автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обеспечение электроэнергетической совместимости транспортного электрооборудования с высоковольтным питанием

На правах рукописи

РЕЗНИКОВ Станислав Борисович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ТРАНСПОРТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре "Теоретическая электротехника" Московского авиационного института (государственного технического университета) "МАИ".

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кривенцев Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Машуков Евгений Владимирович

доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество АКБ "Якорь"

Защита состоится"_"_2004 г. в_час._мин. на заседании

диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) "МАИ" по адресу 125993, А-80, Москва, ГСП-3, Волоколамское ш., д. 4, ученый Совет МАИ.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ. Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.07 К.Т.Н., доцент

А.Б. Кондратьев

Актуальность темы. Под электроэнергетической совместимостью (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) понимается его согласованность (взаимное функциональное соответствие) по видам, параметрам и качеству электропитания, по мощностным, энергетическим, надежностным и производственно-эксплуатационным показателям.

Исходной предпосылкой для формирования научных основ ЭЭС транспортного оборудования явились работы Бертинова А И., Конева Ю.И, Мизюрина СР., Синдеева И М. и др, в которых система электрооборудования (СЭО) летательного аппарата (ЛА), в отличие от системы электроснабжения (СЭС), рассматривалась как комплекс взаимодействующих составляющих: от потребителей электроэнергиидо первичных источников.

Недостаточное внимание к проблемам ЭЭС (аналогично проблемам ЭМС) приводит к увеличению сроков и ухудшению качества проектирования и создания транспортных комплексов, а также - к неоправданным затратам времени и средств при их доработке, испытаниях и опытной эксплуатации.

При разработке перспективных транспортных электротехнических комплексов особое внимание уделяется использованию высоковольтного (в/в) питания, позволяющему существенно снизить транспортируемую массу оборудования (с учетом добавления массы корпуса, топлива, системы охлаждения и др.) и массу контактной сети (в случае сетевого питания) за счет снижения тепловых потерь в проводах и полупроводниковых приборах, а также снижения удельной массы емкостных накопителей энергии

На рис. 1 упрощенно показаны структуры перспективных транспортных электротехнических комплексов с автономным и сетевым высоковольтным питанием.

Объектом исследований являются преобразовательная и защитно-коммутационная аппаратура ТЭО, содержащая:

- высоковольтную подсистему генерирования и стартеры,

- устройства защиты и коммутации,

- распределительную сеть;

- централизованные и групповые преобразователи;

- индивидуальные вторичные источники питания (ВИЛ) и импульсного питания (ВИИП).

Однако при высоковольтном питании возникает существенное противоречие между стремлением к снижению транспортируемой массы (а следовательно и приведенной стоимости) и необходимостью сохранения высокой надежности транспортных комплексов, содержащих, в основном, относительно низковольтные потребители или низковольтные входные цепи вторичных источников импульсного (высоковольтного) питания.

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетербург

оэ голу»*.«»./.?

Устранение указанного противоречия представляется важнейшим аспектом теории электроэнергетической совместимости транспортного оборудования.

Разработкой перечисленного оборудования занимались многочисленные отечественные и зарубежные организации и фирмы, в частности: АКБ "Якорь" (г. Москва), МАЗ "Дзержинец" (г. Москва), ВЭИ (г. Москва), МЭИ (г. Москва), МИИТ (г. Москва), МИИГА (г. Москва), РТИ им. акад. Минца (г. Москва), ЗАО "Спецремонт" (г. Москва), НПО "Астрофизика" (г. Москва), УОМЗ (г. Екатеринбург), ВНИИЖТ (г. Москва), ABB (Швейцария), Siemens (Германия), NASA Marshall Space Flight Center (США), Martin Marietta Astronautics Group (США), и др. Указанным проблемам посвятили свои научные труды следующие ученые (помимо выеупомянутых): И.И. Алексеев, БЛ. Алиевский, Д.Э. Брускин, В.П. Булеков, Д.А. Бут, СИ. Вольский, Б.И. Гринштейн, Б.С. Зечихин, Л.А. Квасников, Л.К. Ковалев, Б.П. Константинов, В.И. Кривенцев, Н.Н. Лаптев, ЭЛ. Лившиц, В.Л. Лотоцкий, Г.М. Малышков, Е.В. Машуков, B.C. Моин, В.Т. Морозовский, Г.М. Мустафа, Б.И, Петленко, В.А. Полковников, В.А. Постников, Ю.К. Розанов, В.В. Синайский, И.Н.Соловьев, А.Ю. Черкашин, В.Р. Чорба, М.М. Юхнин и др.

Однако, несмотря на значительное количество публикации, посвященных отдельным частным вопросам и разрозненным удачным разработкам, к настоящему времени следует констатировать неразработанность единой проблемы обеспечения электроэнергетической совместимости высоковольтного и низковольтного оборудования транспортных электротехнических комплексов, а именно - отсутствием систематизации средств обеспечения ЭЭС ТЭО, а также критериев оценки их эффективности. Поэтому наблюдается превалирование попыток применения традиционных структур и схем, иногда в ущерб их адекватности высоковольтному питанию. Необходимо пересмотреть многие прежние подходы и приступить к широкому внедрению высоковольтной силовой электроники на транспортных объектах. Однако для этого нужны систематизация и модернизация

известных средств обеспечения ЭЭС ТЭО, а также нетрадиционные схемотехнические, конструктивные и алгоритмические разработки более эффективных средств.

В связи с вышесказанным решение проблемы обеспечения ЭЭС ТЭО при высоковольтном -питании представляется актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

К специфике работы можно отнести вынужденный охват обширной номенклатуры систем, подсистем и узлов, связанный с вышеуказанным комплексным подходом к проблеме ЭЭС ТЭО и затрудняющий доведение сравнительного анализа многочисленных разработок до конкретных числовых значений в оценке эффективности.

В качестве примеров конкретных объектов в диссертации рассматриваются электротехнические комплексы следующих гипотетических транспортных средств: трех ЛА, соответствующих общеизвестной перспективной концепции "ЛА с полностью электрифицированным оборудованием (ЛА с ПЭО)", имеющих в качестве основных распределительных систем сети: а) постоянного повышенного напряжения (СППН, 750 В), б) трехфазного напряжения 380/220 или 208/115 В, 400 Гц (без пневмо- и гидропривода постоянной частоты вращения) и в) - комбинированные; железнодорожных электропоездов с питанием от высоковольтных сетей постоянного (3*' кВ) или переменного (25 кВ, 50 Гц) тока, а также дизель-электропоезда с распределительной системой 750 В. Рассмотренные электротехнические комплексы могут иметь самостоятельное значение и быть рекомендованы для перспективных транспортных средств; однако использованы в работе в качестве наглядных примеров применения результатов исследований.

Представленная диссертация выполнена на базе многолетних НИР, проведенных Московским авиационным институтом по хозрасчетным и госбюджетным темам для следующих предприятий авиационной, оборонной, транспортной, электротехнической и радиотехнической промышленности.

Цель диссертационной работы систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных средств обеспечения электроэнергетической совместимости (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) с высоковольтным питанием (автономным или сетевым) для сокращения сроков и повышения качества проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Систематизация и повышение эффективности средств обеспечения совместимости ТЭО по видам и параметрам электропитания, по мощностным и энергетическим показателям, в частности - разработка универсальных способов, схемотехнических решений и законов ре-

гулирования обратимого, многорежимного, энергоэкономичного преобразования и бездуговой коммутации с учетом высоковольтного питания

2. Систематизация и повышение эффективности средств улучшения качества электроэнергии на зажимах первичного и вторичного питания, а также линейных, нелинейных и им-пульсно-циклических нагрузок, в частности выявление типовых и разработка универсальных способов, схем и законов управления.

3 Выбор и обоснование комплексов типовых средств обеспечения ЭЭС для перспективных самолетных систем электроснабжения с повышенной суммарной установленной мощностью (в частности - в соответствии с концепцией "самолетов с полностью электрифицированным оборудованием" (СПЭО))

4 Выбор и обоснование комплексов типовых средств обеспечения ЭЭС для перспективных импульсных систем управления бортовыми исполнительными электроприводами и высоковольтными стартер-генераторами, а также тяговыми электроприводами сетевого транспорта

5 Систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных схемотехнических и конструктивных решений для средств защиты ТЭО от аварийных режимов и мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ молнии и коммутационных).

6 Разработка методик математического моделирования, расчета основных характеристик и алгоритмов оптимального регулирования рабочих и переходных процессов в устройствах обеспечения ЭЭС ТЭО

7. Практическая реализация теоретических, схемотехнических и конструктивных решений, экспериментальные исследования, разработка рекомендаций по проектированию и опытно-промышленное освоение высоковольтной преобразовательной, защитно-коммутационной и измерительно-диагностической аппаратуры

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы, общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая теорию поля, теорию четырехполюсника, метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, методы гармонических составляющих и спектрального анализа; общепринятые в теории автоматического регулирования аналитические методы, включая методы вариационного исчисления и обеспечения инвариантности. Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов аналитического и компьютерного моделирования (программно-вычислительного и "квазианалогового") подтверждена экспериментальными исследованиями на физических макетных моделях и опытных образцах, проведенными на испытатель-

ных стендах и полигонах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях эксплуатации.

Научная новизна. Обобщенным конечным новым научным результатом диссертационной работы является развитие теории электроэнергетической совместимости транспортного электрооборудования в аспекте высоковольтности питания, а именно - систематизация, обобщение и многокритериальный анализ эффективности, разработка методик моделирования и законов регулирования высоковольтной преобразовательной, защитно-коммутационной и измерительно-диагностической аппаратуры.

На базе анализа существующих подсистем и узлов ТЭО выбраны и обоснованы критерии оценки эффективности, систематизированы средства обеспечения ЭЭС, выделены типовые из них для каждого вида транспорта, выявлены недостатки базовых средств, сдерживающие совершенствование ТЭО, разработаны нетрадиционные универсальные высокоэффективные способы преобразования, коммутации, защиты и соответствующие базовые структурные решения; предложены расчетно-аналитические, программно-вычислительные, модельно-компьютерные методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов, адекватные задачам разработчиков и исследователей.

При этом получены следующие конкретные новые научные результаты:

- выбраны, сгруппированы и обоснованы критерии оценки ЭЭС ТЭО с высоковольтным автономным и сетевым питанием;

- произведена систематизация подсистем, узлов и элементов транспортных электроэнергетических комплексов и предложен вариант алгоритма их начального структурного построения, соответствующий задачам ЭЭС;

- разработан новый универсальный способ обратимого деления (умножения) постоянного и переменного напряжения путем последовательной импульсной перекачки энергии (транспортировки заряда) по звеньям емкостного делителя, позволяющий с помощью относительно низковольтных ключей осуществить двустороннюю связь между каналами с произвольно изменяющимися уровнями знакопостоянного напряжения;

- предложены новые принципы обеспечения бездугового расцепления в сетях постоянного (квазипостоянного) повышенного напряжения (КППН): с плавающими потенциалами;

-предложены новые принципы плавного регулирования эквивалентной электроемкости конденсаторных батарей переменного тока для регулируемой компенсации реактивной мощности, самовозбуждения реактивных и асинхронных электрических машин, регулирования (самонастраивания) резонансных фильтров,

- разработаны новые универсальные способы многорежимного обратимого прямоходо-вого двуполярного конвертирования (циклоконвертирования) для обеспечения энергоэкономичной двусторонней совместимости питающих каналов постоянного и (или) переменного тока,

- систематизированы и проанализированы причинно-следственные связи показателей качества электроэнергии с источниками возмущений и характеристиками СЭС, а также меры и средства их улучшения, позволяющие осуществить системный подход к их применению и оценке эффективности,

- предложено использование поперечной емкостной компенсации для обеспечения параметрической стабилизации (инвариантности) напряжения при глубоком варьировании нагрузки,

- проведены систематизация и многокритериальный анализ известных и разработанных структур вторичных источников импульсного питания, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения, сформулированы критерии их оценки и выявлены рациональные структуры,

- предложены способ повышения чувствительности и точности измерения магнитных полей гальванометрическим методом, основанным на эффекте Суля, а также способ его использования для трехкоординатных измерений вектора Пойнтинга,

- систематизированы и проанализированы методы индукционного измерения стационарных электрических полей с электромеханическим модулированием, разработан способ трехкоординатного измерения вектора напряженности при сферической форме зонда,

- систематизированы меры и средства обеспечения ЭМС и стойкости к мощным ЭМИ электрооборудования автономных систем, имеющие и самостоятельное значение,

-предложено нетрадиционное программно-вычислительное моделирование синхронных и синхронно-вентильных машин с учетом емкостной компенсации, адекватное задачам управления в переходных режимах и анализа показателей качества электроэнергии,

- предложены математические модели процессов снижения колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах с помощью демпфирующего симисторного коммутатора,

К теоретическим результатам, полученным расчетно-аналитическими методами и рекомендуемым для использования при проектировании и исследовании следует отнести следующие законы и соотношения:

- упрощенное эквивалентное уравнение Коши для переходного процесса в синхронном генераторе с продольной емкостной компенсацией и его частное решение для процесса подключения к выпрямительно-емкостной нагрузке,

- алгоритмы квазиинвариантного регулирования одно-, двух- и трехкаскадных синхронно-вентильных генераторов, обеспечивающие высокую стабильность выходного напряжения при коммутациях нагрузки;

- квазиоптимальные законы управления демпфирующим симисторным коммутатором, позволяющие упростить и повысить эффективность снижения колебаний напряжения;

- расчетно-аналитические соотношения и выражения для основных характеристик пассивно-компенсирующих средств подавления возмущений качества электроэнергии - фильтрокомпен-сатора и разветвляющего компенсирующего трансформатора;

- оптимальный по КПД закон управления комбинированным ВИИП - как результат решения вариационной задачи с помощью уравнения Эйлера;

- квазиоптимальный по электроэнергетической экономичности алгоритм двухканального импульсного управления разгоном тягового привода постоянного тока с ограничением потребляемой мощности, позволяющий минимизировать установленную мощность двигателя и преобразователя и повысить коэффициент их использования;

- выражение для итогового энергетического критерия эффективности дугогашения при размыкании цепей постоянного тока;

- приближенное выражение для импульсной силы воздействия на размыкающий якорь аварийного активного быстродействующего выключателя;

- выражения для основных метрологических характеристик датчиков электромагнитной обстановки: порогового дифференциального датчика постоянного тока и трехкоординатных индукционных датчиков ЭМИ и электростатического поля.

Практическая ценность работы. Обобщенным практическим результатом является модернизация и повышение эффективности схемотехнической базы для проектирования . высоковольтной преобразовательной, защитно-коммутационной и измерительно-диагностической транспортной аппаратуры. Это позволяет сократить сроки и повысить качество проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов, устранив противоречие между снижением транспортируемой массы (а следовательно - приведенной стоимости) и сохранением высокой надежности ТЭО. Разработаны рекомендации по проектированию подсистем и узлов, а также выбору схем и конструкций элементов, включая вновь разработанные, компьютерных моделей, расчетных выражений и алгоритмов управления. Реализованы и испытаны макетные и опытно-промышленные образцы, созданы испытательные стенды. Часть устройств внедрены в серийное производство и в учебный процесс.

