Автореферат (Исследование и разработка аппаратов регулирования защиты и коммутации для систем электроснабжения полностью электрифицированных самолетов)

На правах рукописиЕрмилов Юрий Владимирович«ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АППАРАТОВРЕГУЛИРОВАНИЯ, ЗАЩИТЫ И КОММУТАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОЛНОСТЬЮЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ САМОЛЕТОВ»Специальность 05.09.03.«Электротехнические комплексы и системы»АВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2015Работа выполнена на кафедре «Теоретическая электротехника» Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) «МАИ».Научный руководитель:Доктор технических наук,профессор кафедры 309 МАИС.Б. РезниковОфициальные оппоненты:Доктор технических наук, профессор,генеральный директор ЗАО "ММП-Ирбис"Лукин Анатолий ВладимировичКандидат технических наук, доцент,заведующий кафедрой «Электротехника,электроника и автоматика»ФГБУ ВО Московский государственныйтехнический университет «СТАНКИН»Филатов Владимир ВитальевичВедущая организация:Всероссийский электротехнический институтимени В.И.Ленина.

Высоковольтныйнаучно-исследовательский центр. (ВНИЦ ВЭИ)Защита состоится «28» декабря 2015г. в 15 ч. 00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете) «МАИ» по адресу: 125993,г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4., корп. «Г», ауд.302 (кафедра 310).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) МАИ.Автореферат разослан «___» _________2015г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д212.125.07к.т.н.Степанов В.С.Общая характеристика работыАктуальность темы.К настоящему времени в области авиационно-бортового электрооборудованиявсе большее распространение находит перспективная концепция "полностьюэлектрифицированного самолета" (ПЭС), предполагающая исключение из бортовойсистемы управления подвижными плоскостями ЛА пневмо- и гидроприводов.Реализация указанной концепции требует значительного увеличения полнойустановленной мощности авиабортовой системы электроснабжения (СЭС) довеличины 1,5 МВт и более, как например, на самолете Боинг-787 с 4-мямагистральными и вспомогательным генераторными каналами.

В этой связипредполагается, что в качестве основной системы распределения электроэнергиибудет система постоянного повышенного напряжения: СППН 270В или 540В,отраженная в зарубежных и отечественных ГОСТах и имеющая неоспоримыедостоинства в сравнении с классической авиационной системой переменногонапряжения 115/200В, 400Гц. Основным недостатком СППН, до настоящеговремени сдерживающим ее применение, является необходимость оснащениясетевых контакторов и автоматов защиты (от коротких замыканий и утечек визоляции) громоздкими и недолговечными дугогасительными камерами.Любая попытка реализации бездугового расцепления, например, с помощьютранзисторов, натыкается на сложность быстрого (адиабатного) поглощения (безперенапряжения) электромагнитной энергии последовательно-предвключенныхсетевых индуктивных элементов и суммируемой с ней энергии, потребляемой отисточника за время спадания тока (особенно большого при аварийном короткомзамыкании(КЗ)).Возможностьшунтированиясетифильтровымиэлектролитическими конденсаторами с относительно большой энергоемкостьюограничена и практически неприменима из-за их нетермостойкости и низкойнадежности (безотказности и срока службы).Проблемам коммутации и защиты в СППН посвящено немалое числопубликаций зарубежных и отечественных ученых.

В последние два десятилетия3наиболее значимые отечественные исследования в этой области принадлежат такимученым как Е.В. Машуков, Д.А.Шевцов, Г.М. Ульященко, С.И. Вольский, С.Б.Резников, А.В. Гордон, А.В. Шмаков, Е.В. Распертов, В.Б. Черток и др.Наиболее продвинутыми и обобщающими исследованиями в областиполупроводниковых аппаратов защиты и коммутации (АЗК) для авиабортовыхСППН 270В являются разработки д.т.н. проф. Машукова Е.В.

