Методы повышения эффективности двухтактных преобразователей систем электроснабжения летательных аппаратов Манбеков, Дмитрий Рауфович

Введение к работе

Актуальность работы. Неотъемлемой частью любых электротехнических комплексов и систем электроснабжения (СЭС) являются источники вторичного электропитания (ИВЭП), предназначенные для преобразования электроэнергии к виду и качеству, пригодному для питания конечного потребителя. ИВЭП также осуществляют защиту от аварийных перегрузок по току и коротких замыканий нагрузки.

Возрастающие требования к электрооборудованию по уменьшению массы, объема, тепловых потерь, ЭМС, увеличению надежности и КПД приводят к необходимости разработки высокоэффективных ИВЭП. Это особенно актуально для преобразователей повышенной и большой мощности, поэтому их целесообразно проектировать на основе высокочастотных двухтактных транзисторных преобразователей постоянного напряжения (ДППН). Использование ДППН позволяет снизить массу сердечника силового трансфор-матора за счет его более полного использования, а также выходного сглаживающего фильтра благодаря двукратному увеличению частоты пульсаций выходного напряжения.

Известно, что основными проблемами при проектировании ДППН является необходимость исключения сквозных токов и устранения несимметричного режима перемагничивания сердечника силового трансформатора. Решению проблемы сквозных токов посвящено много исследований, а их результаты опубликованы в научных изданиях и тематических сборниках. В то время как для решения проблемы несимметричного перемагничивания в ДППН хоть и предложен ряд решения, но, как показал сравнитель-ный анализ, они не отвечают современным требованиям к ИВЭП. Более эффективные решения, применяемые в промышленных образцах ИВЭП, не публикуются в открытой печати по причинам защиты авторских прав и интеллектуальной собственности.

Успешное решение рассматриваемой проблемы позволит проектировать ИВЭП с улучшенными массоэнергетическими показателями, позволит обеспечить их ЭМС и безопасную работу, что будет способствовать миниатюризации СЭС и обеспечению их безопасной работы в переходных и аварийных режимах.

Целью работы является разработка и исследование новых методов симметрирования для ИВЭП на основе высокочастотных транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

Исходя из указанной цели работа посвящена решению следующих задач:

1. Анализ известных методов симметрирования с целью определения их достоинств и недостатков.

2. Разработка и исследование новых методов симметрирования, обеспечивающих надежную работу ДППН в номинальных, переходных и аварийных режимах.

3. Разработка структурных, функциональных и схемотехнических решений, реализующих предложенные методы симметрирования для режимов управления ДППН по напряжению (Voltage mode) и по току (Current mode).

4. Компьютерное моделирование для оценки эффективности предложенных методов симметрирования в номинальных, переходных и аварийных режимах.

5. Экспериментальное исследование узлов симметрирования в составе ИВЭП на основе транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы теоретические исследования проводились с использованием методов теории электрических цепей, методов дифференциального и интегрального исчислений, а также численных методов математического анализа с использованием компьютерного моделирования в пакете программ OrCAD 9.2. Экспериментальные исследования проводились на макетных образцах ИВЭП на основе высокочастотных транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием в режимах управления как по напряжению, так и по току.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена классификация известных опубликованных методов симметрирования и показано, что в силу ряда недостатков они не отвечают требованиям, предъявляемым к современным ИВЭП.

2. Показано, что эффекту несимметричного перемагничивания в той или иной степени подвержены различные структуры силовых каскадов ДППН.

3. Установлено, что в одних и тех же структурах ДППН различные алгоритмы управления силовыми транзисторными ключами (СТК) по разному влияют на процесс несимметричного перемагничивания.

4. Предложены новые методы симметрирования на основе: обеспечения равенства ВСИ, изменения наклона опорного пилообразного напряжения (ОПН) задающего генератора ШИМ, подчиненного регулирования по току и изменения управляющего напряжения ШИМ, обеспечивающие симметричный процесс перемагничивания в номинальных, переходных и аварийных режимах.

5. Предложены принципы построения и расчета узлов симметрирования ДППН для различных режимов управления.

6. Установлено, что несимметричный режим перемагничивания может приводить не только к магнитному насыщению, но и к неконтролируемому нарастанию тока через СТК.

7. Показано, что несмотря на наличие узлов ограничения аварийного тока в переходных режимах и при коротком замыкании (КЗ), возможен эффект интегрирования тока, обусловленный неизбежными задержками на отключение СТК.

8. Предложены новые методы построения узлов токовой защиты, позволяющие устранить эффект интегрирования тока в переходных режимах и КЗ нагрузки за счет изменения частоты преобразования путем воздействия на ГПН ШИМ.

Практическая полезность.

1. Предложена классификация известных методов симметрирования и проанализированы их достоинства и недостатки.

