Разработка и исследование статических трехфазных преобразователей вторичных систем электроснабжения летательных аппаратов на основе ресурсо- и энергосберегающих принципов построения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Коняхин Вячеслав Сергеевич

• Коняхин Вячеслав Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Коняхин Вячеслав Сергеевич

Введение

1 Место трехфазных статических преобразователей в системах электроснабжения летательных аппаратов и предъявляемые к ним требования

1.1 Первичные системы электроснабжения летательных аппаратов

1.2 Вторичные системы электроснабжения летательных аппаратов

1.3 Критерии проектирования бортовых статических преобразователей

1.4 Требования к бортовым статическим преобразователям

1.5 Обоснование необходимости развития бортовых трехфазных инверторов

1.6 «Прямое» и двойное преобразование

Выводы к главе

2 Анализ работы трехфазного инвертора напряжения, состоящего из трех однофазных мостов, в аварийных режимах работы

2.1 Структурная организация трехфазного преобразователя

с питанием каждой фазы от собственного конвертора

2.2 Режимы работы силовой части исследуемого ТИН с ПВЧП

2.3 Построение модели для компьютерного имитационного моделирования

2.4 Методика анализа процессов при межфазных замыканиях

2.4.1 Процессы при двухполярном формировании выходного напряжения инверторной ячейки

2.4.2 Процессы при однополярном формировании выходного напряжения инверторной ячейки

2.5 Процессы при ШИМ-формировании выходного напряжения инверторных ячеек во время межфазного замыкания

2.6 Методы борьбы с эффектом «накачки»

Выводы к главе

3 Исследование процессов и свойств преобразователя на основе двухканального инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта в бортовых системах электроснабжения

3.1 Схема Скотта и её применение в современной электроэнергетике

3.2 Использование схемы Скотта в авиационной преобразовательной технике

3.3 Автотрансформаторная схема Скотта

3.4 Методика расчета автотрансформаторной схемы Скотта при применении в качестве узла для формирования силовой нейтрали

3.4.1 Расчет габаритных мощностей автотрансформаторной схемы Скотта

3.4.2 Влияние сопротивления обмоток на формирование трехфазной системы напряжений

3.5 Определение параметров автотрансформаторной схемы Скотта при подключении к двухфазной системе напряжений синусоидальной

формы

3.6 Структурная организация ТИН на основе двухканального инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта

3.7 Компьютерное моделирование процессов ТИН на основе двухканального инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта

3.7.1 Стабилизация выходного напряжения при изменении нагрузки

3.7.2 Исследование процессов преобразователя в динамических режимах

3.7.3 Исследование процессов в структуре при коротких замыканиях

3.8 Исследование влияния параметров преобразователя на эффект нарастания напряжения в звене постоянного тока при коротких замыканиях

3.9 Параметры фильтра переменного тока инвертора

Выводы к главе

4 Особенности проектирования альтернативного варианта преобразователя на базе трехфазного мостового инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта

4.1 Варианты и анализ возможных преобразовательных структур, построенных по схеме трехфазного моста

4.2 Трехфазный мостовой инвертор с автотрансформаторной схемой Скотта

4.3 Схема управления трехфазного моста со схемой Скотта по мгновенному значению выходного напряжения

4.3.1 Описание системы управления преобразователя

4.3.2 Моделирование трехфазного моста с автотрансформаторной схемой Скотта с пофазным регулированием

4.4 Сравнение массогабаритных показателей трехфазного мостового инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта и инвертора

с разделительными конденсаторами

4.5 Исследование аварийных режимов трехфазного моста

с автотрансформаторной схемой Скотта

4.5.1 Анализ процессов в трехфазном мостовом инверторе

с автотрансформаторной схемой Скотта при коротких замыканиях

4.5.2 Анализ процессов в трехфазном мостовом инверторе

с автотрансформаторной схемой Скотта при обрыве фазной нагрузки

4.6 Фильтр переменного тока трехфазного мостового инвертора

Выводы к главе

5 Практическая реализация трехфазного инвертора напряжения со структурой трех однофазных мостов с промежуточным высокочастотным звеном постоянного тока

5.1 Структура разрабатываемого преобразователя и технические требования

5.2 Особенности реализации преобразователя ПТС-800БМВ

5.2.1 Силовая часть преобразователя

5.2.2 Схема управления инверторной частью преобразователя

5.2.3 Конструкция разработанного устройства

5.3 Способ устранения постоянной составляющей выходного трехфазного напряжения

5.4 Реализация модульного принципа при разработке бортовых

преобразователей нового поколения

Выводы к главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К

Приложение Л

Приложение М

Приложение Н

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование статических трехфазных преобразователей вторичных систем электроснабжения летательных аппаратов на основе ресурсо- и энергосберегающих принципов построения»

Актуальность работы

Постоянный рост энерговооруженности и интеллектуализации современного летательного аппарата (ЛА) является устойчивым стимулом развития авиационного электротехнического оборудования. На ЛА растет число устройств с силовыми и информационными функциями, которые для своего функционирования требуют соответствующего электропитания. Поэтому возрастающие требования к качеству и надежной работе бортового оборудования ЛА требуют повышенного внимания к проектированию электроэнергетического комплекса, обеспечивающего электроснабжение потребителей. Требования потребителей электроэнергии с одной стороны, и вид первичной системы генерирования с другой стороны, в значительной степени определяют состав и структуру электроэнергетического комплекса ЛА. Соответствие между первичной системой генерирования (СЭС) и разнообразием вида и качества электропитания потребителей, удовлетворяется наличием на борту летательного аппарата вторичной системы электроснабжения.

Ряд потребителей, например радиолокационное оборудование, оборудование радиосвязи, навигационные комплексы, системы автоматического управления требуют обязательного наличия переменного напряжения стабильной частоты во всех режимах полета, поэтому вторичная система электроснабжения каждого современного летательного аппарата включает в себя канал стабильной частоты. Основой такого канала сегодня, как правило, являются статические инверторы, преобразующие постоянное напряжение 27 В в одно- или трехфазное переменное напряжение 115 В частотой 400 Гц.

Достижения в области преобразовательной техники, и, прежде всего бортовой, в первую очередь связаны с именами известных инженеров-ученых Ю.И. Конева, В.С. Моина, Н.Н. Лаптева, В.А. Цишевского, И.А. Войтовича, Е.В. Машукова, Г.С. Мыцыка, С.А. Харитонова, Е.Е. Чаплыгина, В.И. Мелешина,

С.Ф. Коняхина, А.В. Лукина и многих других. Общие вопросы проектирования преобразователей электроэнергии, и в частности, инверторов и способов их управления, подробно рассмотрены в книгах [1-37] и статьях [38-62]. Основной особенностью создания трехфазных инверторов напряжения (ТИН) на современном уровне, определяющей подход к их проектированию, является минимизация массогабаритных показателей при максимально возможном коэффициенте полезного действия (КПД) в заданных условиях охлаждения. Кроме того, одним из важнейших требований к ТИН, входящему в состав бортового электроэнергетического комплекса, является повышенная надежность и его безотказность в условиях аварий, связанных с выходом из строя распределительной сети, потребителей, либо первичной системы генерирования.

При отказе первичной системы генерирования единственным источником электроэнергии на борту летательного аппарата становится аккумуляторная батарея. В аварийных режимах именно статические инверторы, подключенные к аккумуляторам, обеспечивают электропитание жизненно важных потребителей переменного тока.

Распространенными причинами аварийных ситуаций являются короткие замыкания (КЗ), вызванные выходом из строя системы транспортирования электроэнергии или ее потребителей. Такого рода аварии приводят к режимам, которые характеризуются тяжелыми тепловыми режимами системы электроснабжения, длительное нахождение в них может привести к выходу из строя ее компонентов.

Работа инвертора в аварийном режиме заключается в сохранении работоспособности в течение времени, необходимого аппаратуре коммутации и защиты для идентификации и селективного отключения поврежденного участка, что позволяет предотвратить развитие аварийной ситуации и создать условия, при которых отказ вышедшей из строя нагрузки не будет влиять на работу других потребителей электроэнергии. Анализ методов защиты инверторов показывает, что наиболее распространенным способом является удержание выходного тока на некоем максимально допустимом стандартом уровне [63], в течение времени,

достаточным для срабатывания устройств селективной защиты. Однако данные по отказам инверторов по результатам эксплуатации и испытаний опытных образцов показывают, что только токовой защиты во многих случаях недостаточно. Аварийный режим, связанный с фазным замыканием, как правило, не нарушает логику работы инвертора в системе электроснабжения, и инвертор благополучно отрабатывает заданное время работы при аварии, и после отключения устройствами защиты поврежденной нагрузки питание исправных нагрузок продолжается. В то же время, при межфазных коротких замыканиях инвертор может выйти из строя. В связи с этой особенностью возникает необходимость создания специальных защит инверторных ячеек, позволяющих повысить надежность преобразователя.

Определить структуру защиты можно только после изучения особенностей протекания электромагнитных процессов в инверторах при нормальных и аварийных режимах работы. Большое количество исследований [4, 64-69] посвящено защите полупроводниковых приборов преобразователей и источников питания в аварийных ситуациях. Но в этих работах не рассматриваются процессы развития аварийной ситуации с учетом взаимного влияния инверторных ячеек. При межфазных замыканиях, несмотря на корректное функционирование токовых защит, построенных в соответствии с принятыми в рассмотренной литературе допущениями, происходят отказы инверторных ячеек до срабатывания устройств селективной защиты. Кроме того, как показывают испытания опытных образцов, отказы силовых ключей могут вызываться причинами, не связанными ни с токовыми перегрузками, ни с их перегревом.

Разработка и проектирование ТИН, являющегося неотъемлемой частью системы электроснабжения каждого современного ЛА, представляет собой достаточно сложную системную, многокритериальную задачу, учитывающую взаимодействие всех подсистем и нагрузок. Непрерывное совершенствование бортовой электроэнергетической аппаратуры и статических преобразователей, являющихся системообразующими элементами вторичной СЭС, в частности, поиск новых структур и топологий их силовой части, следует считать актуальной

задачей. Помимо этого, задача исследования электромагнитных переходных процессов при КЗ, а также задача поиска или создания методов и алгоритмов защиты, позволяющих своевременно предупреждать отказы инверторов и обеспечивающих нормальный режим работы устройств селективной защиты бортовой сети, также, безусловно, является актуальной.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка трехфазных преобразователей напряжения вторичных СЭС ЛА нового поколения с улучшенными электроэнергетическими и массогабаритными показателями.

Для достижения сформулированной цели в работе решаются следующие научные задачи:

1) на основе систематизации, классификации и анализа выявить структуры трехфазных инверторов напряжения, удовлетворяющие требованиям бортовых систем электроснабжения и тенденциям развития;

2) исследовать особенности и перспективы применения в разработках современных ТИН вторичных систем электроснабжения ЛА принципа промежуточного высокочастотного преобразования (ПВЧП);

3) исследовать особенности работы ТИН СЭС ЛА при несимметричной нагрузке, и, при необходимости, разработать новые, более эффективные решения по созданию силовой нейтрали образованной трехфазной системы напряжений в сравнении с известными методами.

4) на основе исследования работы ТИН с ПВЧП в нормальных и аварийных режимах (КЗ и обрывы нагрузки) в составе вторичных СЭС ЛА, выявить возможные опасные явления, причины их возникновения и разработать схемотехнические меры для их минимизации или полного устранения;

5) проверить на практике реализуемость и эффективность предложенных в работе технических решений испытаниями опытных образцов преобразователя с ПВЧП в условиях эксплуатации на борту ЛА.

Объект исследования

Объектом исследования является бортовой статический трехфазный инвертор напряжения - системообразующий элемент вторичной системы электропитания современных самолетов и вертолетов.

