автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование возможностей глубокой модернизации аэродромных светосигнальных систем посадки

На правах рукописи Мирошниченко Александр Васильевич

Исследование возможностей глубокой модернизации аэродромных светосигнальных систем посадки

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 1 МАР 2013

Москва-2013

005050773

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мыцык Геннадий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Халю-тин Сергей Петрович, ведущий конструктор ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт».

кандидат технических наук, Коняхин Сергей Федорович, главный конструктор ОАО «Аэроэлектромаш» по направлению «Преобразовательная техника».

Ведущая организация: ФГУП ГосНИИ «Аэронавигация», г. Москва.

Защита состоится «1» марта 2013 г. в аудитории М-611 в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при «Национальном исследовательском университете «МЭИ» (111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 13, корп. «М»).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Автореферат разослан « ЗУ» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профес9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Светосигнальная система посадки (ССП) предназначена для обеспечения безопасного взлета и посадки воздушных судов (ВС) при различных условиях видимости. Она содержит систему аэродромных огней (АО) различного цвета, объединенных в независимые цепи, называемые кабельными кольцами (КК). Регулирование интенсивности свечения АО с высокой степенью точности является основной задачей системы электроснабжения ССП. Характерной особенностью традиционных ССП являются: высокое напряжение в магистральном кабеле (до 5000 В) при относительно невысоком токе (до 6,6 А). Это предопределило необходимость применения оригинальных дорогостоящих элементов ССП: специального магистрального кабеля и разделительных трансформаторов (РТ) для каждого АО. Функция регулирования осуществляется однофазным тиристорным преобразователем спосбом фазового регулирования переменного напряжения на частоте сети (50 Гц). В эксплуатации он называется регулятором яркости (РЯ). В связи с тем, что РЯ однофазные, а их количество и мощность в ССП для каждого конкретного аэродрома различны, подключить их так, чтобы обеспечить симметричную нагрузку для питающей аэродром трехфазной сети, практически невозможно.

Актуальность проблемы

Постоянный рост цены на энергоносители предопределил мировую тенденцию развития энерго- и ресурсосберегающих технологий (ЭРСТ). В России данный вопрос поднят на уровень государственной программы: «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года».

Несмотря на большую теоретическую проработку вопросов преобразовательной техники в области электроснабжения и потенциальную перспективность применения промежуточного высокочастотного преобразования (ПВЧП) энергетического потока (ЭП) для решения задач ЭРСТ, опыт практического использования ПВЧП в системах электроснабжения ССП сегодня невелик. Появление промышленных образцов сверхмощных светодиодов и матриц (СДМ), кардинально улучшившиеся в последние годы частотные и мощностные характеристики транзисторов и диодов создали необходимые предпосылки для практического освоения ЭРСТ при построении ССП, что позволит снизить потребляемую из сети электрическую мощность в 3-5 раз, а массогабаритные показатели ССП при применении ПВЧП улучшить более, чем на порядок по сравнению с традиционной структурой. Вы-

ходные технические параметры ССП и составных частей при этом должны (и будут) оставаться на прежнем уровне. Создание энергетически эффективных и экономически выгодных ССП востребовано как для гражданской, так и для государственной авиации. Отличительным существенным признаком таких ССП будет относительно низкое значение напряжения и тока в КК (до 1000 В и до 3 А соответственно).

Цель работы Целью диссертационной работы является:

1. Исследование возможностей кардинального улучшения технико-экономических показателей и энергоэффективности ССП;

2. Комплексное решение инженерных задач по разработке средств реализации этих новых возможностей;

3. Технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта.

Методы исследования

Для решения поставленных в работе задач используются: общие положения теории электрических цепей, математический аппарат рядов Фурье, разделы дифференциального и интегрального исчисления, методы теории автоматического управления, а также современные средства имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) с использованием специализированных программ пакета ОгСАИ, МаЛСас!, методы технического творчества.

Научная новизна работы

1. Представлены результаты поискового исследования возможности улучшения характеристик ССП в рамках государственной стратегии энергосбережения и ужесточения требований по электромагнитной совместимости за счет внедрения системы электропитания постоянным током (СЭПТ) для ССП, в которых применен альтернативный источник света - СДМ.

2. Разработано схемотехническое решение РЯ на базе трехфазного мостового выпрямителя с бестрансформаторным входом и ПВЧП ЭП, позволяющее обеспечить в АО стабильность светового потока, одинаковую с традиционными АО, использующими галогенные лампы (ГЛ). При этом оказалось возможным снизить требования к суммарной нестабильности выходного тока. В новом РЯ обеспечено снижение коэффициента гармоник потребляемого из сети тока (Кпд) во всех режимах до уровня требований, определяемых ГОСТом 13109-97.

3. Предложенные решения позволили заменить материалоёмкие и дорогостоящие элементы ССП (разделительные трансформаторы и магистральный кабель) на более дешевые. При КПД РЯ равном 0,89

достигнуто снижение массы активных элементов не менее, чем в 10 раз, объёма активных элементов - в 40 раз, потребляемой мощности - в 4,8 раза, а себестоимости в 1,5-2 раза.

4. В доказательство перспективности проекта выполнено технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта СЭПТ на базе СДМ.

Практическая значимость работы

Работа выполнена в интересах ОАО «ГОКБ «Прожектор» - разработчика и производителя отечественных ССП. Предложенные технические решения используются при проектировании первой отечественной ССП на базе необслуживаемых светодиодных АО.

Апробация работы

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: на ХУ11-Й, ХУШ-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в НИУ «МЭИ» и на кафедре ЭКАО НИУ «МЭИ».

На защиту выносятся:

1. Формулировка тенденций развития ССП, вытекающая из обзора СИ, результатов систематизации и классификации технических решений.

2. Доказательство эффективности применения системы электропитания постоянным током (СЭПТ) в ССП с использованием СДМ, полученное с помощью ИКМ, физического эксперимента и ТЭО.

3. Результаты исследования показателей качества: интегрального коэффициента качества (1кк) и сравнительной технико-экономической эффективности (Э), характеризующих энерго- и ресурсосберегающие решения при построении ССП с использованием СЭПТ.

4. Результаты синтеза силовой части и СУ РЯ с экспериментальным доказательством эффективности решения.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (среди них 2 патента на полезную модель и 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК: «Электричество», «Практическая силовая электроника»).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 134 страниц и содержит 50 рисунков, 30 таблицы, 106 наименований списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и решаемые в диссертации задачи.

В первой главе рассмотрено назначение ССП, отмечена важность надежной работы системы энергоснабжения ССП и опасные последствия, к которым может приводить его отказ. Рассмотрены современные принципы построения ССП, эквивалентная схема КК и энергетические показатели эффективности РЯ.

Любая ССП состоит из нескольких подсистем РЯ-КК, объединенных системой управления (СУ). Отмечено, что АО могут запиты-ваться двумя способами: с помощью последовательных или параллельных цепей, т.е. с помощью стабилизированного тока или напряжения соответственно. Для аэродромов, работающих в простых метеоусловиях, применяются оба способа. Для аэродромов, работающих в сложных метеоусловиях, последовательное включение АО до сих пор считается единственно целесообразным ввиду жестких требований к равномерности их свечения. Поэтому КК параллельного типа в работе не рассматриваются.

