автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Создание адаптивных модульных агрегатов бесперебойного питания корабельных электротехнических систем

На правах рукописи

Фёдоров Андрей Евгеньевич

СОЗДАНИЕ АДАПТИВНЫХ МОДУЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2006

Работа выполнена в филиале Федерального государственного унитарного предприятия «Производственное конструкторское предприятие «Ирис»

(г. Новочеркасск)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Птах Геннадий Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Атрощенко Валерий Александрович

кандидат технических наук, доцент Кравченко Олег Александрович

Ведущая организация: Первый Центральный научно-исследовательский

институт Министерства обороны РФ

Защита диссертации состоится 26 сентября 2006 г. в 14.00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 Кубанского государственного технологического университета (350000, г. Краснодар, ул. Сгарокубанская, 88/4, ауд.№ 410)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета (350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2)

Автореферат разослан 22 августа 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.06, кандидат технических наук, доцент

Л.Е. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Совершенствование боевых кораблей на мировом уровне требует высокой степени автоматизации процессов управления. С этой целью создаются новые мощные электронные комплексы управления, что, в свою очередь, требует непрерывного совершенствования и обновления технических средств корабельных электроэнергетических систем (ЭЭС). При этом должны учитываться характеристики самих потребителей. Важнейшей составной частью корабельной ЭЭС являются агрегаты бесперебойного электропитания (АБП). В связи с этим создание АБП с улучшенными показателями надёжности, является актуальной задачей.

Качество электроэнергии, питающей управляющие комплексы нового поколения, определяет тактико-технические характеристики корабля в целом. Так, например, характерные для бортовых сетей электропитания изменения напряжения приводят к потере текущей информации в процессе выполнения тактической задачи. Исключение таких «провалов» позволяет избежать потери ценной информации и неисправимых повреждений аппаратуры и является важной исследовательской и практической задачей.

Ответственные потребители корабельных систем и комплексов характеризуются различными режимами кратковременного повышенного потребления энергии. В связи с этим АБП должны обеспечивать защиты от перегрузок и селективность этих защит. Кроме того, должен быть реализован ряд дополнительных функций, связанных с управлением АБП, бесперебойностью электроснабжения, фильтрацией импульсных перенапряжений на линии и т. д. Актуальным является обеспечение нового поколения кораблей соответствующими комплексами электропитания, согласующимися с питаемой аппаратурой по уровню качества электрической энергии и функционально интегрированными.

Важной задачей является обобщение результатов теоретических исследований и проектных разработок в области систем электроснабжения и автоматизированного электропривода и их использование в схемах управления интегрированными статическими преобразователями (ИСП), которые являются главной составляющей частью АБП.

Существенный вклад в эти работы внесли предприятия и организации: ФГУП НПО «Аврора» (Ю.А. Губанов, П.Ф. Степаненков), 1-й ЦНИИ МО РФ (Ю.В.Скачков), ФГУП «ЦКБ МТ «РУБИН», ФГУП «ПКП «Ирис» (А.П. Темирев, P.A. Тумасянц, C.B. Кравченко, В.В. Буравлев), кафедра «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) под руководством к.т.н., доцента Л.Ф. Коломейцева.

Цель работы заключается в совершенствовании агрегатов бесперебойного электропитания с микропроцессорным управлением для электронных комплексов подводных лодок (ПЛ) нового поколения.

Для этого в работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Выбор и обоснование важных для ответственных потребителей - электронных комплексов и систем автоматики ПЛ - показателей качества электроэнергии в стационарных режимах и при переходных процессах.

2. Разработка универсальной обобщенной структурной схемы АБП с микропроцессорной системой автоматического управления (САУ), позволяющей обеспечить применение унифицированных функциональных узлов по типу, мощности и назначению.

3. Разработка функциональной схемы АБП и схемотехнических решений, позволяющих обеспечить заданные показатели качества выходного напряжения в различных режимах, включая защитные.

4. Разработка математической и компьютерной моделей системы управления АБП для проведения имитационного моделирования.

5. Разработка методики проектирования АБП с применением полученной компьютерной модели.

6. Разработка алгоритма адаптивного микропроцессорного управления АБП при изменениях входного напряжения и переключениях питания в случае аварийного пропадания напряжения в одной из входных сетей.

7. Разработка алгоритмов и схемотехнических решений для обеспечения защиты АБП от перегрузок и токов КЗ.

8. Практическая реализация структурно-алгоритмических и схемотехнических решений при создании новых АБП и выработка рекомендаций по проектированию на основе полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Объект исследования. Агрегаты бесперебойного питания для электроснабжения электронных устройств корабельного комплекса агрегатированных систем (КАС) «Литий» нового поколения.

Предмет исследования. Рабочие (сброс и наброс нагрузки; переход первичного питания АБП с одной сети на другую), перегрузочные и аварийные режимы агрегатов бесперебойного питания корабельных электронных систем.

Новые научные результаты.

1. Разработана универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного электропитания с микропроцессорной САУ, обеспечивающая его построение на основе унифицированных функциональных узлов и адаптацию к различным режимам работы.

2. Разработаны математическая и компьютерная модели системы управления АБП, позволяющие с помощью имитационного моделирования определять параметры АБП, которые обеспечивают заданные показатели качества выходного напряжения.

3. Разработан алгоритм и даны рекомендации по определению параметров контура регулирования системы управления АБП, обеспечивающие требуемые показатели качества выходного напряжения при переходном процессе переключения питания с одного борта на другой и в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения.

4. Найдены структурные и схемотехнические решения по организации программно-аппаратных защит АБП от токов перегрузки и короткого замыкания на выходе АБП.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

- универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного электропитания с микропроцессорной САУ;

- математическая и компьютерная модели системы управления АБП;

- методика выбора параметров контура регулирования напряжения, которые обеспечивают требуемые показатели качества выходного напряжения при переходном процессе переключения питания с одного борта на другой и в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения;

— алгоритм и схемотехнические решения программно-аппаратной защиты АБП при перегрузках и коротких замыканиях на выходе.

Практическая ценность. Разработана методика проектирования агрегатов бесперебойного электропитания, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии в разных режимах (рабочих, перегрузочных, аварийных), адаптированных к заданным диапазонным изменениям входного напряжения. Разработаны алгоритмические и схемотехнические решения встроенной программно-аппаратной защиты АБП, обладающей свойством селективности идентификации аварийной ситуации и спо собствующей повышению надежности работы в режимах перегрузок. Создана принципиально новая ударо- и вибропрочная модульная конструкция многоканальных агрегатов бесперебойного электропитания. Создан норморяд новых АБП, адаптированных к различным видам нагрузки. Результаты работы внедрены в ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», г. Санкт-Петербург при разработке и введении в эксплуатацию корабельного комплекса нового поколения КАС «Литий», а также в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ)для специальности «Электрооборудование и автоматика судов».

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на Всероссийском симпозиуме по проблемам бесперебойного электроснабжения (г. Зеленоград, 2003 г.), на межотраслевом научно-техническом семинаре "Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах" (г. Ростов-на-Дону, 2003 г.), на межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов» (г. Новочеркасск, 2005 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе 5 статей, получено 1 патент на полезную модель и 8 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 148 страницах основного текста, содержит 79 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает 58 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, которые необходимо решить для ее достижения, приведены основные положения, выносимые на защиту, и сведения о научной новизне, практической ценности, внедрении и апробации результатов работы.

