Разработка и исследование специальных источников электроэнергии в составе судовой энергетической установки

Актуальность темы

В настоящее время вопросы разработки, исследования и создания спещ1альных источников со стабилизацией выходного напряжения, работающих в составе судовой энергетической установки, для питания потребителей, построенных на основе цифровой техники, являются весьма актуальными. В состав судовой энергетической установки входит электроэнергетическая система (СЭЭС), обеспечивающая производство, преобразование и распределение электроэнергии. В СЭЭС входит различное электрооборудование: генераторы, электрораспределительные щиты, электрические аппаратыпреобразовая’ели, устройства системы автоматики, электронное и микропроцессорное оборудование, измерительные и контрольные приборы и др. Приемники в силу своего многообразия и характера действия могут оказывать определяющее влияние на отдельные показатели качества электроэнергии в СЭЭС (повышеш1е дай снижение напряжения, создание амплитудно-частотной модуляции). Использование приборов, построенных на основе сложной цифровой техники на (удах, ставит перед пользователями задачу обеспечения их надежного и качественного питания, в противном случае некачественное питание может привести к отказам и сбоям в работе специальных приемников и, что нередко, к выходу их из строя. Для стабильной работы специальнью приемники, такие как: цифровые измерительные приборы электрических и неэлектрических величинмикропроцессорные системы и средства вычислительной техникицифровые устройства распределения активной и реактивной энергии в СЭСавтоматические синхронизаторы для включения на параллельную работу генераторовэлектронное медицинское оборудование для специальных судов «Спасатель» (ЦКБ по СПК) — микроэлектронные приборы для глубоководных аппаратовприборы обработки информации для гидрографических судов (ПР №Р121) — цифровая аппаратура для судов, разрабатьюающих шельфы по добыче нефти и газаэлектронные системы точного удерживания судна на точке бурения (система.

Якорь") и др., комплектуются встроенными блоками питания на заводах изготовителях, разброс входного напряжения которых составляет 20−30% от номинального. В некоторых случаях для питания специальных приемников применяют дополнительные вторичные источники (импортного производства) с улучшенным качеством напряжения или отдельную судовую сеть бесперебойного питания. За последние 8 лет пра1сгически все используемью на судах электронные приборы импортного производства комплек1уюгся вторичными источниками для стабилизации питающего напряжения, причем на каждый цифровой приемник применяется свой источник.

В настоящее время разработана новая сетка типов многочерпаковых зешнарядов (ПР КаРЗб, ПР № 1519, ПР Ш2−03 5 и др.) которые планируется оснащать элегаронным оборудованием {ередетва автоматизации рабочего процесса, телевизионные установки и др.). В связи с этим возникает вопрос об обеспечении качественного питания этих приборов.

Наличие специального источника, работающего в составе судовой энергетической установки, позволило бы снизить требования к блокам питания цифровых приемников и отказаться от импортных вторичных источников, что скажется на массогабаритньпс и экономических показателях.

Совремешш1й этш технического развития хАактАизуется бурным ростом не только управляющей, но и силовой электроники, успехи которой позволяют по-новому взглянуть на ряд проблем, которые раньше не решались либо ввиду непомАной стоимости проекта, либо сложности его реализации на имеющейся элементной базе.

В последнее время для анализа происходящих процессов в разрабатываемых устройствах все больше обращаются к программному моделированию на ЭВМ, что позволяет производить точный расчет и оптимизацию схем.

Совершенствование силовых полупроводниковых приборов и оптимальное сочетание их параметров с режимами работы специальных источников при их проектировании, использование эффективных методов исследоваюш способствует разработке таких устройств с высокими технико-экономическими показателями.

Предложенная диссертационная работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований автора, проведенных на кафедре ЭТ и ЭО в Волжской государственной академии водного транспорта при создании специального источника пА) еменного напряжения, работающего в составе судовой энергетической установки при использовании отечественной элементной базы.

Цель работы заключается в разработке, теоретическом и экспериментальном исследовании специальных источников со стабилизацией параметров выход-*ного напряжения для питания специапънь1х (Адовьгх приемшйсов.

Достижение указанной цели оказалось возможным на основе решения следующих задач:

— анализа динамических режимов работы судовой электроэнергетической системы и обоснования построения схем специальных источников для питания специальньхх судовьк приемников;

— математического описания специального источника переменного напряжения для разлшщых режимов его работы;

— разработки программной модели для исследования динамических режимов работы источника;

— исследования влияния параметров силовых элементов источника на качество выходного напряжения;

— синтеза структуры системы управления и ее исследования;

— экспериментального исследования опытных образцов источника переменного напр5гжения в лабораторных и промьшшенных условиях.

