Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Система интеллектуального управления напряжением авиационного генератора переменного тока
НТТМ-2017-1735 | Категория II

Автор:

Карнаухов Николай Сергеевич

Бунас Константин Викторович

Научный руководитель:
Капустин Александр Григорьевич
Организация:
УО «Белорусская государственная академия авиации»,
Республика Беларусь, Минск
Цель работы
Целью данного проекта работы является решение вопросов повышения качества электроэнергии авиационных систем электроснабжения путем реализации интеллектуального регулирования напряжения авиационных синхронных генераторов.
Данная разработка применима на всех видах транспорта, где источниками электроэнергии переменного тока являются синхронные генераторы, а также на ТЭЦ, ГЭС, АЭС и мобильных передвижных дизель-генераторах.
Под качеством электроэнергии согласно ГОСТ Р 54073−2010 и ГОСТ 21558-2000 понимаются следующие показатели: время регулирования, статическая ошибка регулирования, величина перерегулирования.
Обзор предметной области
Противоречия современного развития авиационных систем можно просуммировать в следующих ключевых вопросах: как можно выполнить требования высоких технических качеств систем при сохранении низкой стоимости и как оптимальным образом совместить эти требования. Эти вопросы успешно решаются при создании перспективных самолетов.
Перспективными самолетами, по мнению специалистов, считаются самолеты концепции «All electric aircraft» (Полностью электрический самолет, например самолеты МС-21, ПАК ФА и др.). Под системой регулирования напряжения таких самолетов понимается совокупность бесконтактного синхронного генератора и регулятора напряжения.
Исследования по разработке самолета концепции «All electric aircraft» начались в конце 1970-х годов. За рубежом стремление к созданию самолета с полностью электрифицированным оборудованием появилось в результате исследований по программе энергетически эффективного самолета. Эта программа наряду с усовершенствованиями аэродинамики, силовой установки и конструкции рассматривала возможности повышения летно-технических характеристик самолета путем ликвидации отбора воздуха от авиадвигателя, применения электродистанционных систем управления полетом, создания единой вторичной электросистемы.
На основании проведенных исследований и испытаний было определено, что замена всех видов энергии на борту самолета только на электрическую энергию должна, в конечном итоге, обеспечить улучшение аэродинамических характеристик самолета, увеличение дальности полета, снижение массы авиадвигателя и самолета, улучшение режимов работы силовой установки, уменьшение расхода топлива и т.д. Также опыт эксплуатации самолетов показал, что с точки зрения универсальности, надежности, удобства эксплуатации и унификации оборудования электрическая энергия обладает существенными преимуществами перед другими видами энергии. При этом существенным является то, что электрическая энергия облегчает процесс автоматизации оборудования самолетов, а полная комплексная автоматизация на воздушных судов возможна лишь в том случае, если управление ими частично или полностью электрифицировано.
Реализовать эти подходы можно введением в системы электроснабжения бортовых цифровых систем, реализующих интеллектуальные законы регулирования напряжения.
Вопрос о системах регулирования нового типа актуален потому, что существующие современные системы регулирования напряжения, построенные на основе общеизвестных, ставших традиционными устройств, перестали удовлетворять непрестанно возрастающим требованиям. Свидетельством этого является практическая неизменность их свойств за последние десятилетия (при острой необходимости в улучшении свойств), а также незначительные результаты известных попыток оптимизации типовых устройств систем по критериям минимума объема, массы или эффективности.
Повышение уровня электрификации перспективных самолетов сопровождается увеличением мощности как источников электрической энергии, так и системы электроснабжения в целом. Исследования показали, что мощность перспективных систем электроснабжения на самолетах должна быть увеличена примерно в 2-3 раза в зависимости от типа воздушного судна, а мощность одного генератора может достигать 300 кВ•А (на существующих самолетах не более 250 кВ•А).
В настоящее время на зарубежных воздушных судах с повышенным уровнем электрификации уже устанавлены генераторы, мощность которых превышает 200 кВ•А. Так, на самолете Boeing 787 Dreamliner устанавливаются 4 основных генератора переменного тока мощностью 250 кВ•А каждый, приводящиеся во вращение от авиационных двигателей и два генератора мощностью 225 кВ•А, установленные на вспомогательной силовой установке. Таким образом общая установленная мощность источников электрической энергии на данном воздушном судне составляет 1450 кВ•А. На Аirbus A380 мощность одного источника электрической энергии составляет 150 кВ•А, а суммарная мощность системы электроснабжения достигает 840 кВ•А. В связи со значительным увеличением мощности энергосистемы остро встает вопрос обеспечения норм качества электроэнергии.
Качество электроэнергии, как известно, оказывает существенное влияние на надежность, эффективность функционирования и массо-габаритные показатели бортовых приемников электрической энергии. Этим объясняется пристальное внимание, уделяемое совершенствованию систем регулирования напряжения авиационных синхронных генераторов.
При обосновании требований к перспективным цифровым интеллектуальным системам регулирования напряжения необходимо учитывать ряд специфических факторов, обусловленных функционированием этих систем. Исследование процессов интеллектуального управления напряжением синхронного генератора представляет значительный интерес с точки зрения оценки предельных возможностей повышения качества электрической энергии при неизменных характеристиках синхронных генераторов.