Более конкретно это заключается в следующем:

— разработан ряд новых типовых устройств, обеспечивающих: а) совместимость относительно низковольтных потребителей, резервных аккумуляторов и полупроводниковых ключей, а также бездуговых контакторов с высоковольтными цепями питания; б) совместимость каналов обратимого питания с произвольными уровнями и формами напряжения, включая т-фазные синусоидальное; в) плавное регулирование эквивалентной электроемкости конденсаторных батарей переменного тока; г) рекуперацию энергии в широком диапазоне скоростей, а также малые пульсации или нелинейные искажения напряжений на обмотках приводных электромашин (снижение тепловых потерь);

— предложена структура высоковольтного понижающего составного конвертора на базе параллельных автономных секций, содержащих последовательно-закольцованные нерегулируемые трансформаторно-инверторные ячейки, позволяющая по сравнению с известными моноблочными и этажерочно-модульными аналогами: а) гибко наращивать установленную мощность; б) обеспечить надежное и динамически устойчивое самовыравнивание напряжений ячеек; в) обеспечить взаиморезервирование секций, высокие живучесть и ремонтопригодность; г) исключить "сквозные сверхтоки" в транзисторных парах; д) повысить помехозащищенность; схемы нерегулируемых трансформаторно-инверторных ячеек имеют самостоятельное значение, в частности - в варианте повышающего конвертора с коллекторно-щеточным ключом, позволяющим в несколько раз снизить тепловые потери при питании от низковольтного аккумулятора,

-разработана нетрадиционная структура нелинейно-статической схемы управления параллельными регуляторами тока, обеспечивающая по сравнению с известными схемами статического регулирования более высокую точность самовыравнивания токов (порядка 3-5%), более высокое быстродействие (несколько мс), более широкую зону динамической устойчивости и может быть рекомендована для управления параллельной работой каналов генерирования или несколькихВИП,

— существенно модернизированы и вновь разработаны следующие средства улучшения качества электроэнергии: а) фильтрокомпенсирующий повторитель переменного напряжения; б) трансформаторный и непосредственный вольтодобавочные стабилизаторы сетевого переменного напряжения; в) обратимый выпрямительнсьемкостный ограничитель всплесков переменного напряжения; г) разветвляющий компенсирующий трансреактор; д) двухрежимный корректор-регулятор мощности, которые способны улучшить известные показатели качества электроэнергии не только на распределительных устройствах, но и в подсистеме регулирования;

-разработан ряд вторичных источников импульсного питания, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения в заданных нормах, их основные характеристики сведены в сравнительную таблицу, рекомендованную для разработчиков; помимо них разработаны

три нетрадиционные схемы бестрансформаторных генераторов мощных импульсов тока с секционированным емкостным накопителем, демпфирующие потребляемую из сети мощность, обладающие высокой массо-энергетической и надежностной эффективностью и высокой точностью регулирования; они могут быть рекомендованы для применения в бортовых лазерах, ионно-плазменных двигателях, системах зажигания, антиобледенительных вибраторах, источниках питания проблесковых огней и средствах радиоэлектронной борьбы;

-разработаны три варианта структур авиационных систем электроснабжения с распределенным преобразованием для перспективных самолетов с большой электроэнерговооруженностью (в соответствии с известной концепцией "самолетов с полностью электрифицированным оборудованием"), которые помимо известных достоинств аналогичных структур - отсутствие гидро- и пневмопривода постоянной частоты вращения, малая транспортируемая масса, способность параллельного включения каналов питания - имеют по сравнению с аналогами следующие дополнительные преимущества: рекуперация энергии торможения электроприводов; высокое качество электроэнергии в статических и динамических режимах; унификация структурных и схемных решений; бездуговая и безыскровая коммутация в цепях постоянного повышенного напряжения; минимальные реактивные мощности и тепловые потери; замена высоковольтных, но низкочастотных тиристоров относительно низковольтными IGBT-транзисторами(снижение массы моточных элементов); эффективное резервирование и подпитка пиковых нагрузок с помощью низковольтных аккумуляторов; исключение энергоемких фильтров (снижение массы и пожаро-опасности);

- разработаны и обоснованы комплексы средств обеспечения ЭЭС для перспективных систем импульсного управления исполнительными электродвигателями, тяговыми приводами сетевого транспорта и высоковольтными стартер-генераторами, удовлетворяющие следующим выбранным базовым критериям: а) обратимость преобразования (рекуперативное и динамическое торможение, генераторный режим) в широком скоростном диапазоне; б) минимальные значения коэффициентов пульсации и несинусоидальности напряжения (для минимизации тепловых потерь в двигателях); в) исключение пусковых резисторов, громоздких низкочастотных трансформаторов и энергоемких фильтров; г) защита двигателей от сверхтоков и перенапряжений, но без ограничительного шунтирования питающей сети постоянного тока (сохранение способности дугогашения в контакторах); помимо использования на ЛА предложенные схемы могут найти применение в электропоездах, в частности - в перспективных высокоскоростныхдое из предложенных структур являются универсальными в силу пригодности для обеих железнодорожных сетей, применяемых в РФ и странах СНГ (±3*' кВ и 25 кВ, 50 Гц),

- модернизированы и разработаны заново следующие схемотехнические и конструктивные средства защиты ТЭО от аварийных режимов, позволяющие предотвратить или существенно ослабить действие коротких замыканий, импульсных перенапряжений, перегрузок, перерывов питания и утечек тока в изоляции: а) схемы бездугового расцепления и устройства разгрузки контакторов для высоковольтных цепей тягового электропривода, позволяющие существенно увеличить срок службы высоковольтной коммутационной аппаратуры, повысить их надежность и снизить эксплуатационные расходы; б) схема активного форсирующего устройства для аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя (БВ) с блоком ранней диагностики, позволяющие существенно (втрое и более) снизить время отключения, причем в обоих направлениях питания, а главное - предотвратить пожары и короткие замыкания по сигналу утечек в изоляции; в) схемно-конструктивные способы повышения эффективности дугогасительной камеры БВ, позволяющие существенно (вдвое и более) повысить предельную и снизить критическую коммутационную способность, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы; г) распределенный блок защиты от коммутационных и молниевых ЭМИ;

-предложены средства прогнозирования и диагностики ЭМИ молнии, использующие информацию о пространственном и временном изменении вектора напряженности электрического поля вблизи транспортного средства, а также о направлении и динамике изменения интенсивности ЭМИ от импульса к импульсу, которые позволяют проектировать простые и надежные бортовые датчики указанных параметров для определения электромагнитной грозовой обстановки и принятия решения о защите от ЭМИ, к ним относятся индукционные трехкоординатные магнитометрические, электрометрические и электромеханические датчики;

- предложены расчетно-аналитические, программно-вычислительные, "квазианалоговые" компьютерные модели, методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов в рассматриваемых устройствах при их взаимодействии, позволяющие выбирать из них наиболее адекватные задачам исследования и проектирования ТЭО с высоковольтным питанием; по сравнению с известными моделями они позволяют существенно сократить сроки моделирования, обеспечивая достаточную точность;

- предложены расчетные соотношения и рекомендации по проектированию предлагаемых устройств; созданы макетные и опытные образцы исследованных устройств для нужд авиационной, оборонной и железнодорожно-транспортной техники, а также для использования в учебном процессе; подготовлены к серийному производству: а) авиационно-бортовые вторичные источники импульсного питания; б) высоковольтные транзисторные статические преобразователи (конверторы) для электропоездов постоянного тока; в) активные форсирующие устройства (АФУ)

и модернизированные дугогасительные камеры аварийных высоковольтных быстродействующих выключателей (БВП-105ТС); г) ВИЛ для непрерывных лазеров.

Полученные результаты легли в основу 20 внедренных изобретений, новизна и положительный эффект которых подтверждены патентами Российской Федерации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы легли в основу опытного и серийного выпуска и ОКР следующих отечественных комплексов: авиационные дальномеры и прицельные системы для самолетов; системы электроснабжения самоходных наземных комплексов и широкофюзеляжных самолетов; высоковольтная коммутационная аппаратура и вторичные источники электропитания для электропоездов постоянного тока, стационарные высоковольтные вторичные источники питания импульсных и непрерывных лазеров, имитаторы и измерители параметров мощных электромагнитных импульсов молнии и поверхностно-электризационных разрядов, бортовые источники преднамеренных электромагнитных возмущений, системы распознавания подвижных объектов по электромагнитным излучениям и др.

Результаты работы являются основой курса "Электротехническая совместимость комплексов ЛА" и смежных курсов, читаемых на кафедре "Теоретическая электротехника" МАИ, входят в состав курсовых и дипломных работ и использованы аспирантами и соискателями, руководимыми автором, вошли в материалы учебного пособия с грифом Минобразования РФ и семи учебных пособий (издательство МАИ).

Апробация работы. Теоретические положения диссертационной работы апробированы на 23 международных и отечественных научно-технических симпозиумах и конференциях:

1) X Международный Вроцлавский симпозиум по ЭМС "ЭМС-1990". (г. Вроцлав, 1990).

2) Electrotechnicky casopis, Rocnic 42,1991, Bratislava.

3) Proceedings ofthe First MA1/BUAA International Symposium on Automatic Control, Beijing, China, 1992.

4) Международный симпозиум по электромагнитной совместимости ЭМС 93 (г. Санкт-Петербург, 1993).

5) Международная конференция "Авиация - пути развития" (г. Москва, 1993 г.).

6) Всероссийская научно-практическая конференция "Высшая школа России и конверсия" (г. Москва, 1993 г.).

7, 8) International Symposium on Automatic Control; Control Systems (Moscow, MAFBUAA. 1993,1997).

9) Международный симпозиум по системам автоматики (Пекин, ноябрь, 1995 г.).

10) Третий международный симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии (г. Санкт-Петербург, 1997г.).

11) Научные чтения, посвященные 150-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского (г. Москва, 1997 г.).

12, 13) Международный симпозиум по электромагнитной экологии "ЭМС-95-ЭМЭ" (г. Санкт-Петербург, 1995 г., 1997 г.).

14-19) Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации (г. Алушта, Украина, 1996 г., 1997 г., 1998 г., 1999 г., 2002 г., 2004 г.).

20) Пятая российская научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1998 г.).

21) Международная конференция и выставка "Авиация и космонавтика-2003" (г. Москва, ноябрь 2003 г.).

22) 15th International Zurich Symposium Technical Exhibition on electromagnetic Compatibility (Zurich, 2003, February).

23) Восьмая российская научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность" ЭМС-2004 (г, Санкт-Петербург, сентябрь 2004 г.).

Опытные и серийные образцы разработанных устройств участвовали в 3" международных и всероссийских выставках:

1) Выставка Всероссийской научно-практической конференции "Высшая школа России и конверсия" (г. Москва, 1993 г.).

2) 1* Международная специализированная выставка "ИнтерСвет'95" (г. Москва, ноябрь 1995 г.).

3) Trans Russia-2001 (г. Москва, март 2001 г.).

Публикации . Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 81 печатных работах, в их числе 21 патент РФ на изобретение. Их список (кроме публикаций в сб. трудов перечисленных симпозиумов и конференций) приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4* глав, заключения, списка использованных источников и 4х приложений. Основная часть диссертации содержит 390 страниц машинописного текста, включая 136 рисунков и11 таблиц. Список литературы включает 63 наименования, в том числе 5 на иностранных языках. Приложения имеют объем 100 страниц. Общий объем диссертационной работы составляет 498 страниц.

Краткое содержание работы

Во введении определена решаемая научно-техническая проблема, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи диссертации, показана ее научная новизна и практическая ценность результатов, дана информация о структуре, апробации, публикациях и практическому использованию материалов диссертационной работы.

В первой главе рассмотрена электроэнергетическая совместимость транспортного оборудования с автономным высоковольтным питанием.

В качестве обобщающих примеров решения основных задач обеспечения ЭЭС ТЭО с автономным высоковольтным питанием выбраны разрабатываемые во многих странах самолеты с так называемым "полностью электрифицированным оборудованием" (без гидро- и пневмоприводных вспомогательных подсистем), три рациональные самолетные структуры СЭС: а) типа "переменная скорость-стабильная частота" (ПССЧ); б) постоянного повышенного напряжения (ППН) и в) комбинированная постоянно-переменного тока.

Их анализ выявил необходимость систематизации и повышения эффективности средств обеспечения совместимости бортового электрооборудования по видам и параметрам электропитания, по мощностным и энергетическим показателям, в частности, - разработки универсальных способов, схемотехнических решений и законов регулирования обратимого, многорежимного, энергоэкономичного преобразования и бездуговой коммутации. Это относится к подсистемам генерирования, преобразования и распределения электроэнергии.

Для решения вышеуказанной первой (основной) задачи сначала были выбраны, сгруппированы и обоснованы критерии оценки ЭЭС ТЭО с высоковольтным питанием, затем проведена систематизация узлов и элементов ТЭТК и предложен вариант алгоритма их начального структурного построения. При выборе в качестве основных критериев - обратимости, многорежимности и энергоэкономичности преобразования особенно учитывалась необходимость обеспечения для перспективных импульсных систем электроприводов рекуперации энергии в широком диапазоне скоростей, а также малые пульсации или нелинейные искажения напряжений на обмотках электромашин (снижение тепловых потерь).

На основе проведенного анализа совместимости электромашинных генераторов с транспортной сетью переменного тока стабильной частоты без гидро- и пневмопривода постоянной частоты вращения (ППЧВ) предложена систематизация соответствующих автономных подсистем генерирования. Показана рациональность распределенного преобразования типа ПССЧ (рис. 2), ППН (рис. 3) и комбинированного (ППН-ПССЧ).

Рис. 2. Упрощенная структура системы элек- рис 3 Упрощенная структура распределенной

троснабжения трехфазного переменного тока подСистемы генерирования постоянного повы-

с распределенным преобразованием ПССЧ на шенного напряжения базе трехфазных циклоконверторов .

Разработан новый универсальный способ обратимого деления (умножения) постоянного напряжения (ОДПН) для обеспечения совместимости относительно низковольтных потребителей и полупроводниковых ключей с высоковольтным питанием и двусторонней связи Между каналами постоянного я (или) переменного тока. Он основан на двух вариантах структур- преобразователей с конденсаторным активным делителем напряжения (АДН): а) с импульсными бестрансформаторными регулируемыми обратимыми конверторами (РОК) (рис. 4); б) с последовательно-закольцо' ванными трансформаторно-инверторными ячейками, например, на базе нерегулируемых инверторов тока (НИТ) (рис. 5).

Предложен также другой универсальный способ многорежимного обратимого прямоходово-го двуполярного конвертирования (ОПДК) для обеспечения энергоэкономичной двусторонней совместимости питающих каналов постоянного и (или) переменного тока. Он основан на двух вари-

Рис. б. Схема двухмодумторного обрати-

антах схем с переменными многорежимными

мого прямохооового двуполярного конвертора (ОПДК) (с возможным мостовым ре- структурами: а) одно- двухмодуляторном ОПДК

версурованием) , _

г (рис. 6), снабженном при необходимости мосто-

вым реверсором (МР) и б) многомодуляторном обратимом конверторе или циклоконверторе (см., например, Б713_16 на рис. 7 или рис. Не).

Указанные базовые схемотехнические решения представляются универсальными, т.к. позволяют с помощью относительно низковольтных электронных ключей:

- реализовать распределенные системы типов ПССЧ и ППН (рис. 2 и 3), а также новые виды распределительных систем "квазипостоянного повышенного напряжения" (КППН), совместимые с бездуговыми (бескамерными) контакторами, например, с двумя асинхронно плавающими однополярными потенциалами или с плавающим потенциалом коммутационной шины, а также комбинированные системы типа КППН-ПССЧ (рис. 7), т.е. тем самым обеспечить решение вышеуказанной третьей задачи;

- успешно применять в магистральных подсистемах генерирования простые и надежные нерегулируемые вентильные магнитоэлектрические генераторы (МЭГ);

- радикально упростить схемы и снизить массы фильтров для централизованных, групповых и индивидуальных бестрансформаторных инверторов и циклоконверторов с синусоидальным выходным напряжением (со ступенчатым питанием и высокочастотной ШИМ или с плавающими потенциалами, как на рис. 7);

- обеспечить многорежимностью схемы высоковольтных тяговых электроприводов (с рекуперативным торможением и при переменных соотношениях напряжений);

- реализовать структуру высоковольтного понижающего составного конвертора на базе параллельных автономных трансформаторно-конверторных секций (рис. 5), позволяющую по сравнению с известными моноблочными и этажерочно-модульными аналогами гибко наращивать ус-

тановленую мощность, обеспечить взаиморезервирование, повысить устойчивость, надежность и ремонтопригодность;

- разработать плавный емкостно-модуляторный регулятор (ЕМР) переменного тока для обратимого деления переменного напряжения, возбуждения реактивных и асинхронных машин, компенсации реактивной мощности, повышения качества электроэнергии и т.п.;

- радикально упростить структуры обратимых преобразователей, обеспечивающих двустороннюю связь между каналами постоянного и (или) переменного тока; при этом можно обеспечить энергэкономичные прямоходовые режимы импульсного преобразования и сокращение числа высоковольтных-дорогостоящих полупроводниковых модуляторов (МУК на рис. 6), например /ССГ-тиристоров.

