Содержание к диссертации
Введение
1 Место трехфазных статических преобразователей в системах электроснабжения летательных аппаратов и предъявляемые к ним требования 15
1.1 Первичные системы электроснабжения летательных аппаратов 15
1.2 Вторичные системы электроснабжения летательных аппаратов 16
1.3 Критерии проектирования бортовых статических преобразователей . 20
1.4 Требования к бортовым статическим преобразователям . 21
1.5 Обоснование необходимости развития бортовых трехфазных инверторов 24
1.6 «Прямое» и двойное преобразование 27
Выводы к главе 1 32
2 Анализ работы трехфазного инвертора напряжения, состоящего из трех однофазных мостов, в аварийных режимах работы 33
2.1 Структурная организация трехфазного преобразователя с питанием каждой фазы от собственного конвертора 33
2.2 Режимы работы силовой части исследуемого ТИН с ПВЧП 36
2.3 Построение модели для компьютерного имитационного моделирования 41
2.4 Методика анализа процессов при межфазных замыканиях 42
2.4.1 Процессы при двухполярном формировании выходного напряжения инверторной ячейки 42
2.4.2 Процессы при однополярном формировании выходного напряжения инверторной ячейки 49
2.5 Процессы при ШИМ-формировании выходного напряжения инверторных ячеек во время межфазного замыкания 54
2.6 Методы борьбы с эффектом «накачки» 61
Выводы к главе 2 66
3 Исследование процессов и свойств преобразователя на основе двухканального инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта в бортовых системах электроснабжения 68
3.1 Схема Скотта и её применение в современной электроэнергетике.. 68
3.2 Использование схемы Скотта в авиационной преобразовательной технике 69
3.3 Автотрансформаторная схема Скотта 73
3.4 Методика расчета автотрансформаторной схемы Скотта при применении в качестве узла для формирования силовой нейтрали 75
3.4.1 Расчет габаритных мощностей автотрансформаторной схемы Скотта 77
3.4.2 Влияние сопротивления обмоток на формирование трехфазной системы напряжений 82
3.5 Определение параметров автотрансформаторной схемы Скотта при подключении к двухфазной системе напряжений синусоидальной формы 83
3.6 Структурная организация ТИН на основе двухканального инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта 87
3.7 Компьютерное моделирование процессов ТИН на основе двухканального инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта 90
3.7.1 Стабилизация выходного напряжения при изменении нагрузки 90
3.7.2 Исследование процессов преобразователя в динамических режимах 93
3.7.3 Исследование процессов в структуре при коротких замыканиях 95
3.8 Исследование влияния параметров преобразователя на эффект нарастания напряжения в звене постоянного тока при коротких замыканиях. 99
3.9 Параметры фильтра переменного тока инвертора 104
Выводы к главе 3 108
4 Особенности проектирования альтернативного варианта преобразователя на базе трехфазного мостового инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта 110
4.1 Варианты и анализ возможных преобразовательных структур, построенных по схеме трехфазного моста 110
4.2 Трехфазный мостовой инвертор с автотрансформаторной схемой Скотта 123
4.3 Схема управления трехфазного моста со схемой Скотта по мгновенному значению выходного напряжения 127
4.3.1 Описание системы управления преобразователя 127
4.3.2 Моделирование трехфазного моста с автотрансформаторной схемой Скотта с пофазным регулированием. 128
4.4 Сравнение массогабаритных показателей трехфазного мостового инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта и инвертора с разделительными конденсаторами 135
4.5 Исследование аварийных режимов трехфазного моста с автотрансформаторной схемой Скотта 138
4.5.1 Анализ процессов в трехфазном мостовом инверторе с автотрансформаторной схемой Скотта при коротких замыканиях 138
4.5.2 Анализ процессов в трехфазном мостовом инверторе с автотрансформаторной схемой Скотта при обрыве фазной нагрузки.. 143
4.6 Фильтр переменного тока трехфазного мостового инвертора 145
Выводы к главе 4 146
5 Практическая реализация трехфазного инвертора напряжения со структурой трех однофазных мостов с промежуточным высокочастотным звеном постоянного тока 148
5.1 Структура разрабатываемого преобразователя и технические требования 148
5.2 Особенности реализации преобразователя ПТС-800БМВ 149
5.2.1 Силовая часть преобразователя 149
5.2.2 Схема управления инверторной частью преобразователя 152
5.2.3 Конструкция разработанного устройства 154
5.3 Способ устранения постоянной составляющей выходного трехфазного напряжения 156
5.4 Реализация модульного принципа при разработке бортовых преобразователей нового поколения 159
Выводы к главе 5 163
Заключение 165
Список сокращений и условных обозначений 168
Список работ, опубликованных по теме диссертации 169
Список литературы 171
Приложение А 187
Приложение Б 189
Приложение В 195
Приложение Г 197
