CC BY
260
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Авиационные электросистемы и авионика
№ 148
УДК 262.391.175
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ АВИАЦИОННЫХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ
С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ
С.А.РЕШЕТОВ, А.Т.ТРУБАЧЕВ, В.Ю.ЛАШИН
В статье излагаются условия возврата энергии при рекуперации, рассматриваются примеры исполнительных механизмов, приводится сравнение гидравлического и электрического приводов и управляемых преобразователей.
Ключевые слова: следящий привод, рекуперация, энергосбережение.
Проблема энергосбережения весьма актуальна для воздушных судов, так как стоимость получения энергии на борту может в десятки раз превышать стоимость получения энергии на земле. В этом плане актуальна задача создания для воздушных судов систем, обеспечивающих при определенных условиях рекуперацию энергии исполнительных механизмов с отдачей ее в сеть или значительного уменьшения ее потребления.
В первую очередь это относится к управляемым следящим приводам, агрегатам и устройствам, работающим в зоне аэродинамического потока (рули, механизация крыла, системы управления шасси). Цикл работы таких приводов «выпуск - уборка» в одну сторону движения совершается с противодействующим моментом, создаваемым аэродинамическими силами, а в другую - с помогающим моментом (рис. 1, 2, 3). На графиках приведены аппроксимированные аналитические выражения этих зависимостей.
М,(Нм)
М.(Н- м)
б
Рис. 1. Моменты на выходном валу привода закрылков самолета Ту-154 а - противодействующий; б - помогающий
Рис. 2. Зависимость моментов на валу гидропривода закрылков РП 83-04 самолета Ту - 204
В идеале расходуемая энергия за цикл может стремиться к нулю, что позволяет говорить о возможности создания авиационных приводов с рекуперацией энергии в сеть. Однако для этого должны быть выполнены три условия:
1. Наличие исполнительных механизмов на борту с изменяемым знаком момента сопротивления на валу за рабочий цикл.
2. Создание систем передачи механической энергии от двигателей к механизмам с высоким КПД.
3. Создание управляемых электроприводов, способных преобразовать энергию помогающей нагрузки в электрическую и передать ее в сеть.
Рис. 3. Зависимости моментов на валу гидропривода предкрылков РП 83-01 самолета Ту - 204
Система электроснабжения в этом случае должна обеспечить возможность принятия этой энергии. Первому условию могут удовлетворить практически все следящие системы, работающие в зоне аэродинамического потока. Одним из условий возможности рекуперации является достаточно высокое значение КПД системы передачи момента ЭД к механизму - П<ш, которое должно быть более 0,5.
Это легко показать, если представить момент, который должен развивать ЭД (Мд), в виде суммы:
где Мс , Мтр - момент сопротивления нагрузки и трения.
Если принять Псп < 0,5, то уравнение можно представить в виде Мд = Мс + М^ > 2Мс или Мтр > Мс , т.е. момент трения больше помогающего момента нагрузки.
Такие системы называются самотормозящими, т.е. в них будет отсутствовать «самоход» в случае отказа ЭД. Такая система с КПД =0,34 использована в схеме управления стабилизатором самолета Ту-154, оборудованном электромеханизмом МУС- 3ПТВ и винтовым редуктором типа «гайка-винт». В этом смысле система имеет более высокую надежность, исключая «самоход», но не может обеспечить требуемого режима рекуперации.
В то же время режим рекуперации возможен в системе управления закрылками самолета Ил-62, оборудованной электромеханизмом МПЗ-9ПТВ и винтовым механизмом с шариковым устройством, обеспечивающим высокий КПД (на уровне 89%). В этом случае система перестает быть самотормозящей, т.е. в случае отказа электродвигателей тормозных муфт возможен «самоход» стабилизатора под действием своего веса и аэродинамических сил. Зависимости противодействующих и помогающих моментов некоторых исполнительных механизмов самолетов ГА, которые могут быть использованы в системах привода с рекуперацией энергии, приведены на рис. 1, 2, 3.
Режим рекуперации энергии практически невозможен в системах гидропривода, не обладающих самовыравниванием. Потребление жидкости в гидроприводах определяется удельным расходом на один оборот и скоростью привода, поэтому появление помогающей нагрузки приводит к увеличению скорости и, соответственно, расходу жидкости, и для его ограничения приходится принимать специальные меры (рис. 4, 5).
