автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование возможностей совершенствования аэродромных светосигнальных систем

На правах рукописи

Берг Андрей Витальевич

Исследование возможностей совершенствования аэродромных светосигнальных систем.

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005049173

005049173

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетнс

образовательном учреждении высшего профессионального образов

ния «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на к

федре «Электротехнические комплексы автономных объектов ЭКАО»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мыцык Геннадий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Халютин Сергей Петрович, ведущий конструктор ООО «Экспер! ментальная мастерская НаукаСофт»

кандидат технических наук Коняхин Сергей Федорович, главны конструктор ОАО "АКБ "Якорь"

Ведущая организация: ФГУП ГосНИИ «Аэронавигация» г Мс сква. '

Защита диссертации состоится «14» декабря 2012 г. в аудитора М-611 в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.0: при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по ад ресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 13, корп. «М».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная дом 14, Ученый Совет НИУ МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» (по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, дом 13 корп. «М»). '

Автореферат разослан «13» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессо

Общая характеристика работы

Аэродромное светосигнальное оборудование (АССО) это один из важнейших элементов обеспечения безопасности полетов воздушных судов на этапах взлета и посадки. Аэродромный регулятор-стабилизатор тока (АРСТ) централизованного типа является базовым элементом системы питания АССО. АРСТ является частным случаем преобразователя напряжения переменного тока. Развитию преобразовательной техники посвящено огромное количество работ. В то же время последней работой, описывающей комплекс вопросов практического применения АССО, является работа Ю.В. Фрида «Электросветосигнальное оборудование аэропортов», датированная 1988 годом. Единственной работой за последние 20 лет, посвященной АРСТ, является диссертация Т.Т.Мамедова «Исследование и разработка регулятора переменного тока для аэродромного светосигнального оборудования».

В последнее время происходит ужесточение требований к влиянию потребителей (как предприятий, так и персональных пользователей) на систему электроснабжения. Существующая практика применения тиристорных АРСТ сегодня уже не соответствует уровню развития современной техники. Международный опыт в этой отрасли свидетельствует о тенденции к переходу на новые принципы построения АРСТ.

Область применения АРСТ - категорируемые аэродромы с суммарной мощностью потребления от 30 до 800 кВА и последовательной схемой питания огней. Сегодня на подавляющем большинстве аэродромов Российской Федерации для питания аэродромных светосигнальных систем применяются однофазные тиристорные АРСТ, реализующие автоматическое управление током фазоимпульсным способом. Нагрузкой АРСТ является кабельное кольцо (КК) - цепь светоизлучателей, называемых огнями, соединенных последовательно через изолирующие трансформаторы. Мощность, выделяемая на нагрузке АРСТ, в зависимости от КК вирируется от 2,5 до 50 кВт. Нагрузка АРСТ имеет специфический характер: высокое выходное напряжение - до ЮкВ; протяженность кабельного кольца - до 10км; наличие емкостной и преобладающей индуктивной составляющих сопротивления КК; специфические условия работы в случае перегорания ламп.

Актуальность проблемы

Работа тиристорного АРСТ характеризуется нелинейным потреблением тока, что вызывает искажения напряжения питающей сети, особенно при питании его от маломощных или резервных источников шггания. При этом искажения потребляемого АРСТ тока и уровень его гармонических составляющих'сегодня уже не соответствуют требованиям нормативных документов, что накладывает ограничения на применение такого АРСТ в случаях питания его от маломощных сетей. Кроме того, плохое качество потребляемого тока и тока в КК, как показывает практика, может приводить к возникновению аварийных ситуаций в работе АССО и, как следствие, к снижению безопасности полетов.

Еще одним показателем надежности АРСТ является точность стабилизации тока. Нарушение режима стабилизации тока приводит к перегоранию ламп огней, искажению световой картины аэродрома, что в свою очередь может привести к неверному пониманию ситуации пилотом, в том числе и к его ослеплению. Следовательно, устранение указанных недостатков на основе разработки более совершенного АССО на базе новых решений АРСТ, включая создание информационно-методического обеспечения, необходимого для их проектирования, сегодня следует считать актуальной задачей.

Цель работы - исследование возможностей совершенствования АРСТ и создание предпосылок (на уровне технических предложений) для разработки новых, более эффективных их решений.

Методы исследования

При решении задач структурно-алгоритмического синтеза силовой части АРСТ используется получивший в последнее время распространение в ряде классов устройств силовой преобразовательной техники принцип многоканального преобразования энергетического потока. Анализ показателей качества преобразованной энергии проведен с помощью теории электрических цепей и известных методов математического анализа (разложения временных процессов в ряд Фурье, интегрального исчисления). При сопоставлении вариантов синтезированных решений применялись элементы теории надежности. Синтез системы управления АРСТ основан на использовании способа цифровой дискретизации сигналов и элементов теории автоматического управления. Решение задач по информационно-методическому обеспечению проектирования основано на примене-

нии имитационно компьютерного моделирования (ИКМ) в среде Ог-CAD Pspice Schematics.

Достоверность научных результатов подтверждается хорошим совпадением полученных результатов математического моделирования, ИКМ и практической реализации. Показано также, что полученные результаты не противоречат известным результатам, частично полученным специалистами ранее.

Научная новизна работы

1. Известный принцип многоканального преобразования построения (МКП) распространен на исследуемый объект - АРСТ (с учетом специфики его функциональной характеристики), что позволило значительно снизить искажения потребляемого тока и тока нагрузки без проведения глубокой модернизации. Новизна и полезность синтезированных решений запатентована.

2. Разработаны имитационные компьютерные модели (ИКМ) предложенных вариантов АРСТ, позволяющие провести предварительную сопоставительную их оценку по требуемым показателям качества и создающие основу для последующей параметрической их оптимизации.