В первой главе на основе публикаций и приобретенного практического опыта проведен анализ современного состояния вопроса качества электрической энергии, вырабатываемой корабельными устройствами электроснабжения. Определены возможные способы и средства улучшения качества вырабатываемой электроэнергии. Сформулированы основные требования к комплексам электропитания современных дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ).

Сравнительный анализ известных видов корабельных ко мплексов э лектропи-тания (ККЭ) выявил отсутствие таких ККЭ, которые в полной мере отвечают современным требованиям к уровню качества преобразуемой электроэнергии. Определена необходимость принятия принципа интегрированности функциональных задач при создании АБП нового поколения.

На основе этого принципа определена структура малогабаритных универсальных АБП модульного исполнения (рисунок 1). Обозначения: АП — автономный преобразователь, ФИКП - фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений,

FUI, FU2 — предохранители.

На рисунке 2 приведена типовая укрупненная функциональная схема системы электроснабжения ДЭПЛ с имеющимися в ее составе интегрированными комплексами АБП-JI и ПП-ПЕТ-260-28,5, которые представляют собой агрегаты бесперебойного питания электронных потребителей различного назначения. В надводном положении энерговырабатываю-щая электромеханическая система дизель-генератор (Д и СГ) обеспечивает через выпрямитель В питание гребного электродвигателя (ГЭД) и, соответственно, движение судна, заряд аккумуляторной батареи (АБ) и питание потребителей. В подводном положении единственным источником электроэнергии является акку-

1 I 1 1 1

1 I АП АП АП АП АП АП АП АП

FUI R/2

1 L

К потребителям

Рисунок 1 -Структура малогабаритного АБП

муляторная батарея, состоящая из двух независимых групп (АБ1 и АБ2). На рисунке 2 обозначено: УВОС — управляющие воздействия по обратным связям, ДУ и С — дистанционное управление и сигнализация. Обоснована необходимость выработки общего подхода и рекомендаций по проектированию АБП нового поколения, отвечающего сформулированным требованиям к качеству преобразуемой электроэнергии.

Комплексные системы управления (КСУ} ^^ корабельными техническими средствами (КТС)^

Рисунок 2 - Укрупненная функциональная схема системы электроснабжения ДЭПЛ Во второй главе выполнен анализ типовых структур источников бесперебойного питания, на основании которого за прототип структуры АБП выбрана обобщенная схема питания цифровых регулируемых электроприводов с управляющим микроконтроллером. Определен способ управления АБП, в качестве которого принято ПИД-регулирование, реализуемое средствами микропроцессорной техники. На основе сравнения частотного и широтного видов импульсной модуляции (ЧИМ и 111ИМ) для реализации в САУ АБП выбрана ШИМ ввиду более высокой сложности обеспечения заданных параметров качества выходного напряжения в широком диапазоне нагрузок с помощью ЧИМ.

На основе требований, предъявляемых к АБП, и с учетом возможности возникновения случайных перегрузочных и аварийных режимов работы в качестве системы управления для АБП принята адаптивная беспоисковая самонастраивающаяся САУ. Разработанная обобщенная структура АБП с адаптивной САУ приведена на рисунке 3.

При ее разработке учитывались требования по обеспечению, в первую очередь, заданного уровня качества электрической энергии, надежности и функциональной универсальности.

Фильтр импульсных коммутационных перенапряжений Ф ИКП обеспечивает фильтрацию радиопомех и импульсных коммутационных перенапряжений, возникающих во входной сети при подключении потребителей большой мощности к бортовой сети. Развязывающий преобразователь обеспечивает гальваническое разделение силовых входных и выходных цепей и цепей управления, осуществляет основное первичное преобразование энергии. Он включает в себя импульсные инверторы И1, И2, импульсный высокочастотные трансформаторы Тр1, Тр2, выпрямители В1, В2 и высокочастотный сглаживающий фильтр Ф1. Стабилизатор формы кривой напряжения построен по аналогичному принципу. Система управления, состоящая из автоматизированных систем АСУ 1 и АСУ2, используя сигналы датчиков тока ДТ и напряжения ДН (как на входе, так и на выходе), реализует алгоритм регулирования и стабилизации напряжений. Вместе с этим, АСУ реализуют алгоритмы защит на каждой ступени преобразования, используя сигналы от преобразователей, и явля-

ются инициаторами приема и передачи сигналов управления и индикации. Выходной фильтр Ф2, кроме сглаживания пульсаций выходного напряжения, устраняет высокочастотные радиопомехи на выходе преобразователя. Он также выполняет роль накопителя энергии и при пропадании питающего напряжения £/вх по обеим сетям, обеспечивает питание нагрузки в течение определенного интервала времени, определяемого его реактивными свойствами.

Для обеспечения управления АБП в структуру включены пульт управления и сигнализации ПУ и С (для местного управления) и модуль дискретного ввода-вывода МДВВ (для управления с дистанционного пульта). Узлы защиты преобразователя от перегрузок и КЗ реализованы с применением программно-аппаратного дублирования. Программными средствами являются микроконтроллеры МК1, МК2 и МК. Аппаратными средствами являются датчики тока ДТ, датчики напряжения ДН, драйверы силовых ключей инвертора И, а также аппаратные средства микроконтроллеров из состава АСУ1 и АСУ2. Стабилизация выходного напряжения осуществляется по сигналу цепи обратной связи через датчик ДН.

На основе полученной структуры разработана функциональная схема ИСП с применением унифицированных узлов (рисунок 4), отвечающая сформулированным основным требованиям к качеству электроэнергии для питания ответственных потребителей.

СУ

Рисунок 4 - Функциональная схема ИСП

Третья глава посвящена разработке математической и компьютерной моделей для имитационного моделирования переходных процессов и стационарных режимов с целью определения параметров контура регулирования АБП, обеспечивающих заданные показатели качества выходного напряжения. При построении математической модели принят ряд допущений, основные из них следующие:

1) пассивные и полупроводниковые элементы функциональной схемы — идеальные, трансформаторы и дроссели не насыщаются;

2) импульсы управления имеют прямоугольную форму;

3) импульсы управления передаются на вход фильтра мгновенно без задержки в цепях передачи.

На основе функциональной схемы с учетом принятых допущений получена структура математической модели системы управления АБП (рисунок 5).

ив!ф)

инад

!вых

Рисунок 5 - Структурная схема математической модели системы управления АБП

С целью снижения трудоемкости расчетного определения параметров контура регулирования принята модель ШИМ в скалярных функциях. Принцип формирования ШИМ поясняет п рисунок 6. Уравнение, опреде-Рисунок 6 -Графическая интерпретация ШИМ ляющее моменты времени /„

появления модулированных импульсов ШИМ представляет собой выражение:

co0 t„ =2кп + (p(/0) + ср(/„) или <в0 - [x(t„)+ ul] /а = 2лп + ср(Г0) (1)

Из графической интерпретации и уравнения (1) следует структурная схема ШИМ (рисунок 7). На вход поступает сигнал м0х а, определяемый несущей частотой следования импульсов ШИМ и углом наклона кривой зависимости U(t) - a*t на интервале Т. При заданной постоянной частоте ШИМ величина параметра а зависит от выбранного значения и1, что, в свою очередь, определяет шаг дискретизации — величину кванта нелинейного элемента Д = 2я х а.

од» а

1/s -нТН

Ти1

Н.Э.