Предмет исследования

Структурно-алгоритмическая организация схемотехнических решений и имитационные модели функционирования трехфазных инверторов напряжения вторичных систем электроснабжения ЛА.

Методы исследования

При решении поставленных задач в работе использованы методы теории электротехники и электрических цепей, методы математического анализа, методы теории автоматического управления, имитационное компьютерное моделирование в пакетах программ OrCAD 9.2 и Мюго-САР 9. Экспериментальные исследования проводились на опытных образцах трехфазного статического преобразователя ПТС-800БМВ мощностью 800 ВА и макетных образцах автотрансформаторов.

Научная новизна результатов исследования, полученных лично автором:

1) На основе опыта разработки и внедрения нового поколения трехфазных преобразователей СЭС ЛА с ПВЧП подтверждена их эффективность по критериям ресурсо- и энергосбережения.

2) Впервые обнаружено, исследовано и дано модельное описание явления неконтролируемого роста напряжения в звене постоянного тока инверторных ячеек при линейных КЗ в ряде структур ТИН с ПВЧП, имеющих многоканальное преобразование, обусловленное отсутствием возможности межфазного энергетического взаимообмена.

3) Предложено и исследовано на основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) применение в силовой структуре ТИН с ПВЧП

автотрансформаторной схемы Скотта в качестве средства формирования силовой нейтрали выходной трехфазной системы напряжений. Предложена методика расчета автотрансформаторной схемы Скотта на базе требований к качеству электроэнергии на борту ЛА.

4) Предложена структура ТИН с ПВЧП с трехфазным мостовым инвертором (ТМИ) и автотрансформаторной схемой Скотта для создания силовой нейтрали. В сравнении с альтернативными вариантами показано преимущество данного решения по критериям и требованиям, предъявляемым со стороны СЭС ЛА, в которой отсутствует неконтролируемое нарастание напряжения при межфазных КЗ.

Достоверность научных результатов

Достоверность научных результатов достигается строгим следованием положений теории электротехники, применением имитационного компьютерного моделирования, подтверждающего основные теоретические положения работы, а также сходимостью электромагнитных процессов при теоретическом и экспериментальном исследовании.

Практическая значимость заключается в следующем:

1) Полученные результаты анализа и исследования альтернативных структур ТИН вторичных СЭС ЛА целесообразно использовать при разработке соответствующей аппаратуры нового поколения. Сформулированы рекомендации по выбору структур ТИН с ПВЧП вторичных СЭС ЛА.

2) Разработана методика исследования аварийных режимов в структурах ТИН с ПВЧП на основе использования возможностей ИКМ и даны рекомендации по их структурному синтезу, позволяющие реализовать способы защиты при межфазных КЗ.

3) Созданы имитационные компьютерные модели преобразователей, предназначенные для решения задач при проектировании бортовых источников питания, направленных на дальнейшее их совершенствование.

4) На основе проведенного теоретического и экспериментального исследования показана принципиальная возможность создания бортовых ТИН со структурой трехфазного моста с использованием автотрансформаторной схемы Скотта для организации силовой нейтрали. Проведенный анализ позволяет утверждать, что на сегодняшний день преобразователь, построенный по такой структуре, может иметь минимальные массогабаритные показатели и удовлетворять всем требованиям, предъявляемым со стороны СЭС ЛА. Результаты данного исследования вносят вклад в развитие силовой электроники, преобразовательной техники и бортовой электроэнергетики.

5) Результаты исследований легли в основу разработки и последующего серийного выпуска статического преобразователя нового поколения ПТС-800БМВ, предназначенного для замены устаревшего преобразователя мощностью 800 ВА.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) обоснование целесообразности применения промежуточного высокочастотного преобразования при разработке ТИН вторичных СЭС ЛА нового поколения;

2) полученные на основе предложенной методики результаты исследования неконтролируемого нарастания напряжения в цепях питания инверторной ячейки при межфазных КЗ и способы борьбы с ним в ТИН вторичных СЭС ЛА, выполненном по структуре трех однофазных мостов, сдвинутых по фазе на 120°;

3) методика расчета автотрансформаторной схемы Скотта при её применении в качестве узла для формирования силовой нейтрали;

4) результаты разработки новых структур ТИН с ПВЧП применительно к требованиям бортовых СЭС, их сопоставительный анализ на основе ИКМ и рекомендации по их применению;

5) результаты экспериментальных исследований опытных образцов ТИН с ПВЧП.

Личный вклад автора заключается в:

1) проведении систематизации и классификации структур ТИН для разработки статических преобразователей вторичных СЭС ЛА нового поколения;

2) обосновании целесообразности применения принципа ПВЧП в новых разработках ТИН вторичных СЭС ЛА;

3) разработке имитационных компьютерных моделей, позволяющих анализировать и исследовать электромагнитные процессы в ТИН с ПВЧП;

4) создании методики исследования эффекта нарастания напряжения в звене постоянного тока в структурах ТИН с ПВЧП при межфазных КЗ, выполненном по структуре трех однофазных мостов, сдвинутых по фазе на 120°;

5) разработке и исследовании электромагнитных процессов новой структуры ТИН с ПВЧП, использующей автотрансформаторную схему Скотта для формирования выходной нейтрали выходных цепей, отличающейся улучшенными массогабаритными показателями в сравнении с альтернативными вариантами.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении опытно-конструкторских работ (оформлены Акты внедрения) по разработке преобразователей ПТС-800БМВ, ПТС-900, ПОС-1000В, ПОС-200 в ОАО «АКБ «Якорь» (г. Москва).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях:

1) Всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы электропитания» (Москва 2011 г.);

2) Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2012 г, 2013 г.);

3) научно-технической конференции «Перспективы развития авиационного оборудования и агрегатов» (Москва, 2012 г.);

4) Всероссийской научно-технической конференции по средствам электропитания «Электропитание-2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, 7 из которых размещены в изданиях, рекомендованных ВАК, в том числе 5 патентов на полезную модель, из них 3 внедрены (акты внедрения приведены в Приложении Н).

15

Глава 1

МЕСТО ТРЕХФАЗНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В

СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ

1.1 Первичные системы электроснабжения летательных аппаратов

На всех традиционных объектах авиационной техники - самолетах и вертолетах - используются первичные системы электроснабжения (СЭС I) трех типов:

1) система электроснабжения постоянного тока напряжением 27 В;

2) система переменного трехфазного тока постоянной частоты 400 Гц напряжением 115/200 В;

3) система переменного трехфазного тока нестабильной частоты 320...640 Гц напряжением 115/200 В.

Имеет место также комбинированная система с первичными источниками постоянного и переменного тока.

Методы выбора и проектирования, достоинства и недостатки разных видов систем электроснабжения подробно изложены в [70-78].

Потребители электроэнергии, входящие в состав различных бортовых систем, могут иметь разные требования к виду и качеству электропитания, (род тока, напряжение, частота, фазность, стабильность, уровень пульсаций и т. д.) отличные от параметров СЭС I любого типа. Эти требования удовлетворяются наличием на борту ЛА вторичной системы электроснабжения (СЭС II). Состав и структура СЭС II в значительной степени определяются требованиями потребителей, а также видом и организацией первичной системы генерирования. СЭС II является нагрузкой по отношению к СЭС I и должна обеспечивать должное качество потребления электроэнергии. Меры обеспечения качества потребления достаточно подробно приведены в [81, 82].

Системообразующими элементами вторичной системы электроснабжения современных ЛА являются полупроводниковые статические преобразователи электроэнергии. Как было сказано выше, наличие на борту потребителей электроэнергии переменного тока (например, радиолокационное, радиосвязное и навигационное оборудование, различные системы автоматического управления и прочее) требует обязательного наличия переменного напряжения стабильной частоты во всех режимах полета. По этой причине независимо от типа первичной системы генерирования электроэнергии вторичная система электроснабжения каждого современного летательного аппарата включает в себя одно- или трехфазный канал стабильной частоты 400 Гц, с напряжением 115 В. Таким образом, инверторы напряжения являются неотъемлемой частью электроэнергетического комплекса каждого современного летательного аппарата.

1.2 Вторичные системы электроснабжения летательных аппаратов

В ЛА, оборудованных генераторами постоянного тока (рисунок 1.1), потребители постоянного тока и инверторы, как элементы, получают энергию от СЭС I.

Рисунок 1.1 - Система электроснабжения постоянного тока

Статические инверторы (И), являющиеся неотъемлемой частью системы электроснабжения, питают потребителей переменного тока стабильной частоты. При возникновении аварийной ситуации в СЭС единственным источником на борту ЛА становится аккумуляторная батарея (АБ), питающая потребителей первой категории как постоянного тока, и, благодаря работе бортовых инверторов, переменного тока.

На рисунке 1.2 представлен вариант организации системы переменного тока стабильной частоты.

Рисунок 1.2 - Система электроснабжения переменного тока

стабильной частоты

Первичный генератор осуществляет питание приемников переменного тока, а также питание трансформаторно-выпрямительных устройств (ТВУ), обеспечивающих энергией потребителей постоянного тока. В аварийном режиме СЭС I, инвертор (И), преобразующий энергию АБ, обеспечивает работу приемников переменного тока, необходимых для безопасной посадки ЛА. При

введении в систему автотрансформаторно-выпрямительного устройства (АТВУ) может быть организована локальная шина повышенного постоянного напряжения 270 В. Линии связи, обозначенные пунктиром на рисунке 1.2, могут присутствовать в СЭС, а могут, в зависимости от внутренней организации питания ТВУ и АТВУ, отсутствовать. Дополнительно стоит отметить, что, в частности, асинхронные двигатели различного назначения, являющиеся потребителями переменного тока стабильной частоты, также могут не использовать в своей работе нейтраль.

Комбинированная (смешанная) система электроснабжения сочетает на борту ЛА первичные СЭС постоянного тока и переменного тока постоянной частоты. Причиной этому служит достаточно большое количество потребителей, как постоянного тока, так и переменного, суммарная требуемая мощность которых может быть обеспечена только подключением нескольких инверторов (или, соответственно, выпрямительных устройств).

Современные требования снижения эксплуатационных расходов и повышения топливной эффективности летательных аппаратов и, в первую очередь, самолетов гражданской авиации, как пассажирских, так и транспортных, в значительной мере стали влиять на технический облик многих бортовых систем и агрегатов [79]. Это сказалось и на самолетной электроэнергетике, где в качестве реакции на указанные выше требования наметился ряд тенденций, существенно определивших характер организации и построения современных бортовых СЭС I, а именно:

- перевод на электропитание ряда, а в перспективе и всех, бортовых систем, традиционно имеющих неэлектрическую (гидравлическую, пневматическую, механическую и др.) природу энергоснабжения;

- преимущественный отказ от имеющего, как правило, гидромеханическую основу, привода постоянных оборотов и вращение первичных генераторов непосредственно от коробки силовых агрегатов (коробки приводов);

- увеличение установленной мощности СЭС I и, соответственно, увеличение мощности первичных генераторов.

Отсюда естественным образом вытекает применение на борту воздушного судна системы электроснабжения переменного тока нестабильной частоты.

Система переменного тока нестабильной частоты используются, например, на новейших и наиболее совершенных на сегодняшний день самолетах B-787 Dreamliner (Boeing, США) и А-380 (Airbus, Франция, ЕС) [80]. Применение такой системы планируется и на проектируемом в настоящее время российском самолете МС-21.

В системах электроснабжения переменного тока нестабильной частоты (рисунок 1.3) потребители, не требовательные к качеству электроэнергии, питаются напрямую от генератора переменного тока (например, освещение ЛА, противообледенительные системы).

