Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы мощность систем электроснабжения (СЭС) создаваемых космических летательных аппаратов (КЛА) возросла до десятков , а в перспективных - до сотен киловатт. Это связано с увеличением продолжительности полетов , применением новой техники для исследований, энергоемких технологических операций. Принятая ранее концепция построения СЭС постоянного тока со статическими источниками тока на определенном этапе перестает удовлетворять требованиям по массо-энергетическим показателям, ресурсу, эффективности использования энергии, вырабатываемой первичным источником, качеству электроэнергии на шинах нагрузки. Увеличение мощности достигается за счет наращивания площади солнечных батарей (СБ) и их установленной мощности. Это приводит к усложнению систем ориентации и развертывания, ухудшению динамических характеристик КЛА, увеличению массы систем и стоимости проекта. В связи с этим возникла необходимость создания и исследования новых типов СЭС КЛА. Тенденция увеличения мощности бортового электрооборудования, развитие централизованных электрических регуляторов привело к одному из перспективных вариантов решения этой проблемы - применению СЭС комбинированного типа, т.е. СЭС трехфазного переменного и постоянного напряжения, с использованием в качестве основного источника энергии ядерного реактора и преобразованием тепловой энергии в электрическую как непосредственно, так и с помощью электромеханического генератора (ЭМГ ) переменного тока.
Автономная система электроснабжения (АСЭС) является сложной агрега-тивной системой, представляющей собой функционально необходимую совокупность конечного числа агрегатов и связей между ними., обеспечивающих автоматизированный процесс генерирования, преобразования и распределения электроэнергии требуемого качества. При этом допускаются любые технически реализуемые процессы, если это оказывается целесообразным с точки зрения эффективности создаваемой системы. Решение задачи распознавания многообразия возможных вариантов структуры может быть достигнуто формальными методами на основе современной вычислительной техники, если вскрыты общие принципы организации систем рассматриваемого класса и осуществлено формализованное описание известных физических, химических эффектов, а также возможных способов их технических реализаций в форме математических моделей. Исходя из вышеизложенного следует отметить, что при проектировании АСЭС необходимо решать системную и параметрическую задачи. В системную задачу входит синтез и анализ структур, а также принятие
решения по рациональности использования вариантов АСЭС. Среди системных задач в первую очередь следует выделить выбор конечного множества вариантов структур, обеспечивающих автоматизированный процесс генерирования , преобразована и распределения электроэнергии, удовлетворяющей предъявляемым требованиям . Это требует создание гибкой математической модели АСЭС, которая должна основываться на математических моделях отдельных элементов ( электромеханических генераторов, преобразователях, элементах системы передачи и распределения электроэнергии) в сочетании с топологической моделью СЭС. Число принципиально возможных конкурирующих структур, исходя из элементарных соотношений комбинаторики, является показательной функцией числа элементов, из которых формируются структуры. Выбор наилучшего варианта структуры ( или ее подсистемы ) из множества возможных на практике осуществляется проектировщиком на основании сравнительного анализа ограниченного числа эвристически установленных вариантов ее построения. Поэтому на этапе аванпроекта для выбора параметров элементов и всей системы в целом целесообразно ограничиться известными, наиболее распространенными вариантами структур АСЭС КЛА.
К параметрическим задачам относятся следующие : выбор уровня номинального напряжения АСЭС, рода тока и частоты сети, числа фаз сети переменного тока, уровня стабильности выходного напряжения, оптимизации мас-. со-энергетических показателей генераторов, преобразователей электроэнергии, обеспечивающих наилучшие показатели системы в целом.
При решении системных и параметрических задач для АСЭС КЛА комбинированного типа необходимо решить следующие основные проблемы : Я создание агрегатной базы перспективных элементов АСЭС КЛА комбинированного типа - источников и преобразователей электроэнергии с учетом требований к автоматическим регуляторам, элементов системы передачи и распределения электроэнергии, коммутационной аппаратуры и аппаратуры управления, регулирования и защиты - нормально функционирующих в особых условиях эксплуатации и отвечающих требованиям по качеству, надежности и массо-габаритным показателям; Я выбор и обоснование основных параметров комбинированных АСЭС КЛА, обеспечивающих требуемое качество электроэнергии на шинах потребителя и минимум массы системы; Я решение задач синтеза АСЭС комбинированного типа для выбора оптимальной структуры АСЭС, удовлетворяющей требованиям по массо-габаритным показателям и качеству электроэнергии.
Различные подходы к решению вышеизложенных задач рассмотрены и исследованы в работах Тимашева СВ., Куландина А.А., Веденеева Г.М., Токарева А.Б., Орлова И.Н., Галтеева Ф.Ф. В них предлагаются методы структурного синтеза и парметрической оптимизации АСЭС КЛА на солнечных батарей. Однако, как отмечено выше, для перспективных АСЭС КЛА такие системы перестают удовлетворять предъявляемым требованиям. Системные и параметрические задачи для АСЭС КЛА комбинированного типа, в которых в качестве первичного источника применяется ядерная электроэнергетическая установка (ЯЭЭУ) и преобразование тепловой энергии в электрическую производится или непосредственно, или с помощью электромеханического генератора переменного тока, в настоящее время исследованы не достаточно полно.
