Определение структуры и параметров автономных комбинированных систем электроснабжения космических летательных аппаратов на этапе авиапроектирования

Эффективность выполнения различных космических программ определяется в значительной мере их энергетическим обеспечением. Современные системы электроснабжения ССЭС) космических летательных аппаратов СКЛА) отличаются от СЭС других автономных объектов CAO), например, самолетов, меньшим уровнем мощности нагрузочного оборудования, значительным и возрастающим в последнее время сроком автономного функционирования (ресурсом), высокой степенью использования установленной мощности источника энергии, сложностью активного управления режимами работы источников энергии.

В последнее время наметилась тенденция повышения мощности нагрузочного оборудования КА, увеличение срока их активного функционирования, усложнения решаемых задач. Существующие СЭС КЛА на постоянном токе с использованием в качестве первичного источника СБ на определенном этапе перестает удовлетворять перспективным требованиям. Увеличение мощности достигается за счет увеличения площади освещаемой поверхности. Это приводит к усложнению систем развертывания и ориентации, увеличению массы установок. В связи с этим возникла проблема разработки СЭС повышенной мощности и длительного ресурса 5−10 лет. Проектирование таких СЭС является качественно новой задачей, требующей новой идеологии и подхода / 1,2,3 /.

В процессе разработок АСЭС можно выделить три этапа /4/':

1) этап проектирования, начинающийся с получения ТЗ от генерального заказчика и заканчивающийся выпуском нормативно-технической документации на системы, подсистемы и элементы;

2) этап изготовления;

3) этап отработки, в процессе которого осуществляется коррекция спроектированной системы с целью обеспечения соответствия этой системы техническим требованиям заказчика.

Этап проектирования также делится на несколько этапов.

Данная диссертационная работа посвящена разработке АСЭС КЛА на первом этапе проектирования. Задачей этого этапа является формирование исходных данных для разработки АСЭС. Далее производится выбор структуры СЭС на основании предварительных расчетов по некоторым показателям, опыта и интуиции разработчика, с учетом заданного алгоритма работы объекта и различных алгоритмов управления и диагностирования АСЭС. Проведенный анализ показывает /4/, что работы, проводимые на этапе начального, так называемого, аванпроектирования, в конечном итоге определяют эффективность, качество и время разработки проекта в целом. Аванпроектирование является связующим звеном «внешнего» и «внутреннего» проектирования технической системы / 5, 6, 7 /. Главная задача внешнего проектирования — конкретизация целей функционирования СЭС и предъявление требований к ее выходным характеристикам и показателям качества, обеспечивающим достижение этих целей, Задача внутреннего проектирования состоит в реализации С в виде комплекса устройств, узлов и агрегатов) основных конструктивных С проектных) параметров системы, придающих ей требуемые качества. Этап аванпроектирования служит для увязки требований «внешнего» проектирования с технологическими параметрами и конструкторскими возможностями «внутреннего» проектирования.

Необходимо отметить, что СЭС КЛА является сложной агрегативной системой, представляющей собой функционально необходимую совокупность конечного числа агрегатов и связей между ними, обеспечивающих преобразование первичной энергии в энергию требуемого вида и качества /8/. При этом допускаются любые технически реализуемые преобразования энергии, если это оказывается целесообразным с точки зрения эффективности создаваемой системы.

С формальной точки зрения агрегат можно рассматривать как математический объект, который может быть описан с помощью функциональных пространств состояний входных и выходных сигналов и аналитическик связей критериальных показателей и параметров этого агрегата.

Решение задачи распознавания многообразия возможных организаций может быть достигнуто формальными методами например, методом композиционного проектирования на основе современной вычислительной техники, если вскрыты общие принципы организации систем рассматриваемого класса и осуществлено формализованное описание известных физических, химических эффектов, а также возможных способов их технических реализаций в форме математических моделей /8,9/. Использование такого подхода позволило бы осуществлять направленное формирование оптимальной пространственно-структурно-параметрической организации проектируемой системы по выбранным критериям с учетом влияния интегративного эффекта.