Приложение Д 198
Приложение Е 199
Приложение Ж 200
Приложение И 199
Приложение К 202
Приложение Л 204
Приложение М 208
Приложение Н 212
- Обоснование необходимости развития бортовых трехфазных инверторов
- Процессы при ШИМ-формировании выходного напряжения инверторных ячеек во время межфазного замыкания
- Варианты и анализ возможных преобразовательных структур, построенных по схеме трехфазного моста
- Реализация модульного принципа при разработке бортовых преобразователей нового поколения
Введение к работе
Актуальность темы. Постоянный рост энерговооруженности и интеллектуализации современного летательного аппарата (ЛА) является устойчивым стимулом развития авиационного электротехнического оборудования. На ЛА растет число устройств с силовыми и информационными функциями, которые для своего функционирования требуют соответствующего электропитания. Поэтому возрастающие требования к качеству и надежной работе бортового оборудования требуют повышенного внимания к проектированию электроэнергетического комплекса, обеспечивающего электроснабжение потребителей. Требования потребителей электроэнергии с одной стороны, и вид первичной системы генерирования с другой стороны, в значительной степени определяют его состав и структуру. Соответствие между первичной системой электроснабжения (СЭС) и разнообразием вида и качества электропитания потребителей, удовлетворяется наличием на борту летательного аппарата вторичной СЭС.
Ряд потребителей, например радиолокационное оборудование, оборудование радиосвязи, навигационные комплексы, системы автоматического управления требуют обязательного наличия переменного напряжения стабильной частоты во всех режимах полета, поэтому вторичная СЭС каждого современного летательного аппарата включает в себя канал стабильной частоты. Основой такого канала сегодня, как правило, являются статические инверторы, преобразующие постоянное напряжение 27 В в одно- или трехфазное переменное напряжение 115 В частотой 400 Гц.
Достижения в области преобразовательной техники, и, прежде всего бортовой, в первую очередь связаны с именами известных советстких и российских инженеров-ученых Ю.И. Конева, B.C. Моина, Н.Н. Лаптева, В.А. Цишевского, И.А. Войтовича, Е.В. Машукова, Г.С. Мыцыка, С.А. Харитонова, С.Ф. Коняхина, М.М. Юхнина, Д.А. Шевцова, В.А. Лукина, СБ. Резникова, и многих других. Ими создан прочный совокупный теоретический и практический базис проектирования преобразователей электроэнергии, и в частности, инверторов и способов их управления.
Основной особенностью создания бортовых трехфазных инверторов напряжения (ТИН) на современном уровне, определяющей подход к их проектированию, является минимизация массогабаритных показателей при максимально возможном коэффициенте полезного действия (КПД) в заданных условиях охлаждения. Кроме того, одним из важнейших требований к преобразователю, входящему в состав ЭЭК ЛА, является его повышенная надежность и безотказность в условиях аварий, связанных с выходом из строя распределительной сети, потребителей, либо первичной системы генерирования. При отказе последней, единственным источником электроэнергии на борту летательного аппарата становится аккумуляторная батарея. В аварийных режимах именно статические инверторы, подключенные к аккумуляторам, обеспечивают электропитание жизненно важных потребителей переменного тока.
Непрерывное совершенствование бортовой электроэнергетической аппаратуры и статических преобразователей, являющихся системообразующими элементами вторичной СЭС, в частности, поиск новых структур и топологий их силовой части, следует считать актуальной задачей.
Помимо этого, задача исследования электромагнитных переходных процессов при коротких замыканиях (КЗ), а также задача поиска или создания методов и алгоритмов защиты, позволяющих своевременно предупреждать отказы инверторов и обеспечивающих нормальный режим работы устройств селективной защиты бортовой сети, также, безусловно, является актуальной.
Цель исследования. Целью настоящей работы является разработка ТИН вторичных СЭС ЛА нового поколения с улучшенными электроэнергетическими и массогабаритными показателями.
Для достижения сформулированной цели в работе решаются следующие научные задачи:
-
на основе систематизации, классификации и анализа выявить структуры трехфазных инверторов напряжения, удовлетворяющие требованиям бортовых систем электроснабжения и тенденциям развития;
-
исследовать особенности и перспективы применения в разработках современных ТИН вторичных систем электроснабжения ЛА принципа промежуточного высокочастотного преобразования (ПВЧП);
-
исследовать особенности работы ТИН СЭС ЛА при несимметричной нагрузке, и, при необходимости, разработать новые, более эффективные решения по созданию силовой нейтрали образованной трехфазной системы напряжений в сравнении с известными методами.
