Перспективные системы электроснабжения самолета с полностью электрифицированным оборудованием

УДК 621.316: 621.314: 621.313: 629.7.062 А.Г. Гарганеев, С.А. Харитонов

Перспективные системы электроснабжения самолета с полностью электрифицированным оборудованием

Представлены результаты анализа систем электроснабжения для самолета с полностью электрифицированным оборудованием. Сформулированы требования к современным системам электроснабжения. Сделаны выводы о предпочтительном использовании систем генерирования энергии на основе магнитоэлектрических генераторов в сочетании с многоуровневыми активными выпрямителями и инверторами на MOSFET-модулях. Ключевые слова: самолет, летательный аппарат, система электроснабжения, магнитоэлектрический генератор, электропривод, полупроводниковый преобразователь.

Введение

Бортовые системы электроснабжения летательных аппаратов (ЛА) прошли путь от простейших систем постоянного тока напряжением 28 В на основе электрических машин постоянного тока и контакторных схем до систем смешанного электроснабжения постоянного (28 В, 270 В) и переменного тока (115 В, 400 Гц) на основе машин переменного тока с редкоземельными магнитами (РЗМ) и устройств силовой полупроводниковой электроники. История такого развития и перспективы отражены в трудах отечественных и зарубежных авторов [1—4]. Многие спрогнозированные авторами публикаций результаты воплотились на ряде современных ЛА (Boeing 757, Airbus A-380, F-22 Raptor, F-35, Су-35).

Ряд «традиционных» разновидностей систем электроснабжения (по роду тока и напряжения первичных систем) получен путем комбинирования в различных сочетаниях четырех основных типов систем:

1) постоянного тока низкого напряжения 28 В;

2) постоянного тока среднего напряжения 112 В;

3) переменного трехфазного тока переменной частоты;

4) переменного трехфазного тока 115/200 В постоянной частоты 400 Гц с приводом постоянной скорости (ППС).

В настоящее время находит применение система переменного трехфазного тока 115/200 В постоянной частоты 400 Гц с полупроводниковым преобразователем - преобразователем частоты (ПП или ПЧ). Перспективной считается система постоянного тока высокого напряжения ±270 В.

Одним из преимуществ системы постоянного тока с напряжением 28 В является использование генератора в качестве стартера и относительно простая организация параллельной работы. Однако в остальном развитие такой системы ограничено рядом причин. При требуемом увеличении мощности (более 20 кВт) слишком возрастает вес проводов; возрастание высотности ограничено коммутационной способностью щеточно-коллекторного узла, а частоты вращения - деформацией коллектора и, как следствие, ухудшением коммутации. Потребители, требующие переменного напряжения, питаются по «вторичной» системе через автономные инверторы и электромеханические преобразователи [2].

Система постоянного тока с напряжением 112 В в основном аналогична системе «28 В». Поскольку много бортовых потребителей требует напряжение 28 В, то такая система фактически является смешанной.

Преимущества генераторов переменного тока состоит в том, что в одном агрегате при тех же габаритах и весах можно получить значительно более высокие мощности по сравнению с генераторами постоянного тока. Конструктивно нагруженные якорные обмотки в генераторах переменного тока располагаются на статоре снаружи, в отличие от генераторов постоянного тока, где обмотка якоря расположена на роторе, а потому хуже охлаждается. При применении в качестве возбудителя генератора ротора с РЗМ потери в роторе и контактные кольца отсутствуют. Постоянная частота в системах получается при помощи механического ППС, что увеличивает габариты и вес системы электроснабжения.

В системе переменного трехфазного тока 115/200 В постоянной частоты 400 Гц с ПП в качестве последнего изначально использовались циклоконверторы - полупроводниковые тиристорные коммутаторы переменного тока (самолет В-1, циклоконвертор фирмы Gen-

eral Electric мощностью 150 кВА; F-18 ВМС США, General Electric мощностью 300 кВА и т.д.) [2, 4]. С развитием элементной базы силовых полупроводников появилась возможность замены циклоконверторов на транзисторные ПЧ. Это обстоятельство позволяет делать систему электроснабжения более гибкой, надежной и управляемой.

Системы генерирования с полупроводниковыми преобразователями

Рассмотрим системы генерирования при следующей классификации:

- системы генерирования постоянного тока:

низкого напряжения (28,5 В); высокого напряжения (±270 В);

- системы генерирования переменного тока:

постоянной частоты (115 В, 400 Гц);

переменного тока переменной частоты (115 В, f = var).

