Система генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты для летательных аппаратов

• Автор: Макаров, Денис Владимирович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 171 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
1.1. История развития и классификация систем генерирования
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭПЕРГИИ
1.2. Системы генерирования электрической энергии переменного тока ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ
1.3. ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ И РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ
2.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОД АНАЛИЗА СИСТЕМЫ «МЭГ-ПП»
2.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ «МЭГ-ПП»
2.3. Расчет статических режимов в системе генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты
2.4. Методика расчета параметров генератора и преобразователя на заданную крейсерскую скорость
2.5. Выводы по второй главе
3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ
3.1. Особенности проектирования СГЭЭ переменного тока переменной ЧАСТОТЫ ПРИ НЕЯВНОПОЛЮСНОМ ТИПЕ синхронного генератора
3.2. Расчет энергетических показателей СГЭЭ с дополнительными магнитосвязанными катушками индуктивностей
3.3. Имитационная модель СГЭЭ. Алгоритм управления ПП. Результаты имитационного моделирования
3.4. Выводы ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ
4. ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В последние годы, рост мощности электроагрега-тов на борту летательных аппаратов сопровождался качественной модификацией, заключающейся в снижении требований к стабильности частоты переменного напряжения автономных систем электроснабжения [1]. Этот факт поспособствовал появлению новых технических решений в системах электропитания [2-3] и повышенному интересу к системам генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты. Эффективность систем генерирования с переменной частотой вращения вала генератора подтверждена большим количеством исследований [4] и реализованных проектов в ветроэнергетике [5]. Исключение механической системы, стабилизирующей частоту вращения вала генератора, в общем случае приводит к увеличению энергетической эффективности в среднем на 15-^20%. На борту летательного аппарата такое увеличение становится еще более актуальным, поскольку обеспечивает значимое снижение затрат на авиаперевозки.
Различные аспекты теоретического и практического плана построения систем генерирования и отдельных её элементов для автономных объектов нашли отражение в трудах И.И. Алексеева, В.Г. Андреева, Е.И. Беркович,
Н.И. Бородина, Д.Э. Брускина, Д.А. Бута, Ю.М. Быкова, А.Г. Гарганеева, Г.В. Грабовецкого, Б.С. Зечихина, В.В. Иванцова, Ю.М. Инькова, JI.K. Ковалева, Ю.И. Конева, Н.Т. Коробана, H.H. Лаптева, A.B. Левина, В.Л. Лотоцкого, И.И. Лукина, Б.В. Лукутина, Б.А. Майбородина, В. И. Мелешин, И.В. Нежданова, В.И. Радина, Э.М. Ромаша, Г.А. Сипайлова, Л.Е. Смольникова, Б.П. Соустина, Н.П. Старовойтовой, В.Е. Тонкаля, В.В. Филатова, С.А. Харитонова, В.А. Цишевского, Е.Е. Чаплыгина, М.М. Юхнина и многих других.
Наиболее современные достижения в самолетостроении реализовались в двух проектах, А-380 и В-787, разработанных ведущими зарубежными компаниями в этой отрасли промышленности. Хотя оба проекта символизируют принципиально противоположные тенденции развития авиации, тем не ме-
нее, несмотря на значительную разницу в концепциях, в обоих проектах отказались от использования систем электроснабжения постоянной частоты, где это постоянство обеспечивается гидромеханическими приводами-генераторами [6]. На борту обоих лайнеров используется система переменной частоты, где генераторы приводятся во вращение непосредственно от редуктора коробки самолетных агрегатов. Суммарная мощность каналов генерирования переменной частоты на борту А-380 достигает 600 кВА и 1 МВА на В-787 [7]. При этом удельная масса используемых генераторов фирмы НатШоп-ЗшкЕгапс! составляет примерно 0,5 кг/кВт (масса сухого генератора). Здесь также необходимо учесть, что для запуска маршевого двигателя, на борту В-787, используются два бортовых инвертора напряжения, мощностью по 150 кВт, которые следует учитывать при расчете удельных показателей всей системы. Поскольку в обоих проектах широко использованы мощные электромеханические приводы, то значительная доля мощности преобразовывается в высокое напряжение постоянного тока напряжением +/- 270В. По существу, на борту реализована централизованная вторичная система генерирования постоянного тока повышенного напряжения.
В отечественном самолетостроении (ББЛЮО, Ту-204СМ, Ил-96-300, Ан-148) пока придерживаются концепции построения централизованной системы генерирования с постоянной частотой переменного напряжения, где стабилизация осуществляется за счет интегрального привода-генератора, обладающего рядом существенных недостатков, прежде всего низкая надежность, высокая стоимость и необходимость обслуживания [8-10]. Кроме того, отечественные производители генераторов такого типа сталкиваются с серьезными затруднениями при разработке конструкции, рассчитанной на высокие обороты вращения вала. В итоге, основная часть систем генерирования построена на базе зарубежных генераторов, что явно расходится с экономическими программами развития. При этом нужно понимать, что попытки реализовать отечественные аналоги в качестве импортозамегцения потребуют существенных капиталовложений, с целью достижения характеристик систем генери-

2.1. Постановка задачи и метод анализа системы «МЭГ-ПП»
Анализ электромагнитных процессов в системе генерирования электрической энергии переменного тока переменной частоты на базе магнитоэлектрического генератора и полупроводникового преобразователя можно найти в ряде следующих работ [32-44]. Все они посвящены исследованиям процессов и режимов работы, связанных с работой синхронного генератора с постоянными магнитами и параллельно-подключенного нагрузке полупроводникового преобразователя.
Применение синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов при переменной скорости вращения влияет на статические режимы работы полупроводникового преобразователя. Изменение величины и частоты генерируемого напряжения СГ в широком диапазоне приводит к изменению режимов работы 1111. Изменениям подвержены энергетические характеристики и параметры электрической энергии, что очевидно должно повлиять на требования к параметрам и характеристикам полупроводниковых приборов и электромагнитных элементов всей системы генерирования.
Целью анализа является определение влияния параметров СГ, структуры ПП и режимов работы СГ и ПП на величину и качественные характеристики электрической энергии, генерируемой системой «МЭГ-ПП». В основу исследования заложен основной параметр режима работы СГ - двойной диапазон изменения частоты вращения, главным образом определяющий все энергетические характеристики системы в целом.
Рассматриваемый тип полупроводникового преобразователя основывается на классической структуре инвертора напряжения с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией, поскольку позволяет провести общий анализ электромагнитных процессов с точки зрения энергетических показателей, не углубляясь в особенности гармонического состава токов и напряжений при использовании другого типа преобразователя.