В настоящее время с развитием технологий очень остро встает вопрос о замене устаревших систем электроснабжения самолетов и вертолетов на обновленные высокотехнологичные системы [1]. Средний срок службы самолетов составляет 30–50 лет, но зачастую из-за отсутствия необходимой для ремонта элементной базы возникает необходимость модернизации или замены бортовых преобразователей напряжения.
К бортовым системам электроснабжения предъявляются повышенные требования эксплуатации и массогабаритных показателей. Основным направлением модернизации является снижение массы преобразователей, КПД при этом должно достигать порядка 0,96. Конкурентоспособность устройства определяется не только эффективностью работы, но также и такими важными показателями как назначенный ресурс и ремонтопригодность, а также модульностью конструкции.
Основной целью данной работы является разработка требований к системе и выбор конкурентных преимуществ, которые позволяет получить систему, удовлетворяющую потребностям рынка российских авиационных систем электроснабжения.
Разработка требований
При разработке требований необходимо учитывать как стандартные требования, предъявляемые к системе, так и ряд требований, влияющих на применяемость данной системы. К стандартным требованиям системы электроснабжения самолета можно отнести электрические параметры и массогабаритные показатели. Требования по параметрам электромагнитной совместимости (ЭМС) выявляются в ходе анализа влияния других систем на устройство. Параметры эксплуатации определяют основные нагрузочные параметры, а также расширенный набор граничных режимов работы. При необходимости рассматриваются требования к сертификации оборудования. Требования по надежности и безопасности включают в себя назначенный ресурс, а также ремонтопригодность. Рассматривая системы электроснабжения для гражданской авиации, необходимо также уделять внимание требованиям экономики и обеспечения низкой себестоимость в соотношении с высоким качеством. На рисунке 1 представлена иерархическая структура требований, применяемых к системе.
Рис.1 Иерархическая структура требований
Компиляция требований
Рассмотренные требования к устройству объединяются в техническое задание (ТЗ) на устройства для последующего проведения ОКР. При необходимости данные требования расширяются и включают дополнительные пункты для обеспечения необходимых параметров.
При использовании лучших мировых практик требования к системе должны определяться полностью и окончательно на этапе разработки. К сожалению, российская практика не позволяет окончательно утверждать требования на этапе разработки. Таким образом, требования претерпевают изменения на этапе разработки и окончательно определяют только на этапе испытаний макетных образцов.
Конкурентоспособность
Традиционная структура однофазных преобразователей напряжения представляет собой объединение конвертера, повышающего уровень входного напряжения для питания инвертера обеспечивающего синусоидальную форму напряжения на выходе с заданной частотой и фильтра, сглаживающего это напряжение.
Разрабатываемый преобразователь представляет собой преобразователь однофазный статический мощностью 1 кВт, преобразующий бортовое напряжение постоянного тока 27 В в переменное напряжение 115 В/400Гц.
Рис. 2. Блок-схема разрабатываемого преобразователя
Преобразователь представляет собой конвертор, построенный по схеме повышающего преобразователя с гальванической развязкой и мостовым инвертором.
Существующий аналог представляет собой объединенные 3 блока конвертор-инвертор мощностью 300 Вт каждый, объединенные по выходу.
Рис. 3 Блок-схема аналога
Конвертор в данном преобразователе построен по схеме регулятора второго рода. Каждый конвертор включает 4 ключа. Данная схема требует большое количество ключей для обеспечения работы в критических режимах. Недостатком данной структурной схемы является наличие выброса напряжения при выключении транзистора, что влечет за собой необходимость построения схемы защиты, обеспечивающей отвод энергии.
Одним из конкурентных преимуществ разрабатываемого преобразователя является модульность конструкции. В отличии от аналога нет необходимости синхронизации работы системы управления, для контроля за тремя блоками конвертер-инвертер. Также преимуществом модуля конвертера разрабатываемого преобразователя является построение по схеме преобразователя второго рода с гальванической развязкой. Модуль конвертера представляет из себя совокупность полупроводниковых ключей и магнитных элементов, а также системы управления осуществляющей контроль и блокировку работу в случае аварийных состояний.
Назначенный ресурс как критерий конкурентоспособности
Совокупность технических и экономических параметров систем электроснабжения формирует их качество и определяет конкурентоспособность.
В большом числе источников, качество является понятием, имеющим многогранное определение. Так в ГОСТ Р ИСО 9000–2001 качество определяется как степень соответствия характеристик предполагаемым или обязательным требованиям. В некоторых зарубежных источниках качество трактуется как соответствие требованиям потребителя, а иногда как пригодность к эксплуатации.
Для количественной оценки качества систем электроснабжения установлены критерии, которые являются качественными или количественными характеристиками свойств данной системы, рассматриваемые применительно к разным этапам создания или эксплуатации устройства [2].
Назначенный ресурс определяется как суммарная наработка изделия при достижении которой применение по назначению должно быть прекращено. Для того, чтобы иметь конкурентное преимущество на рынке авиационное техники, необходимо, чтобы назначенный ресурс системы соответствовал назначенному ресурсу ЛА. В силу развития технологий, возможность установления назначенного ресурса системы электроснабжения равной назначенному ресурсу ЛА невозможно, по причине устаревания компонентов системы. Таким образом, необходимо создавать стратегическую цепочку разработок, которая позволит в назначенный срок менять элементы системы электроснабжения, тем самым оставаясь конкурентоспособными.
