CC BY
13
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-2-57-62 УДК 621.039.577-182.3
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (СЭС) ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПЕРСПЕКТИВНОГО ДАЛЬНЕМАГИСТРАЛЬНОГО ПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ SimlnTech
Смагин Денис Игоревич, начальник лаборатории 5, НИО-Ю1, ФГБОУ ВО Московский Авиационный Институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Российская Федерация
Старостин Константин Игоревич, старший преподаватель кафедры 812, ФГБОУ ВО Московский Авиационный Институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Российская Федерация
Савельев Роман Сергеевич, инженер лаборатории 5, НИО-101, ФГБОУ ВО Московский Авиационный Институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Российская Федерация
Сатин Анатолий Анатольевич, инженер лаборатории 5, НИО-101, ФГБОУ ВО Московский Авиационный Институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Российская Федерация
Притулкин Алексей Андреевич, инженер лаборатории 5, НИО-101, ФГБОУ ВО Московский Авиационный Институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Российская Федерация
Маковская Татьяна Дмитриевна, инженер лаборатории 5, НИО-101, ФГБОУ ВО Московский Авиационный Институт (Научно-исследовательский университет). Москва, Российская Федерация. E-mail: r_sr@inbox.ru
Аннотация. Рассмотрена методика построения математической модели системы электроснабжения перспективного дальнемагистрального пассажирского самолета в программном комплексе SimlnTech. Приведены результаты моделирования четырехканальной системы генерирования и распределения электроэнергии переменного тока при нормальном режиме работы, показаны особенности математического моделирования системы электроснабжения.
Ключевые слова: математическая модель, система электроснабжения самолета, дальнемагистральный пассажирский самолет.
Введение
Система электроснабжения (СЭС) является одной из наиболее важных и ответственных систем любого современного летательного аппарата (ЛА), поскольку обеспечивает электрической энергией большое количество оборудования, влияющего на безопасность полета.
Система электроснабжения ЛА предназначена для генерирования, распределения и обеспечения бортового электрооборудования электроэнергией требуемого качества. Структурная схема типовой системы электроснабжения представлена на рис. 1. Структурно систему электроснабжения можно разделить на следующие подсистемы:
• систему генерирования электроэнергии;
• систему распределения электроэнергии.
Система генерирования электроэнергии обеспечивает преобразование механической энергии вращения вала авиационного двигателя в электрическую с помощью генераторов. Типовая система генерирования летательных аппаратов состоит из генератора, блоков регулирования, защиты и управления, коммутационных устройств и датчиков тока [3].
Система распределения обеспечивает передачу электроэнергии от источников к бортовому электрооборудованию, изменение структуры системы электроснабжения при отказах.
Одним из главных свойств системы электроснабжения является ее отказоустойчивость, то есть способность системы при любых аварийных ситуациях обеспечивать электропитанием потребителей с заданным уровнем надежности. Данный показатель является основополагающим фактором, обеспечивающим безопасность полетов [4, 13]. Поэтому, на этапе концептуального проектирования любого летательного аппарата (в том числе и дальнемагистрального пассажирского самолета) в рамках проектирования СЭС необходимо решить следующие задачи:
• выполнить поисковые исследования в части архитектуры СЭС, отвечающей заданным показателям надежности и весовым характеристикам;
• выявить и оценить технические риски при реализации различных вариантов системы;
• провести сравнительный анализ конкурирующих вариантов по критериям надежности и массы;
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ
• разработать технические требования на компоненты системы;
• оценить надежность разрабатываемого варианта СЭС с учетом показателей надежности применяемого оборудования и компонентов системы;
• провести предварительные и сертификационные испытания СЭС с реальными агрегатами.
Для решения данных задач возможно применение математических моделей, которые упрощают и ускоряют процесс поиска подходящей архитектуры СЭС. Разработанная в данном исследовании математическая модель системы генерирования и распределения электроэнергии переменного тока
05.13.18
позволяет оценить схемные решения выбранной структуры СЭС, выявить технические риски при реализации различных вариантов [7], а также проводить расчеты параметров напряжения и тока на различных участках цепи и в зависимости от профиля полета, в том числе с учетом отказных ситуаций различных компонентов системы.
