Разработка стабилизированного импульсного источника питания для вторичной системы электроснабжения постоянного тока самолета

"Научный аспект №6-2024" - Авиация и космонавтика

УДК 621.314.6

Левин Сергей Сергеевич - студент Московского Государственного Технического Университета Гражданской Авиации,

Демченко Алексей Геннадиевич – кандидат технических наук, доцент кафедры Технической Эксплуатации Авиационных Электросистем и Пилотажно-Навигационных Комплексов Московского Государственного Технического Университета Гражданской Авиации.

Аннотация: В статье кратко приводится разработка стабилизированного импульсного источника питания постоянного тока, который должен преобразовывать электроэнергию переменного тока первичной системы электроснабжения самолета в электроэнергию постоянного тока стабильным напряжением. Появление полупроводниковых приборов, способных эффективно функционировать в сильноточной электронике - обусловило широкое применение их в составе мощных блоков питания в качестве выпрямителей и стабилизаторов с высокими показателями эффективности. Поэтому применение импульсных источников, в виду высокого коэффициента полезного действия, малых размеров и массы весьма оправданно, особенно в авиации, где эти параметры являются одними из определяющих.

Ключевые слова: авиационная промышленность, система электроснабжения самолета, выпрямительное устройство, импульсный источник питания, разработка, импортозамещение.

Введение

Авиация всегда являлась для нашей страны одной из важных и перспективных направлений развития по социальным и экономическим причинам. В настоящее время перед гражданской авиацией стоит задача построения воздушных судов на полностью отечественной компонентной базе. Для этого необходима модернизация разработка, освоение и внедрение современных передовых технологий.

Современный отечественный промышленный комплекс готов предложить элементную базу для разработки устройств, которые не будут уступать зарубежным аналогам.

Одним из актуальных направлений развития электроники является разработка импульсных источников питания, они быстро положительно зарекомендовали себя в компьютерной технике, мобильных устройствах, промышленном оборудовании, медицинской технике, телекоммуникациях.

Поэтому использование достижений современной промышленности в области силовой электроники позволит значительно повысить эффективность работы систем электроснабжения самолетов.

Таким образом, главной целью работы является разработка импульсного источника питания постоянного тока на основе отечественного четырехканального ШИМ-контроллера.

Трансформаторно-выпрямительные устройства

Основные технические характеристики выпрямительных устройств, использующихся в системах электроснабжения самолетов для преобразования переменного тока в постоянный приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики трансформаторно-выпрямительных устройств.

Параметр		Величина	Единица измерения
Выходное напряжение	при токе нагрузки 2 А	≤ 29,6	В
	при токе нагрузки 20 А	≤ 28,6
	при токе нагрузки 200 А	≤ 26,4
	при токе нагрузки 300-400 А	23,5- 22,5
Максимальное выходное напряжение при напряжении питания 206 В, частоте 400 Гц и токе нагрузки 2 А		≤ 31	В
Ток холостого хода		≤ 2,3	А
Ток нагрузки	номинальный	200	А
	максимальный в течении 300 с	300	А
	максимальный в течении 5 с	400	А
Номинальный ток потребления		≤ 20	А
Пульсации выходного напряжения		≤2	В
Коэффициент полезного действия		83	%
Мощность		6000	Вт
Масса		≤ 10	кг

Как видно из таблицы 1, основной их недостаток- это нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

Поэтому использование стабилизированного импульсного источника питания позволит избавиться от такого недостатка.

Исходные данные

В качестве исходных данных для проектировки преобразователя послужили требования к качеству электроэнергии на воздушных судах [3] и технические характеристики трансформаторно-выпрямительных блоков, использующихся в системах электроснабжения самолетов.

Исходные данные приведены в таблице 2.

Таблица 2. Исходные данные.

Параметр		Обозначение	Величина	Единица измерения
Напряжение питания преобразователя в одной фазе	Максимальное	U ф.макс	180	В
	Номинальное	U ф.ном	115
	Минимальное	U ф.мин	94
Частота преобразования		F п	100×	Гц
Выходное напряжение		U ВЫХ	28,5	В
Ток нагрузки	Максимальный	I Н.макс	300	А
	Номинальный	I Н.ном	200
	Минимальный	I Н.мин	20

Топология преобразователя

Существует множество различных топологий импульсных преобразователей, каждую из которых целесообразно использовать исходя из области применения импульсного источника питания [6]. На рисунке 1 приведены области применения топологий импульсных источников питания в зависимости от подаваемого входного постоянного напряжения и выходной мощности.