К вспомогательным оригинальным авторским разработкам, также помогающим решить вышеуказанные задачи, можно отнести: схемы высоконадежных (особенно при высоких и осциллирующих потенциалах относительно корпуса) нерегулируемых трансформаторных конверторов на базе полумостового инвертора напряжения с защитными реакторами или однотактных инверторов тока (например, на рис. 8); структуру "нелинейно-статической" схемы управления параллельными источниками электропитания (рис. 9), обеспечивающую высокое быстродействие при высокой точности самовыравнивания токов и устойчивости; структурные и конструктивные решения для электромашинных подсистем генерирования; коллекторно-щеточный вариант трансформаторного конвертора (КК на рис. 8) для обеспечения совместимости аккумулятора с сетью ППН; структуры и схемы импульсного регулирования для исполнительных приводов и высоковольтного стартер-генератора постоянного тока, в соответствии со сформули-ровануыми критериями эффективности (частичное выполнение вышеуказанной четвертой задачи)

ССл

Л.

»•»i acira (

%

ССл

'"-'А*

I

гЙ-QSF^

Рис. 8: Схема нерегулируемого'трансформаторного конвертора на базе двух однотактных инверторов тока

.-Ци}

\ат

Рис. 9. Структура "нелинейно-статической" схемы управления параллельными источниками электро-■ питания.

Во второй главе рассмотрена электроэнергетическая совместимость транспортного оборудования с сетевым высоковольтным питанием.

К базовым ограничительным критериям отнесены: применение рекуперативного и динамического электроторможения в широком диапазоне скоростей, а также отсутствие шунтирующих сеть энергоемких конденсаторов и варисторов, затрудняющих размыкание аварийных выключателей в цепях питания параллельных потребителей. Приведен пример сравнительного многокритериального анализа электроприводов для электропоездов с реостатно-контроллерным и с импульсным регулированием.

Систематизированы параметры и проанализированы пути повышения эффективности высоковольтных быстродействующих выключателей постоянного тока (БВ), которую можно приближенно оценить величиной минимальной энергии дуги, рассеиваемой в дугогасительной камере:

Л в —I/ 7» . Аст/р _ ¿сст/о

Д1ЛШ 2 сети О ГШ! 2 ~ 2 ¡С —1*

где кц" £/длии/^сст'- кратность квазистабильного напряжения дуги.

Для решения второй части вышеуказанной четвертой задачи выполнено следующее. Разработана нетрадиционная переходная структура десятирежимного импульсного тягового электропривода с комбинированным резистивно-транзисторным контроллером. Структура предусматривает поэтапно-преемственный переход (с минимальным риском внедрения) к импульсному регулированию электропоездов постоянного тока с относительно высоковольтными двигателями (на 1500 В), не имеющих электроторможения. Предложена также принципиально новая структура двухканального импульсного тягового электропривода на базе ОДПН и контакторного бездугового и безреостатного контроллера. Структура может быть использована на окончательном этапе модернизации тех же электропоездов, не имевших ранее электроторможения. В Приложении приведены конкретные поэтапные принципиальные схемы.

Предложена оригинальная структура четырехканального импульсного тягового электропривода на базе секционированного ОДПН (рис. 2) и последовательных регулируемых обратимых конверторов (РОК) с использованием относительно низковольтных двигателей (на 750 В для сети ±3 кВ). Структура предложена для модернизации электропоездов с электроторможением и предполагает отказ от реостатного контроллера.

Разработаны две новые перспективные структуры универсальных четырехканальных импульсных тяговых электроприводов с питанием по выбору от любой из сетей переменного или постоянного тока (~25/=3 кВ) на базе последовательно-модульных каскадных преобразователей, не содержащие громоздких низкочастотных трансформаторов. В состав первой из них (с двигателями постоянного тока) входят обратимый управляемый выпрямитель-инвертор тока, высоковольтный

реверсор, обратимые нерегулируемые инверторы тока-выпрямители, трансформаторы с повышенной промежуточной частотой, обратимые выпрямители-нерегулируемые инверторы тока, конденсаторы секционированного ОДПН и обратимые прямоходовые конверторы. Вторая структура, также с рекуперацией энергии торможения, на базе модульных каскадных преобразователей, а также с коррекцией потребляемой и рекуперируемой мощности, существенно отличается от первой структуры не только применением бесколлекторных двигателей, но и более высоким коэффициентом мощности при питании от сети переменного тока (рис. 10). Структура рассчитана на применение /бВГ-транзисторов широкого назначения и может рассматриваться как наиболее перспективная, в особенности—для скоростных электропоездов и электролокомотивов.

Рекомендовано использование в качестве системы питания вспомогательных цепей и цепей усиления возбуждения тяговых электродвигателей сетевого транспорта вышеописанного составного понижающего конвертора с параллельными автономными многоячейковыми секциями на базе активного делителя постоянного напряжения (с промежуточным звеном повышенной частоты) (рис. 5). К его существенным отличиям от известных многоблочных или этажерочно-модульных аналогов, например, фирмы "Siemens" (Германия) относятся следующие: он содержит произвольно наращиваемое в зависимости от требуемой установленной мощности число параллельных автономных секций-стоек; каждая секция-стойка содержит однотипные последовательные закольцо-ванно-самовыравнивающиеся трансформаторные нерегулируемые ячейки, которые самоуправляемы, не имеют помехочувствительных цепей обратной связи и единой системы синхронизации; для исключения "сквозных токов" и насыщения трансформаторов в качестве звеньев повышенной частоты ячеек применены инверторы тока, например, оригинальные высоконадежные и экономичные парно-однотактные, или инверторы напряжения с оригинальными защитными реакторами; применен ряд специальных мер по защите от перенапряжений и обеспечению ЭМС.

Для решения первой части вышеуказанной пятой задачи выполнено следующее.

Разработаны (в соавторстве) и исследованы две схемы бездугового расцепления (СБР) высоковольтных цепей тягового электропривода постоянного тока. Первая схема предназначена для электроприводов с последовательно-параллельным переключением тяговых двигателей и способна освободить мостовой контактор от дугогасительной камеры. Вторая схема способна освободить быстродействующие контакторы защиты, а также линейные и другие высоковольтные контакторы постоянного тока от дугогасительных камер и предназначена для тяговых электроприводов с электроторможением. Разработка позволяет при комплексном применении устройств разгрузки контакторов (УРК) существенно увеличить срок службы контакторов, повысить надежность и снизить эксплуатационно-ремонтные расходы.

Предложен новый способ автоматического быстродействующего выключения постоянного тока и разработана схема активного форсирующего устройства (АФУ) для аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя (БВ). Его применение позволяет не только существенно снизить время отключения короткого замыкания (КЗ) и перегрузки, БО главное - предотвратить пожары и КЗ по сигналу даже о малозначительной утечке тока в изоляции/Кроме того, обеспечивается реверсивность БВ, т.е. использование его также в режиме рекуперативного торможения. Предложено использование АФУ для модернизации силовых электромагнитных контакторов.

Рис. 10. Универсальный четырехканальный импупьсно-асинхронный тяговый электропривод ~/= (25/3 кВ) с рекуперацией энергии торможения на базе модульных каскадных обратимых преобразователей с коррекцией мощности

Разработан пороговый дифференциальный датчик постоянного тока на базе насыщаемого трансформатора в цепи резонансного контура для применения в составе блока ранней диагностики в цепи управления АФУ БВ. Стендовые испытания датчика показали его высокую эффективность по чувствительности (1...2%), быстродействию (0,1...0,2 мс), стабильности (в диапазоне температур от -40 до +70 °С) и помехоустойчивости при измерениях утечек в цепях силовых токов до 400 А при потенциалах до 12 кВ.

На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований различных способов повышения эффективности двухщелевой дугогасительной камеры высоковольтного БВ предложены оригинальные технические решения: применение' профилированных рабочих деионных решеток в зоне дугового потока, а также внешних дублирующих и стабилизирующих шин. Это

позволяет существенно повысить предельную и снизить критическую (минимальную) коммутационную способность БВ, повысить износостойкость камер и продлить срок их службы.

Предложено использование распределенного блока защиты тяговой схемы от сетевых высоковольтных коммутационных и молниевых импульсов. В комплексном сочетании с вышеописанными устройствами он позволяет помимо самой защиты: исключить разрядку и перезарядку фильтрового конденсатора через место КЗ в соседней аварийной секции; снизить его энергоемкость, исключить индуктивные шунты и т.д.

Третья глава посвящена улучшению качества электроэнергии и прогнозированию мощных электромагнитных импульсов молнии в транспортных комплексах, т.е. решению второй и частично пятой из вышеупомянутых задач.

На базе анализа причинно-следственных связей показателей качества электроэнергии с источниками возмущений и характеристиками СЭС произведена систематизация мер и средств улучшения качества электроэнергии СЭС, позволяющая осуществить системный подход к данной проблеме, выделить недостаточно исследованные, но по принципу действия эффективные средства и сформулировать задачи по повышению их эффективности, модернизации и разработке новых.

Известная схема вольтодобавочного трансформаторного стабилизатора сетевого переменного напряжения (рис. На) модернизирована путем использования обратимого прямоходового циклоконвертора (ОПЦК), Роль которого выполняет ОПДК. Схема позволяет обеспечить высокую точность-стабилизации с сохранением формы напряжения, при высоком КПД и приемлемых мас-согабаритных характеристиках.

В качестве модернизации известных выпрямительно-варисторных или полупроводниковых ограничителей всплесков переменного напряжения предложена нетрадиционная схема обратимого выпрямительно-емкостного ограничителя (рис. 116) на базе обратимого трехфазного инвертора тока-выпрямителя В отличие от известных схема может демпфировать большие

импульсные мощности, не имеет ограничений по числу циклов срабатываний, не требует интенсивного охлаждения и имеет высокую точность ограничения.

Предложено использование (при определенном сочетании параметров) поперечной емкостной компенсации в качестве нетрадиционного фильтрокомпенсирующего повторителя переменного напряжения (рис. 11в). Помимо известного шунтирования высших гармоник, генерируемых источником или нелинейной нагрузкой он обеспечивает параметрическую стабилизацию (инвариантность) напряжения при глубоком варьировании нагрузки.

Предложено нетрадиционное использование двухобмоточного дросселя в качестве разветвляющего компенсирующего трансреактора (РКТ на рис. 11г), позволяющего расщепить общий канал питания переменного тока на раздельные каналы питания нелинейных нагрузок (РУнн) и ли-

нейных нагрузок с высоким качеством электроэнергии (РУлн)- Выведено соответствующее условие инвариантности формы напряжения второго канала при воздействиях со стороны нелинейных нагрузок.

Предложена схема двухрежимного корректора мощности, потребляемой выпрямительной нагрузкой от сети переменного тока (рис. 11д), в отличие от известных позволяющая в прямоходо-вых режимах работать при любом соотношении напряжений. На рис. Не приведена структура непосредственного вольтодобавочного циклоконвертора (ВДЦК) с амплитудно-фазовой и гармонической коррекцией напряжения. При относительно низких рабочих частотах последняя схема выигрывает по массе и габаритам по сравнению с первой.

Проведенный анализ совместимости вторичных источников импульсного питания (ВИИП) с бортовой сетью переменного тока позволил систематизировать ВИИП, обеспечивающие сохранение качества сетевого напряжения. Рассмотрены рациональные схемы ВИИП и технические требования к ним, сформулированы критерии их оценки. Составлена сравнительная таблица основных характеристик ВИИП рассмотренных типов, полученная на базе многолетних расчетных, экспериментальных и натурных исследований.

Разработаны оригинальные структуры и схемы бестрансформаторных генераторов мощных импульсов тока-(ГИТ) с демпфированием потребляемой мощности (рис. 12): с секционированным накопителем, умножением напряжения и рекуперацией избыточной отсекаемой энергии. Схемы обеспечивают высокую массо-энергети-ческую и надежностную эффективность, высокую точность регулирования выходных параметров в широких пределах и удовлетворительное сохранение

качества электроэнергии питающей сети. Генераторы могут найти широкое применение для питания перспективных бортовых лазеров, ионных и плазменных двигателей, антиобледенительных вибраторов, источников проблесковых огней и средств радиоэлектронной борьбы.

Для завершения решения вышеуказанной пятой задачи выполнено следующее.

Анализ характеристик электромагнитных импульсов (ЭМИ) молний и средств измерения их параметров по- №. Схема бестрансформаторного генератора мощных импульсов то-

зволил сформировать требования к средствам их прогнозирования и диагностики. Для этого используется информация о пространственном изменении вектора напряженности электростатического поля вблизи транспортного средства, а также о динамике нарастания интенсивности ЭМИ от импульса к импульсу. Предложены схема и конструкция гальваномагнитного (магнитополупроводникового) датчика, основанного на эффекте Суля, по сравнению с датчиками Холла обеспечивающие высокие показатели чувствительности и точности измерения импульсного магнитного поля. На его базе разработаны комбинированные измерительные преобразователи (датчики) импульсного электромагнитного поля в электрический сигнал, содержащие трехкоординатные ферроконцентрато-ры. Подобный датчик способен измерять направление и модуль вектора Пойнтинга при диагностировании ЭМИ молнии. Рассмотрены варианты схем электро- и магнитодинамических датчиков с интеграторами и обобщены их передаточные функции. Совместное использование вариантов позволяет расширить частотный диапазон и повысить точность измерений ЭМИ.

Анализ индукционных измерителей стационарных электрических полей с электромеханическими модуляторами позволил найти наиболее универсальную форму зонда для диагностического датчика грозовой обстановки - сферическую, позволяющую определить пространственное расположение грозовых облаков.

Разработаны оригинальные схема и конструкция трехко-ординатного датчика напряженности электростатического поля с электромеханическим модулятором и сферическим зондом (рис. 13). Повышение точности измерений по сравнению с известными конструкциями достигается не только за счет сферической формы зонда, но и за счет измерения трех составляющих вектора Ё по существу одним и тем же датчиком, атакже за счет импульсного усиления сигнала

Произведена систематизация и обобщение технических мер и средств обеспечения ЭМС и защищенности от мощных ЭМИ электрооборудования автономных систем.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию и алгоритмам регулирования устройств и процессов, т е. решению вышеупомянутой шестой задачи.

В работе показано, что в качестве единственно приемлемого компромиссного способа моделирования представляется разумное сочетание аналитических решений, программно-вычислительного и непосредственного компьютерного ("квазианалогового") моделирования (с использованием пакета программ и библиотек для готовых моделей элементов и узлов). При этом выбираемые виды моделирования должны был. адекватны конкретным задачам, в частност по мгновенным значениям, по гладким огиающим, сразличными уровнями упрощающихдопущений идр.

Разработаны методики программно-вычислительного моделирования синхронных и вентильных машин, адекватные задачам управления в переходных, режимах и анализа показателей качества электроэнергии: а) в Зх-фазных координатах - по мгновенным значениям на базе 8ми нелинейных дифференциальных уравнений для генератора и 16™ нелинейных алгебраических уравнений для схемы выпрямления, с использованием либо гладкой, либо дискретной вольт-амперной характеристики диода; б) в синхронных d, Л-координатах - по огибающим (гладким составляющим), на базе уравнений Горева-Парка и специально выведенных функций для коэффициентов преобразования выпрямителя по току и напряжению.

В первом случае использована следующая аппроксимация ВАХ вентиля

Во втором случае использована следующая система нелинейных уравнений для выпрями-тельно-емкостной нагрузки, приведенной к ортогональным осям й, д:

С целью использования тех же моделей для магнитоэлектрических генераторов предложены простые допущения (Л/j —► оо, rj —> О, U/ —» 0, Jy(0) * 0 (const)), обеспечивающие достаточную точность.

и соответствующие решения уравнений для выпрямителя.

V.j> = 'в =<1 +'з+'jугДе his =/uj('..'i.^J.

Uai = М)~. IB = 0.5-У+Ы + Ы)'где в функции ОТ Slgn^J, +/J

Разработаны алгоритмы инвариантного регулирования вентильных генераторов (ВГ): од-нокаскадного - с магнитоэлектрическим возбуждением и управляемым выпрямителем; двухкас-кадного - с магнитоэлектрическим возбудителем и вращающимся управляемым выпрямителем (с кольцевыми управляемыми трансформаторами); трехкаскадного - с синхронным возбудителем, магнитоэлектрическим подвозбудителем и неуправляемым вращающимся выпрямителем. При синтезе регуляторов использован метод разобщения дифференциальных уравнений.

Для однокаскадного ВГ система уравнений сведена к единому:

Г, -jr- + COS а(г2 + <0 Г3 +7*4 у, + г5 + cos а(г6 + ш Г7 )/„ - ш Г, cos а = 0.