При этом необходимо отметить, что данная модель является первым шагом к полнофункциональной динамической модели системы электроснабжения, которая создается итерационно и которая позволит решить не только задачи проектирования СЭС, но и проведения предварительных и сертификационных испытаний системы с применением реальных агрегатов.
Рис. 1. Структурная схема типовой СЭС
Методология построения математической модели СЭС
Разработка математической модели системы электроснабжения может быть выполнена на основе нескольких программных комплексов, таких как SimInTech, Matlab, LMS Amesim. В рамках данного исследования используется программный комплекс SimInTech, который относится к системам автоматизированного проектирования (САПР) логико-динамических систем, описываемых во входо-выходных отношениях и обладает достаточным функционалом для создания моделей сложных технических систем с заданной точностью [1; 2].
В программном комплексе SimInTech была разработана математическая модель четырехканальной системы генерирования и распределения переменного тока для дальне-магистрального пассажирского самолета [6; 14; 15]. Модель условно можно разделить на две части: электрическую схему СЭС и блок переключателей, управляющий работой системы.
Электрическая схема СЭС включает в себя шины, фидеры, контакторы и комплексные нагрузки, имитирующие работу бортовых потребителей электроэнергии. На рис. 2 показана предлагаемая схема, а на рис. 3 представлен внешний вид математической модели системы электроснабжения переменного тока.
Объединение ВСУ
Вкл Вкл Вкл
Откл Откл Откл
Отказ генератора № 1
Отказ генератора № 3
Отказ генератора № 4
Отказ генератора № 2
Рис. 2. Схема модели системы генерирования и распределения переменного тока в составе полной СЭС
г-3© ©
© ©м
всуСВ-1
ШРАП QÖ)-1
генератора № 2
Включение 111 генератора № 4
Объединение
Включение генератора № 3
Включение генератора № 1
ЛеВЫИ I
Преобразователь птп правый LI0
г"2©
ЦРУ №2
1 X (3 X 75 мм2) РУ№2
Авар 1+1 Авар в 4 и ЦРУ № 2 □ РУ № 2
Рис. 3. Внешний вид модели системы генерирования и распределения переменного тока
Основными источниками электроэнергии в математической модели являются 4 генератора с наименованием «Г1», «Г2», «Г3» и «Г4». Генератор «ВСУ» относится к вспомогательным источникам энергии, а генератор «ШРАП» имитирует подключение аэродромного источника энергии. Генераторы с наименованием «ПТС-800БМ № 1 и № 2» моделируют работу аварийных источников электроснабжения переменного тока. Комплексные нагрузки, которые имитируют потребление электрооборудования, подключены к основным шинам («ЦРУ№ 1», «ЦРУ№ 2», «ЦРУ№ 3», «ЦРУ№ 4», «РУ№ 1» и «РУ№ 2») и аварийным шинам («Авар ЦРУ№ 1», «Авар ЦРУ№ 2», «Авар ЦРУ№ 3», «Авар ЦРУ№ 4», «Авар РУ№ 1» и «Авар РУ№ 2») соответствующих распределительных устройств. Нагрузка в математической модели имитируется активным сопротивлением с токами потребления от 2 до 20 А. Применение активных и реактивных нагрузок в данной статье не показано с целью упрощения переходных процессов.
Управление режимом работы системы электроснабжения осуществляется через специальный блок переключателей, который показан на рис. 2. Переключатели формируют логический сигнал, который поступает на управляющий вход силовых контакторов. Таким образом, осуществляется функциональная связь между объектами регулирования и основными агрегатами. Переключатели включаются в зависимости от режима работы СЭС согласно разработанным алгоритмам управления.
Алгоритмы управления СЭС определяют порядок функционирования системы генерирования и распределения переменного тока СЭС при возникновении аварийной ситуации (отказе одного и более генераторов системы генерирования переменного тока СЭС) [11]. Перестроение схемы СЭС и локализация отказавших участков на данном этапе математического моделирования системы электроснабжения производится вручную.
Структура математической модели
системы электроснабжения ЛА
Моделирование бортовой кабельной сети
Для передачи активной мощности от источников питания к потребителям электроэнергии применяется кабельная сеть, в которой неизбежны потери мощности. Учет потерь необходим для корректировки расчетных нагрузок, определения технико-экономических показателей и исследования рабочих режимов для различных элементов системы электроснабжения самолета.
