автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Трехканальная система электроснабжения наземного транспортного средства

РГ6 од

2 о ДПР 1893

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЫВОЛЩШ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО 0РДК0НИКИДЗЕ

На правах рукописи

ЛОМОНОВА ЕЛЕНА АНДРЕЕВНА

УДК 629.11.621.311.

ТРЕХКАШШЬНАЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДОТВА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена на кафедре "Электрические машины и электроэнергетические установки летательных аппаратов" Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационного института имени Серго Орджоникидзе.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Мизюрин С.Р.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Кривенцев В.И.

- кандидат технических наук, доцент *

Акимов C.B.

Ведущее предприятие - ОКБ "ГРАНАТ", г. Москва

Защита диссертации состоится. " 12 "_мая_1993

года в 10.00. часов на заседании специализированного совета К.053.18.08 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационного института имени Серго Орджоникидзе.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: I2587I, ГСП Москва А-80, Волоколамское шоссе, 4, ученый Совет МАИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 12 " апреля_1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многоканальные автономные электроэнергетические системы (АЭЭС) с импульсными и стационарными потребителями находят широкое применение в наземных транспортных средствах, используемых для накачки оптических квантовых генераторов, создания мощных магнитных полей и т.д. Автономные многоканальные электро -энергетические установки находят применение и имеют большую перспективу развития в передвижной малой электроэнергетике общепромышленного и исследовательского назначения: геологоразведочные рабо -ты, устройства для создания электрогидравлического удара, перед -вижные установки электроимпульсной сварки. Электроэнергетические системы этого типа имеет каналы для питания потребителей постоян -ного и переменного тока и импульсные каналы на базе накопителей енергии. Системы питания с емкостными накопителями (ЕН) энергии являются наиболее распространенными, хотя в перспективе ожидается широкое применение механических (на базе различного типа ударных генераторов) и индуктивных накопителей энергии. .•■•'

В настоящее время многоканальные АЭ0С при сопоставимой мощности привода и электросистемы созданы в отечественной технике в виде разрозненных мелких серий. Совершенствование таких АЭЭС общепро -мышлевдого и оборонного назначения: енижение ^маесы и габаритов , повышение надежности, улучшение энергетической эффективности, по -казателей качества электроэнергии в установившихся и переходных режимах является актуальной задачей с позиций развития передвижных установок "малой" энергетики и конкурентоспособности с зарубежными аналогами.

Вопросы улучшения показателей качества электроэнергии, особенно динамических показателей по напряжению, являются общими как для наземных АЭЭС, так ~и для систем электро снабжения летательных аппаратов (СЭС ЛА). Оценка возможностей улучшения динамических характеристик электроэнергетических систем и путей, способов и средств достижения этой цели является важной задачей, особенно при сертификации АЭЭС самолетов и наземных транспортных средств (НТС) по международным стандартам. От положительного решения этих вопросов, направленных на повышение эффективности АЭЭС оборонного и гражданского назначения за счет оптимизации структур и параметров по обобщенному оценочному критерию, учитывающему связь массы с надежностью и

качеством электроэнергии, а также за счет усовершенствования и уточнения методов расчета и проектирования, существенно зависят перспективы развития многоканальных автономных систем с импульсными каналами генерирования.

Выполненная работа способствует решению комплекса задач, связанных с созданием трехканальной системы электроснабжения для наземных транспортных средств со стационарными и импульсными потре -бителями мощности.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР, проводимой на кафедре "Электрические машины и электроэнергетические установки летательных аппаратов" Московского авиационного института им. С.Орджоникидзе в соответствии с заказом промышленности на основа -нии решения директивных органов.

Цель диссертационной работы - улучшение массоэнергетических , надежностных и динамических характеристик многоканальных АЗЗС с импульсными каналами генерирования на базе ЕН.

Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование и разработка обобщенного критерия эффективности АЗЗС с учетом связи массы с динамическими характеристиками, надежностью.

2. Выбор и обоснование комбинированного метода синтеза рациональных структур трехканальной АЭЭС с: а) каналом постоянного то -ка; б) каналом переменного тока; в) импульсным каналом на базе ЕН.

3. Разработка математических моделей для исследования взаимовлияния каналов в синтезированной трехканальной структуре и опре -деления динамических отклонений напряжения при коммутации стационарной нагрузки.

4. Определение параметрических способов снижения динамических отклонений напряжения по результатам математического моделирования.