3. При синтезе системы управления током АРСТ использован известный в своей сущности метод цифровой дискретизации, адаптированный к функциональным его особенностям, что позволило решить поставленную задачу существенного улучшения качества стабилизации тока.

Практическая значимость работы. Предложенные в работе решения АРСТ позволяют существенно улучшить его технические характеристики, а реализованная относительно небольшая глубина модернизации (по сравнению с рассмотренными в работе также вариантами глубокой модернизации) позволяет минимизировать срок и стоимость модернизации.

На защиту выносятся:

1. Формулировка тенденций развития аэродромных систем светосигнального оборудования (ССО), полученная на основе их обзора и результатов систематизации и классификации.

2. Доказательство эффективности применения для решения поставленных задач принципа многоканального преобразования (МКП) при синтезе АРСТ (реализованного на базе не полностью управляемых ключей - тиристоров), полученное на основе имитационного

компьютерного моделирования (ИКМ) и физического эксперимента.

3. Результаты исследования показателей качества, характеризующих электромагнитную совместимость тиристорного АРСТ в традиционном одноканальном варианте и в варианте с МКП.

4. Результаты синтеза системы управления АРСТ в цифровом исполнении с теоретическим и экспериментальным доказательством эффективности такого пути решения поставленной задачи.

Апробация работы

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: на ХУ-й (2009г.), ХУ1-Й (2010г.), ХУП-й (2011г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на седьмой международной конференции молодых специалистов организаций, ракетно-космической и металлургической промышленности России в г. Королеве и на 2-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов - ЭКАО» МЭИ.

Публикация

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (среди них два патента РФ на полезные модели и две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).

Личный вклад

1. Произведен анализ тенденций развития в области построения светосигнальных систем.

2. Разработаны имитационные компьютерные модели (ИК-модели) для двух вариантов построения силовой части АРСТ:

- АРСТ с МКП на базе не полностью управляемых ключей (тиристоров);

- АРСТ с МКП на базе полностью управляемых ключей (.ЮВТ).

На основе сформированных ИК-моделей исследованы свойства

работы системы АРСТ - КК, выявлен ряд особенностей работы схем, обозначены потенциально опасные режимы работы, получены необходимые для проектирования рекомендации.

3. Проведен гармонический анализ потребляемого тока для АРСТ с МКП, частным случаем которого является существующий (однока-нальный) тиристорный АРСТ.

4. При непосредственном участии соискателя разработана цифровая система управления АРСТ с МКП и техническая документации на его опытный образец.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 123 страницах машинописного текста (текстовая часть), включает введение, обзор литературы, приложения, 5 глав с результатами собственных исследований и заключение.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель и решаемые задачи.

В первой главе дан аналитический обзор принципов построения и перспектив развития ССО и основного элемента питания - АРСТ. В качестве основных направлений модернизации АРСТ выделены два варианта: АРСТ с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) и без ПВЧП. Несмотря на перспективность варианта АРСТ с ПВЧП, прежде всего, по массогабаритным показателям, он требует полной переработки силовой части и системы управления, происходит усложнение схемы. Учитывая это, а так же мировой опыт в данной области, сделан вывод о не целесообразности реализации данного варианта на текущем этапе модернизации. Для АРСТ без ПВЧП рассмотрено два варианта построения на полностью (ПУК) и

не полностью управляемых ключах (НПУК) (рис.1). Особое внимание на этапе анализа уделено АРСТ с ПУК, в виду его перспективности и ограниченной информации в отечественных работах по данной тематике. Для вариантов АРСТ с НПУК и ПУК рассмотрены вопросы их синтеза и функциональные особенности, в частности:

- на основе математического анализа показано несоответствие уровня искажений потребляемого АРСТ с НПУК тока современным требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС) (рис.2), для которых нормативными документами определено минимальные зна-

Рис. 1. АРСТ с НПУК и ПУК системой управления (СУ) и блоком обратной связи

чения коэффициента гармоник тока Кг®=0,23; в иных случаях должны быть наложены соответствующие ограничения на уровень мощности питающей сети;

- для АРСТ с ПУК разработана ИК-модель и на ее основе получена необходимая информация для проектирования АРСТ данного типа. Получена зависимость выделяемой в узле ограничения перенапряжений (УОП) мощности от длительности паузы между переключениями ключей, которая имеет линейная характер и принята равной Мтах=100нс\

- АРСТ с ПУК позволяет добиться «квазисинусоидального» потребления тока (с малыми искажениями), что является существенным плюсом с точки зрения ЭМС.

Показано также, что дальнейшее улучшение качества АРСТ может быть достигнуто, за счет применения известного в преобразовательной технике принципа многоканального преобразования (МКП) энергетического потока. В варианте АРСТ с ПУК применение МКП позволяет снизить значение тока в регулирующем элементе (РЭ), понизить уровень и повысить частоту квантования выходного энергетического потока АРСТ и, следовательно, улучшить массогабаритные показатели фильтра, а также уменьшить уровень искажений потребляемого тока.

Проведена предварительная сопоставительная оценка вариантов построения АРСТ и даны рекомендации по применению.

Вторая глава посвящена распространению принципа МКП на АРСТ на НПУК и ПУК без ПВЧП, доказательству эффективности его применения в данном случае, созданию модельного описания АРСТ на НПУК.

В рамках 1-го этапа (частичной) модернизации системы АРСТ-КК была реализована лишь структурная многоканальность: с целью повышения технологичности изготовления и снижения уровня излу-

2.5

0.5

°0 20 40 60 80 100 120 1« 160

а

Рис. 2. Зависимость коэффициента гармоник тока от угла регулирования.