Рисунок 1. Области применения различных топологий импульсных преобразователей.

Проанализировав исходные данные и области применения топологий импульсных источников питания была определена в качестве инверторной системы полномостовая транзисторная схема. Также, для повышения безопасности предусмотрена гальваническая развязка силовой схемы и схемы управления, а для уменьшения размеров индуктивных элементов выбрана высокая частота преобразования.

Структурная схема двухтактного полномостового преобразователя приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Структурная схема двухтактного полномостового преобразователя.

Так как преобразователь питается от трехфазной сети переменного тока самолета, то в качестве входного выпрямителя использован мост Ларионова, фильтрующим элементом во входной цепи является ёмкостной фильтр, инверторная система- полномостовая транзисторная схема, силовой трансформатор является гальванической развязкой и преобразует напряжение, выходной выпрямитель- схема Гретца, выходной фильтрующий узел- индуктивно- емкостной фильтр. Схема управления имеет источник питания, который запитывается отфильтрованным напряжением входного выпрямителя. ШИМ-контроллер, посредством драйверов и затворных трансформаторов управляет состоянием транзисторов инверторной системы по сигналам обратной связи.

ШИМ-контроллер

Основным управляющим элементом преобразователя является отечественный четырехканальный ШИМ- контроллер 1396ЕУ065 фирмы АО «НИИЭТ» [1].

Внешний вид ШИМ- контроллера приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Внешний вид ШИМ- контроллера 1396ЕУ065.

Его краткие технические характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 3. Краткие технические характеристики интегральной микросхемы 1396ЕУ065.

Параметр	Величина	Единица измерения
Напряжение питания	10- 16	В
Ток потребления	6×10-3	А
Частота генерирования	550×103	Гц
Время нарастания сигнал на выводах	50×10-9	с
Время спада сигнала на выводах	50×10-9	с
Рассеиваемая мощность	1	Вт
Максимальная допустимая температура перехода	150	˚С
Число выходных каналов	4	шт.

Функциональная схема

Функциональная схема стабилизированного импульсного источника питания строится исходя из его структурной модели. Здесь необходимо учесть, что если какой-либо входной или выходной сигнал можно охарактеризовать несколькими параметрами, то на функциональной модели каждый из этих параметров представляется отдельным входом (или выходом) блока структурной схемы. Поэтому при переходе к функциональной схеме некоторые связи структурной модели будут «расщепленными». 

Упрощенная функциональная схема преобразователя приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Функциональная схема импульсного источника питания.

На рисунке 4 обозначено: U_BX˜3ф - трехфазное напряжение питания; В1- входной выпрямитель; U_{BX выпр} - входное выпрямленное напряжение; Ф1- входной фильтр; U_{BX пост} - входное напряжение, преобразованное в постоянное; Н-м- транзисторная полномостовая схема; U_пр1 - преобразованное напряжение, подаваемое в первичную обмотку трансформатора; ТС- силовой трансформатор; U_пр2 - напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора; В2- выходной выпрямитель; U_{BЫX выпр} - выходное выпрямленное напряжение; Ф2- выходной фильтр; U_{BЫX пост} - постоянное напряжение на выходе источника питания; ДН- делитель напряжения; U_OC - напряжение обратной связи; СУОС- схема управления обратной связью; I_OC - ток обратной связи; ШИМ-к- ШИМ-контроллер; U_упр - напряжение управления; U_{п СУОС} - напряжение питания СУОС; Ф3,Ф4- фильтры в цепи питания схемы управления; ИП- источник питания схемы управления; U_п. упр - напряжение питания схемы управления; СПЗ- схема питания затворов транзисторов полномостовой схемы Н-м; U₃ - напряжение питания в цепи затворов транзисторов полномостовой схемы.

Блоки ШИМ-к 1/2 и ШИМ-к 2/2 появились из структурной модели в результате «расщепления» блока ШИМ-к так как его выходной сигнал характеризуется несколькими параметрами, отказ любого из которых приведет к отказу функционирования стабилизированного импульсного источника питания.

Основные расчетные соотношения

1. Величина входного выпрямленного напряжения определяется [8]:

где U _ф - действующее значение напряжения фазы; U в.ср - среднее выпрямленное напряжение.