Описание результатов проекта
Объектом исследования является система регулирования напряжения переменного тока, состоящая из бесконтактного синхронного генератора и системы регулирования напряжения.
В процессе работы проводились исследования эффективности современных (серийных) и интеллектуальной систем регулирования напряжения в среде MatLab по выходным координатам напряжения переменного тока при различных возмущениях по цепям электрической нагрузки.
Разработаны математические и виртуальные модели в среде MatLab: авиационного трехфазного синхронного генератора типа ГТ; современных и интеллектуальной систем регулирования напряжения. Это позволило провести исследования переходных и установившихся режимов при различных коммутациях нагрузок, а также оценить показатели качества электроэнергии данных систем при различных параметрах интеллектуальной системы регулирования напряжения (времени запаздывания и периода квантования по времени).
Разработана и исследована методика и алгоритм обучения и моделирования искусственной нейронной сети в среде MatLab с прямым распространением сигнала и обратным распространением ошибки на основе алгоритма обучения Левенберга-Марквардта.
Показано, что синтезированные по критерию оптимального быстродействия законы регулирования напряжения, а также разработанная искусственная нейронная сеть в среде MatLab обеспечивают существенное повышение качества электроэнергии системы генерирования с синхронным генератором типа ГТ как по величине максимальных отклонений напряжения, так по времени переходных процессов и величине статической ошибки. Даны основные рекомендации по реализации данной системы цифровыми средствами.
Результаты проведенных исследований в среде MatLab указывают на целесообразность использования интеллектуальной системы регулирования напряжения перспективных воздушных судов. Реализация интеллектуальной системы цифровыми средствами обеспечивает, например, в системах электроснабжения с генератором ГТ30НЖЧ12 в нормальных режимах работы, уменьшение времени переходных процессов до (0,015–0,022)с при одновременном уменьшении отклонений напряжения до (107–122)В в динамике и практически устранение статической ошибки. Это полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным и перспективным системам электроснабжения воздушных судов, изложенных в ГОСТ Р 54073-2010.
На основании проведенных исследований в среде MatLab показано, что качество электроэнергии в системах электроснабжения переменного тока с интеллектуальной системой регулирования напряжения существенно зависит от характеристик элементов системы регулирования. Получены зависимости основных показателей качества электроэнергии (времени регулирования, максимальных отклонений напряжения и статической ошибки) от периода квантования и времени запаздывания элементов цифровой систему управления.
Сформулированы требования к элементам контура цифрового регулирования напряжения трехфазного авиационного бесконтактного синхронного генератора и установлено, что характеристики современных вычислительных устройств позволяют осуществить и интеллектуальное регулирование напряжения в перспективных системах генерирования электроэнергия переменного тока.
Описание применимости
Результаты работы применимы к электрическим системам, которым необходимы высокая точность и быстродействие, а также оптимальное качество регулирования.
Потенциальные потребители и заинтересованные в разработке (в Республике Беларусь и за рубежом):
– Министерство транспорта Республики Беларусь.
– УО «Белорусская государственная академия авиации», г. Минск.
– ООО «СКБ ЭЦМ» Россия, г. Екатеринбург.
– ФБГО УВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Россия, г. Уфа.
Дальнейшее развитие проекта
Разработанная схема системы интеллектуального регулирования может использоваться как база для реализации различных законов управления, поскольку схема не имеет элементной привязки к закону регулирования. Реализация интеллектуальных законов регулирования, как самонастраивающихся систем с высокой степенью робастности, применима для перспективных самолетов гражданского и военного назначения, а также для воздушно-космических самолетов. Данная разработка является частью общей системы управления полностью электрического самолета и органично вписывается в современный облик перспективного самолета. Данная разработка применима на всех видах транспорта, где источниками электроэнергии переменного тока являются синхронные генераторы, а также на ТЭЦ, ГЭС, АЭС и мобильных передвижных дизель-генераторах. По сравнению с аналоговыми регуляторами цифровые имеют более высокую точность, помехозащищенность, возможность реализации сложных алгоритмов управления и гибкой перестройки их структуры, простоту коррекции. При использовании цифрового управления открываются перспективы для построения оптимальных и адаптивных систем регулирования с элементами искусственного интеллекта, расширения возможностей контроля и диагностики основных элементов систем возбуждения и энергосистем в целом. Регулятор на основе интеллектуальной системы, по сравнению с современными серийными, обладает большей гибкостью принятия решений и более высоким быстродействием; он предельно прост и, в то же время, надежен. С помощью искусственного интеллекта возможно реализовать комбинированные системы регулирования напряжения, сочетающие в себе регулирование как по отклонению, так и по возмущению. Разработка системы гибкого управления напряжением синхронных генераторов на основе нейронных моделей регуляторов является эффективной, это подтверждает перспективность дальнейших исследований по созданию интеллектуальных систем управления напряжением.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