-
на основе исследования работы ТИН с ПВЧП в нормальных и аварийных режимах (КЗ и обрывы нагрузки) в составе вторичных СЭС ЛА, выявить возможные опасные явления, причины их возникновения и разработать схемотехнические меры для их минимизации или полного устранения;
-
проверить на практике реализуемость и эффективность предложенных в работе технических решений испытаниями опытных образцов преобразователя с ПВЧП в условиях эксплуатации на борту ЛА.
Научная новизна результатов исследования, полученных лично автором:
-
на основе опыта разработки и внедрения нового поколения трехфазных преобразователей СЭС ЛА с ПВЧП подтверждена их эффективность по критериям ресурсо- и энергосбережения;
-
впервые обнаружено, исследовано и дано модельное описание явления неконтролируемого роста напряжения в звене постоянного тока инвер-торных ячеек при линейных КЗ в ряде структур ТИН с ПВЧП, имеющих многоканальное преобразование, обусловленное отсутствием возможности межфазного энергетического взаимообмена;
-
предложено и исследовано на основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) применение в силовой структуре ТИН с ПВЧП автотрансформаторной схемы Скотта в качестве средства формирования силовой
нейтрали выходной трехфазной системы напряжений. Предложена методика расчета автотрансформаторной схемы Скотта на базе требований к качеству электроэнергии на борту ЛА;
4) предложена структура ТИН с ПВЧП с трехфазным мостовым инвертором (ТМИ) и автотрансформаторной схемой Скотта для создания силовой нейтрали. В сравнении с альтернативными вариантами показано преимущество данного решения по критериям и требованиям, предъявляемым со стороны СЭС ЛА, в которой отсутствует неконтролируемое нарастание напряжения при линейных КЗ.
Практическая значимость заключается в следующем:
-
Полученные результаты анализа и исследования альтернативных структур ТИН вторичных СЭС ЛА целесообразно использовать при разработке соответствующей аппаратуры нового поколения. Сформулированы рекомендации по выбору структур ТИН с ПВЧП вторичных СЭС ЛА.
-
Разработана методика исследования аварийных режимов в структурах ТИН с ПВЧП на основе использования возможностей ИКМ и даны рекомендации по их структурному синтезу, позволяющие реализовать способы защиты при межфазных КЗ.
-
Созданы имитационные компьютерные модели преобразователей, предназначенные для решения задач при проектировании бортовых источников питания, направленных на дальнейшее их совершенствование.
4) На основе проведенного теоретического и экспериментального ис
следования показана принципиальная возможность создания бортовых ТИН
со структурой трехфазного моста с использованием автотрансформаторной
схемы Скотта для организации силовой нейтрали. Проведенный анализ по
зволяет утверждать, что на сегодняшний день преобразователь, построенный
по такой структуре, может иметь минимальные массогабаритные показатели
и удовлетворять всем требованиям, предъявляемым со стороны СЭС ЛА. Ре
зультаты данного исследования вносят вклад в развитие силовой электрони
ки, преобразовательной техники и бортовой электроэнергетики.
5) Результаты исследований легли в основу разработки и последующе
го серийного выпуска статического преобразователя нового поколения
ПТС-800БМВ, предназначенного для замены устаревшего преобразователя
мощностью 800 ВА.
Методология и методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы методы теории электротехники и электрических цепей, методы математического анализа, методы теории автоматического управления, имитационное компьютерное моделирование в пакетах программ OrCAD 9.2 и Micro-CAP 9. Экспериментальные исследования проводились на опытных образцах трехфазного статического преобразователя ПТС-800БМВ мощностью 800 ВА и макетных образцах автотрансформаторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
обоснование целесообразности применения промежуточного высокочастотного преобразования при разработке ТИН вторичных СЭС ЛА нового поколения;
-
полученные на основе предложенной методики результаты исследования неконтролируемого нарастания напряжения в цепях питания инвер-торной ячейки при межфазных КЗ и способы борьбы с ним в ТИН вторичных СЭС ЛА, выполненном по структуре трех однофазных мостов, сдвинутых по фазе на 120;
-
методика расчета автотрансформаторной схемы Скотта при её применении в качестве узла для формирования силовой нейтрали;
-
результаты разработки новых структур ТИН с ПВЧП применительно к требованиям бортовых СЭС, их сопоставительный анализ на основе ИКМ и рекомендации по их применению;
-
Результаты экспериментальных исследований опытных образцов ТИН с ПВЧП.