В свете концепции самолета с полностью электрифицированным оборудованием (СПЭО) к системам генерирования электрической энергии (СГЭЭ) за основу должны быть взяты следующие принципы:

1) СГЭЭ должны по возможности работать в режимах генерирования и электростар-терного запуска первичного двигателя;

2) в режиме генерирования СГЭЭ должны обеспечивать работу на нелинейную, несимметричную и нестационарную нагрузку практически без ограничений по её величине;

3) СГЭЭ должны иметь возможность реализовать синфазную и параллельную работу каналов генерирования, включая возможность параллельной работы с аварийными (дополнительными) системами генерирования, а также со стационарными источниками электрической энергии типа аэродромных источников электропитания;

4) аварийные системы генерирования должны иметь возможность использования авторотационного режима работы первичных двигателей;

5) каждая из систем генерирования должна обеспечивать работоспособность при неработающих других системах генерирования;

6) должна быть предусмотрена возможность передачи электрической энергии от одной системы генерирования к нагрузкам другой системы, обмен электроэнергией должен быть обеспечен независимо от рода электрического тока («принцип построения гибких систем электроснабжения») - внутреннее схемотехническое резервирование;

7) системы электроснабжения должны быть «открытыми программно и аппаратно», с унифицированными интерфейсами, давая возможность к совершенствованию каждого из элементов системы;

8) с точки зрения технико-экономических показателей, включая минимизацию технологического обслуживания, желательна схемотехническая унификация СГЭЭ (даже между системами постоянного и переменного тока);

9) наличие встроенного автоматического предполетного и полетного контроля с целью определения состояния элементарной конструктивной единицы; ведение протокола состояния системы с возможной передачей информации через телекоммуникационные каналы;

10) прогнозирование отказов и рабочего ресурса систем в целом и наиболее важных конструктивных блоков, включая аккумуляторные батареи (АБ).

Поставленным требованиям максимально удовлетворяет СГЭЭ, функциональная схема которой приведена на рис. 1. Далее такие системы назовем «синхронный генератор - полупроводниковый преобразователь» («СГ-ПП»). В состав такой системы входит синхронный генератор (СГ) с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрический генератор - МЭГ) с РЗМ и ПП, на который возлагаются функции по обеспечению качественных показателей электрической энергии. При этом ПП может быть включен как последовательно с СГ, так и параллельно. Структуры ПП могут быть самыми разнообразными [5-8].

верхнего уровня

Рис. 1. Функциональная схема системы генерирования электрической энергии типа «СГ-ПП»

СГ—ПП постоянного тока напряжения 28,5 В. Некоторые из возможных функциональных схем таких систем приведены на рис. 2.

Общими элементами для этих систем являются АБ, «молекулярный» конденсатор (МК), а также система мониторинга состояния АБ. МК необходим для компенсации провалов и всплесков на зажимах АБ при наличии динамических импульсных нагрузок. Следует отметить, что ПП может обеспечить быстрый заряд МК. Следует также отметить, что роль МК может выполнять топливный элемент, конструктивно расположенный в турбине ЛА.

Мег = var; ув

К системе управления верхнего уровня

АВН

исг = var; f = var

МЭГ

TN

+28.5B

+28.5B

«2

H

Система управления

АБ

МК _

Система мониторинга АБ

тг

К системе управления верхнего уровня

а б

Рис. 2. Системы генерирования постоянного тока низкого напряжения: а - с УВ; б - с АВН

На рис. 2, а представлена схема, где функции ПП выполняет управляемый выпрямитель (УВ). Достоинствами схемы являются:

- высокая перегрузочная способность и, как следствие, высокая надежность;

- относительно невысокая масса полупроводниковых элементов;

- высокая стойкость к специальным воздействиям;

- большой рабочий ресурс;

- относительно высокое значение коэффициента полезного действия;

- простота построения системы управления;

- полная унификация с системами постоянного тока высокого напряжения;

- возможность обеспечения параллельной работы с другими каналами генерирования постоянного тока.

К недостаткам такой системы можно отнести:

- слабую унификацию с системами переменного тока;

- невозможность обеспечения электростартерного запуска;

- неэффективное использование СГ за счет низкого значения коэффициента мощности и несинусоидальной формы тока УВ;

- относительно большие массу и габариты конденсаторов фильтра, что объясняется необходимостью подавления неканонических гармоник и низким быстродействием преобразователя.

