автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Повышение эффективности радиопередающихсистем методами динамического регулирования несущей

РГБ ОД

На правах рукописи

Брусенцов Кирилл Аркадьевич

Повышение эффективности радиопередающих систем методами динамического регулирования несущей

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель - д.т.н., проф. Ю.Б. Несвижский

Официальные оппоненты - д.т.н., проф. В.Ф. Дмитриков,

к.т.н., с.н.с. В.А. Александров

Ведущее предприятие - ЛОНИИР

Защита

ма у ^цгюос

диссертации _2000 г. в .

^ & час С?

состоится мин

на заседании диссертационного Совета

при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу : 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, дом 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ' " ^^^•^•^-гООО г.

Ученый секретарь диссетационного Совета

К.Т.Н.

//

Е-533-05,0

1. Общая характеристика диссертации

Актуальность темы. Внедрение ресурсосберегающих технологий на всех этапах жизненного цикла является важнейшим фактором повышения эффективности эксплуатации сверхмощных и мощных стационарных радиовещательных передатчиков.

При этом расходы на потребляемую электроэнергию составляют основную статью эксплуатационных затрат. Поэтому разработка и внедрение энергосберегающих технологий в условиях существенного подорожания энергоносителей в России и странах СНГ, является актуальной.

Для амплитудно-модулированных (АМ) передатчиков к подобным технологиям относятся повышение промышленного КПД передатчиков, повышение электронного КПД усилительных приборов высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) трактов, применение способов АМ с повышенным КПД, совершенствование усилительных приборов, в частности, генераторных и модуляторных ламп.

Однако мировой опыт внедрения энергосберегающих технологий на АМ радиовещательных передатчиках показывает, что существенно более значительная экономия потребляемой электроэнергии может быть получена путем использования технологии динамического регулирования несущей (ДРН). Вместе с тем, почти все отечественные передатчики с модуляторами класса В не оснащены техническими средствами ДРН. Причиной этого, наряду с недостатком финансовых средств на модернизацию находящихся в эксплуатации передатчиков, является недостаточная проработка методов и технологий их перевода в режим ДРН.

Указанные обстоятельства обусловили необходимость формулирования задач и проведения комплекса работ, в рамках которых выполнено настоящее диссертационное исследование.

Проблемам повышения эффективности и обеспечения качествественных показателей вещательных AM передатчиков посвящены работы С.И. Евтянова, H.H. Ильиной, В.В. Шахгильдяна, Г.А. Зейтленка, Ю.Б. Несвижского и других авторов. Вместе с тем, известные из радиотехники и радиоэлектроники результаты, в достаточной степени, не распространены на задачи реализации режима ДРН, оценки его энергетических показателей, показателей качества и влияния на параметры сети электропитания. В диссертационной работе предпринята попытка восполнить этот пробел.

Актуальность настоящей работы обусловлена большим значением внедрения энергосберегающих технологий в системы радиовещания. Предлагается существенно снизить энергопотребление методами ДРН при минимальных инвестициях на модернизацию передатчиков.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка единого методологического и технологического подходов к повышению эффективности радиопередающих систем, базирующегося на методе динамического регулирования несущей.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

■ разработка методики оценки эффективности радиопередающих систем в энергосберегающем режиме ДРН;

■ анализ особенностей структуры и параметров радиопередающих систем в режиме ДРН и разработка методики оценки качества этих систем;

■ разработка алгоритмов реализации режима ДРН;

■ разработка методики проектирования аппаратно-программных средств аппаратуры ДРН;

В разработка методик перевода радиопередатчиков в режим

ДРН.

Методы исследования. При выполнении исследований использовались методы теории исследования операций, теории управления качеством, теории систем, известные из радиотехники методы анализа и синтеза радиопередающих систем, а также результаты стендовых и натурных испытаний АМ передатчиков в режиме ДРН.

Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научно-технические результаты:

1) обоснованы невозможность оценки эффективности АМ-передатчика в режиме ДРН одной скалярной функцией - критерием энергосбережения и показана необходимость многокритериальной оценки на множестве показателей качества;

2) предложена многокритериальная модель и методика векторной оценки эффективности и качества радиопередающих систем в режиме ДРН;

3) разработаны статические и динамические характеристики управления ДРН и алгоритмы их реализации, которые обеспечивают различные стратегии перевода передатчиков в режим ДРН при сохранении показателей качества и требований к первичной сети электропитания;

4) предложена методика проектирования аппаратно-программных средств аппаратуры ДРН, которая обеспечивает возможность гибкой реализацию различных алгоритмов ДРН.

Практическая ценность работы. Разработанные методы, алгоритмы и технические средства позволили реализовать в условиях постоянной эксплуатации энергосберегающую технологию ДРН, снизить энергопотребление АМ передатчиков, обеспечивая

требования к качеству передачи и первичной сети электропитания. Впервые предложены несколько сценариев перевода передатчиков в режим ДРН, которые учитывают тип и техническое состояние передатчика, а также требуемые затраты на модернизацию.

Выполнение этих работ создало основу для широкого внедрения энергосберегающей технологии ДРН в эксплуатируеммые вещательные передатчики с реальной экономией электроэнергии 20.. .25%.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при экспериментальных исследованиях, опытной и постоянной эксплуатации аппаратуры ДРН на мощном (1250 кВт) коротковолновом радиовещательном передатчике (экспериментальные исследования, опытная, постоянная эксплуатация и сертификационные испытания); на мощном радиовещательном СВ передатчике (1000кВт) на 2-х мощных (500 кВт) СВ передатчиках типа "Тайфун" (Республика Казахстан, постоянная эксплуатация); на средневолновом передатчике средней мощности (150 кВт) типа "Шторм-С" (Республика Латвия, постоянная эксплуатация).

Положения, выносимые на защиту:

1. Многокритериальная модель, сформированная на основе выбранных показателей качества, учитывает специфику функционирования АМ-передатчика в режиме ДРН, позволяет адекватно выразить смысловое содержание понятия "эффективность" и получить необходимые количественные оценки.

2. Методика векторной оценки эффективности и качества AM передатчиков в режиме ДРН позволяют учесть множество показателей качества и осуществить выбор оптимальных вариантов реализации. Точность полученных векторных оценок обеспечивается

достаточным количеством инструментальных средств и достаточным объемом экспериментальных данных.

3. Разработанные аппаратно-программные средства аппаратуры ДРН обеспечивают внедрение различных вариантов алгоритмов реализации режима ДРН при сохранении необходимого уровня показателей качества.

4. Внедрение разработанных методик перевода АМ-передатчиков в режим ДРН - анализа схемно-конструктивных особенностей реконструируемого передатчика, определения состава и характеристик дополнительного оборудования, сопряжения средств ДРН с аппаратурой передатчика, приводит к реальному уменьшению энергопотребления до 20 ... 25% при сохранении необходимых значений показателей качества.

5. Эффективная реализация режима ДРН достигается без остановки штатного процесса вещания с возможностью регулирования основных параметров статической и динамической характеристик.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены на НТК СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (19-23 мая 1997 г.), на 51 НТК СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (26-30 января 1998 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в четырех публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 84 наименований и 4 приложений. Содержит 187 страниц текста, включая 20 таблиц и 18 рисунков.

Краткое содержание работы

В первой главе рассмотрены особенности реализации и параметры АМ радиопередающих систем в режиме ДРН.

Режим ДРН характеризуется процессом регулирования несущей на выходе АМ-передатчика в соответствии с изменением огибающей модулирующего сигнала, который осуществляется аппаратурой ДРН или другими входящими в состав передатчика аппаратными и/или программными средствами.

Технология ДРН интенсивно внедряется как в новые, так и в существующие передатчики и представляет особый интерес для России и других стран СНГ, где имеется значительный парк старых АМ-передатчиков. Однако этому препятствует ряд технических и экономических проблем.