Достоверность и обоснованность научных результатов достигается строгим следованием положений теории электротехники, применением имитационного компьютерного моделирования, подтверждающего основные теоретические положения работы, а также сходимостью электромагнитных процессов при теоретическом и экспериментальном исследовании.
Личный вклад автора заключается в:
-
проведении систематизации и классификации структур ТИН для разработки статических преобразователей вторичных СЭС ЛА нового поколения;
-
обосновании целесообразности применения принципа ПВЧП в новых разработках ТИН вторичных СЭС ЛА;
-
разработке имитационных компьютерных моделей, позволяющих анализировать и исследовать электромагнитные процессы в ТИН с ПВЧП;
-
создании методики исследования эффекта нарастания напряжения в звене постоянного тока в структурах ТИН с ПВЧП при межфазных КЗ, выполненном по структуре трех однофазных мостов, сдвинутых по фазе на 120;
-
разработке и исследовании электромагнитных процессов новой структуры ТИН с ПВЧП, использующей автотрансформаторную схему Скотта для формирования выходной нейтрали выходных цепей, отличающейся улучшенными массогабаритными показателями в сравнении с альтернативными вариантами.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении опытно-конструкторских работ (оформлены Акты внедрения) по разработке преобразователей ПТС-800БМВ, ПТС-900, ПОС-1000В, ПОС-200 в ОАО «АКБ «Якорь» (г. Москва).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях:
-
Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы электропитания» (Москва, 2011 г.);
-
Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2012 г, 2013 г.);
-
Научно-технической конференции «Перспективы развития авиационного оборудования и агрегатов» (Москва, 2012 г.);
-
Всероссийской научно-технической конференции по средствам электропитания «Электропитание-2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, 7 из которых размещены в изданиях, рекомендованных ВАК, в том числе 5 патентов на полезную модель, из них 3 внедрены.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 167 страниц машинописного текста, включая 98 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 154 наименования, в том числе 30 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 214 страниц.
Обоснование необходимости развития бортовых трехфазных инверторов
Все отечественные летательные аппараты комплектуются статическими преобразователями разработки ОАО «АКБ «Якорь» (г. Москва). Последние 25-30 лет на борт в основном устанавливаются преобразователи, входящие в так называемую «шкалу Б», характеристики которых сведены в таблицу в приложении В. Номинальная мощность преобразователей «шкалы Б» выбрана из ряда по [63] (кроме ПТС-2500, МТП-5000). Все преобразователи шкалы имеют одинаковый принцип действия, одинаковую элементную базу, одинаковые структурные и схожие принципиальные схемы и реализованы алгоритмы управления, разработанные известными инженерами И.А. Войтовичем, В.А. Цишевским [95, 96]. Изделия однотипны по конструктивным решениям и содержат унифицированные по схемотехнике и конструкции узлы и взаимозаменяемые блоки управления. Описание работы преобразователей «шкалы Б» подробно изложено в [97-99].
Силовой контур данных изделий содержит низковольтные, низкочастотные, биполярные транзисторы, низкочастотный силовой трансформатор на 400 Гц и формирующий синусоидальное выходное напряжение LC-фильтр на полную выходную мощность. Такое построение преобразователя позволило получить достаточно совершенные для своего времени технические характеристики, по целому ряду показателей, не уступающих уровню лучших зарубежных аналогов того времени.
В настоящее время применение преобразователей «шкалы Б» начинает создавать определенные сложности, так как инверторы построены на элементной базе 70-х годов, определяющей, в том числе, их ресурс и срок службы, а постоянное обновление снятых с производства электрорадиоизделий усложняет производство и, особенно, ремонт образцов.
К примеру, однофазный статический преобразователь ПОС-1000Б выходной мощностью 1000 ВА, основным ключевым элементом которого является мощный относительно низковольтный биполярный транзистор 2Т8143П, имеет массу 12,5 кг и объем 19 л, чему соответствует удельная мощность 80 ВА/кг и плотность – 52 ВА/л. Данные показатели уже не соответствуют современному мировому уровню (соответственно, 120-150 ВА/кг и 70-100 ВА/л), достигнутому ведущими профильными зарубежными фирмами (Avionic Instruments (США) [92], KGS electronics (США) [93], SPD Technologies (США), Thales Auxilec (Франция) [85], Walter Dittel (Германия) [94], Crane (США) [84], Hamilton-Sunstrand (в настоящее время UTC Aerospace Systems) [91])), чьи изделия имеют в 1,5-2 раза меньшую массу и более, чем на 5…10% высокий КПД. Доступная информация о зарубежных разработках представлена в приложении А. Схемотехника этих статических инверторов традиционно не разглашается. Тем не менее, известно достаточно подробное описание работы бортового однофазного инвертора фирмы Auxilec разработки начала 1990-х годов, которое приведено в приложении Б.
