автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Определение структуры и параметров автономных комбинированных систем электроснабжения космических летательных аппаратов на этапе аванпроекторования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

,ЦЦ£»«Й На правах рукописи

УДК 621.3: 629.7 (075.8)

Г АЛИМОВА АКИЛЯ АНВЕРОВНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АВТОНОМНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ЭТАПЕ АВАНПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1998

а

л

Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете на кафедре электротехнического инженерно-педагогического образования.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты :

Ведущее предприятие :

доктор технических наук, профессор Костырев М Л.

доктор технических наук, профессор Сазонов В В.

кандидат технических наук, профессор Карань А. И.

Научно - производственный центр «ИНФОТРАНС» г. Самара

Защита состоится « ^ » 1998 года в чаСов на

заседании диссертационного совета К 063. 43. 06.. Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева по адресу : 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета.

Ваши отзывы, заверенные печатью, в двух экземплярах просим выслать по указанному адресу.

Автореферат разослан « 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

АЛО. Афанасьев.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы мощность систем электроснабжения (СЭС) создаваемых космических летательных аппаратов (КЛА) возросла до десятков , а в перспективных - до сотен киловатт. Это связано с увеличением продолжительности полетов , применением новой техники для исследований, энергоемких технологических операций. Принятая ранее концепция построения СЭС постоянного тока со статическими источниками тока на определенном этапе перестает удовлетворять требованиям по массо энергетическим показателям, ресурсу, эффективности использования энергии, вырабатываемой первичным источником, качеству электроэнергии на шинах нагрузки. Увеличение мощности достигается за счет наращивания площади солнечных батарей (СБ) и их установленной мощности. Это приводит к усложнению систем ориентации и развертывания, ухудшению динамических характеристик КЛА, увеличению массы систем и стоимости проекта. В связи с этим возникла необходимость создания и исследования новых типов СЭС КЛА. Тенденция увеличения мощности бортового электрооборудования, развитие централизованных электрических регуляторов привело к одному из перспективных вариантов решения этой проблемы - применению СЭС комбинированного типа, т.е. СЭС трехфазного переменного и постоянного напряжения, с использованием в качестве основного источника энергии ядерного реактора и преобразованием тепловой энергии в электрическую как непосредственно, так и с помощью электромеханического генератора (ЭМГ ) переменного тока.

Автономная система электроснабжения (АСЭС) является сложной агрега-тивной системой, представляющей собой функционально необходимую совокупность конечного числа агрегатов и связей между ними., обеспечивающих автоматизированный процесс генерирования, преобразования и распределения электроэнергии требуемого качества. При этом допускаются любые технически реализуемые процессы, если это оказывается целесообразным с точки зрения эффективности создаваемой системы. Решение задачи распознавания многообразия возможных вариантов структуры может быть достигнуто формальными методами на основе современной вычислительной техники, если вскрыты общие принципы организации систем рассматриваемого класса и осуществлено формализованное описание известных физических, химических эффектов, а также возможных способов их технических реализаций в ферме математических моделей. Исходя из вышеизложенного следует отметить, что три проектировании АСЭС необходимо решать системную и параметрическую задачи.

В системную зад ачу входит синтез и анализ структур, а также принятие

решення по рациональности использования вариантов АСЭС. Среда системных задач в первую очередь следует выделить выбор конечного множества вариантов структур, обеспечивающих автоматизированный процесс генерирования , преобразована и распределения электроэнергии, удовлетворяющей предъявляемым требованиям . Это требует создание гибкой математической модели АСЭС, которая должна основываться на математических моделях отдельных элементов ( электромеханических генераторов, преобразователях, элементах системы передачи и распределения электроэнергии) в сочетании с топологической моделью СЭС. Число принципиально возможных конкурирующих структур, исходя из элементарных соотношений комбинаторики, является показательной функцией числа элементов, из которых формируются структуры. Выбор наилучшего варианта структуры ( или ее подсистемы ) из множества возможных на практике осуществляется проекшровщиком на основании сравнительного анализа ограниченного числа эвристически установленных вариантов ее построения. Поэтому на этапе аванпроекга для выбора параметров элементов и всей системы в целом целесообразно ограничиться известными, наиболее распространенными вариантами структур АСЭС КЛА.