Международные и национальные организации по стандартизации не регламентируют параметры режима ДРН. Анализ требований ГОСТ 13924 к основным параметрам АМ-передатчиков с учетом особенностей режима ДРН позволяет сделать вывод о том, что нормы на основные параметры соответствуют обычному режиму, но необходимо ввести два дополнительных параметра, характеризующих динамику работы передатчика в режиме ДРН -допустимую длительность перемодуляции в выходном сигнале передатчика и максимальную частоту спектра регулирования несущей.

Регулирование несущей, осуществляемое вентильными преобразователями анодных выпрямителей, приводит к дополнительному возрастанию высших гармонических составляющих тока и напряжения, потребляемой реактивной мощности и к некоторому ухудшению регламентируемых показателей качества электроэнергии. Показано, что коэффициент мощности в режиме ДРН всегда меньше, чем в обычном режиме работы, а степень его уменьшения определяется максимальной глубиной регулирования несущей.

Для анализа функционирования АМ-передатчика в диссертации предложена его структура в режиме ДРН и рассмотрены факторы, влияющие на качество функционирования и эффективность применения режима ДРН. Структуры и ряд технических решений, примененных в большинстве мощных отечественных радиовещательных АМ-передатчиков, аналогичны. Это, в частности, относится к широко распространенным передатчикам типов ПДСВ-150, ПДСВ-1000, РВ-100. Поэтому предложенная структура передатчика в режиме ДРН практически неимеет ограничений.

Показано, что к блокам ВЧ-тракта не предъявляется дополнительных требований, а оборудование электропитания в режиме ДРН не требует модернизации за исключением устройств, обеспечивающих питание подмодулятора. Для получения высокой экономии электроэнергии необходима установка дополнительного выпрямителя для питания подмодулятора, который позволяет увеличить глубину регулирования несущей до 30% при удовлетворяющих нормам значениях коэффициентов гармоник. Без применения дополнительного выпрямителя глубина регулирования несущей не может превышать величины порядка 20%. Таким образом, полный состав аппаратуры ДРН включает в себя блок управления ДРН, дополнительный выпрямитель для питания подмодулятора и усилитель напряжения управления.

Во второй главе рассмотрены методы оценки эффективности и качества АМ-передатчиков в режиме динамического регулирования несущей.

Ряд параметров оказался инвариантным к переводу передатчика в режим ДРН. Эффективность передатчиков Э, определяемая специфическими особенностями функционирования в режиме ДРН, характеризуется множеством показателей качества {К}пер дрн,

включающим показатель энергопотребления {Кэ„}, коэффициент гармоник Кг, защищенность от интефальной помехи и псофометрического шума К„ и Кц, коэффициент искажения кривой напряжения питающей сети К^, вносимой при работе передатчика, допустимую длительность перемодуляции в выходном сигнале передатчика К™, максимальную частоту спектра регулирования несущей Кчр„:

Э = Э ({К } перДРн) = э ( {Кэп}| Кг, Кп, Кш, К„ С1 Кхмп, Кчрн )

Для радиопередающих систем, работающих в энергосберегающем режиме ДРН, в качестве основного критерия энергопотребления на заданном интервале времени М ан в работе принята сумма затрат, определяемая тарифами (С „,) и значениями потребляемой активной (Р* I па) и реактивной (01*1 пр) электрической энергии, а также генерируемой в сеть реактивной электрической энергией (<ЭгЧ га):

Кзп=К эп (А1 ан )= Р * 4 па* С га + 0-) * I Пр * С гл * К Пр + Ог * I гр* С гп * Кф,

где 1 па = ан, 1 Лр ^ А1 ан; I га < М ан.

Показано, что использование задаче ДРН единого критерия энергопотребления в виде скалярной целевой функции, включающей локальные показатели качества, и поиск оптимального алгоритма ДРН не представляется возможным.