Для осуществления композиционного проектирования необходимо располагать базой данных, содержащих достаточно точные математические модели агрегатов, которые могут быть использованы для технической реализации соответствующих функциональных операций преобразования и передачи энергии, а также формальными методами оптимальной композиции агрегативных систем рассматриваемого класса. Эти методы должны обеспечивать направленное конструирование сложного функционального пространства, отображающего свойства проектируемой агрегативной системы, в соответствии с предъявленными требованиями к этой системе и принятыми критериями ее оптимальности. Такой подход применяется на этапе проектирования. При аванпроектировании точных математических моделей нет. Кроме того, осуществить сравнительный анализ всех структур, которые могут быть сформированы из всего многообразия элементов космической энергетики, практически не представляется возможным, так как число принципиально возможных конкурирующих структур, исходя из элементарных соотношений комбинаторики, является показательной функцией числа элементов, из которых формируются структуры.

Исходя из вышеизложенного, следует отметить, что на этапе аванпроекта выбор наилучшего варианта структуры С или ее подсистемы) из множества принципиально возможных целесообразно осуществлять на основании сравнительного анализа ограниченного числа эвристически установленных вариантов ее построения /5/, а решение системных и параметрических задач базировать на упрощенных математических моделях основных силовых элементов АСЭС КЛА, выражающих зависимости в соответствии с поставленной задачей.

В системную задачу входит синтез и анализ структур, а также принятие решения по рациональности использования вариантов СЭС /10/. Под синтезом здесь следует понимать процесс проектирования, заключающийся в выработке одного или нескольких вариантов решения. Полученные в виде математической модели решения анализируются и по результатам анализа либо фиксируется окончательная альтернатива, либо продолжается процесс синтеза и генерации новых структур. Среди системных задач в первую очередь следует выделить выбор конечного множества вариантов структур, обеспечивающих наилучшее использование энергии источников при минимуме массы и минимальное собственное потребление.

Круг параметрических задач аналогичен существующим в СЭС всех автономных объектов. Поэтому при решении целесообразно использовать опыт, методы и средства, разработанные для оптимизации авиационных СЭС / 11,8,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, 27,28,29,30,31,32,33,34,35 /.

К параметрическим задачам относятся следующие: выбор уровня номинального напряжения СЭС КЛА, рода тока и частоты сети, уровня стабильности выходного напряжения, оптимизация массо-энергетических показателей электронной аппаратуры регулирования и преобразования электроэнергии, обеспечивающей наилучшие показатели системы в целом.

В работах, посвященных параметрической оптимизации исследовано влияние основных параметров элементов на массу автономной СЭС, таких как напряжение сети, мощность, КПД, сечение проводов. Известно, что существенное влияние на массу автономной СЭС в целом и массу основных элементов оказывает повышенное значение частоты переменного тока. Повышение частоты для АСЭС КЛА стало возможным благодаря перспективным разработкам в области элементной базы — электромеханических генераторов переменного тока, термоэмиссионных генераторов, термоэлектрических генераторов, трансформаторов, инверторов, выпрямителей.

Для авиационных СЭС принято и обосновано значение частоты переменного тока 400 Гц. Для перспективных АСЭС КЛА влияние частоты на массу элементов и системы в целом не исследовано. Поэтому на этапе аванпроектирования основной задачей является исследование влияния повышенной частоты на параметры отдельных силовых элементов и всей системы в соответствии с критериями оптимальности. По результатам решения параметрической задачи формируется техническое задание на разработку и проектирование основных силовых элементов АСЭС КЛА комбинированного типа и всей системы в целом.

В соответствии с вышеизложенным, в данной диссертационной работе ставятся следующие задачи:

1. Анализ современного состояния разработок в области исследования автономных СЭС КЛА.

2. Обзор и сравнительный анализ перспективных видов элементов СЭС КЛА, удовлетворяющих современным требованиям к таким системам для создания агрегатной базы.

3. Разработка математических моделей отдельных элементов автономной СЭС КЛА, удовлетворяющих критериям оптимальности и позволяющих исследовать влияние частоты на массу элементов.

4. Создание обобщенной математической модели автономной СЭС КЛА, разработка алгоритма и программы расчета, позволяющих решать задачу выбора структуры и определения параметров перспективных типов автономных комбинированных СЭС КЛА.

