CC BY
292
Халютин С.П., Жмуров Б. В., Матюшина А. В.
Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»
ОСОБЕННОСТИВЫБОРА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПО ЦИКЛОГРАММЕ ПОТРЕБЛЕНИЯ МОЩНОСТИ
При проектировании систем электроснабжения (СЭС) летательных аппаратов (ЛА) возникает задача выбора из типовых структур СЭС того варианта, который с учётом характеристик первичных источников электроэнергии (ЭЭ), как правило генераторов, удовлетворяет циклограмме потребления мощности предполагаемыми приёмниками ЭЭ.
Основными характеристиками генераторов являются его номинальная мощность и перегрузочная способность, которая выражается в допустимом времени его работы с перегрузкой, кратность которой определяется соответствующим коэффициентом К. Следует отметить, что после работы в перегрузочном режиме для генератора необходимо время для возврата в расчётный для него температурный режим работы .
В паспортных данных авиационных генераторов указывается, как правило, время работы при 150% нагрузке и 200% нагрузке (К=1,5 иК=2 соответственно). Однако это не означает, что генератор не может работать и при других значениях К. Для получения зависимостей допустимого времени работы генераторов при заданном К с учетом физических свойств нагревания и охлаждения элементов конструкции генератора предлагается аппроксимировать эту зависимость экспоненциальной функцией вида Т(К) = Ае-вк, (1)
где A и B- постоянные коэффициенты,Т - допустимое время работы генератора при нагрузкеК,К -коэффициент кратности нагрузки на генератор.
При наличии значений допустимых времен работы генератора при разных нагрузках достаточно просто находятся коэффициенты A и B. Например, если дляК=1,5 Т=300с, а для К=2 Т=30с (параметры генератора ГТ30НЖЧ12) функция Т(К) (1) будет иметь вид (рисунок 1):
Т(К) = ЗОООООе~4'60517К, (2)
Рисунок 1 - Аппроксимация функции перегрузочной способности генератора
Для учета перегрузочной способности генераторов при реализации алгоритма автоматического выбора типовых структур СЭС введена специальная функция д(Т), которая имеет вид, представленный на рисунке 2.
На рисунке обозначены:
- К5Н - абсолютная величина перегрузки,
- Ти - допустимое время перегрузки,
- Тп - необходимое время для восстановления температурного режима.
Если время Ти определяется аппроксимирующей функцией Т(К), т. е. на основании исходных паспортных данных, то для определения Тп необходимо знать реальное значение времени перегрузки. В расчётах Тп определяется как трёхкратное время реальной перегрузки.
Рисунок 3 - Динамическая функция перегрузок д(Т)
На использовании такой динамически формируемой функции а(Т) и основана методика выбора структуры СЭС.
Постановка задачи выбора структур СЭС
Пусть главным конструктором летательного аппарата определены все потребители электрической энергии на борту и известны их режимы работы (т. е. известны циклограммы потребления электрической мощности) на протяжении всего полёта.Все потребители разделены на соответствующие категории в зависимости от важности их задач [1].
Рассмотрим случай, когда по соотношению потребляемой мощности в качестве первичной выбрана система электроснабжения переменного тока. Это означает, что аварийные источники электроэнергии постоянного тока (например, аккумуляторные батарие) не участвуют в обеспечении мощности потребителей переменного тока, а все потребители постоянного тока представлены соответствующими преобра-
зователями переменного тока в постоянный с заданными коэффициентами полезного действия, т.е. приёмниками ЭЭ переменного тока.
Введём функцию потребления электроэнергии
m = Z7= і/до, (3)
где /до - функция потребления -го прёмника ЭЭ,п - количество потребителей ЭЭ.
Типовая функция потребления ЭЭ представлена на рисунке 3 (график «Потребление ЭЭ»).
В процессе проектирования летательного аппарата как правило изменяются требования к его системам и подсистемам и, как следствие, графики потребления ими мощностей. Поэтому до этапа технического проекта предлагаемая методика может применяться многократно.
Располагаемая мощность систем генерирования ЛА с учётом выбранной типовой структуры СЭС определяется как количеством каналов генерирования (КГ), так и характеристиками одиночных источников ЭЭ (генераторов):
G(0 = Z$ift(0, (4)
где g#(t) - функция располагаемой мощности -го генератора,
т - количество генераторов.
