Моделирование режимов работы центров силового питания электроприводов полностью электрифицированного самолёта

УДК 629.7.064.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕНТРОВ СИЛОВОГО ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОЛНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО САМОЛЁТА

Б.В. ЖМУРОВ, А.В. МАТЮШИНА, П.А. СОКОЛОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Халютиным С.П.

Рассматривается вопрос разработки и создания локальных центров управления нагрузками для реализации концепции полностью электрического самолёта. Приводятся результаты имитационного моделирования режимов работы системы электроснабжения на борту воздушного судна.

Ключевые слова: полностью электрический самолёт, имитационное моделирование, системы электроснабжения.

Одним из наиболее перспективных направлений в авиастроении является переход к концепции самолета с полностью электрифицированным оборудованием («полностью электрический самолет» или ПЭС). Под ПЭС понимается самолет с единой централизованной системой электроснабжения, обеспечивающей все энергетические потребности самолета.

Краеугольным камнем в создании самолётов с повышенным уровнем электрификации является проблема создания конкурентоспособных электромеханических приводов (ЭМП). Появление дополнительных потребителей электроэнергии, таких как ЭМП, приводит к необходимости разработки специализированной вторичной системы электроснабжения ЭМП на основе интеллектуальных локальных центров управления нагрузками (ЛЦУН). Особенности создания ЛЦУН связаны, прежде всего, с ростом установленной мощности источников электроэнергии, повышением надежности работы, развитием систем распределения, обеспечивающих решение вопросов повышенной ответственности данной системы в интересах безопасности.

Проведя анализ построения систем распределения электрической энергии на современных самолетах с повышенной степенью электрификации, можно выделить несколько ключевых моментов:

- создание распределительных устройств ориентированы на конкретные условия применения на данном самолете, определяемые вибрационными и тепловыми моделями, а не на общие тактико-технические требования, задаваемые стандартами. Такой подход позволяет существенно снизить массу распределительных устройств;

- концентрация в едином распределительном устройстве всех видов питания: переменного тока переменной частоты, вторичного питания постоянного тока повышенного и пониженного напряжения, вторичного питания переменным током постоянной частоты. При этом намечается централизация основных распределительных устройств в моноблоках, выполняющих все функции защиты, коммутации и распределения электроэнергии всех видов;

- интеграция функций распределения приводит к полному исключению силового проводного монтажа внутри распределительных устройств, что приводит к существенному снижению их массы;

- система диагностирования и контроля распределительных устройств, как правило, встроена в эти устройства и работает в автоматическом или ручном режиме.

Учитывая большую протяженность энергосистемы на борту современного летательного аппарата и зональное расположение исполнительных приводов различных систем, можно утверждать, что применение централизованной системы регулирования и управления не является выигрышной с энергетической точки зрения. Наиболее оптимальным является создание унифицированных энергоузлов вторичной системы электроснабжения. Такие узлы необходимо располагать в местах сосредоточения электроприводов исполнительных механизмов. Основными

функциями таких устройств является обеспечение непрерывного питания одного или группы приводов электрической энергией заданного вида и качества. Таким образом, наряду с функцией регулирования напряжения в данном энергоузле обеспечивается автономная защита и управление. Кроме того, управление реконфигурацией силового питания самого узла вторичной системы электроснабжения должно обеспечиваться центральной системой управления СЭС самолета. Для этого необходимо обеспечить информационный канал связи с бортовым комплексом оборудования.

Локальные центры управления нагрузкой, обеспечивающие силовое питание электромеханических приводов, являются специализированными ЦУНами. То есть наряду с основными функциями они призваны выполнять специфические задачи:

- управление подключением источников электрической энергии СГ;

- управление вторичными преобразователями электроэнергии;

- защита элементов системы преобразования и распределения от аварийных режимов;

- коммутация электрооборудования, подключённого к ЛЦУН;

- контроль и диагностика технического состояния систем преобразования и распределения электроэнергии;

- обеспечение адаптивного управления структурой ЭЭК во взаимодействии с подсистемой ЦСУ ЭЭК верхнего уровня.

