CC BY
80
Калий В. А. КаНу V. А.
кандидат технических наук, главный конструктор ОКБ АО « Уфимское агрегатное производственное объединение», г. Москва, Российская Федерация
I. )
Зарембо И. В. Zarembo I. V.
технический директор АО «Уфимское агрегатное производственное объединение», г. Уфа, Российская Федерация
Резниченко А. В.
Reznichenko A. V.
главный специалист АО «Уфимское агрегатное производственное объединение», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.31
АНАЛИЗ ИСПЫТАНИИ НОВОГО ТРАНСФОРМАТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ТВУ-9К
В статье рассмотрены результаты первых испытаний опытных образцов трансформатор-но-выпрямительных устройств ТВУ-9К, которые предназначены для преобразования электроэнергии переменного трёхфазного тока напряжением 115/200 В частотой 360-480 Гц в электроэнергию постоянного тока напряжением 27 В. Образцы полностью спроектированы и изготовлены в АО «УАПО». Данная разработка проводилась с целью увеличения номинальной мощности изделия по Техническому заданию от АО «Ил» для нового легкого военно-транспортного самолета Ил-112В. В конструкции ТВУ-9К принята двенадцатипульсная схема выпрямления, реализующая компромисс между увеличением массы устройства и повышением качества выходного напряжения. Для построения двенацатипульсной схемы выпрямления в конструкции был применён трёхобмоточный трансформатор с соединением обмоток «звезда — звезда — треугольник». К каждой из вторичных обмоток был подключен свой выпрямительный мост, а между собой выпрямительные мосты соединены параллельно через уравнительный реактор. Указанное соединение вторичных обмоток обеспечивает смещение вторичных напряжений трансформатора на 30 эл. град. Включённый между выходами выпрямительных блоков уравнительный реактор обеспечивает наиболее благоприятный режим работы полупроводниковых ключей в выпрямительных блоках. Во время испытаний
Ровнейко Р. В. Rovneyko R. V.
начальник отдела АО «Уфимское агрегатное производственное объединение», г. Уфа, Российская Федерация
ТВУ-9К в обязательном порядке проводилось термометрирование его отдельных узлов. Температура контролировалась при помощи термопар, установленных на обмотке уравнительного реактора, обмотке силового трансформатора, на радиаторах выходных выпрямителей. При длительной работе агрегата в нормальных климатических условиях в установившемся режиме работы силовые элементы, работающие в наиболее тяжёлых тепловых режимах, не выходили за область допустимых на материалы температур. При этом разработанный ТВУ-9К не уступает по основным параметрам своим зарубежным аналогам и значительно превосходит отечественные выпрямительные устройства. Кроме того, спроектированные и изготовленные первые опытные образцы трансформаторно-выпрямительного устройства ТВУ-9К полностью соответствуют требованиям ГОСТ Р 54073-2010 и требованиям Технического задания.
Ключевые слова: трансформаторно-выпрямительное устройство, двенадцатипульсная схема выпрямления, термометрирование.
TEST ANALYSIS OF A NEW TRANSFORMER-RECTIFIER
DEVICE TVU-9K
This article presents results of the first tests of the transformer-rectifying device TVU-9K prototypes, which are designed to convert the alternating three-phase current of 115/200 V with a frequency of 360-480 Hz into the direct current electric power with a voltage of 27 V. Samples are completely designed and manufactured in JSC «UAPO». The given development was carried out with the purpose of increase in nominal product capacity under the Terms of Reference from JSC «IL» for a new light military transport aircraft Il-112V. In the TVU-9K design, a twelve-pulse rectification scheme is adopted, which is realized a compromise between increasing the device mass and increasing the output voltage quality. To construct a twelve-pulse rectification scheme, a three-winding transformer with the «star — star — triangle» winding connection was used in the design. Each of the secondary windings was connected to its rectifier bridge, and rectifying bridges connected in parallel between itself through the equalization reactor. This connection of the secondary windings provides a displacement of the secondary transformer voltages by 30 electrical degrees. The equalization reactor connected between the rectifier block outputs provides the most favorable operation mode of the semiconductor switches in the rectifier blocks. During the tests of TVU-9K, the thermometry of its individual units was mandatory. The temperature was monitored by using thermocouples mounted on the equalization reactor coil, the power transformer winding and on the rectifier radiator outputs. For a long operation time, under normal climatic conditions and in a steady-state operation mode, the power elements operating in the heaviest thermal conditions was below the material temperature limits. At the same time, the developed TVU-9K is not inferior in terms of its main parameters to its foreign analogues and far exceeds domestic rectifying devices. In addition, the designed and manufactured first transformer-rectifier device TVU-9K prototypes fully comply with the GOST R 54073-2010 and Terms of Reference requirements.
Key words: transformer-rectifier device, twelve-pulse rectification scheme, thermometry.