Сделан вывод о том, что применяемые сегодня подсистемы РЯ-КК (рис. 1) определяют эффективность, в том числе экономическую, всей ССП. А относятся они к типу подсистем с централизованным управлением яркостью АО.

1 КЗ т 99\

-----■ »1 9 9 9 -ЦВ , 1 1>Т РТ ПТ РТ

КК

Рис. 1. Схема питания АО в КК последовательного типа.

РЯ - это многоступенчатый регулятор-стабилизатор переменного тока, работающий на переменную нагрузку и имеющий следующие основные технические характеристики: выходная мощность: 2-30 кВА, выходной ток - 6,6 А, суммарная нестабильность действующего значения тока на максимальной ступени яркости АО - 2%.

Требования к значению и стабильности выходного тока обусловлены техническими характеристиками светового излучателя (СИ). Для современных АО - это низковольтная ГЛ, которая очень чувствительна к изменениям тока. Показано что, если рабочий ток ГЛ выше номинального на 5%, то её срок службы сокращается на 30%. С другой стороны даже незначительное снижение тока приводит к существенному

снижению интенсивности свечения ГЛ, что недопустимо при обеспечении безопасной посадки ВС в сложных метеоусловиях.

Рассмотрены критерии, позволяющие количественно оценить влияние РЯ на систему электроснабжения аэродрома, из которых особо выделен коэффициент гармоник тока. Подчеркнуто, что наличие высших гармоник приводит к увеличению потерь в изоляции кабеля, что снижает КПД подсистемы РЯ-КК и сокращает срок службы кабеля. Отмечено, что наиболее часто применяется режим до 30% яркости, а для этих режимов КГ(!) находится в пределах 0,45 - 0,65. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) РЯ на частоте промышленной сети требует применения громоздких и дорогих фильтров или компенсаторов и является недостатком традиционных РЯ.

Основные выводы по главе 1: ключевым элементом, определяющим облик и основные тактико-технические требования к ССП, является АО; основным структурным компонентом, определяющим технико-экономическую эффективность ССП, является подсистема РЯ-КК; улучшение технико-экономических показателей подсистемы РЯ-КК целесообразно вести в направлении симметрирования нагрузки питающей сети, снижения несинусоидальности входного, исключения несинусоидальности выходного тока при радикальном снижении напряжения в КК.

Во второй главе рассмотрены три варианта построения подсистемы РЯ-КК, разрабатываемых ОАО «ГОКБ «Прожектор» совместно с НИУ «МЭИ», для повышения эффективности ССП в рамках программы модернизации ССО.

Первый вариант - модернизация ССП с КК последовательного типа - характеризуется разработкой новой структуры и алгоритма работы РЯ на базе принципа многоканального преобразования ЭП на частоте 50 Гц. Остальные элементы ССП не затрагиваются. В работе этот вариант получил название: частичная структурно-алгоритмическая модернизация подсистемы РЯ-КК централизованного типа. Это решение позволяет улучшить ЭМС, повысить точность измерения действующего значения выходного тока, снизить уровень акустических шумов. Разработанные здесь решения используются сегодня в ОАО «ГОКБ «Прожектор» в проекте частичной модернизации ССО.

Второй вариант - модернизация ССП с КК параллельного типа. В основе лежит современная тенденция максимального приближения источников вторичного электропитания к электроприемникам. В работе этот вариант получил название: подсистема РЯ-КК децентрали-

зованного типа. При таком подходе к синтезу ССП преобразованию подвергается не только РЯ, но и элементы КК - здесь применено преобразование ЭП на высокой частоте (ВЧ). Работы, проводимые в рамках второго варианта, позволят: обеспечить симметрирование нагрузки по фазам питающей сети; исключить изменение яркости свечения АО вдоль КК.

Третий вариант - глубокая модернизация, а, по сути, разработка новой ССП с КК последовательного типа, с использованием в качестве СИ СДМ. Основная цель - ЭРСТ в систему электропитания ССП. В работе проект получил название: система электропитания ССП постоянным током (СЭПТ).

Ключевой предпосылкой для глубокой модернизации явилось появление СИ нового типа - сверхмощных светодиодов и матриц, работающих от источников напряжения постоянного тока, что обуславливает переход на питание КК постоянным током и возможность применения в звене преобразования тока, регулирования и трансформации напряжения на ВЧ.

В мировой практике имеются примеры использования светодиодных АО, в основном на действующих аэродромах Северной Америки. Но там применение светодиодных АО не изменило облик аэродрома, т.к. не изменилась схема их электропитания: светодиодные АО включили в прежние КК переменного тока 6,6 А.

Таблица 1

Класс В ГШ Число огней в КК ВПП, шт. Мощность КК с ГЛ, Вт Мощность КК с СДМ, Вт

III 28 1820 274,4

II 40 2600 392

I 51 3315 548,8

В работе установлены основные конструктивные особенности и технические характеристики СДМ, обеспечивающие практические преимущества перед ГЛ:

- высокая устойчивость к механическим воздействиям;

- высокая световая отдача (80 лм/Вт для серийных светодиодов белого свечения);

- более высокий уровень цветовой насыщенности и блеска по сравнению с ГЛ из-за монохроматического излучения;

- высокий уровень термостабильности (для XL 7090 фирмы CREE деградация составляет 3-4% за 30000 часов при температуре перехода +80 °С);

«

i

- длительный срок службы (более 50000 ч, а для ГЛ - 1000 ч);

- низкое энергопотребление (таблица 1) и высокие экономические показатели (таблица 2).

Предложена структурная схема подсистемы РЯ-КК с использованием СДМ (рис. 2). Она кардинально отличается от традиционной тем, что применено питание от промышленной трехфазной сети, отсутствуют громоздкие и дорогие элементы: низкочастотный трансформатор в РЯ и РТ в КК; используется более дешевый магистральный кабель.

Таблица 2

Тип СИ Стоимость СИ, руб. Мощность СИ, Вт. Срок службы СИ, ч. Оплата электроэнергии за 10 лет*, руб. Расходы на покупку СИ за 10 лет, руб. Суммарные расходы за 10 лет, руб.

ГЛ КГМ-6,6-65 300** 65 1000 14634 13140 27774

СДМ Huey JannHPR20 2800** 9,8 30000 2206 5600 7806

* - данные указаны для времени горения ламп по 12 ч в сутки и тарифе для учреждений на 2011 г. (5,14 руб/кВт-ч); ** - цена 2011 г.

Рис. 2. Схема питания светодиодных АО в КК последовательного типа.

Исходя из современных требований ИКАО к силе света АО с ГЛ произведен расчет светового потока светодиодных АО для проекта с помощью программы MathCad. С помощью полученных данных осуществлен поиск СДМ на рынке светодиодов. В качестве СИ для проекта выбраны СДМ НРВ8Ь и HPR20D фирмы Huey Jann.

Доказано, что для обеспечения требуемых характеристик, при синтезе структуры РЯ целесообразно использовать схемы с двойным преобразованием ЭП. Преобразование на ВЧ позволит снизить удельный массовый показатель трансформатора с 10 -12 кг/кВ-А при частоте преобразования 50 Гц до 0,06 - 0,1 кг/кВ-А на ПВЧП 40 кГц.

