Перспективы развития авиационных систем электроснабжения

Анализ тенденции развития СЭС отечественных и зарубежных самолетов и вертолетов показывает, что основными типами СЭС на ЛА, кроме легкомоторной авиации, в ближайшем будущем по-прежнему останутся системы трёхфазного переменного тока 200/115 В, 400 Гц. Источниками электрической энергии в таких системах будут бесконтактные синхронные генераторы, объединенные в одной конструкции с гидромеханическими приводами постоянной частоты вращения. В отличие от используемых в настоящее время ИПГ новые привод-генераторы будут работать на топливе, используемом в двигателе ЛА. Последние достижения в области электромашиностроения и силовой полупроводниковой электроники делают перспективным создание электромашинных агрегатов для стабилизации частоты переменного тока, а также широкое применение систем ПСПЧ.

Дальнейшее развитие авиационных СЭС будет связано с ростом энергопотребностей борта, обусловленных:

· возможной реализацией концепции самолёта с полностью электрифицированным оборудованием;

· появлением гиперзвуковых и воздушно-космических ЛА с энергоёмким оборудованием (рулевыми приводами, мощными приводами топливных насосов и др.). В таких ЛА в зависимости от скорости полёта привод генераторов может обеспечиваться воздушной турбиной (при работе прямоточного воздушно-реактивного двигателя в диапазоне скоростей М = 6 ...10) или ВСУ (при работе ракетного двигателя в диапазоне скоростей М = 10 ...25);

· разработкой новых видов оружия на других физических принципах действия.

Анализ состава потребителей электроэнергии будущих ЛА позволяет сделать вывод о том, что система электроснабжения должна обеспечивать следующие виды напряжения:

- постоянного тока 270 В для питания электроприводных устройств и системы запуска силовой установки;

- переменного тока 200/115 В частотой 400 Гц для питания большей части авиационного и радиоэлектронного оборудования;

- постоянного тока 27 В для энергообеспечения традиционных потребителей, которых целесообразно переводить на питание переменным током или постоянным током повышенного напряжения. При этом для части мощных потребителей (системы отопления, освещения, противообледенительные системы и т.п.) целесообразно использование напряжения переменного тока плавающей частоты.

Наиболее полно в системе 270 В нуждаются электромеханические приводы и электронные системы управления.

В качестве преимуществ СЭС постоянного тока повышенного напряжения над традиционными системами переменного тока отмечают:

- снижение общей массы СЭС на 25 %;

- снижение массы электронных устройств контроля и управления на 40 %;

- улучшение качества электроэнергии (в частности на переходных режимах);

- повышение КПД системы на 15 %;

- исключение перерывов в питании;

- отсутствие ограничений по частоте вращения генератора;

- простоту обеспечения параллельной работы генераторов;

- повышенный уровень безопасности экипажа и обслуживающего персонала.

В качестве альтернативы системе 270 В может рассматриваться система электроснабжения переменного тока плавающей частоты, при этом в качестве преимуществ отмечается возможность использования некондиционной электроэнергии для питания системы противообледенения, отопления, освещения, некоторых бытовых нагрузок и асинхронных электродвигателей для привода насосов.

Варианты структур СЭС перспективных ЛА показаны на рис. 8, а, б, в и г [3].

Предлагается применение СЭС перспективных ЛА высокочастотной (20 кГц) системы распределения с резонансными преобразователями. Среди преимуществ такой системы, разработанной, например, для космической станции Freedom, выделяют хорошую совместимость с характеристиками силовых полупроводниковых коммутационных аппаратов, высокий КПД, минимальную массу фильтров, трансформаторов и т.п.

Обеспечение заданной надежности и безопасности полёта с одновременным разрешением проблемы согласования характеристик источников и приемников электроэнергии перспективных самолетов требует, чтобы их СЭС выполнялись многоканальными с определенной избыточностью мощности, с независимым функционированием

каналов и наличием резервного канала достаточной мощности. При этом должны быть использованы:

· структуры систем генерирования и первичных систем распределения электроэнергии, способных к гибкой реконфигурации;

· цифровые системы управления СЭС с бортовыми микропроцессорами и мультиплексной передачей информации.

В результате такой реализации может быть создан отдельный класс многоканальных авиационных СЭС – адаптивных с цифровой системой управления, в которых эффективно осуществляются:

- функциональное изменение структуры при повреждении (отказах) её элементов путем направленного использования резервных элементов (источников энергии, фидеров);

Рис. 8. Варианты структур систем электроснабжения перспективных ЛА:

а – система ПСПЧ со звеном постоянного тока, б – система ПСПЧ с циклоконвертором, в – система ПСПЧ повышенного напряжения, г - система переменного тока нестабильной частоты

- защита её элементов без выдержки времени;

- управление качеством и распределением электроэнергии;

- встроенная система диагностирования, практически без запаздывания определяющая вид и место неисправности с точностью до элемента;

- контроль за наличием энергоресурсов.

Основными условиями адаптивной СЭС являются:

· использование централизованного управляемых энергетических связей (основных и резервных) между системой генерирования и центрами электрических нагрузок;

· обеспечение информацией о признаках функционирования СЭС от элементов первичной системы распределения;

· наличие алгоритмического обеспечения цифровой системы управления.

