Исследование возможностей глубокой модернизации аэродромных светосигнальных систем посадки

Развитие государства неразрывно связано с эволюцией транспорта. Федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы России» призвана ускорить интеграцию страны в мировую транспортную сеть. В рамках этой программы запланирована и действует подпрограмма реконструкции существующих и строительство новых аэропортов по всей стране.

При решении этой задачи неминуема проблема выбора современных комплексов радиосветотехнического оборудования (РСТО). В этих комплексах светосигнальной системе посадки (ССП) отводится ведущая роль обеспечения безопасности воздушных судов (ВС) в ночное время и в условиях плохой видимости [В-1].

К сожалению, выбор отечественных производителей ССП сегодня ничтожен. На внутреннем рынке действует всего две-три фирмы, имеющие в опыт и возможности производства светотехнического оборудования (СТО) для аэродромов. Но даже самая крупная из них: ОАО «ГОКБ «Прожектор» не имеет полной номенклатуры СТО. О других и говорить не приходится.

В авиации под термином СТО подразумеваются как силовые элементы ССП: источник вторичного электропитания (ИВЭП), кабельная сеть, разделительные трансформаторы (РТ), система дистанционного управления и контроля (СДУК), так и светосигнальные — аэродромные огни (АО). Под светосигнальным оборудованием (ССО) подразумеваются исключительно АО. Причем ССО, а точнее схемы его расположения, стандартизированны руководящими авиационными документами [В-2, В-3, В-4, В-5], одинаковы для страны — члена Международной организации гражданской авиации (ИКАО).

Иными словами, ССП — единый производственный комплекс, объединяющий СТО и ССО на аэродроме.

В типовой состав ССП входят [В-6]: а) щит гарантированного питания или щит распределительный (ЩР) — б) ИВЭП, называемый регулятором яркости (РЯ) — в) линия электропередачи (ЛЭП) соединяющая РЯ с заданным числом однотипных потребителей, которыми являются АОг) собственно АО, число которых может составлять от нескольких десятков до несколько сотен штукд) защитно-согласующее устройство — РТж) СДУК.

Основной задачей СТО является поддержание интенсивности излучения АО на заданном уровне. Необходимо отметить, что из-за переменного количества АО и разной протяженности ЛЭП, СТО аэродромов является примером нелинейного потребителя.

Эксплуатируемые сегодня на гражданских аэродромах ССП отечественного производства морально устарели и не соответствуют уровню накопленного научно-технического потенциала. Сегодня аэродромные ССП комплектуются однофазными РЯ переменного напряжения тиристорного типа. Установка требуемого значения интенсивности свечения АО обеспечивается уставками выходного тока РЯ по командам оператора ССП. Однофазным РЯ переменного напряжения тиристорного типа присущи особенности применения, которые освещены в главе 1.

Современные тенденции развития энергетики характеризуются быстрым переходом на энергои ресурсосберегающие технологии, ввиду роста стоимости энергоносителей. В нашей стране эти тенденции закреплены законодательно [В-7, В-8]. Одной из ветвей этих тенденций является освоение производства нового светоизлучателя (СИ) — светодиодов. Разработчики активно исследуют возможности их применения в ССО. Так на 18-й международной выставке оборудования, технологий и услуг для аэропортов Inter airport Europe 2011 в Мюнхене были представлены все типы АО в светодиодном исполнении. Применение светодиодов и современных полупроводниковых ключей в СТО, где традиционно использовались тиристоры и галогенные лампы (ГЛ), несет потенциальную возможность получать новые решения с улучшенными характеристиками.

Поиск экономически эффективных решений в рамках подхода энергои ресурсосбережения базирующийся на сопоставлении технических требований к ССП, с одной стороны, с тенденциями развития СИ и силовых компонентов, с другой стороны, определило актуальность диссертационной работы.