Поэтому в диссертации рассматриваются множество алгоритмов ДРН, многокритериальная модель и векторный критерий выбора на этом множестве. Постановка задачи многокритериальной оптимизации включает задачу формирования множества вариантов и задачу выбора оптимального варианта.

Сформирован векторный критерий эффективности передатчиков в режиме ДРН. Составлено упорядоченное множество из ранее выделенных показателей качества с добавлением двух экономических

показателей качества: Ктс - стоимости технических средств; К™ -стоимости услуг и пусконаладочных работ. Векторный критерий эффективности Кэ имеет вид:

к кэп Кг Кп Кщ Кис Ктмп Кчрн Ктс Кпн

Если сопоставить каждой компоненте Кэ предельное численное значение, определяемое нормативными требованиями, то получим векторный критерий КЭн нормативных требований.

Каждому из альтернативных алгоритмов Аз соответствует точка в пространстве, характеризуемая вектором (комбинацией) показателей

{ К,(А;), ... , К, (А,) } С { К,(А), ... , К„ (А) } = Кэн.

Отношения альтернативных алгоритмов реализации ДРН определено в терминах векторного критерия.

Сравнение альтернативных алгоритмов по векторному критерию позволяет сузить их исходное множество до множества л -оптимальных алгоритмов {А} п, среди которых и производится окончательный выбор.

Множество {А}п может содержать не один, а несколько эффективных алгоритмов, если, например, один эффективный алгоритм предпочтительнее другого только по одному из показателей качества. В условиях, когда показатели качества передатчиков в режиме ДРН не могут быть ранжированы по значимости и представляются равноправными, вопрос выбора одного оптимального алгоритма из договорного множества {А}п требует разработки критерия окончательного выбора.

Соответствующий критерий окончательного выбора на множестве Парето Ков* в виде обобщенной монотонной функции может быть сформирован для задачи эффективности передатчиков в

режиме ДРН на базе функций, которые являются монотонно-возрастающими, неубывающими или постоянными на множестве алгоритмов реализации. Критерий имеет вид

Ков* = С0 + £ С^, где С0, С, - константы, I = 1,..., 9.

Если получение критерия Ков* затруднительно или невозможно, применяют другие критерии или дополнительную информацию, не использованную при формировании векторного критерия. В качестве источника такой информации используют лицо, принимающее решение (ЛПР).

В зависимости от типа и состояния АМ-передатчика, переводимого в режим ДРН, и экономического положения эксплуатирующего его предприятия, ЛПР может быть выбрана одна из множества стратегий, определяемого двумя крайними вариантами: «минимальные затраты на модернизацию -гарантированная минимальная экономия электроэнергии»; «максимальные затраты на модернизацию - гарантированная максимальная экономия электроэнергии».

В заключение главы предложена методика анализа и оценки качества сети электропитания при внедрении режима ДРН. Показано, что режим ДРН не оказывает существенного влияния на интегральный уровень гармонических составляющих в первичной сети электропитания. В режиме ДРН происходит перераспределение уровней гармоник в сторону увеличения высших и уменьшения низших канонических гармонических составляющих, что подтверждено экспериментальными исследованиями.

В третьей главе рассмотрены принципы и методы проектирования аппаратуры ДРН. Приведены структура и функции аппаратуры ДРН.

Основными функциями аппаратуры ДРН являются формирование

управляющего напряжения для регулирования анодным напряжением передатчика и задержка модулирующего НЧ сигнала на время, необходимое для установления требуемого анодного напряжения.

В задаче ДРН существуют два типа статических характеристик управления. Нормированная статическая характеристика управления блока ДРН представляет собой зависимость нормированного уровня напряжения управления от нормированного уровня входного гармонического сигнала. Под статической характеристикой управления передатчика понимается зависимость анодного напряжения от напряжения управления при заданном уровне коэффициента модуляции на выходе передатчика.

К параметрам динамической характеристики управления аппаратуры ДРН относятся: время линейного нарастания Тн напряжения управления и время задержки Т3 модулирующего сигнала. Параметр Тн определяет вторичный параметр - интервал времени анализа Та НЧ сигнала.