5. Разработка методики параметрического расчета генераторов

на заданное динамическое отклонение напряжения Д1Тндч по результатам теоретических и экспериментальных исследований.

6. Проведение экспериментальных исследований "быстрых" и "медленных" зарядных процессов с целью определения вольтамперных характеристик для разработки методики расчета главных размеров зарядного генератора.

7. Разработка методики расчета главных размеров вентильного зарядного генератора с ЕН на основе вольтамперных характеристик 4

зарядного процесса.

Методы исследования» При выполнении работы использовались основные положения теории динамических режимов электрических машин , математического моделирования многосвязных электроэнергетических систем, численные методы решения дифференциальных уравнений с использованием ЭВМ и экспериментальные метода исследования динами -ческих режимов. Количественные расчеты проводились с использова -нием ЭВМ типа РС АТ-286.

Научная новизна, В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

- разработан новый обобщенный критерий эффективности АЭЭС для ДА и НТС с учетом связи массы с динамическими характеристиками и надежностью;

- предложен комбинированный метод синтеза, позволивший использовать разработанный критерий для обобщенного графа АЭЭС;

- разработаны универсальные математические модели, алгоритмы и программы расчета для определения динамических отклонений напряжения и исследования взаимовлияния каналов многосвязных электро -энергетических систем ЛА и подвижных объектов;

- разработан параметрический подход к расчету генераторов на заданное динамическое отклонение напряжения;

- даны количественные оценки влияния основных размеров, ин -дуктивных параметров и массовых показателей синхронных генераторов на величину динамических отклонений напряжения при коммутации нагрузки;

- получены аналитические выражения внешней (вольтамперной ) характеристики синхронных генераторов для "быстрых" зарядных процессов, позволившие разработать методику расчета главных размеров генераторов.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные при ее выполнении рекомендации позволяют .создать АЭЭС ЛА и НТС с высокими техническими показателями. В частности:

- предложен и разработан аддитивный критерий эффективности статических преобразователей, позволяющий избежать искусственного введения весовых коэффициентов;

- разработана методика синтеза, позволяющая на ранних этапах проектирования определить рациональные структуры АЭЭС;

- разработана методика расчета динамических отклонений напряжения синхронных и вентильных генераторов по операторным уравнени-

ям Парка-Горева, исключающая громоздкие вычислительные процедуры;

- предложена методика расчета главных раэмеров вентильного зарядного генератора с ЕН на основе "статических" и "динамических" внешних характеристик;

- получены расчетные выражения для методики параметрического расчета генераторов на заданное динамическое отклонение напряже -ния;

- разработанные алгоритмы и программы могут быть включены в САПР АЭЭС и использованы для расчетно-поисковых исследований в целях оптимизации многосвязных электроэнергетических систем подвижных объектов;

- созданы и исследованы макетные образцы импульсного канала АЭЭС с ЕН.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы на предприятии НПО "Астрофизика", ОКБ "Радуга", КБ "ТОЧМАШ" при проведении эскизного и технического проек -тирования изделий и комплексного стенда, в частности, по созданию многоканальной системы электроснабжения подвижного объекта. Внедрение результатов подтверждается актами о практическом использовании диссертационной работы. На основе проделанной работы были рассчитаны, изготовлены и испытаны макетные образцы импульсного канала АЗЭС, которые подтвердили правильность раечетно-теоретических положений диссертации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на: конферен -циях молодых специалистов НПО "Астрофизика" в 1983-1985 годах, на Всесоюзной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии" (г. Киев, 1984 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы управления системней эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов" (г.Киев, КНИГА, 1991 г.), на научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения в автономной электроэнергетике" (г. Севастополь, 1991 г.), на международной научно-технической конференция МА1/ВИАА (г. Пекин, 19-20 октября 1992 г.), научных конференциях кафедры № 310 Московского авиационного института- в 1985-1992 годах. Материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах и использованы в материалах эскизного и технического проектов АЭЭС НТС и в 15 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. 6

