CC BY
11
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-2-63-70 УДК 621.039.577-182.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (СЭС) ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДАЛЬНЕМАГИСТРАЛЬНОГО ПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ SIMINTECH
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. Рассмотрено применение математической модели системы электроснабжения перспективного дальнемаги-стрального пассажирского самолета для анализа отказных ситуаций. Приведены результаты моделирования отказных ситуаций (рассмотрены только отказы генераторов) для системы генерирования и распределения переменного тока, показаны особенности математического моделирования системы электроснабжения.
Ключевые слова: математическая модель, система электроснабжения самолета, дальнемагистральный пассажирский самолет.
Введение
В статье, посвященной математическому моделированию системы электроснабжения (СЭС) переменного тока для дальнемагистрального пассажирского самолета, были рассмотрены структурная схема типовой СЭС, ее основные функции, а также главные задачи, возникающие при проектировании данных систем, которые могут и должны решаться с использованием средств математического моделирования.
Также рассмотрена математическая модель системы генерирования и распределения переменного тока в составе полной СЭС и ее программная реализация в среде SimInTech. Указанная модель может быть использована и для задач, связанных с оценкой работоспособности системы электроснабжения в случае возникновения различных отказов.
Проведение расчета работы СЭС при отказах.
Анализ результатов
В исследовании проведено моделирование работы системы генерирования и распределения электроэнергии при отказах основных источников энергии (генераторов). Для рассматриваемой структурной схемы СЭС (рис. 1) существует 16 возможных вариантов отказов [11], которые можно разделить на 4 группы (рис. 2): «отказ одного генератора»,
«отказ двух генераторов», «отказ трех генераторов» и «отказ всех генераторов».
На основе существующих групп отказов в программном комплексе SimInTech были разработаны четыре режима работы системы управления СЭС.
Режим «Отказ одного генератора»
Данный режим системы управления работает при следующих четырех отказах: отказ генератора 1, отказ генератора 2, отказ генератора 3, отказ генератора 4. Действие системы управления рассматривается на примере отказа генератора 1.
При отказе генератора 1 в ручном или автоматическом режиме контактор К1 переводится в положение «1» для обеспечения питания шины SV1 от шины SV3, которая в данном случае питается от генератора 3. Подключение дополнительных (вспомогательных) силовых установок или генераторов при такой схеме подключения не требуется. Отказы в модели имитируются отключением соответствующих генераторов от системы электроснабжения и включением соответствующих контакторов согласно алгоритму, представленному на рис. 3.
Состояние системы электроснабжения при отказе показано с помощью графиков изменения напряжения на центральных распределительных устройствах на рис. 4.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ
Объединение ВСУ ШРАП
Отказ генератора № 1
Вкл Вкл Вкл
Откл Откл Откл
Отказ генератора № 3
Отказ генератора № 4
Отказ генератора № 2
Рис. 1. Схема модели системы генерирования и распределения переменного тока в составе полной СЭС
Левый борт АВАР Правый борт
Г1 Г3 ВСУ ПТС1 ПТС2 Г2 Г4
Все работают
Отказ одного генератора
ОТКАЗ
ОТКАЗ
ОТКАЗ
ОТКАЗ
Отказ двух генераторов
ОТКАЗ ОТКАЗ
ОТКАЗ ОТКАЗ
ОТКАЗ ОТКАЗ
ОТКАЗ ОТКАЗ
ОТКАЗ ОТКАЗ
ОТКАЗ ОТКАЗ
Отказ трех генераторов
ОТКАЗ За Г2 ОТКАЗ ОТКАЗ
За Г2 ОТКАЗ ОТКАЗ
ОТКАЗ ОТКАЗ За Г2 ОТКАЗ
ОТКАЗ ОТКАЗ За Г2 ОТКАЗ
Отказ всех генераторов
ОТКАЗ ОТКАЗ Оба борта За Г1 За Г2 ОТКАЗ ОТКАЗ
Рис. 2. Основные варианты отказов агрегатов системы генерирования переменного тока
Рис. 3. Алгоритм работы системы управления СЭС переменного тока при отказе генератора 1