В современной авиации постоянно растут требования к энерговооружённости летательных аппаратов, поэтому в первую очередь предъявляются требования по увеличению мощности единичных источников электрической энергии [1—4]. Одним из устройств, требующих увеличения мощности, является трансформаторно-выпрямительное устройство (ТВУ) — источник вторичной системы электроснабжения постоянного тока 27 В любого летательного аппарата (ЛА). В настоящее время на отечественных ЛА широко используются транс-
форматорно-выпрямительные устройства типа ВУ-ВУ-6А, ВУ-6Б, ВУ-6БК, ВУ-6БКФ с номинальной мощностью не более 6 кВт, однако уже сейчас необходима мощность не менее 9 кВт. Поэтому на новейших пассажирских самолетах МС-2 и SSJ-100 применяются трансформаторно-выпрямительные устройства зарубежного производства.
В 2016 г. в АО «УАПО», входящем в Холдинг «Технодинамика», было разработано выпрямительное устройство ТВУ-9К, которое предназначено для преобразования электроэнергии переменного трёхфазного
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 13, 2017
тока напряжением 115/200 В частотой 360-480 Гц в электроэнергию постоянного тока напряжением 27 В для электроснабжения приёмников воздушного судна типа Ил-112В или SSJ-100 [5].
В конструкции ТВУ-9К принята двенадца-типульсная схема выпрямления, реализующая компромисс между увеличением массы устройства и повышением качества выходного напряжения. Для построения двенадца-типульсной схемы выпрямления в конструкции был применён трёхобмоточный трансформатор с соединением обмоток «звезда — звезда — треугольник». К каждой из вторичных обмоток подключается свой выпрямительный мост, а между собой выпрямительные мосты соединены параллельно через уравнительный реактор. Указанное соединение вторичных обмоток обеспечивает смещение вторичных напряжений трансформатора на 30 эл. град. Включённый между выходами выпрямительных блоков уравнительный реактор обеспечивает наиболее благоприятный режим работы полупроводниковых ключей в выпрямительных блоках.
Опытные образцы ТВУ-9К, которые полностью изготовлены в АО «УАПО» и представлены на рисунке 1, в настоящее время проходят испытания. Испытания проводятся в соответствии с Программой предварительных испытаний для самолета Ил-112В при изменении нагрузки на выходе изделия при
Таблица 1. Результаты испытаний ТВУ-9К
Условия испытаний Выходное напряжение, В Амплитуда пульсаций, В
Время работы, мин Нагрузка, А Напряжение питания, В/ Частота, Гц
2 ХХ 118/440 31,1 0,64
2 ХХ 118/380 31,1 0,64
2 20 118/440 30,3 0,64
2 20 118/380 30,3 0,64
10 330 118/440 26,7 1,84
10 118/380 26,7 1,74
10 108/440 24,2 1,52
10 108/380 24,0 1,30
20 115/400 25,8 1,72
120 Остывание устройства
2 330 118/440 26,7 1,90
2 118/380 26,8 1,80
2 108/440 24,0 1,50
2 108/380 24,1 1,30
30 115/400 25,8 1,72
частотах входного напряжения, изменяющихся в пределах от 360 до 480 Гц.
Рисунок 1. Внешний вид ТВУ-9К
Результаты испытаний ТВУ-9К № 398700002 при изменении напряжения питания и его частоты приведены в таблице 1. При этом напряжение холостого хода ТВУ-9К при разных частотах входного напряжения не превышает 31,1 В, что соответствует требованиям Технического задания. Фактическое значение напряжения холостого хода не приведет к тепловому разгону аккумуляторных батарей типа 20НКБН25 из-за повышенного напряжения заряда.
Зависимость коэффициента полезного действия от тока нагрузки при разных рабочих частотах входного напряжения приве-
дена на рисунке 2. Необходимо отметить, коэффициент полезного действия в номинальном режиме соответствует требованиям Технического задания.
В соответствии с п.5.2.3 ГОСТ Р 540732010 (таблица 1) допустимая амплитуда пульсаций не должна превышать 2 В. Максимальная амплитуда пульсаций не превышает 1,72 В при работе ТВУ-9К на частоте 400 В в номинальном режиме при нагрузке 330 А (таблица 1).
Во время испытаний ТВУ-9К в обязательном порядке проводится термометрирование отдельных его узлов. Температура контролируется при помощи термопар, установленных на: обмотке уравнительного реактора, обмотке силового трансформатора, на радиаторах выходных выпрямителей. Результаты измерений температур приведены на рисунке 3.
На рисунке 3 максимальные температуры: уравнительного реактора — 113,3 °С;
обмотки трансформатора — 84,5 °С; радиаторов выходных выпрямителей — 62,4 °С и 62,2 °С.