Рисунок 1.3 - Система электроснабжения переменного тока

нестабильной частоты

В структуру СЭС II нестабильной частоты входят:

1) преобразователь частоты (ПЧ), образующий канал стабильной частоты 400 Гц;

2) трансформаторно-выпрямительное устройство (ТВУ) для питания потребителей постоянным напряжением 27 В;

3) инверторы напряжения (И), имеющие одно- или трехфазный выход, питающие потребителей первой категории в случае аварийного или ненормального режима работы СЭС I.

Пунктирными линиями обозначены соединения, которые могут отсутствовать в зависимости от внутренней структуры ПЧ, ТВУ, АТВУ. Некоторые потребители переменного тока нестабильной и стабильной частоты, а также потребители ПЧ такой СЭС для выполнения своих задач могут не использовать нейтральный провод.

1.3 Критерии проектирования бортовых статических преобразователей

В авиационной технике, как и в абсолютном большинстве других сфер жизнедеятельности, любое современное оборудование должно иметь минимальные массу и габариты, максимальный КПД при заданном качестве выходных показателей (что равносильно требованиям к минимуму тепловых потерь). При проектировании бортовых статических преобразователей эти требования в общем определяют их структурно-алгоритмическую организацию: структуру силовой части и способ её управления. Бортовой инвертор, являясь специальным устройством, имеет ряд особенностей, определяющих и существенно ограничивающих выбор их структуры и характер проектирования. Эти особенности заложены в требованиях ГОСТ Р 54073-2010 [86] и комплекса стандартов «Мороз-6», формулирующего требования по надежности [87], стойкости к внешним воздействующим факторам [88] и конструктивно-техническим требованиям [89].

1.4 Требования к бортовым статическим преобразователям

Согласно требованиям ГОСТ Р 54073-2010 [86], определяющего качество электроэнергии на борту летательных аппаратов, преобразователи бортовых систем электроснабжения должны обладать способностью:

1) формирования и регулирования (стабилизации) фазных напряжений с заданным качеством синусоидальности, в том числе и по наличию постоянной составляющей (не более 0,1.. .(-0,1) В);

2) работы с несимметричной нагрузкой, вплоть до загрузки только одной

фазы;

3) стабилизации угла сдвига фаз 120°;

4) устойчивости, как к фазным, так и к линейным коротким замыканиям в течение заданного времени.

Данные требования однозначно определяют особенности схемотехники бортовых статических инверторов, прежде всего, трехфазных:

1) выходной каскад инвертора должен иметь силовую нейтраль;

2) присутствие в структуре преобразователя устройства гальванической развязки, наличие которой позволяет непосредственным образом соединять «нули» и «минусы» входных и выходных цепей;

3) большая (порядка десяти) кратность преобразования уровня выходного напряжения относительно входного.

Помимо качества электроэнергии, ГОСТ Р 54073-2010 регламентирует также асимметрию нагрузок трехфазных сетей: системы трехфазного переменного тока должны обеспечивать как трехфазное, так и однофазное электропитание, то есть одна (например: фаза А - холостой ход, фаза В -нагружена, фаза С - нагружена) или две фазы (например: фаза А - холостой ход, фаза В - холостой ход, фаза С - нагружена) могут быть не нагружены вовсе. Однофазные нагрузки должны быть включены только на фазные напряжения [86]. При этом однофазные приемники должны быть распределены по фазам канала электропитания (в данном случае статического инвертора) так, чтобы разность

нагрузок наиболее и наименее нагруженных фаз не превышала 5% номинальной мощности канала (5нОм) или 15% мощности фазы (РФ) при нормальной или частичной работе СЭС и, соответственно, 10% и 30% при аварийной работе СЭС. Это означает, что может быть следующая ситуация распределения нагрузки по фазам А - В - С: РФ - РФ - (РФ±0,15РФ), и не может быть, например, ситуации Рф - (Рф+0,15Рф) - (Рф-0,15Рф).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Коняхин Вячеслав Сергеевич, 2017 год

г гг

А /Ч гЧ г\ /\ /•

/у V хV г Г

А /\ /\ Л /\ /\

V V V V V V

\ > У / У \ /

V \У ч/

1(КпА> (А) 1(Р)пВ)(А> 1(КпС) (А)

Т гаею)

Токи нагрузки

иь ис иа ,

1 А А ~ 1 Л Г г

/ У У У у у / 1 1 1 /А/1 Л //

А А А А А А \ у\' 1 ,..¿-1 ...АЛ ...../1 -М-

ч х / \ / \ / \ / \ / \ . 1 V V V V V V ......V" и ..... ч л/ 1 X Г л/ ч х- г /

\Л Ал лЛ/ \ \ \ \

\ 1 у ЧУ \ ЧУ V/ ^ \

Рисунок 4.14 - Осциллограммы выходных напряжений и токов мостового инвертора с симметричным трехфазным автотрансформатором при переходе с трехфазной симметричной нагрузки на однофазную нагрузку

Таким образом, применение симметричного трехфазного автотрансформатора в выходных цепях мостового ТИН с целью создания силовой нейтрали невозможно. Схема, имеющая такую конфигурацию, неработоспособна в ряде режимов, предусмотренных [86].

В трехфазном мостовом инверторе с автотрансформаторной схемой Скотта при несбалансированной нагрузке недогруженной или перегруженной относительно остальных всегда является только одна фаза. При этом «перегруз» фазы соответствует несимметрии типа «В» или «С», а «недогруз» - несимметрии типа «АС» или «ВС» (рисунок 3.7). Из таблицы 3.1 видно, что при любом виде несимметрии фазных нагрузок (даже при крайней степени небаланса нагрузки, когда нагружена всего одна фаза) токи протекают по всем трем стойкам мостового инвертора. Таким образом, АСС осуществляет пусть не полное,

частичное, но все-таки симметрирование, обусловленное особенностями ее топологии. Это означает, что при «уходе» под действием нагрузки одного из фазных напряжений, пусть в меньшей степени, но тоже «уходят» в ту же сторону и две другие фазы, что было показано в главе 3 настоящей работы. Это обстоятельство упрощает задачу регулирования инвертора при любой выбранной стратегии управления, сближая отклонения выходных напряжений.

При использовании автотрансформаторов высокого качества, исходя из чисто геометрических соображений, поддержание равносторонности треугольника АВС (рисунок 3.3) гарантирует формирование симметричной системы фазных напряжений. Синхронное изменение длин сторон треугольника позволяет регулировать выходное напряжение с достаточной точностью и стабильностью.

Для проверки и доказательства высказанных, возможно, на первый взгляд декларативных утверждений, наиболее разумным и доступным способом представляется использование средств компьютерного моделирования.

4.3 Схема управления трехфазного моста со схемой Скотта по мгновенному

значению выходного напряжения

4.3.1 Описание системы управления преобразователя

Введение нулевой точки, образуемой АСС, и топология силовой структуры инвертора позволяет реализовать возможность полного независимого (пофазного) регулирования выходных напряжений. Это не претендует на научную новизну, но в источниках информации упоминания о таком способе управления трехфазным мостовым инвертором обнаружить не удалось. С учетом этого, на основе рассмотренных выше структур ТИН, разработана схема управления ключами трехфазного моста с отслеживанием мгновенных значений фазных напряжений.

По аналогии с уже исследованным трехфазным мостовым инвертором с конденсаторным делителем (рисунок 4.5), каждая стойка трехфазного моста с АСС имеет замкнутую двухконтурную систему управления с главной отрицательной обратной связью по своему фазному напряжению, пропорционально-интегральным регулятором напряжения и релейным регулятором тока в качестве внутреннего подчиненного контура (рисунок 4.7).

Для определенности и возможности последующего анализа и сравнения с предыдущими решениями, исследование трехфазного моста с АСС проводится для выходной мощности преобразователя 800 ВА.

В качестве звена постоянного тока, также как и в предыдущих исследованиях, использован обратноходовой преобразователь - конвертор, преобразующий постоянное номинальное входное напряжение 27 В в постоянное стабилизированное напряжение 350 В, необходимое для формирования трехфазной системы напряжений переменного тока 115/200 В частотой 400 Гц. Регулирование осуществляется двухконтурной схемой управления с отрицательными обратными связями по выходному току и напряжению на высокой, порядка 20 КГц, частоте.

На выходе стоек установлены LC фильтры, параметры элементов которых были рассчитаны и обоснованы ранее, в разделе 4.1 (индуктивность L=500 мкГн, ёмкость С=2,2 мкФ).

4.3.2 Моделирование трехфазного моста с автотрансформаторной схемой Скотта

с пофазным регулированием

Для исследования описанных выше утверждений создана упрощенная ИКМ преобразователя с пофазным регулированием выходного напряжения (структурная модель изображена на рисунке 4.15, принципиальная модель представлена в Приложении И).

Рисунок 4.15 - Упрощенная модель ТИН с автотрансформаторной схемой Скотта

(Ф-выходной фильтр)

При моделировании приняты следующие допущения:

1) в качестве силовых ключевых элементов взяты ключи с задаваемым сопротивлением в открытом и закрытом состоянии;

2) все диоды приняты идеальными;

3) в индуктивностях дросселей не учитывается насыщение магнитопровода;

4) коэффициент магнитной связи обмоток трансформаторов М=1;

5) функции формирования и регулирования напряжения выполнены аналоговыми средствами, источники опорных сигналов используются идеальные;

6) не учитываются сопротивления обмоток автотрансформаторов Скотта. Основные результаты моделирования трехфазного мостового инвертора с

автотрансформаторной схемой Скотта при работе на активную нагрузку представлены на рисунках 4.16-4.23.

Показано формирование трехфазной системы напряжений 115/200 В частотой 400 Гц во всех режимах работы ТИН (рисунок 4.16 - 4.19), в том числе и при однофазной нагрузке (нагружена только одна фаза из трех, рисунок 4.18).

Рисунок 4.16 - Осциллограммы фазного напряжения и тока нагрузки ТИН с автотрансформаторной схемой Скотта (номинальная симметричная нагрузка)

Рисунок 4.17 - Осциллограммы фазного напряжения и тока нагрузки ТИН с автотрансформаторной схемой Скотта (несимметричная нагрузка)

Трехфазная система напряжений преобразователя остается стабилизированной и при однофазной нагрузке, например, в фазе С (рисунок 4.16, таблица 4.2). Изменение тока нагрузки в одной фазе вызывает изменение тока

всех стоек трехфазного моста и всех обмоток автотрансформаторов. Таким образом, помимо формирования силовой нейтрали, автотрансформаторы также симметрируют работу преобразователя.

Рисунок 4.18 - Осциллограммы фазного напряжения и тока нагрузки ТИН с автотрансформаторной схемой Скотта (холостой ход)

Ца и Выходное напряжение Ь 39.305т,117.262 39.: Ш9т,117.359

----- 11с (действ.)^ иа 1

____ _____—~ -—— Не — ^---------

Ток нагрузки 39 223п И 35В ПСМт

|С (Д€ ЙСТВ.) 39.253т /|а,1Ь (де» 0 1СТВ.)

1с I/

Рисунок 4.19 - Осциллограммы фазного напряжения и тока нагрузки ТИН с автотрансформаторной схемой Скотта (однофазная несимметричная нагрузка, нагружена только фаза С)

На рисунке 4.18 показано формирование трехфазной системы фазных напряжений на холостом ходу. Пренебрежимо малые значения токов, определяемые только токами намагничивания автотрансформаторов, опосредованно доказывает адекватность предположений, высказанных ранее о том, что на ХХ, являющимся частным случаем симметричной нагрузки, силовые токи через обмотки автотрансформаторов не протекают, а возникают только при появлении несимметрии.

В отличие от схемы с симметричным трехфазным автотрансформатором, в данной структуре напряжение в звене постоянного тока всегда конкретно и определено и в любой момент времени по отношению к нулевой точке, а именно: может иметь четыре устойчивых состояния по отношению к ней). Рисунок 4.20 показывает, что при ДШИМ формировании выходного напряжения стоек инвертора потенциалы шин звена постоянного тока (ик+ - ик-) могут быть равны: (0 В - 350 В); (-115 В - 230 В); (-230 В - 115 В); (-350 В - 0В).