К параметрическим задачам относятся следующие : выбор уровня номинального напряжения АСЭС, рода тока и частоты сети, числа фаз сети переменного тока, уровня стабильности выходного напряжения, оптимизации мас-. со-энергетических показателей генераторов, преобразователей электроэнергии, обеспечивающих наилучшие показатели системы в целом.

При решении системных и параметрических задач для АСЭС КЛА комбинированного типа необходимо решить следующие основные проблемы : Я создание агрегатной базы перспективных элементов АСЭС КЛА комбинированного типа - источников и преобразователей электроэнергии с учетом требований к автоматическим регуляторам, элементов системы передачи и распределения электроэнергии, коммутационной аппаратуры и аппаратуры управления, регулирования и защиты - нормально функционирующих в особых условиях эксплуатации и отвечающих требованиям по качеству, надежности и массо-габаритным показателям; Я выбор и обоснование основных параметров комбинированных АСЭС КЛА, обеспечивающих требуемое качество электроэнергии на шинах потребителя и минимум массы системы; Ш решение задач синтеза АСЭС комбинированного типа для выбора оптимальной структуры АСЭС, удовлетворяющей требованиям по массо-габаритным показателям и качеству электроэнергии.

Различные подходы к решению вышеизложенных задач рассмотрены и исследованы в работах Тимашева C.B., Куландина A.A., Веденеева Г.М., Токарева А.Б., Орлова И.Н., Галтеева Ф.Ф. В них предлагаются методы структурного синтеза и парметрической оптимизации АСЭС КЛА на солнечных батарей. Однако, как отмечено выше, для перспективных АСЭС КЛА такие системы перестают удовлетворять предъявляемым требованиям. Системные и параметрические задачи для АСЭС КЛА комбинированного типа, в которых в качестве первичного источника применяется ядерная электроэнергетическая установка (ЯЭЭУ) и преобразование тепловой энергии в электрическую производится или непосредственно, или с помощью электромеханического генератора переменного тока, в настоящее время исследованы не достаточно полно.

Методы и подходы к решению задач структурно-параметрической оптимизации АСЭС широко исследованы в работах Морозовского В.Т., Лазарева И.А., Аветисяна ДА, Терещука B.C., Кривенцева В.И., Цоя A.A., и других авторов. Эти методы позволяют выбирать рациональную структуру и параметры АСЭС, в частности, авиационных, в соответствии с различными показателями качества. Анализ современных разработок показал, что существенное влияние на массу основных элементов и всей АСЭС в целом оказывает частота переменного тока. Если в авиационных СЭС в результате исследований принято стандартное значение частоты - 400-800 Гц, то в АСЭС КЛА влияние частоты на массу не исследовано. В АСЭС КЛА решение этой задачи необходимо базировать на существующих и перспективных разработках в области элементной базы. Рациональное значение частоты этих элементов является предметом исследования и формируется в соответствии с требованиями потребителей. Таким образом, задача анализа влияния частоты переменного тока на массу и электрические параметры АСЭС КЛА в настоящее время не исследована и представляет собой самостоятельную проблему.

Цель работы. Разработка методики определения структуры и параметров АСЭС КЛА комбинированного типа и исследование влияния частоты переменного тока на массу элементов и всей системы.

Для достижения поставленной цели автор диссертационной работы решает следующие задачи :

■ анализ современных разработок в области исследования АСЭС;

■ отбор перспективных элементов АСЭС КЛА, удовлетворяющих требованиям к таким системам для создания агрегатной базы;

■ разработка функциональных и критериальных математических моделей V1 основных элементе в. -АСЭС в соответствии с поставленной задачей ;.

■ создание обобщенной математической модели АСЭС КЛА комбинированного типа, разработка алгоритма и программы расчета, позволяющих решать задачи определения структуры и параметров перспективных типов АСЭС КЛА комбинированного типа;

■ решение структурных и параметрических задач АСЭС КЛА комбинированного типа.

Методы исследований . В диссертационной работе использовались методы математического моделирования линейных и нелинейных электрических цепей. Система уравнений формировалась матричнскгопологическим методом с использованием теории множеств. Система алгебраических уравнений с комплексными переменными решалась методом Ш - разложения с использованием современных методов хранения и обработки разреженных матриц.

Научная новизна

1. Разработаны критериальные и функциональные математические модели основных элементов перспективных АСЭС КЛА комбинированного типа - генераторов, трансферматорно-выпрямитшьных блоков (ТВБ), транс-форматорно-инверторных блоков (ТВБ), распределительной сети - в соответствии с поставленной задачей.