чаемых шумов, предложено при том же (одном) регулирующем элементе (РЭ) использовать вместо одного мощного повышающего трансформатора - соответствующий набор {Ь >2 ) трансформаторов меньшей мощности, выполненных на тороидальных магнитопроводах и включаемых по параллельно-последовательной схеме - параллельно по входу и последовательно по выходу. Далее осуществлен переход от структурной к структурно-алгоритмической многоканально-сти АРСТ - с Ь числом каналов, среди которых Ь-\ число каналов выполняются с РЭ (рис.3).

Узел Узел

управления синхронизации

¿Ъ—

1уставки

Рис.3. Функциональная электрическая схема АРСТ на НПУК с МКП (с тремя токовыми каналами) и диаграммы напряжений и токов.

Отличительной алгоритмической особенностью решения является поочередное (в зависимости от требуемого уровня стабилизации тока нагрузки) использование в регулируемом режиме только одного из Ь-1 РЭ [1,2]. В результате синтезирована схема АРСТ на НПУК без ПВЧП с МКП (рис.3). Модернизированный вариант АРСТ содержит дежурный трансформатор - ТД, и набор основных трансформаторов - Т01-Т02, первичные обмотки которых зашунтированы парой встречно-параллельно соединенных дополнительных тиристоров.

Предложенное техническое решение запатентовано [3]. Оно ослабляет или практически устраняет следующие недостатки применявшегося ранее прототипа:

- обеспечивает существенно меньшие искажения выходного и потребляемого токов АРСТ, то есть имеет лучшие показатели по электромагнитной совместимости (в частности, на границах диапазона регулирования каждого канала искажения входных и выходных токов отсутствуют);

- благодаря меньшим искажениям входного и выходного тока: повышается точность вычисления действующего значения тока нагрузки, и, как следствие, обеспечивается более высокая точность его стабилизации;

- кроме того, благодаря применению МКП и использованию (в связи с этим) тороидальных магнитопроводов снижены шумы в трансформаторах.

На основе использования математического аппарата рядов Фурье получено модельное описание процессов АРСТ на НПУК с МКП и доказано улучшение его характеристик по сравнению с традиционным решением.

Получено модельное описание амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения АРСТ на НПУК без МПК:

Uа(1)т а)2 + sin2 а + (ж-a)sin2a ^ (1)

а также временная модель основной гармоники АРСТ с МКП:

«20)0 = ^2Г(1)И • sin(mt + <Pz(1)), где

Л2г(„я = ^UL+U2am-A'a\Um+2UQmUamA'ai{)m -cos 0e(1) -(2)

ее амплитуда, a

<Pnum = ^ctg TJ-j.——~й— - ее фазовый угол. (3)

U От am ' Ла(1)т C0S °ат

При анализе введено понятие глубины модуляции ц:

U7m 2т

где U2m ~ результирующая амплитуда выходного напряжения, Uom , Uam{=Ulm) - амплитудные значения нерегулируемой и регулируемой составляющих напряжений соответственно. С учетом (4) модели (2), (3) принимают вид:

= ил* -д/а-^)2 +М2-Кт со9дв

*(1) »

<Риио) = агс*ё

Н-Ктт-™ ват

(1-М) + М-А'аттсоз 9ат

где А

а (1 )т

А

а (1 )т

а 0)т

а (\)т

(5)

(6)

(7)

и1т иат № 1т

Получена также зависимость угла ва(1)=Да), однако она здесь не приводится (см. [1]). В итоге получены формулы, позволяющие оценить значения коэффициента гармоник Кг(/л,о.) и коэффициента мощности х(М>а) Л™ АРСТ на НПУК с МКП и «классического» АРСТ (р=1) в функции от двух параметров (рис. 4).

X =

[12(1)

сое

к

г(иг)

и.

22(1)

4

и;, - и

21(1) .

(8) (9)

Рис. 4. Зависимости коэффициента гармоник выходного напряжения Кг(и) =/(р,а) и коэффициента мощности <*)■

При числе каналов регулирования более одного, в процессе работы АРСТ с ростом выходного тока (за счет изменения ступеней регулирования) параметр ц будет меняться в сторону уменьшения. При этом по мере подключения каналов (с ростом тока и угла а) они будут переходить в режим работы «при полной синусоиде» напряжения, а регулирование будет осуществляться в пределах задействованного канала. Из сказанного следует, что /л=1/(М+1,) где N - число каналов, задействованных в режиме полной передачи энергии.

В рабочем диапазоне изменения мощности 30ч80% от номинальной за счет угла а=70 °ч120° наихудшее значение показателя Х(0.5,а)=0.994 - для АРСТ с МКП, а без МКПх(1,а)=0.85ч0.45.

В среде Ма^Сай создана прикладная программа, позволяющая получить проектно необходимые зависимости параметров АРСТ: {Кг, X, действующих значений выходных напряжения и тока АРСТ) от исходных параметров: коэффициентов трансформации дополнительного и основных трансформаторов, значения тока нагрузки и ступени регулирования. Помимо этого, программа позволяет совершить обратное действие - подобрать коэффициенты трансформации и число каналов регулирования, исходя из необходимых параметров ЭМС.

Показана возможность дальнейшего развития АРСТ с МКП в двух вариантах: на НПУК и на ПУК - ЮВТ. С учетом проведенного анализа сделан вывод, что АРСТ на НПУК без ПВЧП с МКП наиболее готов к опытно-конструкторской реализации, как способный обеспечить заданный уровень ЭМС. При этом не требуется внедрение принципиально новых схемотехнических решений и допускается последующая модернизация до уровня второго выше упомянутого варианта - АРСТ на ПУК без ПВЧП с МКП. Также возможно совместное использование обоих схем в АРСТ, при этом одна из них будет выполнять функции резервной.