Функциональное уравнение с учетом стабилизации

где ио - номинальное напряжение, / - коэффициент усиления регулятора, откуда получаем закон управления и соответствующую структурную схему для аналогового или алгоритм для

цифрового регулятора.

Аналогичным образом получены более громоздкие законы управления и более сложные структурные схемы регуляторов для двух- и трехкаскадного генераторов. Моделирование показало, что однокаскадные генераторы выигрывают по сравнению с трехкаскадными в быстродействии: по выходу на режим - в 7,1 раза; по восстановлению после сброса нагрузки - в 13 раз.

Проведено моделирование процессов снижения колебаний напряжения в автономных СЭС с помощью демпфирующего симисторного коммутатора. Помимо уравнений Парка-Горева для генератора использованы нетрадиционные простые выражения для ВАХ симисторов '

где £| •- прямое падение напряжения, Ег - ток утечки, обеспечивающие устойчивость решения при высокой точности. Для исключения операций дифференцирования при аналоговом моделировании система сведена к форме Коши:

РЫ.В.С [р^ -(,,),

где

Кроме того, использовано уравнение для статической системы регулирования

ЙН>

Моделирование позволяет оптимизировать законы управления и повысить эффективность устройств снижения колебаний напряжения.

Разработаны методики расчета параметров и эффективности средств подавления возмущений качества питающей электроэнергии:

а) поперечно-емкостной компенсации со стабилизацией напряжения линии электропередачи, с помощью теории четырехполюсника получены условие инвариантности напряжения относительно параметров нагрузки 1[гц — 0); соответствующие соотношения между параметрами кабеля и

компенсирующего конденсатора: Х^к =

+/2

опти-

I х1 х-

мизированы координаты подключения конденсатора по нескольким критериям минимизации установленных реактивных мощностей;

б) снижения искажений формы напряжения (при переменной нагрузке) с помощью поперечно-емкостной компенсации: исследованы частотные характеристики линии электропередачи:

с помощью спектральной функции с позиции теории фильтров, модернизированной с целью минимизации масс и габаритов элементов;

в) расчета разветвляющего компенсирующего трансформатора (РКТ). условие инвариантности формы (М = Ьс + Ьо), выражения для токов и напряжений гармоник на линейной нагрузке:

д.

НН«^)'

расчет переходных процессов для несольких случаев соотношения параметров.

Проведено моделирование и предложены алгоритмы регулирования вторичных источников импульсного питания (ВИИП). Для ВИИП с промежуточными емкостными накопителями (Си) и цредвключенным"дозат6ром решена вариационная задача определения оптимального по КПД закона управления зарядным инвертором. Она сведена к отысканию экстремали доставляющей минимум функционалу

c помощью уравнения Эйлера

которое приводит к эквивалентной системе

легко моделируемой на ЭВМ и позволяющей получить аналитические решения при дополнительных допущениях.

Предложены квазиоптимальные по электроэнергетической экономичности алгоритмы импульсного дуального управления разгоном тягового привода. Для отыскания обобщенной целевой функции регулирования - электромагнитного момента Mj-м = K^I,!,, доставляющей минимум энергетическим затратам (совпадающий с минимумом времени разгона /рш-), рассмотрены две итерации лимитирующих параметров: 1) U%Tm, Лшхо Лт«> М^ччт (т.е. Атад)! 2) те же и Ртах » (исключение "кругового огня", повышение ресурса щеточно-коллекторных узлов, ограничение установленной мощности преобразователя и двигателя). При второй итерации задача сведена к максимальному быстродействию при модулированном ограничении воздействия, например:

Д^тм^^-^-^сопр- Второй этап уп-(0

равнения формально сведен к дуальному инвариантному (рис. 14), а по существу - к однока-нальной стабилизации напряжения и мощности. Проведено расчетно-аналитическое моделирование процесса дугогашения в высоковольтных контакторах и быстродействующих выключателях постоянного тока. В качестве итогового критерия эффективности дугогашения выведено выражение для энергии дуги

или для глухого КЗ (ГЬщтр = 0, ЫЕ„„ = 0)"

Критерий отражаетрольтрех основныхфакгоров (начальноготока отключения, собственного времени размыкания и кратности напряжениядуги), атакже эффективность предложенныхразработок.

На основе расчетно-аналитического моделирования аварийного быстродействующего выключателя с активным форсирующим устройством получена зависимость импульсной силы воздействия на размыкающий якорь IР.—Л пт ттяпяллртппи гЬппгит/ютттргп vpтrюЙCTBa

р (нет-г)

размагничивающей катушке и демпфере якоря, полученные- операторным методом с применением теоремы разложения

На базе расчетно-аналитического моделирования дифференциального датчика постоянного тока с насыщаемым трансформатором в цепи резонансного контура получены расчетные соотношения, позволяющие проектировать подобные высокоэффективные датчики для раннего оповещения об утечке изоляции в системе прогнозирования аварийных, ситуаций.

Разработаны методики расчета импульсных индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков и их метрологических характеристик. Для расчета частотных характеристик датчиков мощных ЭМИ использованы обобщенные передаточные функции индукционных преобразователей (ИМП и ИЭП). ДвСО и Методики расчета дифференцированы

по критериям сохранения формы или амплитуды ЭМИ.

Приближенный анализ рабочей характеристики индукционного электромеханического датчика напряженности электростатического поля (для измерения параметров грозовой электромагнитной обстановки) основан на описании периодического емкостного параметрического генерирования в присутствии источника тока смещения.

В Приложениях описаны практическая реализация базовых теоретических и схемотехнических разработок, экспериментальные исследования, опытно-промышленное освоение и рекомендации по проектированию

В ТТЛ приведены описания макетов, моделей и результатов исследований .систем электроснабжения и вторичных источников питания, в частности серийных образцов ВИИП для бортовых систем.

В П.2 рассмотрены схемы систем и силовых узлов перспективных тяговых электроприводов с импульсным регулированием, в частности - для электропоездов. В П3 описаны макеты измерительной аппаратуры.

В П4 описаны полунатурные и стендовые испытания высоковольтной коммутационной аппаратуры

Заключение

Конечным результатом исследований является систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных средств. обеспечения электроэнергетической совместимости (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) с высоковольтным автономным или сетевым питанием, позволяющие сократить сроки и повысить качество проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов.

Указанный результат развивает теорию ЭЭС ТЭО в аспекте высоковольтности питания и позволяет устранить противоречие между снижением транспортируемой массы (а следовательно — приведенной стоимости) и сохранением высокой надежности оборудования.

К промежуточным и дополнительным результатам, имеющим и самостоятельное значение относятся следующие (в соответствии с перечисленными во введении задачами):

1. Разработанные универсальные способы, схемы и законы регулирования обратимого, многорежимного, двуполярного и энергоэкономичного преобразования и бездуговой коммутации постоянного тока с учетом высоковольтного питания повышают по сравнению с известными средствами-прототипами эффективность обеспечения совместимости ТЭО по видам и параметрам электропитания, по мощностным и энергетическим показателям.

1.1. Они позволяют реализовать ряд новых типовых устройств, обеспечивающих: а) совместимость относительно низковольтных потребителей, резервных аккумуляторов и полупроводниковых ключей, а также бездуговых контакторов с высоковольтными цепями питания; б) совместимость каналов обратимого питания с произвольными уровнями и формами напряжения, включая "т "-фазное. Наибольшую значимость указанные способы, схемы и законы регулирования имеют при обеспечении совместимости высоковольтных синхронных генераторов подсистем автономного питания, а также питающих сетей постоянного или переменного тока с относительно низковольтными приводными электродвигателями, включая тяговые и стартерные, т.к. не только обеспечивают рекуперацию энергии в широком диапазоне скоростей, но и малые пульсации или нелинейные искажения напряжений на обмотках электромашин (снижение тепловых потерь).

1.2. Предложенная структура высоковольтного понижающего составного конвертора на базе параллельных автономных секций, содержащих последовательно-закольцованные нерегулируемые трансформаторно-инверторные ячейки, помимо гальванической развязки

позволяет по сравнению с известными моноблочными и этажерочно-модульными аналогами: а) гибко наращивать установленную мощность; б) обеспечить надежное и динамически устойчивбе самовыравнивание напряжений ячеек; в) обеспечить взаиморезервирование секций, высокие живучесть и ремонтопригодность; г) исключить "сквозные сверхтоки" в транзиторных парах; д) исключить размещение трудноизолируемых и помеховосприимчи-вых цепей централизованного управления под высокими осциллирующими потенциалами (повысить помехозащищенность).

2. Систематизированные и модернизированные известные и вновь разработанные способы и схемотехнические решения, включая универсальные, указанные в п. 1, способны существенно улучшить известные показатели качества электроэнергии не только на распределительных устройствах, но и в подсистеме генерирования, что также играет важную роль в обеспечении ЭЭС ТЭО с высоковольтным питанием.

2.1. Из существенно модернизированных и вновь предлагаемых средств улучшения качества электроэнергии наибольшей эффективностью отличаются следующие: а) фильт-рокомпенсируюший повторитель переменного напряжения; б) трансформаторный и непосредственный вольтодобавочные стабилизаторы сетевого переменного напряжения; в) обратимый выпрямительно-емкостный ограничитель всплесков переменного напряжения; г) разветвляющий компенсирующий трансреактор; д) двухрежимный корректор-регулятор мощности

2.2. Особое внимание в аспекте качества электроэнергии уделено разработке вторичных источников импульсного питания (ВИИП). Проведенные на базе многолетних НИР систематизация, многокритериальный анализ и обобщения известных, модернизированных и вновь разработанных структур ВИИП, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения в заданных нормах, позволило свести основные характеристики ВИИП в сравнительную таблицу, рекомендованную для разработчиков. Они могут быть рекомендованы для применения в бортовых лазерах, ионно-плазменных двигателях, системах зажигания, антиобледенительных вибраторах, источниках питания проблесковых огней и средствах радиоэлектронной борьбы

3. Приведенные в работе три варианта структур авиационных систем электроснабжения для перспективных самолетов с большой энерговооруженностью (в соответствии с известной концепцией "самолетов с полностью электрифицированным оборудованием") а) с распределенным преобразованием типа "переменная скорость-стабильная частота"; б) с распределенной подсистемой генерирования "квазипостоянного повышенного напряжения"; в) с комбиниро-

ванной системой распределения постоянно-переменного тока служат обобщающими примерами решения основных задач обеспечения ЭЭС ТЭО с автономным высоковольтным питанием.

3.1. Помимо известных достоинств аналогичных структур - отсутствие гидро- или пневмопривода постоянной частоты вращения, малая транспортируемая масса, способность параллельного включения каналов питания - благодаря результатам проведенных исследований и разработок вышеуказанные системы электроснабжения приобрели по сравнению с аналогами следующие дополнительные преимущества:

- рекуперацию энергии торможения электроприводов;

- высокое качество электроэнергии на распределительных устройствах и якорных обмотках электромашин в статических и динамических режимах;

- бездуговую и безыскровую коммутацию в цепях постоянного повышенного напряжения;

- минимальные реактивные мощности и тепловые потери;

-эффективное резервирование и подпитку пиковых нагрузок с помощью низковольтных аккумуляторов;

- исключение энергоемких фильтров(снижение массы и пожароопасности).

4. При разработке и обосновании комплексов средств обеспечения ЭЭС для перспективных систем импульсного управления исполнительными электроприводами, тяговыми приводами сетевого транспорта и высоковольтными стартер-генераторами в качестве основных критериев эффективности выбраны следующие: а) обратимость преобразования (рекуперативное и динамическое торможение, генераторный режим) в широком скоростном диапазоне; б) минимальные значения коэффициентов пульсации и несинусоидальности напряжения (для минимизации тепловых потерь в двигателях); в) исключение пусковых резисторов, громоздких низкочастотных трансформаторов и энергоемких фильтров; г) защита двигателей от сверхтоков и перенапряжений, но без ограничительного шунтирования питающей сети постоянного тока (сохранение способности дугогашения в контакторах).

4.1. Разработанные нетрадиционные многорежимные схемы импульсного регулирования высоковольтной машины постоянного тока, обеспечивающие благодаря переменной структуре прямоходовые режимы понижения и повышения напряжения в двигательном и генераторном режимах, позволяют обеспечить стартер-генераторную совместимость электроэнергетических узлов (вспомогательных силовых установок ЛА, силовых установок ди-зель-электро-поездов и т.п.), оптимизировать их параметры, разгрузить контакторы и аварийный выключатель, обеспечить защиту от пробоев и коммутационных импульсов, уско-

рить переключения и обеспечить выбор общего или раздельных каналов прямого и обратного питания.

4.2.Предложенные нетрадиционные структуры и схемы многорежимных импульсных тяговых электроприводов предусматривают: а) поэтапно-преемственный (с минимальным риском внедрения) переход к импульсному регулированию тяги и торможений (рекуперативного и "динамического); б) применение группы высоковольтных или относительно низковольтных двигателей; в) применение бесколлекторных двигателей. Предложенные схемы могут найти применение в электропоездах, в частности - в перспективных высокоскоростных. Две из предложенных структур являются универсальными в силу пригодности для обеих железнодорожных сетей, применяемых в РФ и странах СНГ (=3*' кВ И —25 кВ, 50 Гц), причем не содержат громоздких низкочастотных трансформаторов, обеспечивают минимальную реактивную мощность и сохранение синусоидальности сетевого напряжения (коррекцию мощности).

5. Модернизированные и разработанные заново схемотехнические и конструктивные средства защиты ТЭО от аварийных режимов и от мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) позволяют предотвратить или существенно ослабить действие коротких замыканий, импульсных перенапряжений, перегрузок, перерывов питания, утечек тока в изоляции, а также обеспечить прогнозирование и диагностику ЭМИ молнии.

5.1. Разработанные схемы бездугового расцепления и устройств разгрузки контакторов для высоковольтных цепей тягового электропривода постоянного тока позволяют существенно увеличить срок службы высоковольтной коммутационной аппаратуры, повысить их надежность и снизить эксплуатационно-ремонтные расходы.

5.2. Предложенные способ автоматического выключения постоянного тока, схема активного форсирующего устройства для аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя (БВ) с блоком ранней диагностики и схемно-конструктивные способы повышения эффективности дугогасительной камеры позволяют не только существенно (втрое и более) снизить время отключения короткого замыкания и перегрузки, причем в обоих направлениях питания, а главное - предотвратить пожары и короткие замыкания по сигналу утечек в изоляции, существенно (вдвое и более) повысить предельную и снизить критическую коммутационную способность, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы.

5.3. Предложенные средства прогнозирования и диагностики ЭМИ молнии позволяют проектировать простые и надежные бортовые датчики для определения электромагнитной грозовой обстановки и принятия решения о защите от ЭМИ; к ним относятся индукцион-

ные трехкоординатные магнитометрические, электрометрические и электромеханические датчики.

Систематизация и обобщение технических мер и средств обеспечения ЭМС, защищенности от ЭМИ (в частности - распределенного блока защиты с силовым реактором) и стойкости к мощным ЭМИ электрооборудования автономных бортовых систем, проведенные на базе анализа видов и причин возможных нарушений аппаратуры при воздействиях ЭМИ, а также опыта исследований в области ЭМС, позволяет объединить ряд задач обеспечения ЭЭС и ЭМС и дать совместные общие рекомендации для разработчиков.

6. Предложенные расчетно-аналитическне, программно-вычислительные, "квазианалоговые" компьютерные модели, методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов в рассматриваемых устройствах при их взаимодействии позволяют выбирать из них наиболее адекватные задачам исследования и проектирования ТЭО с высоковольтным питанием. По сравнению с известными моделями они позволяют при решении задач обеспечения ЭЭС ТЭО существенно сократить сроки моделирования, обеспечивая достаточную точность.