В формуле (4)
3i(t) = 3iH(t) + !k=i9f (Tit), (5)
где g#H(t) - номинальная мощность -го генератора,
9ik(Jik) - динамическая функция перегрузки-го генератора, введённая выше, при этом Tlk)nTlk+ = 0V.,/y8^/, (6)
2 - количество участков работы генератора в перегрузочном режиме.
Особенностью функций (5) является то, что их формирование осуществляется динамически в процессе выбора структур и мощностей генераторов на основе функции потребления ЭЭ (3).
В общем случае задача выбора структуры СЭС заключается в определении количества и мощности первичных источников электроэнергии с учётом кратности их резервирования, при этом критерием выбора может быть
Квы б = C[G(t)-Kpe3F(t)]dt, (7)
где КрЄз - кратность резервирования первичных источников ЭЭ,
tn - предполагаемое максимальное время полёта.
При этом в качестве ограничения выступает условие
"(0>Кр*ло. (8)
Пути решения задачи выбора структуры СЭС
Существует два принципиально разных подхода к решению указанной задачи, выбор одного из которых определяется экономическими и технологическими особенностями.
Первый подход связан с решением оптимизационной задачи минимизации функционала (7) с учётом (1)-(5) и ограничений (8). В качестве модели системы потребления и системы генерирования ЭЭ предлагается использовать объектно-энергетические модели, приспособленные для моделирования переходных процессов в сложных электроэнергетических системах [2].
В этом случае получается минимальная избыточность и, соответственно полётная масса, источников ЭЭ. Результатом являются требования к характеристикам и параметрам генераторов, которые необходимо спроектировать. Наличие отлаженного технологического процесса проектирования генераторов и производственной базы позволяет получить наиболее эффективное решение.
В случае отсутствия необходимых условий для проектирования и разработки новых генераторов возможен второй подход, который заключается в использовании информационной базы данных доступных генераторов и использовании их параметров и характеристик для выбора конкретной модели для использования в СЭС в качестве первичного источника ЭЭ.
Методика выбора в этом случае заключается в последовательном переборе номинальных мощностей генераторов и «натягивании колпачков» динамических функций перегрузок на участки превышения функцией потребления (3) номинальной мощности рассматриваемого генератора с учётом (6) и (8) . В случае невозможности «натягивании колпачков» перегрузок проверяемый генератор исключается из рассмотрения. После полного перебора имеющихся в наличии генераторов определяется множество генераторов, удовлетворяющих условиям (7) и (8) . Выбор конкретных генераторов определяется, как правило, по условию минимальной полётной массы.
В качестве демонстрации второго подхода рассмотрена типовая функция потребления (рисунок 3) и проведена проверка 2-х генераторов переменного тока на предмет удовлетворения условиям выбора. Из рисунка видно, что генератор номинальной мощностью 35кВА не удовлетворяет условиям перегрузки, а генератор мощностью 40 кВА всем условиям удовлетворяет. При этом исходные параметры обоих генераторов с точки зрения перегрузки были выбраны одинаковыми.
Недостатком второго подхода является возможная переразмеренность и масса выбранных генераторов из-за наличия большой разницы в номинальных мощностях и параметрах перегрузки рассматриваемых генераторов.
Выводы
1. Рассмотрены особенности выбора структуры первичной системы электроснабжения при проектировании новых летательных аппаратов.
2. Проведена формализация задачи выбора структуры для последующей её автоматизации.
3. Предложены 2 подхода к решению задачи выбора структуры СЭС ЛА и показаны их положительные стороны и недостатки.
4. Автоматизация предложенных подходов может существенно сократить сроки разработки новых систем электроснабжения при многократных изменениях исходных данных и условий проектирования.
тока
циклограммы потребления
переменного
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 54073-2010 «Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии», М.: Изд-во стандартов, 2010.
2. Халютин С.П., Жмуров Б.В., Тюляев М.Л., Старостин И.Е. Моделирование сложных электроэнергетических систем летательных аппаратов. Монография. М.: Изд-во ВУНЦ ВВС, 2010, 188с.