2. Разработаны схемотехнические решения узлов симметрирования для режимов управления ДППН по напряжению и по току.

3. С помощью компьютерного моделирования проведена оценка эффективности разработанных методов симметрирования в номинальных, переходных и аварийных режимах.

4. Проведены экспериментальные исследования для оценки эффективности разработанных методов симметрирования на макетных образцах ИВЭП на основе транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием.

5. Разработаны структурные, функциональные и схемотехнические решения узлов симметрирования для ДППН с ШИМ-регулированием и управлением, как по напряжению, так и по току.

6. Разработаны новые схемотехнические решения для устранения эффекта интегрирования тока при КЗ нагрузки.

7. Результаты исследований использованы в опытно-конструкторских работах различных предприятий, а также используются в курсах «Источники вторичного электропитания» и «Управление устройствами преобразования электроэнергии» учебного процесса МАИ по кафедры 306. Получены 2 патента на полезную модель.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований были использованы в отчете о научно-исследовательской работе "Разработка научно-технических основ создания высокоэффективных систем управления, пилотажно-навигационных, приборных комплексов и электротехнических систем летательных аппаратов на основе современных информационных технологий" (Машуков Е.В., Шевцов Д.А., Ульященго Г.М., Манбеков Д.Р.) (МАИ, Гос. регистрация № 01200702211, тема №1.5.06, этап №4, 2009). Теоретические и экспериментальные результаты работы были использованы при создании опытных образцов ИВЭП на основе транзисторных ДППН с ШИМ-регулированием, внедрены на предприятиях ОАО «ГосНИИП» и ЗАО «ММП-Ирбис», а также в учебный процесс по кафедре № 306 МАИ, что подтверждено соответствующими актами.

На защиту выносится:

1. Методы симметрирования процесса перемагничивания сердечника силового трансформатора ДППН для режима управления по напряжению:

   1. Путем формирования равенства ВСИ.

   2. Путем изменения наклона опорного пилообразного напряжения ШИМ.

   3. Путем изменения управляющего напряжения ШИМ.

   Метод симметрирования процесса перемагничивания сердечника силового трансформатора ДППН для режима управления с подчиненным регулированием по току.

   Метод устранения эффекта интегрирования тока при КЗ нагрузки.

   Апробация работ. Основные результаты работ докладывались на:

   открытом конкурсе научно-исследовательских, проектно-конструкторских и технологических работ студентов, аспирантов и молодых специалистов "Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов", 2007 г., Москва;

   8-й международной конференции "Авиация и космонавтика – 2009", 26-29 октября 2009 г., г. Москва;

   2-й Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов "Информационные технологии в авиационной и космической технике 2009", 20-23 апреля 2009 г., г. Москва;

   Научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2010», 26-30 апреля 2010 г., г. Москва.

   9-й международной конференции "Авиация и космонавтика – 2010", 16-18 ноября 2010 г., г. Москва.

   Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 25 работах, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

   Структура и объем работ. Диссертационная работа включает в себя введение, шесть глав, общие выводы по работе, список литературы, приложения и содержит 93 страниц основного текста и 112 рисунков на 34 страницах, наименования списка литературы на 8 страницах и 2 страниц приложений.

   Похожие диссертации на Методы повышения эффективности двухтактных преобразователей систем электроснабжения летательных аппаратов

   Методы повышения эффективности трехфазных транзисторных централизованных преобразователей частоты для систем электроснабжения летательных аппаратовДанилина, Анастасия Николаевна

   

   Совершенствование системы электроснабжения летательных аппаратов на основе разработки аксиальных электромагнитных преобразователей энергииГуйдалаев Мамми Гамзатович

   Повышение энергетической эффективности системы "Непосредственный преобразователь частоты - тяговый асинхронный двигатель"Власов, Евгений Васильевич

   Повышение эффективности управления системами электропитания на основе групповых преобразователейАстапович, Юрий Михайлович

   Определение структуры и параметров автономных комбинированных систем электроснабжения космических летательных аппаратов на этапе авиапроектированияГалимова, Акиля Анверовна

   

   Разработка методов повышения эффективности эксплуатации участковых карьерных трансформаторных подстанций Молодых Александр Викторович

   Методы повышения эффективности системы автоматизации жизнеобеспечения зданий на базе оборудования технологии BACnetДемерчян Эдвард Георгиевич

   

   Развитие теории и комплексные методы повышения эффективности функционирования электрооборудования горных предприятийДорошев Юрий Степанович

   Развитие теоретических основ и методов повышения эффективности и безаварийности эксплуатации электротехнических комплексов и систем угольных шахтМиновский, Юрий Петрович

   

   Научное обоснование методов повышения эффективности электротехнических комплексов и систем Белей Валерий Феодосиевич