6.1. К теоретическим результатам, полученным расчетно-аналитическими методами и рекомендуемым для использования при проектировании и исследовании средств обеспечения ЭЭС ТЭО с высоковольтным питанием, следует отнести следующие:

- упрощенное эквивалентное дифференциальное уравнение Коши для переходного процесса в синхронном вентильном генераторе с продольной емкостной компенсацией и его частное решение для процесса подключения к выпрямительно-емкостной нагрузке;

- алгоритмы квазиинвариантного регулирования одно-, двух- и трехкаскадных синхронно-вентильных генераторов, обеспечивающие высокую стабильность выходного напряжения при коммутациях нагрузки; при этом однокаскадные генераторы выигрывают по сравнению с трехтсаскадными в быстродействии: по выходу на режим - в 7,1 раза, по восстановлению после сброса нагрузки - в 13 раз;

- квазиоптимальные законы управления демпфирующим симисторным коммутатором, позволяющие повысить эффективность устройств снижения колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах переменного тока,

- расчетно-аналитические соотношения и выражения для выбора основных параметров пассивно-компенсирующих устройств подавления возмущений качества электроэнергии в системах электропитания переменного тока: фильтрокомпенсатора и разветвляющего компенсирующего трансформатора;

- оптимальный по КПД закон управления комбинированным вторичным источником импульсного питания, а также условие минимизации промежуточного емкостного накопителя,

- квазиоптималъные по электроэнергетической экономичности алгоритмы двухка-нального импульсного управления разгоном тягового привода постоянного тока для двух итераций лимитирующих факторов без ограничения и с ограничением потребляемой мощности - для исключения "кругового огня" и повышения ресурса щеточно-коллекторного узла, помимо этого вторая итерация позволяет минимизировать установленную мощность приводного двигателя и импульсного преобразователи, повысить коэффициент их использования, а также обосновано выбирать режимы движения транспорта с сетевым питанием,

- выражение для итогового энергетического критерия эффективности дугогашения при размыкании цепей постоянного тока с незашунтированной индуктивностью, позволяющее объективно оценивать коммутационную способность аварийных выключателей и контакторов, а также сформулировать задачи по их модернизации,

- приближенное выражение для импульсной силы воздействия на размыкающий якорь аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя с активной форсирующим устройством, позволяющее сформулировать технические требования к проектированию схемы и механизма отключения,

- выражения для основных метрологических характеристик следующих датчиков электромагнитной обстановки: порогового дифференциального датчика постоянного тока, трехкоординатных импульсных индукционных магнито- и электрометрических датчиков (в зависимости от критериев сохранения формы или амплитуды измеряемого ЭМИ), трехкоординатных индукционных датчиков напряженности электростатического поля с электромеханической модуляцией, позволяющие проектировать защитную информационно-измерительную аппаратуру с повышенной точностью и расширенными амплитудно-частотными диапазонами

7. Практическая реализация базовых теоретических, схемотехнических и конструктивных разработок, полунатурные, натурные и стендовые испытания, а также опыт эксплуатации некоторых устройств показали удовлетворительную сходимость модельно-расчетных и экспериментальных результатов (с погрешностью 5...8%) и справедливость основных теоретических положений. Опытно-промышленное внедрение подтверждает народно-хозяйственное и оборонное значение работы, а также расширение области использования полученных результатов

7.1. По состоянию на конец 2004 г. для нужд авиационной, оборонной и железнодо-рожно-транспортной техники изготовлено с использованием результатов проведенных исследований и серийно выпущено:

-более шести видов авиационно-бортовых вторичных источников импульсного питания (ВИИП) для оптико-электронных систем, имеющих на 2-3% меньшую массу по сравнению с предшествующими аналогами;

-более 515 шт. высоковольтных транзисторных статических преобразователей (конверторов) для электропоездов постоянного тока, которые успешно прошли испытания и эксплуатируются на 11 железных дорогах России, что позволило снизить на 27% эксплуатационные расходы на текущее обслуживание и плановый ремонт, а также существенно улучшить показатели по массе, объему и стоимости по сравнению с аналогичными устройствами известной фирмы "Siemens" (Германия);

-более 15 шт. модернизированных дугогасительных камер аварийных высоковольтных быстродействующих выключателей (БВ-105ТС)

7.2. К настоящему времени разработанные на базе результатов исследований активные форсирующие устройства (АФУ) для БВ электропоездов постоянного тока успешно прошли стендовые и натурные испытания, подтвердившие их ожидаемую эффективность.

7.3. Результаты исследований и изготовленные макетные и опытные образцы использованы в госбюджетных и хозрасчетных НИОКР предприятий: УОМЗ (г. Екатеринбург), АКБ "Якорь" (г. Москва), МАЗ "Дзержинец" (г- Москва), ЦКБ "Геофизика" (г. Москва), РТИ им. академика АЛ. Минца (г. Москва), НПО "Астрофизика" (г. Москва), ЗАО "Спецремонт", (г. Москва), КБТМ (г. Москва), а также в учебном процессе и НИОКР Московского авиационного института (технического университета) и др.

Опубликованные работы по теме диссертации (кроме публикаций в сб. трудов вышеперечисленных симпозиумов и конференций)

1 Бертинов А.И., Бочаров В.В., Мизюрин СР., Резников СБ., Чорба В.Р. Исследование совместной работы импульсного источника вторичного питания с сетью переменного тока соизмеримой мощности. Электричество, № 12,1974, с. 37-41. /

2 Бочаров В.В., Мизюрин СР., Резников СБ., Сериков В.А. Расчет синхронных генераторов и трансформаторов при импульсной нагрузке на емкостный накопитель энергии. Учебное пособие. Изд-во МАИ, 1974, 92 с.

3 Бочаров В.В., Ломоносов Л.Е., Мизюрин СР., Резников СБ. Математическое моделирование выпрямительно-емкостной нагрузки. Электричество, № 9,1976, с. 80-83.

4 Бертинов А.И., Бочаров В.В., Ломоносов Л.Е., Мизюрин СР., Резников СБ. Расчет процесса зарядки накопительного конденсатора через индуктивно-емкостный преобразователь с произвольным соотношением параметров. Электричество, № 10,' 1976.

5 Бертинов А.И., Бочаров В.В., Князев А.П., Мизюрин СР., Резников СБ., Чорба В.Р. импульсные источники вторичного питания с дозаторами энергии. Электричество, №11,1976.

6 Бочаров В.В., Мизюрин СР., Резников СБ., Чорба В.Р. Импульсные вторичные источники питания с постоянным потреблением мощности. Электричество, № 6,1977, с. 31-37.

7 Бочаров В.В., Князев А.П., Мизюрин СР., Резников СБ., Сериков В.А, Чорба В.Р. Автономные и вторичные импульсные источники электроэнергии. Учебное пособие. Изд-во МАИ, 1977,49 с.

8 Бочаров В.В., Ломоносов Л.Е., Резников СБ. Моделирование некоторых типичных нели-нейностей на АВМ. Известия вузов СССР - Радиоэлектроника, Том XX, № 1,1977, с. 109-110.

9 Бочаров В.В., Князев А.П., Ломоносов Л.Е., Резников СБ., Чорба В.Р. Структуры импульсного источника вторичного питания, обеспечивающие постоянство входного сопротивления при максимуме КПД. Известия вузов - Радиоэлектроника, т. XXI, № 5,1978, с. 116-119.

10 Алешечкин В.А., Бочаров В.В., Резников СБ., Ушкань Л.Г. Автономная система электроснабжения с демпфирующим преобразователем. Электричество, № 9,1978, с. 69-71.

11 Алешечкин В.А., Бочаров В.В., Резников СБ. Стабилизация напряжения в автономных системах электроснабжения транспортных средств. Известия АН СССР, Энергетикаитранспорт,№5,1978.

12 Алешечкин В.А., Бертинов А.И., Бочаров В.В., Мизюрин СР., Резников СБ. Качество электроэнергии бортовых систем электроснабжения и способы его улучшения. Электричество, № 6,1981.

13 Резников СБ. Автономные системы электроснабжения с однопроводным распределением переменного тока стабильной частоты. Электричество, № 9,1983, с. 15-20.

14 Бочаров В.В., Резников СБ., Смирнов СВ. Снижение колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах с помощью комбинированного коммутатора. Электриче-ство,№ 10,1983,43-45.

15 Алешечкин ВА., Бочаров В.В., Кондаков Л.И., Мизюрин СР., Резников СБ., Смирнов СВ., Токарь И.И. Комбинированная автономная система электроснабжения полностью электрифицированного транспортного средства. Электричество, № 11,1984.

16 Бочаров В.В., Мизюрин СР., Резников СБ., Смирнов СВ. Инвариантное регулирование в автономных электроэнергетических системах постоянного тока. Электричество, №5,1985,с23-27.

17 А. С СССР № 978080 от 1986. Датчик напряженности электростатического поля / Болдырев ВГ., Бочаров В Б, Булеков В Л, Морозников СН, Резников СБ., Савостьянов ВБ., Смирнов СА

18 А. С СССР № 1363705 от 1987. Автономная система электроснабжения постоянного тока. / Бочаров В.В., Перельман Д.В., Резников СБ., Смирнов С В.

19 Бочаров В.В., Грачев Д.Н., Кондаков Л.И., Резников СБ., Смирнов СВ., Токарь И.И... Анализ массоэнергетических показателей систем генерирования с электромеханическим приводом постоянной частоты вращения. Электричество, № 3,1988, с. 65-68.

20 Бертинов А.И., Бочаров В.В., Кондаков Л.И., Мизюрин СР., Резников СБ., Смирнов СВ.» Токарь И.И. Перспективы развития автономных систем генерирования переменного тока стабильной частоты. Электричество, № 10,1988, с. 28-39.

21 Гершберг В.С„ Резников СБ., Савостьянов В.В. Распространение внешних электромагнитных возмущений в неоднородных средах автономных электротехнических комплеков. Теоретическая электротехника, № 47,1989, с. 26-35.

22 Дубенский ГА., Белова ЕЛ., Резников СБ., Смирнов СВ, Сыроежкин Е.В. Диагностика неисправностей в автономной системе электроснабжения квазипостоянного тока. Электричество, № 2,1989, с. 66-69..

23 АС СССР № 1503640 от 1989. Способ передачи электроэнергии / Алешечкин В.А., Бочаров В В., Кондаков Л И., Мизюрин СР., Резников СБ., Смирнов СВ., Токарь И.И.

24 АССССР № 1478173 от 1989. Устройство для измерения магнитной индукции / Болдырев В.Г,, Бочаров BJB-, Булеков В Л, Каплан ДД, Портной ПЯ, Резников СБ, Тихонов В К, Усачев В Н.

25 АС СССР № 1483503 от 1989- Устройство для коммутации цепей питания потребителей электроэнергии / Бочаров В.В., Болдырае В,Г|., Дубенский Г.А., Красильников А.А., Резников СБ.

26 АС СССР № 1495940 от 1989. Электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов / Бочаров В.В., Иванников Ю.А., Калугин В.Н., Резников СБ.

27 Болдырев В Г., Булеков В.П., Климов В.П., Резников СБ., Савостьянов В.В. Электромагнитная совместимость электрооборудования ЛА. Учебное пособие. Изд-во МАИ, 1989,46 с.

28 АС СССР № 1581029 от 1990. Электромеханический способ измерения напряженности электрического и магнитного статических полей / Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Булеков В.П., Резников СБ., Савостьянов В. В.

29 АС СССР № 1681364 от 1991. Бесконтактная многофазная электрическая машина / Егошкиа Л.А., Резников СБ., Смирнов СВ., Чорба В.Р.

i 30 АС СССР № 1660481 от 1991. Датчик для измерения напряженности электрического поля /Булеков В XL, Болдырев ВГ, Бочаров В JB., Резников СБ, Дубенский ГА, Прудков AM, Савостьянов ВВ.

31 Резников СБ., Савостьянов В.В., Болдырев В.Г. Анализ статических режимов датчиков напряженности электрического поля с электромеханической модуляцией. Сб. трудов МАИ "Влияние электромагнитной обстановки на работоспособность энергопотребляющих устройств и сетей". Изд-во МАИ, 1991.

32 АС СССР № 1737375A1 от 1992. Датчик напряженности электростатического поля / Болдырев В Г, Бочаров В В, Булеков В Л, Морозников С В, Резников С Б, Савостьянов В В, Смирнов С А

33 Болдырев В.Г., Резников СБ. и др. Лабораторные работы по теории электромагнитного поля: Учебн. пособие. - М.: Изд-ва МАИ, 1992,31 с.

34 Болдырев В Г, Бочаров В В, Булеков В Л, Резников CR Электротехническая совместимость электрооборудования ЛА (электроэнергетическая совместимость): Учебн. пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1992,60 с

35 Булеков В.П., Болдырев В.Г., Бочаров ВВ., Резников СБ., Савостьянов ВВ. Электротехническая совместимость оборудования ЛА (монография). Изд-во МАИ, 1992,216 с.

36 Boldyrev V.G., Bocharov V.V., Bulekov V.P., Reznikov S.B. Information-Computational Complexes Power Supply Quality Improvement // Proceedings of the 1993 MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control, vol. I, part 2, Control Systems, Moscow, Yaropolets, 1993

37 Болдырев В.Г., Бочаров ВВ., Булеков В.П., Резников СБ. Смирнов В.Н. Электромагнитная совместимость и стойкость к мощным электромагнитным импульсам электрооборудования автономных систем: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1995 - 80 с.

38 Болдырев В.Г., Бочаров ВВ., Булеков В.П., Резников СБ. Электротехническая совместимость электрооборудования автономных систем. - М.: Энергоатомиздат, 1995 - 352 с.

39 Патент РФ по заявке 95107180/07, ПР 28.09.96. Устройство для газоразрядных ламп / Болдырев В. Г., Бочаров ВВ., Булеков В Л., Резников СБ.

40 Патент РФ по заявке 93028654/07, ПР 16.09.96. Датчик напряженности электростатического поля // Болдырев В.Г., Бочаров ВВ., Булеков В.П., Резников СБ.

41 Boldyrev V.G., Bocharov V.V., Reznikov S.B. Non-Traditional means for Suppressing the Deviations of the Quality of the Supplied Electrical Energy // MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control. Moscow, Russia, 1997.

42 Bulekov V.P., Reznikov S.B., Hlupnov M.R. The Monitoring system of Quality of the Electric Power In Industrial and On-Board Aviation Systems of Electrosupply. Там же.

43 Болдырев В Г, Бочаров В.В, Булеков В Л, Резников С Б. Основы теории электроэнергетической совместимости электрооборудования автономных систем: Учеб. пособие: Изд-во МАИ, 1997 -120 с

44 Патент РФ № 2101886 от 10.01.1998." Электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп. / Болдырев В.Г., Бочаров ВВ., Дубенский Г.А., Резников СБ., Татьянин В Л.

45 Патент РФ № 2103845 от 27.01.1998. Устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп. / Болдырев В.Г., Бочаров ВВ., Дубенский Г.А., Резников СБ., Татьянин В.И.

46 Болдырев В.Г., Бочаров ВВ., Резников СБ. Вторичные источники импульсного питания (ВИИП). Практическая силовая электроника, № 2,2001, с. 15-24.

»17318

47 Патент РФ № 2167478 .от 20.05.2001. Автоматический выключатель постоянного тока. / Белащенко М.Д., Ламанов А.В., Савенков А.И., Резников СБ., Станкевич В.А., Куземин А.А.

48 Патент РФ на полезную модель № 24049 от 20.07.2002. Дугогасительная камера. / Ламанов А.В„ Белащенко М.Д. Савенков АЛ., Резников С.Б, Павлов В,В., Куземин А.А.

49 Патент РФ № 2178928 от 27.01.2002. Выключатель постоянного тока (варианты). / Белащенко М.Д., Ламанов А.В., Савенков А.И., Резников СБ., Станкевич В А., Куземин А.А.

50 Болдырев ВГ., Бочаров ВВ., Герасимов АА, Лукин АВ., Карзов БЛ, Кастров МГО., Крючков В В, Макаров В В., Малышков ГМ, Парфенов АН., Подлесных Л1Ь, Резников СБ, Соловьев ИЛ Монография Транзисторные преобразователи электрической энергии. - М.: АОЗТ "Ирбис", 2002,228 с.

51 Резников СБ., Савенков А.И. Пути повышения эффективности аварийных быстродействующих, выключателей постоянного тока в железнодорожных тяговых схемах. Практическая силовая электроника, № 12, 2003, с. 20-26

52 Резников С Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электроприводов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых инверторов Практическая силовая электроника, № 12,2003, с. 16-19.

53 Резников СБ. Квазиоптимальное по электроэнергетической экономичности импульсное управление тяговым приводом электропоезда. Практическая силовая электроника, № 12, 2003, с 12-15.

54 Патент РФ на полезную модель № 33274 от 10.09.2003. Обратимый импульсный преобразователь постоянных напряжений. / Резников СБ., Молочников А Ю.

