Диссертация (Исследование и разработка аппаратов регулирования защиты и коммутации для систем электроснабжения полностью электрифицированных самолетов), страница 2

Также были получены 9 патентов наполезную модель и 1 патент на изобретение.11ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И АНАЛИЗСУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.1.1 Сравнение систем электроснабжения для перспективных самолетовК настоящему временив областиавиастроенияактивноведетсяобсуждение создания так называемого, «полностью электрифицированногосамолета» - ПЭС без гидро- и пневмо- приводов. Подобные разработки ведутся ив России. Первый российский полностью электрифицированный самолет можетбытьсозданкначалуследующегодесятилетия.Создание силовой установки для полностью электрифицированного самолета итехнологииегоэлектрификацииобсудиливОАО«Авиадвигатель».Экспериментальную силовую установку было решено строить на базе двигателяПС-90А. Для проведения летных испытаний нового оборудования предполагаетсясоздать летающую лабораторию на базе самолета Ту-214 (№ 64501) с дальнейшимего развитием до модернизированного Ту-214Э.

Всего к реализации программыПЭСпланируетсяпривлечьболее100предприятийавиационной,радиоэлектронной и электротехнической промышленностей, а также ряд ведущихакадемических институтов. Так, Центральный аэрогидродинамический институтим. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) принимает активное участие в проектеразработки электрического шасси, которое обеспечивало бы руление самолета безвключения двигателя и использования специальных тягачей. Предполагается, чтоэкспериментальный образец такого шасси будет продемонстрирован уже на«МАКС-2015.»[14].Одним из наиболее перспективных направлений развития авиационныхсистем электроснабжения (СЭС), является переход к СЭС с первичной системойпостоянного повышенного напряжения (СППН).

Частично концепция СППНреализована в составе СЭС самолета Boeing-787, но там такая подсистемаявляется только промежуточной (подчиненной) – для параллельного включенияканалов и неразветвленной, т.е. без собственной коммутационно-защитнойаппаратуры (электромеханической или полупроводниковой).12Основным недостатком СППН, до настоящего времени сдерживающим ихприменение и по существу нейтрализующим все вышеупомянутые достоинства,является необходимость оснащения штатных сетевых контакторов и аварийныхавтоматов защиты (от коротких замыканий и утечек в изоляции) громоздкими инедолговечными дугогасительными камерами. Любые попытки реализациибездугового выключения сверхтоков, например - с помощью вакуумныхвыключателей, ключевых транзисторов и запираемых тиристоров, приводит к LI 2 сложности рассеивания энергии предвключенных сетевых индуктивностей  m  2  tвыкли суммируемой с ней энергии сети   UIdt  без перенапряжений на самом 0выключателе и параллельных сетевых нагрузках.До настоящего времени для решения этой проблемы в СППН наземноготранспортаиспользовалисьотличающиесяконтакторынедолговечностью,астакжедугогасительнымиплохимикамерами,массогабаритнымипоказателями, что делает их непригодными для авиабортовых СЭС [7].1.2.

СППН с полупроводниковыми аппаратами защиты и коммутации.В работе [1] описаны возможности использования полупроводниковыхключей для коммутации и защиты в бортовой сети пониженного напряжения 27В.Там же подробно описаны достоинства и недостатки контактной защитнойаппаратуры (КЗА):достоинства:нулевые остаточные токи (полная гальваническая развязка);простота и отработанность конструкции;относительно малая стоимость.недостатки:большая протяженность управляющих и силовых цепей приразмещении КЗА на борту летательного аппарата;низкое быстродействие;невысокая надежность контактных соединений;13дугообразование при размыкании индуктивных и моторныхнагрузок;ограниченныевозможностиконтроляоборудованияиселективной аварийной защиты;плохая электромагнитная совместимость;плохие эксплуатационные свойства (срок службы, частотарегламентных работ) [1].Низкое быстродейсвие контактной коммутационно-защитной аппаратурыприводит к ухудшению качества электропитания системы электроснабжения какминимум по трем причинам:из-за возникновения ударных токов при коротких замыканиях,вызывающих провалы напряжения сети;из-за перерывов питания при переключении шин;из-за того, что для обеспечения селективности защиты приходитсясознательно увеличивать время срабатывания аппаратов [1].Приведенные данные подтверждают вывод о том, что замена контактнойкоммутационно-защитной аппаратуры на бесконтактную аппаратуру позволяетсущественноповыситьэлектроснабжениязакачествосчетэлектропитаниязначительногоавиационныхуменьшениясистемамплитудыипродолжительности аварийных токов, что, как следствие, заметно снижаетпровалы и всплески сетевого напряжения [1].Применениебесконтактнойкоммутационно-защитнойаппаратурыулучшает качество диагностики системы электроснабжения, что обеспечиваетсяразвитым встроенным контролем в составе полупроводниковых аппаратовзащиты и коммутации, способным выдавать информацию не только о состояниишины потребителя, но и о состоянии самих аппаратов защиты и коммутации.

Всвязи с этим полупроводниковые аппараты защиты и коммутации часторассматриваюткакзавершающиеисполнительныеагрегатыцифровыхавтоматизированных систем управления и контроля электрооборудованиялетательных аппаратов, и задачу проектирования таких систем не разделяют с14задачей проектирования бесконтактной коммутационно-защитной аппаратуры.Основными достоинствами авиационных автоматизированных систем управленияи контроля, объясняющими их бурное развитие и внедрение на борт летательныхаппаратов в последнее время, являются:бесперебойность электроснабжения;сокращениепродолжительностипроваловнапряженияприреконфигурации системы электроснабжения до единиц миллисекунд;повышение общей надежности системы электроснабжения на20 -25 %;сокращение затрат на техническое обслуживание;расширение числа диагностических узлов;уменьшение массы сети;снижение нагрузки на экипаж;сокращение сроков предполетной готовности.На основании вышесказанного в [1] делается вывод о перспективностииспользования транзисторных АЗК.1.3.

Проблемы коммутации и защиты в бортовой СППН.Как уже отмечалось в п 1.2 одной из основных проблем, стоящих на путиреализации СППН, является сложность бездуговой коммутации. Особенно остроэта проблема стоит при аварийном разрыве сильноточных цепей.Не вдаваясь в подробный анализ процессов выключения транзисторногоключа, проведенный в [1], проведем краткую энергетическую оценку наиболеехарактерного оптимального по быстродействию процесса его выключения прикоротком замыкании в нагрузке постоянного повышенного напряжения (270В) – встабиллитронном режиме.При этом будем считать, что вся нагрузочная RH  LH -цепь заблокированаидеальным обратным диодом, благодаря которому способна при выключении L I2 транзистора рассеять электромагнитную энергию своей индуктивности  Н m  , 2 15где I m – максимальный отключаемый ток) в собственной резистивной цепи ( Rн ),не вызывая перенапряжений на транзисторе.Пусть выключение транзистора производится в активном (усилительном)―стабиллитронном‖режимесмаксимальнодопустимымпостояннымнапряжением U m , со спадом тока до нуля, начиная с максимального значения I m ,за время спада tсп .Предвключеннуюцепь(отидеальногоисточниканапряжениядотранзистора) будем считать для упрощения чисто индуктивной с паразитнойиндуктивностью сетевых проводов Lc .

Тогда с учетом проводящего идеальногоблокирующего диода получаем временную зависимость спадающего тока – какрешение простейшего дифференциального уравнения:UП  LdI Umdtв виде линейной функции I  t   I m (1)Um U П t , (2)Lоткуда время спада tсп тока I(t) до нуля будет:tсп LI m.Um U П(3)16Заэтонакопленнуювремявтранзисторныйпаразитнойпереходпредвключеннойдолженрассеятьиндуктивностииэнергию,энергию,поступающую от источника питания:tLc I m2 спLc I m2IW  2   U П I t  dt  2  U П 2m tсп0(4)Подставив в (4) выражение (3), получаем окончательное выражение дляадиабатно поглощаемой в транзисторным узлом энергии:W гдеKUm>1UП–LI m2UmLI 2 K m,2 Um U П2 K 1кратностьперенапряжения(5)натранзисторев―стабиллитронном‖ режиме (или на шунтирующем ПОН).Выражениерассеиваемойв(5)нагляднодемонстрируеттранзисторномузлеэнергиивозможностьпутемвысоковольтного транзистора и ПОН.

Заметим, что в пределеlim W K Lc I m22,сниженияиспользования17т.е. для «очень высоковольтного» транзистора поглощаемая им энергияминимальна и приближается к энергии, накопленной во время короткогозамыкания в паразитной предвключенной индуктивности сети.Реально, применив широко выпускаемый IGBT-транзистор с максимальнодопустимым напряжением U m  1200В1200 4.44 K 270придется рассеять, апрактически - адиабатно поглотить энергиюLc I m2W  1.3 2т.е. энергию, превышающуюLc I m2на 30%.2Так например, при максимальном токе короткого замыкания I m  200 А ипаразитной предвключенной индуктивности сети Lc  1мГн эта энергия составит:W 1.3 103  4 104 26 Дж .2Указанный транзистор будет явно непригоден для адиабатного поглощениятакой энергии.

Кроме того заметим, что допустимый ГОСТом кратковременныйимпульс напряжения пока указан только для систем 27 В и обобщен на СППН270(540)В (по "умолчанию") значением 600В. При выполнении требований ГОСТK2,2 26 47,7 Дж, а вуказанная энергия в СППН 270В составит: 26K 12,2  11,1 286 Дж, т.е. на порядок большую энергию.СППН 540В: 261,1  1181.4.