Предпосылками для диссертационной работы явились:

1. Назревшая необходимость смены поколений СТО АО, ввиду морально устаревших технических решений РЯ;

2. Появление принципиально новых СИ — сверхмощных светодиодов;

3. Появившаяся возможность практической реализации принципов энергои ресурсосбережения, определяемых непрерывным совершенствованием элементной базы, синтеза и параметрической оптимизации устройств.

Основной целью работы является исследование возможностей построения нового поколения ССП с использованием светодиодов на основе энергои ресурсосберегающих подходов к структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу СТО, а так же технико-экономическое обоснование (ТЭО) целесообразности проекта.

В ходе работы решались задачи системного проектирования ССП в соответствии с требованиями ТЗ, разработанного ОАО «ГОКБ «Прожектор» в рамках программы развития ССО на период до 2015 г. В основу ТЗ положены следующие требования:

1. Снижение энергопотребления проекта относительно базового образца (БО) как минимум в 2 раза;

2. Кардинальное (до 10 раз) улучшение массогабаритных показателей элементов ССП;

3. Стабилизация выходного тока РЯ на уровне, обеспечивающем требуемую документами ИКАО силу света;

4. Обеспечение проектом уровня ЭМС для кондуктивных помех в системах электроснабжения общего назначения в соответствии с ГОСТ 13 109–97;

5. Доказательство преимуществ разрабатываемого проекта должно быть проведено методом ТЭО.

Методы исследования.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач применялись общепринятые в электротехнике, теории электрических цепей и автоматического управления аналитические и математические методы, а также современные средства компьютерного моделирования: МАТЪАВ и ОгСаё. Достоверность полученных теоретических выводов и результатов подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.

Научная новизна:

1. Предложена новая система электропитания постоянным током (СЭПТ) для ССП, удовлетворяющая требованиям ТЗ и современным энергои ресурсосберегающим подходам.

2. На основе аналитического обзора современных типов СИ для АО и их сопоставительного анализа функционально-энергетической эффективности однозначно отдано предпочтение СИ на основе светодиодных матриц (СДМ).

3. В соответствии с заданной совокупностью требований и ограничений, в результате сравнительного анализа альтернативных вариантов обоснован выбор структурно-алгоритмической организации новой ССП, использующей АО с СДМ. В частности, использованы возможности улучшения массогабаритных показателей РЯ и даны рекомендации по рациональной схемотехнике инвертирования напряжения.

4. По результатам проектирования с использованием ИКМ и натурного макетирования синтезированной СЭПТ проведено ТЭО выбранного решения.

Практическая ценность работы:

В результате выполненной работы разработано новое схемотехническое решение СЭПТ светодиодных АО, обеспечивающее Кг = 8%, КПД = 0,89. Полученное решение по результатам ТЭО имеет интегральный технико-экономический показатель /тэ = 2,06, что свидетельствует о положительной оценке целесообразности внедрения проекта.

Реализация результатов работы:

Результаты использованы в работах, проводимых ОАО «ГОКБ «Прожектор» совместно с кафедрой ЭКАО НИУ МЭИ, по разработке РЯ постоянного тока.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы обсуждались на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, а также на заседаниях кафедры ЭКАО в 2010;2012г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (среди них 2 патента на полезную модель: № 99 915 от 27.11.2010 г., № 115 996 от 10.05.2012 г. и 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК: «Электричество», «Практическая силовая электроника»).

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 137 страниц и содержит 50 рисунков, 30 таблиц, 109 наименований литературы.

Выводы.

1. Исходя из анализа методов управления выходным током силовых электронных преобразователей с Г-образным фильтром на стороне постоянного тока, для реализации проекта выбран метод ШР с обратной связью по току на основе закона ПИД-регулирования.

2. В качестве прототипа выбрана схема СУ серийного РЯ.

3. На основе математических моделей из библиотеки программы ОгСас! разработана модель СУ РЯ постоянного тока.