Максимальное значение коллекторного тока транзисторов инвертора при низком (от 18 В) напряжении на входе преобразователя ПОС-1000Б составляет IК_МАХ 120 А. Для обеспечения требования работы при коротком замыкании (КЗ) на выходе с заданной кратностью тока в цепи КЗ, указанное значение тока возрастает примерно в два раза, IК_МАХ_КЗ 250 А.
Для коммутации такого тока в ПОС-1000Б используется параллельное соединение шести транзисторов 2Т8143П (на весь преобразователь - 24 шт.), имеющие суммарный импульсный ток по техническим условиям равный 600 А. Такой запас по коммутируемому току необходим как из соображений неравномерного деления токов в параллельном соединении транзисторов, так и для снижения общего уровня тепловых потерь в транзисторах.
Суммарная масса трансформаторного узла и фильтрующих элементов с учётом тяжёлых, авиационных условий применения (высотность, повышенная температура) составляет 2,5…3,0 кг/кВА.
Всё выше изложенное позволяет сделать вывод, что преобразователи шкалы «Б», и, как показывает реальный опыт применения, в первую очередь, трехфазные инверторы, уже не удовлетворяют все более и более ужесточающимся требованиям современного авиастроения, и стали непривлекательным для установки на новые и модернизируемые объекты авиационной техники. Именно поэтому назрела необходимость совершенствования и создания нового поколения этих устройств, проектирование и разработку которых следует считать актуальной задачей.
Процессы при ШИМ-формировании выходного напряжения инверторных ячеек во время межфазного замыкания
В случае ШИМ-управления процессы при межфазном КЗ могут носить несколько иной характер. При увеличении частоты коммутации силовых транзисторов в процессе обмена между реактивными элементами претерпевает изменение форма тока дросселей фильтра. Отличие от случаев, рассмотренных в п.п.2.4.1, 2.4.2 (в которых частота коммутации силовых транзисторов инверторов равна fКОММ1=3,33Гц), заключается в том, что ток в дросселях будет устанавливаться за несколько периодов основной частоты. На рисунке 2.16 приведены графики состояний силовых транзисторов инвертора (верхний график), тока дросселя (средний график) и напряжения конденсатора отстающей фазы (нижний график) при частоте коммутации в шесть раз большей, чем в предыдущих экспериментах (fКОММ2=20 Гц) и в двадцать раз меньшей, чем основная выходная частота (fОСН=400 Гц). Процессы нарастания напряжения аналогичны рисунку 2.12.
Анализ показывает, что качественно форма тока дросселя представляет собой растянутые участки тока того же рисунка, но ток все еще устанавливается за один период алгоритма коммутации. При повышении частоты следования импульсов, ток в дросселях устанавливается за несколько циклов коммутации. На рисунке 2.17 представлены те же процессы, но отношение частоты коммутации транзисторных ключей (/коммз 80 Гц) по отношению к основной частоте инвертора (/осн=400 Гц) равно не более пяти.
Как видно, характер процесса нарастания еще остается таким же, но пики всплесков напряжения в звене постоянного тока увеличиваются постепенно, и выходят на свой максимум в момент наступления квазиустановившегося режима токов дросселя.
При дальнейшем увеличении частоты коммутации при приближении ее к основной частоте (частоте сети), характер процессов нарастания меняется.
На рисунке 2.18 показаны те же процессы при соотношении частот коммутации (fКОММ4=200 Гц) ключей и основной частоты, равного двум. На верхнем графике представлены состояния силовых ключей инверторов, на среднем графике показан ток дросселя LФ_А фазы «А», на нижнем – напряжение выходного конденсатора СВ отстающей фазы «В».
Результаты ИКМ показывают, что при достижении некой критической частоты fКР энергия, накопленная в выходном конденсаторе конвертора, не успевает полностью рассеяться до момента, в котором происходит процесс очередной передачи энергии в него из дросселя. Начинается непрерывный процесс «накачки» напряжения в звене постоянного тока. Расчет fКР не интересен с практической точки зрения, поскольку данный режим работы инверторных ячеек является искусственным придуманным приемом, который важен лишь только для того, чтобы понять процессы, происходящие в исследуемом ТИН при межфазном замыкании, и поэтому в работе не приводится.