Методы исследований. В работе используется комплексная методика исследования, включающая в себя методы теоретического анализа и синтеза, численные и графические методы решения на ЭВМ, а также экспериментальные исследования опьпАных образцов специальных источников переменного напряжения в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна В работе изложены следующие новые научнью результаты;

— теоретически обоснована необходимость использования специальных источников переменного напряжения в статических и динамических режимах работы судовой электроэнергетической системы;

— получено математическое описание специального источника с учетом алгоритма коммутации ключей и нагрузки;

— разработана программная модель для исследования динамических процессов;

— синтезирована и исследована система регулирования, обеспечивающая высокое быстродействие и точность стабилизации выходного напряжения.

Практическая ценность. Работа вьшолнялась в соответствии с Федеральной целевой программой «Внутренние водные пути России» на 1996;2001 годы (утверждена постановлением Правительства РФ от 15 апреля 1996 г № 464).

В результате:

— предложена прогршмная модель, позвол5пощ1ая с минимальными затратами времени и средств разрабатывать специальные источники со стабилизацией выходного напряжения, обеспечивая высококаче-ственн5ао визуализацию получаемьк результатов;

— разработана методика, позволяющая рассчитать параметры фильтров высокой и низкой частоты в зависимости от мощности вольто-добавки и частоты модуляции;

— получены передаточные функции, огшсьюающие объект регулирования с учетом действуюпщхиа него возмущений;

— синтезирована и исследована структура системы управления специального источника переменного напряжения;

— разработаны и практически реализованы различнью варианты генераторов синусоидального напряжения, синхронизованного с судовой сетью;

— практически реализованы и испытаны специальные источники переменного напряжения с системами регулирования, построенными на гармонических сигналах и сигналах постоянного тока.

Результаты работы могут бьпЛь использованы при разработке и проектировании специальных источников переменного напряжения, работающих в составе судовой энергетической установки со стабилизацией выходного напряжения для питания спегщальных (Лдовых приемников.

Реализация работы. Основные положения работы использованы при разработке огъггных образцов специальных источников, которые испытаны и внедрены в Производства. Полученьг запросы на изготовление специальных источников переменного напряжения с высоким качеством фермы йьгходно-го напряжения из ряда организаций. В работе автор защищает:

— результаты исследования с использованием разработанной программной модели и соответствие ее реальному объекту;

— методику расчета оптимальных параметров фильтров и частоты модуляции силовых ключей;

— пршщипы построения и структуры систем управления, реализованные на переменном и постоянном токе;

— принцип действия и практичеаото реализацию генераторов синусоидального напряжения синхронизованного с судовой сетью;

— результат исследования замкнутой системы стабилизации при раз-личньгх мощностях вольтодобавки, мощностях и характерах нагрузки.

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсужденьг на:

— научно-технической конференции, посвященной 300-летию Российского флота (ВГАВТ, Н. Новгород, 1998 г);

— научно-технической конференции (НТК) по проблемам транспорта (Н.Новгород, 1999г);

— юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-легию со дня основания ГИИВТа (ВГАВТ, ННовгород, 2000 г.);

— на семинарах профессорского — преподавательского состава (НЛовгород, 1999 — 2001 г. г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ [52, 53, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68], в том числе одно методическое указание и два авторских свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 139 страницах машинописного текста, включая: 93 рисункаприложения на 42 страницесписка литературы из 100 наименований на 9 страницах.

Выводы.

Г Практическая реализация вариантов схем генераторов показала, что применение микроэвм при построении эталонного генератора сшАсои-дального напряжения, синхронизованного с сетью, позволяет выбирать метод вьгчисленйя Синхронизации, программно анализировать искажения сетевого напряжения и передавать информацию в систему управления с высоким быстродействием и точностью. Этот вариант является оптимальным с точки зрения сложности схемной реализации, и времени синхронизации.

2. Реализация источника переменного напряжения с системой управления, построенной на гармоничёсзких сигналах задания и обратной связи, подтверждает правильность расчётов и результатов моделирования. Такая система обеспечивает поддержание заданного уровня напряжения (при изменении напряжения в ршмере ±20% от номинального) с ошибкой не превышающей 0.5% и коэффициентом пульсаций <Г%.

3. При реализации вариантов обратных связей на постоянном токе было определено, что оптимальным вариантом можно считать схему с периодом квантования Тос==0.005 с, т.к. дальнейшее повышение частоты квантования выходного напряжения приводит к существенному усложнению схемы.

4. Практическая реализация источника переменного напряжения с системой управления, построенной на постоянном токе, показывает, что, по сравнению с системами на гармонических сигналах, данная система бо.