ЛЦУНы осуществляют контроль и управление распределением электроэнергии между нагрузками и расположены децентрализовано. Для резервирования каждый ЦУН питается от двух источников постоянного и переменного тока. Обобщенная структура энергоузла вторичной системы электроснабжения (рис. 1) может быть представлена совокупностью типовых элементов:

УУ - цифровое устройство управления обеспечивает реализацию алгоритмов защиты, управления, контроля, диагностирования, связи с системой управления более высокого уровня;

Пр 1, 2 - преобразователь ЭЭ, обеспечивает питание силового коммутатора ЭЭ заданного вида и качества, фильтрацию помех в первичную распределительную сеть, реализует силовой канал режима рекуперации электроэнергии;

Н 1, 2 - накопитель электроэнергии, обеспечивает накопление (при рекуперации) и выдачу ЭЭ (в буферном режиме), может располагаться отдельно или отсутствовать (если рекуперация осуществляется в первичную сеть);

К - силовые контакторы с цифровым управлением, обеспечивающие подключение первичных шин, преобразователей, реконфигурацию питания.

Конкретный состав и параметры элементов ЛЦУН должны определяться на этапе эскизного проектирования для заданных типов потребителей, их расположения и параметров первичной системы электроснабжения.

В то же время на этапе исследования возможных структур ЛЦУН можно утверждать, что состав элементов и возможных связей локальных центров будет определяться в полной мере видом первичной питательной сети.

В соответствии с ГОСТ Р 54073-2010 структуры типовых ЛЦУН, обеспечивающих силовое питание электроприводов 270 В постоянного тока, могут быть также представлены шестью способами (рис. 2):

а) питание выходной шины ЛЦУН напряжением 270 В осуществляется от первичной сети трехфазного переменного тока постоянной частоты напряжением 115/200 В через трансформаторно-выпрямительное устройство (ТВУ). Управление ТВУ в данной схеме не выполняется, так как в системе электроснабжения применяется централизованный способ стабилизации напряжения. Для исключения помех и снижения показателей качества ЭЭ в первичной сети при работе силовых полупроводниковых элементов блока управления электродвигателя, в схеме ЛЦУН предусмотрен фильтр (Фвх). Подключение входного фидера осуществляется управляемыми силовыми полупроводниковыми ключами (К). Устройство управления выполняет функции контроля состояния, защиты, диагностирования, связи с верхним уровнем общесамолетной системы управления;

б) питание выходной шины ЛЦУН напряжением 270 В осуществляется от первичной сети трехфазного переменного тока постоянной частоты 230/400 В через трансформаторновыпрямительное устройство. Повышенное напряжение первичной сети позволяет значительно снизить массогабаритные показатели ТВУ. Высокое напряжение на входе ЛЦУН обеспечивает более жесткую внешнюю характеристику ТВУ, что, в свою очередь, повышает динамические возможности электропривода;

Энергоузел: вторичная СЭС

Рис. 1. Структура энергоузла вторичной системы электроснабжения

в) питание выходной шины ЛЦУН напряжением 270 В осуществляется от первичной сети трехфазного переменного тока переменной частоты напряжением 115/200 В через управляемое трансформаторно-выпрямительное устройство (УТВУ). Первичная система распределения относится к так называемому «грязному току», т.е. СЭС выполняет функцию централизованного регулирования напряжения при отсутствии стабилизации частоты. Таким образом, частота в сети определяется режимом работы силовой установки. Переменная частота напряжения в первичной сети предъявляет особые требования к УТВУ. Проектирование этого устройства должно учитывать особенности режимов работы и рассчитываться на наихудший вариант, что приводит к снижению конструктивных характеристик ЛЦУН в целом;

г) питание выходной шины ЛЦУН напряжением 270 В осуществляется от первичной сети трехфазного переменного тока переменной частоты повышенным напряжением. Такая схема ЛЦУН обладает достоинствами структуры с повышенным напряжением постоянной частоты и недостатками схемы с переменной частотой;