На рисунке 2.19 даны процессы при равенстве частот сети и коммутации.
Как видно, с приближением частоты коммутации к основной частоте ТИН, кривая роста напряжения на шинах питания инверторной ячейки отстающей фазы выравнивается при установлении тока дросселя, на который начинают влиять параметры цепи ZЭКВCФ_ЭКВ, ток через которую начинает быть соизмерим с током КЗ на перезаряд входной емкости инвертора. Однако первичный импульс нарастания остается таким же, как и при разнесенной коммутации (как, например, при частоте коммутации fКОММ2=20 Гц), и зависит от уровня развитого тока в дросселе фильтра. Дальнейший рост частоты коммутации связан с переходом к ШИМ методам. На рисунке 2.20 представлены результаты моделирования двуполярной ШИМ по синусоидальному закону (рисунок 2.3).
Характер нарастания напряжения аналогичен характеру нарастания при коммутации на основной частоте. Следует учесть, что процессы сброса энергии в конденсатор конвертора происходит не на каждом такте ШИМ, а только в момент перехода из состояния, приведенного на рисунке 2.9, в состояние, представленное на рисунке 2.10, или обратного. Такты коммутации, не приводящие к переполюсовке одного из источников, на эквивалентной схеме соответствуют потактовому накоплению энергии в дросселе.
Как и прежде, на верхнем графике показано состояние силовых ключей мостовых инверторов, на среднем графике показан ток дросселя LФ_В фазы «В», на нижнем графике - напряжение выходного конденсатора конвертора СВ фазы «В».
В результате серии экспериментов выявлено, что энергия, которая тратилась на сглаживание выходного синусоидального напряжения при штатной работе преобразователя, при межфазном КЗ накапливается в дросселях и передается во входной конденсатор ИЯ, вызывая резкое нарастание напряжения на нем. При этом, данный процесс носит резонансный характер. С ростом частоты коммутации полупроводниковых ключей мостового инвертора меняется форма нарастания напряжения, явного этапа сброса уже не наблюдается. В тот момент, когда частота коммутации сравняется с частотой резонанса, /комм КР РЕЗ, энергия, запасенная в конденсаторе, не успевает уменьшиться до нуля до момента очередной коммутации транзисторных ключей инвертора, во время которой вновь накопленная энергия дросселей передается в конденсатор. Из-за этого напряжение на конденсаторе добавится к уровню остаточного напряжения, возникшего после этапа предыдущего сброса энергии. Чем выше частота «переполюсовки» источников, тем чаще будет происходить прирост напряжения. Однако, в то же время, ток, протекающий в дросселе, будет меньше, соответственно, прирост напряжения на обкладках конденсатора за каждый этап сброса будет меньше. Поэтому процесс нарастания напряжения в звене постоянного тока будет плавным и стабильным. Напряжение достигнет своего максимума в момент достижения установившегося тока в ветви КЗ.
Таким образом, установлено, что напряжение в звене постоянного тока возрастает при межфазном КЗ, и за достаточно короткое время в результате вышеописанных процессов, достигает недопустимого значения для силовых транзисторов ИЯ, что в итоге приводит к последующему их выгоранию. В результате проведенного анализа оказалось возможным установить зависимость интенсивности нарастания напряжения от индуктивности дросселя LФ и выходного конденсатора конвертора С, но они в работе не приводятся, так как не имеют практического значения. Очевидно, что в случае чрезмерно большого конденсатора С и малой индуктивности LФ, перенапряжения могут быть безопасными для ИЯ, а также могут вовсе отсутствовать. Однако увеличение ёмкости выходного конденсатора конвертора отрицательно сказывается на габаритах преобразователя в целом, а уменьшение дросселя LФ ниже расчетного нарушает работу инвертора в штатном режиме работы.
Варианты и анализ возможных преобразовательных структур, построенных по схеме трехфазного моста
Мостовой инвертор, содержащий шесть силовых ключей, сгруппированных в три стойки, представляет собой, вероятно, наиболее простую силовую структуру, позволяющую преобразовывать постоянное напряжение в трехфазное переменное. По принципу действия такого инвертора на его выходах формируется трехфазная система линейных напряжений, подсоединить к которой допустимо не только нагрузку в соединении «треугольник», но и нагрузку в соединении «звезда» (рисунок 4.1).