Основная часть диссертации содержит 118 страниц машинописного текста, 50 рисунков и II таблиц на 36 страницах. Список литературы содержит II страниц машинописного текста и включает 116 наимено -ваний. Общий объем работы составляет 191 страницу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена решаемая научно-техническая проблема, обоснована актуальность темы и сформулированы цель и основные задачи диссертации, показана ее научная новизна и практическая ценность результатов и дана информация по структуре, апробации, публикации и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор и дан анализ состояния разра -боток и исследований основных элементов СЗС НТС и ЛА: импульсной системы генерирования электроэнергии, первичных и вторичных источников питания. Показано, что создание системы электроснабжения наземного транспортного средства с импульсными и стационарными каналами потребления соизмеримой мощности требует совместного решения комплекса задач, связанных с исследованием электромагнитных и электромеханических процессов, вопросов проектирования, выбора и построения основных элементов на базе системного подхода с учетом циклограммы функционирования объекта. Обоснована необходимость решения задачи снижения динамических отклонений напряжения на управляемой и неуправляемой стадиях переходного процесса соответственно конструктивными и параметрическими методами на этапе внутреннего проектирования системы. На основании анализа предъявляемых к автономным системам электроснабжения наземных транспортных средств требований по обеспечению качества электроэнергии, надежности, массогабаритных показателей сформулирован модернизированный критерий "транспортируемой" массы и даио его математическое описание

з р 1/ПР

M„-z, w-JC*^«^. «'

л пг

где 2 ^nrmi^ycTi ^рез о ПР ~ конструктивная масса первичных

m=1 и Pi) Крез^

генераторов; Z. n РПчт ~ конструктивная масса каналов

•> пг

преобразования электроэнергии; Kpejj - кратность резервирования первичных генераторов; ^pe3i ~ кратность резервирования преобразователей рода тока или мощности.

Предложено прирост массы первичных генераторов, связанный с изменением конструкции и геометрии с целью обеспечения требуемого уровня динамических отклонений напряжения при коммутации стацио -нарных и импульсных нагрузок, учитывать на основании регрессионного уравнения

М =М (Ли М +К М + ... /ел

полн геи 1 'баз гекЛииндчо'' "ч'^БАЗген ч2 11 баз ген» (2)

где МБАЗген - масса базового генератора с максимальным уровнем динамических отклонений напряжения ( Диндчо ); К.,МБДЗген , К2М6АЗГен - дополнительные маесы генератора, связанные с конструктивными изменениями для снижения допустимого ГОСТом 19705 -89 уровня динамических отклонений напряжения &индчдоп ; К,,,

Кг , ... , - коэффициенты регрессии, определяемые степенью полинома аппроксимирующей зависимости М = ") по результа -там математического моделирования.

Показано, что при наличии'статистических данных по результа -там испытаний на надежность однотипных статических преобразовате -лей целесообразно применять разработанный аддитивный критерий эффективности, устанавливающий функциональную связь между массой и вероятностью безотказной работы с явной параметрической связью через конструктивный коэффициент, учитывающий степень загрузки элементов и их резервирование.

На базе проведенного синтеза на основе комбинированного матричного и графического метода решения задачи на плоскости и в пространстве осуществлен расчет и выбор 10 конкурентно-способных вариантов СЗС НТС. Показано, что три структуры СЗС: одно-, двух-, и трехгенераторная являются равнозначными с точки зрения разработанного критерия "транспортируемой массы". Определено, что варианты построения СЭС на базе электродинамического генератора в импульсном канале обеспечивают выигрыш в массе на 15 4 20% в зависимости от мощности разрабатываемого устройства (10 4- 100 кВА) и частоты зарадно-разрядных импульсов ( = I 4 10^ имп/с), практическая

реализация которых затруднена из-за нетехнологичности конструкции.

Во второй главе разработана общесистемная математическая модель двух-, (трех) генераторного синтезированного варианта системы электроснабжения НТС для исследования электромагнитного и электромеханического влияния работы импульсного и стационарного каналов. Обобщенная математическая модель двух- (трех) генераторного варианта (рис. I) с импульсным и стационарными каналами потребления мощности представлена следующими уравнениями: 8

ТРМгенеРАТОРНАЯ системА элькТРОСНАбжения

ГТД

ГТД

СГ

^ ВГ

ш.