Рисунок 4.20 - Потенциалы шин в звене постоянного тока (иК+, иК-) относительно

нулевой точки

Результаты работы системы управления трехфазным мостом с АСС пофазно сведены в таблицу 4.2. При исследовании умышленно была введена несимметрия фазной нагрузки, большая, чем это допустимо по [86]. Проведенный

анализ при подключении активно-индуктивной нагрузки к исследуемому ТИН не выявил какого-либо серьёзного изменения в описанных процессах.

Таблица 4.2 - Качество выходных параметров преобразователя с пофазным регулированием при несимметричной нагрузке

Симметр. нагрузка Несимметричная нагрузка

1,1*Ря фазн. 1,2*Ря фазн. 1,3*Ря фазн. 1,4* Ря фазн.

1а, А 2,32 2,36 2,40 2,44 2,48

в а 2,32 2,36 2,40 2,44 2,48

1с, А 2,32 2,48 2,63 2,78 2,93

иа,В 116,5 116,53 116,48 116,44 116,41

ив,В 116,85 116,83 116,76 116,70 116,63

ис,В 116,90 116,46 116,24 116,03 115,79

Для более глубокого понимания процессов, протекающих в инверторе, на рисунке 4.21 представлены графики напряжения до фильтра, после фильтра и ток нагрузки.

5.000 300.000

3.000 180.000

1.000 60.000

-1.000 -60.000 ■

-3.000 -180.000

-5.000 -300.00037500т 38.000т 38.500т 39.000т 39.500т 40.000т

УСТШ) ¥СТВ)(У) 1(КПВ) (А)

Т(Бесе)

Рисунок 4.21 - Графики напряжения стойки трехфазного моста в его средней точке, выходного напряжения и тока нагрузки нагрузка)

На рисунке 4.22 показаны ток дросселя фильтра и ток нагрузки фазы при R-нагрузке (рисунок 4.21 а)) и RL-нагрузке (рисунок 4.21 б)).

Рисунок 4.22 - Осциллограммы тока дросселя и тока нагрузки: а) при R-нагрузке; б) при RL-нагрузке

Форма тока через силовой ключ инверторной стойки (в данном случае, нижний ключ), представлена на рисунке 4.23.

Рисунок 4.23 - Осциллограмма тока силового транзистора стойки трехфазного моста

4.4 Сравнение массогабаритных показателей трехфазного мостового инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта и инвертора с разделительными конденсаторами

Для анализа массогабаритных показателей предлагаемой структуры преобразователя с АСС предлагается сопоставить её со структурой трехфазного мостового инвертора с разделительными конденсаторами. Примем, что в обоих преобразователях конверторные и инверторные части одинаковые, поэтому они в сравнение не включены. Отличны средства организации нулевой точки: в первом случае - это автотрансформаторная схема Скотта, во втором - конденсаторный делитель.

Ранее была проведена оценка массогабаритных показателей конденсаторного делителя, как средства создания нулевой точки, в схеме с разделительными конденсаторами. Для анализа новой структуры (трехфазного мостового инвертора с АСС) по предложенному критерию, проведена оценка массогабаритных показателей автотрансформаторной схемы Скотта, введенной в

схему для формирования силовой нейтрали выходной трехфазной системы напряжений.

Активная масса (то есть без учета конструкции) двух автотрансформаторов определялась, исходя из их рассчитанных габаритных мощностей (для преобразователя мощностью SТин=800 ВА), результаты которых в общем виде получены в главе 3 и указанных в таблице 3.2, а также таблиц, представленных в [151] для ленточного магнитопровода типа ШЛ, сталь 3424. Расчеты приведены в приложении М.

Активная масса АСС как средства создания нулевой точки:

тНОЛЬ АСС

=206г (4.3)

Оценочный объем автотрансформаторной схемы Скотта:

VHОЛЬ _ АСС = 32 мл (4.4)

Таким образом, в исследуемой схеме ресурсы, затрачиваемые для организации нулевой точки меньше, чем в схеме трехфазного мостового инвертора с разделительными конденсаторами, что является несомненным преимуществом ТИН с АСС.

Представляет большой интерес исследование массы и занимаемого объема средств достижения создания нулевой точки обеих рассмотренных структур при различных мощностях преобразователей. Результаты проведенной оценки приведены в таблице 4.3. В расчетах частично использовались данные полученные при ИКМ. Конденсатор для делителя выбран тем же, К50-83-300 В-100 мкФ±20%.

Анализ результатов в таблице 4.3 показывает, что АСС всегда существенно меньше по объему, чем минимально необходимый набор конденсаторов для создания средней точки. Автотрансформаторы сравнимы по активной массе с конденсаторным делителем при мощностях ТИН свыше 1600 ВА, однако это достигается резким увеличением необходимого числа конденсаторов вследствие увеличения тока, протекающего через делитель. Это существенно сказывается на надежности и ресурсе преобразователя в целом (одного из важнейших

показателей для ЛА), поскольку выход электролитического конденсатора сопровождается его пробоем. Иностранные источники (например, [152]), в том числе, военное руководство США по расчету надежности [153], указывают на то, что наиболее частые случаи выхода из строя изделий (порядка 60% от всех отказов) происходят из-за выхода из строя электролитического конденсатора. Так, например, в работе Корнилова А.Б. [154] под руководством Резникова С.Б., решалась задача разработки преобразователя вообще без входных силовых электролитических конденсаторов именно с целью повышения надежности изделия.

Таблица 4.3 - Сравнительные оценочные массогабаритные показатели средств создания нуля для исследуемых трехфазных мостовых инверторов

Мощность преобразователя, ВА Автотрансформаторная схема Скотта Конденсаторный делитель

Масса двух автотрансформаторов, г Объем, мл Масса, г Объем, мл Необходимое количество конденсаторов

200 105 11 288 228 16

500 163 14 288 228 16

800 206 32 288 228 16

1600 300 62 288 228 16

2500 428 83 432 342 24

3200 460 93 540 428 30

5000 710 230 936 742 52

Несмотря на то, что приведенные данные - это лишь оценка массогабаритных показателей (рассчитанных для конкретного способа регулирования стойками, для конкретного конвертора, без учета конструкции всего преобразователя), следует ожидать, что вышеуказанная тенденция,

(приведенная в таблице 4.3) сохранится для любых схем управления и выбранных конструкций. Это означает, что использование трехфазного мостового инвертора с АСС выгоднее по массогабаритным показателям по сравнению с мостовым инвертором с разделительными конденсаторами.

4.5 Исследование аварийных режимов трехфазного моста с автотрансформаторной схемой Скотта

4.5.1 Анализ процессов в трехфазном мостовом инверторе с автотрансформаторной схемой Скотта при коротких замыканиях

С целью проверки наличия в преобразователе с двойным преобразованием энергии на базе трехфазного мостового инвертора с АСС явления нарастания напряжения в звене постоянного тока, описанного в главе 2, а также исследования выходных напряжений при коротких замыканиях, воспользуемся средствами ИКМ. Для решения поставленных задач достаточно на качественном уровне определить:

1) присутствует ли эффект нарастания напряжения в исследуемом преобразователе, или нет;

2) каково значение выходных напряжений при различных вариантах коротких замыканий (напряжения не должны выходить за верхний допустимый предел для нормальной работы СЭС по [86]).

Рассмотрим процессы, происходящие в АСС при фазных и межфазных замыканиях.

При КЗ фазы С точка С треугольника напряжений оказывается подключена к точке О (рисунок 4.24). При КЗ фазы А картина будет симметрична.

При КЗ фазы В происходит закорачивание обмотки W11, в связи с чем потенциал точки Т становится равным нулю (рисунок 4.25).

Рисунок 4.24 - Изменения в структуре автотрансформаторной схемы Скотта

при КЗ фазы С

Рисунок 4.25 - Изменения в структуре автотрансформаторной схемы Скотта

при КЗ фазы В

Результаты моделирования КЗ фазы А и фазы В представлены на рисунке 4.26 и рисунке 4.27. На верхних кривых показан результат расформирования трехфазной системы фазных напряжений при КЗ фазы С и фазы В, на нижних - напряжение в звене постоянного тока. Показано, что при фазных коротких замыканиях нарастания напряжения не наблюдается.

Рисунок 4.26 - Выходные напряжения инвертора и конвертора

при КЗ фазы С (ИКМ)

Рисунок 4.27 - Выходные напряжения инвертора и конвертора

при КЗ фазы В (ИКМ)

Действующие значения напряжений, полученные при моделировании КЗ фазы С равны: Уа= 73,7 В, Ув= 73,7 В, Ус=0 В, Ут= 36,8 В. При КЗ фазы В, действующие значения напряжений равны УА=73,8 В, УВ=0 В, Ус=73,8 В, Ут=0 В.

В рамках исследования межфазных коротких замыканий проанализируем КЗ линии АС и КЗ линии ВС. Вариант КЗ линии АВ является симметричным КЗ ВС, и поэтому специально не рассматривается.

При коротком замыкании линии ВС исходная автотрансформаторная структура преобразуется в схему, представленную на рисунке 4.28.

Рисунок 4.28 - Изменение структуры автотрансформаторной схемы Скотта

при межфазном замыкании ВС

Преобразования в автотрансформаторной схеме Скотта при межфазном замыкании линии АС представлены на рисунке 4.29.

Рисунок 4.29 - Изменение структуры автотрансформаторной схемы Скотта при

межфазном замыкании АС

Результаты моделирования процессов в преобразователе при межфазных

коротких замыканиях представлены на рисунке 4.30 и рисунке 4.31. На верхних осциллограммах показано поведение трехфазной системы напряжений, на нижних - напряжение в звене постоянного тока.

Рисунок 4.30 - Выходные напряжения инвертора и конвертора при межфазном КЗ линии ВС

Рисунок 4.31 - Выходные напряжения инвертора и конвертора при межфазном КЗ линии АС

Действующие напряжения выходных фаз, полученные моделированием межфазного КЗ ВС равны: Уа=92,2 В,Ув=46,1 В, Ус=46,1 В, Ут=23,0 В.

Системы управления стойками трехфазного моста при коротких замыканиях отрабатывают аварийную ситуацию, и в итоге изменяют значения напряжений, а также электрические углы сдвига фаз. Значения фазных напряжений преобразователя при КЗ АС равны УА=46,3 В,УВ=92,5 В, Ус=46,3 В, Ут=46,3 В.

В результате анализа работы исследуемого ТИН при возникновении КЗ, выявлено, что в преобразователе, построенном по структуре трехфазного моста с АСС, не происходит нарастания напряжения в звене постоянного тока во время коротких замыканий (рисунки 4.26, 4.27, 4.30, 4.31: нижние кривые), а напряжения незамкнутых фаз не превышают допустимых значений при штатной работе (рисунки 4.26, 4.27, 4.30, 4.31: верхние кривые). В отличие от предыдущих рассмотренных схем, (трех однофазных мостов с ПВЧП, сдвинутых на 120° и преобразователя с двухканальным инвертором с ПВЧП с АСС), схема трехфазного моста с автотрансформаторами Скотта имеет только один канал преобразования. Контур протекания аварийного тока замыкается внутри мостового инвертора, который является замкнутой энергетической средой, в которой происходит рассеяние энергии дросселей фильтра и выходного конденсатора конвертора. Данное обстоятельство положительным образом сказывается на массогабаритных характеристиках преобразователя, поскольку отпадает необходимость организации защиты от перенапряжений в звене постоянного тока.

