Диссертация (Исследование и разработка аппаратов регулирования защиты и коммутации для систем электроснабжения полностью электрифицированных самолетов), страница 12

При этом разрядный ток реализуется весьма просто (например, такназываемым ШИМ-чоппером с дополнительным балластным резисторомR2,показанным ранее на рис. 3.1.3 и 3.1.4, а для реализации зарядного токапотребуется отдельный источник ЭДС.В связи с вышеизложенным представляется целесообразным рассмотрениевторого «квазиоптимального» процесса, при котором регулируемый ток будетоднополярным (только разрядным):I рег (t )  I рег (0)  K I t ,где K I I рег (0)tвыкл- крутизна спада тока регулирования.(19)103Из этого выражения и системы уравнений равновесия:(20)где I сети (0)  I 0 , U СБ (0)  U П ,получаем линейные дифференциальные уравнения второго порядка:  K I  I per (0)11  I сети I сетиI сети  ,t LCБLCLCБ Бnmгде(21)Характеристическим для нее будет уравнение:p2 1p1 0,LCБкорнями которого являются:p1,2  11111D,где- дискриминант,  RБ1CБ 24LCБ24 2 LCБпостоянная времени цепи L  RБ1 ; LCБ T024 2; T0 - резонансный периодконтура L  CБДляопределениязнакадискриминантаDзапишемсоотношение,max 1000 В , U П  270В ивытекающее из начальных условий.

Например, при U ЭКI0 10кВт 3  110 А270 Вимеем:104I 0 RБ1  U П  UmaxЭКmaxU ЭК U П 1000 В  270 В 730 В,откуда RБ1  7ОмI0I0110 А.Пусть электроемкость C Б пленочного конденсатора на напряжение 1000 Вбудет CБ  10Ф , предвключенная индуктивность L  20 Гн . Тогда D надопосчитать и убедиться что D>0 , что соответствует апериодическому (а неколебательному) процессу.Для существенного упрощения схемы реализации искомого законауправления I per (t ) и аналитического исследования выберем в качестве второго"квазиоптимального" процесса такой процесс, при котором искомый ток I per (t )будет таким же однополярным, но линейно падающим от I per (0)  I 0 до 0 завремя tвыкл , по аналогии с линейно падающим током сети от I 0 до 0.

Тогдаразностный ток зарядки конденсатора C Б ( I СБ  I сети (t )  I per (t )) также будетлинейно падающим от I СБ (0)  I 0  I per (0) до 0. При этом напряжение набалластном резисторе RБ 1 (U RБ1  I сети RБ1 ) также будет линейно падающим, анапряжение на C Б возрастающим по выпуклой параболе:U СБ (t )  at 2  bt  cmaxот начального значения: U СБ (0)  U П до конечного : U СБ (tвыкл )  U ЭК,равного максимально допустимому для ЭК.Неопределенные коэффициенты квадратного трехчлена (22) а,b и cнетрудно найти из следующих граничных условий:C  U СБ (0)  U П ;tвыкл  b- абсцисса вершины параболы;2amax2U ЭК atвыкл btвыкл  U П - ордината вершины,откуда получаем:(22)105maxmaxU ЭКUПU ЭКUПUU;,a0b2222tвыклtвыклtвыклtвыкл(23)max U П - абсолютное перенапряжение в сети.где U  U ЭКПодставив (23) в (22), получаем функцию U СБ (t ) в виде:maxmaxU СБ (t )  a(t  tвыкл )2  U ЭК U (t *  1)2  U ЭК,где t * ttвыкл(24)- относительное (безразмерное) время.Граничными условиями процесса будут:1)maxпри t=0: I СБ (0)  I 0  I per (0) ; U П  I 0 RБ1  U ЭК2)при t  tвыкл : I СБ  0(25)Быстродействие процесса можно оценить по формуле:tвыкл 2CБ U2CБ U,IСБ (0) I 0  I per (0)которую нетрудно получить из уравнения зарядно-разрядного баланса дляCБ :1max  IСБ (0)tвыкл  CБ U  CБ (U ЭКU П )2Нарис.3.1.5приведенывременныедиаграммыдлявторого"квазиоптимального" процесса выключения тока короткого замыкания спомощью АЗК с однополярным линейно спадающим током регулирования КАЗК( I per ) .