К потребителям -г переменного тока '■> Зср, 220 В, ^00Гц

-1 к потребителям

-[ПОСТОЯННОГО ТОКА 27 В

ВОГ

и.лг

ИН

ЕН

_ . .п ИМП

ВСГ - высоковольтный синхронный генермор

ВГ - вентильный генерлтор

СГ - синхронный генетор

В - выпрямитель

£Н - емкостной накопитр-ль

ИН - ИМПУЛЬСНАЯ НАГРУЗКА

ГТД - га50тур5инныи двигатвль

Р - редуктор

Рис. 1

а) уравнениями синхронного генератора, принятыми в стандартной форме Парка-Горева в системе относительных величин в с1,

с^ - координатах;

б) уравнениями вентильного генератора, принятыми в стандартной форме по огибающим выпрямленного тока с коэффициентами преобразо -вания выпрямителя К ■ и К ^ по токам и напряжениям;

в) уравнениями высоковольтного генератора с Щ, принятыми в относительной форме К^ с уравнениями нагрузки по огибающим токов и напряжений на основе приближенного ¿1 , -преобразования.

Связь между каналами.осуществляется посредством .уравнения движения ротора газотурбинного двигателя (ГТД)

мгтл"мэсг~ Мэвг~ Мэвсг

или

- а. 2 /« » »» * » » »

2сН

ГТД

* » »

~ ^аесг \всг ~ ^всг ^¿всг)-

Для системного согласования уравнений каналов базовые величины увязаны соотношениями

"вазсг58 ^ссг > а)6АЗвг=а)свг;

* "«Г

. к«,; (4,

БАЗВГ БАЗ ВГ

Л -^вгК^, . _С0вегКС02,

БАЗ СГ БАЗ СГ

^ БАЗ ВГ= ^ БАЗСГ иБАЗВГ= ^АЗС!"1*11^

^бАЗВСГ* ^ БАЗСГ ^6АЗВСГ= ^БАЗСГ

Результаты математического моделирования влияния циклического режима "заряд-разряд" на модуляцию угловой скорости смежных кана -лов в зависимости от частоты следования импульсов приведены

на рис. 2. Обосновано, что при соотношении мощностей ГТД и генераторов I : 0,25 : 0,25 : 0,25 и частоте » с00т~ ветствуицей частоте импульсов 2 имп/с, происходит механи -ческая фильтрация возмущений и исключается взаимовлияние каналов генерирования мощности. Показано, что при частоте периодических возмущений ^и 4 1...2 имп/с ГТД утрачивает свойства "механического" демпфера и для локализации влияния работы импульсного канала необходимо осуществлять управление возбуждением высоковольт -ного генератора импульсного канала в режиме неизменной, потребляемой емкостным накопителем, мощности.

На основе анализа расчетных кривых зарядного процесса исСЬ) , 1.С("Ь) определено, что характер изменения вольтамперной характеристики дяя "медленных" ( . ^ = 0,1...I имп/с) и "быстрых" ( ^">,2...10 имп/с) зарядных процессов различен и характеризуется динамическим параметром Х^М) . Показано, что для "быстрых" зарядных процессов необходим учет изменения параметра Х^ОЬ) во всей временной области от Х^ до Х^

Дяя СЭС, функционирующих с импульсными каналами мощности при частоте периодических зарядно-разрядных циклов >/ 2...10 имп/с, разработана методика проектирования генераторов по эквивалентной мощности на базе аналитических зависимостей 1св0 , исШ.

Расчет генератора осуществляется в соответствии с реальной динамической вольтамперной характеристикой, в которой учитывается

Модуляции частоты вращения двигателя при f р= 0,6 Гц,

'гтл

Я

гтд

0,6 а)

-<-- 0 8'

1,2 1 О

0,01

■С.с

«1-М

Ьозмущмщие воздейст&ия со стороны импульсного канала при 0,6 % * р- 6 Гц.

влияние противо-ЭДС со стороны ЕН на свободные переходные токи в контурах индуктора СГ.

Для получения обобщенных функциональных зависимостей 1сОО , ис("£) в аналитической форме предложено применение кусочно-линейной аппроксимации кривых зарядного процесса, полученных при математическом моделировании с учетом изменения динамического параметра ХдСО .

В третьей главе для оценки максимальных динамических отклонений напряжения стационарных каналов питания при сбросах и набросах нагрузки.в трех- и одногенераторных вариантах СЭС разработана универсальная математическая модель, алгоритм и программа расчета для синхронных и вентильных генераторов, в которых огибащие токов и напряжений изменяются по одинаковым законам. Исходными для математической модели являются операторные уравнения Парка-Горева для СГ в с1, -координатах, учитывающие все внутренние параметры генератора

ьиа(р>-1?Ма(р>Р [Ха(р>Д1а(р-)+ &в(р) ьив(р)]+ Хч(р) АЦ(Р); (5)

Несмотря на то, что в начальный момент спада (всплеска) напряжения при коммутации нагрузки система возбуждения и регулирования в силу инерционности не влияет на начальную стадию переходного процесса, дополняем систему уравнений (5) уравнениями активно-кндук-тивной нагрузки и регулятора в операторной форме с целью получения замкнутой системы

üUB(p) = WPer(p)AU(p}; + Id o^RHCpVI^UHCP);

+ Icl0ARHCp) + Icl0A\H(p).