Потенциал выхода активный ^ге) в объекте acms_bus2
1б"м -
-л 14"---------------------
2 ^ 12" ---------------------
1 ^
^^ ^^ 1""---------------------
& £ 8"---------------------
| | 6"---------------------
£ 4"---------------------
2" "
16" I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I -
т 14"---------------------
2 ^ 12" ---------------------
1 ^
^^ ^^ 1""---------------------
& £ 8"---------------------
| | 6"---------------------
£ 4"---------------------
2" "
16"
<м 14"---------------------------~
2 ^ 12" ---------------------
1 ^
^^ ^^ 1""---------------------
& £ 8"---------------------
| | 6"---------------------
£ 4"---------------------
2" "
16"
^ 14"-----------------------------~
2 ^ 12" ---------------------
1 ^
^^ ^^ 1""---------------------
& £ 8"---------------------
| | 6"---------------------
£ 4"---------------------
2"
"И111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 111 11
"," ",5 1," 1,5 2," 2,5 3," 3,5 4," 4,5 5," 5,5 6," 6,5 7," 7,5 8," 8,5 9," 9,5 1","
Время t, с
Рис. 4. Результаты моделирования
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ 05.13.18
Рис. 5. Алгоритм работы системы управления при отказе генераторов 2 и 4
Потенциал выхода активный ^ге) в объекте acms_bus2
160
1 140
е Ol 120
т >
е ¥ 100
я р е 80
с
га X 3 60
га I 40
20
0
160
3 140
е Ol 120
т >
е ¥ 100
я р е 80
с
га X 3 60
га I 40
20
0
160
2 140
е Ol 120
т >
е ¥ 100
я р е 80
с
X 3 60
га I 40
20
0
160
4 140
е Ol 120
т >
е ¥ J 100
я р е 80
с
X 3 60
га i 40
20
0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
4,5 5,0 5,5 Время t, с
6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
9,0 9,5 10,0
Рис. 6. Результаты моделирования
На графиках видно, что отказ генератора привел к незначительному падению напряжения на шинах ЦРУ № 1 и 3, которое при этом соответствует номинальной величине с учетом допуска [5]. Следует отметить, что напряжение «правого» борта не изменилось.
Режим «Отказ двух генераторов»
Данный режим системы управления работает при следующих шести отказах: отказ генераторов 1 и 2, отказ генераторов 2 и 3, отказ генераторов 1 и 4, отказ генераторов 3 и 4, отказ генераторов 1 и 3, отказ генераторов 2 и 4. Действие системы управления рассматривается на примере отказа генераторов 2 и 4.
При отказе генераторов 2 и 4 контакторы К2 и К4 и контакторы К4 и К5 в ручном или автоматическом режиме переводятся в положение «1» для обеспечения питания шин SV2 и SV4 от шин левого борта: SV1 и SV3, которые в данном случае питаются от генераторов 1 и 3.
Подключение дополнительных (вспомогательных) силовых установок или генераторов при такой схеме подключения не требуется. Отказы в модели имитируются отключением соответствующих генераторов от системы электроснабжения и включением соответствующих контакторов согласно алгоритму, представленному на рис. 5.
Состояние системы электроснабжения при отказе показано с помощью графиков изменения напряжения на центральных распределительных устройствах на рис. 6.
На графиках видно, что отказ генераторов привел к перерыву в электропитании шин ЦРУ № 2 и 4, однако после перестройки системы электроснабжения питание на шины ЦРУ № 2 и 4 подано от шин ЦРУ № 1 и 3. При этом наблюдается существенное падение напряжения на шинах ЦРУ № 1 и 3.
Режим «Отказ трех генераторов»
Данный режим системы управления работает при следующих четырех отказах: отказ генераторов 1, 2 и 3, отказ генераторов 1, 2 и 4, отказ генераторов 1, 3 и 4, отказ генераторов 2, 3 и 4. Действие системы управления рассматривается на примере отказа генераторов 1, 3 и 4.
При отказе генераторов 1, 3 и 4 контакторы К1, К3, К4, К5, К30 и К32 переводятся в положение «1» в ручном или автоматическом режиме для обеспечения питания шин SV1, SV3 и SV4 от шин правого борта и вспомогательной силовой установки. Отказы в модели имитируются отключением соответствующих генераторов от системы электроснабжения и включением соответствующих контакторов согласно алгоритму, представленному на рис. 7.