Мд = Мс + Мтр > Мс / Псп,
И, (об/мин)
1600 -
1400 “
1200''Т;
1000 -Ї
800
200
400
600
Ограничение
расхода
М,(Н-м)
40 80 120 160 200
Рис. 4. Механические характеристики двухскоростного гидропривода закрылков
РП 83-04 самолета Ту - 204
В системах электропривода при увеличении помогающего момента идет рост скорости и, соответственно, противо-ЭДС
Е = кФю,
где к- постоянный коэффициент,
Ф - поток;
ю - угловая частота вращения.
Это и приводит к уменьшению потребляемого тока
1я = (и - Б)/Яя = (и - кФю)/ Яя,
где И - напряжение источника питания;
Яя - сопротивление якорной цепи.
Таким образом, внутренний параметр (ЭДС) является как бы отрицательной обратной связью по скорости, что и определяет саморегулирование привода (рис. 6).
Здесь I - момент инерции привода, р - оператор Лапласа.
В этом случае при достаточном помогающем моменте ток меняет знак и может быть использован в сети, т. е. ЭД будет работать в режиме генератора, рекуперируя энергию.
Рис. 5. Механические характеристики гидропривода предкрылков РП 84-01 самолета Ту-204
М(р)
Рис. 6. Структурная схема привода
Возможность рекуперации энергии покажем на примере простейших моделей.
Рекуперация - это процесс возврата энергии. Рекуперация возможна благодаря обратимости электрических машин. Известно, что электрические машины обладают свойством обратимости, т.е. могут работать как в качестве двигателей, так и генераторов. Кинетическая и потенциальная энергия привода может быть преобразована в электрическую и передаваться в сеть. Этот процесс называется рекуперацией электрической энергии.
Принципиальное обязательное условие возможности рекуперации, возникающей при переходе электродвигателя привода в режим электрогенератора, это необходимость раскрутки электродвигателя: помогающей нагрузкой до частоты вращения пЭГ - большей частоты вращения холостого хода электродвигателя. В этом случае ЭДС генератора Е > И и в принципе возможна работа электродвигателя как электрогенератора на электросистему. Техника практической реализации режима рекуперации определяется типом электродвигателя (таким могут быть асин-
хронный электродвигатель переменного тока и бесколлекторный электро-двигатель постоянного тока) и характеристиками электросистемы.
В авиационном электроприводе используются режимы работы электродвигателя: двигательный, реверсивный, динамического торможени. При совпадающем по направлению с вращающим моментом электродвигателя, т. е. при помогающем воздействии аэродинами-ческого потока или, например, при спуске груза, для сравнения, электродвигатель позволяет осуществить генераторный режим с отдачей энергии в сеть.
------► 11 < 11 о
Мвр ----------•>
Рис. 7. Схема моментов электродвигателя
Электродвигатель (рис. 7) при пуске вращается с ускорением под воздействием вращающего момента и статического момента сопротивления, преодолевающих только статический момент холостого хода Мо электродвигателя Мвр + Мст > М0. В течение промежутка времени, пока скорость вращения увеличивается от нуля до скорости идеального холостого хода, электродвигатель работает в двигательном режиме. Для двигательного режима напряжение питания больше противоэлектродвижущей силы и > Е^ ток, протекающий по цепи якоря - 1Я1 = (и - Е^/Я; скорость вращения изменяется от П = 0 до П=П^.
Рис. 8. Зависимости скорости вращения от моментов
При скорости вращения, равной скорости идеального холостого хода, противоэлектродви-жущая сила равна напряжению питания (И=Е), электродвигатель не потребляет ток из сети и вращающий момент его равен нулю. Под действием статического момента сопротивления груза (МСТ>М0) скорость вращения электродвигателя продолжает расти (рис. 8). При П > По напряжение питания меньше противо-ЭДС (И<Е2 ), ток направлен от якоря к сети 1Я =(Е2 - И)/Я <0. Происходит возвращение энергии в сеть.