Основные выводы по главе 2: СЭПТ удовлетворяет сразу двум

важным направлениям совершенствования техники - ресурсосбережению и энергосбережению. Технико-экономические характеристики ССП в целом существенно улучшаются ввиду: снижения массогаба-ритных показателей оборудования; снижения энергопотребления; исключения из схемы РТ; уменьшения дополнительных потерь в КК; удешевления кабельной сети; увеличения срока службы кабеля и АО.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по установлению фактической зависимости светового потока ГЛ КГМ-65 и С ДМ НР112(Ю от потребляемого тока. Результаты измерений использованы для уточнения требований к суммарной нестабильности выходного тока нового РЯ (РЯ-500). Проведенный анализ показал, что изменение тока через ГЛ на 2% приводит к изменению силы света на 13,94%. Для СДМ НРК2(Ю изменение силы света на 13,9% происходит при изменении силы тока на 20,8%.

Таким образом, применение СДМ позволило снизить требование к суммарной нестабильности выходного тока РЯ-500 с 2 до 20%. Выбор частоты (40 кГц) преобразования осуществлен как результат системного проектирования ВЧ трансформаторов для преобразователей: найден компромисс между увеличением массы трансформатора на частоте преобразования 40 кГц относительно оптимума 30 кГц и требований ТЗ в части снижения шума РЯ-500.

Таблица 3

Параметр Рнагр, Вт Рпот. КК, Вт ивых на 3-й ступени, В ІІКК, Ом Точность стабилизации не менее, А Ргаб. транс ф., ВА

Значение 372 8,2 530 758 0,14 525

По полученным данным выполнены предварительные расчеты (таблица 3), разработана функциональная (рис. 3) схема РЯ-500: входной сетевой фильтр (1), автоматическое защитное устройство по току (2), трехфазный неуправляемый НЧ выпрямитель (3) при необходимости с корректором коэффициента мощности (4), однофазный инвертор напряжения (ОИН) (5), однофазный ВЧ трансформатор (6), неуправляемый ВЧ выпрямитель (7), выходной фильтр (8), датчики тока и напряжения (9), опторазвязка или сигнальный трансформатор (10), блок управления (11), дополнительный источник питания внутренних нужд (12).

В результате анализа ТЗ в качестве преобразователя для РЯ-500 выбран ОИН (рис. 4) полумостового типа. Рассмотрены остальные узлы функциональной схемы и осуществлен выбор типа ключей. Анали-

тическим методом проведена оценка потерь в ключах при допущении того, что за время открытого состояния ток транзистора остается приблизительно постоянным, а коэффициент заполнения равен 0,5 и сделаны выводы о том, что комбинация СооШОБ и \JltraFast-диода является эффективной альтернативой ЮВТдпя применения ее в проекте.

Рис. 3. Функциональная схема РЯ-500.

Транзисторы (УТ1, УТ2) и диоды (УЗ, 4, 7 - 10) должны иметь время восстановления агг= 35-80 не и быть рассчитаны на обратное напряжение не ниже 600 В, токи до 10 А. Для проекта выбраны

цап

к ацп вч

сч

Рис. 4. Принципиальная схема силовой части РЯ-500.

транзисторы П^РСбОРЬР и диоды НЕЯ-ЗО 1(308), удовлетворяющие этим требованиям. Для ВЧ трансформатора выбран кольцевой ферри-товый сердечник К40*25*22 марки 2000НМ1.

Расчет конденсаторов (Сь С2) делителя ОИН произведен по модели О. И. Хасаева (полученное их значение С]= С2 = 0,3 мкФ). Адекватность моделей проверена с помощью ИКМ и физического моделирования. Анализ процессов в структуре ОИН показал, что она обладает свойством автоматического выравнивания напряжений на конденсаторах при неравенстве значений их емкостей или сопротивлений открытого канала транзисторов. Это свойство исключает возможность одностороннего замагничивания ВЧ трансформатора на выходе ОИН.

Показано, что имеется возможность снижения массогабаритных и стоимостных показателей РЯ-500, если функцию сглаживания низкочастотных пульсаций напряжения (с частотой 300 Гц на выходе трехфазного НЧ неуправляемого выпрямителя) снять с конденсаторного делителя и передать ее контуру отрицательной обратной связи (КО-ОС) по выходному току ОИН, обеспечивающему его регулирование и стабилизацию. Эта возможность в работе реализована и подтверждена экспериментально.

В четвертой главе определены внешние возмущающие воздействия, влияющие на значение выходного тока РЯ-500: нестабильность напряжения первичной сети, нестабильность частоты напряжения питающей сети, изменение полного сопротивления КК при выходе из строя АО, а также изменение параметров комплектующих элементов с течением времени и под воздействием внешних условий._

Рис. 5. Имитационная компьютерная модель РЯ-500.

Отмечено что, воздействие нестабильности частоты напряжения

питающей сети в проекте по определению исключено применением входного неуправляемого выпрямителя, а устранение остальных возмущающих воздействий возложено на СУ.

В среде программы ОгСав. разработана модель силовой части и СУ РЯ-500 (рис. 5).

Рис. 6. Осциллограмма выходного тока Рис. 7. Осциллограмма выходного РЯ-500 (без КООС при ЬС =20000 тока РЯ-500 (с КООС при ЬС = 2

мкФ*мкГн). мкФ*мкГн).

Для управления выходным током преобразователя с Г-образным фильтром на стороне постоянного тока выбран метод широтного регулирования (ШР) с отрицательной обратной связью по току, обеспечивающей его стабилизацию на трех перестраиваемых уровнях.

В качестве прототипа выбрана схема СУ серийного выпускаемого ОАО «ГОКБ «Прожектор» РЯ. С помощью модели уточнены параметры программы для контроллера 1882ВЕ53У.

В пятой главе приведены результаты проверки соответствия структурно-алгоритмических решений проектному замыслу методом ИКМ основной функции РЯ-500 по преобразованию переменного тока сетевого трехфазного напряжения 3801|зВ в напряжение постоянного тока с тремя ступенями регулирования: 0,1 А; 0,28 А; 0,7 А с точностью стабилизации этих уровней ±10% при уровнях выходного напряжения 516, 682 и 750 В соответственно. Проведенное исследование следует характеризовать как макромоделирование ввиду принятых упрощений: нелинейность материала магнитопровода и потери в нем не учитывалась, вместо транзисторов использовались идеальные ключи, управляемые напряжением.

Модель трансформатора, отражающая две основные функции -трансформацию ЭП и гальваническую развязку нагрузки от питающей электросети, задавалась значениями индуктивностей обмоток (индуктивность первичной обмотки - 6,2 мГн, вторичной - 35,6 мГн). Все

остальные элементы схемы представлены моделями из библиотеки ОгСАИ, что является еще одним допустимым упрощением. Установлено, что РЯ-500 имеет импульсное потребление тока, а коэффициент гармоник тока (КГ(0) при работе без входного фильтра составляет 43%, что не соответствует требованиям ГОСТ 13109-97. Для улучшения ЭМС на входе схемы РЯ-500 (и в его модель) введен симметричный П-образный фильтр и методом ИКМ проведен выбор его параметров. Размах амплитуды пульсаций выходного тока на максимальной ступени 0,7 А и при сопротивлении нагрузки 758 ом составляет 0,063 А. Таким образом, даже при разомкнутом КООС и параметрах выходного фильтра ¿ф= 1000 мкГн, Сф = 20 мкФ выходной ток преобразователя соответствует требованиям ТЗ (рис. 6). Подключение КООС позволило получить размах пульсаций выходного тока: 0,053 А при параметрах выходного фильтра: 1ф= ЮмкГн, Сф= 0,2 мкФ (рис. 7). В ходе ИКМ определены действующие значения и формы кривых токов, протекающих через основные узлы модели, исследовано влияние несимметричности емкостного делителя ОИН на одностороннее замагничи-вание сердечника трансформатора.