4. С помощью ИКМ получены параметры, обеспечивающие 10% стабилизацию выходного тока независимо от внешних воздействий.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

5.1. Программно-математическое исследование модели РЯ-500.

Модель РЯ постоянного тока (рис. 4.2) была разработана на кафедре ЭКАО НИУ МЭИ. Модель создана с помощью пакета прикладных программ ОгСас! 9.2. Она содержит идеальные источники напряжения, выпрямитель, схему ограничения зарядных токов, полумостовой инвертор на идеальных ключах, выходной трансформатор, выходной Г-образный фильтр, эквивалент нагрузки и СУ, передающая алгоритм работы КООС. Целью исследования является:

— моделирование основной функции РЯ постоянного тока: преобразование переменного тока 380 В, изменяющегося в пределах от -10 до + 15%, в постоянный с тремя ступенями регулирования: 0,1 А- 0,28 А- 0,7 А и стабилизация тока на максимальной ступени 0,7 А с точностью 10,028 А;

— проверка соответствия структурно-алгоритмических решений проектному замыслу;

— проверка основных расчетных данных для элементов макета преобразователя РЯ, полученных в предыдущих главах;

— определение действующих значений и формы кривых тока через основные элементы модели и макета силовой части РЯ (РЯ-500). Проводимое исследование следует характеризовать как макромоделирование.

При моделировании основной функции преобразователя принято упрощение, касающееся материала магнитопровода трансформатора, при котором нелинейность его материала не учитывается. При оценке параметров преобразователя в установившемся режиме она никак не влияет на получаемые результаты. Модель трансформатора, отражающая две его основные функции — коэффициент трансформации и гальваническую развязку, в среде ОгСАЕ) 9.2 задается значениями индуктивносгей обмоток. Значения этих индуктивностей заданы, исходя из представлений о токе холостого хода трансформатора. Этот ток определяется мощностью трансформатора и значением частоты, на которой он работает. Ток холостого хода принят равным 6% от значения тока первичной обмотки при том что, активной составляющей тока пренебрегаем [5−1]. Тогда, с учетом расчетов (приложение 1), индуктивность первичной обмотки: и = и1ттах/(2*7г*Р*11хх) = 6,2 мкГн, а индуктивность вторичной обмотки:

Ь2=Ь1*п2 = 35,6 мкГн.

Ключевые элементы схемы представлены идеальными элементами из библиотеки ОгСАЕ) 9.2, что является еще одним допустимым упрощением.

В проекте предполагалось использовать отработанную и хорошо зарекомендовавшую себя в серийных РЯ второго поколения СУ, состоящую из узлов управления, контроля сопротивления изоляции, датчиков выходного тока и входного напряжения, драйверов ключей. Данная СУ обеспечивает требуемый алгоритм управления силовыми ключами и необходимые защипы. Система построена на базе микроконтроллера 1882ВЕ53. В составе серийных РЯ она в течение полугода проходила лидерные испытания на аэродроме в Жуковском и уже в течение двух лет серийно эксплуатируется в составе ССО на двух аэродромах ВВС МО РФ. Система надежно обеспечивает все требуемые функции, имеет потенциал для модернизации. Поэтому моделирование СУ не целесообразно. В модели РЯ постоянного тока СУ представлена упрощенно, как функция КООС по току. В качестве автоматического регулятора применена модель ПИД регулятора. Это вполне соответствует замыслу опьгга и реальной управляющей программе.

В схему модели внесены дополнительные сопротивления цепей, характеризующие сопротивление проводов и необходимые для корректной работы в среде моделирования ОгСАЕ) 9.2.

Для исследования модели проведена серия измерений с использованием КООС и без нее. Ввиду того, что требования к точности стабилизации касаются только работы РЯ на максимальной ступени яркости, при исследовании протекающих процессов задавался именно такой режим работы модели РЯ-500.

Эпюры потребляемого РЯ-500 тока и напряжения при отключенном КООС и без входного фильтра показаны на рис. 5.1.

