Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурная схема резервной СГЭЭ ЛА 15
1.1. Структурная схема силовой части резервной СГЭЭ ЛА 23
1.2. Структурная схема системы управления резервной СГЭЭ ЛА 29
Выводы по главе 1 36
Глава 2. Математическое моделирование резервной СГЭЭ ЛА 37
2.1. Математическая модель СГЭЭ ЛА 37
2.1.1. Математическая модель синхронного генератора 39
2.1.2. Математическая модель МПСУ 45
2.1.3. Математическая модель инвертора напряжения 46
2.1.3. Математическая модель силового LC фильтра 47
2.2. Математическое моделирование симметричных режимов. 50
2.3. Математическое моделирование несимметричных и динамических режимов системы. 57
2.3.1. Работа резервной СГЭЭ ЛА на несимметричную нагрузку. 57
2.3.2. «Сброс-наброс» нагрузки резервной СГЭЭ ЛА 59
2.3.3. Работа резервной СГЭЭ ЛА на выпрямительную нагрузку. 62
2.3.4. Работа резервной СГЭЭ ЛА на импульсно-периодическую нагрузку 62
2.4. Результаты математического моделирования 64
Выводы по главе 2 67
Глава 3. Конструкция резервной СГЭЭ ЛА 69
3.1. Оценка и выбор базовой конструкции преобразователя. 72
3.2. Защита преобразователя в аварийных режимах 80
3.2.1. Защита от выхода из строя инвертора 80
3.2.2. Защита от КЗ в нагрузке с обеспечение селективного отключения нагрузок 85
3.3. Тепловой анализ конструкции преобразователя. 85
3.4. Сравнительный анализ параметров конструкции преобразователя резервной СГЭЭ ЛА 97
Выводы по главе 3 99
Глава 4. Физический эксперимент. 100
4.1. Исследование симметричных режимов. 106
4.2. Исследование несимметричных и динамических режимов 106
4.2.1. Работа на несимметричную нагрузку. 106
4.2.2. Работа на выпрямительную нагрузку 109
4.2.3. Исследование режима «Наброса» нагрузки. 110
4.3. Сравнение расчетных и экспериментальных параметров. 111
Выводы по главе 4 113
Заключение 114
Список использованной литературы
- Структурная схема системы управления резервной СГЭЭ ЛА
- Математическая модель МПСУ
- Работа резервной СГЭЭ ЛА на импульсно-периодическую нагрузку
- Сравнительный анализ параметров конструкции преобразователя резервной СГЭЭ ЛА
Структурная схема системы управления резервной СГЭЭ ЛА
Предложена инженерная методика расчета основных электрических и конструктивных параметров и элементов полупроводникового преобразователя, исходя из условия обеспечения заданного качества генерируемой энергии и массогабаритных параметров.
Основные результаты выносимые на защиту:
1. Векторный алгоритм управления инвертором напряжения с силовым LC фильтром в составе резервной системы СГЭЭ ЛА, обеспечивающий заданное качество генерируемой электрической энергии в статических и динамических режимах.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований полупроводникового преобразователя в составе резервной СГЭЭ ЛА с повышенной эффективностью в части снижения коэффициента искажений, улучшенными массо-габаритными показателями и решением проблем электромагнитной совместимости с нелинейной, несимметричной и динамической нагрузкой.
3. Векторный способ управления полупроводниковым преобразователем для резервной СГЭЭ ЛА в режимах перегрузки, обеспечивающий защиту силовых цепей системы генерирования путем плавного перехода в режим токоограничения в нагрузке.
4. Конструктивные решения при проектировании полупроводникового преобразователя для резервной СГЭЭ ЛА, позволяющие повысить рабочий ресурс и надежность работы системы, за счет снижения тепловых нагрузок на полупроводниковые элементы и селективного отключения силовых элементов. Внедрение результатов исследований. Научные и практические результаты выполненного исследования были применены в ходе разработки и организации промышленного производства преобразователя системы резервной системы генерирования электрической энергии ПЧ-ПСП-Д1 в рамках договора между ОАО «АКБ «Якорь» и ФГУП ПО «Север», а так же при серийном выпуске системы генерирования СГ-ПСПЧ-Д. (договор №64-13 от 28.08.2008).