55 Патент РФ на полезную модель № 37293 от 10.04.2004. Преобразователь постоянного напряжения с конденсаторным делителем. / Белащенко М.Д., Ламанов А.В., Резников СБ., Савенков АЛ.

56 Патент РФ № от . .2004. Способ автоматического выключения постоянного тока и устройство для его осуществления. / Белащенко М.Д., Ламанов А.В., Резников СБ., Савенков АЛ.

57 Патент РФ на полезную модель № 37271 от 10.04.2004. Дугогасительная камера выключателя постоянного тока. / Белащенко М Д, Ламанов А.В., Резников СБ., Савенков А.И.

58 Резников СБ, Самолетная система электроснабжения с распределенным преобразованием "Переменная скорость-стабильная частота". - Авииакосмическое приборостроение, № 4,2004, с. 56-62.

59 Резников С.Б. Самолетная система электроснабжения квазипостоянного повышенного напряжения. - Авииакосмическое приборостроение, №-4,2004, с. 62-67.

60 Балюк Н.В., Болдырев В.Г., Будеков В.П.Г Кечиев Л.Н., Кириллов В.Ю., Литвак И.И., Постников В.А, Резников СБ. Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов. Учебное пособие по специальности 1810 00 с грифом Минобразования РФ. Изд-во МАИ, 2004.

Множительный центр МАИ

Зак. от 06.03200Чг. Тир./00 экз

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С

АВТОНОМНЫМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ

1.1. Выбор критериев оценки электроэнергетической совместимости транспортного оборудования.

1.2. Систематизация узлов и элементов транспортных электроэнергетических комплексов и алгоритм их начального структурного синтеза.

1.3. Систематизация, обобщение, модернизация и разработка средств обеспечения совместимости электромашинных генераторов с сетью переменного тока стабильной частоты.

1.4. Разработка универсального способа обратимого деления постоянного напряжения (ОДПН) для обеспечения совместимости потребителей с высоковольтным питанием.

1.5. Распределенная подсистема генерирования постоянного повышенного напряжения на базе вентильных магнитоэлектрических генераторов и ОДПН.

1.6. Распределительные системы квазипостоянного повышенного напряжения (КППН) на базе ОДПН, совместимые с бездуговыми контакторами.

1.7. Базовая структура обратимого прямоходового двуполярного конвертора (ОПДК) для обеспечения двусторонней совместимости питающих каналов постоянного и (или) переменного тока.

1.8. Схемы бестрансформаторных инверторов с улучшенной формой напряжения на базе ОДПН и ОПДК.

1.9. Структуры и схемы трансформаторных конверторов с высоковольтным питанием и способ управления параллельными источниками.

1.10. Подсистема генерирования трехфазного переменного тока с распределенным преобразованием "переменная скорость-стабильная частота" (ПССЧ) на базе трехфазных циклоконверторов с ОПДК.

1.11. Обеспечение совместимости аккумулятора с сетью постоянного повышенного напряжения при пиковых нагрузках

1.12. Обеспечение стартер-генераторной совместимости.

1.13. Емкостно-модуляторный регулятор переменного тока для возбуждения реактивных и асинхронных машин.

Глава 2. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С СЕТЕВЫМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ.

2.1. Критерии эффективности обеспечения электроэнергетической совместимости тяговых схем.

2.2. Анализ путей повышения эффективности аварийных быстродействующих выключателей постоянного тока.

2.3. Существующие средства защиты от сетевых коммутационных высоковольтных импульсов и автоколебаний.

2.4. Разработка структур тягового привода с импульсным многорежимным регулированием.

2.5. Система питания вспомогательных цепей сетевого транспорта.

2.6. Схемы бездугового расцепления и устройства разгрузки контакторов.

2.7. Аварийный высоковольтный быстродействующий выключатель постоянного тока с активным форсирующим устройством и модернизированные электромагнитные контакторы.

2.8. Дугогасительные камеры с повышенной эффективностью.

2.9. Дифференциальный датчик постоянного тока на базе насыщаемого трансформатора в цепи резонансного контура.

2.10 Блок защиты от сетевых высоковольтных импульсов на базе силового реактора, варисторно-тиристорного столба и фильтрового конденсатора с блокирующим диодом.

Глава 3. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ МОЛНИИ В ТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСАХ.

3.1. Основные меры и средства улучшения качества электроэнергии транспортных комплексов

3.2. Нетрадиционные высокоэффективные способы улучшения качества электроэнергии в сети переменного тока.

3.3. Анализ и разработка вторичных источников импульсного питания (ВИИП), сохраняющих качество электроэнергии магистральной сети.

3.4. Разработка бестрансформаторных генераторов импульсов тока с демпфированием потребляемой мощности.

3.5. Средства прогнозирования мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) молнии и систематизация мер и средств защиты от них.

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

УСТРОЙСТВ И ПРОЦЕССОВ.

4.1. Разработка методик программно-вычислительного моделирования синхронных и вентильных машин, адекватного задачам управления в переходных режимах и анализа показателей качества электроэнергии.

4.2. Алгоритмы квазиинвариантного регулирования вентильных генераторов в автономных электроэнергетических системах.

4.3. Моделирование процессов снижения колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах с помощью демпфирующего симисторного коммутатора.

4.4. Математическое описание автономной системы электроснабжения с индуктивно-емкостным преобразователем, выпрямительной и стационарной нагрузками.

4.5. Методики моделирования и расчета пассивно-компенсирующих средств подавления возмущений качества питающей электроэнергии.

4.6. Моделирование и алгоритмы регулирования вторичных источников импульсного питания (ВИИП).

4.7. Квазиоптимальные по электроэнергетической экономичности алгоритмы импульсного управления разгоном тягового электропривода.

4.8. Расчетно-аналитическое моделирование и итоговый критерий эффективности дугогашения в контакторах и быстродействующих выключателях постоянного тока.

4.9. Расчетно-аналитическое моделирование быстродействующего выключателя с активным форсирующим устройством.

4.10. Расчетно-аналитическое моделирование дифференциального датчика постоянного тока.

4.11. Методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков и их метрологических характеристик.

Под электроэнергетической совместимостью (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) понимается его согласованность (взаимное функциональное соответствие) по видам, параметрам и качеству электропитания, по мощностным, энергетическим, надежностным и производственно-эксплуатационным показателям.

Исходной предпосылкой для формирования научных основ ЭЭС ТЭО явились работы Бертинова А.И., Конева Ю.И., Мизюрина С.Р., Синдеева И.М. и др., в которых система электрооборудования (СЭО) летательного аппарата (ЛА), в отличие от системы электроснабжения (СЭС), рассматривалась как комплекс взаимодействующих составляющих: от потребителей электроэнер-гиидо первичных источников.

Недостаточное внимание к проблемам ЭЭС (аналогично проблемам ЭМС) приводит к увеличению сроков и ухудшению качества проектирования и создания транспортных комплексов, а также — к неоправданным затратам времени и средств при их доработке, испытаниях и опытной эксплуатации.

При разработке перспективных транспортных электротехнических комплексов особое внимание уделяется использованию высоковольтного (в/в) питания, позволяющему существенно снизить транспортируемую массу оборудования (с учетом добавления массы корпуса, топлива, системы охлаждения и др.) и массу контактной сети (в случае сетевого питания) за счет снижения тепловых потерь в проводах и полупроводниковых приборах, а также снижения удельной массы емкостных накопителей энергии.

На рис. 1 упрощенно показаны структуры перспективных транспортных электротехнических комплексов с автономным и сетевым высоковольтным питанием.

Объектом исследований являются преобразовательная и защитно-коммутационная аппаратура ТЭО, содержащая:

- высоковольтную подсистему генерирования и стартеры;

- устройства защиты и коммутации;

- распределительную сеть;

- централизованные и групповые преобразователи;

- индивидуальные вторичные источники питания (ВИП) и импульсного питания (ВИИП).

Однако при высоковольтном питании возникает существенное противоречие между стремлением к снижению транспортируемой массы (а следовательно и приведенной стоимости) и необходимостью сохранения высокой надежности транспортных комплексов, содержащих, в основном, относительно низковольтные потребители или низковольтные входные цепи вторичных источников импульсного (высоковольтного) питания. вУв контактная сеть

Высокое г— батарея

Рис. 1. Структуры перспективных транспортных электротехнических комплексов с автономным и сетевым высоковольтным питанием

Устранение указанного противоречия представляется важнейшим аспектом теории электроэнергетической совместимости транспортного оборудования.

Разработкой перечисленного оборудования занимались многочисленные отечественные и зарубежные организации и фирмы, в частности: АКБ "Якорь" г. Москва), МАЗ "Дзержинец" (г. Москва), ВЭИ (г. Москва), МЭИ (г. Москва), МИИТ (г. Москва), МИИГА (г. Москва), РТИ им. акад. Минца (г. Москва), ЗАО "Спецремонт" (г. Москва), НПО "Астрофизика" (г. Москва), УОМЗ (г. Екатеринбург), ВНИИЖТ (г. Москва), ABB (Швейцария), Siemens (Германия), NASA Marshall Space Flight Center (США), Martin Marietta Astronautics Group (США), и др. Указанным проблемам посвятили свои научные труды следующих ученых (помимо выеупомянутых): И.И. Алексеев, Б.Л. Алиевский, Д.Э. Брускин, В.П. Булеков, Д.А. Бут, С.И. Вольский, Б.И. Гринштейн, Б.С. Зечихин, JI.A. Квасников, JI.K. Ковалев, Б.П. Константинов, В.И. Кривенцев, H.H. Лаптев, Э.Я. Лившиц, В.Л. Лотоцкий, Г.М. Малышков, Е.В. Машуков, B.C. Моин, В.Т. Моро-зовский, Г.М. Мустафа, Б.И, Петленко, В.А. Полковников, В.А. Постников, Ю.К. Розанов, В.В. Синайский, И.Н.Соловьев, А.Ю. Черкашин, В.Р. Чорба, М.М. Юхнин и др.

Однако, несмотря на значительное количество публикаций, посвященных отдельным частным вопросам и разрозненным удачным разработкам, к настоящему времени следует констатировать неразработанность единой проблемы обеспечения электроэнергетической совместимости высоковольтного и низковольтного оборудования транспортных электротехнических комплексов, а именно - отсутствием систематизации средств обеспечения ЭЭС ТЭО, а также критериев оценки их эффективности. Поэтому наблюдается превалирование попыток применения традиционных структур и схем, иногда в ущерб их адекватности высоковольтному питанию. Необходимо пересмотреть многие прежние подходы и приступить к широкому внедрению высоковольтной силовой электроники на транспортных объектах. Однако для этого нужны систематизация и модернизация известных средств обеспечения ЭЭС ТЭО, а также нетрадиционные схемотехнические, конструктивные и алгоритмические разработки более эффективных средств.

В связи с вышесказанным решение проблемы обеспечения ЭЭС ТЭО при высоковольтном питании представляется актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

К специфике работы можно отнести вынужденный охват обширной номенклатуры систем, подсистем и узлов, связанный с вышеуказанным комплексным подходом к проблеме ЭЭС ТЭО и затрудняющий доведение сравнительного анализа многочисленных разработок до конкретных числовых значений в оценке эффективности.

В качестве примеров конкретных объектов в диссертации рассматриваются электротехнические комплексы следующих гипотетических транспортных средств: трех ЛА, соответствующих общеизвестной перспективной концепции "ЛА с полностью электрифицированным оборудованием (ЛА с ПЭО)", имеющих в качестве основных распределительных систем сети: а) постоянного повышенного напряжения (СППН, 750 В), б) трехфазного напряжения 380/220 или 208/115 В, 400 Гц (без пневмо- и гидропривода постоянной частоты вращения) и в) - комбинированные; железнодорожных электропоездов с питанием от высоковольтных сетей постоянного (3*1 кВ) или переменного (25 кВ, 50 Гц) тока, а также дизель-электропоезда с распределительной системой 750 В. Рассмотренные электротехнические комплексы могут иметь самостоятельное значение и быть рекомендованы для перспективных транспортных средств; однако использованы в работе в качестве наглядных примеров применения результатов исследований.

Представленная диссертация выполнена на базе многолетних НИР, проведенных Московским авиационным институтом по хозрасчетным и госбюджетным темам для следующих предприятий авиационной, оборонной, транспортной, электротехнической и радиотехнической промышленности.

Цель диссертационной работы - систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных средств обеспечения электроэнергетической совместимости (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) с высоковольтным питанием (автономным или сетевым) для сокращения сроков и повышения качества проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Систематизация и повышение эффективности средств обеспечения совместимости ТЭО по видам и параметрам электропитания, по мощност-ным и энергетическим показателям, в частности - разработка универсальных способов, схемотехнических решений и законов регулирования обратимого, многорежимного, энергоэкономичного преобразования и бездуговой коммутации с учетом высоковольтного питания.

2. Систематизация и повышение эффективности средств улучшения качества электроэнергии на зажимах первичного и вторичного питания, а также линейных, нелинейных и импульсно-циклических нагрузок, в частности выявление типовых и разработка универсальных способов, схем и законов управления.

3. Выбор и обоснование комплексов типовых средств обеспечения ЭЭС для перспективных самолетных систем электроснабжения с повышенной суммарной установленной мощностью (в частности - в соответствии с концепцией "самолетов с полностьютя электрифицированным оборудованием" (СПЭО)).

4. Выбор и обоснование комплексов типовых средств обеспечения ЭЭС для перспективных импульсных систем управления бортовыми исполнительными электроприводами и высоковольтными стартер-генераторами, а также тяговыми электроприводами сетевого транспорта.

5. Систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных схемотехнических и конструктивных решений для средств защиты ТЭО от аварийных режимов и мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ молнии и коммутационных).

6. Разработка методик математического моделирования, расчета основных характеристик и алгоритмов оптимального регулирования рабочих и переходных процессов в устройствах обеспечения ЭЭС ТЭО.

7. Практическая реализация теоретических, схемотехнических и конструктивных решений, экспериментальные исследования, разработка рекомендаций по проектированию и опытно-промышленное освоение высоковольтной преобразовательной, защитно-коммутационной и измерительно-диагностической аппаратуры.

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая теорию поля, теорию четырехполюсника, метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, методы гармонических составляющих и спектрального анализа; общепринятые в теории автоматического регулирования аналитические методы, включая методы вариационного исчисления и обеспечения инвариантности. Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов аналитического и компьютерного моделирования (программно-вычислительного и "квазианалогового") подтверждена экспериментальными исследованиями на физических макетных моделях и опытных образцах, проведенными на испытательных стендах и полигонах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях эксплуатации.

Научная новизна. Обобщенным конечным новым научным результатом диссертационной работы является развитие теории электроэнергетической совместимости транспортного электрооборудования в аспекте высоковольтности питания, а именно - систематизация, обобщение и многокритериальный анализ эффективности, разработка методик моделирования и законов регулирования высоковольтной преобразовательной, защит-но-коммутацион-ной и измерительно-диагностической аппаратуры.

На базе анализа существующих подсистем и узлов ТЭО выбраны и обоснованы критерии оценки эффективности, систематизированы средства обеспечения ЭЭС, выделены типовые из них для каждого вида транспорта, выявлены недостатки базовых средств, сдерживающие совершенствование ТЭО, разработаны нетрадиционные универсальные высокоэффективные способы преобразования, коммутации, защиты и соответствующие базовые структурные решения; предложены расчетно-аналитические, программно-вычислительные, модельно-компьютерные методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов, адекватные задачам разработчиков и исследователей.