Исследование показало, что при несимметрии емкостей конденсаторного делителя ОИН, т.е. при С] Ф С%, в начале цикла заряда конденсаторов (в переходном режиме), действительно, имеет место разница напряжений на них, которая, однако, через несколько десятков периодов стремится к нулю. Но, тем не менее, даже в переходном режиме это не влечет за собою несимметрию полуволн выходного напряжения ОИН и, следовательно, не вызывает одностороннее за-магничивание трансформатора. Для определения КПД применен расчет баланса мощностей РЯ-500.

Таблица 4

Вариант фильтра (Ь, мкГн* С, мкФ) Кг®, % Расчетный КПД модели РЯ-500 Расчетный КПД макета РЯ-500

А (10*1) 21 0,98 0,91

Б(10*3) 12,7 0,97 0,9

В(10*5) 8 0,96 0,89

Г(10*8) 5 0,96 0,89

Для расчета (таблица 4) принято, что Рвьгх= 525 Вт, а Ри — активная мощность, потребляемая РЯ, найдена с помощью модуля быстрого преобразования Фурье программы ОгСас!, как среднее за период значение потребляемой мгновенной мощности (активная мощность, выработанная источником):

Р« = ■ иА{ь) + ш ■ ив(1) + /с(0 ■ ис(х))м,

гДе: в,с и - значения тока и напряжения в фазах А, В, С.

Исходя из данных таблицы 4, выбран фильтр с параметрами варианта «В» и сделано заключение о правильности расчетов элементов силовой схемы РЯ-500.

СУ РЯ-500 (рис. 8, 9) обеспечивает стабилизацию и регулировку выходного тока при изменении сопротивления нагрузки в диапазоне

V

TT

| | :

1 j ! j :

1 ik Ulli :

г ! , IIIIII

! ; i 1

| ;

f i j |

Рис. 8. Выходной ток РЯ-500 при

Рис. 9. Выходной ток РЯ-500 при ивх=380+,"°

ивх=380 .и»/, В и Ян =100%. ивх=380тшу°.15о/о В и Я,, =50%.

от 50 до 100%, а входного напряжения от +10 до -15% от номинального. Для уточнения режимов работы был собран макет РЯ-500. В качестве СУ использовались плата датчика тока и блок управления, применяемые в серийном РЯ.

Конструктивно макет силовой части выполнен как функционально законченный блок, элементы которого размещены на печатной плате прямоугольной формы размером 250*122 мм. Амплитуда пульсаций выходного тока макета, измеренная осциллографом АСК-2035, составила 60 мВ при сопротивлении нагрузки 750 Ом.

Основные выводы по главе 5\ результаты ИКМ подтверждают соответствие модели РЯ-500 проектному замыслу и требованиям ТЗ во всех исследованных режимах; расчетные данные элементов модели и макета силовой части РЯ-500 совпадают с точностью не хуже 5%; результаты экспериментальных исследований макета подтверждают соответствие его требованиям ТЗ.

В шестой главе проведено ТЭО проекта путем сравнения разрабатываемого устройства с базовым образцом (БО). Сравнение БО с проектом проведено по методике оценки перспективности опытно-конструкторских работ на предприятиях промышленности (ОАО «ГОКБ «Прожектор»). Алгоритм методики (рис.10) включает 3 стадии

расчетов: предварительную оценку; расчет цены потребления; расчет значений интегральных коэффициентов (таблица 5); принятие 2 управленческих решений и этап разработки бизнес-плана проекта. Расчетные этапы позволяют получить численные значения коэффициентов по критериям сравнения БО и проекта. Интегральные коэффициенты служат основанием для принятия управленческого решения при оценке технических решений (1кк) и перспективности внедрения (Э) проекта. Разработка бизнес-плана, относится к области производства и продвижения продукта на рынке, не входит в круг вопросов решаемых в работе и поэтому опущена.

Рис. 10 Алгоритм ТЭО проекта.

На этапе предварительной оценки проекта осуществлен выбор БО, определены критерии сравнения (КС) и коэффициенты улучшения (КУ) выделенных характеристик проекта, произведена оценка преимуществ проекта перед БО по выбранным критериям сравнения путем расчета значения интегрального коэффициента качества

Ввиду доступности конструкторской и финансовой документации, из представленных на рынке и близких по характеристикам (установленной мощности) к проекту, в качестве БО выбран РЯ производства ОАО «ГОКБ «Прожектор».

Таблица 5

Обозначение Формула Наименование

Э 1(тэ п)/1(тэ БО) Сравнительная технико-экономическая эффективность

1т/1с Интегральный технико-экономический показатель

I, 3 1=1 Интегральный технический показатель

1с Цбо + КБО + ЭБ0 Цп + к„ + эп Интегральный стоимостный показатель

"кк П Л ГЬ (=1 Интегральный коэффициент качества

В качестве критериев сравнения выбраны: выходная мощность, удельный объемный показатель и нестабильность выходного тока. Эти показатели являются информативными, т. к. характеризуют объекты сопоставления, имеют объективную количественную оценку и некоррелированны (таблица б). Обозначения сокращений (таблица 5): «п» -проект; а,- — весовой коэффициент г-го параметра; — значение /-го параметра; Ц - цена, К - капитальные затраты, Э - эксплуатационные затраты; С1 - коэффициент улучшения.

Таблица 6

Показатель Ед. изм. БО (ь.) Проект (Ъ.) Коэф. улучшения (с,) Весовой коэффициент (а1)

Выходная мощность кВА 2,5 0,53 4,8 0,6

Нестабильность выходного тока % 2 20 0,1 0,3

Удельный объемный показатель ВА/дм3 4,9 53,4 10,8 0,1

Во втором этапе произведен расчет цены потребления проекта и БО. В работе установлено, что основным элементом ССП, является подсистема РЯ-КК, поэтому при определении цены потребления остальные элементы из расчетов исключены.

При расчете 1С принято, что в понятие капитальные затраты входит только себестоимость продукции, так как расходы на перевозку, монтаж БО и проекта сравнимы.

Цп = Сря-кк + Пр,

где: Сря-кк — себестоимость подсистемы РЯ-КК, руб.; Пр — при-

быль, руб.

Сря-кк СрЯ + п ■ Сао + Скс + п ■ СрТ, где: Сря - себестоимость РЯ (БО или проекта), п - количество АО в КК, Сао- себестоимость одного АО, Скс- себестоимость кабельной сети, Срт- себестоимость одного РТ.

Показано, что последние три слагаемых из формулы определения Сря-кк можно исключить и утверждать, что при сохранении положительного относительного баланса себестоимости проекта вся подсистема РЯ-КК будет экономически оправдана, т.к. удорожание от применения СДМ вместо ГЛ в АО покрывается дешевизной магистрального кабеля для СЭПТ. Исключение из схемы проекта РТ еще более увеличивает экономию.