При разработке преобразователей электрической энергии в рамках мероприятия по государственной поддержке развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, осуществляемого в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. №218 по государственному контракту от 22.10.2010 г. №13.G36.31.0010 на тему: «Исследование, разработка и организация промышленного производства механотронных систем для энергосберегающих технологий двойного назначения» шифр 2010-218-02-297.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на следующих мероприятиях. - 4-ая международная конференция АПЭП-98. Новосибирск: НГТУ, 1998. - Международная конференция Korus-99, Новосибирск: НГТУ 1999 г. - Конференция «Информатика и проблемы телекоммуникации 99», Новосибирск: 1999 г.; - 4th Korea - Russia International Symposium on Science and Technology. KORUS 2000. University of Ulsan, Republic of Korea, June27-July 1, 2000; - 5-ая международная конференция АПЭП-2000 Новосибирск 2000; - 6-ая международная конференция АПЭП-2002 Новосибирск 2002; Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе две работы в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, а также получены 19 патентов РФ. Личный вклад автора работы заключается в - в работах, опубликованных в соавторстве с научным руководителем; - в участии в постановке задач исследований; - в разработке математических моделей резервной СГЭЭ ЛА и численных расчетах энергетических характеристик резервной СГЭЭ ЛА; - в анализе и выборе оптимальной конструкции резервной СГЭЭ ЛА; - в проведении и анализе результатов физических экспериментов; -в разработке инженерной методики расчета основных конструктивных параметров преобразователя;
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 129 страницах основного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований и приложения. Содержит 58 рисунков и 11 таблиц. Глава 1. Структурная схема резервной СГЭЭ ЛА
На сегодняшний день существует множество различных схем построения систем генерирования электрической энергии для летательных аппаратов (СГЭЭ ЛА), в том числе и резервных. Как правило, учитывая разнообразие применяемых на борту приемников электрической энергии, СГЭЭ ЛА являются комбинированными и содержат источники как переменного, так и постоянного тока, однофазные и трехфазные. Однако, если ограничится рассмотрением только первичных систем генерирования, то по типу генерируемой электроэнергии можно выделить следующие основные группы: СГЭЭ ЛА постоянного тока, СГЭЭ ЛА переменного тока постоянной частоты, СГЭЭ ЛА переменного тока переменной частоты и комбинированные СГЭЭ ЛА. Состав и параметры различных СГЭЭ ЛА подробно описаны в литературе [26,33,96,98,14,79,20,21,99,]. На рисунке 1.1 приведена сводная классификация СГЭЭ ЛА.
Математическая модель МПСУ
Основой, для создания современных СГЭЭ ЛА, удовлетворяющих перечисленным выше тенденциям, стал бурный рост новых разработок в области силовых полупроводниковых приборов, произошедший в конце прошлого и в начале этого века [48, 35, 91, 90, 19]. Так, например, резкое снижение сопротивления открытого канала низковольтных MOSFET-транзисторов за последние годы [91], позволило более чем на порядок уменьшить потери в ключах. На порядок увеличились рабочие напряжения и токи MOSFET и IGBT-транзисторов. Значительно увеличились и рабочие частоты приборов сегодня они оставляют десятки, и даже сотни килогерц. Снижения темпов развития силовых приборов ближайшее время не предвидится, наиболее перспективным является применение, для производства кристаллов вместо кремния, новых материалов: арсенида галлия и карбида кремния. Это позволит увеличить быстродействие, предельные коммутируемые токи и напряжения, уменьшить габариты и массу силовых приборов [90].
Эволюция силовых приборов привела к тому, что доминирующими приборами силовой электроники на сегодняшний день стали MOSFET и IGBT-транзисторы, а так же интегрированные модули на их основе. Применение же традиционных приборов силовой электроники: тиристоров (включая запираемые GTO и IGCT) и биполярных транзисторов оправдывается только в областях, где определяющей является цена изделия, либо в области высоких напряжений, где пока нет подходящих MOSFET и IGBT-транзисторов.
