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

1ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)».На правах рукописиЕрмилов Юрий ВладимировичИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АППАРАТОВРЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАЩИТЫ И КОММУТАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОЛНОСТЬЮЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ САМОЛЕТОВ.Специальность 05.09.03. – «Электротехнические комплексы и системы»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:Доктор технических наук,Профессор С.Б. РезниковМосква2015 год2ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………4ГЛАВА 1.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И АНАЛИЗСУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ………...111.1.Сравнение систем электроснабжения для перспективныхсамолетов…………………………………………………………………..111.2.СППН с полупроводниковыми аппаратами защитыи коммутации……………………………………………… ……………………….121.3.Проблемы коммутации и защиты в бортовой СППН……………………….141.4.Анализ способов защиты от импульсовперенапряжения на ключевых элементах……………………………………….181.5.Многофункциональность и модульная архитектурапреобразовательной и коммутационной аппаратуры…………………………...301.6.

Анализ существующих регуляторов (конверторов)постоянного напряжения………………………………………………………...31Выводы………………………………………………………………………………40ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНЫХ, СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ ИАЛГОРИТМИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АППАРАТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯЗАЩИТЫ И КОММУТАЦИИ СППН…………………………………………….422.1. Аппараты регулирования защиты и коммутации (АРЗК)…………………..422.2. Коммутация в бортовой подсистеме распределения постоянногоповышенного напряжения с использованием коммутационной шины…………56Выводы………………………………………………………………………………913ГЛАВА 3.

РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОГО И "КВАЗИОПТИМАЛЬНЫХ"ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЗК ПРИ КОРОТКОМЗАМЫКАНИИ…………………………………………………………. .93Выводы……………………………………………………………………………..105ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ………………...107Выводы……………………………………………………………………………..120ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИРЕКОМЕНДАЦИИ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ………………………...1215.1.Экспериментальный макет…………………………………………………….1215.2. Рекомендации к проектированию……………………………………………122Выводы…………………………………………………………………………. ….126ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….127СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………1304ВВЕДЕНИЕАктуальность темы.Кнастоящемувременивобластиавиационно-бортовогоэлектрооборудования все большее распространение находит перспективнаяконцепция "полностью электрифицированного самолета" (ПЭС), предполагающаяисключение из бортовой системы управления подвижными плоскостями ЛАпневмо-игидроприводов.Реализацияуказаннойконцепциитребуетзначительного увеличения полной установленной мощности авиабортовойсистемы электроснабжения (СЭС) до величины 1,5 МВт и более [12], какнапример, на самолете Боинг-787 с 4-мя магистральными и вспомогательнымигенераторными каналами.

В этой связи предполагается, что в качестве основнойсистемы распределения электроэнергии будет система постоянного повышенногонапряжения: СППН 270В или 540В, что отражено в зарубежных и отечественныхГОСТах. Авиационная система постоянного повышенного напряжения270Вимеет неоспоримые достоинства в сравнении с классической авиационнойсистемой переменного напряжения 115/200В 400Гц:Основным недостатком СППН, до настоящего времени сдерживающим ихприменение, является необходимость оснащения сетевых контакторов иавтоматов защиты (от коротких замыканий и утечек в изоляции) громоздкими инедолговечными дугогасительными камерами.Любая попытка реализации бездугового расцепления, например, с помощьютранзисторов,натыкаетсянасложностьбыстрогорассеивания(безперенапряжения) электромагнитной энергии последовательно-предвключенныхсетевых индуктивных элементов, и суммируемой с ней энергией, потребляемой изсети за время спадания тока (особенно большого при аварийном короткомзамыкании(КЗ)).Возможностьшунтированиясетифильтровымиэлектролитическими конденсаторами с относительно большой энергоемкостью5ограничена 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 десятилетиянаиболее значимые отечественные исследования в этой области принадлежаттаким ученым 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:‒активноеуправлениетранзистором,обеспечивающееегостабиллитронную характеристику и адиабатное поглощение энергиикристаллической структурой;‒шунтирование ключа разгрузочным (балластным) резистором ивспомогательным транзистором.Первый из них, как будет доказано в 1-й главе, способен минимизироватьKU, где KU KU  1величину поглощаемой энергии в пределе − до значения: WLсети кратность скачка напряжения в сети, но требует разработки специального"термоударостойкого" транзистора с большой теплоемкостью кристалла, а второй- не способен минимизировать указанную энергию, но более прост 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)6структурой разгрузочного (балластного) резистивного узла и обеспечениемполной гальванической развязки.Помимо вышеуказанной задачи, целесообразно при разработке АЗК учестьвозможность обеспечения функций регулирования токов и напряжений в каналахэлектропитания, а также рекуперации электроэнергии.Представляется 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 ипоэтапной преемственности 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. Использование вместо транзисторных ключей – отечественныхтиристоров с исскуственным запиранием (или двухоперационных)ограниченоотносительнобольшимистатическимитепловымипотерями и 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.7Цель работы:Разработка высокоэффективных принципов и средств регулированиясетевого напряжения и коммутации цепей с учетом адиабатного поглощенияэлектроэнергииразгрузочнымиузламиваварийныхбыстродействующихвыключателях (АБВ) и ее минимизации, а также бездуговой штатной коммутациив авиабортовых сетях постоянного повышенного напряжения (СППН 270 и 540В)и рекомендаций к проектированию аппаратов регулирования защиты икоммутации (АРЗК) для полностью электрифицированных самолетов (ПЭС).Задачи, решаемые для достижения цели:‒обзор и анализ известных принципов и средств регулирования,защиты и коммутации в авиабортовых СППН;‒разработка нетрадиционных высокоэффективных принципов исхемотехническихрешенийисинтезпринципиальныхсиловыхэлектрических схем АРЗК (контакторных и п/п-х);‒аналитический расчет рабочих процессов и оптимизациязаконов управления;‒компьютерное моделирование процессов;‒экспериментальное подтверждение теоретических положений иразработкарекомендацийкпроектированиюикомпьютерномумоделированию.Методы исследования: при решении поставленных задач использованыосновные положения электротехники, математического анализа и теорииавтоматического управления.