При этом получены следующие конкретные новые научные результаты: -выбраны, сгруппированы и обоснованы критерии оценки ЭЭС ТЭО с высоковольтным автономным и сетевым питанием;

-произведена систематизация подсистем, узлов и элементов транспортных электроэнергетических комплексов и предложен вариант алгоритма их начального структурного построения, соответствующий задачам ЭЭС;

-разработан новый универсальный способ обратимого деления (умножения) постоянного и переменного напряжения путем последовательной импульсной перекачки энергии (транс-портировки заряда) по звеньям емкостного делителя, позволяющий с помощью относительно низковольтных ключей осуществить двустороннюю связь между каналами с произвольно изменяющимися уровнями знакопостоянного напряжения;

-предложены новые принципы обеспечения бездугового расцепления в сетях постоянного (квазипостоянного) повышенного напряжения (КППН): с плавающими потенциалами;

-предложены новые принципы плавного регулирования эквивалентной электроемкости конденсаторных батарей переменного тока для регулируемой компенсации реактивной мощности, самовозбуждения реактивных и асинхронных электрических машин, регулирования (самонастраивания) резонансных фильтров;

-разработаны новые универсальные способы многорежимного обратимого прямоходового двуполярного конвертирования (циклоконверирова-ния) для обеспечения энергоэкономичной двусторонней совместимости питающих каналов постоянного и (или) переменного тока;

-систематизированы и проанализированы причинно-следственные связи показателей качества электроэнергии с источниками возмущений и характеристиками СЭС, а также меры и средства их улучшения, позволяющие осуществить системный подход к их применению и оценке эффективности;

-предложено использование поперечной емкостной компенсации для обеспечения параметрической стабилизации (инвариантности) напряжения при глубоком варьировании нагрузки;

-проведены систематизация и многокритериальный анализ известных и разработанных структур вторичных источников импульсного питания, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения, сформулированы критерии их оценки и выявлены рациональные структуры;

-предложены способ повышения чувствительности и точности измерения магнитных полей гальванометрическим методом, основанным на эффекте Суля, а также способ его использования для трехкоординатных измерений вектора Пойнтинга;

-систематизированы и проанализированы методы индукционного измерения стационарных электрических полей с электромеханическим модулированием; разработан способ трехкоординатного измерения вектора напряженности при сферической форме зонда;

-систематизированы меры и средства обеспечения ЭМС и стойкости к мощным ЭМИ электрооборудования автономных систем, имеющие и самостоятельное значение;

-предложено нетрадиционное программно-вычислительное моделирование синхронных и синхронно-вентильных машин с учетом емкостной компенсации, адекватное задачам управления в переходных режимах и анализа показателей качества электроэнергии;

-предложены математические модели процессов снижения колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах с помощью демпфирующего симисторного коммутатора;

К теоретическим результатам, полученным расчетно-аналитически-ми методами и рекомендуемым для использования при проектировании и исследовании следует отнести следующие законы и соотношения: о упрощенное эквивалентное уравнение Коши для переходного процесса в синхронном генераторе с продольной емкостной компенсацией и его частное решение для процесса подключения к выпрямительно-емкостной нагрузке; о алгоритмы квазиинвариантного регулирования одно-, двух- и трехкас-кадных синхронно-вентильных генераторов, обеспечивающие высокую стабильность выходного напряжения при коммутациях нагрузки; о квазиоптимальные законы управления демпфирующим симисторным коммутатором, позволяющие упростить и повысить эффективность снижения колебаний напряжения; о расчетно-аналитические соотношения и выражения для основных характеристик пассивно-компенсирующих средств подавления возмущений качества электроэнергии - фильтрокомпенсатора и разветвляющего компенсирующего трансформатора; о оптимальный по КПД закон управления комбинированным ВИИП -как результат решения вариационной задачи с помощью уравнения Эйлера; о квазиоптимальный по электроэнергетической экономичности алгоритм двухканального импульсного управления разгоном тягового привода постоянного тока с ограничением потребляемой мощности, позволяющий минимизировать установленную мощность двигателя и преобразователя и повысить коэффициент их использования; о выражение для итогового энергетического критерия эффективности ду-гогашения при размыкании цепей постоянного тока; о приближенное выражение для импульсной силы воздействия на размыкающий якорь аварийного активного быстродействующего выключателя; о выражения для основных метрологических характеристик датчиков электромагнитной обстановки: порогового дифференциального датчика постоянного тока и трехкоординатных индукционных датчиков ЭМИ и электростатического поля.

Практическая ценность работы. Обобщенным практическим результатом является модернизация и повышение эффективности схемотехнической базы для проектирования высоковольтной преобразовательной, защитно-коммутационной и измерительно-диагностической транспортной аппаратуры. Это позволяет сократить сроки и повысить качество проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов, устранив противоречие между снижением транспортируемой массы (а следовательно - приведенной стоимости) и сохранением высокой надежности ТЭО. Разработаны рекомендации по проектированию подсистем и узлов, а также выбору схем и конструкций элементов, включая вновь разработанные, компьютерных моделей, расчетных выражений и алгоритмов управления. Реализованы и испытаны макетные и опытно-промышленные образцы, созданы испытательные стенды. Часть устройств внедрены в серийное производство и в учебный процесс.

Более конкретно это заключается в следующем: разработан ряд новых типовых устройств, обеспечивающих: а) совместимость относительно низковольтных потребителей, резервных аккумуляторов и полупроводниковых ключей, а также бездуговых контакторов с высоковольтными цепями питания; б) совместимость каналов обратимого питания с произвольными уровнями и формами напряжения, включая т-фазные синусоидальное; в) плавное регулирование эквивалентной электроемкости конденсаторных батарей переменного тока; г) рекуперацию энергии в широком диапазоне скоростей, а также малые пульсации или нелинейные искажения напряжений на обмотках приводных электромашин (снижение тепловых потерь); предложена структура высоковольтного понижающего составного конвертора на базе параллельных автономных секций, содержащих последовательно-закольцованные нерегулируемые трансформаторно-инверторные ячейки, позволяющая по сравнению с известными моноблочными и этажерочно-модульными аналогами: а) гибко наращивать установленную мощность; б) обеспечить надежное и динамически устойчивое самовыравнивание напряжений ячеек; в) обеспечить взаиморезервирование секций, высокие живучесть и ремонтопригодность; г) исключить "сквозные сверхтоки" в транзисторных парах; д) повысить помехозащищенность; схемы нерегулируемых трансформа-торно-инверторных ячеек имеют самостоятельное значение, в частности - в варианте повышающего конвертора с коллекторно-щеточным ключом, позволяющим в несколько раз снизить тепловые потери при питании от низковольтного аккумулятора;

-разработана нетрадиционная структура нелинейно-статической схемы управления параллельными регуляторами тока, обеспечивающая по сравнению с известными схемами статического регулирования более высокую точность самовыравнивания токов (порядка 3-5%), более высокое быстродействие (несколько мс), более широкую зону динамической устойчивости и может быть рекомендована для управления параллельной работой каналов генерирования или нескольких ВИЛ;

-существенно модернизированы и вновь разработаны следующие средства улучшения качества электроэнергии: а) фильтрокомпенсирующий повторитель переменного напряжения; б) трансформаторный и непосредственный вольтодобавочные стабилизаторы сетевого переменного напряжения; в) обратимый выпрямительно-емкостный ограничитель всплесков переменного напряжения; г) разветвляющий компенсирующий трансреактор; д) двухрежимный корректор-регулятор мощности, которые способны улучшить известные показатели качества электроэнергии не только на распределительных устройствах, но и в подсистеме регулирования;

-разработан ряд вторичных источников импульсного питания, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения в заданных нормах, их основные характеристики сведены в сравнительную таблицу, рекомендованную для разработчиков; помимо них разработаны три нетрадиционные схемы бестрансформаторных генераторов мощных импульсов тока с секционированным емкостным накопителем, демпфирующие потребляемую из сети мощность, обладающие высокой массо-энергетической и надежностной эффективностью и высокой точностью регулирования; они могут быть рекомендованы для применения в бортовых лазерах, ионно-плазменных двигателях, системах зажигания, антиобледенительных вибраторах, источниках питания проблесковых огней и средствах радиоэлектронной борьбы;

-разработаны три варианта структур авиационных систем электроснабжения с распределенным преобразованием для перспективных самолетов с большой электроэнерговооруженностью (в соответствии с известной концепцией "самолетов с полностью электрифицированным оборудованием"), которые помимо известных достоинств аналогичных структур - отсутствие гидро- и пневмопривода постоянной частоты вращения, малая транспортируемая масса, способность параллельного включения каналов питания - имеют по сравнению с аналогами следующие дополнительные преимущества: рекуперация энергии торможения электроприводов; высокое качество электроэнергии в статических и динамических режимах; унификация структурных и схемных решений; бездуговая и безыскровая коммутация в цепях постоянного повышенного напряжения; минимальные реактивные мощности и тепловые потери; замена высоковольтных, но низкочастотных тиристоров относительно низковольтными /С5Г-транзисторами(снижение массы моточных элементов); эффективное резервирование и подпитка пиковых нагрузок с помощью низковольтных аккумуляторов; исключение энергоемких фильтров (снижение массы и пожароопасности); разработаны и обоснованы комплексы средств обеспечения ЭЭС для перспективных систем импульсного управления исполнительными электродвигателями, тяговыми приводами сетевого транспорта и высоковольтными стартер-генераторами, удовлетворяющие следующим выбранным базовым критериям: а) обратимость преобразования (рекуперативное и динамическое торможение, генераторный режим) в широком скоростном диапазоне; б) минимальные значения коэффициентов пульсации и несинусоидальности напряжения (для минимизации тепловых потерь в двигателях); в) исключение пусковых резисторов, громоздких низкочастотных трансформаторов и энергоемких фильтров; г) защита двигателей от сверхтоков и перенапряжений, но без ограничительного шунтирования питающей сети постоянного тока (сохранение способности дугогашения в контакторах); помимо использования на ЛА предложенные схемы могут найти применение в электропоездах, в частности - в перспективных высокоскоростных;две из предложенных структур являются универсальными в силу пригодности для обеих железнодорожных сетей, применяемых в РФ и странах СНГ (¿З*1 кВ и 25 кВ, 50 Гц);

-модернизированы и разработаны заново следующие схемотехнические и конструктивные средства защиты ТЭО от аварийных режимов, позволяющие предотвратить или существенно ослабить действие коротких замыканий, импульсных перенапряжений, перегрузок, перерывов питания и утечек тока в изоляции: а) схемы бездугового расцепления и устройства разгрузки контакторов для высоковольтных цепей тягового электропривода, позволяющие существенно увеличить срок службы высоковольтной коммутационной аппаратуры, повысить их надежность и снизить эксплуатационные расходы; б) схема активного форсирующего устройства для аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя (БВ) с блоком ранней диагностики, позволяющие существенно (втрое и более) снизить время отключения, причем в обоих направлениях питания, а главное — предотвратить пожары и короткие замыкания по сигналу утечек в изоляции; в) схемно-конструктивные способы повышения эффективности дугогасительной камеры БВ позволяющие существенно (вдвое и более) повысить предельную и снизить критическую коммутационную способность, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы; г) распределенный блок защиты от коммутационных и молниевых ЭМИ;

-предложены средства прогнозирования и диагностики ЭМИ молнии, использующие информацию о пространственном и временном изменении вектора напряженности электрического поля вблизи транспортного средства, а также о направлении и динамике изменения интенсивности ЭМИ от импульса к импульсу, которые позволяют проектировать простые и надежные бортовые датчики указанных параметров для определения электромагнитной грозовой обстановки и принятия решения о защите от ЭМИ; к ним относятся индукционные трехкоординатные магнитометрические, электрометрические и электромеханические датчики;

-предложены расчетно-аналитические, программно-вычислительные, "квазианалоговые" компьютерные модели, методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов в рассматриваемых устройствах при их взаимодействии, позволяющие выбирать из них наиболее адекватные задачам исследования и проектирования ТЭО с высоковольтным питанием; по сравнению с известными моделями они позволяют существенно сократить сроки моделирования, обеспечивая достаточную точность;

-предложены расчетные соотношения и рекомендации по проектированию предлагаемых устройств; созданы макетные и опытные образцы исследованных устройств для нужд авиационной, оборонной и железнодорож-но-транспортной техники, а также для использования в учебном процессе; подготовлены к серийному производству: а) авиационно-бортовые вторичные источники импульсного питания; б) высоковольтные транзисторные статические преобразователи (конверторы) для электропоездов постоянного тока; в) активные форсирующие устройства (АФУ) и модернизированные дугогасительные камеры аварийных высоковольтных быстродействующих выключателей (БВП-105ТС); г) ВИЛ для непрерывных лазеров.

Полученные результаты легли в основу 20 внедренных изобретений, новизна и положительный эффект которых подтверждены патентами Российской Федерации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы легли в основу опытного и серийного выпуска и ОКР следующих отечественных комплексов: авиационные дальномеры и прицельные системы для самолетов; системы электроснабжения самоходных наземных комплексов и широкофюзеляжных самолетов; высоковольтная коммутационная аппаратура и вторичные источники электропитания для электропоездов постоянного тока, стационарные высоковольтные вторичные источники питания импульсных и непрерывных лазеров, имитаторы и измерители параметров мощных электромагнитных импульсов молнии и поверхностно-электризационных разрядов, бортовые источники преднамеренных электромагнитных возмущений, системы распознавания подвижных объектов по электромагнитным излучениям и др.

Результаты работы являются основой курса "Электротехническая совместимость комплексов ЛА" и смежных курсов, читаемых на кафедре "Теоретическая" электротехника" МАИ, входят в состав курсовых и дипломных работ и использованы аспирантами и соискателями, руководимыми автором, вошли в материалы учебного пособия с грифом Минобразования РФ и семи учебных пособий (издательство МАИ).

Апробация работы. Теоретические положения диссертационной работы апробированы на 23 международных и отечественных научно-технических симпозиумах и конференциях:

1) X Международный Вроцлавский симпозиум по ЭМС "ЭМС-1990". (г. Вроцлав, 1990).

2) Electrotechnicky casopis, Rocnic 42, 1991, Bratislava.

3) Proceedings of the First MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control, Beijing, China, 1992.

4) Международный симпозиум по электромагнитной совместимости ЭМС 93 (г. Санкт-Петербург, 1993).

5) Международная конференция "Авиация - пути развития" (г. Москва, 1993 г.).

6) Всероссийская научно-практическая конференция "Высшая школа России и конверсия" (г. Москва, 1993 г.).

7, 8) International Symposium on Automatic Control; Control Systems (Moscow, MAI/BUAA, 1993, 1997).

9) Международный симпозиум по системам автоматики (Пекин, ноябрь, 1995 г.).

10) Третий международный симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии (г. Санкт-Петербург, 1997 г.).

11) Научные чтения, посвященные 150-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского (г. Москва, 1997 г.).

12, 13) Международный симпозиум по электромагнитной экологии "ЭМС-95-ЭМЭ" (г. Санкт-Петербург, 1995 г., 1997 г.).

14-19) Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации (г. Алушта, Украина, 1996 г., 1997 г., 1998 г., 1999 г., 2002 г., 2004 г.).

20) Пятая российская научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1998 г.).

21) Международная конференция и выставка "Авиация и космонавтика-2003" (г. Москва, ноябрь 2003 г.).

22) 15th International Zurich Symposium Technical Exhibition on electromagnetic Compatibility (Zurich, 2003, February).

23) Восьмая российская научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность." ЭМС-2004 (г. Санкт-Петербург, сентябрь 2004 г.).

Опытные и серийные образцы разработанных устройств участвовали в 3х международных и всероссийских выставках:

1) Выставка Всероссийской научно-практической конференции "Высшая школа России и конверсия" (г. Москва, 1993 г.).

2) Iя Международная специализированная выставка "ИнтерСвет^З" (jr. Москва, ноябрь 1995 г.).

3) Trans Russia-2001 (г. Москва, март 2001 г.).

Публ и ка ц и и. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 81 печатных работах, в их числе 21 патент РФ на изобретение. Их список (кроме публикаций в сб. трудов перечисленных симпозиумов и конференций) приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4х глав, заключения, списка использованных источников и 4х приложений. Основная часть диссертации содержит 390 страниц машинописного текста, включая 136 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 63 наименования, в том числе 5 на иностранных языках. Приложения имеют объем 100 страниц. Общий объем диссертационной работы составляет 498 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конечным результатом исследований является систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных средств обеспечения электроэнергетической совместимости (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) с высоковольтным автономным или сетевым питанием, позволяющие сократить сроки и повысить качество проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов.

Указанный результат развивает теорию ЭЭС ТЭО в аспекте высоковольт-ности питания и позволяет устранить противоречие между снижением транспортируемой массы (а следовательно - приведенной стоимости) и сохранением высокой надежности оборудования.

К промежуточным и дополнительным результатам, имеющим и самостоятельное значение относятся следующие (в соответствии с перечисленными во введении задачами):

1. Разработанные универсальные способы, схемы и законы регулирования обратимого, многорежимного, двуполярного и энергоэкономичного преобразования и бездуговой коммутации постоянного тока с учетом высоковольтного питания повышают по сравнению с известными средствами-прототипами эффективность обеспечения совместимости ТЭО по видам и параметрам электропитания, по мощностным и энергетическим показателям.