_ ¿sC-p _Т

Вертикальная ступень характеристики нелинейного элемента НЭ определяет амплитуду импульса на выходе ШИМ, а горизонтальная со-Рисунок 7 - Структурная схема ШИМ ставляющая - величину кван-

та дискретизации Д. Формирователь импульсов формирует длительность, равную разнице между периодом импульса Т и фазой переднего фронта ф(£„)- Таким образом, на выходе модулятора получается последовательность прямоугольных импульсов длительностью [Г - ф(/„)] и амплитудой, равной величине вертикальной ступени характеристики нелинейного элемента (+1), а моменты появления импульсов определяются уравнением (1). Передаточная функция \Vf\is) отображает динамических динамические свойства ИСП при воздействии скачков и провалов напряжения и„ во входной сети. Математическая модель системы управления АБП, структура которой представлена на рисунке 5, представляет собой систему уравнений (2). Г Щз)= (\/[ТпТс^+( Тп + Та )*+1]) х С/^);

/71(п)=2для и=1,3,5,...; ^,(и)= - Zдля л=2,4,6,...;

Щ5)= <№(.■;) х *1)2]; (2)

ивых(*)^ (1/[7Ъ7Ъл-2+( ГД2+ 7Ь >+1]) х АЩ*)= иу (*) - ивых(*) х (кл - к3хк2); г(5)=[(ю0^) - 1/п„д(^)-и1] х Wюx(^-exp-s(■т-«"y>)■, Ф(п) = [ф)+и1]/а Ч. иМ = ДОД х (кп+кф+к&),

где U/s) - напряжение на выходе входного фильтра (Щ l(s)); U,(s) - напряжение на выходе инвертора ((^{j)); Ft(?i) — знакопеременные импульсы напряжения единичного значения на входе инвертора, по длительности соответствующие импульсам 111ИМ; Ufa) — напряжение на выходе выпрямителя (fV^s)); i/Bblx(s) — выходное напряжение АБП; Z(s) — импульсы управления инвертором на выходе ШИМ; ипид(s) — напряжение на выходе ПИД — регулятора с коэффициентами кп кц lVm- передаточная функция нелинейного элемента, характеристика НЭ определяет шаг дискретизации (горизонтальная ступень) и амплитуду импульсов (вертикальная ступень); TL, Тс - постоянные времени фильтров, определяемые реактивными параметрами, Т — период следования импульсов, юа — частота следования импульсов, Uy — уровень уставки напряжения.

На основе математической модели системы управления АБП разработана компьютерная модель с применением пакета расширения Simulink системы комплексного моделирования Mathlab. Компьютерная модель построена посредством моделирования отдельных узлов АБП и последующего их сочленения. Модель позволяет получить характеристики различных статических и динамических режимов благодаря гибкости выбранной среды моделирования. С помощью компьютерной модели ИСП проведены исследования процессов регулирования для различных значений параметров контура регулирования с целью обеспечения стабилизации выходного напряжения ИСП. При этом рассмотрены наиболее вероятные дестабилизирующие внешние факторы, влияющие на работу контура регулирования. На рисунке 8 представлена модель ИСП для рабочего режима, когда напряжение бортовой сети изменяется «скачком» от 175 до 320 В.

Рисунок 8 - Структура компьютерной модели ИСП дня исследования динамических режимов при возмущениях на входе ИСП и при периодическом изменении питаощего напряжения

Для моделирования такого режима можно воспользоваться перерасчетом напряжения, преобразуемого трансформатором с заданным коэффициентом трансформации. Здесь необходимо отметить, что выбор значения напряжения на входе выходного фильтра определяется коэффициентом усилителя Gain и на практике, зависит от нескольких факторов: уровень напряжения, степень нагрузки трансформатора, длительность и интенсивность режимов перегрузок.

Диаграммы представлены на рисунке 9. В порядке «сверху вниз» представлены сигналы: А„ - дестабилизирующее воздействие на контур регулирования, £/ос= (/вых - С/у — напряжение обратной связи, С/пид— сигнал с выхода ПИД и U ген — инвертированный сигнал с выхода генератора формирователя импульсов, Uшим — модулируемые импульсы ШИМ на входе линейной части фильтра; {/вых - выходное напряжение — стабилизируемый параметр.

" ___„ Ли __._._.__

Цген; Цос(пид)

На рисунках 10, 11 представлены диаграммы выходного напряжения для модели и практического режима переключения электропитания от бортовой сети с одного фидера на другой при разных значениях напряжения в фидерах и разных параметрах контура регулирования. «Полочка» в конце пе-¿вих реходного процесса на рис. 11, б,

обусловлена временем передачи управления от первого микрокон-

Рисунок 9 - Диаграммы напряжений дая динамиче- ^0ллеРа второму в реальном АБП.

Погрешность определения значения амплитуды напряжения в переходном режиме при моделировании относительно практического реального результата составляет соответственно -1,5 В и +0,5 В при номинальном напряжении 28,5 В, что определяет уровень адекватности модели и целесообразность её применения для идентификации параметров контура регулирования системы управления ИСП.

ского режима при возмущающем воздействии амплитудой Ав = 1,5 В и изменении амплитуды преобразованного напряжения от 40 до 65 В

ви~1пге«*-

5 В х дел.

а)

б)

Рисунок 10 - График выходного напряжения при переключении питания с одного борта на другой: а — модель; б - реальный режим

5 В * аел.

-Ькш1*

тгекк

а)

б)

Рисунок 11 - График выходного напряжения при переключении питания: а — модель; б - реальный режим

Таким образом, предложенная модель позволяет проводить исследования с целью верификации полученных при математическом моделировании расчетных результатов при проектировании проблемно ориентированных адаптивных АБП.

Для общего случая, когда проектируемый адаптивный АБП должен обеспечивать регулирование преобразуемого напряжения в диапазоне значений, численно соизмеримом с граничными значениями регулируемого параметра, параметры контура регулирования определяются в нескольких этапов:

1. Исследованием на модели определяются параметры для крайних значений диапазона.

2. Исследованием на модели определяются параметры для нескольких точек внутри диапазона.

3. определяется аналитическая зависимость каждого параметра регулирования от значений выходного регулируемого параметра внутри диапазона значений параметра возмущения 1ц, влияющего в силу специфики функционирования устройства на параметр (параметры) регулирования, которые при этом (при необходимости) должны изменяться с целью обеспечения заданного качества регулирования. Для

ККЭ таким параметром может быть, например, изменяющийся ток нагрузки или изменяющееся напряжение питающих сетей.

Таким образом, для общего случая получаем зависимость:

M(kJ = f(Uy, IyO, (7)

где М(к!) — параметр регулирования, (например, определенный коэффициент регулятора), С/у - переменная — значение регулируемого параметра из заданного диапазона (например, стабилизируемое значение выходного напряжения), /н - параметр возмущения.

4. Используя полученную зависимость, составляется алгоритм управления выходным параметром ИСП с переменными параметрами контура регулирования.

В соответствии с этой методикой получена апроксимационная кривая (рисунок 12), определяющая зависимость коэффициента дифференцирующего звена ка от значения стабилизируемого напряжения - кд= f{Uy) при обеспечении пульсаций выходного напряжения не более 2 % (от номинального значения) и амплитуды переходного процесса при переходе питания АБП с сети на сеть не более 3 %. Эта зависимость получена в результате имитационного моделирования процессов преобразования постоянного напряжения 175...320В в постоянное напряжение 5...50 В при наличии переходных режимов скачкообразного (фронт скачка до 0,2 мс) переключения бортового питания от 175 В на 320 В и от 320 В до 175 В.