Себестоимость БО продукции вычислена с помощью метода нормативной калькуляции, а проекта — методом экспертной оценки. Калькуляция каждой составляющей затрат произведена на основе спецификаций комплекта конструкторской документации. Транспортно-заготовительные расходы приняты в размере 10% от стоимости материалов и покупных изделий. Цены на покупные изделия - среднерыночными. Трудоёмкость работ установлена экспертным путём исходя из конструктивных и технологических особенностей проекта. Накладные расходы определены в процентном отношении к основной заработной плате производственных рабочих следующим образом: расходы на содержание и эксплуатацию оборудования — 140%, цеховые расходы — 50%, общезаводские расходы — 100%. Величина закладываемой прибыли - 10% от себестоимости. Размер налога на добавленную стоимость (НДС) - 18% от продажной цены проекта за вычетом уже уплаченного НДС. В работе получено, что цена потребления БО составляет 468116,85 руб, а проекта - 244508,44 руб. Более низкая цена проекта в сравнении с БО очень привлекательная характеристика изделия с позиций конечного потребителя даже при равных технических показателях.

На этапе расчета интегральных коэффициентов получены их численные значения (таблица 7). Численные значения весовых коэффициентов (ВК или аг) каждого параметра установлены экспертным методом, исходя из важности этих параметров для потребителя.

Таблица 7.

Коэффициент Значение

1кк 1,73

Основные выводы по главе б: применение использование СЭПТ для ССП с использованием СДМ более эффективно по сравнению с уже существующими схемами: достигнуты заметно меньшие масса и объём аппаратуры, значительно снижена потребляемая мощность. Эти достоинства расширяют возможности применения ССП. Значение интегрального коэффициента качества (1кк), большее единицы, свидетельствует о преимуществах технических решений проекта перед БО. Значение сравнительной технико-экономической эффективности (Э) проекта (более 1, но менее 2,5) свидетельствует о перспективном характере проекта и о высокой вероятности его успешной коммерческой реализации при серийном производстве.

В заключении обобщены основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Применение нового вида СИ и РЯ с ПВЧП создало основу для разработки проекта ССП с улучшенными экономическими показателями (основные из которых: снижение себестоимости в 2 раза и стоимости эксплуатации (таблица 2) в 4-5 раз) при сохранении соответствия современным техническим требованиям нормативных документов.

2. Предложенное решение РЯ-500 на базе неуправляемого 3-х фазного выпрямителя и ПВЧП энергии позволяет снизить искажения токов, потребляемых из питающей сети, до 8% и обеспечить коэффициент мощности 0,89. Масса и объёма активных элементов РЯ-500 уменьшены в 10 и 40 раз соответственно, а потребляемая мощность - в 4,8 раза.

3. Основные положения работы и расчеты подтверждены средствами имитационного компьютерного и натурного моделирования.

4. Проведено технико-экономическое обоснование проекта: показатель сравнительной технико-экономической эффективности проекта Э = 2,06 (при критическом значении Э = 1) свидетельствует о перспективном характере проекта и о возможности его успешной коммерческой реализации при серийном производстве.

5. Применение системы электропитания постоянным током соответствует государственной стратегии энергосбережения и ужесточения требований ЭМС.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публи-

1т 3,92

1с. 1,9

1тэ 2,06

Э 2,06

нациях:

1. Берг В.Р. Мирошниченко A.B. Аэродромные светосигнальные системы на постоянном токе // Электричество. - 2011 г. - № 11, с 65-71.

2. Мирошниченко A.B., Берг В.Р. К параметрическому синтезу оборудования светосигнальной системы на постоянном токе // Практическая силовая электроника. - 2012 г. - № 45, с. 38-43.

3. Патент РФ на полезную модель № 99915. «Светосигнальная аэродромная система». Авторы: A.B. Мирошниченко, A.B. Берг, О.В. Пацык, 2010 г.

4. Патент РФ полезную модель № 115996 Светосигнальная аэродромная система. Авторы: А. В. Мирошниченко, А. В. Берг, О. В. Пацык, 2011 г.

5. Берг В., Мирошниченко А. Огни безопасности // Национальная оборона., - 2010 г. - № 6, с. 60-62.

6. К обоснованию целесообразности построения аэродромных светосигнальных систем на постоянном токе / A.B. Мирошниченко, Г.С. Мыцык // Тезисы докладов XVII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, том 2. -М.: Издательский дом МЭИ, 2011 г., с 67-69.

7. Защитное устройство для кабельных колец постоянного тока / A.B. Мирошниченко, Г.С. Мыцык // Тезисы докладов XVIII научно-технической конференции студентов и аспирантов, том 2. -М.: Издательский дом МЭИ, 2012 г., с 254-255.

Подписано в печать Зак. Тир. 100 П. л. 1,25

Полиграфический центр ФБГОУ ВПО «НИУ «МЭИ», Красноказарменная ул., д.13.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Назначение и роль светотехники в обеспечении полетов

1.2. Современная концепция построения ССП

1.3. Подсистема РЯ-КК

1.4. Технические требования к подсистеме РЯ-КК на переменном токе

1.5. Особенности работы КК на переменном токе Выводы

ГЛАВА 2.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНЖО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОДСИСТЕМЫ РЯ-КК

2.1. Структурно-алгоритмическое преобразование РЯ

2.2. Подсистема РЯ-КК децентрализованного типа

2.3. Система электропитания ССО постоянным током Выводы

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ РЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

3.1. Синтез структурной схемы РЯ на постоянном токе

3.2. Определение значений емкостей конденсаторов делителя напряжения

3.3. Выбор комплектующих компонентов для РЯ на постоянном токе

3.4. Синтез электрической схемы РЯ на постоянном токе Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СУ РЯ

4.1. Выбор параметров и регулирующего элемента 4.2 Разработка модели СУ РЯ Выводы

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

5.1. Программно-математическое исследование модели РЯ

5.2. Экспериментальное исследование макета РЯ-500 Выводы

ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

Развитие государства неразрывно связано с эволюцией транспорта. Федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы России» призвана ускорить интеграцию страны в мировую транспортную сеть. В рамках этой программы запланирована и действует подпрограмма реконструкции существующих и строительство новых аэропортов по всей стране.

При решении этой задачи неминуема проблема выбора современных комплексов радиосветотехнического оборудования (РСТО). В этих комплексах светосигнальной системе посадки (ССП) отводится ведущая роль обеспечения безопасности воздушных судов (ВС) в ночное время и в условиях плохой видимости [В-1].

К сожалению, выбор отечественных производителей ССП сегодня ничтожен. На внутреннем рынке действует всего две-три фирмы, имеющие в опыт и возможности производства светотехнического оборудования (СТО) для аэродромов. Но даже самая крупная из них: ОАО «ГОКБ «Прожектор» не имеет полной номенклатуры СТО. О других и говорить не приходится.

В авиации под термином СТО подразумеваются как силовые элементы ССП: источник вторичного электропитания (ИВЭП), кабельная сеть, разделительные трансформаторы (РТ), система дистанционного управления и контроля (СДУК), так и светосигнальные - аэродромные огни (АО). Под светосигнальным оборудованием (ССО) подразумеваются исключительно АО. Причем ССО, а точнее схемы его расположения, стандартизированны руководящими авиационными документами [В-2, В-3, В-4, В-5], одинаковы для страны - члена Международной организации гражданской авиации (ИКАО).

Иными словами, ССП - единый производственный комплекс, объединяющий СТО и ССО на аэродроме.