Такая модель позволяет без большого объема вычислительных работ рассчитывать с высоким быстродействием динамические отклоне -ния напряжения на неуправляемой стадии переходного режима и может эффективно применяться для исследования электромагнитных процессов во всей временной области с варьированием динамических параметров генератора , Х'^ , X¿ , Xd и различных типов регуляторов.

За счет введения итерационных циклов изменения параметров генератора для расчета динамических показателей качества переходного процесса на неуправляемой стадии установлены однопараметричес-кие функциональные связи между динамическими отклонениями напряжения и индуктивными, активными сопротивлениями синхронного генера -тора в зависимости от величины коммутируемой нагрузки (при задан -ном коэффициенте мощности C0S<p = 0,8) и получены для них анали -тические выражения

± ¿UHA4=f(X4); ± Динлч = 5ад; *AUHA4=f(X6). и т.д.

Определено, что при сбросе нагрузки повышенные значения ин -дуктивных сопротивлений приводят к накоплению большей энергии в статоре СГ и ограничивают скорость изменения тока статора (di/dt), способствуя увеличению времени переходного процесса и уменьшению всплеска напряжения. Установлено, что наибольшее воздействие на величину динамических отклонений напряжения генератора оказывает изменение параметра Х^ - индуктивного сопротивления рассеяния.

Получены аналитические выражения для однопараметрических зависимостей на базе регрессионных уравнений по расчетным кривым &UH дч = (Д2,н") (рис. 3), позволяющие проводить предварительную оценку динамических отклонений напряжения при сбросах и набросах нагрузки (0,1 ZH т ЮZH ) без использования математического моделирования.

По результатам проведенного анализа функциональных зависимостей основных размеров синхронного генератора от динамических отклонений напряжения (рис. 4) установлено, что для снижения ^UHA4 целесообразно увеличивать диаметр расточки и уменьшать активную длину. Определено, что обеспечение требования снижения &UHA4 на неуправляемой стадии переходного процесса для одногенераторного 12

Зависимости AUHA4»f_(ü2H') ^ ^

при набросе нагрузки iZH/)0, Д1н/5, Д2н/5 äUu

НЛЧ

0,7 0,6 0,5 0,4 0,1 0,2 <М

KR = (0

KR = 5 Кй"3

Уравнение регрессии

1.46^1,37

0,05 0.1 4« 0,2 0,55 0,3 iZH

о)

* •

Зависимости ÜUHA4» jiüZ^ ^ при сбросе нагрузки 3iZ . 5iZH,10Д2Н 4UU,

KR-J

KRÄ5

KR=40

Уравнение регрессии ' AU^-O,20181п(Д^+1,09

Я <0 ¿2

Н

Зависимости ÜU„ =

при ^бросе нагрузки

0AZH,5üZH,fl

Уравнение регрессии Аин,ч-0,<(641л(й^+(,056

"б 3 Ю-¡¡fr.,

варианта на базе С-75 с 1,5ином до 1,3ин0м приводит к возрастанию массы генератора на 155?. Полученные коэффициенты Кр ^...К регрессионных уравнений

M.,= 0,59AIJ^4- 1,84ÄUHA4+2,25 (SM00 кВА);

Н A4 тт 2

(8)

ма* 0,77 2,15 (S»5kBAV § пред _

ставленных в относительных безразмерных единицах по отношению к базовому СГ мощностью $ном , напряжением 115/200 В и частотой 400 Гц, позволяют дополнить модернизированный критерий "транспортируемой" массы ( 2 ) многоканальной СЗС компонентами, учитывающи-

13

Ц= 0,62 ьи*- ййи+1,07(5 кВА)

1г- 0,9Ли, - дии+ <,09 ООО кВА)

'0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

5,-2 инг+ лин+0,7(5кЬА)

а)

'0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 ^ 52»-3,2ли^-3,76лииЧ45 СЮОкВА)

5

0,5 0,7 0,9 1,1 лйи 0,7 0,9 1,1 ДхУ,

м 1,1

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 <Л

0,4 0£ 0,8 1,0 1,2 1,4

Рис.А.