Третья глава посвящена параметрическому синтезу схемы АРСТ на НПУК без ПВЧП с МКП. Для проверки адекватности полученного модельного описания проведено ИКМ силовой части АРСТ на НПУК без ПВЧП с МКП с реальными характеристиками тиристорных ключей.

На основе данных ИКМ для АРСТ на НПУК с МКП и тремя основными каналами регулирования получены зависимости показателя качества потребляемого тока от действующего значения тока нагрузки и от ее со5<р (рис. 5). В ходе исследования проведено моделирование опасных режимов работы схемы:

- исследован возможный режим возникновения тока короткого замыкания в момент включения основного тиристора, на основе чего показана необходимость применения сглаживающего дросселя;

- исследован возможный режим возникновения предельно допустимого напряжения на основной паре тиристоров, в случае повреждения в цепи шунтирующих тиристоров, описываемый выражением:

их1=^/2*ивх*а + ^\ (Ю)

причем соотношение коэффициентов трансформации обмоток трансформаторов ограниченно следующим значением:

Лшах--1( (п)

где К] и К2 коэффициенты трансформации основного и дополнительного трансформатора соответственно, иШах - максимально допустимое обратное напряжение тиристора в закрытом состоянии.

К± -/2»(380+57)

Кв % 160 140 120 100 80 60 40 20

АРСТ без МКП со5(ф)=0,95, Д=1

^ЙсТ'бёзЬЖП \ сов(<р)=0,80, ¡.1=1

±±±

б;

I

ШтЩ1Ш8£-

Ток нагрузки ■ шах]

АРСТ - 3 кан. С08(ф)=0,95, Ц=0,33

АРСТ - 3 кан. СО5(Ф)=0,80, ц=0.33

Рис. 5. Зависимости коэффициента гармоник потребляемого тока от действующего значения тока нагрузки и от ее со$<р.

Особое внимание уделено параметрическому анализу снаббер-ных цепей ключевых элементов. С применением ИКМ проверена адекватность существующих рекомендаций по выбору их параметров, получены оптимальные значения Я1=20 Ом и С1-0.1 мкФ для обеспечения надежной работы тиристорных ключей, что близко к рекомендуемым значениям.

Произведен выбор основных элементов схемы, с проверкой адекватности их функционирования (в соответствии с проектным замыслом) на ИКМ.

В четвертой главе проводится анализ способов построения системы управления (СУ) АРСТ с МКП и ее синтез. В работе сделан вывод о целесообразности в данном случае перехода от аналоговой СУ к цифровой. Этот же вывод распространен и на подсистему измерения

действующего значения тока.

Для измерения действующего значения выходного тока АРСТ применен метод прямой дискретизации (МПД). Точность измерения тока Я напрямую влияет на точность стабилизации всего АРСТ. Методическая погрешность может быть вычислена по следующей формуле:

Я =

1уЛ/ ,2

N¿¡=1 I

* 100%.

(12)

Перейдя от ранее полученного выражения для действующего значения АРСТ на НПУК с МКП в функции от двух параметров /л и Я:

\rras = ^ЦГС'отОО * 5Ш(0))2^ + ЦЦгМ * ¿в], (13)

к дискретному его выражению:

{1тЮ * ™ (* * 7))2 + * ™ (п * т)У'

где <1 - число выборок за период измерения; и путем подстановки (13), (14) в выражение (12), получена зависимость на рис.6, характеризующая методологическую погрешность

Рис. 6. Относительой погрешность определения действующего значения тока нагрузки АРСТ на НПУК с МКП и цифровой системой измерения от а и ц,

для ¿1=100 и d=500

измерения. Наличие на графиках максимальных и минимальных экстремумов объясняется случайным расположением отсчетов относительно момента включения НПУК - их угла а. Предложено, адапти-

ровать МПД, синхронизировав момент начала периода измерения с моментом включения основных тиристоров. Это позволило аппроксимировать график относительной погрешности определения действующего значения по нижней границе. Для увеличения скорости реакции АРСТ применен метод пропорционально-интегрального дифференцирования (ПИД), при котором реализующий его выходной сигнал (путем изменения параметров a и //) производится по известной формуле.

у(с) = Кр ((б(t)) + Ki ;0É еШт + Kd g), (15)

В дискретной реализации метода расчета выходного сигнала уравнение принимает форму:

Y(n) = Кр(Е{п)) + KpKtTJ$m0 E[k1 + (Я[п] - Е[п - 1]), (16)

где Т - время дискретизации.

Используя замену Kfistr = KVK{T, K¿istr - можно записать:

Y(n) = Кр(Е(п)) + K?istrrk=0E[k] + K*istr(E[n] - Е[п - 1]) (17)

В программной реализации для оптимизации расчетов переходят к рекуррентной формуле:

Y(n) = Y(n - 1) + Кр(Е(п) - Е(п - 1)) + K$istrE(n) + K¿istr(E(ri) - 2Е(п - 1) + Е(п - 2)) . (18)

Подбор коэффициентов Кр и K¿lstr на данном этапе проектирования осуществлялся вручную. Произведен расчет необходимых параметров системы управления и измерения (СУИ) для обеспечения заданного уровня стабилизации. В рамках синтеза СУИ реализовано разбиение алгоритма работы на два процессорных блока. СУИ носит модульных характер (рис. 7) и позволяет осуществить дальнейшее наращивание независимыми подсистемами (поламповый контроль, измерение параметров нагрузки и т.д).

Пятая глава посвящена проектированию предложенного решения, физическому макетированию, изложению полученных результатов и сравнению их с полученными ранее данными.