Предложенные в работе алгоритмы реализуют статические характеристики управления блока ДРН, аппроксимируемые тремя участками; первый и третий участки характеристики являются горизонтальными, а второй - линейным (см. рис1.).

В первом алгоритме А1 (стандартная характеристика с тремя участками на рис.1) время анализа Та и время нарастания управляющего напряжения Тн устанавливаются независимо. Динамические характеристики управления обеспечивают наибольшую экономию электроэнергии за счет максимального сокращения запаса по времени нарастания напряжения управления. При этом, возможны эффекты кратковременной перемодуляции (несколько мс) и перегрузки в передатчике.

Во втором алгоритме А2 (стандартная характеристика с тремя участками на рис.1) значение выходного управляющего напряжения

вычисляется по результатам поиска максимального значения входного модулирующего напряжения на текущем и следующем интервалах анализа. Для расчета выходного управляющего напряжения выбирается большее из указанных значений. В алгоритме обработки время анализа Та и время нарастания Тн жестко связаны соотношением: Та = 2 х Т„. Предложенная в этом алгоритме динамическая характеристики управления обеспечивают меньшую экономию электроэнергии, чем в первом алгоритме, за счет введения запаса по времени нарастания напряжения управления и использования алгоритма вычисления управляющего напряжения, гарантирующего отсутствии перемодуляции и перегрузки в передатчике.

В третьем алгоритме АЗ (усовершенствованный вариант первого алгоритма) используется статическая характеристика управления с добавленным участком УО для уровня модулирующего НЧ сигнала, меньшего ХО (см. рис.1). Регулировка параметра УО позволяет обеспечить требуемый уровень шума на выходе передатчика.

В четвертом алгоритме А4 (усовершенствованный вариант второго алгоритма) используется статическая характеристика управления с добавленным участком УО для уровня модулирующего НЧ сигнала, меньшего ХО (см. рис.1).

Каждый из описанных алгоритмов может быть реализован с непосредственной или поэтапной отработкой процесса нарастания управляющего напряжения, поэтому общее число реализаций алгоритмов аппаратно-программными средствами составляет восемь.

Рис.1 Статические характеристики управления блока ДРН, реализуемые алгоритмами 1 - 4.

Применение каждого из приведенных алгоритмов характеризуется комбинацией показателей { К^А), ... , К„ (А) } с { К,(А).....К„ (А) }п.

Каждый из алгоритмов А1 - А4 может использоваться в конкретных условиях, и их применимость определяется с точки зрения оптимальности по Парето.

В последнем подразделе главы приведены результаты разработки и реализации аппаратуры ДРН на базе однокристального микропроцессора, включая описание основных функциональных узлов и программного обеспечения. Показано, что предложенный метод реализации обеспечивает гибкое управление параметрами,

защиту передатчика в режиме ДРН, а также перевод передатчика в режим ДРН без остановки вещания.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки методики перевода АМ-передатчиков в режим ДРН. Приведена методика анализа схемно-конструкгивных особенностей реконструируемого передатчика, выбора дополнительного оборудования и сопряжения с аппаратурой ДРН. Предложены методики определения параметров статической и динамической характеристик ДРН.

Приведен пример выбора оптимального алгоритма реализации метода ДРН на передатчике ПДСВ-150, а также результаты экспертных оценок качества функционирования передатчиков.

Заключение

В работе предложен новый подход, создающий основу для массового внедрения энергосберегающих технологий ДРН в отечественные вещательные передатчики с минимальными затратами и с реальной экономией электроэнергии 20-25%.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, формулируются следующим образом.

1. Показана необходимость создания для АМ-передатчиков методик перевода в энергосберегающий режим ДРН, не требующих значительных первоначальных затрат и экономически обоснованных для применения в условиях России.