ми прирост массы генератора при обеспечении максимального заданного динамического отклонения напряжения.

На основе проведенного по результатам математического моделирования анализа получено аналитическое выражение для Л1}ндч с учетом однопараметрических регрессионных уравнений 1-го порядка

*иидч= АииАЧв(Х*, , Уло , *но , Рно) +

зли

НАМ

Эх';

/у// _ у// Ч 4. 9 Д^нАМ

Лс1о/ дх« I я

dAlU ах'

эх.

(X-X V8AUH.

п

(R

позволяющее определить многопараметрическое влияние генератора и нагрузки на динамические отклонения напряжения на этапе проекта -рования энергосистемы НТС и ДА.

Для проектирования элементов СЭС разработана методика расчета генераторов на заданное максимально допустимое отклонение напряжения с оптимизацией массогабаритных показателей СГ (рис. 5) . Решение многокритериальной оптимизационной задачи при проектиро -вании генератора основано на математической модели и традиционно используемых формулах расчета электрических машин с определением массогабаритных характеристик I , D , М по заданному набору параметров ( X¿ , Хйв , Xffa , Xd , Х^, ... , (5ф, RH , Хн ) с систематическим просмотром многомерных областей на базе Л ¡^-последовательностей.

В четвертой главе приводится описание макетов импульсной системы электроснабжения с бесконтактным коммутатором, обеспечивающим надежную работу конденсаторных батарей емкостного накопителя в частотном режиме, спроектированных и изготовленных с участием автора.

Приведено описание экспериментальных установок, в которых в качестве источников электроэнергии при испытаниях макетов исполь -зовались синхронный генератор СГС-30-8 и электромашинный преобразователь ПГ-6000Б.

Обмотка якоря СГС-30-8 перемотана для получения высокого напряжения. При частоте вращения п. = 8000 об/мин генератор обеспечивает синхронную частоту J = 534 Гц и фазное напряжение U = = 1220 В. Генератор преобразователя ПТ-6000Б с перемотанной обмоткой якоря при частоте вращения п = 8000 об/мин имеет синхрон -ную частоту j = 400 Гц и фазное, напряжение U = 320 В. Секции емкостного накопителя собраны из конденсаторов К41-И7 с воз -можным ступенчатым изменением емкости в секции от 100 до 800 мкФ.

Приведены результаты экспериментальных исследований при ра -боте электромашинных зарядных устройств с ЕН и дан сравнительный анализ экспериментальных кривых при частоте зарядно-разрядных циклов и = I -г 10 имп/с с расчетными. Анализ экспериментальных исследований автономного импульсного канала мощности показал, что опытные образцы при Uc = 3 + 5 кВ, = I * 10 имп/c ,

.шш.Тм чюшкто шэдованш пространства нараштсб

Х^, Хвга).....Хвап. • • •.. • • •. ПЮЬШШАЮГО

ГЬЬЬРАТОРА НА сАДАИНиЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ ОТКЛОНЕНИЕ НАПРЯШЩ

Рис.5

= (5 + 10) кДк целесообразно выполнять на базе авиационных генераторов напряжением 200/115 В, частотой 400 Гц, мощностью $ном = (40 * 90) кВА типа ГТ 60 ПЧ или наземных генераторов типа СГС-40П. Для повышения энергетических характеристик зарядного процесса необходимо изменение обмоточных данных якорной обмотки генераторов ГТ60ПЧ и СГС-40П, выполняемой в открытых пазах на напряжение до 5 кВ в соответствии с разработанной методикой расчета (глава 2).

Сравнительный анализ экспериментальных кривых 11с(£) , 1СШ с расчетными показал, что при частоте зарядно-разрядных циклов

= I имп/с наблюдается высокая сходимость качественной и количественной стороны процессов. При частоте зарядно-разрядных 16

циклов { =8+10 имп/с расхождение между экспериментальными

и

и расчетными кривыми достигает 15 + 20%.

Экспериментальные исследования подтвердили влияние демпферной обмотки и обмотки возбуждения генератора на функциональные зависимости , в "быстрых" зарядных процессах. Для устранения количественного несоответствия расчетных кривых Uj.it) и 1сСЬ) экспериментальным необходимо использовать аналитические выражения вольтамперной характеристики генератора в "быстрых" зарядных процессах, учитывающих изменение динамического параметра ХаШ (глава 2).