1.1. Они позволяют реализовать ряд новых типовых устройств, обеспечивающих: а) совместимость относительно низковольтных потребителей, резервных аккумуляторов и полупроводниковых ключей, а также бездуговых контакторов с высоковольтными цепями питания; б) совместимость каналов обратимого питания с произвольными уровнями и формами напряжения, включая "/«"-фазное. Наибольшую значимость указанные способы, схемы и законы регулирования имеют при обеспечении совместимости высоковольтных синхронных генераторов подсистем автономного питания, а так же питающих сетей постоянного или переменного тока с относительно низковольтными приводными электродвигателями, включая тяговые и стартерные, т.к. не только обеспечивают рекуперацию энергии в широком диапазоне скоростей, но и малые пульсации или нелинейные искажения напряжений на обмотках электромашин (снижение тепловых потерь).

1.2. Предложенная структура высоковольтного понижающего составного конвертора на базе параллельных автономных секций, содержащих последовательно-закольцованные нерегулируемые трансформаторно-инверторные ячейки, помимо гальванической развязки позволяет по сравнению с известными моноблочными и этажерочно-модульными аналогами: а) гибко наращивать установленную мощность; б) обеспечить надежное и динамически устойчивое самовыравнивание напряжений ячеек; в) обеспечить взаиморезервирование секций, высокие живучесть и ремонтопригодность; г) исключить "сквозные сверхтоки" в транзиторных парах; д) исключить размещение трудноизолируемых и помеховосприим-чивых цепей централизованного управления под высокими осциллирующими потенциалами (повысить помехозащищенность). 2. Систематизированные и модернизированные известные и вновь разработанные способы и схемотехнические решения, включая универсальные, указанные в п. 1, способны существенно улучшить известные показатели качества электроэнергии не только на распределительных устройствах, но и в подсистеме генерирования, что также играет важную роль в обеспечении ЭЭС ТЭО с высоковольтным питанием.

2.1. Из существенно модернизированных и вновь предлагаемых средств улучшения качества электроэнергии наибольшей эффективностью отличаются следующие: а) фильтрокомпенсирующий повторитель переменного напряжения; б) трансформаторный и непосредственный вольтодобавочные стабилизаторы сетевого переменного напряжения; в) обратимый выпрямительно-емкостный ограничитель всплесков переменного напряжения; г) разветвляющий компенсирующий трансреактор; д) двухрежимный корректор-регулятор мощности.

2.2. Особое внимание в аспекте качества электроэнергии уделено разработке вторичных источников импульсного питания (ВИИП). Проведенные на базе многолетних НИР систематизация, многокритериальный анализ и обобщения известных, модернизированных и вновь разработанных структур ВИИП, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения в заданных нормах, позволило свести основные характеристики ВИИП в сравнительную таблицу, рекомендованную для разработчиков. Они могут быть рекомендованы для применения в бортовых лазерах, ионно-плазменных двигателях, системах зажигания, антиобледенитель-ных вибраторах, источниках питания проблесковых огней и средствах радиоэлектронной борьбы.

3. Приведенные в работе три варианта структур авиационных систем электроснабжения для перспективных самолетов с большой энерговооруженностью (в соответствии с известной концепцией "самолетов с полностью электрифицированным оборудованием"): а) с распределенным преобразованием типа "переменная скорость-стабильная частота"; б) с распределенной подсистемой генерирования "квазипостоянного повышенного напряжения"; в) с комбинированной системой распределения постоянно-переменного тока служат обобщающими примерами решения основных задач обеспечения ЭЭС ТЭО с автономным высоковольтным питанием.

3.1. Помимо известных достоинств аналогичных структур - отсутствие гидро- или пневмопривода постоянной частоты вращения, малая транспортируемая масса, способность параллельного включения каналов питания - благодаря результатам проведенных исследований и разработок вышеуказанные системы электроснабжения приобрели по сравнению с аналогами следующие дополнительные преимущества: рекуперацию энергии торможения электроприводов; -высокое качество электроэнергии на распределительных устройствах и якорных обмотках электромашин в статических и динамических режимах;

-бездуговую и безыскровую коммутацию в цепях постоянного повышенного напряжения; минимальные реактивные мощности и тепловые потери; -эффективное резервирование и подпитку пиковых нагрузок с помощью низковольтных аккумуляторов; исключение энергоемких фильтров(снижение массы и пожаро-опасности).

4. При разработке и обосновании комплексов средств обеспечения ЭЭС для перспективных систем импульсного управления исполнительными электроприводами, тяговыми приводами сетевого транспорта и высоковольтными стартер-генераторами в качестве основных критериев эффективности выбраны следующие: а) обратимость преобразования (рекуперативное и динамическое торможение, генераторный режим) в широком скоростном диапазоне; б) минимальные значения коэффициентов пульсации и несинусоидальности напряжения (для минимизации тепловых потерь в двигателях); в) исключение пусковых резисторов, громоздких низкочастотных трансформаторов и энергоемких фильтров; г) защита двигателей от сверхтоков и перенапряжений, но без ограничительного шунтирования питающей сети постоянного тока (сохранение способности дугогашения в контакторах).

4.1. Разработанные нетрадиционные многорежимные схемы импульсного регулирования высоковольтной машины постоянного тока, обеспечивающие благодаря переменной структуре прямоходовые режимы понижения и повышения напряжения в двигательном и генераторном режимах, позволяют обеспечить стартер-генераторную совместимость электроэнергетических узлов (вспомогательных силовых установок ЛА, силовых установок дизель-электро-поездов и т.п.), оптимизировать их параметры, разгрузить контакторы и аварийный выключатель, обеспечить защиту от пробоев и коммутационных импульсов, ускорить переключения и обеспечить выбор общего или раздельных каналов прямого и обратного питания.

4.2. Предложенные нетрадиционные структуры и схемы многорежимных импульсных тяговых электроприводов предусматривают: а) поэтапно-преемственный (с минимальным риском внедрения) переход к импульсному регулированию тяги и торможений (рекуперативного и динамического); б) применение группы высоковольтных или относительно низковольтных двигателей; в) применение бесколлекторных двигателей. Предложенные схемы могут найти применение в электропоездах, в частности - в перспективных высокоскоростных. Две из предложенных структур являются универсальными в силу пригодности для обеих железнодорожных сетей, применяемых в РФ и странах СНГ (=3±1 кВ и ~25 кВ, 50 Гц), причем не содержат громоздких низкочастотных трансформаторов, обеспечивают минимальную реактивную мощность и сохранение синусоидальности сетевого напряжения (коррекцию мощности). 5. Модернизированные и разработанные заново схемотехнические и конструктивные средства защиты ТЭО от аварийных режимов и от мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) позволяют предотвратить или существенно ослабить действие коротких замыканий, импульсных перенапряжений, перегрузок, перерывов питания, утечек тока в изоляции, а также обеспечить прогнозирование и диагностику ЭМИ молнии.

5.1. Разработанные схемы бездугового расцепления и устройств разгрузки контакторов для высоковольтных цепей тягового электропривода постоянного тока позволяют существенно увеличить срок службы высоковольтной коммутационной аппаратуры, повысить их надежность и снизить эксплуатационно-ремонтные расходы.

5.2. Предложенные способ автоматического выключения постоянного тока, схема активного форсирующего устройства для аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя (БВ) с блоком ранней диагностики и схемно-конструктивные способы повышения эффективности дугогасительной камеры позволяют не только существенно (втрое и более) снизить время отключения короткого замыкания и перегрузки, причем в обоих направлениях питания, а главное - предотвратить пожары и короткие замыкания по сигналу утечек в изоляции, существенно (вдвое и более) повысить предельную и снизить критическую коммутационную способность, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы.

5.3. Предложенные средства прогнозирования и диагностики ЭМИ молнии позволяют проектировать простые и надежные бортовые датчики параметров для определения электромагнитной грозовой обстановки и принятия решения о защите от ЭМИ; к ним относятся индукционные трехкоординатные магнитометрические, электрометрические и электромеханические датчики.

Систематизация и обобщение технических мер и средств обеспечения ЭМС, защищенности от ЭМИ (в частности - распределенного блока защиты с силовым реактором) и стойкости к мощным ЭМИ электрооборудования автономных бортовых систем, проведенные на базе анализа видов и причин возможных нарушений аппаратуры при воздействиях ЭМИ, а также опыта исследований в области ЭМС, позволяет объединить ряд задач обеспечения ЭЭС и ЭМС и дать совместные общие рекомендации для разработчиков.

6. Предложенные расчетно-аналитические, программно-вычислительные, "квазианалоговые" компьютерные модели, методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов в рассматриваемых устройствах при их взаимодействии позволяют выбирать из них наиболее адекватные задачам исследования и проектирования ТЭО с высоковольтным питанием. По сравнению с известными моделями они позволяют при решении задач обеспечения ЭЭС ТЭО существенно сократить сроки моделирования, обеспечивая достаточную точность.

6.1. К теоретическим результатам, полученным расчетно-аналитическими методами и рекомендуемым для использования при проектировании и исследовании средств обеспечения ЭЭС ТЭО с высоковольтным питанием, следует отнести следующие:

- упрощенное эквивалентное дифференциальное уравнение Коши для переходного процесса в синхронном вентильном генераторе с продольной емкостной компенсацией и его частное решение для процесса подключения к выпрямительно-емкостной нагрузке;

- алгоритмы квазиинвариантного регулирования одно-, двух- и трехкаскадных синхронно-вентильных генераторов, обеспечивающие высокую стабильность выходного напряжения при коммутациях нагрузки; при этом однокаскадные генераторы выигрывают по сравнению с трехкаскадными в быстродействии: по выходу на режим - в 7,1 раза, по восстановлению после сброса нагрузки - в 13 раз; квазиоптимальные законы управления демпфирующим сими-сторным коммутатором, позволяющие повысить эффективность устройств снижения колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах переменного тока. расчетно-аналитические соотношения и выражения для выбора основных параметров пассивно-компенсирующих устройств подавления возмущений качества электроэнергии в системах электропитания переменного тока: фильтрокомпенсатора и разветвляющего компенсирующего трансформатора;

- оптимальный по КПД закон управления комбинированным вторичным источником импульсного питания, а также условие минимизации промежуточного емкостного накопителя;

- квазиоптимальные по электроэнергетической экономичности алгоритмы двухканального импульсного управления разгоном тягового привода постоянного тока для двух итераций лимитирующих факторов: без ограничения и с ограничением потребляемой мощности -для исключения "кругового огня" и повышения ресурса щеточно-коллекторного узла; помимо этого вторая итерация позволяет минимизировать установленную мощность приводного двигателя и импульсного преобразователя, повысить коэффициент их использования, а также обосновано выбирать режимы движения транспорта с сетевым питанием;

- выражение для итогового энергетического критерия эффективности дугогашения при размыкании цепей постоянного тока с неза-шунтированной индуктивностью, позволяющее объективно оценивать коммутационную способность аварийных выключателей и контакторов, а также сформулировать задачи по их модернизации;

- приближенное выражение для импульсной силы воздействия на размыкающий якорь аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя с активной форсирующим устройством, позволяющее сформулировать технические требования к проектированию схемы и механизма отключения;

- выражения для основных метрологических характеристик следующих датчиков электромагнитной обстановки: порогового дифференциального датчика постоянного тока; трехкоординатных импульсных индукционных магнито- и электрометрических датчиков (в зависимости от критериев сохранения формы или амплитуды измеряемого ЭМИ); трехкоординатных индукционных датчиков напряженности электростатического поля с электромеханической модуляцией, позволяющие проектировать защитную информационно-измерительную аппаратуру с повышенной точностью и расширенными амплитудно-частотными диапазонами. 7. Практическая реализация базовых теоретических, схемотехнических и конструктивных разработок, полунатурные, натурные и стендовые испытания, а также опыт эксплуатации некоторых устройств показали удовлетворительную сходимость модельно-расчетных и экспериментальных результатов (с погрешностью 5.8%) и справедливость основных теоретических положений. Опытно-промышленное внедрение подтверждает народнохозяйственное и оборонное значение работы, а также расширение области использования полученных результатов.

7.1. По состоянию на конец 2004 г. для нужд авиационной, оборонной и железнодорожно-транспортной техники изготовлено с использованием результатов проведенных исследований и серийно выпущено: более шести видов авиационно-бортовых вторичных источников импульсного питания (ВИИП) для оптико-электронных систем, имеющих на 20-30% меньшую массу по сравнению с предшествующими аналогами; более 515 шт. высоковольтных транзисторных статических преобразователей (конверторов) для электропоездов постоянного тока, которые успешно прошли испытания и эксплуатируются на 11 железных дорогах России, что позволило снизить на 27% эксплуатационные расходы на текущее обслуживание и плановый ремонт, а также существенно улучшить показатели по массе, объему и стоимости по сравнению с аналогичными устройствами известной фирмы "Siemens" (Германия);

-более 15 шт. модернизированных дугогасительных камер аварийных высоковольтных быстродействующих выключателей (БВ-105ТС)

7.2. К настоящему времени разработанные на базе результатов исследований активные форсирующие устройства (АФУ) для БВ электропоездов постоянного тока успешно прошли стендовые и натурные испытания, подтвердившие их ожидаемую эффективность.

Результаты исследований и изготовленные макетные и опытные образцы использованы в госбюджетных и хозрасчетных НИОКР предприятий УОМЗ (г. Екатеринбург), АКБ "Якорь" (г. Москва), МАЗ "Дзержинец" (г. Москва), ЦКБ "Геофизика" (г. Москва), РТИ им. академика А.Л. Минца (г. Москва), НПО "Астрофизика" (г. Москва), ЗАО "Спецремонт", (г. Москва), КБТМ (г. Москва), а также в учебном процессе и НИОКР Московского авиационного института (технического университета) и др.

391

1. Разработанная система неоднократно обсуждалась на регулярных семинарах предприятий МАП, посвященных СЭС широкофюзеляжных самолетов (проводимых под руководством д.т.н., проф. И.М. Синдеева) и была рекомендована к ОКР на МАЗ "Дзержинец".

2. П.1.2. Макеты трансформаторных конверторных модулей для высоковольтного последовательно-модульного конвертора

3. Номинальная мощность стойки (последовательно-модульного конвертора): Р„ом = 13, 5 кВт, максимальная мощность в повторно-кратковременном режиме (25 сек от 0 до Ртах, 170 сек при Рн0м): Ртах = 27 кВт.

4. Напряжение питающей сети: 2200.4000 В с возможностью ступенчатых скачков и кратковременных импульсов напряжения до 13 кВ (до 10 мс).

5. КПД в номинальном режиме не менее 0,9.

6. Стояка содержит 8 последовательно по входу соединенных конверторных модулей.

7. Второй вариант конверторного модуля содержал нерегулируемый инвертор тока (по типу схемы на рис. 1.9.2в) с выходными трансформаторно-выпрямительными блоками и низковольтные ШИМ-стабилизаторы выходных напряжений.

8. Третий вариант реализовал схему нерегулируемого трансформаторного конвертора (НТК) на базе полумостового инвертора с защитным дросселем (ПИ-L), показанную на рис. 1.9.3.

9. Экспериментальные исследования вышеуказанных вариантов проявили следующее.

10. Второй и третий варианты конверторного модуля приблизительно равнозначны по КПД и надежности, однако третий вариант на 7-10% выигрывает по мае со габаритным показателям.

11. На рис. П.1.2.1 приведена фотография внешней поверхности кожуха рассмотренного конверторного модуля. Устройство экспонировалось на Международной выставке TRANS RUSSIA-2001, состоявшейся в марте 2001 г. в г. Москве.

12. Рисунок П.1.2.1. Общий вид трансформаторного конверторного модуля для высоковольтного последовательно-модульного конвертора

13. П.1.3. Опытно-промышленное освоение импульсных источников вторичного питания для бортовых лазеров, антиобледенителей и проблесковых огней

14. В настоящем приложении приведены результаты разработки и серийного выпуска импульсных источников вторичного питания (ИИВП) (см. таблицу П.1.1).

15. ИИВП типа "Бумеранг" конструктивно состоит из одного блока, в состав которого входят силовая схема, емкостный накопитель, устройство инициирования со схемой "дежурной дуги" и платы управления.

16. На рис. П.1.3.1-П.1.3.9 приведены общие виды перечисленных в таблице П.1.1 ИИВП.