Рис. 9. Схема потребления и возвращения электрической энергии с управляемым вентилем
Инверторы, ведомые сетью, осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока, т. е. решают задачу, обратную выпрямлению. Индуктивность осуществляет
сглаживание входного тока инвертора. При выпрямлении источником энергии (генератором) является сеть переменного тока. Поэтому при а=0 кривая тока й, потребляемого от сети, совпадает по фазе с напряжением питания и1. При =<» форма тока й, близка к прямоугольной (рис. 11а). Тиристор 1 открыт при положительной полярности напряжения и2_1, а тиристор 2 - при положительной полярности напряжения и2_2 (рис. 11б).
Рис. 10. Схема однофазного преобразователя с функциями: 1) выпрямитель - нагрузка (двигатель); 2) ведомый сетью инвертор - помогающее воздействие (генератор)
При работе схемы в режиме инвертирования машина постоянного тока является генератором электрической энергии, а сеть переменного тока - ее потребителем. В усло -виях сохранения в схеме тех же направлений токов ¡а1, ¡а2 и ¡а (что определяется наличием тиристоров) генераторному режиму работы машины будет отвечать полярность напряжения Еа, указанная без скобок.
Изменение полярности подключения машины к цепи постоянного тока является одним из условий перевода данной схемы в режим инвертирования, приводящее к рекуперации энергии в сеть. Показателем потребления энергии сетью служит фазовый сдвиг на 180° тока ¡1 относительно напряжения и1 (рис. 11 в). Следовательно, тиристоры схемы в режиме инвертирования должны находиться в открытом состоянии при отрицательной полярности напряжений вторичных обмоток трансформатора: тиристор 2 - при отрицательной полярности напряжения и2 2, а тиристор 1 - при отрицательной полярности напряжения и2 1 (рис. 11г). При таком режиме отпирания тиристоров осуществляется поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора через дроссель к источнику постоянного тока, следовательно достигается преобразо-
вание постоянного тока ¡а в переменный ток ^ (рис. 11в), т.е. передача энергии в сеть. Указанному режиму отпирания тиристоров при инвертировании соответствует на рис. 11 г значение угла управления а = п, отсчитываемого в направлении запаздывания относительно точек естественного отпирания вентилей (0, п, 2п и т. д.). Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования, способствующего рекуперации энергии, необходимо подключить источник постоянного тока с полярностью, обратной режиму выпрямления; обеспечить протекание тока через тиристоры преимущест-венно при отрицательной полярности вторичных напряжений, проводя их отпирание с углом опережения р.
Рис. 11. Кривые напряжения и тока питающей сети, а также последовательность работы тиристоров в управляемом выпрямителе (а, б) и в ведомом инверторе (в, г)
В настоящее время возможностям реализации авиационных следящих приводов способствуют создание вентильных ЭД (ВД) на базе магнитов высокой энергии и бурный рост темпов развития силовой электроники. Дело в том, что несмотря на ряд эксплуатационных преимуществ вентильных ЭД, связанных с отсутствием коллектора (высокий КПД, надежность, отсутствие трущихся электрических контактов, высотность использования) широкому их внедрению в составе авиационного оборудования препятствовал значительный вес, так как необходимый для работы ВД полупроводниковый коммутатор (ПК) по своему весу был сравним с весом машины. В результате масса ВД вместе с ПК превышает вес коллекторного ДПТ. Но этот вывод относится к нерегулируемым приводам. Ситуация резко изменяется, если к приводу предъявляется ряд специальных требований к изменению режимов его работы, структуры, а также повышенные требования к его динамическим параметрам и устойчивости. Указаные требования значительно легче выполнить на основе ВД, так как в его составе имеется ПК, с помощью которого можно выполнить все указанные требования путем незначительного усложнения электронной части привода.
Тем не менее, создание рекуперативных систем привода приводит к усложнению схем и алгоритмов управления. Так, в частности, использование обычной схемы Ларионова для выпрямителя, выполненной на диодах, недостаточно, т. к. она не позволяет возвращать энергию рекуперирования в сеть. В качестве выпрямителя приходится применять управляемый шести плечевой транзисторный мост с антисимметричными диодами. Поэтому усложнение схемы будет оправдано только в случае присутствия достаточной величины помогающей нагрузки (или, в
общем случае - с учетом режимов торможения - величины рекуперируемой энергии). На рис. 1-3 приведена зависимость противодействующих и помогающих моментов на валу механизмов привода механизации крыла самолетов класса Ту-154, Ту- 204 , из которых следует, что величина помогающих моментов составляет порядка 30 %, на уровне мощностей механизмов порядка (2 ... 6) кВт.