Компьютерное моделирование проводилось впрограмме Electronics Workbench 10.Научная новизна диссертационной работы:‒ разработан принцип обеспечения максимального быстродействияпроцессааварийнойперенапряженияскоммутацииучетомпоследовательно-предвключенных(приограниченииэлектромагнитнойсетевыхсетевогоэнергиииндуктивностей)для8минимизации энергии выделенной источником за время выключениятока в СППН;‒ разработан нетрадиционный принцип построения конверторов на базебезреверсивногоиндуктивногонакопителя,обеспечивающийбезынерционность переключения направлений преобразования ивысокое качество процессов регулирования.‒ получено аналитическое выражение зависимости минимальногоадиабатного энергопоглощения в разгрузочном узле от величин токакороткого замыкания и допустимой кратности перенапряжения в сети;‒ разработан принцип построения и алгоритм управления СППН, набазе коммутационной шины для штатной коммутации и устройствселективной защиты от КЗ;‒построена компьютерная модель КАЗК в среде Electronics Workbench10, позволяющая оптимизировать законы управления и параметрысхем.Практическая значимость работы:в ходе исследовательской работыпредложены схемотехнические решения для следующих устройств:‒ комбинированныйаппаратзащитыикоммутации(КАЗК),позволяющий осуществлять аварийное расцепление в бортовойСППН, без перенапряжения на ключевом элементе;‒ комбинированный аппарат защиты и коммутациипостоянноготока,позволяющийосуществлятьпеременнорекуперациюэлектроэнергии;‒ многофункциональный аппарат регулирования защиты и коммутации(АРЗК),обладающийрасширеннымифункциональнымивозможностями, такими как аварийная коммутация, регулирование истабилизацию с учетом коррекции коэффициента мощности (ККМ), атакже обратимое преобразование переменного (3-х фазного) ипостоянного напряжений;9‒ обратимыйимпульсныйконвертор,сбезынерционнымпереключением направлений преобразования и высоким качествомпроцессов регулирования;‒ импульсныйпреобразовательнапряженийсгальваническойразвязкой и защитой от «сквозных сверхтоков», позволяющийобеспечить питанием коммутационные шины для бездуговогоразмыкания контакторов.Основные положения выносимые на защиту:1) разработанныйпроцессаспособаварийнойобеспечениязащитыотмаксимальногоКЗ(прибыстродействияограниченииГОСТомперенапряжения в сети и с учетом последовательно-предвключенныхсетевыхиндуктивностей)дляминимизацииадиабатно-поглощаемойэнергии в балластном ограничителе из-за работы источника электропитанияза время выключения тока в СППН;2) полученноеаналитическоеэнергопоглощенияотвыражениеаварийноготоказависимостииминимальногодопустимойкратностиперенапряжения в сети;3) разработанные принцип построения и алгоритм управления системойраспределения постоянного повышенного напряжения, предполагающийиспользование коммутационной шины с регулируемым напряжением дляосуществления переключений в штатном режиме.4) предложенныеаналитическиевыраженияикомпьютернаямодель,позволяющая оптимизировать законы управления и параметры схем КАЗК;5) предложенное схемотехническое решение для комбинированного аппаратазащиты и коммутации (КАЗК), позволяющего осуществлять аварийноерасцепление в бортовой сети постоянного повышенного напряжения безперенапряжения на ключевом элементе;6) разработанный двунаправленный комбинированный аппарат защиты икоммутации переменно-постоянного тока, допускающий рекуперациюэлектроэнергии;107) разработанныйаппаратрегулированиязащитыикоммутации,срасширенными функциональными возможностями, такими как аварийнаякоммутация,регулированиеидвунаправленноепреобразованиенапряжения.8) разработанный нетрадиционный принцип построения конверторов на базебезреверсивногоиндуктивногонакопителя,обеспечивающийбезынерционность переключения направлений преобразования и высокоекачество процессов регулирования.Апробация работы: Основные результаты работы докладывались нанаучно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике»,Москва, 2013 год, и на научно-практической конференции «Инновации в авиациии космонавтике», Москва, 2014 год.Публикации: Материалы, отражающие содержание диссертационнойработы, и полученные в ходе ее выполнения, опубликованы в 5 статьях, в томчисле в 4 статьях опубликованных в журналах рекомендуемых ВАК РФ и в 2тезисах докладов на конференциях.