Как объект цифрового управления система электроснабжения современного ЛА по сравнению с другими системами бортового оборудования имеет высокую скорость протекания электромагнитных процессов, большой объем информации, необходимой для решения задач регулирования и защиты, а также пространственную разобщенность основных её элементов. Всё это накладывает определенные ограничения на структуру цифровой вычислительной системы, обуславливает высокие требования к её быстродействию и ёмкости оперативных и постоянных запоминающих устройств.

Наиболее рационально задачи регулирования, защиты и управления, а также автоматического контроля могут быть решены при использовании многопроцессорной вычислительной системы иерархической структуры. Такая структура ориентирована на использование специализированных управляющих микроконтроллеров (МК). Цифровая система управления (ЦСУ) СЭС (рис. 9) содержит центральное управляющее устройство, включающее взаимно резервированное микропроцессорное вычислительное устройство МВУ на верхнем уровне иерархии и ряд периферийных микропроцессорных управляющих устройств в подсистемах нижнего иерархического уровня. Связь ЦСУ с управляющими устройствами нижнего уровня осуществляется через системный канал связи.

Рис. 9. Двухуровневая иерархическая структура цифровой системы управления двухканальной СЭС

ПУ СЭС – пульт управления системой электроснабжения; МВУ – микропроцессорное вычислительное устройство; МУУ1,2 – микропроцессорное управляющее устройство; БСО – бортовое самолетное оборудование; КГ1,2 – каналы генерирования; ТУ – терминальное устройство; РУ – распределительное устройство; ПУСО – пульт управления самолетным оборудованием; МК – микроконтроллер; БАЗК – бесконтактный автомат защиты и коммутации; ПЭЭ – потребители электроэнергии

Для управления системой передачи и потребителями используется мультиплексный канал связи, соединенный с терминальными устройствами, которые осуществляют обработку информации о необходимых переключениях потребителей и состоянии элементов распределительных устройств и фидеров сети. Коммутация приемников электроэнергии и их защита обеспечиваются бесконтактными аппаратами защиты и коммутации (АЗКБ). Мультиплексный канал связи имеет собственный контроллер, к которому подключен пульт управления общесамолетным оборудованием.

На вычислительное устройство нижнего уровня иерархии возлагается решение следующих задач управления каналами генерирования:

- обеспечение требуемого качества электроэнергии при нормальном режиме работы;

- защита от аварийных режимов;

- контроль технического состояния канала, а в случае его отказа определение отказавшего элемента и места отказа.

К задачам, решаемым центральным вычислительным устройством, относятся:

- управление каналами генерирования при раздельной и параллельной работе;

- селективная защита систем распределения;

- контроль и диагностирование технического состояния СЭС;

- управление приемниками электрической энергии при всех режимах работы и полетных ситуациях;

- реконфигурация структуры системы распределения в соответствии с её техническим состоянием и полетными ситуациями.

Пример распределенной ЦСУ с независимыми микроконтроллерами в каждом канале генерирования показан на рис. 10.

Рис. 10. Структурная схема распределённой цифровой системы управления с независимыми микроконтроллерами в каждом канале генерирования:

МК1,2 – микроконтроллеры; МКЦ – центральный микроконтроллер; ОСО – общесамолетное оборудование

Один из возможных вариантов структуры двухканальной адаптивной СЭС с основными (показанными на схеме сплошными линиями) и резервными (пунктирная линия) фидерами первичной системы распределения показан на рис. 11.

В такой системе все распределительные устройства выполнены двухсекционными и объединяются с помощью управляемого аппарата защиты (УАЗ). Каждая из секций РУ при исправных каналах генерирования или при работе одного основного и резервного каналов получает электроэнергию от разных источников питания. Секция ЦРУ (С1 и С2) питается от канала генерирования другого борта и имеет резервные связи с резервным генератором и периферийными РУ.

Рис. 11. Структурная схема адаптивной двухканальной системы электроснабжения:

Г1, Г2 – генераторы основной СЭС; Г3 и АИ – резервный и аварийный источники электроэнергии соответственно; ГС1, ГС2 – главные секции ЦРУ; С1, С2 – секции ЦРУ; РУ1 ...РУ6 – распределительные устройства; Р1 ... Р12 – секции РУ периферийной части первичной системы распределения; УАЗ – управляемый автомат защиты

Отличительной особенностью адаптивной системы распределения является то, что силовые фидеры (основные и резервные) выполняются одноканальными (один провод на фазу), а необходимая вероятность безотказного питания того или иного РУ обеспечивается подведением соответствующего количества резервных фидеров от РУ соседних каналов генерирования и путем гибкого изменения первичной системы распределения.

Коммутация элементов СЭС с гибкой изменяемой структурой выполняется интегральными управляемыми автоматами защиты, обеспечивающими цифровую систему управления (ЦСУ) сигналами (признаками) о токовой перегрузке элемента первичной системы распределения, потере напряжения на секции РУ и воспринимающими сигналы управления, которые ЦСУ формирует на основании технического состояния элементов и оперативных сигналов. В случае отказа ЦСУ в каждом управляемом автомате предусмотрена автономная максимальная токовая защита (МТЗ) первичной системы при коротком замыкании.