2. Максимальный, минимальный коэффициент заполнения [7]:

где D_макс - максимальный коэффициент заполнения одного плеча моста; t_rr - время обратного восстановления паразитного диода транзистора (reverse recovery time); f_n - частота преобразования.

где  D_мин - минимальный коэффициент заполнения одного плеча моста; U_ВЫХ - выходное напряжение преобразователя; U_Д.вых - падение напряжения на открытом диоде выходного выпрямителя; U_ВХ.мин - максимальное выпрямленное входное напряжение; U_Т - падение напряжения на открытом транзисторе; n₂₁ - коэффициент трансформации трансформатора.

3. Коэффициент трансформации трансформатора [4]:

где n₂₁ - коэффициент трансформации трансформатора; w₂ - количество витков вторичной обмотки трансформатора; w₁ - количество витков первичной обмотки трансформатора; U_ВЫХ - выходное напряжение преобразователя; U_Д.вых - падение напряжения на открытом диоде выходного выпрямителя; U_ВХ.мин - минимальное выпрямленное входное напряжение; U_Т - падение напряжение на открытом транзисторе; D_макс  - максимальный коэффициент заполнения одного плеча моста.

4. Расчет необходимого значения индуктивности дросселя фильтра [4]:

где L - индуктивность дросселя; U_ВЫХ - выходное напряжение преобразователя; U_Д.вых - падение напряжения на открытом диоде выходного выпрямителя (для диодов Шоттки не более 0,5 В); D_мин - минимальный коэффициент заполнения одного плеча моста; f_n- частота преобразования; I_H.мин - минимальный ток нагрузки.

5. Расчет площади сечения проводника и коэффициента индуктивности дросселя [5],[6]:

 

где S_n - площадь сечения проводника дросселя; I_H.макс - максимальный ток нагрузки;  - допускаемая плотность тока.

где A_L - коэффициент индуктивности сердечника; L - индуктивность дросселя; N - число витков дросселя.

6. Расчет емкости выходного конденсатора с учетом выброса при скачке тока нагрузки [4]:

где C"_H - расчетная ёмкость конденсатора из условия ограничения выброса выходного напряжения при скачке тока нагрузки; I_H.макс - максимальный ток нагрузки; I_H.мин - минимальный ток нагрузки;  - выброс напряжения; U_ВЫХ - выходное напряжение.

7. Расчет действующего значения тока, протекающего через диод и обратного напряжения:

где I_VD - действующего значения тока, протекающего через диод; I_H.макс - максимальное значение тока нагрузки; D_макс - максимальный коэффициент заполнения в одном плече моста; n - количество параллельно, подключенных диодов.

где U_VDобр - обратное напряжение на диоде; U_ВЫХ - выходное напряжение преобразователя; U_Д.вых - падение напряжения на открытом диоде выходного выпрямителя; D_мин - минимальный коэффициент заполнения одного плеча моста.

8. Расчет тока стока транзистора [4]:

где I_С.макс – максимальный ток стока транзистора; n₂₁- коэффициент трансформации трансформатора; n- количество параллельно подключённых транзисторов; η_T - коэффициент полезного действия ключа (η_T ≈ 0.9);  - величина пульсаций тока дросселя.

9. Расчет тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора [4]:

где I₁ - ток в первичной обмотке трансформатора; n₂₁ - коэффициент трансформации трансформатора; I_H.макс - максимальный ток нагрузки; D_макс - максимальный коэффициент заполнения.

где I₂ - ток во вторичной обмотке трансформатора; I_H.макс - максимальный ток нагрузки; D_макс - максимальный коэффициент заполнения.

Более подробные формулы для расчетов приведены в источниках [3], [5], [7], [8].

Расчет силового трансформатора

В настоящее время существует множество специализированных программ как для расчета отдельных узлов импульсных преобразователей, так и для расчета и построения целых схем с автоматическим подбором компонентов. При расчете трансформатора данного импульсного источника питания была использована отечественная специализированная программа для расчета импульсных трансформаторов. «Design tools pulse transformers» версии 4.0.0.0. [5] Стартовое окно программы с внесенными данными показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Окно программы «Design tools pulse transformers».

В трансформаторе в качестве магнитопровода выбран и ферритовый кольцевой сердечник К 125×80×12 из марганец-цинкового сплава 2000НМ отечественной фирмы АО «Ферроприбор».

