Комбинированные системы регулирования напряжения электрооборудования летательных аппаратов
Автор: В. М. Куляпин, И. М. Аслямов
Источник: Научная электронная библиотека Киберленинка
Аннотация
Изложены результаты исследования комбинированных систем, связанных с новыми идеями по созданию комплексов устройств, предназначенных для автоматической стабилизации напряжения электрооборудования летательных аппаратов. Определены режимные параметры систем регулирования по возмущению генераторов постоянного и переменного тока. Установлена перспективность развития комбинированных систем автоматического регулирования (КСАР) для микроэлектронных источников питания. Определены общие принципы построения комплексов устройств, включающих регулирование по возмущению и по отклонению. Комбинированные системы автоматического регулирования; использование энергии высших гармоник; система гармонического компаундирования; методы расчета физических процессов в статических и динамических режимах
Введение
Развитие систем электрооборудования летательных аппаратов выдвинуло задачу разработки системотехники, охватывающей вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации сложных систем. Система электроснабжения летательных аппаратов включает различные комплексы устройств, предназначенных для автоматического изменения параметров объекта управления с целью установления требуемого режима его работы.
По типу управления системы автоматического управления подразделяются на замкнутые, разомкнутые и комбинированные (КСАУ).
Основной тип САУ – замкнутые, в которых отклонение управляющей величины от желаемых значений компенсируется воздействием через обратную связь вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Такое управление называется регулированием по отклонению.
В разомкнутых САР управление ведется по жесткой программе, компенсируются лишь главные из возмущений. Такое управление называется управлением по возмущению.
В комбинированных (КСАУ) используются оба этих принципа регулирования (по отклонению и по возмущению). В САУ сложными техническими системами и энергетическими комплексами перспективно применение КСАР.
На кафедре ЭЛА и НТ УГАТУ в течение многих лет исследуются вопросы проектирования, создания, и эксплуатации комбинированных систем автоматического регулирования. Основная трудность создания КСАУ – нахождение режимных параметров, сильно зависящих от возмущений. В данной статье приведены примеры создания комбинированных систем в электрооборудовании постоянного тока, переменного тока, интегральных микроэлектронных систем, что позволило обосновать оптимальные варианты источников питания по массе, габаритам, быстродействию и потреблению электрической энергии.
Генераторы постоянного тока
В генераторах постоянного тока применена комбинированная система регулирования, включающая компенсационную обмотку, которая является элементом системы регулирования по возмущению, и систему регулирования по отклонению (рис. 1).
Системный подход к анализу систем автоматического управления в авиационных генераторах постоянного тока позволил обосновать оптимальный вариант системы по массе и габаритам, получить передаточные функции комбинированных систем автоматического регулирования.
Особенность работы системы регулирования по возмущению в авиационных генераторах постоянного тока заключается в необходимости обеспечить режим самовозбуждения, для чего система регулирования должна быть неустойчивой. Переход системы автоматического управления из неустойчивого состояния в устойчивое обеспечивает нелинейный элемент.
Рис. 1 – Принципиальная схема авиационного генератора постоянного тока
На схеме rв – сопротивление обмотки возбуждения; rc – переменное сопротивление регулятора напряжения; (Rн – сопротивление нагрузки; КО – компенсационная обмотка; ДП – обмотка дополнительных полюсов. Для того чтобы система регулирования по возмущению была неустойчивой необходимо: наличие потока остаточной намагниченности, который создает ЭДС остаточной намагниченности; совпадения по знаку потока обмотки возбуждения с потоком остаточной намагниченности; сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.
Рис. 2 – Относительная характеристика холостого хода и естественные внешние характеристики авиационного генератора постоянного тока
При этих условиях напряжение на шинах генератора не вернется в начальное состояние, точку 1, на характеристике холостого хода (рис. 2), а под действием тока возбуждения будет перемещаться по кривой холостого хода к устойчивому состоянию. Система переходит к устойчивому состоянию вследствие насыщения стали генератора. В точке 2 система находится в устойчивом состоянии. Для этого состояния определим уравнение генератора как объекта регулирования напряжения.
Структурная схема КСАР с компаундирующей связью, не образующей второго канала воздействия возмущения, представлена на рис. 3.