На рис. 2, б представлена схема СГЭЭ, где функции ПП выполняет активный выпрямитель напряжения (АВН), выполненный по модульному принципу на транзисторах типа MOSFET. Эта схема позволяет повышать напряжение, что дает ей возможность работы с низковольтными генераторами. Кроме этого, данная схема может работать от многофазного СГ с потреблением синусоидального по форме тока по каждой фазе, что позволяет расщепить фидер между СГ и ПП, снизив тем самым токовую нагрузку на единичный провод. Достоинства схемы:

- высокое значение коэффициента полезного действия;

- высокое использование СГ при коэффициенте мощности, равном единице;

- возможность режима электростартерного запуска;

- схемотехнические решения могут быть унифицированы для всех типов систем генерирования постоянного и переменного тока;

АВТ

исг = var: {= var

+28.5В

+28.5В

I

- применение 1РМ-модулей (интеллектуальных силовых модулей) позволяет минимизировать массу и габариты;

- высокое быстродействие, достигаемое за счет высокочастотной ШИМ и параллельных каналов, позволяет устранить всплески и провалы генерируемого напряжения при работе на импульсную и динамическую нагрузки;

- хорошие массогабаритные показатели конденсаторов фильтра;

- возможность параллельной работы с другими каналами генерирования постоянного тока и, как следствие, высокая надежность;

На рис. 3 представлена схема СГЭЭ, где функции ПП выполняет активный выпрямитель тока, выполненный по модульному принципу на MOSFET. Эта схема понижает напряжение и также дает возможность работать от многофазного СГ с потреблением синусоидального по форме тока по каждой фазе, что позволяет расщепить фидер между СГ и ПП, снизив токовую нагрузку на единичный провод. Достоинства схемы те же, что и для схемы на рис. 2, б, однако на малых напряжениях она имеет самый низкий из рассмотренных схем коэффициент полезного действия и на зажимах СГ параллельно входу преобразователя должны быть включены конденсаторы.

Таким образом, наиболее перспективными следует признать схему на базе АВН (см. рис. 2, б), как максимально отвечающие требованиям к данному классу систем. При высоких токовых нагрузках, предпочтение следует отдать схеме на базе УВ (см. рис. 2, а).

СГ—ПП постоянного тока напряжения 270 В. Бортовая сеть ±270 В наиболее приемлема для исполнительных механизмов с электроприводом переменного тока, а также для согласования с системами электроснабжения переменного тока с величинами напряжения 220 и 115 В. Для данных систем наиболее интересны схемы, приведенные на рис. 4. Система на базе УВ (рис. 4, а) имеет те же достоинства и недостатки, что и схема по рис. 2, а (соответственно схема по рис. 4, б - фактически аналог схемы 2, б).

Г МК

АБ

Система мониторинга АБ

К системе управления верхнего уровня

Рис. 3. Система генерирования постоянного тока с АВТ

исг = var; {= var

исг = var; {= var

МЭГ

NN

»2

Система управления

К системе управления верхнего уровня

К системе управления верхнего уровня а б

Рис. 4. Системы генерирования постоянного тока высокого напряжения

СГ-ПП переменного тока стабильной частоты 400 Гц напряжения 115 В.

Схемы систем генерирования переменного тока стабильной частоты 400 Гц напряжения 115 В с использованием АВН, АВТ и инверторов представлены на рис. 5, а, б. С точки зрения схемотехнической реализации эти схемы наиболее просты и надежны, хотя и имеют несколько частных недостатков:

- фидер от СГ до ПП должен быть относительно высоковольтным;

- форма тока, отбираемого от СГ, отлична от синусоидальной;

Рис. 5. Системы генерирования переменного тока стабильной частоты 400 Гц напряжения 115 В Схема на рис. 5, б обладает лучшим качеством генерируемого напряжения.

В схеме на рис. 5, в введен повышающий преобразователь-конвертор (К), что позволяет снизить напряжение СГ. Однако такое схемотехническое решение приводит к снижению коэффициента полезного действия.

Схемы, приведенные на рис. 5, г - е, принципиально позволяют работать с относительно низковольтным СГ (125^250 В), обеспечивают режим электростартерного запуска, а также обеспечивают синусоидальность потребляемого тока. Наилучшими параметрами обладает схема на рис. 5, д. Она удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к СГЭЭ. Одним из главных её достоинств является возможность унификации со схемами других видов СГЭЭ.

