автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимальное управление процессами в системе электроснабжения автономного подвижного объекта

од

и московский государственный авиационный институт (технический университет)

На правах рукописи

хомутский дштида крьшч

• • УДС 629.11.621.311.

оптимальное управление ПРОЦЕССАМИ в системе электроснабжения АВТОНОМНОГО ПОДВИЖНОГО объекта

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре "Электрические машины и электроэнергетические установки летательных аппаратов" Московского государственного авиационного института.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Мизюрин С. Р. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Академии Транспорта И Кривенцев В.И.

- кандидат технических

наук,

Синайский В-Б. Ведущее предприятие -.ОКБ "Гранат", г. Москва

Защита диссертации состоится "" ^ " УФНЙ_1994 го-

ио*

да в {{ часов на заседании диссертационного совета К. 053.18.08 в Московском государственном авиационном институте.

Отзывы на автореферат (в одаом экземпляре), заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: I2587I, ГСП Москва А-80, Волоколамское шоссе, 4, ученый совет МАИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ^ " Р_1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.Н.Базаров

0Б4АЯ X АРАК ГЕРИС1ЖА РАБОМ

Актуальность темы. В последние годы многоканальные автономные электроэнергетические системы (АЭЭС) находят широкое применение для питания аппаратуры, содержащей оптические квантовые генераторы, размещаемой на различных транспортных средствах. Автономные многоканальные электроэнергетические установки имеют перспективу развития в передвижной "малой" электроэнергетике общепромышленного и исследовательского назначения: геологоразведочные работы, экологический мониторинг, устройства для создания злектрогадравлического удара, передвижные установки электроимпульсной сварки. Электроэнергетические системы этого типа имеют каналы для питания потребителей.постоянного и переменного тока и импульсные каналы на базе накопителей энергии (НЭ). Системы питания с емкостными накопителями (ЕН) являются наиболее распространенными, однако в перспективе ожидается широкое применение механических (на базе различного типа ударных генераторов) и индуктивных накопителей энергии (МН,ИН).

Ограничения на массо-габаритные характеристики АЭЭС, опре -деляемые требованиями по допустимой транспортируемой массе объекта. и дефицитом свободного объема о<5ъекга, обусловливают исполь -зование в основном автономных приводов сопоставимой с каналами генерирования мощности. В этом случае в сильной степени проявляется взаимовлияние каналов друг на друга, особенно импульсного канала с периодическим режимом, работы "заряд-разряд" на каналы непрерывного питания, что ухудшает показатели качества электро -энергии, по напряжению. Совершенствование АЭЭС общепромышленного и оборонного назначения в направлетии улучшения энергетической эффективности, показателей качества электроэнергии в установив -шихся и переходных режимах, снижения массы и габаритов, повыше -ния надежности является актуальной задачей с позиций развития передвижных установок "малой" энергетики и конкурентоспособности с зарубежными аналогами.. .. .1 . .

Вопросы повышения энергетической эффективности и улучшения показателей качества электроэнергии являются общими как для наземных АЭЭС, так и для систем электроснабжения летательных аппаратов (СЭС ЛА). Оценка возможностей улучшения энергетической эффективности электроэнергетических систем и путей, способов и средств достижения этой цели является важной задачей, особенно

при сертификации АЭЭС самолетов и наземных транспортных средств (НТС) по международным'стандартам. От положительного решения згхх вопросов, направленных на повышение эффективности АЭЭС оборонного и гражданского назначения, существенно зависят перспективы развития многоканальных автономных систем с импульсными каналами генерирования.

Выполненная работа способствует решению комплекса задач , связанных с созданием трехканальной системы электроснабжения для наземных транспортных средств со стационарными и импульсными потребителями мощности. Совокупность разработанных и усовершенст -вованных методик и комплекс проведенных исследований были направлены на решение задачи повышения энергетической эффективности и улучшения качества электроэнергии по напряжения в трехканальной СЭС посредством применения рациональных законов управления в каналах генерирования.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР, проводимой на кафедре "Электрические машины и электроэнергетические установки летательных аппаратов" Московского государственного "авиационного института в соответствии с заказом промышленности на основании решения директивных органов.

Цель диссертационной работы - повышение энергетической эффективности импульсных электроэнергетических установок ЛА и. НТС с НЗ и улучшение качества электроэнергии по напрягению в установившихся и переходных процессах.

Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование и формализация целей управления зарядными процессами в импульсном канале с НЭ:

а) управление с целью обеспечения энергетически оптимального зарядного процесса (при максимальном к.п.д.);

б) управление с цельо обеспечения постоянной мо:цности, потребляемой зарядной схемой от зарядного источника энергии в зарядной составляющей цикла, работы АЗЗС с НЭ и исключения влияния импульсного канала на качество работы стационарных каналов генерирования;

в) оптимальное по быстродействию управление зарядными про -цессами НЭ с целью повышения использования активного объема зарядного источника.

2. Определение законов управления зарядными процессами НЭ в

импульсном канале.

3. Разработка математических моделей систем автоматического и программного управления зарядными процессами в импульсном канале с иелъя обеспечения рациональных законов управления в каналах с ЕН и ИН.

4. Разработка методики физической реализации законов управления зарядными процессами ЕН и ИН.

5. Количественная оценка влияния параметров зарядной схемы с ЕН на качество зарядных процессов в режимах оптимального управ ления.

6. Определение законов регулирования разгонным двигателем постоянного тока с целью минимизации потребления энергии и потер на трение на интервале времени разгона ЫН.

7. Разработка математических моделей для исследования пере ходаых процессов по напряжению в каналах постоянного и переменно го тока при коммутации стационарной нагрузки для оптимального п быстродействию регулирования выходного напряжения и при использо вании регуляторов традиционного типа.

8. Проведение экспериментальных исследований "медленных" за рядных процессов (частота следования импульсов =0,1+10 имп/с с целью сопоставления реальных энергетических характеристик с ре зультагами теоретических исследований. .

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные положения теории динамических режимов электрических машин, методы классического вариационного исчисления, принцип максимума Понтрягина при решении задачи Лагранжа, аналитические методы определения устойчивости системы из теории автоматического управления и регулирования, аналитические и численные методы ре шения дифференциальных уравнений с использованием ЭВМ и экспериментальные метода исследования динамических режимов. Количествен ные расчеты проводились с использованием ЭВМ типа .РС АТ-286.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следущк новые результаты:

- разработана обобщенная математическая модель импульсного канала с НЭ;

- определены новые законы управления зарядными процессами £ с учетом влияния утечки конденсаторной батареи ЕН, дополнительнс индуктивности в зарядных схемах и ненулевых начальных условиях > НЗ;

- исследована устойчивость систем автоматического управления зарядными процессами ЕН, ИН при использовании усилительных звень-еЕ т/.па "линейная характеристика" и "релейная характеристика";

- разработана универсальная методика расчета переходных процессов по напряжению для синхронных и вентильных генераторов по операторным уравнениям Парка-Горева при коммутациях стационарной нагрузки;

- разработана модернизированная операторная модель синхрон -ного генератора, в которой используются монотонные функции индуктивных сопротивлений , Х^СЬ) , что позволило исследовать переходные процессы во всей временной области при использовании различных типов регуляторов напряжения.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные при ее выполнении рекомендации позволяют создать АЭЗС ДА и НТС с улучшенными энергетическими показателями. В частности:

- разработана методика количественной оценки влияния утечки конденсаторной батареи и дополнительной индуктивности в зарядных схемах с ЕН, а также влияния ненулевых начальных условий на НЭ на зарядные процессы в импульсном канале, что позволяет на ран -них.этапах проектирования оценить целесообразность и энергетическую эффективность структур АЗЭС;

- разработанные алгоритмы и программы могут быть включены в САПР АЭЭС и использованы для расчетно-поисковых исследований в целях повышения энергетической эффективности электроэнергетических систем;

- разработаны схемы физической реализации рациональных законов управления в импульсном канале;

- созданы и исследованы макетные образцы импульсного и стационарного канала АЗЭС с ЕН, подтвердившие правильность расчетно-теоретических положений диссертации;

- даны рекомендации по реализации структур, схем и элемен -тов регуляторов различного назначения.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работа были использованы на .предприятиях ОКБ, "Гранат", КБ "Точ -!,аш" при проведении эскизного, технического проектирования, изготовлении опытных образцов изделий, разрабатываемых на этих предприятиях, и создании комплексного стенда многоканальной системы электроснабжения подвижного объекта. Внедрение результатов под-

