CC BY
109
Халютин С.П. , Жмуров Б.В. , Морошкин Я.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ОБЪЕКТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Особенностью систем электроснабжения (СЭС) летательных аппаратов (ЛА) как объекта исследования является ее сложность, обусловленная большим количеством элементов СЭС (до нескольких тысяч), переменной структурой (включение и отключение приемников электроэнергии), наличием элементов с релейной характеристикой (выпрямители, контакторы, реле и др.), влиянием свойств электротехнических материалов на режимы работы устройств и агрегатов (насыщение пакетов стали трансформаторов и электрических машин) и т.п. Кроме того, при исследовании ненормальных режимов работы СЭС (коротких замыканий, обрывов, износа подшипников и др.), сложность системы существенно возрастает.
Применение классического подхода (составление полной системы дифференциальных уравнений СЭС) для исследования таких систем не представляется возможным.
В докладе представляются результаты применения для моделирования ненормальных режимов СЭС ЛА объектно-энергетического подхода, как альтернативы для решения задачи ее исследования.
Введение
При исследовании ненормальных режимов работы СЭС ЛА моделируют, как правило, отдельное устройство (генератор, двигатель и др.), в котором произошли изменения (короткие замыкания, обрывы и т.п.), и составляют математические модели для конкретного режима.
Для упрощения анализа таких режимов принимают ряд допущений [1]:
- магнитные системы электрических машин не насыщены;
- частота вращения генераторов постоянная;
- работает только один источник электроэнергии;
- не рассматривается совместное влияние нескольких факторов на процессы, происходящие в СЭС и др.
В действительности такие допущения не совсем соответствуют реальным процессам в СЭС.
Так, при возникновении коротких замыканий и обрывов на фидере генератора система регулирования напряжения повышает напряжение возбуждения генератора, что в свою очередь приводит к насыщению магнитной цепи.
Короткие замыкания на генераторе и в нагрузке приводят к увеличению потребляемого тока и, как следствие, к снижению частоты его вращения (из-за нежесткости внешней характеристики).
Параллельная работа нескольких источников электрической энергии (ЭЭ) повышает общий уровень запасенной в них энергии и снижает влияние конкретного отказа на систему в целом.
При одновременном воздействии нескольких факторов (короткие замыкания, обрывы, износ подшипников генератора и др.) возможно увеличение степени неблагоприятных последствий по сравнению с суммарными последствиями от каждого из них (например, резонансные явления в параллельных последовательных контурах при изменении их параметров).
Бурное развитие бортовых комплексов оборудования приводит к постоянному увеличению количества приемников электроэнергии на борту ЛА и потребляемой мощности, ухудшению качества ЭЭ в связи с увеличением доли приемников с импульсно-периодическим характером нагрузки. Поэтому проблемы, возникающие при моделировании СЭС, все больше усугубляются.
Выходом из сложившейся ситуации является декомпозиция системы на основе применения объектноэнергетического подхода, который предполагает:
- разбиение системы на отдельные объекты-преобразователи энергии и разработка моделей для каждого объекта в отдельности;
- определение параметров взаимодействия для каждого объекта как источника и как приемника энергии;
- определение последовательности соединения элементов в систему.
Вопрос моделирования взаимодействия между элементами решен на основе обеспечения постоянства мощности [2,3].
Модель системы электроснабжения
Для исследования ненормальных режимов СЭС в качестве объекта выбрана система, состоящая из привода постоянной скорости (ППС), синхронного трехмашинного бесконтактного генератора с вращающимся выпрямителем (СГ) , типовой динамической нагрузки - асинхронного трехфазного двигателя (ДН) и типовой активно-индуктивной нагрузки (АИН) - приемника ЭЭ. Объектно-энергетическая диаграмма системы представлена на рисунке 1.
С точки зрения передачи и преобразования энергии, элементы системы характеризуются следующим образом:
- привод постоянной скорости является преобразователем изменяемой механической энергии в механическую энергию требуемого вида и качества;
- канал генерирования, в общем случае, осуществляет преобразования электрической энергии и меха-
нической, в электрическую энергию требуемого вида и качества;
- активно-индуктивная нагрузка, является потребителем электрической энергии и источником тепловой (частный случай);
динамическая нагрузка (асинхронный двигатель), выступает как потребитель электрической энергии и, источник механической.
Каждый элемент системы является достаточно сложным агрегатом, включающим в себя в общем случае
несколько преобразователей механической, гидравлической и электрической энергий.
Например, ППС состоит из дифференциального механизма ДМ, гидравлической передачи ГП, гидроусилителя ГУ и центробежного измерителя скорости ЦИС, которые обеспечивают постоянство угловой скорости вращения выходного вала привода при переменной скорости вращения входного вала, соединенного с валом авиадвигателя АД (см. рисунок 2)
Синхронный генератор состоит из трех электрических машин, размещенных на одном валу: подвозбуди-теля ПВ (магнитоэлектрического генератора), возбудителя В (генератора электромагнитной системы с индуктором, расположенным на статоре) с блоком вращающихся выпрямителей и основного генератора ОГ (см. рисунок 3).