0>2------------------------------

0,15------. Г------------------------

ОД--------^---------------------

0,05----------Ч-------------------

о -|—————I——————————-—————I————————

О Ю 20 30 40 50 бО

Рисунок 12 - Апроксимационнаякривая кд = ЛУу) С учетом проведенных в работе исследований теоретических вопросов, связанных с синтезом новых КУЭ для общего случая основные этапы проектирования ИСП определяют методику проектирования адаптивных АБП как системы проблемно ориентированных компонентов ДЭПЛ:

J.b «.J

1. Расчет основных габаритных узлов схемы с учетом определенных габаритных размеров ИСП: входной фильтр, инвертор, выпрямитель, выходной фильтр. Основным здесь является расчет моточных изделий. Соотношение параметров фильтров предварительно могут быть приняты для наиболее очевидных «тяжелых» режимов с помощью определения постоянной времени контура. Параметры ключей инвертора и выпрямителя определяются по данным для проектирования: номинальная и предельная мощности устройства, параметры режимов перегрузки (мощность, длительность и т.д.).

2. Компьютерное моделирование схемы АБП с учетом взаимодействия аппаратных средств с управляющим микроконтроллером, позволяющая определить расчетным путем параметры переходного процесса при скачкообразном изменении входного напряжения в заданном диапазоне.

3. Идентификация основных параметров контура регулирования каждого из входящих в АБП ИСП с использованием параметров схемы, полученных в п.1, и результатов моделирования для различных режимов функционирования.

4. Физическое моделирование.

Производится экспериментальная проверка на макетном образце, при этом выполняется корректировка параметров схемы для режимов, которые по каким-то причинам не могли быть промоделированы с помощью компьютерной модели, например определение коммутационных потерь ключей инвертора, КПД. Производится моделирование тепловых режимов для длительного функционирования.

5. Конструирование.

Разработка конструкции корпуса (корпусов) и компоновка преобразователя. На этом этапе учитываются, в том числе, конструктивные, механические и климатические требования, предъявляемые к конкретному виду АБП.

Последующие этапы проводятся в соответствии с нормативными документами.

6. Макетирование.

Изготовление макетного образца, принципиально выполняющего требуемые функции. Проведение экспериментальных исследований и функциональных испытаний, предусмотренных требованиями по эксплуатации.

7. Изготовление полномасштабного опытного образца с учетом выявленных на этапе макетирования недостатков промышленным способом, постановка и отработка технологических вопросов.

8. Испытания.

Этап проведения испытаний в соответствии с принятыми государственными и отраслевыми стандартами с целью подтверждения правильности выбора принятых технических решений.

Необходимо отметить, что на каждом этапе практически всегда приходится возвращаться к одному из предыдущих этапов ввиду выявления новых особенностей функционирования проектируемого устройства (устройств) в тех или иных режимах, в силу объективных причин не определенных на более ранних этапах.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки параметров статических преобразователей, разработанных при непосредственном участии автора для ряда систем автоматизированного управления при их изготовлении, испытаниях и эксплуатации в составе средств автоматики ДЭПЛ нового поколения. Эксперименты показали, что практические значения рабочих параметров разработанных преобразователей удовлетворяют вновь предъявленным требованиям. Кроме того, на практике проверена гибкость и возможность адаптирования САУ новых АБП при стыковке с новыми ответственными потребителями корабельной системы автоматики.

Для примера на рисунке 13 представлены осциллограммы напряжения 1}ы питающих сетей при колебаниях 30 %, на рисунке 14 - осциллограмма напряжения на выходе преобразователя в таком режиме. Эти осциллограммы демонстрируют стабильность выходных параметров преобразователя при аварийных возмущениях в питающей бортовой сети. Разработанные преобразователи позволяют поддерживать параметры выходного напряжения с заданной точностью при изменении напряжения питания в диапазоне 175-320 В. Благодаря рациональному схемотехническому решению, в преобразователе реализована возможность модернизации путем наращивания структуры дополнительными узлами и изменением алгоритмов работы в кратчайшие сроки и при минимальных затратах.

Рисунок 13 - Осциллограмма напряжения питающей сети при колебаниях ±30 % (ивх=230 В±30В), переменная составляющая

Рисунок 14 - Осциллофамма напряжения на выходе преобразователя =30 В/~230В, 50 Гц при колебаниях напряжения в штшощей сети ±30 % (Рвых = 300Вт)

При внедрении новых систем электропитания такие задачи решаются на этапе включения устройств питания в новую энергосистему с новыми видами потребителей, не применяемых ранее в аналогичных системах. Прежде всего, это связано с неизбежностью возникновения неучтенных на этапах рабочего проектирования режимов.

При первом подключении приборов к реальным потребителям возникают непредвиденные режимы, когда, например, в фидерах постоянного тока при переходе с сети на сеть появляются провалы выходного напряжения ниже допустимого значения, что приводит к перегрузке питающихся от этих фидеров бортовых ЭВМ.

Для устранения выявленного некорректного режима было произведено избирательное увеличение интегрально-дифференцирующего коэффициента, используемого при вычислении текущей скважности импульсов: модулей ШИМ управляющего микроконтроллера и откорректировано программное обеспечение с помощью внутрисхемного эмулятора без аппаратных изменений схемы.

Кроме того, при эксплуатации неизбежны режимы перегрузок и коротких замыканий. В этом случае за счет собственных программно-аппаратных средств АБП обеспечивает селективную защиту как своих цепей. Рассмотрим структуру узла защиты от перегрузок и КЗ, приведенную на рисунке 15.

Микропроцессор МП выдает последовательность импульсов управления силовыми ключами инвертора И через микросхемы драйверов Д в соответствии с

принятым алгоритмом работы регулятора. Стабилизация выходного напряжения на зажимах фильтра Ф после выпрямителя В осуществляется по сигналу цепи обратной связи через датчик ДН. Сигнал с датчика тока ДТ поступает на вход микропроцессора МП и на вход компаратора К. Очевидно, что существует интервал времени между событием появления активного уровня сигнала на входе МП и событием выдачи управляющей реакции. Этот интервал времени зависит от разных факторов: от быстродействия МП, от уровня оптимизации кода программы, от способа реализации регулятора, а также (хотя и в меньшей степени для аналоговых схем) от сложности схемы цепи обратной связи и т.д.

Режим ограничения тока реализован программно-аппаратными средствами. В случае превышения сигналом от ДТ уровня уставки сигналы от ДТ и ДН суммируются программой, и суммарный сигнал воспринимается как сигнал обратной связи по стабилизации выходного параметра. При превышении этим сигналом заданного уровня система управления расценивает это как необходимость снизить величину стабилизируемого параметра до заданной величины.

На рисунке 16 представлена осциллограмма тока фидера постоянного тока ККЭ серии АБП-Л. Как видно из рисунка, соответствующее управляющее воздействие на входе инвертора приводит к снижению напряжения на выходе преобразователя в целом и, соответственно, к снижению величины тока до такого значения, которое будет соответствовать допустимому режиму стабилизации выходного тока.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

МП

~П

Ч$>

Цуст

гШ" тШ-

—

И в

—

£

ДТ

Рисунок 15 - Структура узла защиты

Рисунок 16 - Осциллограмма тока внезапного короткого замыкания на выходе АБП-Л

В приложениях приведены сведения, подтверждающие внедрение результатов работы в промышленность, а также практические схемные решения, поясняющие функционирование некоторых узлов АБП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного питания с микропроцессорной системой автоматического управления и функциональная схема интегрированного статического преобразователя, обеспечивающие заданные показатели качества выходного напряжения в различных режимах, включая защитные.

