Транзисторные аппараты защиты и коммутации для авиационных систем переменного тока

Существующие системы электроснабжения летательных аппаратов (СЭС ЛА), построенные на основе традиционных устройств, перестают удовлетворять непрерывно возрастающим требованиям по повышению их эффективности. Поэтому возникает потребность в разработке новых высокоэффективных СЭС ЛА, основанных на бесконтактных способах преобразования, регулирования и распределения электроэнергии, максимально использующих достижения и возможности силовой полупроводниковой техники и микроэлектроники [1,2].

Свойства и структура СЭС ЛА определяются свойствами и возможностями входящих в нее устройств, предназначенных для реализации всех процессов в системе. Поэтому нельзя проектировать новые СЭС ЛА, а также модернизировать существующие, не располагая достоверными данными о всех классах устройств, входящих или необходимых для таких систем. Следовательно, для создания новых СЭС ЛА и повышения эффективности и надежности существующих необходимы, в первую очередь, разработка и изучение свойств, особенностей, возможностей и тенденций развития комплекса новых устройств, необходимых для функционирования этих систем [ 1 ].

Коммутационно-защитная аппаратура (КЗА), являющаяся неотъемлемой частью систем распределения электроэнергии, предназначена для обеспечения их нормального функционирования при частичных отказах, предотвращения пожароопасных ситуаций, дистанционного управления потребителями электроэнергии (ПЭ), защиты первичных источников электропитания и проводов распределительных сетей от перегрузок по току при случайных коротких замыканиях (КЗ) и аварийных утечках тока через поврежденную изоляцию сетевых проводов.

К КЗА авиационных СЭС предъявляются общие требования по экономичности, малому остаточному напряжению во включенном состоянии, малым остаточным токам в отключенном состоянии, высокому быстродействию в аварийных режимах, малой удельной массе, надежности, селективности действия, циклостойкости. Традиционно функции силовой коммутации выполняются электромагнитными контакторами и реле, а функции защиты — тепловыми и электромагнитными аппаратами защиты сети, минимальными и дифференциальными реле, плавкими предохранителями [3,4]. Принципы проектирования электромагнитной и электротепловой контактной КЗ, А изложены в ряде фундаментальных работ A.B. Гордона, И. С. Таева [ 5, 6 ] и др.

Достоинствами контактной КЗА являются: малое падение напряжения во включенном состоянии, нулевые остаточные токи в отключенном состоянии, гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи, малая удельная масса.

Однако, контактная КЗА имеет и ряд существенных недостатков:

— невысокую надежность вследствие эрозии, окисления и пригорания контактов;

— невысокое быстродействие, приводящее к развитию значительных аварийных токов при коротких замыканиях и длительным перерывам питания при переключении распределительных шин;

— чувствительность к вибрациям, приводящую к ложным переключениям;

— дребезг контактов, искрение, дугообразование, а также перенапряжения на управляющих обмотках, создающие при коммутации электромагнитные помехи в широком частотном диапазоне, что обусловливает низкую электромагнитную совместимость контактной КЗА с сетью;

— малый срок службы из-за быстрого износа контактов;

— большое энергопотребление по цепи управления;

— низкая контролеспособность.

Недостатки контактной КЗА могут быть частично устранены в гибридной (комбинированной полупроводниково-контактной) аппаратуре, к созданию которой привело стремление совместить в КЗА положительные качества электромеханической аппаратуры и мощных полупроводниковых приборов [ 7,8 ]. Проблеме создания гибридной полупроводниково-контактной КЗА посвящены Исследования и зарубежных специалистов [ 9, 1СН-13 ]. Однако гибридные аппараты, как и контактные, не способны ограничивать аварийные токи и имеют относительно невысокое быстродействие при отключении, а также сохраняется опасность окисления контактов.

Возрастающие требования к функциональным возможностям, экономичности и надежности ЛА диктуют необходимость разработки и внедрения автоматизированных бортовых систем, использующих новейшие достижения силовой полупроводниковой электроники. В области авиационного электрооборудования — это системы нового типа, основанные на бесконтактном преобразовании и распределении электроэнергии импульсными методами. Важнейшее место в таких системах отводится бесконтактной КЗА, имеющей ряд существенных преимуществ перед контактной и гибридной [ 14-Т-16 ], а именно:

— высокое быстродействие, поскольку времена переключения полупроводниковых приборов на несколько порядков меньше, чем электромеханических контактов;

— долговечность, поскольку срок службы бесконтактных аппаратов определяется, в основном, старением их компонентов, а не числом коммутаций;

— простота обслуживания, поскольку отсутствуют трудоемкие операции по чистке и регулировке контактов;

— отсутствие искрения и дугообразования, что позволяет применять бесконтактные аппараты во взрывоопасных и загрязненных средах;

— повышенная вибростойкость, отсутствие дребезга, низкий уровень электромагнитных помех;

— малая мощность цепи управления;

— на порядок повышенная надежность;

— повышенная контролеспособность, которая обеспечивается встроенным контролем состояния аппарата.