2. Создана обобщенная математическая модель АСЭС КЛА комбинированного типа, включающая в себя математические модели отдельных элементов и учитывающая их взаимосвязь и взаимовлияние.

3. Разработан алгоритм и реализована программа, позволяющая решать зада™ выбора структуры и определения основных параметров перспективных типов АСЭС КЛА комбинированного типа.

Практическая ценность.

1. В результате сравнительного анализа различных типов современных и перспективных элементов АСЭС : источников и преобразователей электроэнергии и их автоматических регуляторов, кабельной сети, коммутационной аппаратуры и аппаратуры управления, контроля и защиты даны рекомендации по использованию элементов, наиболее полно удовлетворяющих предъявленным требованиям по массо-габаритным показателям, по технологическим параметрам.

2. Разработан пакет прикладных программ (ПГ111) , позволяющий решать комплекс задач доя выбора структуры и параметров АСЭС КЛА комбинированного типа с учетом требований к автоматическим регуляторам источников и преобразователей электроэнергии, которая обеспечивает автоматизированный процесс генерирования, преобразования и распределения электроэнергии, удовлетворяющей предъявленным требованиям по Качеству элеюродзфгии. • -•

1. Предложена методика анализа качества электроэнергии сети с учетом автоматического регулирования напряжения на шинах потребителей при изменение графика нагрузки и обоснования выбора и установки буферных источников энергии для обеспечения требуемого качества электроэнергии на шинах потребителя при колебаниях нагрузки.

2. Получены семейства кривых для АСЭС КЛА комбинированного типа мощностью от 5 до 25 кВА, определяющие зависимости удельной массы основных элементов сгг частоты, полной массы элементов от частоты, зависимость массы АСЭС КЛА огг частоты для диапазона частот сгг 400 до 4000 Гц.

Внедрение результатов работы. Разработки НИР, выполненные по данной теме, использовались для разработки вариантов перспективных АСЭС КЛА в ЦСКБ г. Самара.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссфтацнонной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы электромеханики» (1989 г.), на научно-технической конференции « XX Гагар инские чтения» (1994 г.), на научно-технической конференции ((Проблемы энергомашиностроения» (1996 г.). Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений; содержит 98 страниц основного машинописного текста, 32 страницы иллюстраций, 6 таблиц, 10 страниц списка использованной литературы из 104 наименования, 18 страниц приложений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика математического моделирования силовых элементов АСЭС КЛА комбинированного типа с учетом регулирования для установившихся режимов при нормальной работе.

2. Математическая модель для расчета АСЭС КЛА, разработанная с учетом перспективных элементов - электромеханического генератора, трансфер ма-торно-выпрямительного блока, трансферматорно-инверторного блока, распределительной сети - позволяющая решать задачи выбора структуры и определения основных параметров АСЭС КЛА комбинированного типа.

3. Алгоритм расчета и программа расчета, разработанные в соответствии с принятыми критериями оптимальности, отличающиеся от существующих, в которых конфигурация и параметры заданы, тем, что по заданной конфигурации и графикам нагрузки позволяют решать комплекс задач для выбора оптимальных параметров АСЭС КЛА

различной структуры, которая обеспечивает процесс генерирования, преобразования и распределения электроэнфгии требуемого качества. 4. Результаты расчета параметрических задач перспективных АСЭС KJ1A с рекомендациями по выбору рациональных значений частоты сети переменного тока и типа структуры.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы, указанна научная новизна и практическая ценность диссертации, даны основные положения, выносимые на защиту, а также информация о внедрении и обсуждении результатов исследований.

Первая глава посвящена анализу современных разработок в области исследования АСЭС. Глубокие исследования в области структурного синтеза представлены в работах Лазарева И.А., Аветисяна Д.А., Морозовского В.Т., Бута ДА., Кривенцева В.И., Терещука B.C., Сивдеева И.М., Токарева А.Б. и других авторов. Отмечено, что при исследовании АСЭС КЛА целесообразно использовать опыт и методы, накопленные в этих работах для авиационных СЭС, но при этом учитывать отличительные особенности, вытекающие из постановки задачи и особых условий эксплуатации,

Проведен анализ параметров электроэнергии АСЭС, таких как род тока, номинальное значение напряжения и частоты переменного тока, числа фаз и проводов. Рассмотрены достоинства и недостатки систем переменного тока, постоянного тока при различном значении номинального напряжения.