В типовой состав ССП входят [В-6]: а) щит гарантированного питания или щит распределительный (ЩР); б) ИВЭП, называемый регулятором яркости (РЯ); в) линия электропередачи (ЛЭП) соединяющая РЯ с заданным числом однотипных потребителей, которыми являются АО; г) собственно АО, число которых может составлять от нескольких десятков до несколько сотен штук; д) защитно-согласующее устройство - РТ; ж) СДУК.

Основной задачей СТО является поддержание интенсивности излучения АО на заданном уровне. Необходимо отметить, что из-за переменного количества АО и разной протяженности ЛЭП, СТО аэродромов является примером нелинейного потребителя.

Эксплуатируемые сегодня на гражданских аэродромах ССП отечественного производства морально устарели и не соответствуют уровню накопленного научно-технического потенциала. Сегодня аэродромные ССП комплектуются однофазными РЯ переменного напряжения тиристорного типа. Установка требуемого значения интенсивности свечения АО обеспечивается уставками выходного тока РЯ по командам оператора ССП. Однофазным РЯ переменного напряжения тиристорного типа присущи особенности применения, которые освещены в главе 1.

Современные тенденции развития энергетики характеризуются быстрым переходом на энерго- и ресурсосберегающие технологии, ввиду роста стоимости энергоносителей. В нашей стране эти тенденции закреплены законодательно [В-7, В-8]. Одной из ветвей этих тенденций является освоение производства нового светоизлучателя (СИ) - светодиодов. Разработчики активно исследуют возможности их применения в ССО. Так на 18-й международной выставке оборудования, технологий и услуг для аэропортов Inter airport Europe 2011 в Мюнхене были представлены все типы АО в светодиодном исполнении. Применение светодиодов и современных полупроводниковых ключей в СТО, где традиционно использовались тиристоры и галогенные лампы (ГЛ), несет потенциальную возможность получать новые решения с улучшенными характеристиками.

Поиск экономически эффективных решений в рамках подхода энерго- и ресурсосбережения базирующийся на сопоставлении технических требований к ССП, с одной стороны, с тенденциями развития СИ и силовых компонентов, с другой стороны, определило актуальность диссертационной работы.

Предпосылками для диссертационной работы явились:

1. Назревшая необходимость смены поколений СТО АО, ввиду морально устаревших технических решений РЯ;

2. Появление принципиально новых СИ - сверхмощных светодиодов;

3. Появившаяся возможность практической реализации принципов энерго- и ресурсосбережения, определяемых непрерывным совершенствованием элементной базы, синтеза и параметрической оптимизации устройств.

Основной целью работы является исследование возможностей построения нового поколения ССП с использованием светодиодов на основе энерго- и ресурсосберегающих подходов к структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу СТО, а так же технико-экономическое обоснование (ТЭО) целесообразности проекта.

В ходе работы решались задачи системного проектирования ССП в соответствии с требованиями ТЗ, разработанного ОАО «ГОКБ «Прожектор» в рамках программы развития ССО на период до 2015 г. В основу ТЗ положены следующие требования:

1. Снижение энергопотребления проекта относительно базового образца (БО) как минимум в 2 раза;

2. Кардинальное (до 10 раз) улучшение массогабаритных показателей элементов ССП;

3. Стабилизация выходного тока РЯ на уровне, обеспечивающем требуемую документами ИКАО силу света;

4. Обеспечение проектом уровня ЭМС для кондуктивных помех в системах электроснабжения общего назначения в соответствии с ГОСТ 13109-97;

5. Доказательство преимуществ разрабатываемого проекта должно быть проведено методом ТЭО.

Методы исследования.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач применялись общепринятые в электротехнике, теории электрических цепей и автоматического управления аналитические и математические методы, а также современные средства компьютерного моделирования: МАТЪАВ и ОгСаё. Достоверность полученных теоретических выводов и результатов подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.

Научная новизна:

1. Предложена новая система электропитания постоянным током (СЭПТ) для ССП, удовлетворяющая требованиям ТЗ и современным энерго- и ресурсосберегающим подходам.

2. На основе аналитического обзора современных типов СИ для АО и их сопоставительного анализа функционально-энергетической эффективности однозначно отдано предпочтение СИ на основе светодиодных матриц (СДМ).

3. В соответствии с заданной совокупностью требований и ограничений, в результате сравнительного анализа альтернативных вариантов обоснован выбор структурно-алгоритмической организации новой ССП, использующей АО с СДМ. В частности, использованы возможности улучшения массогабаритных показателей РЯ и даны рекомендации по рациональной схемотехнике инвертирования напряжения.

4. По результатам проектирования с использованием ИКМ и натурного макетирования синтезированной СЭПТ проведено ТЭО выбранного решения.

Практическая ценность работы:

В результате выполненной работы разработано новое схемотехническое решение СЭПТ светодиодных АО, обеспечивающее Кг = 8%, КПД = 0,89. Полученное решение по результатам ТЭО имеет интегральный технико-экономический показатель /тэ = 2,06, что свидетельствует о положительной оценке целесообразности внедрения проекта.

Реализация результатов работы:

Результаты использованы в работах, проводимых ОАО «ГОКБ «Прожектор» совместно с кафедрой ЭКАО НИУ МЭИ, по разработке РЯ постоянного тока.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы обсуждались на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, а также на заседаниях кафедры ЭКАО в 2010-2012г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (среди них 2 патента на полезную модель: № 99915 от 27.11.2010 г., № 115996 от 10.05.2012 г. и 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК: «Электричество», «Практическая силовая электроника»).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 137 страниц и содержит 50 рисунков, 30 таблиц, 109 наименований литературы.

Выводы

1. Исходя из анализа методов управления выходным током силовых электронных преобразователей с Г-образным фильтром на стороне постоянного тока, для реализации проекта выбран метод ШР с обратной связью по току на основе закона ПИД-регулирования.

2. В качестве прототипа выбрана схема СУ серийного РЯ.

3. На основе математических моделей из библиотеки программы ОгСас! разработана модель СУ РЯ постоянного тока.

4. С помощью ИКМ получены параметры, обеспечивающие 10% стабилизацию выходного тока независимо от внешних воздействий.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

5.1. Программно-математическое исследование модели РЯ-500.

Модель РЯ постоянного тока (рис. 4.2) была разработана на кафедре ЭКАО НИУ МЭИ. Модель создана с помощью пакета прикладных программ ОгСас! 9.2. Она содержит идеальные источники напряжения, выпрямитель, схему ограничения зарядных токов, полумостовой инвертор на идеальных ключах, выходной трансформатор, выходной Г-образный фильтр, эквивалент нагрузки и СУ, передающая алгоритм работы КООС. Целью исследования является:

- моделирование основной функции РЯ постоянного тока: преобразование переменного тока 380 В, изменяющегося в пределах от -10 до + 15%, в постоянный с тремя ступенями регулирования: 0,1 А; 0,28 А; 0,7 А и стабилизация тока на максимальной ступени 0,7 А с точностью 10,028 А;

- проверка соответствия структурно-алгоритмических решений проектному замыслу;

- проверка основных расчетных данных для элементов макета преобразователя РЯ, полученных в предыдущих главах;

- определение действующих значений и формы кривых тока через основные элементы модели и макета силовой части РЯ (РЯ-500). Проводимое исследование следует характеризовать как макромоделирование.