2. Разработаны математическая и компьютерная модели системы управления АБП, позволяющие моделировать переходные процессы и стационарные режимы.

3. На основе результатов имитационного моделирования АБП разработана методика выбора параметров контура регулирования напряжения, которые обеспечивают требуемые показатели качества выходного напряжения.

4. Разработаны алгоритм адаптивного микропроцессорного управления АБП и схемотехнические решения, обеспечивающие заданные ограничения:

- по величине всплесков и провалов и длительности переходного процесса при переключениях питания с одного фи дера ПЛ на другой в случае аварийного пропадания напряжения в одной из входных сетей;

- по нестабильности уровня выходного напряжения в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения.

5. Разработаны алгоритм и схемотехнические решения защиты АБП при перегрузках и коротких замыканиях на выходе, обеспечивающие повышенные характеристики надежности и устойчивости при работе в аварийных режимах за счет собственных программных и аппаратных средств АБП.

6. Разработана методика проектирования АБП с применением компьютерного моделирования.

7. На основе принципа интегрированности функциональных задач созданы и внедрены в промышленное производство агрегаты бесперебойного электропитания нового поколения серий АБП-Л и ПП-ППЕТ-260-28,5, имеющие в своем составе

микропроцессорные САУ, которые прошли успешную апробацию на действующих объектах ВМФ.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах: 1. Автоматизированная система контроля и диагностирования аккумуляторных батарей (СКД АБ) / Е.И. Остапенко, А.П. Темирев, А.Е. Федоров, Д.Ю. Шишкин, A.B. Савченко // Научно-технический сборник «Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах — 2003». - Ростов н/Д: Изд-во Рост, ун-та, -2004. - С. 80-86.

2. Алгоритм формирования синусоидального напряжения для систем бесперебойного питания / А.П. Темирев, А.Е. Федоров, С.И. Маснюк, A.B. Юрин // Научно-технический сборник "Электропитание". — 2004. — № 5. — С. 54-63.

3. Разработка преобразователей напряжения постоянного тока в напряжение переменного синусоидального тока с применением микроконтроллеров семейства PIC / А.П. Темирев, А.Е. Федоров, A.B. Кротенко, С.П. Полищук, A.B. Юрин // Научно-технический сборник "Электропитание".— 2004. — № 5. — С.96-102.

4. Создание статического преобразователя постоянного напряжения 175.. .320 В в стабилизированное постоянное напряжение 28,5 В для системы электропитания. Постановка задачи и способы реализации / А.П. Темирев, А.Е. Федоров, P.A. Тумасянц, A.B. Кротенко, A.B. Савченко, Д.В. Платонов // Научно-технический сборник "Электропитание",-2004,- №5.-С. 116-121.

5. Птах Г.К., Федоров А.Е. Программно-аппаратная защита корабельных агрегатов бесперебойного питания // Известия вузов. Электромеханика, 2006. № 2. — С. 61-65.

6. Преобразователь постоянного напряжения / В.Н. Давыдов, Б.В. Никифоров, A.B. Юрин, В.Р. Апиков, P.A. Тумасянц, А.П. Темирев, А.Е. Федоров, В.М. Павлюков, A.B. Кротенко // Патент на полезную модель № 44894, МКИ H 02 J 7/34. — Заявл. 29.04.2004. - Опубл. 27.03.2005, Бюл. № 9.

7. Программа контроля параметров аккумуляторов для системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей (ПКПА для СКД АБ) / O.E. Лозицкий, А.Е. Федоров, A.B. Савченко, А.П. Темирев // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2005611705 от 11.07.2005.

8. Программа обработки информации для системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей (ПОИ для СКД АБ) / O.E. Лозицкий, А.Е. Федоров, A.B. Савченко, А.П. Темирев // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2005611706 от 11.07.2005.

9. Программа преобразования напряжения сети 175 ... 320 В постоянного тока в стабилизированное напряжение 28,5 В постоянного тока для агрегата бесперебойного питания (ПН ПТ-ПТ для АБП) / O.E. Лозицкий, А.П. Темирев, А.Е. Федоров, A.A. Цветков, В.М. Павлкжов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612022 от 08.09.05.

10. Программа стабилизации выходного напряжения преобразователя напряжения сети 175 ... 320 В постоянного тока в стабилизированное напряжение 28,5 В постоянного тока для агрегата бесперебойного питания (ПСВН ПН ПТ-ПТ для АБП) / Темирев А.П., Лозицкий O.E., Федоров А.Е., Луговец В.А., Павлюков В.М. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612309 от 08.09.05.

11. Программа защиты преобразователя напряжения сети 175 ... 320 В постоянного тока в стабилизированное напряжение 28,5 В постоянного тока для агрегата бесперебойного питания (ПЗ ПН ПТ-ПТ для АБП) / Федоров А.Е., Лозицкий O.E., Темирев А.П., Павлюков В.М., Цветков A.A. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612323 от 08.09.05.

12. Программа защиты преобразователя напряжения сети 175 ... 320 В постоянного тока в стабилизированное однофазное напряжение 50 Гц, 230 В переменного тока для агрегата бесперебойного питания (ПЗ ПН ПТ-ПерТ для АБП/) / А.П. Темирев, O.E. Лозицкий, А.Е. Федоров, В.М. Павлюков, В.А. Луговец // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612277от 08.09.05.

13. Программа преобразования напряжения сети 175 ... 320 В постоянного тока в стабилизированное однофазное напряжение 50 Гц, 230 В переменного тока для агрегата бесперебойного питания (ПН ПТ-ПерТ для АБП) / O.E. Лозицкий, А.П. Темирев, А.Е. Федоров, В.А. Луговец, A.A. Цветков // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612278 от 08.09.05.

14. Программа стабилизации выходного напряжения преобразователя напряжения сети 175 ... 320 В постоянного тока в стабилизированное однофазное напряжение 50 Гц, 230 В переменного тока для агрегата бесперебойного питания (ПСВН ПН ПТ-ПерТ для АБП) / А.П. Темирев, А.Е. Федоров, O.E. Лозицкий, A.A. Цветков, В.А. Луговец // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612279 от 08.09.05.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [1 - 5] -разработка алгоритмов и обобщение полученных результатов; [6] - разработка схемных решений и описание функционирования; [7 - 14] - разработка алгоритмов. По теме диссертационной работы автором получены положительные решения о выдаче двух патентов РФ на изобретение.

Подписано в печать 15.07.2005. Объем 1 пл. Бумага офсетная. Печать оперативная. Тираж 100 экз. Заказ № 0£?-Кубанский государственный технологический университет Типография ЮРГТУ (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ КОМПЛЕКСАМИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИРЧЕСКИХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК (ДЭПЛ).

1.1 Требования, предъявляемые к комплексам электропитания корабельной системы электроснабжения.

1.2 Сравнительный анализ корабельных комплексов электропитания (ККЭ).

1.3 Состояние вопроса и постановка задач повышения качества корабельных комплексов электропитания.

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ПОСТРОЕНИЕ КОРАБЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ (АБП) НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.

2.1 Разработка обобщенной структуры АБП.

2.1.1 Анализ существующих структур источников бесперебойного питания.

2.1.2 Требования, предъявляемые к АБП. Обобщенная структурная схема.

2.2 Выбор способа управления АБП.