д) питание выходной шины ЛЦУН напряжением 270 В осуществляется от первичной сети постоянного тока напряжением 27В через преобразователь. Такая схема организации ЛЦУН обеспечивает бесперебойное питание электроприводов в случае подключения к аварийной шине или шине двойного питания. Современные СЭС имеют аварийные источники ЭЭ (аккумуляторные батареи), которые подключаются параллельно к этим шинам. В то же время, наличие в тракте передачи электроэнергии дополнительного элемента, конвертора постоянного тока увеличивает массогабаритные характеристики устройства и снижает общие показатели надежности. Современные достижения в области статических электронных преобразователей позволяют выполнить устройства с более высокой мощностью и применять не индивидуально в каждом центре, а использовать как группу ЛЦУН. При этом набор функций защит, управления, диагностирования может быть реализован непосредственно в преобразователе;

Рис. 2. Структуры энергоузла

е) питание выходной шины ЛЦУН напряжением 270 В осуществляется от первичной сети постоянного тока повышенного напряжения 270 В через фильтр помех. Такая схема организации центра требует применения на борту воздушного судна первичной распределительной с требуемым уровнем напряжения. Состав элементов ЛЦУН в такой схеме является минимальным и функции устройства управления связаны только с контролем состояния ключевых элементов, напряжения входного фидера и работы фильтра.

Для сравнительного анализа структур ЛЦУН с целью формирования требований к элементам и структурам системе управления важно проведение математического моделирования нормальных динамических и аварийных режимов СЭС.

Исследование нормальных и ненормальных режимов работы ЛЦУН проводилось по результатам вычислительного эксперимента. В качестве объектов были выбраны выше описанные структуры организации локальных центров силового питания электроприводов. Элементом нагрузки ЛЦУН являлся бесконтактный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Система управления: регулятор скорости вращения, векторное управление электромагнитным моментом. Закон управления: пропорционально-интегральный.

Моделирование нормальных режимов осуществлялось для следующих условий: запуск двигателя, выход на заданную скорость вращения при действии возмущающего момента нагрузки. Питание ЛЦУН осуществлялось от сети переменного тока постоянной частоты с линейным напряжением 200 В. Инвертор управления двигателем получает напряжение 320 В через неуправляемый выпрямитель. Моделирование выполнялось с помощью программы Ма1ЬаЬ БтиНпк пакета SimPowerSistym. Структура модели приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структура модели

Экспериментальные исследования разработанного алгоритма контроля работоспособности и защиты канала генерирования на основе компьютерного моделирования дают возможность не только проверить правильность заложенных принципов, но и оценить перспективы повышения качества ЭЭ в ненормальном режиме.

Моделирование системы контроля осуществлялось с применением элементов логики и организацией временных задержек, имитирующих временные характеристики АЦП, микроконтроллера, ЦАП.

Интегральный сигнал контроля работоспособности в схеме моделирования управляет контактором входа ЛЦУН, т.е. осуществляет отключение, в случае аварийных режимов, входных каналов питания и выдает сигнал на подключение (переключение) исправного входного канала, а также выдает информацию об отказе данного входа. В работе проводились следующие вычислительные эксперименты:

• включение и отключение различных типов нагрузки, т.е. проверка работы системы контроля при нормальных коммутационных процессах;

• короткое замыкание.

В результате проведенных исследований были предложены различные структуры организации ЛЦУН силового питания электроприводов. Сформулированы требования к элементам центра управления нагрузкой. Разработаны алгоритмы защиты, управления и регулирования для цифрового устройства управления. Для оценки работоспособности предложенных технических решений было выполнено имитационное моделирование различных режимов работы вторичной системы электроснабжения.

На рис. 4-9 представлены результаты вычислительного эксперимента работы ЛЦУН при питании от сети переменного тока стабильного напряжения и частоты. Режим работы нагрузки определяется требованиями по выходу двигателя на заданную частоту вращения, стабилизации скорости и остановки при действии возмущающего момента на валу привода.