При моделировании основной функции преобразователя принято упрощение, касающееся материала магнитопровода трансформатора, при котором нелинейность его материала не учитывается. При оценке параметров преобразователя в установившемся режиме она никак не влияет на получаемые результаты. Модель трансформатора, отражающая две его основные функции - коэффициент трансформации и гальваническую развязку, в среде ОгСАЕ) 9.2 задается значениями индуктивносгей обмоток. Значения этих индуктивностей заданы, исходя из представлений о токе холостого хода трансформатора. Этот ток определяется мощностью трансформатора и значением частоты, на которой он работает. Ток холостого хода принят равным 6% от значения тока первичной обмотки при том что, активной составляющей тока пренебрегаем [5-1]. Тогда, с учетом расчетов (приложение 1), индуктивность первичной обмотки: и = и1ттах/(2*7г*Р*11хх) = 6,2 мкГн, а индуктивность вторичной обмотки:

Ь2=Ь1*п2 = 35,6 мкГн.

Ключевые элементы схемы представлены идеальными элементами из библиотеки ОгСАЕ) 9.2, что является еще одним допустимым упрощением.

В проекте предполагалось использовать отработанную и хорошо зарекомендовавшую себя в серийных РЯ второго поколения СУ, состоящую из узлов управления, контроля сопротивления изоляции, датчиков выходного тока и входного напряжения, драйверов ключей. Данная СУ обеспечивает требуемый алгоритм управления силовыми ключами и необходимые защипы. Система построена на базе микроконтроллера 1882ВЕ53. В составе серийных РЯ она в течение полугода проходила лидерные испытания на аэродроме в Жуковском и уже в течение двух лет серийно эксплуатируется в составе ССО на двух аэродромах ВВС МО РФ. Система надежно обеспечивает все требуемые функции, имеет потенциал для модернизации. Поэтому моделирование СУ не целесообразно. В модели РЯ постоянного тока СУ представлена упрощенно, как функция КООС по току. В качестве автоматического регулятора применена модель ПИД регулятора. Это вполне соответствует замыслу опьгга и реальной управляющей программе.

В схему модели внесены дополнительные сопротивления цепей, характеризующие сопротивление проводов и необходимые для корректной работы в среде моделирования ОгСАЕ) 9.2.

Для исследования модели проведена серия измерений с использованием КООС и без нее. Ввиду того, что требования к точности стабилизации касаются только работы РЯ на максимальной ступени яркости, при исследовании протекающих процессов задавался именно такой режим работы модели РЯ-500.

Эпюры потребляемого РЯ-500 тока и напряжения при отключенном КООС и без входного фильтра показаны на рис. 5.1.

400V

4. OA

-400VJ -4.OA а) эпюры напряжения (синяя кривая) и тока (зеленая кривая) фазы А.

-4. OA J б) эпюры напряжения (зеленая кривая) и тока (красная кривая) фазы В.

4. OA'

400V

10ms

15ms

20ms

25ms

30ms

35ms

40ms в) эпюры напряжения (красная кривая) и тока (синяя кривая) фазы С.

Рис. 5.1. Эпюры потребляемого РЯ-500 напряжения и тока без входного фильтра.

Как видно, (рис. 5.1) РЯ-500 имеет импульсное потребление тока. По данным ИКМ для этого случая коэффициент нелинейных искажений (КНИ) потребляемого тока составляет 43%. Таким образом, можно утверждать, что без дополнительных устройств фильтрации подсистема РЯ-КК оказывает существенное воздействие на питающую сеть.

L1 ЮмкГн ЛПГЧЛ

L2 ЮмкГн ЛППГ\

L3 ЮмкГн

-vyy\

Рис. 5.2. Принципиальная схема входного трехфазного симметричного

П-образного фильтра.

Для улучшения ЭМС РЯ-500 в схему модели введен симметричный П-образный фильтр (рис. 5.2) и проведен выбор его параметров для снижения значения КНИ до уровня 8-12%, что соответствует требованиям руководящих документов [5-2]. Следует отметить, что для малых значений значение КНИ практически совпадает с параметром: коэффициент гармоник Кг, который используется в отечественных ГОСТ-ах.

Эпюры потребляемого напряжения и тока при различных параметрах симметричного трехфазного П-образного фильтра показаны на рис. 5.3.

Для проверки расчетов, приведенных в главе 3 и приложении 1, применим критерий баланса мощностей. Метод основан на законе сохранения энергии: сколько энергии выработали источники, столько же должна потребить нагрузка. Вместо энергии при расчетах можно использовать мощность. Мощность, выработанная источником должна быть равна мощности, расходуемой в нагрузке с учетом коэффициента полезного действия (таблица 5.1). Расчет баланса мощностей РЯ-500 проведен с помощью модуля преобразования Фурье программы ОгСас!, исходя из следующих известных соображений: среднее за период значение мгновенной мощности равно активной мощности выработанной источником, следовательно, мощность, потребляемая из сети равна:

Р« = \/0Г(Ш • им + ш • ив{1) + 1С(Ь) ■ £7С(0)^, где: Ри — активная мощность, потребляемая РЯ,

1а,в,с и У а,в,с -значения тока и напряжения в фазах А, В, С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведенного исследования возможностей модернизации отечественных светосигнальных систем посадки (ССП) воздушных судов в направлении кардинального улучшения их энергоэффективности и технико-экономических показателей за основу принят проект их модернизации за счет: 1) применения в качестве светоизлучателей сверхмощных светодиодных матриц (в качестве альтернативы используемым в настоящее время галогенным лампам); 2) использования нового типа регулятора яркости (РЯ) (с промежуточным высокочастотным преобразованием); 3) замены в кабельном кольце дорогостоящего высоковольтного кабеля переменного тока на более дешевый и менее дорогостоящий кабель постоянного тока со значительно меньшим рабочим напряжением. Для целей проекта предлагаются светодиодные матрицы фирмы Huey Jann HPR20D, как наиболее доступные по цене. Возможно применение изделий других фирм, например, CREE МС-Е или NICHIA NJSW172. К сожалению, отечественной промышленностью подобные изделия пока еще не выпускаются.

2. Реализация предложенного проекта (относительно существующих СССП) позволяет: 1) значительно снизить мощность, необходимую для реализации необходимых световых характеристик аэродромных огней; 2) понизить в 5 раз класс напряжения применяемого магистрального кабеля (с 5000 до 1000 В) и значительно снизить его стоимость; 3) уменьшить массу и объёма активных компонентов регулятора яркости (не менее, чем в 10 и 40 раз соответственно); 4) использовать трехфазную сеть для питания кабельного кольца (вместо однофазной), что решает проблему пофазной несимметрии тока, потребляемого аэродромными СССП.

3. Для разработки проекта и технико-экономического его обоснования в работе выполнен комплекс расчетно-проектных работ, необходимых, как для разработки РЯ, так и для определения технических и стоимостных характеристик всей системы ССП. Вместо обычно используемого при проектировании аналитического (модельного) описания процессов в РЯ в работе исполь

100 зованы современные возможности имитационного компьютерного моделирования (ИКМ). Это мощное средство позволило оперативно решить ряд новых проектных задач, причем с учетом: а) влияния возмущающих воздействий, как со стороны сети, так и нагрузки; а также б) - разброса в параметрах комплектующих элементов (или их изменения под воздействием внешних условий). Адекватность результатов ИКМ подтверждена проверкой их на макетном образце РЯ.