В заключении работы приведены основные результаты и выводы , полученные автором в процессе исследований.

1. Существующие опытные образцы систем электроснабжения с автономным приводом генератора для наземных транспортных средств с сопоставимыми по мощностям потребления импульсным и стационар -ними каналами не позволяют эффективно решать проблему обеспечения требуемых уровней качества электроэнергии и надежности при периодических эарядно-разрядаых циклах работы импульсной нагрузки

( = 0,1 + 10 имп/с). Для решения поставленной цели предложен новый комплексный системный подход к синтезу, выбору и анализу проектируемой СЭС и ее элементов на основе разработанных критериев эффективности, математических моделей и методик расчета.

2. Анализ применяющихся при проектировании систем электро -снабжения критериев эффективности ЛА и НТС показал, что для осу -ществления синтеза и выбора рациональной многоканальной СЭС целесообразно использовать предложенный модернизированный критерий транспортируемой массы, учитывающий прирост массы генераторов и преобразователей при обеспечении требуемой надежности и предельно допустимых динамических отклонений.напряжения. При наличии статистических данных результатов испытаний на надежность для однотипных статических преобразователей целесообразно применять разработанный аддитивный критерий эффективности, устанавливающий функциональную связь между массой и вероятностью безотказной работы с явной параметрической связью через конструктивный коэффициент, учи -тыващий степень загрузки элементов и их резервирование.

3. Проведенные синтез на основе комбинированного матричного

и графического метода и сравнительный анализ при выборе рациональной структуры трехканальной системы электроснабжения по модернизированному критерию "транспоритируемой"массы показал, что три ва -рианта: одно-, двух- и трехгенераторный приблизительно равноценны.

При этом одногенераторный вариант ОС, несмотря на простоту реализации, наиболее неблагоприятен по степени электромагнитного и электромеханического взаимовлияния каналов.

4. Двухгенераторный вариант СЭС с общим автономным приводом, создаваемый на основе серийных генераторов переменного тока стандартного напряжения и частоты с преобразованием в постоянный ток посредством трансформаторно-выпрямительного устройства и высоко -вольтного генератора в импульсном канале мощности, наиболее перспективен для наземных транспортных средств. При использовании маршевого двигателя для привода валов отбора мощности двухгенераторный вариант СЭС целесообразно выполнять на базе генератора постоянного тока с преобразованием части мощности в переменный ток пос -редством статического преобразователя и с импульсным каналом на основе высоковольтного генератора.

5. Созданная обобщенная математическая .о модель СЭС для трех (двух)-генераторного варианта, выведенные приближенные расчетные выражения позволяют исследовать электромагнитные и электромеханические процессы, происходящие в системе, а также определять свойства "механического" демпфера с учетом амплитудно-частотных характеристик ГТД при коммутации импульсной нагрузки и способы локализации периодических возмущений. При использовании автономного привода сопоставимой с СЭС мощности в двух (трех)генераторном варианте при частоте следования импульсов $и = 2 + 10 имп/с происходит механическая фильтрация периодических импульсных возмущений и ка -налы генерирования становятся "механически" развязанными, а при

¿1 т 2 имп/с необходимо осуществлять управление возбуждением генератора в режиме неизменной мгновенной, потребляемой емкостным накопителем, мощности.

6. На основании полученных расчетных и экспериментальных зависимостей изменения вольтамперной характеристики синхронного ге-. нератора в "быстрых" зарядных процессах ( > 10 имп/с) для автономного канала импульсной мощности установлено, что проектирование СГ необходимо осуществлять в соответствии с разработанной методикой на базе аналитических выражений 1 С("Ь) и Т1с(4:) , учитывающих изменение динамического параметра Х^(-Ь') . Разработанная методика расчета генераторов для импульсного канала по эквивалентной мощ -ности на базе аналитических зависимостей изменения тока и напря -жения в зарядном процессе может быть использована при проектировании синхронных генераторов с традиционной зубцово-пазовой активной зоной с электромагнитным возбуждением, работающих через выпрямитель 18

на емкостный накопитель в циклическом режиме "заряд-разряд" с частотой следования импульсов -Р =1+10 имп/с и более.