Рассмотрены существующие и перспективные АСЭС КЛА. Анализ отечественных и зарубежных исследований показал, что одним из перспективных типов АСЭС КЛА являются СЭС на основе ядерных электроэнергетических установок (ЯЭЭУ).

Сформулированы основные задачи выбора структуры и определения основных параметров, решение которых необходимо для исследования и разработки перспективных типов АСЭС КЛА.

Вторая глава посвящена обзору и сравнительному анализу перспективных силовых элементов АСЭС КЛА комбинированного типа. В связи с исследованием комбинированной АСЭС на переменном токе повышенного напряжения возникла необходимость анализа таких электротехнических устройств, как электромеханические генераторы переменного тока с автоматическими регуляторами выходных характеристик, трансформаторно-выпрямиггельные преобразователи (ТВП), трансформаторно-инвертсрные преобразователи (ТИП) в комплексе с системами управления и регулирования выходных параметров, а также анализ перспективных типов аккумуляторных батарей, применение которых возможно в качестве буферных

исютников энфгии. По результатам сравнительного анализа автономных электромашинных источников электроонфгии сделаны следующие выводы : наиболее перспективным талом электромеханического генератора переменного тока является бесконтактная электрическая машина (БЭМ). Основным преимуществом машин такого типа является отсутствие щеточного контакта, «по значительно повышает ресурс работы, надежность, позволяет эксплуатировать такой генератор в условиях космоса. Сравнение массо-габаритных показателей различных генераторов на базе ЮМ показало, что наименьшей удельной массой обладает синхронный генератор (С Г) с постоянными магнитами (ПМ) из редкоземельных материалов (РЗМ). Удельная масса генератора такого типа порядка 0,3-0,4 кг/кВА, а СГс ПМ типа ЮНДК - 1,2-1,6 кг/кВА. Неплохие показатели имеют СГ с обмоткой возбуждения и внешнезамкнутым потоком ( 0,3-1,5 кг/кВА ). БЭМ на базе асихронного генератора (АГ) с корогкозамкну-тым ротором и вентильно-конденсаторным возбуждением имеют удельную массу 1,5-2,0 кг/кВА. Для окончательного выбора типа генератора необходим системный подход с учетом степени надежности, ресурса работы, возможности работы в вакууме и других факторов. Так, например, асинхронный генератор, недостатком которого является относительно высокая масса системы возбуждения, обеспечивает достаточно просто параллельную работу нескольких машин. Это достоинство особенно существенно в условиях невесомости, когда при работе одного генератора может происходить «закручивание» платформы в сторону вращения ротора. В результате сравнительного анализа статических источников электроэнергии определены перспективные типы АБ.

Произведен анализ различных полупроводниковых преобразователей электроэнергии переменного тока в постоянный и постоянного тока в переменный. В качестве силовых ключей целесообразно применение биполярных транзисторов с изолированным входом типа IGBT, выпускаемых ведущими фирмами мира. В сочетании с магнитопроводом трансформатора, изготовленного из аморфного сплава и увеличением частоты nqjeMemioro тока использование эффективных схемных решений и алгоритмов переключения вентилей дает значительное снижение массы преобразователя.

Третья глава посвящена разработке математических моделей элементов и обобщенной математической модели АСЭС КЛА комбинированного типа. Выбраны и обоснованы критерии оптимальности АСЭС КЛА. При математическом моделировании элементов АСЭС принты следующие критерии оптимальности : минимум массы, минимум отклонений от заданного параметра электроэнергии Учитывая, что задача является

многокритериальной и достаточно сложной, для упрощения на этапе аванпро-екта в качестве целевой функции принимается минимум установленной массы, а требование к качеству электроэнергии выполняет роль ограничения.

Выбран и обоснован метод математического моделирования, реализованный на ЭВМ.