Для авиационных систем электрооборудования типовая шкала номинальных токов ПЭ содержит следующие значения: 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50 А, причем подавляющее большинство (80-ь90%) ПЭ как постоянного, так и переменного тока имеют номинальные токи не превышающие ЮЛ [1,3, 4].

В качестве бесконтактной КЗА для авиационных СЭС целесообразно использовать транзисторные аппараты защиты и коммутации (АЗК), так как по сравнению с бесконтактной тиристорной КЗА транзисторные АЗК обладают лучшими функциональными и техническими возможностями благодаря полной управляемости и высокому быстродействию транзисторов. Современных мощные транзисторы позволяют создавать АЗК с номинальными токами от единиц до десятков ампер как низкого, так и повышенного напряжения для работы в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Преимущества, возможности и технические характеристики транзисторных АЗК определяются параметрами постоянно совершенствующихся силовых транзисторов. В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются мощные МДП транзисторы с максимально допустимыми значениями тока стока до 200А, напряжения сток-исток до 10 002? и остаточными выходными сопротивлениями менее 0,0 Юл* [ 17, 18,19].

Особенно заметен прогресс в разработке мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Эти приборы сочетают в себе достоинства биполярных и МДП транзисторов — высокое входное сопротивление, большой коэффициент усиления и низкое остаточное сопротивление во включенном состоянии. В настоящее время такие приборы изготавливаются на токи до 300А при допустимых напряжениях до 12 002? [ 17, 18,20].

Однако, высокие параметры силовых транзисторов только необходимое, но не достаточное условие для создания высокоэффективных транзисторных АЗК. Для разработки быстродействующих, экономичных и надежных АЗК с высокой удельной мощностью необходимо применение комплекса методов по повышению эффективности таких устройств, а также наиболее полно использовать свойства силовых транзисторных ключей (СТК), входящих основным узлом в состав АЗК:

1. Естественное объединение функций коммутации и защиты, поскольку СТК, защищенный от перегрузок по току и размещенный в начале линии электропередачи, сам становится средством ее защиты;

2. Способность к ограничению аварийных токов по амплитуде и продолжительности, что является следствием полной управляемости и высокого быстродействия СТК. Контролируемое ограничение токов КЗ на уровне нормальных переходных токов нагрузок с продолжительностью в десятки микросекунд исключает ощутимые провалы сетевого напряжения на неповрежденных участках, устраняет аварийные нагрузки на источники электропитания;

3. Возможность амплитудного ограничения неаварийных переходных токов ПЭ неприемлемо большой кратности: токов заряда входных фильтров РЭА, токов разогрева электронагревателей и электроосветительных устройств, пусковых токов электродвигателей, переходных токов силовых трансформаторов. Общим результатом токоограничения является улучшение качества электропитания, уменьшение нестационарных нагрузок на сеть;

4. Возможность плавного включения и отключения ПЭ при неаварийных коммутациях, что обеспечивает хорошую электромагнитную совместимость АЗК с функциональной электроникой, а также позволяет отключать индуктивные нагрузки без специальной защиты.

Благодаря своим свойствам транзисторные АЗК в области токов менее 10-^20А имеют существенные преимущества перед контактной, гибридной и тиристорной КЗА, и поэтому их создание для авиационных СЭС позволяет решить ряд важных электротехнических задач на пути повышения эффективности таких систем.

Следует отметить, что принципы построения и методы проектирования транзисторных АЗК в значительной степени отличаются от принципов построения и методов проектирования силовых транзисторных устройств других классов из-за существенного различия в функциональных требованиях и режимах работы силовых цепей. Однако, большой опыт, накопленный при создании силовых транзисторных устройств других классов, может быть полезен и при проектировании транзисторных АЗК, например:

— методы уменьшения мощности статических и динамических тепловых потерь в СТК;

— методы обеспечения безопасных режимов работы СТК;

— методы обеспечения равномерного токораспределения в параллельно включенных транзисторах;

— способы обеспечения самозащищенности СТК в аварийных режимах;

— принципы построения и методы проектирования транзисторных преобразователей напряжения;

— методы автоматизированных расчетов электронных схем;

— методы конструирования силовых микроэлектронных устройств.