твервдается актами о практическом использовании диссертационной работы. На основе проделанной работы были рассчитаны, изготовлены и испытаны макетные образцы импульсного капали АЭЭС, которые подтвердили правильность расчетно-теоретичр"ких положений диссер тации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на конферен -циях молодых специалистов Московского авиационного института в 1988-1990 годах, на Всесоюзной научно-технической конференции "Метода управления системной эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов" (г.Киев, КНИГА, 1991 r.J, на научно-технической конференции "Проблемь: энергосбережения в автономной электроэнергетике" (г. Севастополь 1991 г.), на международной научно-технической конференции MAI/ BUАА (китай, г. Пекин, 19-20 октября 1992 г.), научных конфе -ренциях кафедры № 310 Московского авиационного института в 19861993 годах. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных ра -ботах и использованы в материалах эскизного и технического про -ектов АЭЭС НТС ив 10 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит иг .введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации содержит. 158 страниц машино -писного текста, 93 рисунка и 2 таблицу на 58 страницах. Список литературы содержит 7 страниц машинописного- текста и включает 71 наименование. Общий объем работу составляет ' 240 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ - • • "

Во введении определив решаемая научно-техническая проблема обоснована актуальность темы и сформулирована цель и основные ai дачи диссертации, показана ее научная новизна и практическая uei ность результатов и дана информация по структуре, апробации, nyi ликации и практическому использованию материалов диссертационно; работы.

В первой главе дан анализ рациональных структур многоканал ной СЭС НТС и J1A со стационарными каналами переменного и постоя! ного тока и каналом импульсной мощности. Показано, что разработ: автономной системы- электроснабжения автономного транспортного

т

средства требует совместного решения комплекса задач, связанных с исследованием электромагнитных и электромеханических процессов, включая их регулирование. Обоснована необходимость решения задачи снижения динамических отклонений напряжения на управляемой и неуправляемой стадиях переходного процесса параметрическими методами и средствами автоматического регулирования.

Показано, что рациональной структурой построения СЭС НТС с точки зрения критерия "транспортируемой" массы является трехка -нальная трехгенерагорная структура (рис. I), содержащая синхронный генератор (СГ) в стационарном канале переменного тока как базовый при разработке математических моделей каналов. Импульсный канал содержит зарядный генератор (ЗГ), тип которого определяется типом накопителя энергии (НЭ). Стационарный канал постоянного тока ( и = 27 В) включает в себя вентильный генератор (ВТ) с неуправляемым выпрямителем и электромагнитным возбуждением.

Проведен анализ существующих .и разрабатываемых систем воз -буждения СГ, структурных схем систем автоматического регулирова -ния возбуждением и автоматических регуляторов возбуждения. Пока -зано, что наибольшими возможностями по быстродействию обладают тиристорные системы, применение которых для СГ по условиям надежности возможно только в бесщеточном варианте. Анализ систем автоматического регулирования СГ выявил новые направления в их развитии - разработка и создание реверсивных тиристорньгх систем возбуждения, совершенствование законов регулирования и придание новых функций автоматическим регуляторам возбуждения и, в связи с этим, целесообразность применения управляющих вычислительных машин.

Во второй главе проведен синтез законов управления зарядными процессами НЭ в импульсном канале и дан анализ структур программного и автоматического управления "медленными" зарядными процессами. Показано, что для исследования возможностей управления зарядными процессами в канале с НЭ целесообразно формализо -вать, используя обобщенные параметры импульсного канала СЭС (табл. I), цели управления:

1) управление с цель» обеспечения энергетически оптимального зарядного процесса (при максимальном к.п.д.), который, как правило, соответствует минимуму суммарной массы АЭЭС, включая массу топлива, расходуемого на функционирование;

2) управление с целью обеспечения постоянной мощности, пот-

ТРЕХГЕНЕРАТОРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ЗГ - зарядный генератор, ВГ - вентильный генератор, СГ - синхронный генератор, НЗ - накопитель энергии, ИН - импульсная нагрузка, ГТД- газотурбинный двигатель, Р - редуктор

Рис. I

ребляемой от зарядного источника энергии в зарядной составляющей цикла работы АЭЭС с НЭ. Такое управление обеспечивает в циклическом режиме "заряд-разряд" нормальную работу первичных источни -ков энергии без резких периодических перегрузок;

3) оптимальное по быстродействию управление зарядными про -цессами НЭ, позволяющее минимизировать время заряда НЭ и повысить среднезарядную мощность и степень использования объема зарядного источника. ...