4.5.2 Анализ процессов в трехфазном мостовом инверторе с автотрансформаторной схемой Скотта при обрыве фазной нагрузки

При исследовании работы преобразователя в аварийных режимах, кроме

режима КЗ, следует оценить его работу при обрыве фазы. Результаты компьютерного моделирования работы исследуемого ТИН при номинальной нагрузке 800 ВА в указанном режиме представлены на рисунках 4.32, 4.33.

Рисунок 4.32 - Выходные напряжения и токи преобразователя

при обрыве фазы С

Рисунок 4.33 - Токи обмоток автотрансформаторов Скотта при обрыве одной

и двух фаз

Показано, что обрыв одной из фаз не приводит к искажению двух оставшихся фаз, но при этом токи через обмотки автотрансформаторов Скотта

существенно возрастают, что может привести к их значительному перегреву, последующему возможному выходу из строя, и, как следствие, отказу всего преобразователя. Поскольку обрыв является нештатной ситуацией, выходящей за рамки [86], которая может длиться сколь угодно долго, необходимо предусмотреть детектирование аварийной ситуации и выключать преобразователь как можно быстрее.

Отдельно стоит отметить, что для исследуемого ТИН не существует разницы, сколько фаз оборвалось: одна, две или три (рисунок 4.33).

4.6 Фильтр переменного тока трехфазного мостового инвертора

Практика показала, что установка конденсаторов фильтра со стороны нагрузки, то есть, при их перестановке из «треугольника» (рисунок 4.34 а)) в «звезду» (рисунок 4.34 б)), появляется возможность применять конденсаторы с более низким допустимым рабочим напряжением (VАМП=162 В), по сравнению с размещением на стороне инвертора, VАМП=242 В.

а)

б)

Рисунок 4.34 - Выходной фильтр переменного тока

а) на «первичной» стороне

б) на «вторичной» стороне

Следовательно, при том же номинале можно уменьшить их габариты, либо снизить количество конденсаторов, используя большую ёмкость элементов, как было показано ранее, в главе 3, на примере двухканального инвертора с АСС (рисунок 3.27, таблицы 3.9, 3.10). Поскольку АСС и в трехфазном мосте формирует трехфазную систему фазных напряжений, то расчет конденсаторов фильтра остается таким же.

В преобразователе, построенном по такой структуре, однозначно выгоднее устанавливать выходной фильтр на сторону нагрузки, так как количество и номинал используемых элементов по сравнению с вариантом размещения LC-фильтра со стороны инвертора, не меняется.

Выводы к главе 4

1) На основе проведённого анализа структур преобразователя с ПВЧП и инверторным звеном, выполненным по трехфазной мостовой схеме, дополненным средством организации нуля, и удовлетворяющих требованиям, предъявляемым со стороны СЭС ЛА, показано, что наиболее перспективными являются трехфазный мост с конденсаторным делителем, и структура трехфазного мостового инвертора с ПВЧП и с автотрансформаторной схемой Скотта (является новым, предложенным в работе, техническим решением).

2) На основе исследований показана возможность реализации варианта управления трехфазным мостом с автотрансформаторной схемой Скотта с отслеживанием мгновенного значения выходных фазных напряжений.

3) Доказана работоспособность новой структуры во всех возможных режимах, включая аварийные - фазные и линейные короткие замыкания, обрыв фаз.

4) Показано, что в трехфазном мостовом преобразователе со структурой двойного преобразования с использованием автотрансформаторной схемы Скотта

отсутствует явление нарастания напряжения в звене постоянного тока при фазных и межфазных коротких замыканиях, характерное для остальных альтернативных вариантов.

5) На основе проведенной оценки массогабаритных показателей инверторной части преобразователей, выполненных по структуре трехфазного моста с конденсаторным делителем и по структуре с автотрансформаторной схемой Скотта для различных выходных мощностей показано преимущество трехфазного мостового инвертора с АСС по массогабаритным показателям по сравнению с другими рассматриваемыми структурами.

6) Рассмотрены и представлены сравнительные результаты всех исследуемых в настоящей главе типов структур с трехфазным мостовым инвертором по различным критериям и требованиям, предъявляемым со стороны СЭС ЛА. По результатам комплексной оценки выявлено преимущество структуры трехфазного мостового инвертора с ПВЧП и автотрансформаторной схемой Скотта.

7) Полученные результаты могут быть использованы при разработке и проектировании ряда перспективных устройств бортовой электроэнергетики нового поколения.

148 Глава 5

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТРЕХФАЗНОГО ИНВЕРТОРА

НАПРЯЖЕНИЯ СО СТРУКТУРОЙ ТРЕХ ОДНОФАЗНЫХ МОСТОВ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Данная глава посвящена бортовому трехфазному статическому инвертору ПТС-800БМВ, целью разработки которого являлась модернизация СЭС самолетов СУ-27 их модификаций, а также создание СЭС самолетов следующего поколения, и, конкретно, замена технически устаревшего трехфазного статического преобразователя ПТС-800БМ, изначально устанавливаемого на борту. Разработанный преобразователь имеет улучшенные массогабаритные, технические показатели и увеличенный ресурс.

В результате проведенного комплекса экспериментальных исследований в преобразователе было выявлено явление нарастания напряжения в звене постоянного тока при межфазных КЗ, что послужило началу исследований этого эффекта, разработки методов борьбы с ним, а также поиску новых преобразовательных структур, лишенных данного недостатка. Результаты такой исследовательской поисковой работы были описаны в предыдущих главах.

5.1 Структура разрабатываемого преобразователя и технические требования

Изделие ПТС-800БМВ построено по структуре трех синхронизированных однофазных инверторов, выходные напряжения которых «привязаны» к нулю питающей сети и сдвинуты относительно друг друга на 120°. В преобразователе в полной мере реализован принцип двойного преобразования (рисунок 1.8, рисунок 2.1). При проектировании были использованы выводы и результаты, полученные в главах 1 и 2.

Техническое задание на преобразователь ПТС-800БМВ содержит, помимо прочих, основные требования, определяющие его назначение:

1) качество входного напряжения (номинальное значение постоянного напряжения 27 В) соответствует требованиям [86] для систем электроснабжения, питаемых через выпрямительные устройства от генераторов переменного тока;

2) качество выходного напряжения (номинальное значение переменного трехфазного напряжения 115 В, 400 Гц) соответствует требованиям [86] для СЭС II переменного трехфазного тока постоянной частоты;

3) номинальная мощность 800 ВА, cosф=0,8;

4) преобразователь должен выдерживать короткое замыкание в цепи нагрузки длительностью до 10 с с кратностью тока в цепи КЗ к номинальному току не менее 2 при фазном замыкании и не менее 1,5 при межфазном замыкании;

5) перегрузка 125% в течение 5 минут;

6) коэффициент полезного действия (п) - не ниже 0,8;

7) диапазон рабочих температур окружающей среды -60.. ,+60°С;

8) пониженное атмосферное давление - 90 мм.рт.ст.;

9) масса преобразователя - не более 8 кг.

5.2 Особенности реализации преобразователя ПТС-800БМВ 5.2.1 Силовая часть преобразователя

Разработанное с участием автора устройство состоит из трех одинаковых каналов (фаз) [117]. Структура канала преобразования в таком устройстве является запатентованным техническим решением [147] (акт о внедрении приведен в приложении Н). Напряжение постоянного тока 27 В подается на конвертор, который преобразует постоянное напряжение 27 В в постоянное стабилизированное напряжение 210 В. Блок конвертора выполнен по схеме обратноходового преобразователя с двухобмоточным силовым дросселем. Данная структура была

выбрана во многом из-за её предельной простоты и малого количества элементов. Несмотря на известные недостатки, обуславливающие использование обратноходовой схемы преимущественно для преобразования низких и средних мощностей, до 200-300 Вт, у нее есть ряд полезных преимуществ, таких как: нечувствительность к КЗ нагрузки, широкий диапазон выходных напряжений, невозможность передачи помех из первичной сети в нагрузку и наоборот (накопительный дроссель подключен к сети и к нагрузке в различные моменты времени).

Стабилизация выходного напряжения конвертора осуществляется изменением длительности открытого состояния силового транзисторного ключа конвертора в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки. Входные цепи всех конверторов соединены в параллель, а минусовой вывод питания конверторов соединен с нейтралью выходной звезды преобразователя. Структура преобразователя позволяет использовать в качестве гальванической развязки легкий двухобмоточный дроссель конвертора, осуществляющий трансформацию напряжения на высокой частоте, порядка 30-50 КГц. Ограничение выбросов напряжения на ключе осуществляется с помощью RCD-снаббера, подключенного между стоком транзистора и шиной питания «+27 В».

Тороидальные сердечники дросселей выполнены из современных аморфных материалов с низкими удельными потерями. Входные цепи всех конверторов соединены в параллель, а минусовой вывод питания конверторов соединен с нейтралью выходной звезды преобразователя.

Упрощенная схема преобразователя ПТС-800БМВ представлена на рисунке 5.1.

Постоянное напряжение 210 В с выхода каждого конвертора подается на вход своего инвертора. Инверторная часть преобразователя ПТС-800БМВ содержит три мостовых однофазных инвертора, формирующих переменные напряжения 115 В частотой 400 Гц со сдвигом 120О относительно друг друга, и силовые LC-фильтры на выходе [140]. В качестве силовых ключей в

преобразователе используются МДП-транзисторы - низковольтные в конверторе и относительно высоковольтные - в инверторе.

Конфигурация силовой части инвертора, примененная в ПТС-800БМВ, защищена патентами [145] (акт о внедрении приведен в приложении Н) и [146]. Она позволяет полноценно с минимальными дополнительными аппаратными затратами использовать паразитные интегральные антипараллельные диоды МДП-транзисторов и уменьшить количество корпусов силовых полупроводниковых элементов инверторной ячейки.

Рисунок 5.1 - Силовая структура трехфазного преобразователя ПТС-800БМВ

Рассмотрим работу стойки мостового инвертора канала фазы «А» [140]. При формировании положительной волны выходного напряжения транзистор УТ1 открыт, а транзистор УТ2 закрыт. Ток от конвертора через транзистор УТ1 и дроссель L1 протекает в нагрузку. При запирании транзистора УТ1 ток нагрузки замыкается через дроссель L1, интегральный паразитный диод УО2 транзистора УТ2 и быстровосстанавливающийся диод УО'. В момент последующего отпирания транзистора УТ1 начинается восстановление блокирующих свойств цепи из двух последовательных диодов УО2 и УО'. Очевидно, длительность этого процесса будет определяться диодом, имеющим меньшее время восстановление, то есть УО'. Диод УО' должен выбираться на полное напряжение питания преобразователя. При формировании отрицательной полуволны выходного напряжения процессы в схеме аналогичны. Дроссели L1 и L2, работающие в режиме двухполярного намагничивания, обеспечивают независимость работы диода УО' при формировании полуволн выходного напряжения. Магнитные связи дросселей L1.1 и L1.2 (и L2.1 и L2.2) введены с целью уменьшения их суммарной массы.

Драйверы транзисторов инверторных ячеек работают по принципу, изложенному в [141]. Результаты проектирования показали, что масса силовых элементов разработанного преобразователя (транзисторы, диоды, дроссели, трансформаторы) оказались почти в 3 раза меньше, чем в аналогичном предшественнике, выполненном по структуре «прямого» преобразования на биполярных транзисторах. Это обстоятельство, как это будет показано далее, в совокупности с другими схемотехническими приемами (введением ПВЧП, переходом на управление методами ШИМ) в итоге позволило уменьшить массу всего преобразователя в 2 раза по сравнению с прототипом.