5. Исследование перспективных вариантов автономных СЭС КЛА различной структуры с различными параметрами .

При решении поставленных задач автором были получены следующие результаты:

1. Произведен анализ современных и перспективных разработок в области исследования автономных СЭС и определены наиболее перспективные.

2. Произведен сравнительный анализ различных типов современных и перспективных элементов СЭС и даны рекомендации по использованию элементов, наиболее удовлетворяющих предъявленным требованиям: по массо-габаритным показателям, по технологическим параметрам, по уровню надежности.

3. Получены критериальные и функциональные математические модели основных элементов перспективных СЭС — трансформаторно-выпрями-телъного блока, трансформаторно-инверторного блока, электромеханических генераторов, распределительной сети.

4. Создана обобщенная математическая модель автономной СЭС КЛА, разработан алгоритм и реализована программа, позволяющая решать задачи выбора структуры и определения параметров перспективных типов АСЭС КЛА.

На защиту выносятся:

1. Математические модели отдельных элементов АСЭС КЛА перспективных типов, позволяющие исследовать влияние частоты переменного тока на массу этих элементов.

2. Математическая модель для расчета АСЭС КЛА, разработанная с учетом перспективных элементов — трансформаторно-выпрямительного блока, трансформаторно-инверторного блока, электромеханического генератора, распределительной сети — позволяющая решать задачи выбора структуры и определения параметров АСЭС КЛА комбинированного типа.

3. Алгоритм расчета и программа расчета, отличающиеся от существующих, в которых конфигурация и параметры режима заданы, тем, что по заданной конфигурации и параметрам нагрузки позволяют решать комплекс задач для выбора структуры и определения параметров перспективных АСЭС КЛА комбинированного типа.

4. Результаты расчета задач по выбору рациональной частоты переменного тока для АСЭС КЛА различной конфигурации и параметров.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы электромеханики'^ 1989 г. на научно-технической конференции «XX Гагаринские чтения'^ 1994 г.), на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы энергомашиностроения» С1996 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рюстырев М. Л., Щетинин В. Г., Дружков А. А., Галимова А. А., Розен-талъ А. К. Асинхронная машина в автономных системах электроснабжения // Всесоюзная конференция «Современные проблемы электромеханики». Тез. докл. — М.: 1989.

2. Костырев М. Л., Галимова А. А. Автоматизированный расчет системы электроснабжения // Научно-техническая конференция «XX Гагаринские чтения». Тез. докл. — М.: 1994.

3. Костырев М. Л., Мотовилов Н. В., Галимова A.A., Борисов С. Ю., Михеев В. И. Автоматизированный расчет системы электроснабжения // «Электротехника», 1994, N 8, с.44−47.

4.Костырев М. Л., Галимова А. А. Параметрическая оптимизация автономных систем электроснабжения // Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Проблемы энергомашиностроения». Тез. докл. — Уфа: 1996.

Данная диссертационная работа выполнялась по заданию организации Минобщемаша в соответствии с планом НИР по теме «Разработка и исследование электромеханической системы преобразования энергии и системы электропитания автономного объекта». Основные положения диссертации вошли в отчетыо НИР по данной тематике и опубликованы в печати.

4.5 Выводы к главе 4.

1. На базе алгоритма расчета разработан пакет прикладных программ, позволяющий решать следующие параметрические задачи :

— расчет сети с заданными параметрами нагрузки при различных параметрах режима (напряжение источника, частота сети, выходное напряжение на шинах нагрузки);

— расчет качества напряжения на шинах потребителей для заданного графика нагрузки).

2. Для АСЭС КЛА мощностью 10 кВА минимум целевой функции, то есть установленной массы, наблюдается при частоте порядка 4000 Гц для структурной схемы, изображенной на рис. 4.3, б. Увеличение частоты более 4000 Гц приводит к росту установленной массы АСЭС, так как при этом увеличиваются потери мощности в генераторе и преобразователе, что приводит к увеличению размеров генератора и охладителей.

РАСЧЕТ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИНАХ ПОТРЕБИТЕЛЯ ДЛЯ ГРАФИКА НАГРУЗКИ л и доп 2 3.