Показано, что для энергетически оптимального зарядного процесса закон изменения обобщенной переменной у(-Ь) может быть

Таблица I

Гип НЗ Обобщенные параметры

* и У (О WHCt)

ЕН. ПН MR Си JH iL(i) 9(t) 4Ct)=iL(t)ut(t)

найден как решение вариационной задачи вида:

ч

(I)

где - суммарная энергия потерь, выделяющаяся за время }

заряда НЭ; Рпот (£) - суммарная мгновенная мощность всех видов потерь, определяемая как

Р

dmv

ПОТ

Y

У d-Г '

где. Ку=(Куо ,_КУ1

(t) = K

«m. inx4

(2)

К

- вектор коэффициентов потерь

Ку|, , где i=4,пг , определяется внутренними свойствами системы и среда, в которой эта система функционирует;

[у(£Иа°

- вектор производных обоб -

учитывает степень влияния

сГу dt '

dt J

ценной переменной y(t) , 1 i -ой производной.

При наличии ограничений на управляющую функцию U(t) : ^mtrv5 lUt) ^ Umax - критерий энергетической оптимальности (I) совместно с уравнениями состояния системы, граничными условиями и ограничениями на управление образует задачу Лаграижа, которая может быть решена с использованием принципа максимума Понтрягина.

Закон управления у(t) , обеспечивающий постоянство потребляемой мощности PnoTp(t) в зарядной составляющей цикла, может быть найден из нелинейного дифференциального уравнения вида:

РПОТр (1)вКн у ад + ЬР = «»цЛ,

где ЛР - модность, теряема« на балластных элементах зарядной цепи с НЭ.

Задача оптимального быстродействия решена с использованием принципа максимума Понтрягина в условиях ограничений на управление с критерием оптимальности:

г1

) <1Ь тЧп. (4)

о

Решениями рассмотренных задач, соответствующих различным целям управления, являются временные функции обобщенной переменной У(£) и функции управления и 00 ♦ обеспечивающие изменение У(1) в соответствии с полученными законами.

Для энергетически оптимального зарядного процесса в канале с ЕН, ИН функции управления возбуждением ЗГ, являющиеся решением задачи (I), принимают вид экспоненшальных зависимостей:

ИвОДчАе^+в, (5)

где А , л , В - соответствующие коэффициенты. Предложена реализация функций (5) на аналоговых блоках интегрирующего типа (рис. 2).

При ограниченных ресурсах управления для критериев (1),(4 ) определены функции возбуждения Ц.6(-ь) для ЕН, ИН (с учетом дополнительной индуктивности Ьзг . сопротивления утечки конденсаторов Ву для схем заряда с ЕН).ивСОпредставляют собой релейную функцию "форсировки-расфорсировки", которая принимает при однока-нальном управлении только два значения на границе области возможных вариаций:

м-ь>4н6™ (6)

1и6»плп.

Функции возбуждения 116(-Ь) , являющиеся решением уравнения (3), по форме близки к экспоненциальным зависимостям, что позволяет провести аппроксимацию этих кривых линейной комбинацией экспонент и реализовывать на аналоговых блоках интегрирующего типа (рис. 2). Управление импульсным каналом в режиме постоянной мощности практически равноценно режиму заряда ЕН при максималь -ном к.п.д. зарядного процесса.

Показано, что энергетика зарядного процесса ЕН от трехфаз -ных ВТ отличается от таковой в случае заряда от идеальных источ-

СХЙйА-РЕАЛИЗАЦИИ и «00

Рис. 2

ников постоянного тока по физической сущности. Эквивалентное зарядное сопротивление й3(. определяется как

где Т^ - активное сопротивление фазы генератора; Хг - осред-ненное синхронное индуктивное сопротивление; ]3Г= Хг/й<р, Кв -

коэффициент преобразователя выпрямителя. К.п.д. зарядного процесса, рассчитываемый по формуле

И ---;-, (7)

1с 1 1+[(2/{ТГ£Г)(<СсД})] значительно превосходит к.п.д. схеш заряда с идеальны;/, источником постоянного тока (рис. За).