2. Показано, что нормы на основные параметры АМ-передатчиков в режиме ДРН соответствуют обычному режиму, обоснована целесообразность введения двух дополнительных параметров, характеризующих динамику работы передатчика в режиме ДРН.

3. Сформировано множество показателей (локальных критериев) качества, определяющих эффективность АМ-передатчиков при внедрении режима ДРН.

4. Показано, что выбору в качестве критерия эффективности АМ-передатчика в режиме ДРН одной скалярной функции - критерия энергосбережения препятствуют проблемы аналитического описания составляющих локальных критериев качества, их противоречивость и различное поведение при реализации разных алгоритмов.

5. Показано, что эффективность радиопередающих систем в энергосберегающем режиме ДРН может быть оценена на основе многокритериальной (векторной) модели, что позволяет, в отличие от известных подходов, как адекватно выразить смысловое содержание понятие "эффективность", так и получить необходимые количественные оценки.

6. Предложена многокритериальная модель и методика векторной оценки эффективности и качества радиопередающих систем в режиме ДРН. Адекватность многокритериальной модели и точность полученных векторных оценок обеспечиваются достаточным количеством инструментальных средств и достаточным объемом экспериментальных данных; при этом важно учитывать все три составляющие комплексного показателя энергопотребления КЮп-

7. Разработан критерий окончательного выбора для задачи эффективности передатчиков в режиме ДРН. Применение модели и получение оценок эффективности производятся, при необходимости, при участии ЛПР и обеспечивают принятие наиболее правильного решения.

8. Предложена методика анализа и оценки качества сети электропитания передатчика при внедрении режима ДРН.

9. На основе анализа известных результатов предложены новые статические характеристики управления ДРН и реализующие их четыре вида алгоритмов, обеспечивающие выполнение различных комбинаций требований к энергопотреблению и показателям качества передатчика..

10. Разработана методика проектирования аппаратно-программных средств ДРН для АМ-передатчиков, включая схемно-технические решения основных узлов и рабочих алгоритмов микропроцессора.

11. Разработанный и реализованный в блоке управления аппаратуры ДРН алгоритм обработки модулирующего напряжения и формирования напряжения управления обеспечивает отсутствие перемодуляции и срабатывания защиты.

12. Разработанная методика проектирования аппаратно-программных средств блока управления ДРН обеспечивает гибкую реализацию различных вариантов алгоритмов управления при сохранении необходимого уровня качества передачи.

13. Разработаны методики перевода передатчиков в режим ДРН, включающие анализ схемно-конструктивных особенностей реконструируемого передатчика, определение состава и характеристик дополнительной аппаратуры, сопряжение средств ДРН с аппаратурой передатчика.

Правильность основных теоретических положений и метода исследования подтверждены экспериментальной проверкой, результатами эксплуатации и экспертных оценок эффективности и качества вещательных АМ-радиопередающих систем при внедрении режима ДРН. Результаты работы внедрены в находящиеся в эксплуатации вещательные АМ передатчики.

Список опубликованных работ

1. Несвижский Ю.Б., Брусенцов К.А., Коршунов Г.И., Лаюшка В.В. Базовые алгоритмы и структуры в задаче повышения эффективности радиопередатчиков методами динамического регулирования несущей, // Петербургский журнал электроники. 1999 N 3.

2. Брусенцов К.А. Проблемы электромагнитной совместимости АМ-передатчиков в режиме ДРН, // Тез. докл. НТК СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (19-23 мая 1997 г.) - СПб, 1997.

3. Брусенцов К.А. Исследование методов повышения эффективности работы клистрона в телевизионных передатчиках. Тез. докл. 51 НТК СПП/Т им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (26-30 января 1998 г.) - СПб, 1998.

4. Брусенцов К.А. Раздел №2 отчета по НИР " Исследование возможности реализации режима ДРН в клистронах на действующих ТВ передатчиках", №063-97-010 СПб ГУТ, 1997.

Подписано к печати 03.05.2000 Объем 1 печ.л. Тир. 60 экз.