Проектирование производилось в рамках ОКР проводимого ОАО «ГОКБ «Прожектор» по заказу МО РФ. Документация разработана в объеме технического проекта. В качестве одного из требований при этом является применение отечественных комплектующих. В проце-

Рис. 7. Блок-схема системы управления АРСТ с МКП.

дурах создания и исследования макетного образца двухканального АРСТ на НПУК с МКП (рис.8) можно выделить две явно выраженные по решаемым задачам части (подсистемы):

- информационная часть - подсистема измерения параметров (с контурами отрицательной обратной связи по напряжению и по току);

- силовая часть, включающая в себя тиристорный узел с драйверами и трансформаторный узел.

В рамках информационной части (характеризующей 1-й этап разработки) создан измеритель, функционирующий в соответствии с проектным замыслом и обеспечивающий решение следующих задач:

- измерение действующего значения четырех параметров (вход-

Рис. 8. Блок-схема макетного образца двухканального АРСТ. ной/выходной ток и напряжение) с точностью ....% (точность измерения контролировалась измерительными приборами с классом точности 0,3%).

- формирование сигналов синхронизации;

- вычисление дополнительных параметров, (потребляемой мощность, КПД и Кф)-косвенно).

На 2-м этапе разработки создан макет силовой части двухканального АРСТ, произведена стыковка с информационной частью, проведены отладка и испытания. Характерные осциллограммы его работы представлены на рис.9. Измерения на макете АРСТ проводились в три этапа с использованием цифровой 16-ти разрядной СИУ:

- без МКП (два канала регулируемых параллельно);

- с МКП (два канала-регулируемый и не регулируемый), диапазон изменения глубины модуляции ¡и в пределах 0,3ч0,7, за счет изменения коэффициента трансформации основного трансформатора;

- с МКП и СУИ использующей адаптированный МПД и формирующей сигнал выходного воздействия по ПИД-закону. Анализ осуществлялся по трем основным параметрам:

- по коэффициенту гармоник тока

- по точности измерения тока Л;

- по скорости реакции (восстановления значения тока) при из-

Для проведения сравнительного анализа с прототипом измерения основных параметров осуществлены также:

- для выпускаемого ранее ОАО «ГОКБ «Прожектор» АРСТ без МКП с аналоговой СУ;

- для серийного АРСТ с МКП: 1- выходной ток, 2- напряже- АРСТ с цифровой 8-ми ние первичной обмотки основного трансфор- разрядной СУ.

матора. Получены данные,

позволяющие оценить положительный эффект от применения МКП и цифровой СУИ, представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Эксперимент Кя,%? А,% мс

АРСТ без МКП, аналоговая СУ 75 4 1700

АРСТ без МКП,8-с1 СИУ 73 2,5 600

АРСТ без МКП, 16^ СИУ 75 1,5 700

АРСТ с МКП(2 канала),16-6 СИУ, (ц=0.б) 33 1 800

АРСТ с МКП(2 канала),16-6 СИУ (адаптированная),(ц=0.4) 19 0.5 200

Заключение

1. В рамках проведенного аналитического обзора выявлено несоответствие уровня отечественных разработок в области АРСТ современным требованиям, в частности, показано несоответствие характеристик ЭМС требованиям нормативных документов. Сформулирован перечень задач подлежащих решению в данной работе.

2. На уровне структурно-алгоритмической организации АРСТ предложены варианты его модернизации:

а) - с использованием принципа многоканального преобразова-

менении нагрузки в диапазоне50-700%.

ш к ш± т шэ т 1 С ^ТГ 4 Ш ЕШ н

л I А А1

! \ ч / \ } \ 4

1 Р Л. 11М1

к / г1 ■ • ч ус у г

ш§ ш ШЕ бзи ш мг Й1 !®Я ШЕ 3 С ЯШ, ШВ

Рис.9. Осциллограммы работы двухканального

ния (МКП) при его реализации на не полностью управляемых ключах - тиристорах; б) - с использованием принципа МКП и полностью управляемых ключей переменного тока (без применения принципа ПВЧП и с его применением).

3. На основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) АРСТ для 1-го и 2-го вариантов АРСТ получена информация, необходимая для их проектирования и для сопоставительной оценки с альтернативными вариантами. Сделан вывод о готовности первого варианта к конструкторской проработке.

4. В рамках модельного описания входного и выходного токов АРСТ (по 1-у варианту) проанализированы показатели качества потребляемой электроэнергии в функции двух параметров угла регулирования а и глубины модуляции ц. Адекватность полученного математического описания процессов АРСТ подтверждена на основе ИКМ и физическим моделированием.

5. В рамках модернизации системы управления (СУ) предложено использовать метод цифровой дискретизации для измерения параметров АРСТ. Произведена оценка необходимых ресурсов вычислительной системы, необходимая для выбора основных элементов СУ. Предложены способы адаптации известного метода измерения к конкретным условиям работы АРСТ. Разработан алгоритм работы двухпроцессорной СУ АРСТ с разбиением на два основных процессорных узла - центральный контроллер и измеритель.

6. Решение, реализующее 1-й этап частичной модернизации АРСТ внедрено в производство и успешно применяется в серийно выпускаемом АРСТ. В рамках 2-го этапа модернизации АРСТ до уровня АРСТ на НУПК с применением МКП достигнуто улучшение характеристик ЭМС до уровня соответствующего нормативным документам, а также достигнуто трехкратное увеличение уровня стабилизации - основного параметра АРСТ, предложенные технические решения учитываются при разработке техники следующего поколения.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Берг A.B., Берилов A.B., Мыцык Г.С. Модернизация аэродромного светосигнального оборудования. Вестник МЭИ, № 5, 2010. - С.61-72.