Появление мощных MOSFET и IGBT-транзисторов и интеллектуальных интегрированных модулей на их основе, имеющих улучшенные динамические характеристики, позволило унифицировать многие силовые схемы преобразователей [95] и упростить алгоритмы управления. Кроме того, значительно уменьшилась стоимость силовых приборов, что обусловило доступность их применения в недорогих массовых разработках.
Учитывая вышесказанное была выбрана оптимальная с точки зрения выполнения основных функциональных требований и массо-габаритных показателей структурная схема силовой части резервной СГЭЭ ЛА переменного тока на основе МЭГ (см. рисунок 1.5), предложенная Юхниным М.М. [45]. основе МЭГ Структурно резервная СГЭЭ ЛА стоит из двух связанных каналов генерирования левого и правого борта. В состав схемы входят два магнитоэлектрических генератора и два преобразователя, по одному комплекту на каждый борт, включенных для повышения надежности перекрестно. Магнитоэлектрический генератор каждого из каналов может одновременно работать как на канал левого, так и правого борта, этим достигается работоспособность СГЭЭ ЛА в полном объеме даже при выходе из строя одного из генераторов. В состав каждого преобразователя СГЭЭ ЛА входят два канала: основной переменного тока 115В/400Гц номинальной мощностью 15кВа и канал постоянного тока, мощностью 3кВА, работающий при отказе двигателя и переводе его в режим авторотации, что обеспечивает получение электрической энергии даже при отключенном авиационном двигателе. Такое построение системы позволяет максимально использовать имеющиеся ресурсы для энергообеспечения ЛА, тем самым повышая его живучесть. Силовая часть каждой СГЭЭ ЛА состоит из: синхронного генератора, представляющего собой МЭГ с возбуждением от постоянных магнитов; преобразователя, обеспечивающего преобразование электрической энергии переменного напряжения и переменной частоты в электрическую энергию постоянного напряжения и постоянной частоты в соответствии с требованиями ГОСТ 54073-10 [18];
Преобразователь в свою очередь состоит из -выпрямителя канала 1; -выпрямителя канала 2; -звена постоянного тока, собранного на конденсаторах С1 и С2. -инвертора напряжения формирующего при помощи ШИМ преобразования из напряжения звена постоянного тока трехфазное синусоидальное напряжения 115В частотой 400Гц; -выходного L-C фильтра - фильтра канала постоянного тока +28В В качестве выпрямителя возможно использование, как неуправляемого выпрямителя так и управляемого, кроме того возможно применение активного выпрямителя, представляющего собой трехфазный мостовой инвертор напряжения, работающий в обращенном режиме. Применение активного выпрямителя, кроме непосредственно выпрямления входного напряжения позволяет решать еще несколько задач: обеспечивать режим электростартерного запуска авиационного двигателя и обеспечивать коррекцию коэффициента мощности СГ, что снижает установленную мощность генератора, а значит массогабаритные и стоимостные показатели системы.
Однако наиболее приемлемым вариантом, с точки зрения массо-габаритных и экономических характеристик СГЭЭ ЛА, является применение управляемого тиристорного выпрямителя. С одной стороны он более дешевый и имеет меньшую массу и габариты, чем активный выпрямитель, с другой стороны он обеспечивает постоянство величины напряжения в звене постоянного тока, чего невозможно добиться применением неуправляемого выпрямителя, а это особенно важно, учитывая диапазон изменения входного напряжения.