Так как большинство элементов СЭС имеют симметричные трехфазные нагрузки, анализ потерь моделировался с помощью однофазных схем замещения каждого элемента. В качестве такой схемы замещения обычно используется Г-образный четырехполюсник, показанный на рис. 4.
Z = R + jX
Y = G - jB
D
S2 = Р2+ jQ2
Рис. 4. Г-образная схема замещения элемента системы электроснабжения
Четырехполюсник характеризуется следующими параметрами:
1. Полная потребляемая мощность:
5 = £ - 52 = Р + или £ = и I" = 121 = и2Г',
где и - комплексное напряжение; I- комплексный ток; I" -сопряженный комплексный ток; I - комплексное полное
U
^-2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ
05.13.18
сопротивление; У - комплексная полная проводимость; У" -сопряженная комплексная полная проводимость.
2. Реактивное сопротивление и реактивная проводимость представлена разностью их индуктивной и емкостной составляющих (рис. 5):
X = Хк - ХС = ш1 - 1/шС;
В = Б1 - ВС = 1/шГ - шС',
где I, I' - индуктивности соответственно последовательной и параллельной частей схемы замещения; С, С' - емкости тех же частей; ш = 2п/ - угловая частота тока; f - промышленная частота тока.
HZZb -с
jX -.y-VW
jXc
¡Bl
jBc
Рис. 5. Индуктивная и емкостная составляющая сопротивления и проводимости
3. Потери активной и реактивной мощности в элементе СЭС вычисляются по формулам:
ДР = 3/22 Я + и 2 в = ДР„ + ДРв;
ДО = 3/22 X + и2 В = ДОХ + ДОВ,
где ДРЯ и ДОХ выражают потери в продольных элементах схемы замещения и определяются током 12; составляющие ДРв и ДОВ выражают потери в поперечных элементах и определяются напряжением иг
Параметры схемы замещения элемента СЭС определены по номинальным данным изделий.
Моделирование панели управления
Модель панели управления (рис. 6) состоит из блоков включателей/выключателей, выдающих в зависимости от положения значение сигнала «1»/«0» соответственно. Сигнал по линии связи передается на соответствующий управляемый двухпозиционных контактор, замыкающий и реконфигурирующий цепь в соответствии со схемой.
COD-
ED—r
Ш-
ED-
ВСУ
шрап СШЬ
Включение генератора № 2 1ТП-Включение генератора № 4 Объединение Включение генератора № 3
Включение генератора № Т ЕО-
Преобразователь левый |~10|-
Преобразователь правый 00-
Рис. 6. Модель панели управления (в частично включенном состоянии)
Включение/выключение ключей переключателей панели управления осуществляется в ручном режиме пользователем в режиме реального времени, во время расчета программы. Для этого, модель рассчитывается с фиксированным шагом интегрирования с определенной частотой выдачи результата пользователю. Во время расчета пользователь может отключать/подключать генераторы и вспомогательные силовые установки, тем самым имитируя отказы системы. Отключение/включение источников требуется производить в соответствии с разработанными алгоритмами реконфигурации сети [10; 11].
Также управление переключателями может осуществляться в предустановленном режиме, до начала расчета. В таком случае модель будет рассчитана в статичном режиме в данной, заданной конфигурации СЭС. Отключение/включение источников требуется производить в соответствии с разработанными алгоритмами реконфигурации сети [12-14].
Проведение расчета СЭС
при номинальном режиме работы.
Анализ результатов
В исследовании проведено моделирование работы системы генерирования и распределения электроэнергии при нормальном режиме работы. Данный режим означает, что все основные источники электроэнергии (генераторы на маршевых двигателях) работают штатно, отсутствуют отказы в системе распределения [15]. В соответствии со схемой системы генерирования и распределения переменного тока (см. рис. 2) питание от генераторов в математической модели при нормальном режиме работы подается следующим образом:
• генератор 1 питает основную шину канала SV1, к которой напрямую подключена шина SV9, через К7 шина SV5, через К11 шина SV11;
• генератор 2 питает основную шину канала SV2, к которой напрямую подключена через К8 шина SV6;
• генератор 3 питает основную шину канала SV3, к которой напрямую подключена через К9 шина SV7;
• генератор 4 питает основную шину канала SV4, к которой напрямую подключена шина SV10, через К10 шина SV8, через К12 шина SV12.