2. Берг A.B., Берилов A.B., Система управления аэродромным

регулятором-стабилизатором яркости с многоканальным преобразующим трактом. Практическая силовая электроника, № 4,

3. Патент РФ на изобретение №2 364 916, G05F 1/30. Регулятор-стабилизатор переменного тока /А.В.Берг. А.В.Берилов, В.А. Сергеев, А.В.Мирошниченко, Г.С.Мыцык . Заявл. 28.04.2008 г. Опубл. 20.08. 2009 г. в Б.И. №23.

4. Патент РФ на полезную модель №99 915, G05F 1/24. Регулятор тока переменного напряжения/А.В.Берг. A.B. Берилов, В.А. Сергеев, А.В.Мирошниченко, Г.С.Мыцык . Заявл. 28.04.2008 г. Опубл. 10.05.2009 г. в Б.И. №13.

5. . Патент РФ на полезную модель №95446, G05F 1/24. Светосигнальная аэродромная система/А.В.Берг. А.В.Мирошниченко, О.В.Пацык. Заявл. 02.04.2010 г. Опубл. 27.06. 2010 г. в Б.И. №18.

6. Берг A.B., Берилов A.B. Разработка регуляторов-стабилизаторов тока централизованного типа для светосигнальных комплексов аэропортов / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Пятнадцатая международная н/т конф. студентов и аспирантов. Том 2. - М.: Издательский Дом МЭИ, 2009. -

7. Берг A.B.; Пацык О.В., Инновационные разработки регуляторов-стабилизаторов для светосигнальных комплексов аэропортов/Седьмая международная конференция молодых специалистов организаций, ракетно-космической и металлургической промышленности России. Часть2. - МО.: НОУ ИПК Машприбор, 2008. -С.88-92.

8. Берг A.B., Берилов A.B., Цифровой измерительный орган действующего значения несинусоидального тока / Электротехнические и электромеханические системы и комплексы. Шестнадцатая международная н/т конф. студентов и аспирантов. Том 2. - М.: Издательский Дом МЭИ, 2010. - С.55-56.

9. Берг A.B., Берилов A.B., Система управления аэродромного регулятора-стабилизатора яркости / Электротехнические и электромеханические системы и комплексы. Семнадцатая международная н/т конф.студентов и аспирантов. Том 2.-М.: Издательский Дом МЭИ, 2011. - С.67-68.

2011.

С.60-61.

Подписано в печать М'ММГ Зак. $$ Тир... П.л,/.^ Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

ГЛАВА 1. Аналитический обзор аэродромных светосигнальных систем на базе регуляторов-стабилизаторов тока (АРСТ).

1.1. Типы электрических сетей для аэродромных огней.

1.2. Принципы построения АРСТ.

1.2.1. АРСТ на не полностью управляемых ключах.

1.2.2. Анализ уровня искажений потребляемого тока для АРСТ с фазоимпульсным управлением.

1.2.3. АРСТ с линейным потреблением тока на полностью управляемых ключах.

1.2.4. Принцип многоканального преобразования (МКП).

1.2.5. Модель АРСТ на полностью управляемых транзисторных ключах с МКП.

1.2.6. АРСТ с промежеточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) на транзисторных ключах.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. Анализ эффективности предлагаемых решений по модернизации АРСТ.

2.1 Применение принципа МКП в АРСТ на не полнустю управляемых ключах (НПУК).

2.2. Модельное описание АРСТ с МКП с использованием традиционных аналитических средств.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. Параметрический синтез АРСТ на НПУК без ПВЧП с МКП.

3.1. Основные требования технического задания.

3.2. Имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) предлагаемых решений.

3.2.1. Модель тиристора.

3.2.2. Ограничение всплесков напряжений.

3.2.3 Ограничение скорости нарастания прямого напряжения.

3.2.4. Моделирование силовой части АРСТ на НПУК с МКП.

3.3. Выбор основных элементов схемы.

3.3.1 Расчет охладителя.

3.3.2. О расчетных параметрах трансформаторов АРСТ.

3.3.3. О сглаживающем дросселе.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. Система управления АРСТ на НПУК с МКП.

4.1 Измеритель действующего значения тока и напряжения.

4.1.1. Обзор способов (принципов) измерения действующего значения.

4.1.2. Датчики входных параметров.

4.2. Оценка требуемой производительности и необходимых аппаратных ресурсов.

4.2.1. Расчет необходимых параметров аналога цифрового преобразователя (АЦП).

4.2.2. Система синхронизации АРСТ.

4.2.3. Подсистема подсчета числа сгоревших ламп.

4.2.4. Подсистема автоматических защит.

4.2.5. Центральный контроллер.

4.2.6. Подсистема взаимодействия с системой дистанционного управления СДУК.

4.3. Анализ эффективности применения МКП в части повышения точности измерения выходного тока.

4.4. Способы адаптации работы измерительного контроллера.

4.5. Конструктивное исполнение системы управления.

4.6. Выводы.

ГЛАВА 5. Проектирование и макетирование предложенных решений.

5.1 Стадии разработки АРСТ.

5.2 Устройство АРСТ с МКП.

5.2.1 Модуль измерительный.

5.2.2. Модуль управления.

5.2.3. Модуль питания.

5.3. Макетирование АРСТ с МКП.

5.3.1 Измерительная подсистема.

5.2.2 Силовая часть.

Неукротимое стремление человека к быстрому и комфортному преодолению больших расстояний является одной из движущих сил постоянного совершенствования и развития гражданской авиации. Как следствие этого, все больше актуализируется проблема обеспечения безопасности полетов воздушных судов.