ГП ГУ X — ЦИС
ЛГЕНЕР ВАНИЯЧ
АД ю ад ДМ ®- г0 •юад + ~®2 г2 СГ
і ю 1 ю !
Рисунок 2 — Структурная схема привода постоянной скорости
Рисунок 1 - Объектно-энергетическая
диаграмма одноканальной СЭС ЛА
Рисунок 3 - Синхронный генератор как элемент СЭС
і
Анализ ненормальных режимов СЭС
В процессе эксплуатации СЭС ЛА наиболее характерными ненормальными режимами, которые могут привести к невыполнению полетного задания или к летному происшествию, являются короткие замыкания, обрывы фаз и износ подшипников первичных источников ЭЭ (генераторов).
Благодаря тому, что моделирование СЭС осуществляется на основе объектно-энергетической декомпозиции, физические процессы, происходящие на фидере генератора или нагрузке при коротких замыканиях и обрывах отдельных фаз в любом сочетании, могут быть представлены путем изменения параметров активноиндуктивной нагрузки - сопротивлений (или проводимостей) фаз. При этом не требуется создание специальных схем замещения, а процессы в других элементах системы адекватно отреагируют посредством изменения (перераспределения) мощности в сети - через токи и напряжения фаз.
Износ подшипников генераторов проявляется в основном в двух аспектах - в изменении момента трения и в изменении геометрических размеров механических частей подшипника. Первую составляющую можно учесть в виде дополнительного момента нагрузки генератора, вторую в первом приближении можно имитировать изменением эллиптичности вращающихся частей.
Если бы генератор был представлен в виде взаимодействующих посредством магнитного поля якоря и индуктора, то моделирование износа заключалось бы в учете изменения геометрических параметров воздушного зазора электрической машины. Однако в связи с тем, что пока модель генератора представлена с использованием интегральных характеристик - индуктивностей и взаимных индуктивностей обмоток электрической машины, зависящих от неравномерности магнитного сопротивления машины вдоль воздушного зазора, - моделирование износа производилось посредством введения в формулы для индуктивностей дополнительной составляющей, циклически изменяющейся с удвоенной частотой вращения ротора машины, что соответствует увеличению эксцентриситета эллипса вращения ротора.
Примеры моделирования ненормальных режимов
На рисунке 4-6 представлены результаты моделирования СЭС при имитации ненормальных режимов - однофазного короткого замыкания, обрыва фазы и критического износа подшипника генератора.
Моделирование короткого замыкания и обрыва фазы проводилось для двух режимов работы СГ - при номинальной ( Э = Эном ) и при половине номинальной мощности нагрузки ( Э = 0,5Эном ).
Полученные временные зависимости для токов (рисунок 4,а,в,д) содержат в своем составе кроме основной (400 Гц) нечетные гармоники. Ток в фазе «а» генератора значительно больше токов в фазах «Ь» и «с».
В установившемся режиме амплитуда тока в фазе «а» достигает примерно 1190А для Э = Эном , и 1070А для Э = 0,5ЭНОМ , тогда как в фазах «Ь» и «с» примерно 105А ( Э = Эном ) и 60А ( Э = 0,5ЭНОМ ) соответственно . Таким образом, номинальное значение тока в фазе «а» превышено в 9,5раз. Токи в фазах «Ь» и «с» значительно сильней искажены, чем ток в фазе «а». Это объясняется тем, что токи третьих и кратным трем гармоник одинаковы во всех фазах, а ток первой гармоники в фазе «а» значительно больше токов первых гармоник в фазах «Ь» и «с».
На рисунках 4,б,г,е представлены кривые изменения фазных напряжений генератора. Как видно, напряжение в фазе «а» имеет сложную форму вследствие наличия нечетных гармоник и его величина значительно меньше, чем в фазах «Ь» и «с». Это объясняется тем, что в месте короткого замыкания, фаза «а» замыкается на корпус через очень небольшое сопротивление, равное приблизительно 0,4313-10-2 Ом [4 ]. В установившемся режиме амплитуды напряжений в фазах «Ь» и «с» примерно равны 250В ( Э = Эном ) и 300В (
Э = 0,5ЭН0М ), т.е. превышают амплитуду номинального напряжения в 1,5 раза и 1,8 раза, соответственно.
На рисунке 4, ж приведены кривые изменения тока возбуждения возбудителя, для двух режимов работы. Переменная составляющая тока возбуждения изменяется с двойной частотой, равной 8 0 0Гц, и содержит в своем спектре четные гармоники. Среднее значение тока возбуждения возбудителя постепенно увеличивается вследствие работы регулятора напряжения и достигает в установившемся режиме величины 6,5А, что в 1,2 раза превышает его номинальное значение.