Разработаны два типа математических моделей элементов в соответствии с поставленной задачей : функциональные и критериальные. Функциональные математические модели отражают взаимосвязь входных и выходных электрических параметров элементов. Критериальные математические модели позволяют определять массу элемента в зависимости от электрических параметров АСЭС. Математические модели элементов разработаны на основе известных математических зависимостей других АСЭС, в частности, авиационных. Но при этом учтены особенности космических СЭС. В авиационных СЭС первичными источниками электроэнергии являются маршевые двигатели, режимы работы которых не зависят ог генераторов АСЭС. Поэтому при решении задач выбора рационального варианта необходимо учитывать изменение частоты вращения авиационных двигателей в широких пределах, статические и динамические процессы в АСЭС. В АСЭС КЛА с ЯЭЭУ динамика системы определяется тепловыми процессами, а влияние электрических эффектов незначительно ( 1-2 %),так как электрические процессы практически безинерционны, в то время как тепловые процессы обладают значительной инерционностью. Контур управления тепловыми и электрическими процессами в АСЭС КЛА можно рассматривать раздельно, если между ними нет дополнительной связи через регуляторы. В связи с этим при математическом моделировании элементов АСЭС КЛА и всей системы в целом на этапе аванпроекшрования для поиска рациональной частоты достаточно ограничиться статическими моделями, считая переходные процессы в АСЭС мгновенными. Например, основные уравнения функциональной математической модели распределительной сети содержат следующие зависимости: расчет сечения электрического провода

РЦ] Ч

8пр1=-, (1)

А иу

где р - удельное сопротивление токопроводящего материала электрического провода;

- ток на 1-том участке^той магистрали;

1у - длина ¡-того участка _|-той магистрали;

Л 11у - падение напряжения на ¡-том участке_)^гой магистрали:

АЩ =

(Ш- 1/нЛ

У

(2)

где Ш - напряжение источника электроэнергии; ин] - напряжение на шинах]-той нагрузки; У - длина]^гой магистрали. При передаче по электрическому проводу переменного тока с частотой f необходимо учитывать влияние поверхностного эффекта в проводах, При этом производится уточнение расчетного сечения провода

Бпр = Бщл + 3,4 * 10 Г (Бгр )

(3)

Критериальные математические модели основных силовых элементов получены по усредненным данным для рассмотренных во 2 главе перспективных схем и конструкций с учетом достижений в области материалов и полупроводниковых приборов для диапазона частот от 400 до 4000 Гц и мощностей от 5 до 25 кВА.

Например, критериальная математическая модель ТВП представляет собой сумму масс основных элементов преобразователя и для усредненных показателей перспективных типов определяется по формуле: Мтвп = Мтр + Мв + Мф + Мсу =

240 £

+ N Мв +

14,7 ра

3/4

Кк твп ,

(4)

где Мтр - масса трансформатора;

М в - масса блока вентилей;

Мф - масса фильтра;

Мсу - масса системы управления;

Б - полная расчетная мощность трансформатора;

Г - частота переменного тока;

Рс1 - выходная мощность преобразователя;

Кк - конструктивный коэффициент ТВП.

Критериальная математическая модель ТИП отличается от модели ТВП большей массой радиаторов ( из-за увеличения частоты коммутаций ), системы управления, фильтра и других элементов.

Удельные массы трансформаторов преобразователей находятся в пределах 0,25-0,55 кг/кВА и с ростом мощности и частоты существенно снижаются. Удельная масса ТИП и ТВП для диапазона мощности от 10 до 30 кВА. находится в пределах 1^6-).65 кг/кВА: С помощью разработанных математических моделей были получены зависимости удельных масс транс

0.6 0.5

я», кг —г /(»а ч

4

\

\ *

ч

>

форматоров (рис. 1) и преобразователей ( рис.2 ) различной мощности от частоты для диапазона частот 400 -4000 Гц . Полученные результаты согласуются с опубликованными в литературе данными, что подтверждает достоверность математических моделей.

Зависимость массы от частоты с учетом усредненных коэффициентов и параметров перспективных '•Гч типов электромеханических генераторов имеет вид:

Рис. 1

Мг

1.1 1.0 0.9 0.1 [1.1 0.1 0.5 0.4 0.1

\

\

\ у

V

*

\

2721•103 Бг Кк

А В5 Г

(5)

где Бг - расчетная мощность ю генератора;

Кк - конструктивный коэффициент:

Кк = 1,4 -г 1,7 - для СГ, Кк = 1,4 ч- 2,0 - для АГ; А - линейная нагрузка,

А » (2-ь5)- 104 А/м; Вй - магнитная индукция, Рис. 2 В5 « 0,6 -т- 0,8 Тл.

На базе разработанной критериальной математической модели электромеханического генератора получены зависимости удельной массы генератора от частоты для АСЭС КЛА комбинированного типа мощностью от 5 до 25 кВА (рис. 3 ). Достоверность расчетов подтверждается опубликованными в литературе данными, которые согласуются с расчетными.