5.2.2 Схема управления инверторной частью преобразователя

Конвертор и инвертор снабжены независимыми друг от друга схемами управления [142]. Структура регулирования инверторной части преобразователя

представлена на рисунке 5.2. Инвертор (И) имеет замкнутую двухконтурную систему управления с главной отрицательной обратной связью по выходному напряжению V, пропорционально-интегральным регулятором напряжения (РН) и релейным регулятором тока (РТ) на основе компаратора с гистерезисом, в качестве внутреннего подчиненного контура. На вход РН подается эталонный синусоидальный сигнал V частотой 400 Гц от специального генератора, схемотехника которого описана в [143]. Выходной сигнал i регулятора напряжения РН является сигналом задания для регулятора тока РТ.

Рисунок 5.2 - Структура регулирования инверторной части трехфазного преобразователя ПТС-800БМВ

Такая конфигурация обеспечивает стабильность выходного напряжения, малые значения коэффициента его нелинейных искажений (не более 2%) и широкую полосу пропускания. Тактовая частота формирования двуполярной ШИМ (ДШИМ) в инверторе составляет 40...50 кГц, зависит от напряжения питания преобразователя, а также от величины и параметров нагрузки. Повышенная стабильность частоты выходного напряжения преобразователя обеспечивается за счёт применения кварцевого задающего резонатора.

Из рисунка 5.1 и рисунка 5.2 видно, что все каналы («фазы») преобразователя работают независимо друг от друга, каждый из них

воспроизводит свой сигнал задания, поступающий на соответствующий вход регулятора напряжения. Формирование выходного напряжения инверторов по принципу токового коридора (слежения за током), в сочетании с выходным LC-фильтром, обеспечивают высокую точность поддержания выходного напряжения во всех режимах работы преобразователя. Таким образом, разбаланс углов сдвига фаз или «развал» трехфазной системы напряжений в данной структуре практически невозможен. По этой причине в системе управления отсутствуют органы регулирования или коррекции фазового сдвига выходных напряжений. Выбранный метод широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону позволил существенно снизить массу LC-фильтра по сравнению с массой формирующего LC-фильтра у предшественника, где формирование выходного синусоидального напряжения происходило на основной частоте 400 Гц.

Повышенный КПД разработанного преобразователя (п>0,8), а, следовательно, и более низкий ток потребления (по сравнению с существующим серийным преобразователем ПТС-800БМ) позволяет более экономно использовать энергию СЭС ЛА. Кроме того, если преобразователь используется в качестве аварийного источника, то это позволяет более рационально потреблять энергию аккумуляторных батарей и, как следствие, повысить надежность работы бортового оборудования в аварийном режиме.

В устройстве реализован блок встроенного контроля, что позволяет интегрировать преобразователь не только в систему электроснабжения самолета, но и в его бортовую информационную сеть. В реализованной преобразовательной структуре (рисунок 2.1) существует выявленный эффект «накачки» напряжения в звене постоянного тока при межфазном замыкании. Реализованный в преобразователе способ снижения перенапряжения в уменьшении опорного задающего напряжения соответствующей инверторной ячейки. Данный способ был описан в главе 2 настоящей работы, а также изложен в [117], где участие автора заключалось в проведении ИКМ и натурных экспериментов.

5.2.3 Конструкция разработанного устройства Внешний вид преобразователя ПТС-800БМВ приведен на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Внешний вид преобразователя ПТС-800БМВ на амортизационной раме

Блоки конвертора со своей платой управления, как и блок инвертора с платой предусилительных каскадов, собраны в отдельные субблоки, которые установлены на основание (дно) преобразователя. Над ними размещена плата управления инверторами. На задней стенке в отдельном отсеке установлены блок встроенного контроля и электровентилятор охлаждения. Охлаждающий воздух проходит через радиаторы блоков конвертора и блоков инвертора и выбрасывается через заднюю стенку корпуса. На передней стенке расположены блок питания - внутри корпуса и фильтр радиопомех - снаружи корпуса. Верхняя и боковые поверхности закрыты алюминиевыми штампованными крышками. Преобразователь может устанавливаться на амортизационную раму.

Предусмотрено, что новый статический преобразователь взаимозаменяем с бортовым серийным преобразователем предыдущего поколения, как по установочным размерам, так и по схеме подключения. В таблице 5.1 представлено

сравнение параметров устаревшего, созданного в 70-х годах ХХ века, трехфазного преобразователя ПТС-800БМ и разработанного преобразователя нового поколения ПТС-800БМВ.

Таблица 5.1 - Основные параметры преобразователей ПТС-800БМ и ПТС-800БМВ

ПТС-800БМ ПТС-800БМВ

Мощность, ВА 800 800

Входное напряжение, В 18 ... 31 18 ... 31

Выходное напряжение, В 115/200 115/200

Частота, Гц 400 ± 10 400 ± 0,1

КНИ, %, не более 8 2

КПД, %, не менее 70 80

Масса, кг 14,0 7,0

Габариты, мм 197х260х420 197х163х420

Встроенный вентилятор есть есть

Перегрузка, % 125 125

Кратность тока КЗ 2 2

Встроенный контроль нет есть

5.3 Способ устранения постоянной составляющей выходного трехфазного напряжения

Учитывая способ формирования выходного напряжения (непосредственно мостовым инвертором без трансформаторной развязки), выходное напряжение преобразователя может содержать постоянную составляющую, наличие которой может быть вызвано разностью падений на силовых ключах и их разным быстродействием. Согласно же ГОСТ Р 54073-2010 уровень постоянной составляющей переменного напряжения действующим значением 115 В не должен превышать значение 0,1... (-0,1) В.

Для минимизации содержания постоянной составляющей в выходном переменном напряжении система регулирования преобразователя содержит соответствующее средство коррекции, созданное и испытанное при непосредственном участии автора с коллегами Коняхиным С.Ф. и Нагорновым А.М, являющееся новым запатентованным техническим решением [144], работа которого описана в [80] и представлена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Коррекция постоянной составляющей выходного напряжения трехфазного инвертора напряжения

В целом все устройство представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью по выходному напряжению инвертора.

Выходное напряжение инвертора через измерительный орган напряжения ИОН в качестве сигнала обратной связи подается на вход устройства сравнения, на другой вход которого поступает эталонное синусоидальное напряжение. Сигнал рассогласования, пропорциональный разности между эталонным напряжением и сигналом отрицательной обратной связи, с выхода устройства сравнения подается на регулятор напряжения РН, который по заложенному в него закону управления формирует корректирующий сигнал, имеющий целью минимизировать рассогласование. Модулирующее распределительное устройство

ШИМ преобразует корректирующий сигнал регулятора напряжения в соответствующую широтно-импульсную последовательность и согласно выбранной логике работы и стратегии управления инвертором подает ее на управляющие входы его силовых ключей. Таким образом, любое отклонение выходного напряжения преобразователя от заданного эталона парируется схемой регулирования и поддерживается стабильным независимо от изменения напряжения питания и нагрузки.

Емкость конденсатора С измерительного органа напряжения выбирается так, чтобы на основной частоте выходного напряжения его сопротивление переменному току было бы близко к нулю, тогда при симметричной кривой выходного напряжения выходной сигнал ИОН будет определяться только соотношением сопротивлений входящих в его состав резисторов R1 и R2. При появлении несимметрии на конденсаторе С выделяется напряжение, пропорциональное постоянной составляющей. Это напряжение, с соответствующим знаком суммируясь с сигналом, формируемым резисторами R1 и R2, поступает в устройство сравнения и отрабатывается регулятором напряжения РН, синтезирующим свой выходной сигнал уже с учетом необходимости компенсации постоянной составляющей. Параметры широтно-импульсной последовательности на выходе модулирующего распределительного устройства соответствующим образом изменяются, и силовые ключи инвертора начинают коммутироваться так, чтобы восстановить симметрию выходного напряжения и удалить из него постоянную составляющую.

В целом, следует отметить, что логика и принцип устранения постоянной составляющей не зависят от вида регулятора напряжения и не определяют их. Вид и структура регулятора - одно- или многоконтурный с подчиненным регулированием, релейный, пропорциональный, пропорционально-интегральный и прочее, а также аналоговый он или цифровой - определяются только конкретными требованиями к преобразователю в целом и выбираются исходя из таких категорий, как устойчивость, точность, переходные процессы, вид и диапазон изменения нагрузки и напряжения питания.

5.4 Реализация модульного принципа при разработке бортовых преобразователей нового поколения

Если на входы регуляторов напряжения подаются синусоидальные сигналы, сдвинутые по фазе на угол 120О, выходные напряжения преобразователя также сдвинуты на 120О, если же на все входы подается один сигнал, выходные напряжения инверторов преобразователя будут синхронны и синфазны с точностью до технологического разброса параметров регуляторов.

На этом принципе, с участием автора, разработан однофазный преобразователь ПОС-1000В. Целью разработки являлось создание преобразователя с характеристиками, соответствующими техническому уровню по качеству выходной электроэнергии, массогабаритным характеристикам и ресурсу, взамен устаревшего бортового однофазного преобразователя ПОС-1000Б. Параметры разработанного устройства приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Основные параметры преобразователей ПОС-1000Б и ПОС-1000В

ПОС-1000Б ПОС-1000В

Мощность, ВА 1000 1000

Входное напряжение, В 18 ... 31 18 ... 33

Выходное напряжение, В 115 115

Частота, Гц 400 ± 10 400 ± 0,1

КНИ, %, не более 8 2

КПД, %, не менее 70 80

Ток потребления, А 42 37

Масса, кг 12,5 7,2

Габариты, мм 197х197х490 197х163х420

Встроенный вентилятор есть есть

Перегрузка, % 125 125

Кратность тока КЗ 2 2

Силовая структура преобразователя, показанная на рисунке 5.5, содержит три каскада конвертор - инвертор, соединенные параллельно по входу и выходу. Один из выходных выводов переменного тока соединен с минусовым выводом питания конверторов. Схемотехника и элементная база конверторов изделий ПОС-1000В и ПТС-800БМВ идентичны.

Рисунок 5.5 - Силовая структура однофазного преобразователя П0С-1000В

Структура регулирования инверторной части преобразователя П0С-1000В показана на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Структура регулирования инверторной части однофазного

преобразователя П0С-1000В

Преобразователь содержит один пропорционально-интегральный регулятор напряжения РН и, соответственно, одну главную отрицательную обратную связь по выходному напряжению. Выходной сигнал регулятора напряжения i подается на релейные регуляторы тока РТ каждого канала, управляющие работой силовых ключей соответствующего инвертора. При такой структуре подчиненного регулирования токи параллельно соединенных инверторов делятся с точностью, определяемой разбросом уровней верхнего и нижнего порогов токового коридора регуляторов тока. Поскольку этот разброс определяется точностью и допусками используемых электронных компонентов, то токи через параллельные каналы практически одинаковы. Что было доказано результатами отладки преобразователя.

Конструкция и внешний вид преобразователя П0С-1000В повторяют конструкцию ПТС-800БМВ. Внешний вид преобразователя представлен на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 - Внешний вид преобразователя ПОС-1000В на амортизационной раме

Модульный принцип, заложенный в структуру и схемотехнику разработанных преобразователей (модулями являются блоки инверторов и блоки конверторов), позволяет оперативно создавать новые изделия для СЭС ЛА, имеющие значения параметров, и, прежде всего, мощность, кратные параметрам одного типового модуля или канала преобразования. С участием автора была проведена разработка однофазного инвертора мощностью 200 ВА, предназначенного для установки на легких вертолетах. Преобразователь П0С-200 содержит один преобразовательный модуль, по схемотехнике и принципу функционирования во многом повторяющий работу каналов ПТС-800БМВ с учетом полезных моделей [146-148] (акты внедрения приведены в приложении Н). Масса П0С-200 не превышает 2,0 кг, п —0,8, КНИ < 2%, стабильность частоты на выходе ±1 Гц. Конструкция устройства позволяет заменить использующийся на ряде отечественных вертолетов преобразователь P/N 531-011-А фирмы Auxillec (Франция). Характеристики и описание работы иностранного преобразователя представлены в приложении Б.