Решения этих и ряда других вопросов изложены в работах Ю. И. Конева, Е. В. Машукова, В. Н. Ильина, И. П. Норенкова, С. И. Маслова, Г. М. Гуляковича, Э. М. Ромаша, Т. А. Глазенко, B.C. Моина, Л. Б. Паперно, Ю. Ф. Опадчего, В. В. Мосина, В. В. Сергеева, Д. А. Шевцова, Г. М. Веденеева, C.B. Бузыкина и других специалистов в области силовой преобразовательной техники [1, 15, 21-к27 ].

Большой вклад в решение проблемы создания транзисторных АЗК как постоянного, так и переменного тока внесли Е. В. Машуков и Д. А. Шевцов, что отражено в ряде их работ [ 14, 28-^36 ].

Системы переменного напряжения 115/2005 постоянной частоты.

400Гц, где питающие генераторы приводятся во вращение от авиационных двигателей посредством механических преобразователей и формируют первичную систему электроснабжения ЛА, по-прежнему остаются наиболее распространенным видом первичного электроснабжения ЛА [ 4 ]. Применение на ЛА преобразователей, необходимых для получения переменного напряжения постоянной частоты, усложняет систему электроснабжения ЛА, однако преимущества, свойственные переменному току, не только компенсируют это, но и по многим параметрам дают выигрыш. Системы переменного тока, по сравнению с СЭС постоянного тока низкого напряжения, обладают лучшим КПД питательных, распределительных и фидерных сетей, а кабельная проводка — меньшим весом. Эти качества имеют первостепенное значение для любого вида ЛА.

В настоящее время основным классом серийно выпускаемых транзисторных коммутирующих устройств переменного тока являются твердотельные реле (в основном на МДП транзисторах) с цепями самозащиты и гальванически развязанным управлением, которые коммутируют токи до сотен ампер при напряжениях в сотни вольт, но без функций защиты распределительных сетей [ 37ч-39 ]. Существующие разработки транзисторных АЗК переменного тока [40-ь44] не предназначены для использования в авиационных распределительных сетях и создавались для решения специальных задач ограниченного применения, в которых функции защиты распределительных сетей от токовых перегрузок не являются приоритетными, а играют роль еще одной дополнительной характеристики.

С учетом бурного развития систем автоматизированного управления и контроля, возрастающих требований к качеству электропитания и надежности СЭС задача создания транзисторных АЗК переменного тока выдвигается в число приоритетных. (Здесь также уместно указать на идею создания высокочастотной СЭС переменного тока, применительно к большим ЛА.) Однако, созданию транзисторных АЗК для авиационных систем переменного тока посвящено относительно небольшое число исследований, что объясняется новизной проблемы [ 1, 33, 35, 45-^-47]. В настоящее время недостаточно полно исследованы принципы их построения и методы проектирования, что приводит к необходимости дальнейших исследований, направленных на создание данного класса устройств.

Целью работы является разработка принципов построения, методов проектирования и средств технической реализации транзисторных АЗК переменного тока, предназначенных для работы в составе электрооборудования СЭС ЛА.

Исходя из указанной цели работа посвящена решению следующих задач:

— обоснованию технических требований к транзисторным АЗК переменного тока;

— определению принципов построения АЗК и разработке их функциональной схемы;

— исследованию вопросов обеспечения безопасности АЗК в аварийных режимах;

— разработке методики проектирования АЗК с позиций их миниатюризации;

— разработке схемотехнических вариантов АЗК и проведению экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе анализа ПЭ в авиационных СЭС показана необходимость разработки двух функциональных классов транзисторных АЗК переменного тока: без ограничения неаварийных переходных токов для управления резистивно-индуктивными нагрузкамии с ограничением переходных токов для управления емкостными нагрузками.

2. Предложен безопасный способ отключения индуктивных нагрузок переменного тока.

3. Определены принципы построения транзисторных АЗК переменного тока для управления резистивно-индуктивными нагрузками.

4. Предложена математическая модель биполярных транзисторов с изолированным затвором, учитывающая влияние мгновенной мощности потерь на их термозависимые параметры в статических и динамических режимах. Разработана методика определения параметров предложенной модели.