Модульность конструкции преобразователя в этом плане является дополнительным преимуществом, позволяющим заменять отдельные части устройства, не меняя систему полностью. Таким образом, возникает возможность продлить ресурс системы электроснабжения в целом.
Расширение портфеля продукции
Построение системы мощностью 1кВт позволяет не только выпустить продукцию, требуемую в данный момент на рынке авиационных агрегатов, но также расширить рынок с помощью построения более мощных систем путем параллельной работы нескольких преобразователей.
Основными особенностями параллельной работы преобразователей постоянного тока является простота их параллельного соединения, не требующая дополнительного контроля в цепях переменного тока. Таким образом, модули конвертера могут объединяться, увеличивая мощность устройств и расширяя портфель предлагаемых продуктов. Для контроля за состояниями блока инвертора при параллельной работе в системе управления необходимо построить блок компенсации реактивной мощности, выделяемой при подключении двух синусоидальных источников в одну цепь.
Существуют различные методики компенсации выбросов частоты и напряжения за требуемые пределы. В процессе разработки преобразователя планируется использовать микроконтроллеры, которые позволят программные средствами настраивать систему управления. В данные программы возможно ввести блок задержки включения модулей в параллельную работу. Такой метод позволяет значительно уменьшить или исключить влияние реактивной мощности на стабильность работы преобразователя.
Массогабаритные показатели
Критерием конкурентоспособности также могут являться массогабаритные показатели. Уменьшение массогабаритных показателей при сохранении электрических параметров системы является одной из текущих задач развития техники и технологий.
Массогабаритные характеристики преобразователя в основном определяются параметрами магнитных элементов, размеры которых, в свою очередь зависят от частоты работы преобразователя, а также от частоты питающей сети.
Для минимизации габаритов преобразователей разрабатываются специальные линейки планарных трансформаторов, обмотка которых представляет собой многослойную плату с дорожками, а магнитопровод конструктивно устанавливается на эту плату закрепляясь в специальные посадочные места. Такая конструкция позволяет уменьшить количество внешних элементов в конструкции, а также уменьшает число проводных соединений.
В настоящее время ведутся разработки и начинают поставляться транзисторные и диодные сборки в планарных корпусах типа КТ-90, которые также позволяют уменьшить вертикальные габариты устройства. Тем не менее необходимы технологические доработки для рассеяния мощности, передаваемой от корпуса транзистора на радиатор и, соответственно, другая технология разводки печатных плат.
Импортозамещение
Основным направлением российского рынка авиационных агрегатов является построение систем, позволяющих заменить импортные компоненты на бортах ЛА.
С точки зрения импортозамещания в системах электроснабжения существуют некоторые ограничения, связанные с недостаточно широким выбором полупроводниковых компонентов на российском рынке. Для изготовления высокотехнологичных преобразователей электроэнергии необходимо использовать надежные компоненты, которые будут использоваться в жестких эксплуатационных режимах работы.
Нужно отметить, что политика импортозамещения не предполагает полного отказа от импорта. Ряд высокотехнологичных импортных товаров заменить в настоящее время пока не представляется возможным. Поэтому первоначально стоит ориентироваться на вытеснение с отечественного рынка зарубежной продукции, имеющей российские аналоги и лишь затем создавать альтернативные производства, которые смогли бы заменить высококачественные товары и комплектующие иностранных производителей.
Таким образом появляется возможность быть конкурентоспособными на рынке российской электроники с минимальным числом импортных компонентов используемых в разработке.
Конкурентные преимущества модуля конвертера разрабатываемого преобразователя
При разработке преобразователя необходимо учитывать, как технические параметры устройства, так и такие важные с точки зрения конкуренции на рынке систем электроснабжения для авиации как назначенный ресурс, массогабаритные показатели и наличие импортных компонентов в составе устройства.
Основной упор в разработке следует сделать на отказ от импортной компонентной базы, прибегая к ее использованию лишь в случаях, когда не существует качественного российского аналога, или иного способа построения топологии преобразователя. При расчете магнитных элементов преобразователя необходимо опираться на габаритные размеры установки, при этом стараясь максимально снизить габариты при сохранении энергоемкости модуля. Рекомендуется применение новых моделей корпусов и компонентов, позволяющих снизить массу конечно устройства или габаритные размеры.
Основные конкурентными преимуществами модуля конвертера разрабатываемого преобразователя можно назвать используемую топологию преобразования, возможность параллельной работы, а также наличие интерфейсов взаимодействия с общей системой блока, позволяющих осуществлять контроль за параметрами устройства.
Заключение
В работе рассмотрены основные моменты, определяющие конкурентоспособность систем электроснабжения ЛА, а также приведены данные о конкурентах разрабатываемой системы с их достоинствами и недостатками.
Литература:
- Лёвин А. В. Электрический самолёт: от идеи до реализации / А. В. Лёвин, И. И. Алексеев, С. А. Харитонов, Л. К. Ковалёв // М.: Машиностроение, 2010. -288 с. табл. и ил.Никифоров А. Ю., Телец В. А. «Радиационная стойкость электронной компонентной базы систем специальной техники и связи»;
- Силенов М. А. «Построение системы критериев оценки качества авиационной техники»