2.3 Сравнительный анализ видов модуляции и выбор модулятора для системы управления АБП.

2.4 Классифицирование типа импульсной системы управления для адаптивных АБП.

2.5 Функциональная схема.

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АБП ДЭПЛ.

3.1 Выбор принципов построения и формирование структуры математической модели системы управления АБП.

3.2 Компьютерное моделирование отдельных узлов АБП.

3.2.1 Обоснование выбора среды программирования.

3.2.2 Моделирование узла ШИМ системы управления АБП.

3.2.3 Моделирование элементов и узлов интегрированных статических преобразователей.

3.3 Компьютерная модель канала управления АБП и проверка её адекватности.

3.5 Методика проектирования адаптивных АБП для ДЭПЛ.

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОРАБЕЛЬНЫХ АБП.

4.1 Структура одноуровнего АБП для корабельной системы КАС «Литий» и алгоритм ее работы.

4.2 Реализация многоуровневых комплексов АБП и исследование их функционирования (серии АБП-Л и ПП-ППЕТ-130-28,5).

4.2.1 Применение микроконтроллеров семейства PIC1S для организации и управления АБП.

4.2.2 Описание алгоритма основного цикла программы системы управления АБП.

4.2.3 Описание канала М300-230В поставочного образца многоуровневого АБП.

4.3 Адаптация к работе в реальных режимах.

4.4 Программно-аппаратная защита АБП в режимах перегрузок и коротких замыкания.

4.5 Опыт эксплуатации.

Одно из важнейших мест в энергообеспечении дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ) нового поколения занимают агрегаты бесперебойного электропитания (АБП) комплексных систем управления техническими средствами (КСУ ТС). Примером могут служить агрегаты бесперебойного питания нового поколения АБП-Л для комплекса агрегатированных систем (КАС) "Литий". В состав потребителей могут входить самые разнообразные системы и комплексы: ответственные потребители сетей 50 и 400 Гц, преобразователи для бесшумного управления АД, компенсирующие устройства магнитных компасов, требующие высокий уровень стабилизации питающего тока при низком уровне пульсаций и другие. К задачам некоторых АБП для ответственных потребителей, в свою очередь, относится отказоустойчивое обеспечение потребителей электроэнергией с требуемыми показателями качества при одновременном уменьшении собственных массогабаритных показателей, увеличении КПД и ресурса работы, а также улучшении статических и динамических характеристик. Все это невозможно без создания новых микропроцессорных систем управления для АБП с регулируемыми внешними характеристиками.

Повышение качества электроэнергии, питающей новые управляющие комплексы, является одним из основных факторов эффективности использования этих комплексов, что, в свою очередь, определяет тактико-технические характеристики корабля в целом. Так, например, характерные для бортовых электросетей изменения напряжения приводят к перезагрузке бортовой компьютерной системы визуального контроля и управления и, как следствие, потере накапливаемой информации в процессе выполнения тактической задачи. Исключение таких «провалов» электропитания при различных переходных режимах в масштабе реального времени, как одна из задач, возлагаемых на комплексы бесперебойного электропитания, позволяет избежать потери текущей информации и неисправимых повреждений бортовой аппаратуры.

Работа ответственных потребителей из состава корабельных систем и комплексов характеризуется различными режимами кратковременного повышенного потребления энергии (например, при частичном коротком замыкании в длинном кабеле). В связи с этим, другой важной задачей, выполняемой АБП, является обеспечение защит от перегрузок по мощности, как потребителей, так и самих АБП при заданной селективности этих защит.

Проектирование систем защит в свете новых современных требований к корабельным устройствам электропитания характеризуется необходимостью комплексного подхода к проектированию каждого устройства системы электроснабжения. Необходимо осуществлять умелое сочетание успешного опыта применения схем релейных защит, универсальность и избирательный характер электронных схем защит, использующих в качестве датчиков параметров элементы основных силовых цепей, и возможности современных микропроцессорных средств сбора, обработки информации и управления. При построении схем защит необходимо также учитывать зависимость питания оперативных цепей от режима работы защищаемой сети, возможность появления кратковременных или длительных отклонения оперативного напряжения от номинального значения.

Кроме того, должен обеспечиваться ряд дополнительных функций, связанных с управлением АБП, обеспечением бесперебойности электроснабжения, фильтрацией перенапряжений на линии, обеспечением различных видов сигнализации и т. д. Из сказанного вытекает очевидный факт: новому поколению кораблей должны соответствовать системы электропитания, не только согласующиеся с питаемой аппаратурой по уровню качества электрической энергии, но и в достаточной степени функционально интегрированные. Это делает необходимым применение новых гибких структур АБП, и в первую очередь - структур систем автоматизированного управления (САУ) АБП, что, в свою очередь, невозможно без применения современных средств микропроцессорной техники.

Таким образом, новые корабельные системы электроснабжения должны иметь в своем составе проблемно-ориентированные комплексы - функционально интегрированные АБП.

Основной задачей диссертационной работы является формирование подхода к проектированию составных частей корабельных АБП - интегрированных статических преобразователей (ИСП), представляющих собой функционально законченные модули АБП, с учетом знаний, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях систем электропитания вспомогательных механизмов, в том числе разработанных и созданных для питания и управления вентильно-индукторными электроприводами.

Актуальной задачей является обобщение результатов теоретических исследований и проектных разработок в области систем электроснабжения и автоматизированных электроприводов и их использование в схемах управления ИСП, являющихся главным функциональным ядром АБП.

Существенный вклад в эти работы внесли предприятия и организации: ФГУП НПО «Аврора» (Ю.А. Губанов), 1-й ЦНИИ МО РФ (Ю.В. Скачков), ФГУП «ЦКБ МТ «РУБИН», ФГУП «ПКП «Ирис» (Р.А. Тумасянц, А.П. Те-мирев, С.В. Кравченко, В.В. Буравлев), а также коллектив кафедры «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) под руководством Коломейцева Л.Ф.

Вместе с тем, в настоящее время отечественных электротехнических комплексов энергоснабжения, полностью удовлетворяющих условиям эксплуатации подводных лодок (ПЛ) последнего поколения, на рынке нет. Разработка новых АБП требует формирования нового подхода к систематизированию методов их проектирования, т.е. существует объективная необходимость в создании новых структур и методик проектирования адаптивных АБП, как проблемно-ориентированных комплексов систем электроснабжения ДЭПЛ нового поколения, нового алгоритмического и программного обеспечения САУ АБП нового поколения. Это определяет актуальность темы диссертационной работы: «СОЗДАНИЕ АДАПТИВНЫХ

МОДУЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

Цель работы заключается в совершенствовании агрегатов бесперебойного электропитания с микропроцессорным управлением для электронных комплексов подводных лодок (ПЛ) нового поколения.

Для этого в работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Выбор и обоснование важных для ответственных потребителей -электронных комплексов и систем автоматики ПЛ - показателей качества электроэнергии в стационарных режимах и при переходных процессах.

2. Разработка универсальной обобщенной структурной схемы АБП с микропроцессорной системой автоматического управления (САУ), обеспечивающей применение унифицированных функциональных узлов по типу, мощности и назначению.

3. Разработка функциональной схемы АБП и схемотехнических решений, обеспечивающих заданные показатели качества выходного напряжения в различных режимах, включая защитные.

4. Разработка математической и компьютерной моделей системы управления АБП для проведения имитационного моделирования.

5. Разработка методики проектирования АБП с применением полученной компьютерной модели.