Для повышения качества выходного напряжения, улучшения параметров электромагнитной совместимости, а также с целью повышения надежности функционирования, инвертор напряжения возможно реализовать в виде нескольких параллельных каналов, работающих со сдвигом опорных сигналов
ШИМ на угол 27i/m, где m - число параллельных каналов [45, 93, 100, 64]. Это позволит снизить пульсации выходного напряжения, а также стоимость силовой схемы за счет применения менее мощных силовых ключей. Главной задачей при использовании параллельного включения является равномерное распределение мощности. Не идентичность распределения активной мощности нагрузки между "двумя соседними" каналами параллельных инверторов можно оценить с помощью следующего соотношения [45, 93]:
Работа резервной СГЭЭ ЛА на импульсно-периодическую нагрузку
Выпрямительная нагрузка является одной из самых распространенных на борту ЛА и отличается нелинейностью, как правило, это различные бортовые преобразователи трехфазного переменного тока постоянной частоты в постоянное напряжение (например ВУ-6), а так же различные электронные устройства имеющие на входе выпрямитель со звеном постоянного тока. Требования к источнику электропитания при работе на выпрямительную нагрузку, аналогичны требованиям к работе на симметричную нагрузку, за исключением повышенного коэффициента искажения, который может достигать значения 0.08. На рисунке 2.17 приведены эпюры и спектральная характеристика выходных напряжений резервной СГЭЭ ЛА при трехфазной двухполупериодной трансформаторно-выпрямительной нагрузке 25% номинальной мощности. Как видно по представленным графикам все параметры находятся в пределах допустимого. Искажения формы выходного напряжения не наблюдается, хотя коэффициент искажения выходного напряжения, чуть выше, чем при симметричной нагрузке, но с большим запасом укладывается в требования ГОСТ Р 54073-2010.
Работа резервной СГЭЭ ЛА на импульсно-периодическую нагрузку. За последнее время в авиации, как и в других областях техники, получили распространение различные импульсные устройства, характеризуемые прерывистой посылкой отдельных импульсов энергии. Наиболее широкое применение эти методы получили в радиоэлектронике и лазерной технике. Они являются основой радиолокации, импульсной радиосвязи и радиоизмерений, а так же используются в различных устройствах автоматики и телемеханики и для многих других целей. Требования к источнику электропитания при работе на выпрямительную нагрузку, аналогично требованиям к работе на симметричную нагрузку за исключением повышенного коэффициента искажения, который может достигать значения 0.08. На рисунке 2.18 приведены эпюры выходных напряжений резервной СГЭЭ ЛА при однофазной импульсно-периодической нагрузке 7% от номинального тока фазы с cos=0,95. Как видно из представленных графиков все параметры находятся в пределах требований ГОСТ Р 54073-2010. Переходных процессов практически не наблюдается, заметно лишь небольшое увеличение небаланса фазных напряжений.
Сводная таблица полученных в ходе проведенного математического моделирования параметров выходного напряжения преобразователя в различных режимах работы приведены в таблице 2.1 и в таблице 2.2.
Главным результатом проведенного математического моделирования резервной СГЭЭ ЛА является полное соответствие параметров системы требованиям ГОСТ Р 54073-2010 во всех режимах работы. Это позволяет говорить о возможности ее успешного практического использования. Несмотря на положительные результаты моделирования выявился ряд особенностей.
В частности при увеличении нагрузки на преобразователь происходит снижение выходного напряжения. Это связано с просадкой звена постоянного тока, не смотря на наличие обратной связи по напряжению.
Наиболее тяжелым режимом работы преобразователя является режим несимметрии, при работе в этом режиме значительно увеличивается коэффициент искажений выходного напряжения и происходит «расползание» выходных напряжений. Это связано с различной загрузкой по току каждой из фаз преобразователя. Для решения этой проблемы, возможно использовать в системе управления дополнительные обратные связи по току, но при этом возможно ухудшение параметров системы в номинальных режимах и появление возбуждения.
Динамические режимы работы преобразователя практически не оказывают значительного влияния на выходные параметры преобразователя, это связано с высокой скоростью реагирования системы управления, а так же высокой частотой ШИМ применяемой для управления силовыми ключами. По той же причине время переходного процесса при динамических нагрузках не превышает 4 мс. Так же при динамических режимах работы преобразователя отсутствуют режимы возбуждения и потери устойчивости системы.
Сравнительный анализ параметров конструкции преобразователя резервной СГЭЭ ЛА
Технология срабатывания этого защитного элемента следующая: при возникновении короткого замыкания в зоне уменьшения толщины проводника возникает зона локального перегрева, в которой мгновенно возникает перегрев и физическое разрушение проводника.