Заметим, что площади заштрихованных прямоугольного и косоугольноготреугольников с размерностью зарядов q1,2 согласно принципу Кавальери равнымежду собой.Выводы по главе.Второй "квазиоптимальный" процесс выключения КЗ по основномукритериюминимумарассеиваемойвКАЗКэнергииоптимальному, и при этом достаточно прост в реализации.весьмаблизокк106Проведеннаяпредложенногоаналитическаякомбинированногооптимизацияаппаратаимпульсногозащитыиуправлениякоммутациидляавиационно-бортовых систем электроснабжения (СЭС) постоянного повышенногонапряжения (СППН) позволяет создать указанные выключатели с минимальнойрассеиваемойэнергией,аследовательно-реализоватьконцепциювысокоэффективных по надежности и "полетной"("стартовой") массе "полностьюэлектрифицированных самолетов".На основании вышеприведенных результатов в программной средеMultysym 12 построена модель КАЗК.

В качестве ключевых элементов быливыбраны транзисторы IRGPC50S из библиотеки элементов. Остальные элементымодели были выбраны идеальными. Также, для сравнения, были построенымодели используемых на данный момент устройств.107ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.Проведено компьютерное моделирование рассматриваемых устройств.Основная цель моделирования - проверка работоспособности устройства, а такжесравнение КАЗК с существующими на данный момент схемными методамизащиты от импульсных напряжений.

Модели созданы в программе ElectronicsWorkbench 10. Величина предвключенной сетевой индуктивности равна 1миллигенри. Как упоминалось ранее, данная величина складывается изиндуктивностикабелей,индуктивностиобмотокгенераторов,атакжеиндуктивности дросселя корректора коэффициента мощности. В качествеисточника питания выбран идеальный источник постоянного напряжения.Напряжение задано 270 В. Так как в программеWorkbench Multisymсоединительные провода являются идеальными проводниками, в схему введенрезистор R1=1Ом, симулирующий активное сопротивление магистральныхкабелей. Для упрощения компьютерной модели, но при этом сохранения качества,иточностиописаниязаданногопроцесса,всхеме(Рис.4.1.1)электромеханический коммутатор отсутствует.Диод добавлен D1предотвращениявэлектромагнитныхколебанийконтуре,дляобразованноминдуктивностью L2 и емкостьюC2.1).Моделированиесхемыаппаратазащитыикоммутациисиспользованием снабберного конденсатора.Построена модель схемы защиты силового ключевого элемента отперенапряжения, с использованием, так называемого, снабберного конденсатора(Рис.4.1.1)108Рис.4.1.1Данная схема широко применяется в устройствах силовой электроники.

Еедостоинством является простота и высокая надежность. Коммутационныеаппараты в которых используется данное схемотехническое решение подходятдля использования в слаботочных цепях постоянного повышенного напряжениядля штатной коммутации. Однако оно не подходит для защиты ключевыхэлементоввсоставекоммутационно-защитнойаппаратуры,вцепяхспротекающими токами порядка сотен ампер. Емкость снабберного конденсатора всоставе модели равна 1 микрофарад что соответствует емкости реальногоконденсатора K73-17 рассчитанного на максимальное напряжение 630 вольт.109Рис.4.1.2На рис.4.1.2 представлена осциллограмма напряженияна выводахснабберного конденсатора C2.Масштаб: по оси абсцисс - 1 деление/ 100микросекунд; по оси ординат 1деление/5киловольт. На осциллограмме видно, что импульс перенапряжения наключевом элементе более 5 кВ, что в разы превышает допустимый уровень (поГОСТ).110Рис.4.1.3На рис.