Разработана обобщенная математическая модель АСЭС КЛА комбинированного типа , включающая в себя критериальные и функциональные математические модели отдельных элементов и учитывающая их взаимосвязь и взаимовлияние.

В качестве целевой функции в обобщенной математической модели принимается главный критерий оптимальности - минимум массы АСЭС К'ЛА. В целевой- функции параметры мощности, конструктивные коэффк-

циентов, топологические параметры являются задаваемыми или фиксируемыми, а частота - варьируемым параметром. Целевая функция имеет следующий вид:

N 27Д1103 Бп Кк т

Мсэс = £ - + £

¡=1 В81Г ]=1

240 Б]

+ N Мв +

14,7 РсУ

3/4

ч

+ 2

240 Бк

+-ЫМв +

14,7 Рс1к 3/4 п

Кк тип + 2 01 и

f 1=1

Кк твп +-(6)

Ш1П.

Ограничением обобщенной математической модели АСЭС КЛА комбинированного типа является показатель качества электроэнергии. За показатель качества электроэнергии принимается напряжение на шинах потребителя. Оно обусловлено допустимым падением напряжения и устанавливается ГОСТом. В общем случае ограничение имеет вид:

ИГ.1Т)|«ВМ

1200 20110

I. Г,

Рис. 3

Д1!расч] < ли доп.), (7)

где л и доп ] - допустимое падение напряжения на шинах ]-того потребителя;

А и расч ] - расчетное падение напряжения на шинах ]-того потребителя.

Расчетное падение напряжения также зависит от частоты переменного тока. Эта зависимость определяется формулой :

А и расч ] = £ А и расч у + А Ццополн ] =

= ^Яд2 +(( Х^ / 400) Г)2 + Д Щополн

где 11 - ток 1 - того участка j -той магистрали;

Я у - активное сопротивление \ - того участка j -той магистрали; Ху - реактивное сопротивление 1 - того участка] -той магистрали; Л Ццополн ] - дополнительное падение напряжения на элементах соединений и защиты, а также на коммутационных элементах;

Обобщенная математическая модель включает в себя также систему алгебраических уравнений с комплексными переменными, которая формируется и решается следующим образом :

I) топологические уравнения формируются на основании законов Кирхгофа в виде:

[1т]

[1] [и]

[1] -[л]

[ич]

[13т]

[Ы

= [0],

(9)

где [ 1 ] - единичная матрица;

[ л ] - матрица главных сечений для хорд графа схемы; -[л] - матрица главных контуров для ветвей дерева графа. Индекс Т относится к токам и напряжениям ветвей, вошедших в дерево графа, а индекс N - дополнение дерева (хорды ). 2) компонентные уравнения формируются в виде:

т-[х]=[вь (Ю)

где [ Z ] - вектор комплексных коэффициентов компонентных уравнений; [X] - вектор комплексных токов и напряжений; [ В ] - вектор параметров источников питания. 3) решение системы алгебраических уравнений методом ИЛ - разложения: уравнения схемы формируются в виде

[А]-[Х] = [В], (11)

при этом матрица

[А]=[Ь]-[и],

(12)

где [ Ь ] - нижняя треугольная матрица;

[ 11 ] - верхняя треугольная матрица, на главной диагонали которой стоят единицы.

Решение получается применением обратной подстановки в уравнения:

[Ь].[¥] = [В]. [и]-[Х] = [¥].

(13)

(14)

Приведен алгоритм расчета, разработанный на базе обобщенной математической модели. Алгоритм разработан с учетом известных методик, но имеет ряд особенностей, вытекающих из постановки задачи . Алгоритм расчета разработан с целью решения задач . для выбора структуры и определения параметров АСЭС КЛА комбинированного типа.

Алгоритм применим для расчета разветвленных разомкнутых сетей (древовидных), типичных для АСЭС.

Четвертая глава посвящена разработке пакета прикладных программ (ППП) для анализа АСЭС КЛА комбинированного типа и решению задач.

ППП « Е1^ЕТ» ориентирован на анализ АСЭС КЛА, содержащих источники постоянного и переменного тока, выпрямители, инверторы, распределительную сеть, нагрузку и может применяться для исследования систем различной структуры, работающих в нормальных режимах '; в соответствии с заданным графиком

Генератор яерекениаго

гокя ■

Рис.4

О

Гсмер«т«р ■ереиеммога т»са

-в-

ПВ >я>-

'<(' а

си

* СИ

Рис.5

на грузки.