Результаты расчетов импульсного источника питания

Основные расчетные характеристики преобразователя приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные расчетные характеристики преобразователя.

Параметр	Величина	Единица измерения
Диапазон входных напряжений питания каждой из фаз	94- 180	В
Ток во входной силовой цепи не более	54	А
Ток потребления в каждой из фаз не более	18	А
Максимальный ток нагрузки	300	А
Выходное напряжение	28,5	А
Мощность преобразователя	8550	Вт
КПД преобразователя при токе нагрузки 300 А	92	%
Минимальный коэффициент заполнения одного плеча моста	25	%
Максимальный коэффициент заполнения одного плеча моста	45	%
Индуктивность дросселя	5,4х10-6	Гн
Индуктивность первичной обмотки трансформатора	1,4×10-6	Гн
Индуктивность вторичной обмотки трансформатора	0,05×10-6	Гн
Число витков первичной обмотки трансформатора	26	Вит.
Число витков вторичной обмотки трансформатора	4	Вит.

Расчетный режим работы преобразователя при токе нагрузки 300 А- продолжительный.

Принципиальная электрическая схема преобразователя

Принципиальная электрическая схема преобразователя приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Принципиальная электрическая схема импульсного источника питания.

Перечень элементов, примененных в электрической схеме преобразователя:

• А1- ШИМ- контроллер 1396ЕУ065;
• А2- А5- драйверы управления ZXGD3003E6;
• С1-С4, С6- конденсаторы серии К50-68;
• С5, С7-С14- конденсаторы серии К10-47;
• VD1-VD6- диодыDSEILx101-06A;
• VD7-VD14-диоды 1.5КЕ400А;
• VD15-VD22- диоды STPS160H100TV;
• VT1- VT8- транзисторы полевые STW55NM60ND;
• VS1- стабилизатор напряжения КР142ЕН19;
• R1- R8- резисторы Р1-12-2,0;
• R9- R16- резисторы высокоточные Р1-8П;
• Т1-Т2- трансформаторы управления затворами транзисторов;
• Т3- силовой трансформатор.

Отечественные аналоги примененных в схеме импортных компонентов приведены в таблице 5.

Таблица 5 Отечественные аналоги импортных компонентов

Импортный компонент	Отечественный аналог	Производитель аналога
ZXGD3003E6	1358ЕХ01ГТ	АО «Ангстрем»
DSEILx101-06A	М4.2-63-12	ЗАО «Электрум АВ»
STPS160H100TV	М4.1-160-12	ЗАО «Электрум АВ»
STW55NM60ND	КП7154ВС	ОАО "ИСКРА"

Заключение

В данной статье была кратко рассмотрена разработка импульсного источника питания для вторичной система электроснабжения постоянного тока самолета. Главными достоинствами такого преобразователя по сравнению с применяемыми сейчас выпрямительными устройствами являются: стабильность выходного напряжения, большая мощность и меньшая масса трансформатора. При этом источник обладает высоким уровнем надежности, а контроль состояния и технология обслуживания не усложняется. Импульсный источник разработан на базе отечественного ШИМ- контроллера 1396ЕУ065. В настоящее время, отечественной авиационной промышленностью подобные устройства не выпускаются.

Список литературы

1. АО «НИИЭТ» Руководство пользователя. Микросхемы интегральные 1396ЕУ065. Воронеж: АО «НИИЭТ», 2022- 27 с.
2. Векслер Г.С., Тетельбаум Я.И. Электропитание радиоустройств. Киев: Техника, 1966- 384 с.
3. ГОСТ 54073-2017 «Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии». Москва: Стандартинформ, 2017. - 39 c.
4. Григорян С.Г. Двухтактный стабилизированный преобразователь напряжения. Новочеркасск: ЮУРГПУ(НПИ), 2021- 28 с.
5. Москатов Е.А. Программа для расчета трансформатора двухтактного импульсного источника питания. Designtools pulse transformers0.0.0.
6. Савелов А.А. Расчет импульсных источников питания устройств авионики. Москва: МГТУ ГА, 2015- 96 с.
7. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. Издание 3-е, стереотипное. Москва: СОЛОН-Пресс, 2023- 416 с.
8. Синдеев И.М., Савелов А.А. Системы электроснабжения воздушных судов. Москва: Транспорт, 1990. - 296 с.