Состояние системы электроснабжения при отказе показано с помощью графиков изменения напряжения на центральных распределительных устройствах на рис. 8.
На графиках видно, что отказ генераторов привел к перерыву в электропитании шин ЦРУ № 1, 3 и 4, однако после перестройки системы электроснабжения питание на эти шины подано от шин ЦРУ № 2. При этом наблюдается существенное, но не критичное падение напряжения на этой шине.
Режим «Отказ всех генераторов»
При отказе всех основных генераторов (№ 1, 2, 3, 4) контакторы К1, К2, К3 и К4 переводятся в ручном или автоматическом режиме в положение «1». Переключатель «ВСУ» переводится в положение «ВКЛ» для запуска ВСУ. Питание основных шин SV1, SV2, SV3 и SV4 осуществляется от вспомогательной силовой установки. При этом основные шины SV9 и SV10 не подключены и ВСУ, а все аварийные шины получают питание от ПТС № 1 и № 2 ^5, SV7 и SV11 от ПТС № 1, а SV6, SV8 и SV12 от ПТС № 2).
Отказы в модели имитируются отключением соответствующих генераторов от системы электроснабжения и включением соответствующих контакторов согласно алгоритму, представленному на рис. 9.
Состояние системы электроснабжения при отказе показано с помощью графиков изменения напряжения на центральных распределительных устройствах на рис. 10.
На графиках видно, что отказ генераторов привел к перерыву в электропитании всех шин, однако после запуска ВСУ питание на эти шины снова подано. При этом наблюдается значительное падение напряжения на шинах из-за ограниченной мощности ВСУ.
Выводы
В программном комплексе SimInTech была разработана модель системы генерирования и распределения электроэнергии переменного тока для перспективного дальнемаги-стрального пассажирского самолета, а также промоделированы алгоритмы работы системы управления СЭС.
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, в том числе с учетом отказных ситуаций различных компонентов системы.
В результате математического моделирования отказов основных источников электроэнергии было установлено, что данная структура системы генерирования и распределения обеспечивает ЦРУ электроэнергией требуемого качества при отказе любого генератора без подключения вспомогательных источников. При отказе двух любых генераторов, оставшиеся источники могут обеспечить электропитанием требуемого качества все нагрузки только в том случае, если отключить часть потребителей 3-й категории. При отказе трех генераторов, оставшийся генератор и подключаемый генератор ВСУ могут обеспечить электропитанием потребителей первой и второй категории. При отказе всех генераторов, электропитанием обеспечиваются только потребители первой категории, с целью безопасного завершения полета на ближайшем аэродроме. Таким образом, разработанная в программном комплексе SimInTech математическая модель системы генерирования и распределения является достаточной для оценки схемных решений различных структур системы электроснабжения по критериям надежности электропитания шин центральных распределительных устройств.