В СЭС ЛА трехфазный статический преобразователь является Мостовой инвертор, содержащий шесть силовых ключей, сгруппированных в три стойки, представляет собой, вероятно, наиболее простую силовую структуру, позволяющую преобразовывать постоянное напряжение в трехфазное переменное. По принципу действия такого инвертора на его выходах формируется трехфазная система линейных напряжений, подсоединить к которой допустимо не только нагрузку в соединении «треугольник», но и нагрузку в соединении «звезда» (рисунок 4.1).
Централизованным источником питания широкого круга потребителей, как трехфазных, так и однофазных. Это обстоятельство не позволяет использовать на борту структуру без в явном виде сформированной нейтрали, которая, как этого требует [86], через корпус ЛА должна быть соединена с «минусовой» шиной канала постоянного тока. Совокупная нагрузка инвертора может быть несимметричной, при этом допустима ситуация, когда одна или две фазы не нагружены вовсе, а третья имеет нагрузку (до 10% от мощности канала). В таком режиме трехфазный мост без сформированной нейтрали становится неработоспособным, поскольку исчезает контур протекания тока в нагрузку (рисунок 4.2).
Тем не менее, простота этой преобразовательной структуры достаточно заманчива: организация в ней силовой нейтрали позволила бы иметь ТИН с весьма высокими массогабаритными показателями.
Анализ преобразовательных структур, позволяющих использовать трехфазный мостовой инвертор с ПВЧП в качестве базового элемента СЭС II ЛА показывает, что существует несколько решений, среди которых следует рассмотреть следующие, наиболее рациональные и доступными средствами реализуемые на практике [100]:
а) трехфазный мостовой инвертор с «четвертой» стойкой с ПВЧП (рисунок 4.3);
б) структура с двумя конверторами, образующими звено постоянного тока (рисунок 4.4);
в) трехфазный мостовой инвертор с конденсаторным делителем (со средней точкой, или, по-другому, с разделительными конденсаторами) с ПВЧП (рисунок 4.5);
г) трехфазный мостовой инвертор с автотрансформаторной схемой Скотта (новое решение).
Так же как и в предыдущих рассмотренных топологиях, тип конвертора при анализе преобразователей не столь важен, а подробное рассмотрение его возможных схем не является целью данной работы. Тем не менее, будь то, например, однотактная (прямоходовая или обратноходовая), двухтактная (полумостовая или мостовая), резонансная, или иная структура, необходимо учитывать наличие выходного диода, неминуемо присутствующего в схеме конвертора, делающего невозможной передачу энергии из инвертора в сеть. Для исследований выбран конвертор со структурой обратноходового преобразователя, схемотехника и электромагнитные процессы которого детально исследованы и широко описаны в литературе [5], [8].
Преобразовательные структуры с трехфазным мостом со средней точкой строятся по схеме двойного преобразования и, по сути, являются разновидностью описанной выше структуры с тремя однофазными инверторами. Каждая преобразовательная ячейка (стойка) моста представляет собой однофазный полумост с общим для всех стоек двуполярным источником питания.
Трехфазный инвертор с четвертой стойкой с ПВЧП (рисунок 4.3) имеет активную стабилизацию потенциала средней точки. Применение такой структуры эффективно в преобразователях повышенной мощности (SТИН1600 ВА). Как правило, в подобных схемах используют сложные законы коммутации силовых ключей, что обусловливает применение микропроцессоров и векторных методов управления [133-138]. Следовательно, обеспечение заданного качества выходного напряжения достигается заметным усложнением схемотехники, и, как следствие, конструкции изделия. Одной из наиболее оптимальных структур со средней точкой является схема с двумя конверторами, выходные каскады которых образуют истинный двуполярный источник питания для подключенного к ним мостового инвертора (рисунок 4.4).
Стабильность потенциала средней точки при одинаковых выходных напряжениях конверторов здесь обеспечивается естественным образом, но также требует применения дополнительных активных методов управления и непростых схемотехнических мер. Очевидно, что установленная мощность одного конвертора в данной схеме равна половине мощности преобразователя (естественно, без учета КПД). Однако массогабаритные показатели данной структуры выше структуры по схеме на рисунке 2.1.
«Двуполярность» источника питания, или, что то же самое, средняя точка, может быть организована и иными способами. В простейшем случае это может быть конденсаторный делитель напряжения, подключенный к выходу конвертора (звену постоянного тока инвертора) (рисунок 4.5).
Представляется необходимым привести анализ структуры трехфазного моста с конденсаторным делителем (рисунок 4.5), как наиболее распространенной и популярной в электротехнике, и сравнить её с новым предложенным вариантом – трехфазным мостовым инвертором с автотрансформаторной схемой Скотта (рисунок 4.6).