СГ-ПП переменного тока переменной частоты (115 В, 360^720 Гц

При наличии на борту ЛА нагрузок, некритичных к изменению частоты генератора ввиду изменения режима работы авиадвигателя, может быть использована СГЭЭ, построенная на базе МЭГ (рис. 6).

В основе идеи регулирования (стабилизации) выходного напряжения МЭГ при изменении частоты вращения вала генератора и сопротивления нагрузки лежит возможность создания дополнительного по-токосцепления, направленного по продольной оси «d» генератора и создаваемого током ПП. Данный ток может формироваться как в основной (рабочей) обмотке, так и в специальной трехфазной обмотке возбуждения, «довозбуждая» или «развозбуждая» МЭГ.

Заключение

В современных бортовых СГЭЭ предпочтительно использовать схемы с использованием АВН и многоуров-невых инверторов. На базе этих схем может быть построен практически любой вариант реализации функций СГЭЭ. Наилучшими характеристиками обладают схемотехнические решения на базе многоуровневого инвертора напряжения на MOSFET-модулях.

Следует также отметить, что важнейшей функцией любой бортовой системы электроснабжения является защита и коммутация сетей и потребителей электроэнергии. Для сети постоянного тока 270 В это весьма актуальная задача, поскольку известно, что коммутация постоянного тока в условиях высотности имеет ряд трудностей [2]. Средства интеллектуальной силовой электроники уже на уровне АВН и инверторов позволяют организовать защиту фидеров вторичной распределительной сети, к которым подключаются бортовые потребители, а при возникновении короткого замыкания на данном участке обеспечить его локализацию. В связи с этим СГЭЭ должна обладать функцией встроенного контроля состояния нагрузок при обеспечении взаимодействия с мультиплексной системой управления нагрузками.

Литература

1. Брускин Д.Э. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием. Сер. Электрооборудование транспорта. - Т. 6 / Д.Э. Брускин, С.И. Зубакин. - М.: ВИНИТИ, 1986. - 108 с.

2. Злочевский В.С. Системы электроснабжения пассажирских самолетов. - М.: Машиностроение, 1971. - 376 с.

3. Moir I. Aircraft Systems: Mechanical, electrical, and avionics subsystems integration, Third Edition / I. Moir, A.Seabridge. - John Wiley & Sons, Ltd., 2008. - 504 р.

4. Moir I. Military Avionics Systems/ I. Moir, A. Seabridge. - John Wiley & Sons Ltd.: 2006. - 520 р.

5. Берестов В.М. Алгоритм управления многоуровневым инвертором напряжения/ В.М. Берестов, С.А. Харитонов // Электротехника. - 2006. - № 10. - С. 41-45.

Рис. 6. Функциональная схема системы генерирования переменного тока переменной частоты

6. Бородин Н.И. Анализ электромагнитных процессов в системе «магнитоэлектрический генератор-циклоконвертор» / Н.И. Бородин, С.А. Харитонов // Научный вестник НГТУ. - 2003. - № 1 (14). - С. 113-150.

7. Бородин Н.И. Алгоритмы управления и электромагнитные процессы в системе генерирования переменного тока с синхронным генератором и активным выпрямителем / Н.И. Бородин, А.А. Стенников, С.А. Харитонов // Техшчна електродинамша. Тематический выпуск. Силова електронша та енергоефектившсть. - Ктв, 2004. - Ч. 2. -С. 47-54.

8. Результаты разработки системы генерирования электрической энергии типа «переменная скорость - постоянная частота» на базе синхронного генератора и инверторов напряжения / А.В. Левин, М.М. Юхнин, Э.Я. Лившиц и др. // Силовая интеллектуальная электроника. - 2007. - № 1 (7). - С. 17-21.

Гарганеев Александр Георгиевич

Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. электронных средств автоматизации и управления ТУСУРа

Тел.: (382-2) 41-47-69

Эл. почта: garganeev@rambler.ru

Харитонов Сергей Александрович

Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. промышленной электроники НГТУ

Тел.: (383-2) 46-08-64

Эл. почта: Kharit@ntcom.ru

A. G. Garganeev, S.A. Kharitonov

Promising Electric Power Supply Systems for All-Electric Aircrafts

The results of all-electric aircraft power supply system analysis are presented in this paper. The requirements for modern aircraft electric power supply system were defined. It was concluded that the power generation system comprising a permanent-magnet generator with a multilevel active rectifier and inverter based on the MOSFET modules is preferable to be used.

Keywords: aircraft, power-supply system, magneto-electric generator, electric drive, semiconductor converter.

Доклады ТУСУРа, № 2