На начальном этапе после возникновения короткого замыкания значения напряжения имеют меньшие значения, чем в установившемся режиме. В виду того, что регулятор напряжения стремится восстановить заданное значение среднего по фазам напряжения путем увеличения тока возбуждения возбудителя, напряжения возрастают.
Таким образом, представленные результаты моделирования режима однофазного короткого замыкания на корпус, дают полную картину о поведении (состоянии) СЭС и соответствуют теоретическим положениям.
Изменения фазных напряжений и токов при обрыве фазы СГ представлены на рисунке 5. В результате обрыва одной из фаз, генератор работает в двухфазном режиме, следовательно, токи в его фазах возрастают. В установившемся режиме фазные токи превышены в фазе «Ь» в 1,6 раза и в 1,9 раза в фазе «с» для Э = Эном и в 1,6 раза и в 1,4 раза, для Э = 0,5Эном .
На рисунке 5,ж показано изменение тока возбуждения возбудителя. Ток возбуждения изменяется с
двойной частотой и происходит его увеличение и, в итоге, он возрастает в 1,4 раза при номинальной нагрузке и почти в 2 раза при нагрузке равное половине номинальной. Это связано с тем, что в первоначальный момент времени среднее по фазам напряжение уменьшается, регулятор же тем временем стремится вернуть его к номинальному значению.
На рисунках 5,б,г,е приведены напряжения фаз. Напряжение фазы «а», в которой совершен обрыв, имеет пикообразную форму и в установившемся режиме достигает значения в 450В и 400В для соответствующих режимов нагрузки. Напряжения фаз «Ь» и «с» приобретают сложную форму в виду наличия в своем составе нечетных гармоник.
Обрыв фазы СГ приводит к возникновению продольной несимметрии, генератор начинает работает в
двухфазном режиме. Величины фазных токов в целых фазах увеличиваются и достигают значений 2 20А и
10 0А, а ток в фазе «а» становится равным нулю. Кроме того, обрыв приводит к уменьшению фазных напряжений и, следовательно, к уменьшению среднего по фазам напряжения.
Представленные на 6 рисунке результаты моделирования износа подшипника генератора показывают, что изменение формы воздушного зазора при работе синхронной электрической машины приводит к возникновению дополнительных составляющих в спектре напряжения на двойной частоте, в 2 раза превышающей частоту вращения, и изменении всего спектра в сторону увеличения проявления магнитной несимметрии ротора.
а) ток фазы «а»
в) ток фазы «Ь»
б) напряжение фазы «а»
г) напряжение фазы «Ь»
д) ток фазы «с»
е) напряжение фазы «с»
ж) ток возбуждения
а) ток фазы «а»
в) ток фазы «Ь»
д) ток фазы «с»
Рисунок 4— Переходные процессы в СЭС при моделировании короткого замыкания
б) напряжение фазы «а»
г) напряжение фазы «Ь»
е) напряжение фазы «с»
Рисунок 5 — Переходные процессы в СЭС при моделировании обрыва фазы
ж) ток возбуждения
а) подшипник без дефекта
б) подшипник с дефектом
____Рисунок 6 — Спектр напряжения при наличии дефекта подшипника и без него__________________________________
Выводы
Применение объектно-энергетического подхода к моделированию СЭС ЛА позволяет исследовать переходные процессы, как при нормальных режимах работы, так и при возникновении ненормальных режимов - коротких замыканий, обрывов, износе подшипников и др.
В связи с тем, что учет ненормальных режимов осуществляется только изменением параметров конкретного элемента и не требует перестройки модели всей системы, появляется возможность исследовать совместное влияние различных отказов на работу СЭС, что позволит более достоверно диагностировать их появление.
Результаты моделирования основных видов ненормальных режимов СЭС ЛА показали их адекватность реальным процессам, однако для более точного определения параметров необходимо провести их идентификацию по экспериментальным данным.
Объектно-энергетические модели СЭС могут быть использованы в системах контроля и диагностики для выявления не только отклонения от нормальных режимов в процессе эксплуатации, но и для отбраковки отдельных элементов при производстве.
При анализе полетных данных применение предложенного подхода может позволить выявлять на ранних стадиях и прогнозировать износ подшипников и другие, медленно развивающиеся отказы в элементах СЭС в процессе эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, 1980. - 256с.
2. Халютин С.П. Объектно-энергетический метод конструирования моделей энергетических систем. М.: Мехатроника, автоматизация и управление. - 2007, №1.
3. Халютин С.П., Жмуров Б.В. Аналитический метод моделирования взаимодействия в объектноэнергетическом подходе. // Научный вестник МГТУ ГА. Серия «Авионика и Электротехника» № 115 - 2007.
4. Страхов С.В., Эпштейн Г.Л., Лукашева Е.С. Исследование переходных электроэнергетической системе при несимметричных коммутациях. Тезисы докладов V Всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем. Ташкент, 1975, с.93.