Описана структура ППП, функциональное назначение и возможности каждой подпрограммы. Описаны входная и выходная информации.

В качестве примеров для решения задач использовались три типовые структурные схемы комбинированных АСЭС ( рис. 4, 5, 6 ). В результате расчета получены зависимости массы АСЭС КЛА комбинированного типа от частоты для систем мощностью 10 и 20 кВА для диапазона частот 400 -г 4000 Гц , которые приведены на рис. 7 и 8 соответственно. Анализируя полученные зависимости можно сделать следующие выводы. Для АСЭС КЛА мощностью 10 кВА минимум

Рис. 6 целевой функции наблюдается при час-

тоте 4000 Гц для структурной схемы рис. 5.

При этом падение напряжения на шинах нагрузки не превышает допустимого значения как для потребителей переменного тока (рис. 9,а), так и для потребителей постоянного тока (рис. 9, б).

Для АСЭС КЛА мощностью 20 кВА минимум целевой функции наблюдается при частоте переменного тока порядка 2000 Гц. Падение напряжения в этом диапазоне частот не превышает допустимого значения дня потребителей переменного тока (рис. 10,а) и для потребителей постоянного тока (рис. 10,6).

М.О-

1 V Чг

ш

2000

5000 |,Гц

300в 4001

Рис.7.

При анализе графика нагрузки были рассчитаны режимы работы АСЭС КЛА при увеличении нагрузки до 2,51дам. Полученные результаты

При анализе графика на-грузкн были рассыпаны режимы работы АСЭС КЛА при увеличен™ нагрузки до 2,5 I ном. Полученные результаты приведены на рис. 11, а - для потребителей переменного тока, на рис. 11,6 - для потребителей постоянного тока. На рис. 11 а,б показано изменение расчетного падения напряжения на шинах потребителей переменного и постоянного тока при изменении нагрузки на шинах потребителя относительно допустимого паде-

К. «г

N V •

\ ^У/

2500 |,ГЧ

Рис. 8

ния напряжения. Расчет графика нагрузки для АСЭС КЛА необходим, учты-вая особенности работы электрооборудования таких систем.

Разработанная методика и ППП могут быть использованы на стадии аван-проектирования АСЭС КЛА, а также других автономных объектов для выбора рационального варианта структуры АСЭС, оценки ее массовых показателей, анализа качества электроэнергии при колебаниях нагрузки, для выбора буферных источников электроэнергии, для выбора

и.*

ид» 1

N. » 1

1ооо го )> 3000 40 >о ы )6

а)

ах

к

Той 20Й ша 4&оо 5ооа ГГгц

Рис. 9.

б)

и.х

u •

i

гшга эово

дЧ.*

49SB SOW 1.Щ

Рис. 10 а, б.

í U.X

4 и*««

Я \ \ | J

/

N г

/ Ч 3

Рис. И а, б

шов гооа jora мои soso i.m

парамепров основных силовых элементов и параметров режима работы АСЭС комбинированного типа.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные автором в результате исследований и расчетов , а также даны рекомендации по выбору перспективных основных силовых элементов АСЭС КЛА комбинированного типа, по выбору номинальных параметров режима работы АСЭС, по выбору диапазона рациональных частот для различных структурных схем различной мощности.

В приложениях приведены распечатки процедуры ввода исходных данных по участкам структурной схемы, примеры таблицы исходных данных, таблицы выходной информации, описанные в главе 4.

■

4

В приложении также приведены акты использования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложены критериальные и функциональные математические модели перспективных силовых элементов автономной СЭС КЛА комбинированного типа - электромеханических генераторов переменного тока, трансформаторно-выпрямительного блока, трансформаторно-инверторного блока, распределительной сети - в соответствии с выбранным критерием оптимальности - минимумом массы и ограничением по допустимому падению напряжения на шинах нагрузки.

2. На базе разработанных критериальных математических моделей получены зависимости удельной массы от частоты переменного тока, зависимости массы элементов от частоты. Полученные зависимости позволяют определять удельные и активные массы основных силовых элементов АСЭС мощностью от 5 до 25 кВА в диапазоне частот от 400 до 4000 Гц. Результаты расчета согласуются с опубликованными в литературе данными , что подтверждает достоверность математических моделей.