4. Проведенные исследования светоизлучателей нового типа дали основание для разработки инновационного проекта, соответствующего тенденциям развития ССП с требуемыми экономическими характеристиками и отвечающего техническим требованиям руководящих документов отрасли.

5. В работе показано, что разработанный проект привлекателен как для производителя (т.к. позволяет снизить себестоимость ССП до 4 раз лишь только за счет применения более дешевого магистрального кабеля и исключения из схемы изолирующих трансформаторов), так и для покупателя (т.к. стоимость эксплуатации уменьшается до 5 раз, во-первых, за счет приближения аэродромных огней к категории необслуживаемой техники, а, во-вторых, за счет снижения потребляемой мощности кабельным кольцом номинальной длины более, чем в 18 раз).

6. Для сравнения с проектом выбран базовый образец - конкретное серийное изделие, имеющее сертификат МАК и представленное на рынке известной фирмой - производителем: ОАО «ГОКБ «Прожектор». Сопоставление базового образца с проектом, расчёт интегральных технических и стоимостных показателей показал, что проект обладает более высокими технико-экономическими характеристиками, т.к. интегральный коэффициент качества/*^ 1,73 (>1); интегральный стоимостный коэффициент 1С =1,9 (>1).

7. В работе показано, что показатель технико-экономической эффективности проекта имеет значение 1тэ ~ 2,06. Его значение лежит в зоне положительных управленческих оценок (>1, но <2,5), и хотя не является прорывным

2,5, но <6,5), но свидетельствует о перспективном характере проекта и

101 прогнозируемой успешной коммерческой его реализации при серийном производстве.

8. В плане маркетинга это означает усиление позиций предприятия на рынке ввиду появившейся возможности повысить норму прибыли или снизить цену на продукт исходя из стратегии продаж. Снижение себестоимости проекта способствует возможности внедрения дополнительных сервисов, что так же повышает привлекательность продукта на рынке. Конечно, переход на новые технологии характеризуется стартовым увеличением расходов на основные средства и пересмотром политик менеджмента предприятия, однако совокупный доход от реализации предполагаемой продукции должен компенсировать все эти затраты и определит точку безубыточности.

9. Для конечного пользователя экономическая выгода от внедрения данного проекта, помимо указанных, заключается в снижении капитальных затрат на размещение и установку оборудования на аэродроме вплоть до полного отказа от размещения оборудования в стандартных стационарных трансформаторных подстанциях в пользу, например, одного из помещений командно-диспетчерского или стартового пункта.

10. Таким образом, концепция построения светосигнальных систем посадки с использованием постоянного тока для питания светодиодных аэродромных огней в кабельных кольцах последовательного типа имеет явные преимущества перед существующими системами. И, наконец, снижение потребляемой ССП мощности соответствует государственной стратегии энергосбережения.

1. В-2. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Приложение 14 к Конвенции о международной гражданской авиации. Аэродромы, Том 1, Проектирование и эксплуатация аэродромов, ИКАО, 2008 г.

2. В-3. Нормы проектирования размещения стационарного светосигнального оборудования на аэродромах вооруженных сил, ВСН 66-92. -М.: Минобороны РФ, 1993 г.

3. В-4. Нормы проектирования размещения светосигнального и электрического оборудования систем посадки воздушных судов на аэродромах, ВСН 8-86. -М.: МГА, 1986 г.

4. В-5. Авиационные правила, ч. 170. Сертификация оборудования аэродромов и воздушных трасс, т. 2, сертификационные требования к оборудованию аэродромов и воздушных трасс, МАК, 2003 г.

5. В-6. И.С. Гладышев, П.А. Андреев «Электроснабжение аэропортов» -М.: Транспорт, 1991 г.

6. В-7. Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».

7. П-1. К.Б. Мазель, «Трансформаторы электропитания». -М.: Энергоиздат, 1982 г.

8. П-2. Москатов Е. «Методика и программа расчёта импульсноготрансформатора двухтактного преобразователя». М.: Радио, 2006 г., № 6.

9. П-3. С.А. Эраносян, «Сетевые блоки питания с высочастотнымипреобразователями».-Л.: Энергоатомиздат, 1991 г.

10. П-4. Б. Ю. Семенов, «Силовая электроника». -М: Солон-пресс, 2005 г.

11. П-5. И. М. Чиженко, «Справочник по преобразовательной технике». Киев,1. Техника, 1978 г.

12. П-6. Г.С. Мыцык, А. В. Берилов, В.В. Михеев, «Поисковое проектирование устройств силовой электроники». -М: Издательский дом МЭИ, 2010 г. П-7. Кузнецов А. «Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания». -М.: Схемотехника, 2000г., №1.

13. П-8. Ф. Чаки, И. Герман и др, «Силовая электроника». -М:, Энергоиздат, 1982 г.

14. П-9. А. А. Бас, «Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом». -М: Радио и связь, 1987 г. П-10. Матханов П.Н., Гоголицын Л.З. «Расчёт импульсных трансформаторов». — Л.: Энергия, 1980 г.

15. П-11. Стародубцев Ю.Н. «Теория и расчёт трансформаторов малой мощности». — М.: РадиоСофт, 2005 г.

16. П-12. Мирский Г. Я. «Электронные измерения». — М.: Радио и связь, 1986 г.

17. П-13.Ромаш Э.М. «Источники вторичного электропитаниярадиоэлектронной аппаратуры». -М.: Радио и связь, 1981 г.

18. П-14. Г. С. Найвельт, Справочник. «Источники электропитаниярадиоэлектронной аппаратуры». -М.: Радио и связь, 1985 г.

19. П-15. Герасимов A.A. Кастров М.Ю. «Проектирование трансформаторов дляавтономных обратноходовых преобразователей». М.: Электропитание, 2011г., № 2.

20. П-18. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. —Л.:, Энергоатомиздат, 1991 г.

21. П-19. А. Кузнецов. «Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания». -М.: Схемотехника, 2000 г., № 1, № 2. П-20. ГОСТ 7262 Провода медные, изолированные лаком BJI-931. Технические условия. 1978 г.

22. П-21. Браун М. «Источники питания. Расчёт и конструирование». К.: МК-Пресс, 2005 г.

23. П-22. «Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчёт». Под ред. Додика С.Д. и Гальперина Е.И. — М.: Советское радио, 1969 г.

24. П-23. Золотухин И. В. «Физические свойства аморфных металлических материалов». — М.: Металлургия, 1986 г.

25. П-24. Шафир Ю.Н. «Распределение тока в обмотках трансформаторов». — М.: Энергоатомиздат, 1992 г.

26. П-25. Стародубцев Ю.Н. «Теория и расчёт трансформаторов малой мощности». — М.: РадиоСофт, 2005 г.

27. П-26. А. Мартынов. «Проектирование вторичных источников питания». Учебное пособие, ГУАП, С-П, 2000 г.

28. П-27. Конев Ю.И., «Источники вторичного электропитания». -М.: Радио и связь, 1990г.

29. П-28. www.allcomponents.ru

30. П-29. П. Четти, «Проектирование ключевых источников питания». -М.: Энергоатомиздат, 1990 г

31. П-30. Каталог ОАО «Ангстрем», Приборы силовой электроники, 2009 г. П-31.А. Кузнецов. «Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания». -М.: Схемотехника, 2000 г., № 1, № 2. www.semtech.ru