5. С использованием предложенной модели исследованы аварийные процессы в силовых цепях АЗК при развитии и ликвидации КЗ нагрузки в авиационных СЭС. Определены условия электротепловой безопасности силовых транзисторов с учетом влияния остаточных индуктивностей распределительных сетей.

6. Разработана математическая модель АЗК для управления рези-стивно-индуктивными нагрузками, описывающая статические и переходные электрические и тепловые процессы в силовой цепи устройства.

7. Разработана методика проектирования АЗК по критерию минимальной массы, учитывающая влияние нестационарных электротепловых процессов на массоэнергетические показатели.

8. Показано, что удельная мощность АЗК существенно зависит от внешних параметров: кратности тока нагрузки, температуры среды, эффективности охладителей, изменяясь на 40-^50% при наилучшем и наихудшем их сочетании.

Практическая полезность работы заключается в следующем:

1. Обоснованы технические требования к транзисторным АЗК для авиационных систем переменного тока.

2. Предложены статические макромодели СТК переменного тока, предназначенные для оценки мощности тепловых потерь.

3. Разработан метод технической реализации предложенного способа отключения индуктивных нагрузок переменного тока.

4. Разработана функциональная схема однофазных АЗК с отсечкой, безопасно коммутирующих индуктивные нагрузки, защищающих распределительные сети от недопустимых токовых перегрузок и источники электропитания от аварийных режимов, управляющихся гальванически развязанным внешним сигналом и имеющих внешний контроль состояния АЗК.

5. Разработана методика синтеза транзисторных АЗК переменного тока в виде алгоритма их автоматизированной структурно-параметрической оптимизации по критерию минимума массы.

6. По результатам расчетов разработана макромодель АЗК, связывающая их массу с внешними и внутренними параметрами, и предназначенная для оценки массы КЗА в составе СЭС.

7. Разработаны аппаратурные решения АЗК, проведены экспериментальные исследования макетных образцов и получены результаты, подтверждающие теоретические исследования.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры микроэлектронных электросистем Московского государственного авиационного института (технического университета), Московских и Всероссийских научно-технических конференциях и изложены в 11 печатных работах.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на ГУЛ НПП «Пульсар», а также в учебный процесс по кафедре № 306 Московского государственного авиационного института (технического университета).

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, пять глав, общие выводы по работе, список литературы, приложение и содержит 119 страниц основного текста, 10 таблиц и 72 рисунка на 60 страницах, 101 наименование списка литературы на 10 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Показано, что для управления ПЭ и защиты проводов распределительных сетей от недопустимых токовых перегрузок в авиационных системах переменного тока необходима разработка двух функциональных классов транзисторных АЗК: без ограничения неаварийных переходных токов, но с отсечкой аварийных токов для применения совместно с индуктивными нагрузкамии с ограничением неаварийных переходных токов при управлении емкостными нагрузками.

2. Предложен безопасный способ отключения индуктивных нагрузок, отличающийся от традиционных способов ненапряженным электротепловым режимом силовых транзисторов и отсутствием в СТК дополнительных силовых элементов.

3. Разработаны принципы построения и функциональная схема транзисторных АЗК переменного тока для управления резистивно-индуктивны-ми нагрузками.

4. Предложена электротепловая математическая модель биполярных транзисторов с изолированным затвором, учитывающая влияние мгновенной мощности потерь на термозависимые параметры транзисторов в стационарных и нестационарных режимах. Разработана методика определения параметров модели.

5. Разработаны рекомендации по обеспечению электротепловой безопасности силовых транзисторов в аварийных режимах развития и ликвидации КЗ в авиационных СЭС с учетом влияния остаточных индуктив-ностей распределительных сетей.

6. Разработана методика оптимального структурно — параметрического синтеза АЗК по критерию минимальной массы, оформленная в виде алгоритма и программы их автоматизированного проектирования с использованием предложенной математической модели АЗК, описывающей стационарные и нестационарные электротепловые режимы в силовой цепи устройства.

— 180.

7. Получена аналитическая макромодель, обобщающая результаты автоматизированного проектирования АЗК и отражающая влияние на их массу ряда внешних и внутренних параметров. Выработаны рекомендации по повышению удельной мощности АЗК.

8. Предложены схемотехнические решения АЗК для управления рези-стивно-индуктивными нагрузками и проведены экспериментальные проверки его макетных образцов, подтверждающие теоретические исследования.