6. Разработка алгоритма адаптивного микропроцессорного управления АБП при изменениях входного напряжения и при переключениях питания в случае аварийного пропадания напряжения в одной из входных сетей.

7. Разработка алгоритмов и схемотехнических решений для обеспечения защиты АБП от перегрузок и токов КЗ.

8. Практическая реализация структурно-алгоритмических и схемотехнических решений при создании новых АБП и выработка рекомендаций по проектированию на основе полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Решение данных задач позволило наладить производство норморяда вновь разработанных комплексов электропитания для систем автоматики ДЭПЛ нового поколения и других судов с аналогичными системами ответственных потребителей.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось комплексно на основе методов аналитического исследования, испытаний и экспериментальной отработки, и, наконец, апробации и анализа результатов промышленного использования опытных и поставочных образцов в лабораторных условиях и непосредственно в составе системы электроснабжения дизель - электрической подводной лодки ДЭПЛ нового поколения. Методы исследований включают анализ и научное обобщение отечественной и зарубежной технической и патентной литературы, аналитические исследования с использованием фундаментальных положений теории электроснабжения, теоретической электротехники, управляемых электрических машин, электроники и микропроцессорной техники, теории автоматизированного электропривода, преобразовательной техники, информации по современной элементной базе для преобразовательной техники, автоматики, диагностики. В процессе выполнения работы использовались расчетно-экспериментальные методы, математическое и компьютерное моделирование, выполнен анализ и обобщение знаний и информации, полученных путем экспериментального исследования макетов и опытных образцов в лабораториях и на натурных стендах и поставочных образцов непосредственно в корабельной системе.

Объект исследования. Агрегаты бесперебойного электропитания для электроснабжения корабельного комплекса агрегатированных систем нового поколения «Литий».

Предмет исследования. Рабочие (сброс, наброс нагрузки; переход первичного питания АБП с одной сети на другую), перегрузочные и аварийные режимы агрегатов бесперебойного питания корабельных электронных систем.

Новые научные результаты.

1. Разработана универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного электропитания с микропроцессорной САУ, обеспечивающая его построение на основе унифицированных функциональных узлов и адаптацию к различным режимам работы.

2. Разработаны математическая и компьютерная модели системы управления АБП, позволяющие с помощью имитационного моделирования определять параметры АБП, обеспечивающие заданные показатели качества выходного напряжения.

3. Разработан алгоритм и даны рекомендации по определению параметров контура регулирования системы управления АБП, которые обеспечивают требуемые показатели качества выходного напряжения при переходном процессе переключения питания с одного борта на другой и в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения.

4. Структурные и схемотехнические решения по организации программно - аппаратных защит АБП от токов перегрузки и короткого замыкания на выходе АБП.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

- универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного электропитания с микропроцессорной САУ;

- математическая и компьютерная модели системы управления АБП;

- методика выбора параметров контура регулирования напряжения, которые обеспечивают требуемые показатели качества выходного напряжения при переходном процессе переключения питания с одного борта на другой и в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения;

- алгоритм и схемотехнические решения программно-аппаратной защиты АБП при перегрузках и коротких замыканиях на выходе.

Практическая ценность. На основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработана методика проектирования агрегатов бесперебойного электропитания, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии в разных режимах (рабочих, перегрузочных, аварийных), адаптированных к заданным диапазонным изменениям входного напряжения. Разработаны алгоритмические и схемотехнические решения встроенной программно-аппаратной защиты АБП, обладающей свойством селективности идентификации аварийной ситуации и способствующей повышению надежности работы в режимах перегрузок. Создана принципиально новая ударо- и вибропрочная модульная конструкция многоканальных агрегатов бесперебойного электропитания. Создан норморяд новых АБП, адаптированных к различным видам нагрузки. Результаты работы внедрены в ФГУП «Адмиралтейские верфи», г. Санкт - Петербург при разработке и введении в эксплуатацию корабельного комплекса нового поколения КАС «Литий», а также в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) для специальности «Электрооборудование и автоматика судов».

Внедрение. На основе теоретических положений, обоснованных в диссертации, получены следующие практические результаты:

1. На опытном производстве ФГУП ПКП «Ирис» изготовлены и внедрены в производство агрегаты бесперебойного питания АБП-JI - 14 комплектов в 5-ти исполнениях; преобразователи ПП-ППЕТ-130-28,5 -2 комплекта, в том числе 120 автономных статических преобразователей - модулей каналов электропитания из состава АБП серии АБП-Л и 10 автономных статических преобразователей из состава АБП серии ПП-ППЕТ-260-28,5 для корабельного комплекса КАС «Литий».

Разработки с участием автора, подтвержденные шестью свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ. Выполненные с их использованием промышленные образцы статических преобразователей агрегатов бесперебойного питания создали условия для производства в заводских условиях серий высококачественных систем электропитания и регулируемых электроприводов нового типа для отечественной промышленности, имеющих также высокий экспортный потенциал.

2. Создан универсальный компьютеризированный испытательный комплекс, предназначенный для проведения комплексных испытаний различных систем электропитания и типов электроприводов в том числе для оценки виброактивности. Данный комплекс был использован для всесторонних испытаний, как для опытных, так и для поставочных образцов вторичных источников электропитания (ВИП) и статических преобразователей, в том числе и АБП.

3. Некоторые материалы диссертационной работы использованы при разработке и внедрении в производство системы контроля параметров и диагностирования состояния стационарных аккумуляторных батарей для ГШ ВМФ.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании секции Всероссийского симпозиума по проблемам бесперебойного электроснабжения (г. Зеленоград, 2003 г.), на межотраслевом научно-техническом семинаре "Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах" (г. Ростов-на-Дону, 2003 г.), на межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов» (г. Новочеркасск, 2005 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе статьи в журналах «Изв. вузов. Электромеханика», «Электропитание», публикации в трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов, получены патент РФ на полезную модель и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 148 страницах основного текста, содержит 79 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает 58 наименований.

ВЫВОДЫ по главе 4

Практическая реализация АБП на основе теоретических принципов обоснованных в работе подтвердила не только их правомочность при проектировании корабельных АБП, но и доказала возможность создания адаптивных электротехнических комплексов электропитания ответственных корабельных потребителей, обеспечивающих необходимые, в том числе и не предусмотренные, режимы эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основным результатом, полученным в работе и выносимым на защиту является усовершенствованные корабельные агрегаты бесперебойного электропитания ответственных потребителей, создание которых внесло весомый вклад в формирование подхода и методики проектирования корабельных агрегатов бесперебойного электропитания (АБП). При этом получены следующие результаты:

1. Разработаны универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного питания с микропроцессорной системой автоматического управления и функциональная схема интегрированного статического преобразователя, обеспечивающие заданные показатели качества выходного напряжения в различных режимах, включая защитные.

2. Разработаны математическая и компьютерная модели системы управления АБП, позволяющие моделировать переходные процессы и стационарные режимы.

3. На основе результатов имитационного моделирования АБП разработана методика выбора параметров контура регулирования напряжения, которые обеспечивают требуемые показатели качества выходного напряжения.

4. Разработаны алгоритм адаптивного микропроцессорного управления АБП и схемотехнические решения, обеспечивающие заданные ограничения:

- по величине всплесков и провалов и длительности переходного процесса при переключениях питания с одного фидера ПЛ на другой в случае аварийного пропадания напряжения в одной из входных сетей;

- по нестабильности уровня выходного напряжения в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения и изменении нагрузки.