136 лее проста в реализации и экономична Она может применяться для построения источников со стабилизацией выходного напряжения для питания приемников, не требующих его высокого качества.

Заключение

.

В диссертационной работе проведен анализ работы судовой электроэнергетической системы в переходных, аварийных, послеаварийнъгх режимах и существующих способов регулирования переменного напряжения. Отмечены режимы, при которых существующие регуляторы не позволяют по: А-чить необходимого качества питающего напряжения, предъявляемого специальными судовыми потребителями.

Проведенный анализ систем бесперебойного питания (ИБП) импортного производства и вариантов силовых схем источников показал, что перспективным устройством является система вольтодобавки с пшротно-импульсным преобразователем, позволяющая решить задачу высококачественной стабилизации переменного напряжения для питания данной групльг потребителей, работающая в составе судовой энергетической установки, при использовании рациональнь1х схемных решений и отечественной элементной базы.

Разработанное математическое описание схемы замещения источника переменного напряжения с учетом нагрузки и закона коммутации силовых ключей позволяет хфойзврдить расчет и получать графические зависимости параметров высокочастотного и сглаживающего фильтров от частоты модуляции и мощности источника Разработанная программная модель источника напряжения на ЭВМ, подтвержденная свидетельством об официальной регистрации программы, позволяет исследовать динамические процессы в ши-ротно-импульеных преобразователях и получать высококачественную визуализацию результатов.

Проведенное моделирование системы для диапазона мощностей воль-тодобавки 200-А2000 ВА показьшает целесообразность использования трехфазной схемы вьшрямления 1фи мощности источника более 1000 В А. Результаты расчетов и моделирования цреобразователя на разных частотах показывают, что наиболее полное использование силовых ключей и фильтров обеспечивается при частоте ШИМ в районе 10 кГц.

По данным моделирования были определены передаточные функции регулирующего органа с учетом возмущающих воздействий. В процессе синтеза системы управления источника бьши исследованы устойчивость и точность регулирования выходной величины с учетом возмущающих воздействий, атак же получены диаграммы переходных процессов для различных регуляторов: И — опшбка регулирования составляет 3%А ПИ — 0.7%.

Введение

компенсационной связи по току нагрузки будет наиболее эффективным для источников сравнительно небольшой мощности (< 200 ВА) Компенсационная связь позволяет получить систему регулирования с максимальным быстродействием и минимальной статической ошибкой по задающему воздействию.

При исследовании системы регулирования на пА) еменном токе необт ходим генератор эталонного сшгусоидального напряжения, синхронизованного с судовой сетью. В ходе построения практических моделей генераторов было определено, что оптимальным вАиантом с точки зрения сложности реализации и времени синхронизации, явдается генератор с применением Микроэвм. Использование микропроцессора позволяет выбирать метод вычисления синхронизации, программно анализировать ис1шжения сетевого напряжения и передавать информацию в систему управления с высоким быстродействием и точностью.

Исследования и практическая реализация систем регулирования на сигналах постоянного тока с применением задающего напряжения постоянного уровня и обратной связи, содержащей блок УВХ, при различном периоде квантования, показали, что оптимальным вА) иантом можно считать схему с периодом квантования Тос=0.005 с, т.к. дальнейшее повышение частоты квантования выходного напряжения приводит к сАтцественному усложнению схемы.

По материалам диссертационной работы были изготовлены опьггные образцы источников с разными системами регулирования (сигналы переменного и постоянного тока) с последующим их внедрением. Результаты испытаний источника переменного напряжения с системой управления, построенной на гармонических сигналах задания и обратной связи, подтверждает правильность расчетов и моделирования. Такая система обеспечивает поддержание заданного уровня напряжения (при изменении напряжения в размере ±20% от номинального) с статической ошибкой не превьпнающей 0.5% и коэф-фищентом пульсаций <1%.

Практическая реализация источника переменного напряжения с системой управления, построенной на постоянном токе, показыва. ет, что, по сравнению с системами на гармонических сигналах, данная система более проста в реализации и экономична Она может применяться для построения источников со стабилизацией выходного напряжения для питания приемников, не требующих его высокого качества. Проведенные испытания показали, что данные теоретических расчетов и исследований совпадают с йрактическими результатами и полностью удовлетворяют требованиям по качеству питающего напряжения и точности стабилизации (ошибка регулирования составляет 15%, — врёт регулирования-0.01 с). л.

Проведенное сравнение источников импортного производства и цред-лагаемых вариантов по стабилизации переменного напряжения производились несколькими методами, из которых следует, что для ряда мощностей ЮОСчЮООО В, А разработки специальных источников прибыльны, причем, чем выше мопщость источника, тем выше экономические показатели.