Проведена количественная и качественная оценка влияния различных параметров зарядной схеш (сопротивления утечки конденсаторной батареи и дополнительной индуктивности в зарядных схемах с ЕН) на зарядные процессы в импульсном канале. Как показал анализ, при соотношениях (ЦГ/£Я)/СН2Я =0,0014-0,1, 0,01 4 0,1, где ХК - суммарное активное сопротивление зарядного контура, сн - емкость ЕМ, необходимо учитывать влияние упомя -нутых факторов при формировании законов управления. Проведена оценка влияния величин Ьзг , на к.п.д. ( (-Ь^ )) заряд-

зависимости чса 3)

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

2с

г ч (ЗИ0

-100

О Тс 2ТС згс АХС 5ТС 6ГС

а)

1,0 0,8 0.6

0,4 0,2

Чс ---

£й/Г?у = 0

\

/ Г \

г

О г„ 2г зт 4т

с с с с с с б)

0,6 0,6 0,4 0,2

% ---- —

¿К 2

^(ьзп/2Р)/сн г Й=0,01 1 I I 1 1 Ц

- 2гс 5тс«тс 5гс6ГСс

в) ' Рис.3

НОГО процесса при реализации закона максимального к.п.д. (рис. 3 б,в).

Показано, что вариационная задача (I) является частным случаем общего критерия энергетической оптимальности, позволяющего учитывать, помимо энергетических потерь на сопротивлениях

R , тепловые потери в стали зарядного генератора: РстЮ = KctUcW , где

1/ - ^с-тух 14 ст П? ' "■с уст

Величина Рст рассчитывается по традиционным методикам при f = Const ; UCyCT - установившееся напряжение на ЕН, соответствующее режиму холостого хода генератора; U-C(t) - мгновенное значение напряжения на ЕН, определяемое законом регулирования. С учетом Uc(t) = Ry обобщенный критерий качества (I) может быть записан в следующей форме:

ь

5 [(icet")+ i-y(t))2 SR + Кllg(t)]dt mtn, (8)

о

где 4

К=*ст+1ГУ *

Разработана методика количественной оценки влияния ненуле -вых начальных условий на НЭ на зарядные процессы в импульсном канале.

Проведен анализ структурной устойчивости нелинейных неста -ционарных систем автоматического управления зарядными процессами ЕН, ИН, стабилизирующих ток, напряжение, мощность в зарядном контуре методами теории автоматического управления. Анализ показал, что системы регулирования с усилительными звеньями типа "релей -ная характеристика" и "линейная характеристика" в обратной связи структурно устойчивы и практически реализуемы.

Для инерционных МН, применение которых в АЭЭС имеет значи -тельную перспективу развития, при реализации оптимального по энергетике разгона маховика функция оптимальной угловой скорости S2(t) вала приводного двигателя является линейной и не за -висит от характера зависимости сил трения от S2(t) . Для режима разгона маховика с минимальным потреблением энергии эа время разгона в соответствии с критерием

ч

[¿яедаяа)+ксйа-) + мсоадзси— игш, (9)

о

где ifl(t) , Ця(t) - ток и напряжение якоря приводного двкгате -ля, кг - коэффициент сопротивления, М__ - стояночный мо -

I* СО

мент трения, получены законы регулирования разгонным двигателем постоянного тока if (t) , ИЯСЬ) , представляющие собой экспо -ненциальные зависимости. Оценка эффективности применения опти -мальных законов 1Я(Ь) , ЦЯ(Ъ) для приводного двигателя с

J

Рядном = ^ показала, что выигрыш по энергетике составляет 207а для маховика с приведенным моментом инерции =0,1125 кг-м*\

В третьей главе исследованы пр-л.....по напряжению при

сбросах и набросах активно-индуктивно;1, нагрузки в каналах переменного и постоянного тока. Поставлена и решена с использованием принципа максимума Понтрягина задача Лагранжа оптимального по быстродействии регулирования, позволяющего приблизить максимальные динамические отклонения напряжения генератора к нерегулируемому уровню и минимизировать время достижения напряжением номинальной величины. Показано, что режимы "форсировки" и "расфорсировки " возбуждения СГ (ВТ для канала постоянного тока) обеспечивают реализацию оптимального по быстродействию закона регулирования напряжения. Разработана математическая модель замкнутой системы с различными типами традиционных регуляторов напряжения. Исходными для математической модели являются операторные уравнения Парка-Горева для СГ в (± , -координатах, учитывающие все внутренние параметры генератора:

лиа(р)=-ял1(1ср)-р[хс1(р)лга(р)4-б6(р)ли6(р)]+ х^(р)ДЦ(р), ЛЦСрЭ-р [Х^АЩр)- Ыр) МР) АВД-

Особенностью разработанной модели по сравнению с классической системой Парка-Горева является го обстоятельство, что нестацио -нарность индуктивных сопротивлений Х^(р) » Х^(р) учтена операторными выражениями ^¿(р) , Х^(р) » являющимися изобраяе -ниями соответствущих функций Ха(р) 1 :

= х - Х^СХь+Хд-гх^р2 + х*а(г„ + Гв)р

(II)

С целью получения замкнутой системы дополняем систему уравнений (10) уравнениями активно-индуктивной нагрузки и регулятора в операторной форме:

М16(р)=>/Рег(р)мнр),

[ВцО+ЛМр)+Р(Хн0+ьхн(р)] л1аСР)--(х

+ (XHO + AXH(p))Ald(p) + IiV0iRH(p) + I40AXHCp).