5. Разработаны алгоритм и схемотехнические решения защиты АБП при перегрузках и коротких замыканиях на выходе, обеспечивающие селективность защит и надежную работу при перегрузках и коротких замыканиях за счет собственных программных и аппаратных средств АБП.

6. Разработана методика проектирования АБП с применением компьютерного моделирования

7. На основе принципа интегрированности функциональных задач с применением разработанной методики проектирования, включающей в себя компьютерное моделирование, созданы и внедрены в промышленное производство агрегаты бесперебойного электропитания нового поколения серий АБП-Л и ПП-ППЕТ-260-28,5, имеющие в своем составе микропроцессорные САУ, которые прошли успешную апробацию на действующих объектах ВМФ.

Разработаны и созданы промышленные образцы электротехнических комплексов - агрегатов бесперебойного питания (АБП) серий АБП-Л и ПП-ППЕТ-260-28,5. АБП применены в разработках и изделиях ФГУП «НПО «Аврора», ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», ФГУП «Адмиралтейские верфи», г. Санкт - Петербург и имеют высокие технико-экономические показатели.

1. Ясаков Г.С. Корабельные электроэнергетические системы. Часть 1. -С.-Пб.: Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г.Кузнецова. - 1999. - 640 С.

2. Сергиенко Л.И., Миронов В.В. Электроэнергетические системы морских судов. -М.: Транспорт. 1991.

3. Справочник судового электротехника / Под ред. Г.И.Китаенко. Л.: судостроение. - 1980.

4. Китаенко Г.И. Судовые электроэнергетические системы повышенных параметров. Л.: Судостроение, - 1970.

5. Судовые электроэнергетические системы и устройства/ Справочник судового электрика. В 3-х т.- Л.: Судостроение, 1975. 520 С.

6. Гребные электрические установки: Справочник/ Е.Б.Айзенштадт, Ю.М.Гилерович, Б.А.Горбунов, В.В.Сержантов. 2-е изд., перераб. и доп. -Л.: Судостроение, 1985. - 304 с.

7. Рукавишников С.Б., Богомолов B.C. Гребные электрические установки неизменного тока. Калининград: Калининградское кн. изд-во, 1972. -36 с.

8. Гребные электрические установки переменно-постоянного тока // Колтовой А.Ф., Левин A.M., Малишевский В.Е. и др. Л.: Судостроение, 1977.-248 с.

9. Максимов Ю.И. Новые источники и преобразователи электрической энергии на судах. М.: Транспорт, 1988 - 174 с.

10. Электрооборудование судов: Учебник для вузов // Авт. Вилесов Д.В., Галка В.Л., Киреев Ю.Н. и др. СПб.: Элмор/Фонд СЭТ, 1996. - 414 с.

11. Адрианов И.И. Развитие мощных судовых электроэнергетических систем в США. Вопросы судостроения. Судовая электротехника и связь, 1981, вып. 34.

12. Энергетические системы. Терминология: Сб. рекомендованных терминов. Вып. 81. М.: Наука. - 1970.

13. Гост 27002-89. Надежность в технике. Термины и определения / ГК по управлению качеством продукции и стандартизации.

14. Парфенов Ю.М. Надежность, живучесть и эффективность электроэнергетических систем кораблей. Л.: ВМА. - 1989.

15. Калязин Е.А., Рокотян Ю.В., Филимонов В.Г., Игнатьев Л.Л. Электрическая защита силового электрооборудования. Л.: Судостроение. 1983.

16. Электрические системы / Под ред. В.А.Веникова. Т. 1. 2. 3. М.: Высшая школа, 1972-1974.

17. Сюбаев М.И., Хайкин А.Б., Шеинцев Е.А. Аварии и неисправности в судовых электроустановках. Л.: Судостроение, 1980, 192 С.

18. Веретенников Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы. Судостроение, 1975. - 375 С.

19. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения / Н.М.Адоньев, В.В.Афанасьев, И.М.Бортник и др.; под ред. В.В.Афанасьева-Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отд-ние, 1987. 544 С.

20. Дорогунцев В.Г., Овчаренко Н.И. Элементы автоматических устройств энергосистем. М.: Энергия, 1979. - 520 с.

21. Трансформаторы тока типов Т-0,66УЗ, ТШ-0,66УЗ / Каталог 02.41.44-87 Электротехника СССР. - Информэлектро, 1986. - С.2.

22. Стогний Б.С. Теория высоковольтных измерительных преобразователей переменного тока и напряжения. Киев: Наукова Думка, 1984. -272 с.

23. Сирота И.М., Фабрикант B.JI. Расчет схемы преобразователя при учете нагрузки. Электричество, 1984, № 2. - С. 18-22.

24. Михайлов В.В. Магнитодиэлектрики в устройствах автоматики и релейной защиты. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с.

25. Исследование влияния магнитных полей на работу трансформаторов тока./ Э.В. Колесников, В.В. Михайлов и др./ Изв. вузов. Электромеханика, 1972, №4, с.355 361.

26. Анисимов Я.Ф. Судовая силовая полупроводниковая техника. JL: Судостроение, 1979. - 191 с.

27. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. M.-JL: Энергия, 1970. - 520 С.

28. Кормилицин Ю.Н., Хализев О.А. Проектирование подводных лодок. Учебник.СПб,: Изд. центр СПб МТУ, 2003, с. 344.

29. Темирев А.П., Козаченко В.Ф., Обухов Н.А., Анучин А.А., Трофимов С.Г., Никифоров Б.В., Байков В.П. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого управления двигателями//СН1Р NEWS. -2002. № 4. - С.24- 30.

30. Бычков М.Г. Модули ШИМ в микроконтроллерах фирмы Motorola для систем управления электроприводом // Chip News. 1997. № 11-12. С. 4145.

31. Вадим Остриров. Разработка серии силовых электронных преобразователей для регулируемых электроприводов на современной элементной базе. // www.fmestreet. ru

32. Бычков М.Г. Применение промышленных программируемых контроллеров для автоматизации технологических процессов. М.: Моск. энерг. ин-т. 1992. С. 95

33. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высш. шк., 1989. С. 312.

34. Красовский А.Б. Применение имитационного моделирования для исследования вентильно-индукторного электропривода. Электричество, 2003, №3.

35. Никифоров Б.В., Прасолин А.П., Горовой А.Ф. Перспективы создания судовых электроэнергетических систем на постоянном токе.// Тезисы докладов 6 международной научно-технической конференции, изд. ЦНИИ СЭТ, 1998. С.135.

36. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г., Корн Т. М.: Наука. Главн. Ред. физико-матем. литературы. 1984. С. 831.

37. Fitzgerald. Statics Electromechanical Energy Conversion. New York, Toronto, London : McGraw-Hill Book Company, 1961, P. 568

38. Губанов Ю.А., Федоров A.E. Интегрированный агрегат бесперебойного электропитания электронных систем подводных лодок: техническая структура, метод адаптивного синтеза, аппаратно программная реализация.

39. Темирев А.П., Федоров А.Е., Маснкж С.И., Юрин А.В. Алгоритм формирования синусоидального напряжения для систем бесперебойного питания// Научно-технический сборник "Электропитание". №5. - 2004. - С.54-63.

40. Апиков В.Р., Темирев А.П., Савченко А.В., Федоров А.Е., Цветков А.А., Никифоров Б.В., Гайдай Б.В., Чугунов В.И. Энергосбережение средствами современного электропривода // Электрическое питание. 2004. - №2. -С.67-69.