На этапах взлета и особенно посадки в ночное время и при сложных метеоусловиях необходимо использование современного и надежного светосигнального оборудования. Современное аэродромное светосигнальное оборудование (АССО) это сложная многоуровневая система.

На базе теоретических обоснований, проведенных НИИ ГВФ в 30-40е годы, с учетом опыта эксплуатации и требований отечественной и международной практики, отечественной промышленностью были составлены технические требования на разработку и изготовление систем светосигнального оборудова-ния(ССО). На сегодня разработаны и изготовлены системы «Свеча-1» (1956 г.), «Свеча-2» (1960 г.), «Свеча-3» (1972 г.), «Свеча МВЛ» (1985 г.) [В-1]. Вместе с~ этим, у отечественных производителей единственной серийно выпускаемой системой для категорированных аэродромов является комплекс «Луч-4МС»(2005 г.).

В настоящее время при проектировании таких систем руководствуются международными требованиями 1САО (Международная организация гражданской авиации) и нормами годности для гражданских и военных аэропортов [В-1],[В-2].

Питание колец, на категорируемых аэродромах с суммарной мощностью потребления от 30 до 800 кВА и последовательной схемой питания огней, осуществляется аэродромными регуляторами-стабилизаторами тока (АРСТ) переменного тока. Подсистема гарантированного электроснабжения отвечает за бесперебойное их обеспечение электроэнергией. Распределенная система дистанционного управления и контроля является верхним уровнем всей светосигнальной системы.

Надежное функционирование всего электротехнического оборудования ССО аэропорта определяется надежностью отдельных его подсистем. Наиболее важные из них - подсистемы огней, которые рассматривают как совокупность АРСТ - кабельное кольцо (КК) - цепь светоизлучателей, называемых огнями, соединенных последовательно через изолирующие трансформаторы. Мощность, выделяемая на нагрузке АРСТ, в зависимости от КК вирируется от 2,5 до 50 кВт. Нагрузка АРСТ имеет специфический характер: высокое выходное напряжение - до ЮкВ; протяженность кабельного кольца - до 10км; наличие емкостной и преобладающей индуктивной составляющих сопротивления КК; специфические условия работы в случае перегорания ламп. Сегодня на подавляющем большинстве аэродромов Российской Федерации для питания аэродромных светосигнальных систем применяются однофазные тиристорные АРСТ, реализующие автоматическое управление током фазоимпульсным способом. Подробное описание, уже ставшей классической системы автоматического управления током в КК на основе АРСТ с антипараллельными тиристорами, дано в [В-1].

Работа тиристорного АРСТ характеризуется нелинейным потреблением тока, что вызывает искажения напряжения питающей сети, особенно при питании его от маломощных или резервных источников питания. При этом искажения потребляемого АРСТ тока и уровень его гармонических составляющих сегодня уже не соответствуют требованиям нормативных документов [В-4],[В-5], что накладывает ограничения на применение такого АРСТ в случаях питания его от маломощных сетей. Кроме того, плохое качество потребляемого тока и тока в КК, как показывает практика, может приводить к возникновению аварийных ситуаций в работе АССО и, как следствие, к снижению безопасности полетов.

Еще одним показателем надежности АРСТ является точность стабилизации тока. Нарушение режима стабилизации тока приводит к перегоранию ламп огней, искажению световой картины аэродрома, что в свою очередь может привести к неверному пониманию ситуации пилотом, в том числе и к его ослеплению.

В последние двадцать лет за рубежом активно развивается направление совершенствования АРСТ, основанное на применении более совершенных ключевых элементов - силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ). Ряд зарубежных фирм-производителей светосигнального оборудования наряду с совершенствованием классической (тиристорной) схемы АРСТ активно ведет разработки АРСТ, на основе использования новых функциональных возможностей элементной базы. Основным их отличием является кардинально улучшенная электромагнитная совместимость (ЭМС) за счет уменьшения искажений потребляемого тока и тока нагрузки.

В тоже время в России в последние годы, к сожалению, наблюдается стагнация в направлении научно-технического развития страны (как в теоретическом, так и практическом плане). Не исключением являются и новые разработки АРСТ, отвечающие современным требованиям,

Данная работа ставит задачу провести всесторонний анализ существующих типов АРСТ, как отечественного, так и иностранного производства, дать оценку их соответствию современным требованиям и на этой основе доказать необходимость проведения работ по их модернизации.

Поставленная задача определяет цель работы: исследование возможностей совершенствования АССО путем улучшения характеристик АРСТ и создание предпосылок (на уровне технических предложений) для разработки новых, более эффективных их решений.

При решении поставленных в работе задач структурно-алгоритмического синтеза силовой части АРСТ используется получивший в последнее время распространение в ряде классов устройств силовой преобразовательной техники принцип многоканального преобразования (МКП) энергетического потока. Анализ показателей качества преобразованной энергии МКП проведен спомощью теории электрических цепей и известных методов математического анализа (разложения временных процессов в ряд Фурье, интегрального исчисления). При сопоставлении вариантов синтезированных решений применялись элементы теории надежности. Синтез системы управления АРСТ основан на использовании способа цифровой дискретизации сигналов и элементов теории автоматического управления. Решение задач по информационно-методическому обеспечению проектирования основано на применении имитационно компьютерного моделирования (ИКМ) в среде OrCAD Pspice Schematics.

вывода I

Запуск таймера Т1 ?

Определение кода нулевого зталшузж,.

Имеются данные для передачи на управляющий МК РЯ?

Запуск передачи данных на управляющий МК РЯ

Есть новые результаты АЦП?

Сброс готовности результата АЦП

Прерывание SISR27 (интервал дискретизации)

Запуск АЦП

Ожидание времени преобразования

Установка готовности результата АЦП

Формирование сигналов синхронизации из переменных синхрониз.