Рис. 3 – Структурная схема генератора постоянного тока
Система описывается передаточной функцией относительно возмущения:
Передаточная функция обращается в нуль при выполнении компаундирующей связи с передаточной функцией:
Это равенство является условием независимости (инвариантности) регулируемой координаты от возмущения. Наличие компенсационной обмотки приводит к тому, что магнитное поле в воздушном зазоре остается практически неизменным при переходе от холостого хода к максимальному току нагрузки.
Применение КСАР позволило снизить массу авиационных генераторов постоянного тока.
Генераторы переменного тока
Результаты исследования КСАР генераторов постоянного тока позволили развить фундаментальные исследования систем регулирования по возмущению и разработки новых комбинированных систем на его основе для систем переменного тока.
Типичная схема фазового компаундирования с самовозбуждением применена в электромашинных преобразователях. Обмотка возбуждения генератора ОВ получает питание через выпрямитель от последовательного VT1 и параллельного VT2.
Система амплиту–днофазового компаундирования по возмущению поддерживает напряжение генератора с точностью 5%. Для повышения точности стабилизации напряжения вводится канал регулирования по отклонению – корректор напряжения.
В Уфимском авиационном техническом университете проведены исследования и разработки комбинированных систем автоматического управления с гармоническим компаундированием бесконтактных авиационных генераторов переменного тока.
Типичная схема авиационного бесконтактного генератора с самовозбуждением и гармоническим компаундированием изображена на рис. 4. На статоре размещена основная 3 и гармоническая обмотка 4. Напряжение гармонической обмотки выпрямляется и подается на обмотку возбуждения возбудителя 6.
Комбинированные системы автоматического регулирования напряжения, сочетающие принцип регулирования по возмущению и по отклонению, возможно создавать без образования второго канала регулирования, рис. 4, или с образованием второго канала регулирования, рис. 5.
Структурная схема САР с компаундирующей связью, образующей второй канал воздействия возмущений, представлена на рис. 6. Система описывается передаточной функцией относительно возмущения:
Рис. 4 – Схема системы гармонического компаундирования бесконтактного авиационного генератора
Рис. 5 – Схема комбинированной системы с регулированием по отклонению на роторе
Передаточная функция Wf обращается в нуль при выполнении компаундирующей связи с передаточной функцией:
В этом случае возмущение не оказывает никакого влияния на регулируемую величину (напряжение генератора).
В бесконтактных генераторах с системой гармонического компаундирования необходимо обеспечить надежное самовозбуждение, то есть в начальный период запуска САУ должна быть неустойчивой. Начало развития самовозбуждения характеризуется: наличием ЭДС остаточной намагниченности стали генератора и возбудителя, а сопротивление цепи возбуждения возбудителя должно быть меньше критического. При этих условиях начинается процесс самовозбуждения, и напряжение генератора возрастает, не возвращаясь к начальному значению. В системах гармонического компаундирования с положительной обратной связью устойчивость системы регулирования напряжения при холостом ходе и нагрузке обеспечивает насыщение стали первой гармонической составляющей поля генератора.
Рис. 6 – Структурная схема САР с компаундирующей связью, образующей второй канал воздействия возмущения
Рассмотрим устойчивость системы гармонического компаундирования при аварийных режимах, в частности, при коротком замыкании основного генератора.
При трехфазном коротком замыкании активное сопротивление пренебрежимо мало, и ток короткого замыкания определяется индуктивным синхронным сопротивлением по продольной оси:
Ток короткого замыкания индуктивный, реакция якоря по первой гармонике продольная размагничивающая. Поле обмотки возбуждения полностью компенсируется полем реакции якоря, магнитная система генератора не насыщена.
Микропроцесорные системы управления
Импульсное преобразование электрической энергии является основной тенденцией совершенствования источников вторичного электропитания бортового оборудования летательных аппаратов. Статические преобразователи являются функциональными блоками, встраиваемыми в аппаратуру летательных аппаратов различного назначения. Они обеспечивают преобразование электроэнергии первичной сети и питание вторичных систем электроснабжения.