4.1.3 представлена осциллограмма тока, проходящего через датчиктока XCP2. Масштаб: по оси абсцисс - 1деление/ 100микросекунд; по оси ординат- 1деление/100 ампер.2). Схемааппарата защиты и коммутации с использованиемшунтирующего резистора и конденсатора.Построенамодельсхемызащитысиспользованиембалластногоконденсатора и резистора (рис.4.1.4). Емкость балластного конденсатора как и впредыдущем случае равна 1 микрофарад.111Рис.4.1.4Так же как и в предыдущем случае на осциллограммах видно что уровеньперенапряжения значительно превышает предельно допустимый, что делаетневозможным использование таких схем в сильноточных цепях постоянногоповышенного напряжения.112Рис.4.1.5На рис.4.1.5 представлена осциллограмма напряжения на резисторе R2 иконденсаторе C2.

Масштаб: по оси абсцисс - 1 деление/ 100микросекунд; по осиординат - 1деление/5киловольт.113Рис.4.1.6На рис.4.1.6 представлена осциллограмма тока через датчик тока XCP2.Масштаб: по оси абсцисс - 1 деление/ 100микросекунд; по оси ординат 1деление/100ампер.3). Схема с использованием разгрузочного резистора.Наиболее близким к предлагаемому устройству является схема сиспользованием так называемого разгрузочного резистора Рис.4.1.7 В главе 1приведен расчет энергии, которую необходимо поглотить разгрузочномурезистору за время спада тока до номинального уровня.114Рис.4.1.7Ниже приведены осциллограммы напряжения на силовом ключе, и токачерез резистор R3.115Рис.4.1.8На рис.4.1.8 представлена осциллограмма напряжения на выводах резистораR3.

Масштаб: по оси абсцисс - 1 деление/ 500микросекунд; по оси ординат 1деление/200 вольт.116Рис.4.1.9На рис.4.1.9 представлена осциллограмма тока через датчик тока XCP1.Масштаб: по оси абсцисс - 1 деление/ 500микросекунд; по оси ординат 1деление/100 ампер.На осциллограмме тока Рис.4.1.9 видно, что ток через разгрузочныйрезисторR3спадает дономинальногозначенияприблизительноза 2миллисекунды.4). Схема рассматриваемого аппарата защиты и коммутации.Построена компьютерная модель комбинированного аппарата защиты икоммутации (Рис.4.1.10.).117Рис.4.1.10В модели использован виртуальный транзистор, взятый из библиотекиэлементов программы Electronics Workbench 10.

Как и в предыдущих случаяхначальное значение напряжения на конденсаторе C2 равняется 270 вольт. Нижеприводятся параметры реального полупроводникового элемента являющегосяпрототипом IRGPC50S. Модель работает следующим образом. При обнаружениипревышении заданного напряжения на транзисторе Q1 и нагрузке, срабатываеткомпаратор U2, и на неинвертирующем выводе RS-триггера U1 устанавливаетсяединица, запуская драйвер, отпирающий транзистор Q2.

Конденсатор C2начинает разряжаться через резистор R4. Напряжение на транзисторе Q1 и118нагрузкеR2 начинает снижаться, до заданного минимального уровня. Далеесрабатывает компаратор U3, переключая триггер U1. Таким образом, транзисторQ2 переходит в запертое состояние. Напряжение на полупроводниковом ключеQ1 и нагрузке R2 начинает повышаться, и весь цикл повторяется заново. На Рис.изображена осциллограмма напряжения на конденсаторе C2 и нагрузке R2.Видно, что напряжение на ключевом элементе поддерживается на максимальнодопустимом уровне, на протяжении всего времени спада тока до нулевого уровняРис.4.1.13.Рис.4.1.11На рис.4.1.11 представлена осциллограмма напряжения на резисторе R2 иконденсаторе C2.