Тот же модульный подход с использованием базовых преобразовательных ячеек используется в трехфазном статическом преобразователе ПТС-900В. Это устройство, разработанное с участием автора, по конструкции и структурно-алгоритмическому синтезу схоже с преобразователем ПТС-800БМВ, но имеет повышенную номинальную выходную мощность 900 ВА.

Все преобразователи прошли полный комплекс предварительных испытаний, проведенных при непосредственном участии автора, по требованиям [86-89], а также летные испытания в составе СЭС самолетов СУ-27, СУ-34, СУ-35, ТУ-204СМ, вертолета КА-226. Документация изделия ПТС-800БМВ передана в серийное производство.

Выводы к главе 5

1) Результаты сравнительного анализа доказывают, что использование в разработанном ТИН структуры двойного преобразования, в сравнении с традиционными решениями позволяет значительно уменьшить массогабаритные показатели (масса разработанного преобразователя оказалась в два раза меньше массы существующего аналога).

2) Примененные решения позволили повысить КПД с п=0,75 до П-0,8 по сравнению с существующими образцами.

3) В разработанном преобразователе на практике реализованы технические решения, позволившие ослабить до безопасного уровня ранее выявленный и исследованный в настоящей работе эффект роста напряжения в звене постоянного тока при межфазных коротких замыканиях на выходе преобразователя.

4) Разработанный с участием автора бортовой трехфазный статический инвертор ПТС-800БМВ полностью соответствует предъявленным требованиям Технического задания, что доказано комплексом предварительных, межведомственных и летных испытаний. Указанные выше характеристики

позволяют утверждать, что преобразователь соответствует технике нового поколения.

5) Разработана серия новых проверенных экспериментально технических решений, использованных при проектировании и разработке, с участием автора, ТИН, доведенных до опытных и серийных образцов.

6) Проведенные испытания подтвердили полное соответствие предъявленным требованиям.

7) Для уменьшения уровня постоянной составляющей выходного переменного напряжения, возникающей в реальных схемах, предложен способ устранения этого явления.

Автору довелось принимать непосредственное участие в опытно-конструкторской работе по созданию изделия ПТС-800БМВ, неоднократно упоминавшегося выше. Изучение работы этого преобразователя в некоторых специальных режимах, в том числе, при межфазных коротких замыканиях на выходе, послужило толчком к рассмотрению и исследованию указанных режимов в преобразователях, имеющих альтернативные ПТС-800БМВ структуры, а накопленный опыт позволил написать настоящую работу.

1) Обоснована необходимость совершенствования трехфазных инверторов напряжения вторичных СЭС ЛА. Предложено применение принципа промежуточного высокочастотного преобразования при разработке бортовых инверторов и показана его предпочтительность перед существующими, исторически сложившимися и во многом устаревшими подходами.

2) Выявлены и исследованы наиболее перспективные структуры ТИН с ПВЧП, позволяющие рациональными средствами реализовать современный трехфазный статический инвертор напряжения для вторичных СЭС ЛА.

3) Результаты практической отработки и исследований имитационной модели позволили выявить большой потенциал топологии ТИН с ПВЧП в виде трех однофазных мостов сдвинутых на угол 120°.

4) Результаты экспериментального исследования такой структуры выявили ранее неисследованный эффект неконтролируемого нарастания напряжения на входе инверторной ячейки при межфазных замыканиях. Предложена методика исследования данного явления. Для этого создана соответствующая имитационная компьютерная модель, позволяющая проследить процессы и выявить участвующие в них элементы схемы.

5) Разработаны аппаратно-алгоритмические способы борьбы с перенапряжением в звене постоянного тока при межфазном замыкании и сформулированы рекомендации по их оптимальному применению.

6) Теоретические и экспериментальные исследования формирования силовой нейтрали трехфазной системы напряжений с помощью автотрансформаторной схемы Скотта показывают эффективность ее применения в перспективных ТИН вторичных СЭС ЛА.

7) Предложена структура ТИН с ПВЧП в виде двуканального инвертора с автотрансформаторной схемой Скотта. Решение запатентовано. Разработанная компьютерная имитационная модель выявила присутствие ранее обнаруженного эффекта перенапряжения на входе инверторной ячейки при межфазном замыкании. Несмотря на меньшее количество силовых ключей (8 против 12) и преобразовательных каналов (2 против 3), массогабаритные показатели инвертора уступают другим исследованным в работе структурам за счет повышенной габаритной мощности автотрансформаторной схемы Скотта (56% от мощности преобразования).

8) Предложен вариант ТИН с ПВЧП на базе трехфазного мостового инвертора и создающего силовую нейтраль автотрансформаторной схемы Скотта и показано его преимущество перед альтернативными структурами данного класса. Такой преобразователь характеризуется отсутствием перенапряжений в звене постоянного тока инвертора при межфазных КЗ, реализуется минимальными аппаратными затратами и положительно отличается минимальной габаритной мощностью автотрансформаторного узла (не более 7% мощности преобразователя). Установлено, что в данной структуре возможно эффективное пофазное регулирование выходного напряжения.

9) Результаты исследования позволяют рекомендовать структуру ТИН с ПВЧП и автотрансформаторной схемой Скотта для её использования в разработках перспективных устройств электроэнергетического комплекса ЛА нового поколения.

10) Результаты диссертационной работы использованы в опытно-конструкторских работах по созданию ряда однофазных и трехфазных статических преобразователей, и легли в основу разработки и последующего серийного выпуска трехфазного статического преобразователя ПТС-800БМВ.

Преобразователь полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, предъявляемым со стороны СЭС ЛА, что доказано предварительными, межведомственными и летными испытаниями.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АБ - аккумуляторная батарея;

АСС - автотрансформаторная схема Скотта;

АТ - авиационная техника;

АТВУ - автотрансформаторно-выпрямительное устройство; ГТИ - генератор треугольных импульсов; И - инвертор;

ИОН - исполнительный орган напряжения;

ИЯ - инверторная ячейка;

К - конвертор;

КЗ - короткое замыкание;

КПД - коэффициент полезного действия;

ЛА - летательный аппарат;

ООС - отрицательная обратная связь;

ПВЧП - промежуточное высокочастотное преобразование;

ПО - параметрическая оптимизация;

ПЧ - преобразователь частоты;

РН - регулятор напряжения;

РТ - регулятор тока;

САОр - структурно-алгоритмическая организация;

СЭС - система электроснабжения;

ТВУ - трансформаторно-выпрямительное устройство;

ТИН - трехфазный инвертор напряжения;

Тр - трансформатор;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

ИКМ - имитационное компьютерное моделирование;

ХХ - холостой ход.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Аверин С.В. Моделирование процессов в трехфазном транзисторном инверторе при возникновении межфазных коротких замыканий / С.В. Аверин, В.С. Коняхин, Т.В. Анисимова, А.Н. Данилина, В.В. Крючков, Ю.Г. Следков // Практическая силовая электроника. - 2011. - №3 (43). - с. 21-25.

2) Аверин С.В. Анализ процессов в трехфазных транзисторных инверторах при межфазных замыканиях / С.В. Аверин, В.С. Коняхин, С.Ф. Коняхин,

A.М. Нагорнов, Д.А. Шевцов // Практическая силовая электроника. - 2011. -№1 (41). - с. 25-28.

3) Коняхин С.Ф. МДП-транзисторы в мостовых преобразователях электроэнергии / С.Ф. Коняхин, В.С. Коняхин, А.М. Нагорнов // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2010. - №4. - с. 37-40.

4) Коняхин С.Ф. Преобразовательные структуры трехфазных статических инверторов вторичных систем электроснабжения летательных аппаратов / С.Ф. Коняхин, В.С. Коняхин // Электроника и электрооборудование транспорта. -2012. - №1. - с. 13-18.

5) Коняхин С.Ф. Схема Скотта в бортовых трехфазных преобразователях электроэнергии / С.Ф. Коняхин, В.С. Коняхин, С.В. Аверин // Практическая силовая электроника. - 2013. - №3 (51). - с. 2-8.

6) Коняхин С.Ф. Исследование бортового трехфазного статического преобразователя с мостовым инвертором и автотрансформаторной схемой Скотта / С.Ф. Коняхин, В.С. Коняхин // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2014. - №1. - с. 24-26.

7) Аверин С.В. Влияние параметров контуров межфазного замыкания на электромагнитные процессы в трехфазном инверторе / С.В. Аверин,

B.С. Коняхин, С.Ф. Коняхин // Практическая силовая электроника. - 2014. -№4 (56). - с. 2-4.

8) Аверин С.В. Защита трехфазных транзисторных инверторов в режиме межфазного короткого замыкания / С.В. Аверин, В.С. Коняхин, С.Ф. Коняхин // Электропитание. - 2015. - №1. - с. 26-33.

9) Войтович И.А. Бортовые статические преобразователи шкалы «В» / И.А. Войтович, В.С. Коняхин, С.Ф. Коняхин, А.М. Нагорнов // Электропитание. -2011. - №1. - стр. 16-19.

10) Коняхин С.Ф. Организация вторичной системы электроснабжения в сети переменного тока нестабильной частоты / С.Ф. Коняхин, В.С. Коняхин, А.В. Емельянов, А.М. Нагорнов // Электропитание. - 2012. - №2. - с. 38-43.

11) Мостовой инвертор: пат. 103256 Рос. Федерация: МПК Н 02 М 7/537 / Коняхин В.С., Коняхин С.Ф., Нагорнов А.М.; заявл. 26.11.2010; опубл. 27.03.2011, Бюл. №9. - 2 с.

12) Преобразовательная ячейка: пат. 103255 Рос. Федерация: МПК Н 02 М 7/53 / Коняхин В.С., Коняхин С.Ф., Нагорнов А.М.; заявл. 26.11.2011; опубл. 27.03.2011, Бюл. №9. - 2 с.

13) Преобразователь постоянного напряжения в переменное: пат. 108164 Рос. Федерация: МПК G 05 F 1/12 / Коняхин В.С., Коняхин С.Ф., Нагорнов А.М.; заявл. 01.06.2011; опубл. 10.09.2011, Бюл. №25. - 2 с.

14) Преобразовательная ячейка: пат. 117749 Рос. Федерация: МПК Н 02 М 7/538 / Коняхин В.С., Коняхин С.Ф., Нагорнов А.М.; заявл. 23.03.2012; опубл. 27.06.2012, Бюл. №18. - 2 с.

15) Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное: пат. 126537 Рос. Федерация: МПК Н 02 М 7/537 / Коняхин В.С., Коняхин С.Ф., Нагорнов А.М.; заявл. 05.12.2012; опубл. 27.03.2013, Бюл. №9. - 2 с.

1) Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В.С. Моин, Н.Н. Лаптев. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.

2) Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В.С. Моин. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.

3) Кадель В.И. Силовые электронные системы автономных объектов. Силовая электроника РЭА; выпуск 1 / В.И. Кадель. - М.: Радио и связь, 1990. - 225 с.

4) Бедфорд Б. Теория автономных инверторов ; пер. с англ. под ред. И.В. Антика / Б. Бедфорд, Р. Хофт. - М.: Энергия, 1969. - 280 с.

5) Ромаш Э.М. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович, Н.Н. Юрченко, Н.П. Шевченко.- М.: Радио и связь, 1988. - 288 с.

6) Голубев П.В. Проектирование статических преобразователей / П.В. Голубев, В.М. Карпенко, М.Б. Коновалов.- М.: Энергия, 1974. - 408 с.

7) Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники / Г.С. Зиновьев. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2003. - 462 с.

8) Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин. -М.: Техносфера, 2005. - 632 с.

9) Попков О.З. Основы преобразовательной техники. Учебное пособие для Вузов / О.З. Попков. - М.: Изд-во МЭИ, 2007. - 200 с.