и д.т.н., проф.Шевцова Д.А. Ими, в частности, рассмотрены два относительно эффективныхспособа поглощения энергии предвключенных индуктивностей при выключениитранзисторногоАЗК,являющихсяболеемощнойальтернативойдляполупроводникового ограничителя напряжения (ПОН), шунтирующего ключ:‒активноестабиллитроннуюуправлениехарактеристикутранзистором,обеспечивающееипоглощениеадиабатноеегоэнергиикристаллической структурой;‒шунтирование ключа разгрузочным (балластным) резисторомчерез вспомогательный транзистор.Первый из них, как будет доказано в 1-й главе, способен минимизироватьвеличину поглощаемой энергии в пределе − до значения: WLсетиKU, где KU KU  1кратность прямоугольного скачка напряжения в сети, но требует разработкиспециального"термоударостойкого"транзисторас большойтеплоемкостьюкристалла, а второй - не способен минимизировать указанную энергию, хотя и болеепрост в реализации (на базе "термоударостойкого" балластного резистора).С учетом вышеизложенного и тенденции к наращиванию установленноймощности СППН для ПЭС (до 1,5 МВт и более) представляется целесообразнымдальнейшее развитие второго способа, но с более гибкой (регулируемой) структуройразгрузочного(балластного)резистивногоузлаиобеспечениемполнойгальванической развязки.Помимо вышеуказанной задачи, целесообразно при разработке АЗК учестьвозможность расширения функций за счет регулирования токов и напряжений вканалах электропитания, а также рекуперации электроэнергии.4Представляется также целесообразным для ускорения процесса реализацииконцепции ПЭС на сегодняшнем промежуточном этапе перехода от контактной кполупроводниковой защитно-коммутационной аппаратуре использовать сначалакомбинированные СЭС переменно-постоянного тока с фрагментарным введениемзвеньев ППН (аналогично СЭС Боинга 787), только для параллельного включенияканалов питания (без подключения нагрузок), а затем, по мере накопления опытаосвоения п/п АЗК, постепенно расширять зоны цепей распределения ППН270(540)В с учетом проблемы импортозамещения по элементной базе и поэтапнойпреемственности в схемотехнических и технологических разработках.Исходя из современных требований к импортозамещению и к поэтапностивнедрения новых технологий в авиапромышленности можно сделать следующиевыводы штатная коммутация в СППН на базе транзисторных АЗК в настоящеевремязатрудненаиз-заотсутствияотечественныхсиловыхтранзисторных ключей с требуемыми параметрами. Использованиевместотранзисторныхключей–отечественныхтиристоров с искусственным запиранием (или двухоперационных)ограничено относительно большими статическими тепловыми потерямии соответствующей громоздкостью системы охлаждения. На переходном этапе внедрения СППН в качестве приемлемойальтернативы предлагается использование коммутационных шин ивспомогательных тиристоров с «редкоимпульсным» режимом работыИз вышеуказанного следует, что тема настоящей диссертации являетсяактуальной.Цель работы:Разработка высокоэффективных принципов и средств регулирования сетевогонапряжения и коммутации цепей с учетом адиабатного поглощения электроэнергииразгрузочными узлами в аварийных быстродействующих выключателях (АБВ) и ееминимизации, а также бездуговой штатной коммутации в авиабортовых сетяхпостоянного повышенного напряжения (СППН 270 и 540В) и рекомендаций к5проектированию аппаратов регулирования, защиты и коммутации (АРЗК) дляполностью электрифицированных самолетов (ПЭС).Задачи, решаемые для достижения цели:‒обзор и анализ известных принципов и средств регулирования,защиты и коммутации в авиабортовых СППН;‒разработканетрадиционныхвысокоэффективныхпринципов,структур и схемотехнических решений для АРЗК;‒аналитический расчет рабочих процессов и оптимизация законовуправления;‒компьютерное моделирование процессов;‒экспериментальное подтверждение теоретических положений иразработкарекомендацийкпроектированиюикомпьютерномумоделированию.Методы исследования: при решении поставленных задач использованыосновныеположенияавтоматическогоэлектротехники,управления.математическогоКомпьютерноеанализамоделированиеитеориипроводилосьвпрограмме Electronics Workbench 10.Научная новизна диссертационной работы:‒ разработанспособобеспеченияпроцессааварийнойкоммутациимаксимального(прибыстродействияограничениисетевогоперенапряжения с учетом электромагнитной энергии последовательнопредвключенных сетевых индуктивностей) для минимизации энергиивыделенной источником за время выключения тока в СППН;‒ разработанспособимпульсногопреобразованияпостоянногонапряжения и устройство для его осуществления, позволяющийполучать выходное напряжение с произвольно задаваемой периодическинепрерывной формой‒ разработан нетрадиционный принцип построения конверторов на базебезреверсивногоиндуктивного6накопителя,обеспечивающийбезынерционностьпереключениянаправленийпреобразованияивысокое качество процессов регулирования;‒ полученоаналитическоевыражениезависимостиминимальногоадиабатного энергопоглощения в разгрузочном узле от величин токакороткого замыкания и допустимой кратности перенапряжения в сети;‒ разработан принцип построения и алгоритм управления СППН на базекоммутационныхшиндляштатнойкоммутациииустройствселективной защиты от КЗ;‒построена компьютерная модель КАЗК в среде Electronics Workbench10, позволяющая оптимизировать законы управления и параметры схем.Практическая значимость работы:в ходе исследовательской работыпредложены схемотехнические решения (защищенные приоритетом РФ) дляследующих устройств:‒ комбинированныйаппаратзащитыикоммутации(КАЗК),позволяющий осуществлять аварийное расцепление в бортовой СППН,без перенапряжения на п/п ключевом элементе;‒ комбинированныйпостоянноготока,аппаратзащитыпозволяющийикоммутацииосуществлятьпеременнорекуперациюэлектроэнергии;‒ многофункциональный аппарат регулирования защиты и коммутации(АРЗК),обладающийрасширеннымифункциональнымивозможностями, такими как аварийная коммутация, регулирование истабилизация с учетом коррекции коэффициента мощности (ККМ), атакже обратимое преобразование переменного (3-х фазного) ипостоянного напряжений;‒ обратимый импульсный конвертор, с безынерционным переключениемнаправленийпреобразованиярегулирования;7ивысокимкачествомпроцессов‒ импульсный преобразователь напряжений с гальванической развязкой изащитой от «сквозных сверхтоков», позволяющий обеспечить питаниемкоммутационные шины для бездугового размыкания контакторов.Реализация результатовМатериалы диссертационной работы были использованы в госбюджетнойНИР МАИ (тема №1.4.12, этап №8, 2013 год), в курсе лекций, в дипломном икурсовом проектировании кафедры «Теоретическая электротехника» МАИ и приподготовкемонографии«Электромагнитнаяиэлектроэнергетическаясовместимость систем электроснабжения и вторичных источников питанияполностью электрифицированных самолетов».