3. Разработана обобщенная математическая модель АСЭС КЛА комбинированного типа, включающая в себя критериальные и функциональные модели перспективных силовых элементов. В качестве целевой функции обобщенной математической модели принята установленная масса АСЭС, а в качестве ограничений - отклонение напряжения на шинах потребителя от заданного уровня.

4. На базе обобщенной математической модели разработан алгоритм формирования структуры и определения параметров АСЭС КЛА комбинированного типа отличающийся тем, что по заданной конфигурации, сформированной из перспективных силовых элементов, и параметрам нагрузки позволяет определять параметров АСЭС с учетом требований к регуляторам, обеспечивающей процесс генерирования, преобразования и распределения электроэнергии требуемого качества.

5. На базе алгоритма расчета разработан пакет прикладных программ, позволяющий решать следующие задачи:

3 расчет АСЭС КЛА комбинированного типа с заданными параметрами нагрузки при различных параметрах режима ( напряжение источника, частота переменного тока, выходное напряжение на шинах нагрузки );

■ расчет качества напряжения на шинах потребителей для заданного графика нагрузки.

6. Для АСЭС КЛА мощностью 10 кВА минимум целевой функции, то есть установленной массы, наблюдается при частоте порядка 4000 Гц для схемы, приведенной на рис. 5. Увеличение частоты более 4000 Гц приводит к росту установленной массы АСЭС, так как при этом увеличиваются потери мощности в генераторе и преобразователе, что приводит к увеличению размеров генератора и охладителей преобразователей, и, следовательно, к увеличению массы элементов, а также усиливается влияние поверхностного эффекта в проводах распределительной сети, провода распределительной сети выбираются большего сечения, что также приводит к увеличению массы АСЭС. Значение расчетного падения напряжения на шинах нагрузки при частоте порядка 4000 Гц также не превышает допустимого значения, что обеспечивает требуемое качество электроэнергии при данной частоте.

7. Для АСЭС КЛА комбинированного типа мощностью 20 кВА рациональное значение частоты находится в пределах 2000 Гц и минимум целевой функции наблюдается для схемы рис. 5. Д альнейшее увеличение частоты приводит к увеличению установленной массы АСЭС. Качество напряжения на шинах нагрузки для частот порядка 2000 Гц для АСЭС мощность 20 кВА соответствует предъявленным требованиям и не превышает допустимых значений.

8. Д аны рекомендации по решению задач анализа качества выходного напряжения при изменении графика нагрузки. Необходимость анализа графиков нагрузки обусловлена особенностью работы электрооборудования АСЭС КЛА комбинированного типа.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

1. Костырев М.Л., Щетинин В.Г., Дружков A.A., Галимова A.A., Розенгаль

A.К. Асинхронная машина в автономных системах электроснабжения // Всесоюзная конференция « Современные проблемы электромеханики » . Тезисы докл. - М.: 1989.

2. Костырев М.Л., Галимова A.A., Автоматизированный расчет системы электроснабжения // Научно-техническая конференция « XX Гагаринскне чтения ». Тезисы докл. - М.: 1994.

3. Костырев МЛ., Мотовилов Н.В., Галимова A.A., Борисов С.Ю., Михеев

B.И. Автоматизированный расчет системы электроснабжения // « Электротехника », 1994,8. - с. 44 - 47.

4. Костырев М.Л., Галимова A.A. Параметрическая оптимизация автономных систем электроснабжения // Всероссийская молодежная научно-техническая конференция « Проблемы энергомашиностроения » . Тезисы докл.-Уфа: 1996.

5. Исследование перспективных систем элеьпроснабжения автономных объектов : Отчет о НИР / Сам. политехи, ин-т. Руководитель Костырев М.Л. -№ ГР 01900023422, инв. № 02910026561. ВИНИТИцешр. - М.: 1989.

6. Исследование перспективных систем электроснабжения автономных объектов : Отчет о НИР / Сам. политехи, ин-т. Руководитель Костырев М.Л. -№ ГР 01900023422, инв. № 02910026561. ВИНИТИцешр. - М: 1990.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит: методический подход, исследовательская часть / 5, 6 /, разработка методики, алгоритма, программная реализация /1,2,3,4 /.

Формат 60x84 1/16. Бумага тип_№2. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,16. Усл. кр.-сггт.1,16. Уч. -изд. л. 1,05. Тираж 100

Самарский государственный технический университет 443010, г. Самара, Галактионовская 141.