Характер изменения токов и напряжений на шинах центральных распределительных устройств близок к изменению токов и напряжений, аналогичных СЭС, в состав которых входят реальные агрегаты.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ 05.13.18
Рис. 7. Алгоритм реконфигурации системы генерирования и распределения переменного тока при отказе генераторов 1, 3 и 4
Потенциал выхода активный ^га) в объекте acms_bus2
160 140 120 100 80 60 40 20 0
160
3 140
е 120
т >
е * 100
я р е 80
с
X 3 60
га ш 40
20
0
160 2 140
£ ^ 120 1 ^
| ^ 100 £ % 80 | I 60
£ 40 20 0
160
4 140
е 120
т >
е * 100
я р е 80
с
X 3 60
га ш 40
20
0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
4,5 5,0 5,5 Время t, с
6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0
Рис. 8. Результаты моделирования
Отказ генераторов 1, 2, 3, 4
Переключение К1, К2, К3, К4
Питание шин SV1, SV2, SV3, SV4 отключено. Переключение К7 и К9, питающих аварийные шины БУ5 и БУ7 соответственно, через ПТС1 Переключение К11, питающее аварийную шину БУ11, через ПОС Переключение К8 и К10, питающих аварийные шины БУ6 и БУ8 соответственно, через ПТС2. Переключение К12, питающее аварийную шину БУ12, через ПОС
Сигнал из кабины «ВСУ, «ПОС лев»,«ПТС лев», «ПТС прав»
Рис. 9. Алгоритм работы системы управления СЭС при отказе всех генераторов
Потенциал выхода активный ^ге) в объекте acms_bus2
200
180
1 160
е 's 140
Ш е > О. 120
£ я =1 е 100
р с ш 80
X 3 60
га ш 40
20
0
200
180
3 160
е 140
ш е > о. 120
£ я =1 е 100
р с ш 80
"Г 3 60
га ш 40
20
0
200
180
2 160
е 140
ш е > п 120
£ я =1 е 100
р с 's 80
X 3 60
га ш 40
20
0
200
180
4 160
е Ol 140
ш е > О. 120
£ я =1 е 100
р с 80
"Г 3 60
га ш 40
20
0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
4,5 5,0 5,5 Время t, с
6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
9,0 9,5 10,0
Рис. 10. Результаты моделирования
MATHEMATICAL MODELING, NUMERICAL METHODS AND COMPLEX PROGRAMS 05.13.18
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. Справка по SimlnTech: http://simintech.ru
3. Грузков С.А. и др. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. Т. 1: Системы электроснабжения летательных аппаратов. М.: Изд-во МЭИ.
4. Халютин С.П. и др. Системы электроснабжения летательных аппаратов.
5. ГОСТ Р 54073-2010. Системы электроснабжения вертолетов и самолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии.
6. Брускин Д.Э. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием. Серия: Электрооборудование транспорта. Т. 6 / Д.Э. Брускин, С.И. Зубакин. М.: ВИНИТИ, 1986, 101 с.
7. 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.
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-2-63-70
MODELING OF FAILURES OF THE ELECTRICITY SYSTEM (SES) AC LONG-HAUL PASSENGER PLANE IN THE SOFTWARE PACKAGE SimlnTech
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 application of mathematical model of power supply system of perspective long-haul passenger aircraft for the analysis of failure situations is Considered. The results of modeling of failure situations (only failures of generators are considered) for the system of generation and distribution of alternating current are given, 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., ShchekaturovA.M. The environment of dynamic simulation of technical systems SimlnTech. M.: DMK Press, 2017. 424 p.]
2. Help on SimlnTech: http://simintech.ru
3. Gruzkov S.A et al. Electric equipment of aircraft. Textbook for universities. Vol. 1. Aircraft power supply systems. M.: Izdatel'stvo MEI.
4. Khalyutin S.P. et al. Aircraft power supply systems.
5. GOST R 54073-2010. Power supply systems for helicopters and airplanes. General requirements and standards for power quality.
6. Bruskin D.E. Aircraft with fully electrified equipment. Ser.: Electrical transport. Vol. 6 / D.E. Bruskin, S.I. Zubakin. M.: VINITI, 1986. 101 p.
7. 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.
8. Kublanov M.S. Math modeling. Methodology and methods for developing mathematical models of mathematical systems and processes. Part 1, M., 2004. 14 p.
8. Кубланов М.С. Математическое моделирование. Методология и методы разработки математических моделей математических систем и процессов. Ч. 1. М., 2004. 14 с.
9. Дыхненко Л.М. и др. Основы моделирования сложных систем: учеб. пособие для втузов. Киев: Вища школа. 1981. 359 с.
10. Ибрагимов И.А. и др. Моделирование систем: учеб. пособие. Баку: Азинефтехим, 1989. 83 с.
11. Новосельский В.Г., Терещук В.С., Шакирзянова Н.Ш. Системы электрооборудования и распределения электроэнергии летательных аппаратов.
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 ed.
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.
9. Dyhnenko L.M. et al. Fundamentals of modeling complex systems: A manual for technical colleges. Kiev: Vishcha shkola. 1981. 359 p.
10. Ibragimov I.A. et al. System Simulation: Tutorial. Baku: Azineftekhim, 1989. 83 p.
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.