Подобный защитный элемент практически не занимает место на печатной плате, но обеспечивает необходимую защиту при возникновении короткого замыкания.
Критерием выбора соотношения толщины проводников D/d является обеспечение с одной стороны работоспособность резервной СГЭЭ ЛА во всех режимах работы включая режимы перегрузки (из которых наиболее сложным является режим трехкратной перегрузки в течении 10 с), с другой стороны минимальное время срабатывания при возникновении короткого замыкания. Причем оценку работоспособности в режимах перегрузки необходимо проводить при максимальной температуре эксплуатации, а оценку режимов срабатывания при минимальной температуре эксплуатации.
Еще одним из факторов влияющим на устойчивость преобразователя к внешним воздействиям является защита от короткого замыкания на выходе системы. Для резервных СГЭЭ ЛА важным условием является обеспечение селективного отключения нагрузок, за счет обеспечения выгорания плавких вставок или срабатывания автоматов токовой защиты в неисправной нагрузке. Реализация этой защиты обеспечивается переводом системы режим источника тока с трехкратным максимальным током на несколько секунд [72, 73]. Этого времени достаточно для срабатывания элементов защиты в несправной нагрузке. После чего система переводится в режим нормальной работы, либо отключается.
Наиболее теплонагруженным элементом преобразователя СГЭЭ ЛА оказывающим основное влияние на конструкцию изделия является блок инверторов. Конструктивно он представляет собой массивный радиатор, на котором расположены четыре параллельных инвертора. Учитывая, что более 60% потерь в преобразователе приходится на блок инверторов, соответственно его анализ будет определяющим для всей конструкции преобразователя.
При выборе конструкции радиатора блока инверторов был проведен расчет количества тепловой энергии выделяемой транзисторами блоков инверторов. В состав преобразователя СГЭЭ ЛА входит 4 инвертора и каждый содержит по 12 IGBT транзисторов. Учитывая, что каждый из 48 транзисторов при работе в номинальном режиме выделяет в номинальном режиме 20Вт, общее количество выделяемой тепловой энергии составляет около 1кВт. Для отвода такого количества тепловой энергии применен сборный алюминиевый радиатор I62-32-477 фирмы «Tecnoal» с последующей механической обработкой, габаритные размеры радиатора 477х192х62 мм позволяют равномерно разместить на его поверхности 48 транзисторов в корпусе ТО-247.
Определяющим параметром для определения температуры радиатора является максимальная температура кристаллов транзисторов размещенных на нем. Согласно технической документации на транзистор максимальная температура кристалла не должна превышать 125С (допускается кратковременный нагрев до 150С).Учитывая, что с увеличением рабочей температуры транзистора значительно снижается срок его службы [22], для обеспечения необходимого уровня долговечности преобразователя температура кристаллов полупроводниковых кремневых элементов не должна превышать 120С.
Чертеж установки силового транзистора на радиатор На рисунке 3.11 представлен упрощенный чертеж установки транзистора на радиатор. Как видно из представленного чертежа, передача тепла от транзистора на радиатор должен осуществляться через изолирующую теплопроводящую прокладку. Проведенный поиск материала для изолирующей теплопроводящей прокладки показал, что наиболее подходящим с точки зрения минимального теплового сопротивления и технологичности установки является материал Sil-Pad 2000 компании Bergquist. Который представляет собой тонкий материал на стекловолоконной основе, заполненной силиконовым каучуком. Благодаря стекловолоконной основе материал крайне устойчив к проколам и прочим механическим повреждениям даже при сильном прижиме радиатора к корпусу. Силиконовый каучук с высокой теплопроводностью заполняет все неровности микрорельефа поверхностей, повышая теплоотдачу. Материал не токсичен и не подвержен воздействию веществ, применяемых при очистке печатных плат.
В целом материалы этого семейства отличаются малой толщиной, жесткостью поверхности, хорошими прочностными, теплопроводными и диэлектрическими свойствами, обладают высокой теплопроводностью. Низкое тепловое сопротивление менее 0,33 дюйм2/Вт с одной стороны и достаточную прочность и долговечность с другой стали определяющими при выборе материала.