400V.

4. OA.

— 400VJ -4.OA а) эпюры напряжения (синяя кривая) и тока (зеленая кривая) фазы А.

— 4. OA J б) эпюры напряжения (зеленая кривая) и тока (красная кривая) фазы В.

4. OA'.

400V.

10ms.

15ms.

20ms.

25ms.

30ms.

35ms.

40ms в) эпюры напряжения (красная кривая) и тока (синяя кривая) фазы С.

Рис. 5.1. Эпюры потребляемого РЯ-500 напряжения и тока без входного фильтра.

Как видно, (рис. 5.1) РЯ-500 имеет импульсное потребление тока. По данным ИКМ для этого случая коэффициент нелинейных искажений (КНИ) потребляемого тока составляет 43%. Таким образом, можно утверждать, что без дополнительных устройств фильтрации подсистема РЯ-КК оказывает существенное воздействие на питающую сеть.

L1 ЮмкГн ЛПГЧЛ.

L2 ЮмкГн ЛППГ.

L3 ЮмкГн.

— vyy.

Рис. 5.2. Принципиальная схема входного трехфазного симметричного.

П-образного фильтра.

Для улучшения ЭМС РЯ-500 в схему модели введен симметричный П-образный фильтр (рис. 5.2) и проведен выбор его параметров для снижения значения КНИ до уровня 8−12%, что соответствует требованиям руководящих документов [5−2]. Следует отметить, что для малых значений значение КНИ практически совпадает с параметром: коэффициент гармоник Кг, который используется в отечественных ГОСТ-ах.

Эпюры потребляемого напряжения и тока при различных параметрах симметричного трехфазного П-образного фильтра показаны на рис. 5.3.

Для проверки расчетов, приведенных в главе 3 и приложении 1, применим критерий баланса мощностей. Метод основан на законе сохранения энергии: сколько энергии выработали источники, столько же должна потребить нагрузка. Вместо энергии при расчетах можно использовать мощность. Мощность, выработанная источником должна быть равна мощности, расходуемой в нагрузке с учетом коэффициента полезного действия (таблица 5.1). Расчет баланса мощностей РЯ-500 проведен с помощью модуля преобразования Фурье программы ОгСас!, исходя из следующих известных соображений: среднее за период значение мгновенной мощности равно активной мощности выработанной источником, следовательно, мощность, потребляемая из сети равна:

Р" = /0Г (Ш • им + ш • ив{1) + 1С (Ь) ¦ £7С (0)^, где: Ри — активная мощность, потребляемая РЯ,.

1а, в, с и У а, в, сзначения тока и напряжения в фазах А, В, С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате проведенного исследования возможностей модернизации отечественных светосигнальных систем посадки (ССП) воздушных судов в направлении кардинального улучшения их энергоэффективности и технико-экономических показателей за основу принят проект их модернизации за счет: 1) применения в качестве светоизлучателей сверхмощных светодиодных матриц (в качестве альтернативы используемым в настоящее время галогенным лампам) — 2) использования нового типа регулятора яркости (РЯ) (с промежуточным высокочастотным преобразованием) — 3) замены в кабельном кольце дорогостоящего высоковольтного кабеля переменного тока на более дешевый и менее дорогостоящий кабель постоянного тока со значительно меньшим рабочим напряжением. Для целей проекта предлагаются светодиодные матрицы фирмы Huey Jann HPR20D, как наиболее доступные по цене. Возможно применение изделий других фирм, например, CREE МС-Е или NICHIA NJSW172. К сожалению, отечественной промышленностью подобные изделия пока еще не выпускаются.