Таким образом, следует отметить, что при длительной работе агрегата в нормальных климатических условиях в установившемся режиме работы силовые элементы, работающие в наиболее тяжёлых тепловых режимах, не выходят за область допустимых на материалы температур.
Сравнительный анализ ТВУ-9К с другими подобными устройствами, серийно выпускаемыми в настоящий момент, в том числе лидирующими на мировом рынке, такими как THALES AES, приведен в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, ТВУ-9К в целом не уступает по основным параметрам своим зарубежным аналогам и значительно превосходит отечественные выпрямительные устройства.
90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00%
с:
g 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00%
3
i/7
У 2
!
/ 1
/
/
/
/
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00
Ток нагрузки 1н, А
1 — 360 Гц; 2 — 400 Гц; 3 — 440 Гц Рисунок 2. Зависимость коэффициента полезного действия от тока нагрузки при разных частотах
входного напряжения для ТВУ-9К
Таблица 2. Результаты испытаний ТВУ-9К
Наименование ТВУ (TRU) Производитель КПД, % Диапазон частот, Гц Выходная мощность, кВт Масса ТВУ (TRU), кг Удельный вес, кг/кВт
ТВУ-9К АО «Технодинамика» 85 360-480 9,0 11,3 1,25
81-084-01 TRU Crane Aerospace & Elecronics Power Solutions 87 380-420 8,4 8,41 1,0
TRU8400-1A-1009 Avionic Instruments 85 380-420 8,4 11,01 1,31
Y237-2 ARTUS 87 360-440 8,4 10,25 1,22
TRU3435-600 THALES AES/Avionics Electrical Systems 85 360-560 8,1 8,0 1,0
TRU4-300-1 Innovative Power Solutions, LLC 87 360-800 8,4 10,43 1,24
ВУ-6Б АО «АЭРОЭЛЕКТРОМАШ» 85 380-420 6,0 9,7 1,61
ВУ6БК АО «АЭРОЭЛЕКТРОМАШ» 85 380-420 6,0 11,1 1,85
8 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 13, 2017
113.268 106.7ЭЭ 100.331 Э3.8Ё2 87.393 80.Э25 74.456 67.988 61.519 55.05 48.582 42.113 35.644 29.176 22.707 04.07.
I
.....1" "
2
-----Л.
4
. _3----
\
13:40 13:50 14:00 14:10 14:20 14:30 14:40 14:50 15:00 15:10 2017 15:20 04.07
15::
1 — уравнительный реактор; 2 — обмотка силового трансформатора;
3, 4 — радиаторы выходных выпрямителей Рисунок 3. Зависимости температур ТВУ-9К в контрольных точках
Вывод
При длительной работе агрегата в нормальных климатических условиях в установившемся режиме работы силовые элементы, работающие в наиболее тяжёлых тепловых режимах, не выходили за область допустимых на материалы температур. При этом разработанный ТВУ-9К не уступает по основным параметрам своим зарубежным
Список литературы
1. Специальные электрические машины / Под ред. А.И. Бертинова. М.: Энерго-атомиздат, 1982. 547 с.
2. Попов В.И. Новые схемы трехфазных обмоток электрических машин с улучшенными свойствами. Нижний Новгород: ВГИПИ, 1998. 116 с.
3. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энерго-издат, 1982. 504 с.
4. Поспелов Л.И. Конструкция авиационных электромашин. М.: Энергия, 1982. 320 с.
5. Протокол исследовательских испытаний ТВУ-9К № 398700002. Уфа: УАПО, 2017.
References
1. Special electric machines (in Russian Spetsial'nyye elektricheskiye mashiny) / Pod
аналогам и значительно превосходит отечественные выпрямительные устройства. Кроме того, спроектированные и изготовленные первые опытные образцы трансформа-торно-выпрямительного устройства ТВУ-9К полностью соответствуют требованиям ГОСТ Р 54073-2010 и требованиям Технического задания.
red. A.I. Bertinova. Moscow: Energoatomizdat, 1982. 547 p.
2. Popov V.I. New schemes of three-phase windings of electrical machines with improved properties (in Russian Novyye skhemy trekh-faznykh obmotok elektricheskikh mashin s uluchshennymi svoystvami). Nizhniy Novgorod: VGIPI, 1998. 116 p.
3. Asynchronous motors of 4A series (in Russian Asinkhronnyye dvigateli serii 4A): Reference book / A.E. Kravchik, M.M. Shlaf, V.I. Afonin, Ye.A. Sobolenskaya. Moscow: Energoizdat, 1982. 504 p.
4. Pospelov L.I. Construction of aviation electric machines (in Russian Konstruktsiya aviatsionnykh elektromashin). Moscow: Ener-giya, 1982. 320 p.
5. The protocol of research tests of TVU-9K No. 398700002. Ufa: UAPO, 2017.