Методы и подходы к решению задач структурно-параметрической оптимизации АСЭС широко исследованы в работах Морозовского ВТ., Лазарева И.А., Аветисяна ДА, Терещука B.C., Кривенцева В.И., Цоя А.А, и других авторов. Эта методы позволяют выбирать рациональную структуру и параметры АСЭС, в частности, авиационных, в соответствии с различными показателями качества. Анализ современных разработок показал, что существенное влияние на массу основных элементов и всей АСЭС в целом оказывает частота переменного тока. Если в авиационных СЭС в результате исследований принято стандартное значение частоты - 400-800 Гц, то в АСЭС КЛА влияние частоты на массу не исследовано. В АСЭС КЛА решение этой задачи необходимо базировать на существующих и перспективных разработках в области элементной базы. Рациональное значение частоты этих элементов является предметом исследования и формируется в соответствии с требованиями потребителей. Таким образом, задача анализа влияния частоты переменного тока на массу и электрические параметры АСЭС КЛА в настоящее время не исследована и представляет собой самостоятельную проблему.
Цель работы. Разработка методики определения структуры и параметров АСЭС КЛА комоиніфованного типа и исследование влияния частоты переменного тока на массу элементов и всей системы.
Для достижения поставленной цели автор диссертационной работы решает следующие задачи:
анализ современных разработок в области исследования АСЭС;
отбор перспективных элементов АСЭС КЛА, удовлетворяющих требованиям к таким системам для создания агрегатной базы;
разработка функциональных и критериальных математических моделей основных элементов.-АСЭС в соответствии с поставленной задачей ;.
создание обобщенной математической модели АСЭС КЛА комбинированного типа, разработка алгоритма и программы расчета, позволяющих решать задачи определения структуры и параметров перспективных типов АСЭС КЛА комбинированного типа;
решение структурных и параметрических задач АСЭС КЛА комбинированного типа.
Методы исследований . В диссертационной работе использовались методы математического моделирования линейных и нелинейных электрических цепей. Система уравнений формировалась матричнскгопологическим методом с использованием теории множеств. Система алгебраических уравнений с комплексными переменными решалась методом LU - разложения с использованием современных методов хранения и офаботки разреженных матриц.
Научная новизна
-
Разработаны критериальные и функциональные математические модели основных элементов перспективных АСЭС КЛА комбинированного типа - генераторов, трансформаторно-выпрямительньк блоков (ТВБ), транс-форматорно-инверторных блоков (ТВБ), распределительной сети - в соответствии с поставленной задачей.
-
Создана обобщенная математическая модель АСЭС КЛА комбинированного типа, включающая в себя математические модели отдельных элементов и учитывающая их взаимосвязь и взаимовлияние.
-
Разработан алгоритм и реализована программа, позволяющая решать задачи выбора структуры и определения основных параметров перспективных типов АСЭС КЛА комбинированного типа.
Пранггическая ценность.
-
В результате сравнительного анализа различных типов современных и перспективных элементов АСЭС : источников и преобразователей электроэнергии и их автоматических регуляторов, кабельной сети, коммутационной аппаратуры и аппаратуры управления, контроля и защиты даны рекомендации по использованию элементов, наиболее полно удовлетворяющих предъявленным требованиям по массо-габаритным показателям, по технологическим параметрам.
-
Разработан пакет прикладных программ (ППП) , позволяющий решать комплекс задач для выбора структуры и параметров АСЭС КЛА комбинированного типа с учетом требований к автоматическим регуляторам источников и преобразователей электроэнергии, которая обеспечивает автоматизированный процесс генерирования,' преофазования и распределения электроэнергии, удовлетворяющей предъявленным требованиям по качеству электроэ1?ергии. -'; +. - *-*
-
Предложена методика анализа качества электроэнергии сети с учетом автоматического регулирования напряжения на шинах потребителей при изменение графика нагрузки и обоснования выбора и установки буферных источников энергии для обеспечения требуемого качества электроэнергии на шинах потребителя при колебаниях нагрузки.
-
Получены семейства кривых для АСЭС КЛА комбинированного типа мощностью от 5 до 25 кВА, определяющие зависимости удельной массы основных элементов от частоты, полной массы элементов от частоты, зависимость массы АСЭС КЛА от частоты для диапазона частот от 400 до 4000 Гц.
Внедрение результатов работы. Разработки НИР, выполненные по данной теме, использовались для разработки вариантов перспективных АСЭС КЛА в ЦСКБ г. Самара.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы электромеханики» (1989 г.), на научно-технической конференции « XX Гагаринские чтения» (1994 г.), на научно-технической конференции «Проблемы энергомашиностроения» (1996 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений; содержит 98 страниц основного машинописного текста, 32 страницы иллюстраций, 6 таблиц, 10 страниц списка использованной литературы из 104 наименования, 18 страниц приложений.