2. Реализация предложенного проекта (относительно существующих СССП) позволяет: 1) значительно снизить мощность, необходимую для реализации необходимых световых характеристик аэродромных огней- 2) понизить в 5 раз класс напряжения применяемого магистрального кабеля (с 5000 до 1000 В) и значительно снизить его стоимость- 3) уменьшить массу и объёма активных компонентов регулятора яркости (не менее, чем в 10 и 40 раз соответственно) — 4) использовать трехфазную сеть для питания кабельного кольца (вместо однофазной), что решает проблему пофазной несимметрии тока, потребляемого аэродромными СССП.

3. Для разработки проекта и технико-экономического его обоснования в работе выполнен комплекс расчетно-проектных работ, необходимых, как для разработки РЯ, так и для определения технических и стоимостных характеристик всей системы ССП. Вместо обычно используемого при проектировании аналитического (модельного) описания процессов в РЯ в работе исполь.

100 зованы современные возможности имитационного компьютерного моделирования (ИКМ). Это мощное средство позволило оперативно решить ряд новых проектных задач, причем с учетом: а) влияния возмущающих воздействий, как со стороны сети, так и нагрузкиа также б) — разброса в параметрах комплектующих элементов (или их изменения под воздействием внешних условий). Адекватность результатов ИКМ подтверждена проверкой их на макетном образце РЯ.

4. Проведенные исследования светоизлучателей нового типа дали основание для разработки инновационного проекта, соответствующего тенденциям развития ССП с требуемыми экономическими характеристиками и отвечающего техническим требованиям руководящих документов отрасли.

5. В работе показано, что разработанный проект привлекателен как для производителя (т.к. позволяет снизить себестоимость ССП до 4 раз лишь только за счет применения более дешевого магистрального кабеля и исключения из схемы изолирующих трансформаторов), так и для покупателя (т.к. стоимость эксплуатации уменьшается до 5 раз, во-первых, за счет приближения аэродромных огней к категории необслуживаемой техники, а, во-вторых, за счет снижения потребляемой мощности кабельным кольцом номинальной длины более, чем в 18 раз).

6. Для сравнения с проектом выбран базовый образец — конкретное серийное изделие, имеющее сертификат МАК и представленное на рынке известной фирмой — производителем: ОАО «ГОКБ «Прожектор». Сопоставление базового образца с проектом, расчёт интегральных технических и стоимостных показателей показал, что проект обладает более высокими технико-экономическими характеристиками, т.к. интегральный коэффициент качества/*^ 1,73 (>1) — интегральный стоимостный коэффициент 1С =1,9 (>1).

7. В работе показано, что показатель технико-экономической эффективности проекта имеет значение 1тэ ~ 2,06. Его значение лежит в зоне положительных управленческих оценок (>1, но <2,5), и хотя не является прорывным.

2,5, но <6,5), но свидетельствует о перспективном характере проекта и.

101 прогнозируемой успешной коммерческой его реализации при серийном производстве.

8. В плане маркетинга это означает усиление позиций предприятия на рынке ввиду появившейся возможности повысить норму прибыли или снизить цену на продукт исходя из стратегии продаж. Снижение себестоимости проекта способствует возможности внедрения дополнительных сервисов, что так же повышает привлекательность продукта на рынке. Конечно, переход на новые технологии характеризуется стартовым увеличением расходов на основные средства и пересмотром политик менеджмента предприятия, однако совокупный доход от реализации предполагаемой продукции должен компенсировать все эти затраты и определит точку безубыточности.

9. Для конечного пользователя экономическая выгода от внедрения данного проекта, помимо указанных, заключается в снижении капитальных затрат на размещение и установку оборудования на аэродроме вплоть до полного отказа от размещения оборудования в стандартных стационарных трансформаторных подстанциях в пользу, например, одного из помещений командно-диспетчерского или стартового пункта.

10. Таким образом, концепция построения светосигнальных систем посадки с использованием постоянного тока для питания светодиодных аэродромных огней в кабельных кольцах последовательного типа имеет явные преимущества перед существующими системами. И, наконец, снижение потребляемой ССП мощности соответствует государственной стратегии энергосбережения.