Выход из прерывания

Опрос АЦП

Обработка новых данных: накопление суммы квадратов, обновление перем. синхронизации установка разреш. расч. RMS при переходе UQ через 0

Есть разрешение расчета RMS? I

Расчет RMS Подготовка данных к передаче на управляющий МК РЯ

Рис. 5.2. Алгоритм работы микроконтролера-МК платы измерения и синхронизации для

АРСТ(РЯ).

Тестирование работы платы проводилось в трех вариантах:

• с использованием лабораторного генератора;

• с помощью макета;

• в составе серийно выпускаемого АРСТ. Результаты тестирования в виде осциллограмм на рис. 5.3.

Рис. 5.3 (а). Осциллограмма работы платы 1-сигиал с датчика входного напряжения; 2-сигнал синхронизации (перехода через 0), 3,4-сигналы положительной и отрицательной полуволн.

Рис. 5.3 (б). Осциллограмма работы платы 4-сигнал с датчика выходного тока; 3-сигнал наличие отсутствие тока.

В результате получена работоспособная система измерения и синхронизации для АРСТ.

5.2.2 Силовая часть

На 2-м этапе разработки создан макет силовой части двухканального АРСТ рис 5.4), произведена стыковка с информационной частью, проведены отладка и испытания. Характерные осциллограммы его работы представлены на рис.5.5. Измерения на макете АРСТ проводились в три этапа с использованием цифровой 16-ти разрядной СИУ:

- без МКП (два канала регулируемых параллельно);

- с МКП (два канала-регулируемый и не регулируемый), диапазон изменения глубины модуляции ¡л в пределах 0,3-0,7, за счет изменения коэффициента трансформации основного трансформатора;

- с МКП и СУИ использующей адаптированный МПД и формирующей сигнал выходного воздействия по ПИД-закону. Анализ осуществлялся по трем основным параметрам:

- по коэффициенту гармоник тока -АГ^;

- по точности измерения тока Я;

- по скорости реакции (восстановления значения тока) при изменении нагрузки в диапазоне50-700%. пряжение первичной обмотки основного трансформатора.

Для проведения сравнительного анализа с прототипом измерения основных параметров осуществлены также:

- для выпускаемого ранее ОАО «ГОКБ «Прожектор» АРСТ без МКП с аналоговой СУ;

- для серийного АРСТ с цифровой 8-ми разрядной СУ.

Получены данные, позволяющие оценить положительный эффект от применения МКП и цифровой СУИ, представлены в таблице 5.1.

Заключение

1. В рамках проведенного аналитического обзора выявлено несоответствие уровня отечественных разработок в области аэродромного светосигнального оборудования (АССО) современным требованиям, в частности, показано несоответствие характеристик ЭМС требованиям нормативных документов одного из основных узлов - аэродромного регулятора-стабилизатора тока (АРСТ) на не полностью управляемых ключах (НПУК).

2. В качестве основного направления совершенствования АССО в данной работе выбрано исследование возможности модернизации АРСТ в системах с последовательным питанием огней. Сформулированы основные технические требования к АРСТ, определяющие объем частичной модернизации.

3. Особое внимание на этапе анализа уделено АРСТ на полностью управляемых ключах (ПУК), в виду его перспективности и ограниченной информации в отечественных работах в данном их применении. Кратко рассмотрен вариант построения АРСТ с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП). Показано, что улучшение качества АРСТ может быть достигнуто за счет применения известного в преобразовательной технике принципа многоканального преобразования (МКП) энергетического потока.

4. На уровне структурно-алгоритмической организации АРСТ предложены варианты его модернизации: а) - с использованием принципа МКП при его реализации на НПУК - тиристорах; б) - с использованием принципа МКП и ПУК переменного тока (без применения принципа ПВЧП и с его применением).

5. На основе использования математического аппарата рядов Фурье получено модельное описание процессов АРСТ на НПУК с МКП и доказано улучшение его характеристик по сравнению с традиционным решением.

6. Разработаны компьютерные модели для АРСТ на ПУК и НПУК с применением МКП, а также модель НПУК. На основе проведенного моделирования получена необходимая информация для проектирования АРСТ данного типа и для сопоставительной оценки вариантов его построения. Подтверждено теоретически прогнозировавшиеся улучшение характеристик АРСТ с МКП, в частности, показана возможность снижения коэффициента гармоник потребляемого тока до значения, определяемого нормативными требованиями.

7. Сделан вывод, что АРСТ без ПВЧП с МКП на НПУК наиболее готов к опытно-конструкторской реализации, как способный обеспечить заданный уровень ЭМС и не требует дополнительного освоения новых технологий изготовления.

8. Проведена модернизация системы управления (СУ) для АРСТ на НПУК с МКП в цифровом исполнении. Произведена оценка необходимых ресурсов вычислительной системы, необходимая для выбора основных элементов СУ. Предложены способы адаптации известного метода цифровой дискретизации измерения к конкретным условиям работы АРСТ. В результате достигнуто трехкратное увеличение точности стабилизации уровней тока - основного параметра АРСТ.

9. Совокупность решений, реализующих 1-й этап частичной модернизации АРСТ (принцип структурной многоканальное™ при одном регулирующем элементе и новый уровень реализации цифровой системы управления) внедрена в производство и успешно применяется в серийно выпускаемом АРСТ. В рамках реализации 2-го этапа модернизации АРСТ (до уровня АРСТ на НУПК с применением принципа МКП) разработана конструкторская документация, реализующая это техническое решение.

10. Созданы предпосылки для проведения следующего этапа модернизации АРСТ в транзисторном исполнении. Полученные результаты составляют банк проектно-конструкторской информации при разработке техники следующего поколения.