1.5 2.0 2.5 «нагр i нои а) потребители переменного токаЭ.

1.5 2.0 2,5 I нагр

1 нон преобразователей и, соответственно, массы элементов, а также усиливается влияние поверхностного эффекта в проводах распределительной сети, провода РС выбираются большего сечения, что приводит к увеличению массы. Зависимости падения напряжения на шинах нагрузки при частоте 4000 Гц также не выходят за пределы установленных значений.

3. Для АСЭС мощностью 20 кВА рациональное значение частоты находится в пределах 2000 Гц для структурной схемы С рис. 4.3,б).Дальнейшее увеличение частоты приводит к увеличению массы АСЭС, а также падение напряжения на шинах нагрузки выходит за рамки допустимых значений.

4. Решение задач анализа качества электроэнергии и надежности работы сети позволяет для различного графика нагрузки позволяет анализировать необходимость установки тех или иных буферных источников электроэнергии для конкретного потребителя или группы потребителей для обеспечения требуемого качества электроэнергии при наб-росах нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате теоретических исследований и расчетов автономных систем электроснабжения космических летательных аппаратов получены следующие основные выводы и рекомендации :

1. Существующие СЭС КЛА постоянного тока не удовлетворяют перспективным требованиям по мощности, качеству электроэнергии, массо-габаритным показателям. Наиболее перспективными являются АСЭС комбинированного типа с напряжением источника питания порядка 200 В переменного тока и рядом потребителей постоянного тока.

2. Разработаны критериальные и функциональные математические модели основных элементов комбинированной автономной СЭС — ЭМГ, ТВП, ТИП, АБ — с соответствии с критериями оптимальности — минимумом массы, минимумом отклонений параметра электроэнергии от заданного уровня. Результаты расчета зависимостей удельных масс отдельных элементов от частоты и масс элементов от частоты переменного тока для АСЭС КЛА различной мощности, полученных на базе разработанных критериальных математических моделей согласуются с опубликованными данными, что подтверждает достоверность разработанных математических моделей.

3. Разработана обобщенная математическая модель автономной СЭС, отличающаясятем, что включает в себя как критериальные, так и функциональные модели отдельныхэлементов, включая их электронные регуляторы. В качестве целевой функции обобщенной математической модели принимается установленная масса СЭС, а в качестве ограниченийкачество электроэнергии на шинах потребителя.

4. На базе обобщенной математической модели разработан алгоритм решения параметрических задач, отличающийся от существующих тем, что по заданной конфигурации и параметрам нагрузки позволяет определять оптимальные параметры АСЭС с учетом требований к регуляторам, обепечивающей автоматизированный процесс генерирования, преобразования и распределения электроэнергии требуемого качества.

5. На базе алгоритма расчета разработан пакет прикладных программ, позволяющий решать следующие параметрические задачи :

— расчет сети с заданными параметрами нагрузки при различных параметрах режима С напряжение источника, частота сети, выходное напряжение на шинах нагрузки);

— расчет качества напряжения на шинах потребителей для заданного графика нагрузки).

6. Для АСЭС КЛА мощностью 10 кВА минимум целевой функции, то есть установленной массы, наблюдается при частоте порядка 4000 Гц. Увеличение частоты более 4000 Гц приводит к росту установленной массы АСЭС, так как при этом усиливается влияние поверхностного эффекта в проводах распределительной сети, провода распределительной сети выбираются большего сечения, что приводит к увеличению массы. Зависимости падения напряжения на шинах нагрузки при частоте 4000 Гц также не выходят за пределы установленных значений.

7. Для АСЭС мощностью 20 кВА рациональное значение частоты находится в пределах 2000 Гц. Дальнейшее увеличение частоты приводит к увеличению массы АСЭС, а также падение напряжения на шинах нагрузки выходит за рамки допустимых значений.

8. Даны рекомендации по решению задач анализа качества выходного напряжения при изменении графика нагрузки. Решение задач анализа качества электроэнергии позволяет для различного графика нагрузки анализировать необходимость установки тех или иных буферных источников электроэнергии для конкретного потребителя или группы потребителей для обеспечения требуемого качества электроэнергии при наб-росах нагрузки.