Для этого, помимо прочего, необходимо доказать работоспособность последней во всех возможных режимах работы преобразователя, а также привести сравнительную оценку затрат на организацию нулевой точки в исследуемых структурах по массогабаритным показателям с целью выявления преимуществ каждой из них.
В [100] авторами было высказано утверждение, что в такой трехфазной структуре с конденсаторным делителем, вследствие ярко выраженной нелинейности нагрузки, потенциал средней точки может смещаться, приводя, тем самым, к значительной несимметрии полупериодов выходного напряжения инвертора, и, соответственно, к потере качества его выходной электроэнергии. Такая ситуация и метод борьбы с этим, в частности, рассмотрены в [150]. Однако дальнейшие исследования в этой области выявили свойство самовыравнивания напряжения разделительных конденсаторов не только в полумостовой схеме [90], но и в трехфазном мостовом инверторе.
Реализация модульного принципа при разработке бортовых преобразователей нового поколения
Если на входы регуляторов напряжения подаются синусоидальные сигналы, сдвинутые по фазе на угол 120О, выходные напряжения преобразователя также сдвинуты на 120О, если же на все входы подается один сигнал, выходные напряжения инверторов преобразователя будут синхронны и синфазны с точностью до технологического разброса параметров регуляторов.
На этом принципе, с участием автора, разработан однофазный преобразователь ПОС-1000В. Целью разработки являлось создание преобразователя с характеристиками, соответствующими техническому уровню по качеству выходной электроэнергии, массогабаритным характеристикам и ресурсу, взамен устаревшего бортового однофазного преобразователя ПОС-1000Б. Параметры разработанного устройства приведены в таблице 5.2.
Силовая структура преобразователя, показанная на рисунке 5.5, содержит три каскада конвертор - инвертор, соединенные параллельно по входу и выходу. Один из выходных выводов переменного тока соединен с минусовым выводом питания конверторов. Схемотехника и элементная база конверторов изделий ПОС-1000В и ПТС-800БМВ идентичны.
Структура регулирования инверторной части преобразователя ПОС-1000В показана на рисунке 5.6.
Преобразователь содержит один пропорционально-интегральный регулятор напряжения РН и, соответственно, одну главную отрицательную обратную связь по выходному напряжению. Выходной сигнал регулятора напряжения i подается на релейные регуляторы тока РТ каждого канала, управляющие работой силовых ключей соответствующего инвертора. При такой структуре подчиненного регулирования токи параллельно соединенных инверторов делятся с точностью, определяемой разбросом уровней верхнего и нижнего порогов токового коридора регуляторов тока. Поскольку этот разброс определяется точностью и допусками используемых электронных компонентов, то токи через параллельные каналы практически одинаковы. Что было доказано результатами отладки преобразователя.
Конструкция и внешний вид преобразователя ПОС-1000В повторяют конструкцию ПТС-800БМВ. Внешний вид преобразователя представлен на рисунке 5.7.
Модульный принцип, заложенный в структуру и схемотехнику разработанных преобразователей (модулями являются блоки инверторов и блоки конверторов), позволяет оперативно создавать новые изделия для СЭС ЛА, имеющие значения параметров, и, прежде всего, мощность, кратные параметрам одного типового модуля или канала преобразования. С участием автора была проведена разработка однофазного инвертора мощностью 200 ВА, предназначенного для установки на легких вертолетах. Преобразователь ПОС-200 содержит один преобразовательный модуль, по схемотехнике и принципу функционирования во многом повторяющий работу каналов ПТС-800БМВ с учетом полезных моделей [146-148] (акты внедрения приведены в приложении Н). Масса ПОС-200 не превышает 2,0 кг, rj 0,8, КНИ 2%, стабильность частоты на выходе ±7 Гц. Конструкция устройства позволяет заменить использующийся на ряде отечественных вертолетов преобразователь P/N 531-011-А фирмы АихШес (Франция). Характеристики и описание работы иностранного преобразователя представлены в приложении Б.
Тот же модульный подход с использованием базовых преобразовательных ячеек используется в трехфазном статическом преобразователе ПТС-900В. Это устройство, разработанное с участием автора, по конструкции и структурно-алгоритмическому синтезу схоже с преобразователем ПТС-800БМВ, но имеет повышенную номинальную выходную мощность 900 ВА.
Все преобразователи прошли полный комплекс предварительных испытаний, проведенных при непосредственном участии автора, по требованиям [86-89], а также летные испытания в составе СЭС самолетов СУ-27, СУ-34, СУ-35, ТУ-204СМ, вертолета КА-226. Документация изделия ПТС-800БМВ передана в серийное производство.