На рис. 7 представлены графики напряжения переменного тока на шинах центральных распределительных устройств (ЦРУ) № 1, 2, 3 и 4.
По результатам моделирования можно сказать, что напряжение на шинах центральных распределительных устройств ЦРУ № 1, 2, 3 и 4 соответствует ГОСТ Р 54073-2010, следовательно математическая модель СЭС дальнемаги-стрального пассажирского самолета в нормальных условиях работает корректно.
Выводы
В программном комплексе SimInTech была разработана модель системы генерирования и распределения электроэнергии переменного тока для перспективного дальнемаги-стрального пассажирского самолета.
Подобные математические модели позволяют оценить схемные решения выбранной структуры СЭС, выявить технические риски при реализации различных вариантов, проводить расчеты параметров напряжения и тока на различных участках цепи и в зависимости от профиля полета.
Z
Y
Потенциал выхода активный ^га) в объекте acms_bus2
-л 140---------------------
■5 ^ 120---------------------
1 ^
I ^ 100 ---------------------
& £ 80---------------------
| | 60---------------------
£ 40---------------------
20 0
160
т 140---------------------
■5 ^ 120---------------------
1 ^
| ^ 100---------------------
& £ 80---------------------
| | 60---------------------
£ 40---------------------
20 0
160 2 140
■5 ^ 120---------------------
1 ^
| ^ 100---------------------
& £ 80---------------------
| | 60---------------------
£ 40---------------------
20 0
160
^ 140---------------------
■5 ^ 120---------------------
1 ^
I ^ 100 ---------------------
£ £ 80---------------------
| | 60---------------------
£ 40---------------------
20
0И 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0
Время t, с
Рис. 7. Внешний вид модели системы генерирования и распределения переменного тока в номинальном режиме работы
В результате математического моделирования системы генерирования и распределения было установлено, что данная структура системы обеспечивает ЦРУ электроэнергией требуемого качества при нормальном режиме работы. Таким образом, разработанная в программном комплексе SimlnTech математическая модель системы генерирования и распределения является достаточной для последующей оценки схемных решений различных структур системы электроснабжения по критериям надежности электропитания шин центральных распределительных устройств с помощью моделирования различных отказных ситуаций как в источниках электроэнергии, так и в системе распределения.
Литература
1. Карташов Б.А., Шабаев Е.А., Козлов О.С., Щекатуров А.М. Среда динамического моделирования технических систем SimlnTech. М.: ДМК Пресс, 2017. 424 с.
2. Грузков С.А. и др. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Т. 1: Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: Изд-во МЭИ.
3. Халютин С.П. и др. Системы электроснабжения летательных аппаратов.
3. Брускин Д.Э. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием. Серия: Электрооборудование транспорта. Т. 6 / Д.Э. Брускин, С.И. Зубакин. М.: ВИНИТИ, 1986, 101 с.
5. Справка по SimInTech: http://simintech.ru
6. 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. 188 с.
7. Кубланов М.С. Математическое моделирование. Методология и методы разработки математических моделей математических систем и процессов. Ч. 1. М., 2004. 14 с.
8. Дыхненко Л.М. и др. Основы моделирования сложных систем: учеб. пособие для втузов. Киев: Вища школа. 1981. 359 с.
9. Ибрагимов И.А. и др. Моделирование систем: учеб. пособие. Баку: Азинефтехим, 1989. 83 с.
10. ГОСТ Р 54073-2010. Системы электроснабжения вертолетов и самолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии.
11. Новосельский В.Г., Терещук В.С., Шакирзянова Н.Ш. Системы электрооборудования и распределения электроэнергии летательных аппаратов.
MATHEMATICAL MODELING, NUMERICAL METHODS AND COMPLEX PROGRAMS 05.13.18
12. Moir I., Seabridge A. Aircraft Systems. 2001. ISBN 1 86058 289 3. Second edition. P. 125-165.
13. Sen Paresh Chandra. Principles of electric machines and power electronics. John Wiley & Sons, 1996. ISBN: 9971-51-204-1. Second edition.