1

/ \

/ \

/ \

\

\

\

0,19 0,38 0,58 0,77 0,96 1,15 1,34 1,54 1, С 3

1

г

0,00 0,19 0,38 0,58 0,77 0,96 1,15 1,34 1,54 1, С

Рис. 4. Скорость вращения вала электропривода Рис. 5. Электромагнитный момент привода

и, в

290

285

280

275

270

265

260

255

250

\

0,2 0,4 0,6 0,8

1,2 1,4 1,6 и С

Рис. 6. Напряжение питания инвертора

Рис. 7. Напряжение питания выпрямителя

1

) /

/

0,00 0,19 0,38 0,58 0,77 0,96 1,15 1,34 1,54 *5 с 5 1,92

Рис. 8. Скорость вращения ЭМП

Рис. 9. Ток одной фазы ЭМП

Результаты компьютерного моделирования позволяют сделать вывод о том, что работа выпрямительного устройства и силового инвертора оказывает существенное влияние на показатели качества ЭЭ в первичной сети, более высокая частота переменного тока увеличивает время коммутации вентилей, что приводит к появлению в спектре выходного напряжения высокочастотных составляющих, которые могут оказывать негативное влияние на работу оборудования. Повышение величины входного напряжения ЛЦУН способствует расширению динамических способностей привода, снижению массогабаритных характеристик элементов, но в то же время требует повышения мер безопасности при обслуживании, применения особых средств для снижения негативных последствий при аварийных режимах.

Ключевым моментом в реализации концепции «Полностью электрического самолета» является создание электромеханических приводов. Для силового питания ЭМП систем управления полетом необходимо создание унифицированных энергоузлов вторичной системы электроснабжения на базе интеллектуальных локальных центров управления нагрузками.

Основными задачами ЛЦУН являются: управление подключением источников электрической энергии СГ; управление вторичными преобразователями электроэнергии; защита элементов системы преобразования и распределения от аварийных режимов; коммутация электрооборудования, подключённого к ЛЦУН; контроль и диагностика технического состояния систем

преобразования и распределения электроэнергии; обеспечение адаптивного управления структурой ЭЭК во взаимодействии с подсистемой ЦСУ ЭЭК верхнего уровня.

Предложены шесть вариантов типовых структур ЛЦУН, состав которых определяется в зависимости от первичной распределительной сети в соответствии с ГОСТ Р 54073-2010.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М.: Наука, 1978.

2. Володин В.В., Томилов Ю.М., Глухов Д. А. Анализ реализации концепции «полностью электрический самолет» на истребителе пятого поколения // Полет. - 2007. -№ 11.

3. Jones R.I. The more electric Aircraft: The past and the future? // The institution of Electrical Engineers. Priented and published by the IEE - Savoy Place, London, 1999.

4. Халютин С.П., Титов А.А. О некоторых разделах теоретической электротехники: монография. - М.: Изд-во ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2010.

5. Халютин С.П., Тюляев М.Л., Жмуров Б.В., Старостин И.Е. Моделирование сложных электроэнергетических систем летательных аппаратов. - М.: Изд-во ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2010.

MODELING OF WORK OF THE CENTERS OF A POWER SUPPLY OF ELECTRIC DRIVES OF

THE ALL ELECTRICAL AIRCRAFT

Zhmurov B.V., Matyushina A.V., Sokolov P.A.

The question of creation and design of local control centers of loading is considered for realization conception of all electrical aircraft. The results of simulation modes of the system power supply on board the aircraft are resulted.

Key words: fully electric plane, simulation, electrical power supply system.

Сведения об авторах

Жмуров Борис Владимирович, 1974 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2004), кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования (и метрологии) ВУНЦ ВВС, автор более 50 научных работ, область научных интересов - системы энергоснабжения летательных аппаратов.

Матюшина Анастасия Владимировна, окончила МГУ ПС (МИИТ) (2010), главный специалист ЗАО НПО «Мобильные информационные системы», автор 2 научных работ, область научных интересов

- системы энергоснабжения летательных аппаратов.

Соколов Петр Алексеевич, 1986 г.р., окончил МФПА (2009), старший инженер ЗАО НПО «Мобильные информационные системы», аспирант кафедры ЭиАО МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - системы энергоснабжения летательных аппаратов.