Применение микроэлектронных структур, повышение частоты преобразования являются действенными методами снижения массы преобразователей постоянного напряжения. С повышением частоты преобразования проявляется неидеальность ключевых свойств силовых полупроводниковых приборов при применении только систем регулирования по отклонению. Растут динамические потери, возникают значительные перенапряжения за счет наличия паразитных индуктивностей и емкостей. Простой переход на высокочастотное преобразование повышенных напряжений и мощностей не устранил барьеры к получению существенных выгод. Значительные перегрузки ключевых элементов, снижение КПД и высокий уровень помех таких источников явились следствием отсутствия систем регулирования по возмущению, обеспечивающих естественное прекращение процесса передачи энергии. В плане применения систем регулирования по возмущению перспективным является появление резонансных преобразователей– устройств нового типа, способных автоматически прекращать рабочий цикл сразу после передачи кванта энергии. Регулирование по возмущению обеспечивает коммутацию электрической энергии при нулевых значениях тока или напряжения, гармонически изменяющихся в силу физической природы резонанса. Такая система позволила практически устранить потери на переключение и регулирование.
Двухсторонний ключ
В статических преобразователях емкостных накопителей энергии частота преобразования выбирается из условия обеспечения минимума габаритов и потерь. Вместе с тем повышение частоты требует соответствующей организации процессов переключения силовых полупроводниковых приборов, поскольку все более проявляется неидеальность ключевых свойств транзисторов и возникновение значительных перенапряжений и высокочастотных колебаний в моменты коммутации.
Особенность работы однотактных преобразователей на емкостной накопитель энергии заключается в периодической смене режимов работы от короткого замыкания, в момент начала зарядки накопителя, до холостого хода, когда накопитель заряжен до максимального напряжения. А режим холостого хода однотактного преобразователя опасен изза возникновения высоких перенапряжений.
Введение в силовую цепь преобразователя постоянного напряжения двустороннего ключа обеспечивает плавную форму тока или напряжения на силовых ключах, что позволяет исключить указанные выше недостатки. Данный подход положен в основу резонансного однотактного преобразователя постоянного напряжения.
Выводы
На основании исследования авиационных КСАР напряжения, частоты генераторов постоянного и переменного тока, КСАР полупроводниковых источников на основе микроэлектронных устройств установлены общие принципы построения таких систем.
При комбинированном регулировании основной трудностью на пути реализации является необходимость измерения главных возмущений. В некоторых случаях эту трудность удается обойти, используя косвенные методы измерения возмущений. Поэтому первое требование – это отыскание режимных параметров (координат), сильно зависящих от возмущений, т. е. использование так называемого компаундирования по таким координатам.
В комбинированных КСАР основное регулирование осуществляется при помощи разомкнутых компенсирующих контуров по главному возмущению. Поэтому необходимо, чтобы контур регулирования по отклонению обеспечивал самовозбуждение системы без постороннего источника энергии.
КСАР в режиме самовозбуждения должна быть неустойчивой, чтобы система из начального положения переходила в устойчивое состояние.
Для перехода КСАР в устойчивое состояние при номинальных параметрах необходимо наличие нелинейности, которая приводит к переходу КСАР из неустойчивого режима – к устойчивому.
Реализации системы гармонического компаундирования осуществляется при условии, что, реакция якоря по v–й гармонике должна быть направлена встречно реакции якоря по основной гармонике.
КСАР при аварийных режимах генераторов переменного тока остается устойчивой при установившихся коротких замыканиях за счет насыщения стали полем третьей гармоники.
Список использованной литературы
1.Кулебакин В. С. Высококачественные инвариантные системы регулирования. Теория инвариантности и ее применение в автоматических устройствах / В. С. Кулебакин. Киев: Изд–во АН УССР, 1959.
2. Кулебакин В. С. Системы электроснабжения летательных аппаратов / В. С. Кулебакин, В. Т. Морозовский, И. М. Синдеев, К. Д. Рунов. М.: Машиностроение, 1973. 420 с.
3. Утляков Г. Н. Комбинированные системы регулирования напряжения синхронных генераторов / Г. Н. Утляков, В. М. Куляпин, Е. В. Бовтрикова. М.: Изд–во МАИ, 1998. 224 с.
4. Куляпин В. М. Системы электрооборудования летательных аппаратов (транзисторные преобразователи) : учеб. пособие/ В. М. Куляпин, Г. Н. Утляков. М.: МАИ, 2004. 115 с.
5. Куляпин В. М. с. 1417134 (СССР). Однотактный преобразователь постоянного напряжения / В. М. Куляпин, М. Ф. Мударисов, Ю. А. Никитин, В. Н. Гладченко, Р. Р. Сулейманов. Заявл. 26.06.86. Опубл. 15.08.88. Бюл. № 30. 6 с. трансформаторов.