14. Pornet C. Electric Drives for Propulsion System of Transport Aircraft. Book chapter. New Applications of Electric Drives / M. Chomat (ed.). ISBN 978953-51-4603-2, InTech, 2015.
15. Pornet C, Isikveren A.T. Conceptual Design of Hybrid-Electric Transport Aircraft, Progress in Aerospace Sciences. Vol. 79. P. 114-135. DOI: 10.1016/j.paerosci.2015.009.002, 2015.
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-2-57-62
THE TECHNIQUE OF CREATING DYNAMIC MATHEMATICAL MODEL OF THE ELECTRICITY SYSTEM (SES) AC PROMISING LONG-HAUL PASSENGER PLANE IN THE SOFTWARE PACKAGE SIMINTECH
Smagin Denis Igorevich, head of laboratory 5, research Department 101, Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russian Federation
Starostin Konstantin Igorevich, senior lecturer of the Department 812, Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russian Federation
Savelyev Roman Sergeevich, laboratory engineer 5, research Department 101, Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russian Federation
Satin Anatoly Anatolyevich, laboratory engineer 5, research Department 101, Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russian Federation
Pritulkin Alexey Andreevich, laboratory engineer 5, research Department 101, Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russian Federation
Makovskaya Tatiana Dmitrievna, laboratory engineer 5, research Department 101, Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russian Federation. E-mail: r_sr@inbox.ru
Abstract. The method of constructing a mathematical model of the power supply system of a promising long-haul passenger aircraft in the SimlnTech software system is Considered. The results of modeling the four-channel system of generation and distribution of AC power under normal operation are presented, the features of mathematical modeling of the power supply system are shown.
Key words: mathematical model, aircraft power supply system, long-haul passenger aircraft.
Reference list
1. Kartashov B.A., Shabaev E.A., Kozlov O.S., Shchekaturov A.M. The environment of dynamic simulation of technical systems SimlnTech. M.: DMK Press, 2017. 424 p.
2. Gruzkov S.A et al. Electric equipment of aircraft. Textbook for universities. Vol. 1. Aircraft power supply systems. M.: Izdatel'stvo MEI.
3. Khalyutin S.P. et al. Aircraft power supply systems.
3. Bruskin D.E. Aircraft with fully electrified equipment. Ser.: Electrical transport. Vol. 6 / D.E. Bruskin, S.I. Zubakin. M.: VINITI, 1986. 101 p.
5. Help on SimInTech: http://simintech.ru
6. Khalyutin S.P., Zhmurov B.V., Tyulyaev M.L., Starostin I.E. Simulation of complex electric power systems of aircraft. Monograph. M.: Izd-vo VUNC VVS, 2010, 188 p.
7. Kublanov M.S. Math modeling. Methodology and methods for developing mathematical models of mathematical systems and processes. Part 1, M., 2004. 14 p.
8. Dyhnenko L.M. et al. Fundamentals of modeling complex systems: A manual for technical colleges. Kiev: Vishcha shkola. 1981. 359 p.
9. IbragimovI.A. et al. System Simulation: Tutorial. Baku: Azineftekhim, 1989. 83 p.
10. GOST R 54073-2010. Power supply systems for helicopters and airplanes. General requirements and standards for power quality.
11. Novosel'skij VG., Tereshchuk VS., Shakirzyanova N.Sh. Electrical and electrical power distribution systems for aircraft.
12. Moir I., Seabridge A. Aircraft Systems. 2001. ISBN 1 86058 289 3. Second edition. P. 125-165.
13. Sen Paresh Chandra. Principles of electric machines and power electronics. John Wiley & Sons, 1996. ISBN: 9971-51-204-1. Second edition.
14. Pornet C. Electric Drives for Propulsion System of Transport Aircraft. Book chapter. New Applications of Electric Drives / M. Chomat (ed.). ISBN 978953-51-4603-2, InTech, 2015.
15. Pornet C., Isikveren A.T. Conceptual Design of Hybrid-Electric Transport Aircraft, Progress in Aerospace Sciences. Vol. 79. P. 114-135. DOI: 10.1016/j.paerosci.2015.009.002, 2015.