Разработанная модель позволяет без большого объема вычислительных работ и с высоким быстродействием рассчитать переходные процессы во всей временной области с варьированием различных параметров генератора, регулятора и нагрузки.

Результаты расчета переходных процессов в СГ по напряжению TJ(t) для типовых относительных параметров генератора и нагрузки (табл. 2) показали, что переходные процессы при использовании регуляторов традиционного типа, представленных безынерционным звеном, апериодическим звеном 1-ого порядка, звеном 2-ого порядка, носят колебательный характер с выраженным провалом (всплес -ком) напряжения на начальном этапе переходного процесса (рис. 4).

Таблица 2

Обозначение Числовые значения Обозначение Числовые значения

параметров в системе отн. параметров в системе отн.

единиц " Х^" единиц "Xa.d " .

и 1,8 Га 0,003

ь 1,28 ■R 0,05

1,65 «и0 0,85

1,13 0,526

Х6 1,75 J do 0,89

Г* 0,014 Iqo 0,43

b 1,67 "do 0,526

и 1,15 U4o 0,85

0,003

Увеличение коэффициента усиления регулятора Крег практически не снижает начальное динамическое отклонение напряжения, однако снижает время регулирования. При этом происходит увеличение статической ошибки. Влияние постоянных времени инерционных регуля -торов Тр в основном сказывается на начальном участке пере -ходного процесса, несколько увеличивая начальные динамические отклонения напряжения, однако введение постоянных времени в мате -матическую модель (12) практически не влияет на уровень статиче-

ЗАВИСИМОСТИ и (г ) ПРИ СБРОСЕ НАГРУЗКИ 5Д2Н1

1,8 1,6

1,2 <,0 0.8

* 11 -Кр=-2 N юдг,,

V

1,8

м 1,2 <,0 0.в

* и. * крег-ю --Крег = 20 ---крег3« тр2 = 0.2 ТР1 = 0,58

5Д/ О- ч

' о 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ' 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 <,2 1,4 1,6

а)

ЗАВИСИМОСТИ и (t ) ПРИ НАБРОСЕ НАГРУЗКИ Л2и/5,л1и/Ю 1,2

1,2 *,0 0,8 0,6 0,4 0,2 О

—■ а

/5 А // У

-Кф-2 ---Кф=4 ' ] I V

V <,0 0,8 0,6 0.4

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 \,2 <,4 4,6

б)

Рис. 4

ской ошибки и гремя регулирования. При десятикратно!;' набросе нагрузки ( Д^н/Ю ) начальный спад напряжения составляет (0,34 4 + О,37)ином, а при десятикратном сбросе нагрузки ( 10Дгн ) всплеск напряжения достигает уровня (1,55 + 1,58)и

. Режим

"форсировки-расфорсировки" возбуждения СГ с параметрами, приве -денными в табл. 2, обеспечивает выигрыш по времени регулирования от 0,25 до 0,о с и снижение максимальных динамических отклонений ка ПО + 18^.

Б четвертой глазе приводится описание макетов импульсной системы электроснабжения, спроектированных и изготовленных с участием автора.

Приведено описание экспериментальных установок, в которых в качестве источников электроэнергии при испытаниях макетов использовались синхронный генератор СГС-30-8 и электромашинный преоб -разователь ПТ-6000Б.

Обмотка якоря генератора преобразователя ПТ-6000Б перемотана для получения высокого напряжения ( и = 800 В после, выпря -мителя)-. Обмотка возбуждения генератора и приводной двигатель оставлены без изменений. Генератор преобразователя при частоте вращения а = 8000 об/мин имеет синхронную частоту ^ = 400 Гц. Секции конденсаторных батарей соб.раны из конденсаторов К75-28 ' с возможным ступенчатым изменением емкости в секции от 100 до 1000 . мкФ.