В настоящее время предприятием ОАО «Аэроэлектромаш» в г. Москве и смежном предприятии ОАО «КБ Электропривод» в г. Кирове разработан целый ряд приводов с ВД мощностью до 7,5 кВт для работы в составе авиационного привода, а также электромеханизмы повышенной надежности, оборудованные двумя ЭД, работающими на общий вал, предназна-ченных для приводов механизации крыла отечественных воздушных судов (табл. 1). В работе [2] приведены данные по разработке привода ЭППЗ-334 предкрылков и закрылков самолета Ту-334.
Таблица 1
Наименование Выходная мощность, кВт Напряжение питания, В Масса, кг
3-х фазн, 400Гц посто- янное электро- механизма системы управления суммарная
ЭППЗ-77М (Ан-70) 8 115/200 27 26 44 70
ЭПЗ-324 (Ту-324) 1,6 115/200 27 8,6 17,4 26
ЭППЗ-334 (Ту-334) 2,35 115/200 27 16 20,2 36,2
Следует отметить, что уже в настоящее время проведены работы, позволяющие существенно уменьшить массу электронных блоков управления, что позволит дополнительно улучшить эксплуатационные показатели привода.
Упрощенные структурные схемы, современных приводов с рекуперацией энергии представлены на рис. 7-11. Одной из возможностей повышения эффективности приводов, оборудованных ВД, является привод, вал которого с помощью шарико-винтового механизма (ШВМ) непосредственно преобразует вращательное движение вала в поступательное движение исполнительного механизма.
В рассматриваемой конструкции гайка ШВМ одновременно выполняет функции ротора ВД. Использование постоянных магнитов с высокой энергией из редкоземельных сплавов БшСо (самарий-кобальт), КёБеБ (неодим-железо-бор) и современных компонент силовой электроники в преобразователях и управляющих устройствах позволяет получать в этом случае компактную конструкцию с высокими динамическими показателями благодаря исключению силового редуктора и муфт, что снижает массу и момент инерции вращаю-щихся частей привода и, следовательно, повышает его динамические возможности.
Указанные возможности повышения эффективности авиационных приводов должны способствовать решению задачи по созданию в России полностью электрифицированного самолета, включенной в план развития авиации до 2015 г. Для осуществления этой проблемы необходимо решить целый ряд электротехнических задач, в том числе создать управляемые преобразователи энергии, схема которого изображена на рис. 12.
Инвертор ведомый Двусторонний Выпрямитель-инвертор
тЯШ9£ШЯ. ШИМ- сетью
Рис. 12. Структурная схема трехфазного преобразователя
ЛИТЕРАТУРА
1. Косулин В.О., Михайлов Г.Б., Омельченко В.В., Путников В.В. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988.
2. Волокитина Е. В. Исследование и разработка быстродействующего вентильного электропривода органов управления новых самолетов: автореф. дисс. канд. техн. наук. - Чебоксары , 2006.
3. Привод рулевой РП60-0 Техническое описание и инструкция по эксплуатации (РП60.000-0.ТО.ИЭ).
4. Глазенко Т.А., Томасов В.С. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении // Изв. вузов. Приборостроение. - 1996. - Т. 39. - № 3.
THE PERSPECTIVES OF THE CREATION AIR WATCHED DRIVES WITH THE RECUPERATION
OF THE ENERGY
Reshetov S.A., Trubachev A.T., Lashin V.N.
The conditions of the return energy, the explanation of the recuperation, the examples of the actuating mechanisms, the comparison of the hydraulic and electric drives, the control transformers, and the completely electrified plane are performed in this article.
Сведения об авторах
Решетов Сергей Алексеевич, 1935 г.р., окончил МЭИ (1959), доктор технических наук, профессор кафедры электротехники и авиационного электрооборудования МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - оптимизация самолетных энергосистем.
Трубачев Александр Тимофеевич, 1946 г.р., окончил МИИТ (1969), кандидат технических наук, научный сотрудник КБ «Якорь», автор 20 научных работ, область научных интересов - разработка авиационного электропривода.
Лашин Василий Юрьевич, 1961 г.р., окончил МГТУ ГА (2006), старший преподаватель кафедры электротехники и авиационного электрооборудования МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - техническая эксплуатация бортового авиационного электрифицированного оборудования.