10) Попков О.З. Основы преобразовательной техники. Автономные преобразователи. Конспект лекций: Учебное пособие / Попков О.З. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 64 с.

11) Руденко В.С. Основы преобразовательной техники / В.С. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. - М.: Высшая школа, 1980. - 424 с.

12) Розанов Ю.К. Основы силовой электроники / Ю.К. Розанов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с.

13) Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники / Ю.К. Розанов. -М.: Энергия, 1979. - 385 с.

14) Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты / Ю.К. Розанов - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.

15) Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для ВУЗов / Ю.С. Забродин. - М.: Высшая школа, 1982. - 196 с.

16) Забродин Ю.С. Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием / Ю.С. Забродин. - М.: Энергия, 1977. - 136 с.

17) Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: Учебник для ВУЗов / Г.Н Горбачев, Е.Е. Чаплыгин; под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 320 с.

18) Ковалев Ф.И. Стабилизированные автономные инверторы с синусоидальным выходным напряжением / Ф.И. Ковалев, Г.П. Мосткова, В.А. Чванов, А.И. Толкачев.- М.: Энергия, 1972. - 152 с.

19) Гончаров Ю.П. Автономные инверторы / Ю.П. Гончаров, В.В. Ермуранский, Э.И. Заика, А.Ю. Штейнберг. - Кишинев: Штиинца, 1974. - 336 с.

20) Тонкаль В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа / В.Е. Тонкаль. - Киев: Наукова думка, 1979. - 207 с.

21) Тонкаль В.Е. Многофазные автономные инверторы напряжения с улучшенными характеристиками / В.Е. Тонкаль, Э.Н. Гречко, Н.И. Бухинский. -Киев: Наукова думка, 1980. - 182 с.

22) Тонкаль В.Е. Оптимальный синтез автономных инверторов с амплитудно-импульсной модуляцией / В.Е. Тонкаль, Э.Н. Гречко, Ю.Е. Кулешов. - Киев: Наукова думка, 1987. - 220 с.

23) Чаплыгин Е.Е. Инверторы напряжения и их спектральные модели. Учебное пособие / Е.Е. Чаплыгин. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 64 с.

24) Шидловский А.К. Транзисторные преобразователи с улучшенной электромагнитной совместимостью / А.К. Шидловский, А.В. Козлов, Н.С. Комаров, Г.А. Москаленко. - Киев: Наукова думка, 1993. - 271 с.

25) Редди С.Р. Основы силовой электроники / С.Р. Редди.- М.: Техносфера, 2006. - 288 с.

26) Малышков Г.М. Проектирование инверторов: Учебное пособие / Г.М. Малышков, И.Н. Соловьев. - М.: Изд-во МАИ, 1995. - 45 с.

27) Малышков Г.М. Простые формы выходного напряжения однофазных мостовых инверторов. В кн. Электронная техника в автоматике: Сб. статей; вып. 6; под ред. Ю.И. Конева / Г.М. Малышков, И.Н. Соловьев. - М.: Советское радио, 1974. - с. 89.

28) Малышков Г.М. Инвертор с фазным напряжением, превышающим напряжение питания. В кн. Электронная техника в автоматике: Сб. статей; вып. 14; под ред. Ю.И. Конева / Г.М. Малышков, И.Н. Соловьев, В.К. Баранов, В.В. Крючков. - М.: Радио и связь, 1983. - с.170.

29) Малышков Г.М. Выходные фильтры инверторов в классе Д. В кн. Электронная техника в автоматике: Сб. статей; вып. 12; под ред. Ю.И. Конева / Г.М. Малышков, И.Н. Соловьев, Г.И. Колосова. - М.: Радио и связь, 1981. - с.172.

30) Малышков Г.М. Транзисторные инверторы. В кн. Источники вторичного электропитания; под ред. Ю.И. Конева / Г.М. Малышков, И.Н. Соловьев. - М.: Радио и связь, 1983.

31) Малышков Г.М. Выбор параметров фильтров инверторов. В кн. Электронная техника в автоматике: Сб. статей; вып. 17; под ред. Ю.И. Конева / Г.М, Малышков, В.В. Крючков, И.Н. Соловьев, С.С. Степанов, С.С. Хрунова, Ю.В. Панов. - М.: Радио и связь, 1984. - с.130.

32) Малышков Г.М. Расчет однозвенного фильтра инверторов. В кн. Электронная техника в автоматике: Сб. статей; вып. 15; под ред. Ю.И. Конева / Г.М. Малышков. - М.: Радио и связь, 1981. - с.172.

33) Соловьев И.Н. Выбор режима модуляции инвертора в классе Д. В кн. Электронная техника в автоматике: Сб. статей; вып.14; под ред. Ю.И. Конева / И.Н. Соловьев.- М.: Радио и связь, 1983. - с.179.

34) Лукин А.В. Транзисторные преобразователи электрической энергии ; под ред.

A.В. Лукина и Г.М. Малышкова / А.В. Лукин, Г.М. Малышков, И.Н. Соловьев,

B.В. Крючков и др. - М.: АОЗТ «ММП-Ирбис», 2002. - 228 с.

35) Донской А.В. Теория и схемы тиристорных инверторов повышенной частоты с широтно-импульсным регулированием / А.В. Донской, В.Д. Кулик. - Л.: Энергия, 1980. - 158 с.

36) Булатов О.Г. Автономные тиристорные инверторы с улучшенной формой выходного напряжения / О.Г. Булатов, В.И. Олещук. - Кишинев: Штиинца, 1980. - 113 с.

37) Лабунцов В.А. Автономные транзистрные инверторы / В.А. Лабунцов, Г.А. Ривкин, Г.И. Шенченко. - М.: Энергия, 1967. - 159 с.

38) Крючков В.В. Разработка инвертора в режиме кодового широтно-импульсного регулирования / В.В. Крючков // Практическая силовая электроника. - 2007. -№26. - с. 21.

39) Малышков Г.М. Особенности режима кодового широтно-импульсного регулирования в инверторах / Г.М. Малышков, В.В. Крючков, М.А. Чудесников, С.Н. Алдокимов // Практическая силовая электроника. - 2008. - №29. - с. 12.

40) Мыцык Г.С. Трехфазный инвертор с улучшенным качеством выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции. В кн.: Современные задачи преобразовательной техники; ч. 2 / Г.С. Мыцык, А.Н. Щеглов. - Киев: Наукова думка, 1975. - с.170-178.

41) Мыцык Г.С. Анализ и оценка форм выходного напряжения преобразователей с амплитудно-импульсной модуляцией / Г.С. Мыцык, В.П. Пикулин, Н.Б. Шевякова // Электричество. - 1979. - № II. - с. 25-30.

42) Анисимова Т.В. Инвертор в режиме синусоидальной ШИМ / Т.В. Анисимова, А.Н. Данилина // Практическая силовая электроника. - 2009. - №36. - с.41.

43) Аверин С.В. Синтез ступенчатых выходных напряжений с улучшенным спектральным составом инверторов систем электроснабжения летательных аппаратов / С.В. Аверин, Т.В. Анисимова, А.Н. Данилина, В.В. Крючков // Вестник Московского авиационного института. - 2010. - №5 (17). - с. 103.

44) Michels L. Generalised design methodology of second-order filters for voltage-source inverters with space-vector modulation / L. Michels, R. F. de Camargo,

F. Botteron, H. A. Griidling, H. Pinheiro // IEE Proc. Elec. Power Appl. - 2006. -153, №2. - с. 219-226.

45) Bendre Ashish. Modeling and design of a neutral-point voltage regulator for a -three-level diode-clamped inverter using multiple-carrier modulation / Ashish Bendre, Giri Venkataramanan, Don Rosene, Vijay Srinivasan // IEEE Trans. Ind. Electron. -2006. - 53, №3. - с. 718-726.

46) Румянцев А. Ю. Синтез широтно-импульсного управления однофазным мостовым преобразователем. Труды Научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК. Т.1. Водные пути, гидротехнические сооружения, портовая техника, электромеханика, судостроение и судоремонт / А.Ю. Румянцев. - СПб: Изд-во СПГУВК. - 2005. - с. 168-173.

47) System and method for unbalanced independent ac phase voltage control of a 3-phase, 4-wire output DC/AC inverter: пат. 7177165 США, МПК Н 02 M 7/44 / Deng Duo, Wang Kon-King M.; заявл. 21.06.2004; опубл. 13.02.2007.

48) Patel Hiren. Control of a stand-alone inverter-based distributed generation source for voltage regulation and harmonic compensation / Patel Hiren, Agarwal Vivek // IEEK Trans. Power. Deliv. 2008. 23, №22, с. 1113-1120.

49) Голембиовский Ю.М. Развитие эволюционного метода синтеза схем автономных инверторов напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21: Сборник трудов 21 Международной научной конференции. Т.7. Секция 9. - Саратов: СГТУ. - 2008. -с. 174-176.

50) Чаплыгин Е.Е. Двухфазная широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения / Е.Е. Чаплыгин // Электричество. - 2009. - № 8. -с. 56-61.

51) Litchev A.I. Static converters built of real reactors and capacitors /A.I. Litchev, N.T. Nikolov, E.D. Gadjeva // Int. J. Power and Energy Syst. - 2009. - 29, № 3. - с. 212216.

52) Следков Ю.Г. Схема управления инвертором напряжения в режиме ШИМ / Ю.Г. Следков, И.Н. Соловьев // Практическая силовая электроника. - 2009. - № 36. - с. 37-40.

53) Донской Н.В. Альтернатива векторной ШИМ в трехфазных автономных инверторах напряжения / Н.В. Донской, К.А. Чубуков // Электротехника. - 2010. -№ 7. - с. 17-22.

54) Setvajyothi K. Reduction of voltage harmonics in single phase inverters using composite observers / K. Setvajyothi, P.A. Janakiraman // IEEE Trans. Power. Electron. - 2010. - 25, № 2. - с. 1045-1057.

55) Воронин П.А. Устройство для снижения динамических потерь в ключевых элементах трехфазного инвертора напряжения / П.А. Воронин, И.П. Воронин // Вестник МЭИ. - 2010. -№ 4. - с. 20-25.

56) Векторный способ управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке: пат. 2394346 Рос. Федерация: МПК Н 02М 5/27, Н 02Р 21/00 / Бородин Н.И., Харитонов С.А., Жораев Т.Ю.; заявл. 24.11.2008; опубл. 10.07.2010, Бюл. 19.

57) Albanna A.Z. Harmonic modeling of hysteresis inverters in frequency domain / A.Z. Albanna, C.J. Hatziadoniu // IEEE Trans. Power Electron. - 2010. - 25, № 5-6. -с. 1110-1114.

58) Orfanoudakis G.I. Loss comparison of two and three-level inverter topologies / G.I. Orfanoudakis, S.M. Sharkh, M.A. Yuratich, M.A. Ahusara // 5 IET International Conference on Power Electronics, Machines find Drives (PEMD 2010). - London: IET Conf. Pub; Vol. 563. - 2010. - с. WE143/1-WE143/6.

59) De Dipankar A DC-to-three-phase-AC high-frequency link converter with compensation for nonlinear distortion / De Dipankar, Ramanarayanan Venkataramanan // IEEE Trans. Ind. Electron. - 2010. - 57, № 11. - с. 3669-3677.

60) Hava Ahmet M. A high-performance PWM algorithm for common-mode voltage reduction in three-phase voltage source inverters / M. Hava Ahmet, Emre Un // IEEE Trans. Power Electron. - 2011. - 26, № 7-8. - с. 1998-2008.

61) Однофазный автономный инвертор с широтно-импульспой модуляцией переменного тока: пат. 2420854 Рос. Федерация: МПК Н 02 М 7/539 / Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е., Тонкошкурок Ю.Н., Сулейманов А.Э.; заявл. 11.05.2010; опубл. 10.06.2011.