Проведены экспериментальные исследования макета импульсной системы на базе ЕН с форсировкой зарядного процесса и регулято -ром неизменной мощности для исном= 750 В, Си= Ю00 мкФ при коэффициентах форсировки возбуждения Кф = 1;3;4, где К^г **Втах.

' "-6 ном

Испытания проводились в диапазоне частоты следования импульсов

^и = (0,1 + 10) имп/с. Анализ экспериментальных исследований показал, что реализация форсированного возбуждения позволяет уменьшить время зарядного процесса в 4 ; 6 раз по сравнению с нерегулируемой системой. Расхождения в значениях-экспериментальных и расчетных кривых не превышают 18 + 20%, что указывает на хорошую сходимость теоретических и экспериментальных результатов. В регуляторе неизменной мощности использован блок перемножения сигналов напряжения и тока ЕН, построенный на основе полупроводникового умножителя типа 525ПС1. Схема умножения обеспечивает точность перемножения при уровне входных сигналов + 10 В. Разработанный "макет регулятора позволяет стабилизировать мощность в зарядном цикле с точностью 10$, если пренебречь искажениями, на миллисекундных интервалах начала и конца зарядного процесса.

Проведены экспериментальные исследования процесса форсировки возбуждения синхронного генератора СГС-30-8 при набросе ак -

тивно-индуктивной нагрузки. Анализ эксперимента;::.них исследова -ний показал, что реализация •{юрсиропк:: ьоэЗу^чен/.п генератора при набросе активно-индуктивной яягруэхл с илсаметраи! хи -Ом, Т? н -- о Ом позволяет снлз/.ть начальное динамическое отклонение напряжения на ЗСЙ до йицач = I? В и уменьшить время ре -гулирования до 0,03 с.

В заключении работы приведены основные результаты и выводы, полученные автором в процессе исследований.

1. Для формализации целей управления зарядными процессам в импульсном канале с ЕН, ИН, Ш введены обобщенные параметры на -копителей энергии и выведены критерии оптимальности для обеспе -чения: а) зарядного процесса с максимальным к.п.д.; б) процесса постоянной потребляемой зарядной схемой модности; в) оптимального по быстродействию зарядного процесса.

2. Получены аналитические выражения для напряжений и токов в зарядном контуре при различных целях управления. Количественно оценено влияние дополнительных параметров схемы заряда ЕН (Ьзг ,

) на к.п.д. зарядного процесса в диапазонах (Ьзг /ЕЯ ) /

(сягй) = о,оо1 4- о,1, ЕЕ /т?у = 0,01 4 о,1.

3. Показано, что к.п.д. зарядного процесса ЕН при использовании трехфазных ВТ больше соответствующего к.п.д. схемы с иде' -альным источником постоянного тока, что определяется относительным параметром ^г=Хг/тгф . Проведен сравнительный анализ графиков к.п.д. заряда ЕН в диапазоне = 0 * 100.

4. Разработанная методика совокупного учета тепловых потерь в стали зарядного генератора л энергетических резистивных потерь в схеме заряда ЕН рекомендуется для использования при проектировании автономных электроэнергетических установок на заданную мощность.

5. Для канала импульсной мощности с ЕН, ИН разработана,ме -тодика синтеза программного регулятора возбуждения на основе аналоговых блоков интегрирующего типа, которую целесообразно использовать при разработке систем программного управления зарядными процессами ЕН, ИН.

6. Показано, что неполный разряд накопителя повышает к.п.д. зарядного процесса, но приводит к недоиспользованию энергии

\\ГО:5)-1\/(0) , что снижает среднезарядаую мощность и усложняет реализацию коммутации цепей при Ис(0) 4 0 , ¿с(0) Ф 0 „

7. Показано, что при ограниченных ресурсах управления заряд-

ными процессами ЕН, ИН расчетная функция управления и.6 (-Ь) , полученная из решения вариационной.задачи (I), может достигнуть физического предела на интервале времени зарядного процесса. Функция и6(-1) , полученная методами теории оптимального управления с использованием принципа максимума Понтрягина, представ -ляет собой релейную функцию "форсировки-расфорсировки" и прини -мает только два значения на границе области возможных вариаций . Режим форсирования возбуждения реализует оптимальный по быстро -действию зарядный процесс с квазиоптимальным к.п.д. заряда, за -висящим от уровня коэффициента форсировки К<р .

