следовательно, производство электроэнергии на самолетах восходит к периоду Первой мировой войны.

Генерация переменного напряжения с постоянной частотой требует механической коробки передач между первичным двигателем с переменной скоростью (то есть валом двигателя) и генератором. Этот сложный гидромеханический блок вызвал проблемы с надежностью из-за увеличения количества компонентов (с несколькими движущимися частями), которые требовали частого технического обслуживания. В начале 1990-х годов потребность в более энергоэффективных самолетах способствовала продвижению концепции MEA, которая была известна с 1940-х годов. В результате этой тенденции в настоящее время доступны коммерческие самолеты с более электрическими характеристиками, и некоторые примеры - A380 и B787.

Начиная с зарождения авиации, возможен обзор развития генераторов электроэнергии для авиационных и космических применений. В частности, производство электроэнергии постоянного тока обсуждается в этом разделе, где рассматриваются технологии, применяемые до и после мировых войн. Далее описаны технологии генерации энергии переменного тока, такие как системы с постоянной частотой (ПЧ) и системы с постоянной частотой вращения (VSCF), и выделены их основные преимущества и недостатки. Также рассматриваются «нетрадиционные системы», такие как системы на основе коммутируемой реактивной машины (SRM), для выработки электроэнергии на борту военных самолетов. Последние достижения и современные системы генерации, используемые в MEA, рассматриваются в дополнительном разделе. Кратко рассматриваются проблемы и будущие разработки, касающиеся выработки электроэнергии на будущих воздушных судах (т.е. системы с несколькими катушками и системы HVDC).

В ранние годы электроэнергия на самолетах использовалась главным образом для систем связи и зажигания. Действительно, первые генераторы постоянного тока обычно были рассчитаны на мощность менее 500 Вт и обычно принимали уровни напряжения 6 В и 12 В постоянного тока. Как упоминалось ранее, установка систем освещения, сигнализации и отопления повысила требования к электроэнергии. Следовательно, мощность генератора возросла до 1 кВт (значение сохранялось до начала Второй мировой войны), а также уровень напряжения, который был увеличен до 28 В постоянного тока. Более высокое генерируемое напряжение позволило сэкономить на весе кабелей и коммутаторов.

После Второй мировой войны в авиастроении появилась тенденция к созданию систем переменного тока. Тем не менее, генераторы постоянного тока все еще продолжали разрабатываться и использоваться, главным образом, на основе знаний и опыта, приобретенных в результате их применения в предыдущие годы. В середине XX века был изобретён специализированный стартер-генератор постоянного тока.

Этот стартер-генератор мог непрерывно работать при 7500 об / мин, обеспечивая ток 400А. Чтобы уменьшить вес кабеля, генераторы постоянного тока, работающие при 120 В постоянного тока, также были введены на некоторых самолетах, так как более высокое напряжение подразумевает меньший ток для данной мощности. Тем не менее, системы с более высоким напряжением всегда представляли (и все еще имеют) серьезные проблемы, связанные с безопасностью и риском, особенно для систем постоянного тока, зависящих от электромеханической коммутации. Действительно, напряжение пробоя между двумя электродами, находящимися на фиксированном расстоянии в воздухе, уменьшается с увеличением высоты (то есть уменьшением давления).


Рисунок 6 - Вид типичного авиационного генератора 28 В постоянного тока.

Как следствие, на большой высоте для поддержания электрической дуги необходимо более низкое напряжение (относительно уровня земли), что является причиной преждевременного износа щеток / коммутатора и проблем с надежностью. Для большинства малых и средних самолетов генерация при 28 В пост. тока все еще представляет собой осуществимую систему . Однако низковольтных систем постоянного тока, которые были столь успешными в прошлом, больше не достаточно для более высокого количества электроэнергии, требуемого сегодня, особенно в случае более крупных самолетов. Например, современный Airbus A380-800 (который работает при 115 В переменного тока) имеет общую длину провода около 470 км при общей массе 5700 кг. Этот вес был бы более чем втрое больше, если бы напряжение бортовой электрической распределительной системы составляло 28 В. В настоящее время многие небольшие современные самолеты используют генераторы постоянного тока как для основной, так и для резервной систем генерации. Некоторые примеры гражданских самолетов, использующих стартеры-генераторы 28 В пост. Тока: 1) ATR-600, 2) Дорнье 328, 3) Gulfstream G280 и 4) Falcon 2000.

В таблице I перечислены основные характеристики современных генераторов постоянного тока.


Таблица I - характеристики современных генераторов с приводом постоянного тока.

Электрические параметры

Скорость

[тыс.об/мин]

Вес [кг]

Удельная мощность [КВт/кг]

28V, .8kW

8-12.15

7.8-8

0.6-0.62

28V, 6kW

7-12.15

9-11

0.54-0.67

28V, 9kW

4.5-12.3

16-21

0.43-0.56

28V, 12kW

7-12.8

17-19

0.63-0.71


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница