Автореферат (Методы повышения эффективности трехфазных транзисторных централизованных преобразователей частоты для систем электроснабжения летательных аппаратов), страница 2

Предложен новый алгоритм формирования напряжений на входе силового фильтрапреобразователя, позволяющий снизить массогабаритные показатели ТТПЧ беззначительного увеличения частоты коммутации силовых ключей;3. Проведенанализсуществующихспособовобеспечениярекуперацииэлектроэнергии в сеть;4. Предложеналгоритмуправленияключамирекуперативногоблока,обеспечивающий рекуперацию электроэнергии от нагрузки и внутреннихэлементов преобразователя в сеть.5. Получено логическое выражение для функции определения необходимостирекуперации.Практическая полезность.1. Разработан алгоритм управления трехфазным транзисторным преобразователемчастоты на основе цифровых микроконтроллеров.2. Разработаны схемотехнические решения организации рекуперации энергии.3. Предложена компьютерная модель для анализа режимов работы транзисторныхпреобразователей частоты, позволяющая анализировать процессы при штатных и5переходных режимах.4.

Проведено исследование и оценка предложенных алгоритмов переключения, наоснове компьютерной модели;5. Результаты исследований использованы в научно-исследовательских работах АКБ«Якорь» и ОАО Аэроэлектромаш, а также используются в курсах электропривода иисточников вторичного электропитания учебного процесса МАИ по кафедры 306.На защиту выносится:1. алгоритммногоуровневогоШИР-КДформированияирегулированиямногоуровневого выходного напряжения преобразователя частоты и методикасинтеза управляющего сигнала силового каскада;2.

компьютерная модель трехфазного транзисторного преобразователя частоты, дляанализа процессов в установившемся и переходных режимах;3. методика оптимизации параметров по критерию минимума массы трехфазноготранзисторного преобразователя частоты;4. алгоритмпереключениясиловыхэлементовзвенапостоянноготока,обеспечивающий возврат энергии в сеть при нормальной и аварийной работепреобразователя частоты;5. схемотехническая реализация схемы управления узлом рекуперации энергии;6. схемотехническая реализация микропроцессорной схемы управления трёхфазнымтранзисторным преобразователем частоты в режиме многоуровневого ШИР-КД.Апробация результатов.

Основные результаты работ докладывались на: научно-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ "Инновациив авиации и космонавтике – 2010", 26-30 апреля 2010 г., г. Москва; 10-й международной конференции "Авиация и космонавтика – 2011", 8-10 ноября2011 г., г. Москва; всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемыэлектропитания», 1 декабря, 2011 г., г. Москва; 11-й международной конференции "Авиация и космонавтика – 2012", 13-15 ноября2012 г., г. Москва.Публикации.

Результаты диссертации представлены в 14 работах, в том числе 8 статьях визданиях, рекомендованных ВАК.Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, четыреглавы, общие выводы по работе, список сокращений и условных обозначений, списоклитературы, приложения. Общий объем диссертации составил 174 страницы, включая 101рисунок и 2 таблицы.6КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьповышенияэффективноститрехфазныхтранзисторных централизованных преобразователей частоты СЭС ЛА. Определены цели изадачи исследований, показана научная новизна и практическая полезность работы.Впервойглавепроведёнобзорсуществующихрешенийпостроениясистемэлектроснабжения, который показал, что СЭС с приводами постоянной скорости (ППС) внастоящее время наиболее совершены. Несмотря на имеющиеся недостатки, разрабатываемые втечении многих лет ППС обеспечивают наилучшие массогабаритные характеристики, но насовременном этапе развития ППС достигли предела потенциальных возможностей.В настоящее время в свете концепции самолета с повышенным уровнем электрификациивозрастает роль СЭС с ПСПЧ на основе ТПЧ.

Анализ параметров выпускаемых промышленныхкомплексов показал, что современная элементная база позволяет реализовать ТПЧ сразличнымиструктурами,удовлетворяющимитребованиям,предъявляемымкцентрализованным ТПЧ СЭС ЛА.Определеноместотрехфазныхпреобразователейчастотывструктуресистемыэлектроснабжения ЛА (рис. 1).Рис. 1. Система электроснабжения летательного аппаратаПроведен анализ требований к трехфазным преобразователя частоты, среди которых:обеспечениенеобходимогокачестваэлектроэнергии,уменьшениемассогабаритныххарактеристик, снижение сложности и стоимости устройства, возможность работы нанесимметричную нагрузку.Выполнение требований по оптимизации потребления электроэнергии на бортулетательного аппарата ставит задачу создания бортовых преобразователей частоты с высокимиудельными энергетическими характеристиками.Это влечет за собой применение новыхсхемотехнических и конструктивных решений.Для сравнения предлагаемых решений необходимо оценить насколько один вариант7эффективнее другого.Наиболее общий вид критерия оценки эффективности электроэнергетического комплексаимеет следующий вид:Kээр βγ k (1 αi )MYiη i1(1)μпн(1 ξ)где M - установочная масса элемента преобразователя;Yi - коэффициент масштабного эффекта; - суммарный коэффициент преобразователя; i - относительная масса системы охлаждения;i- относительная масса силовой установки и топлива необходимого дляфункционирования элемента преобразователя; i - относительная масса топлива и топливной системы, необходимого для преодоленияаэродинамического сопротивления, вызванного применением преобразователя;пн - относительная масса суммарной полезной нагрузки, за исключением топлива, ЛА.Применение этого критерия требует определения ряда коэффициентов, устанавливаемыхэкспертным подходом.

Безусловно, экспертный подход позволяет решать задачи, неподдающиеся решению обычным аналитическим способом, в том числе такие как:• выбор лучшего варианта решения среди имеющихся;• прогнозирование развития процесса;• поиск возможного решения сложных задач.Однако доступ к экспертным коэффициентам затруднен и информация о нихпротиворечива.Анализ выражения (1) показывает, что наиболее существенным членом этого выраженияявляется суммарная масса элементов рассматриваемого варианта структуры.

Далее быларассмотрена процедура сравнения двух структур преобразователей частоты – инвертор снизкочастотным трансформатором и конвертор – инвертор. В качестве параметров сравнениявыбраны одинаковая мощность на выходе инвертора при одинаковом коэффициенте гармониквыходного напряжения. Поскольку схема управления не несет в себе элементов значительноймассы, то в расчете принимаем во внимание только силовую часть структур.Проведенное сравнение подтвердило имеющиеся в научной литературе данные, чтопозволило сделать вывод о том, что предложенная методика адекватна.Вовторойпреобразователейглавепоказано,чтоиспользованиечастотыпозволяетдостичь8заданногомногоуровневыхкачестваструктурмногоимпульсногонапряжения, формируемого на входе силового фильтра, при меньшей частоты коммутациисиловых ключей, что позволяет снизить массогабаритные показатели, требования к которым,как известно, достаточно высоки для электрооборудования летательных аппаратов.

УлучшениемассогабаритныхиэнергетическихпоказателейТПЧссинусоидальнымвыходнымнапряжением для систем электроснабжения летательных аппаратов требует совершенствованияспособов формирования импульсных напряжений на входе силового фильтра.Проведенанализструктурсиловыхкаскадовмногоуровневыхинверторов:сограничительными диодами (рис. 2а), с переключаемыми конденсаторами (рис. 2б) и каскадныемногоуровневые инверторы (рис.

2в).Рассмотрены различные методы формирования многоуровневого напряжения на входесилового фильтра инвертора: многозонная широтно-импульсная модуляция, оптимизациякоэффициентагармоник,селективноеисключениегармоник.Представленспособформирования импульсного напряжения методом многоуровневого широтно-импульсногорегулирования.абвРис. 2. Структуры силовых каскадов многоуровневых инверторов: (a) с ограничительными диодами, (б) спереключаемыми конденсаторами и (в) каскадный многоуровневый инверторДля каждого метода представлены формы многоуровневого напряжения (рис. 3). Такжепроведен сравнительный анализ спектральных составов многоуровневых напряжений приразличных режимах формирования (рис. 4).Показано, что при многозонной широтно-импульсной модуляции расчет моментовпереключения требует решения нетрансцендентных уравнений (2), что существенно облегчаетреализацию схемы управления микропроцессорными методами.u (k ) Tпил  Asin  ( k  1)    2k  u  2  Aпилp 2 где u  1, , n и n  ( L  1) / 2 , L – число уровней.9,(2)а)б)в)г)Рис.

3. Формы многоуровневого напряжения, сформированного методами: а) многозонной ШИМ; б)оптимизации коэффициента гармоник; в) селективного исключения гармоник; г) многоуровневого ШИР-КДа)б)в)г)Рис. 4. Спектральные составы напряжений, сформированных методами: а) многозонной ШИМ; б) оптимизациикоэффициента гармоник; в) селективного исключения гармоник; г) многоуровневого ШИР-КД10Показано, что при оптимальной минимизации коэффициента гармоник, несмотря наминимальное значение коэффициента гармоник по сравнению со значениями коэффициентагармоник многоуровневых напряжений, полученных другими методами формирования, изспектрального состава напряжения не были исключены низшие из высших гармоник, чтоухудшило коэффициент режекции, а следовательно масса силового фильтра не минимальна.Приведена система нелинейных уравнений (3), решение которой позволит найти моментыпереключения.( 2 p  1)s coskk 1 s 2 ( 2k  1)  k  s2  sin  p  0 , k 1(3)где р = 1, 2, ..., s, где s – число ступеней на половине периода.Показано,чтоприселективномисключениигармоник,коэффициентрежекциинапряжения на входе силового фильтра получается минимальным.