8. Проведенные исследования показали, что замкнутые нестационарные нелинейные системы автоматического управления зарядными процессами ЕН, ИН с усилительными звеньями типа "релейная характеристика" и "линейная характеристика" структурно устойчивы и практически реализуемы.

9. Показано, что для инерционных МН при реализации оптимального по энергетике разгона маховика функция угловой скорости вала приводного двигателя является линейной и не зависит от характера зависимости сил трения от угловой скорости.

10. Определены законы оптимального управления током и напряжением якоря приводного двигателя для систем с инерционными ЫН при дефиците электрической энергии на борту автономного подвиж -ного объекта, что позволяет минимизировать потребление энергии

от источника питания и потери на трение на интервале времени разгона маховика. Показано, что выигрыш по энергетике может составлять 20% при использовании приводного двигателя с Рпдном =500 Вт. Найденные законы могут быть рекомендованы для разработчиков СЭС автономных объектов, в том числе космических ЛА.

11. Для стационарного канала генерирования определены законы управления возбуждением СГ для оптимального по быстродействию переходного процесса по напряжению при сбросах и набросах активно-индуктивной нагрузки. Показано, что режимы "форсировки" и "расфорсировки" возбуждения обеспечивают снижение начальных динамических отклонений напряжения до минимального уровня и мини -мизирутот время переходного процесса.

12. Созданная математическая модель стационарного канала генерирования переменного тока СЭС на базе дифференциальных ура в -нений Парка-Горева в операторной форме и полученные расчетные-выражения позволяют с большой экономией машинного времени рас -

оч.-п иьага псреходис процессы при заданных .уровнях коммутации нагруэк.'.

13. Анализ результатов экспирлу.ентальнчх исследований показал, что для автономного импульсного канпл': генерирования ОС с частотой зарядно-раэрядннх циклов - (0,. + 2) :шп/с г-пцио -нально использовать систему форсировки возбуждения генератора , что позволяет в 4 4 6 раз повысить степень использования модельной мощности генератора при работе в кратковременных режимах. При реализации режима зарядки ЕН неизменной мощностью целесооб -разно использовать регулятор напряжения с разработанной схемой перемножения сигналов напряжения 11с и тока 1 , что позволяет обеспечить при точности перемножения 2% стабилизацию потребляв -мой мощности в пределах 10%.

14. Проведенные экспериментальные исследования на макетных образцах автономного импульсного канала л автономного стационарного канала подтвердили их работоспособность и достоверность расчетно-теоретических положений и результатов диссертационной работы.

Полученные результаты позволяют при разработке СЭС автономного подвижного объекта оптимизировать массо-габаритные характеристики импульсного канала и системы в целом и обеспечить повышение качества электроэнергии на боргу объекта. Таким образом, показана перспективность применения разработанных подходов к ана -лизу и проектированию систем управления многоканальной СЭС НТС с повышенными требованиями по энергетической эффективности и качеству электроэнергии. Подобный подход целесообразно также использовать при проектировании СЭС ДА с энергоемкими импульсными потребителями мощности при повторении зарядно-разрядных циклов I 0,1 4 Юимп/с.

Основные публикации па теме диссертации

1. Мизюрин С.Р., Хомутский Д.В. Законы программного управления зарядными процессами накопителей энергии// Известия вузов. Серия Электромеханика, 1990, № 7, с. 99-107.

2. Мизюрин С.Р., Ломонова Е.А., Сериков В.А., Хомутский Д.Ю. Динамические отклонения напряжения в системах электроснабжени! переменного тока // Методы управления системной эффективность» функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационныз

комплексов. Тез.докл. Всесоюзной научно-технич. конф. - Киев,

1991.

3. Миэюрин С.Р., Ломонова Е.А., Сериков В.А., Хомугский Д.Ю. Оценка динамических колебаний напряжения в автономных систе -мах электроснабжения.// Проблемы энергосбережения в автоном -ной электроэнергетике. Тез.докл. научно-технич. конф. - Севастополь, 1991.

4. Миэюрин С.Р., Ломонова Е.А., Хомутский Д.Ю. Динамические от -клонения напряжения синхронного генератора // Сборник трудов Казанского авиационного института. - Казань, 1992.

5. Mijiurin S.R., Lomonova Е. A., Homutski BY. The research, Of dynamic voltage changes in electrical power system, by control means and parametric methods. // The jirst International conference MAI/BUAA, 19-20 Oct, Beijing, China,

1992.