J и

7. Созданная математическая модель стационарного канала генерирования переменного тока СЭС на базе дифференциальных уравнений Парка-Горева в операторной форме и полученные расчетные выражения позволили с большой экономией машинного времени определить абсолютные значения провалов и всплесков напряжения на неуправляемой стадии переходного процесса при коммутации активно-индуктивной нагрузки, выявить функциональные зависимости изменения динамических отклонений напряжения от основных параметров генератора, выработать исходные условия для проектирования и рекомендации по инженерному расчету СГ. Для обеспечения требуемого качества электроэнергии в стационарных каналах генерирования при коммутации активно-индук -тивной нагрузки, целесообразно осуществлять проектирование генераторов в соответствии с разработанной методикой параметрического расчета на заданное динамическое отклонение напряжения, позволяющей оптимизировать массогабаритные показатели.

8. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что для автономного канала генерирования опытные образцы при

"Uc = 3 + 5 kB, fи = I + 10 имп/с, W = (5 + 10) кДж целесообразно выполнять на базе авиационных генераторов напряжением 200/ 115 В, частотой 400 Гц, мощностью $ном = (40 + 90) кВА типа ГТ-60ПЧ или наземных генераторов типа СГС-40П. При этом расчеты изменяющихся обмоточных данных якорной обмотки, выполняемой в открытых пазах на напряжение до 5. кВ, рационально проводить в соответствии с разработанной методикой. Опытный образец преобразователя постоянного тока в импульсную мощность в качестве вторичного импульсного источника питания в двухгенераторной СЗС может быть создан с учетом разработки макета на базе авиационного преобразователя ПТ-6000Б с М =8 + 10 кг/кВт при Uc' = (800 + 1000) В, = 5 + + 10 имп/с. Проведенные экспериментальные исследования на макетных образцах автономного импульсного канала и электромашинного преоб -разователя постоянного тока в импульсную мощность подтвердили их работоспособность и достоверность расчетно-теоретических положений и результатов диссертационной работы.

Таким образом, подтверждена перспективность применения разработанного подхода к анализу, выбору и проектированию рациональной структурной схемы многоканальной системы электроснабжения наземного транспортного средства и ее основных элементов с повышенными требованиями обеспечения надежности, качества электроэнергии и ми-

нимизации массогабаритных показателей с соизмеримыми по мощности каналами стационарной и импульсной магрузок. Подобный подход целесообразно также использовать при проектировании систем электро -снабжения летательных аппаратов с энергоемкими импульсными потребителями мощности при повторении "зарлцно-разрядных" циклов с частотой ( £и = 0,1 -г 10 имп/с) и более.

Основные публикации по теме диссертации

1. Ломонова Е.А., Сериков В.А., Синайский В.В. Сравнительный анализ систем электропитания // Устройства генерирования и преобразования электроэнергии на летательных аппаратах: Тематичес -кий сборник научных трудов института - Москва, 1983. С. 3-7.

2. Ломонова Е.А., Сериков В.А. Анализ вариантов построения системы электропитания // Электромеханические преобразователи энергии: Сборник научныхтрудов - Киев: Наукова Думка, 1986. C.I32--136.3. Ломонова Е.А., Сериков В.А. Токи внезапного короткого замыка -

ния вентильного генератора // Электромеханические и электромагнитные устройства генерирования и преобразования электроэнергии: Сборник научных трудов МАИ - Москва, 1992.

4. Мизюрин С.Р., Ломонова Е.А., Сериков В.А., Хомутский Д.Ю. Динамические отклонения напряжения в системах электроснабжения переменного тока // Методы управления системной эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов: Тез. докл. Всесоюзной научно-технич. конф. - Киев, 1991.

5. Мизюрин С.Р., Ломонова Е.А., Сериков В.А., Хомутский A.D. Оценка динамических колебаний напряжения в автономных системах электроснабжения // Проблемы энергосбережения в автономной электроэнергетике: Тез. докл. научно-техн. конф. - Севастополь, 1991.

6. Boat Б.A., Mi^turin S.R., Lomonova Е.А. The mathematical model oj= the compulsator. // Thirteenth, international conference on magnet technology: Report abstract-Victoria, Canada, 1993.

7. Мизюрин С.P., Ломонова Е.А., Хомутский Д. D. Динамические отклонения напряжения синхронного генератора // Сборник трудов Ка -занского авиационного института - Казань, 1992.

8. Lorrtonova E.A., Mi^iurm S.R., Homutski D.U. Tke researck of dynamic vottage chcm^es in. electrica! powersystem by control means and parametric metHods// TKe Jvrst International con._feren.ce MAI/BUAA, 19-20 Oci, ßeijin.^, China, 1992.