Введение к работе
Аэродромное светосигнальное оборудование (АССО) это один из важнейших элементов обеспечения безопасности полетов воздушных судов на этапах взлета и посадки. Аэродромный регулятор-стаби-лизатор тока (АРСТ) централизованного типа является базовым элементом системы питания АССО. АРСТ является частным случаем преобразователя напряжения переменного тока. Развитию преобразовательной техники посвящено огромное количество работ. В то же время последней работой, описывающей комплекс вопросов практического применения АССО, является работа Ю.В. Фрида «Электросветосигнальное оборудование аэропортов», датированная 1988 годом. Единственной работой за последние 20 лет, посвященной АРСТ, является диссертация Т.Т.Мамедова «Исследование и разработка регулятора переменного тока для аэродромного светосигнального оборудования».
В последнее время происходит ужесточение требований к влиянию потребителей (как предприятий, так и персональных пользователей) на систему электроснабжения. Существующая практика применения тиристорных АРСТ сегодня уже не соответствует уровню развития современной техники. Международный опыт в этой отрасли свидетельствует о тенденции к переходу на новые принципы построения АРСТ.
Область применения АРСТ – категорируемые аэродромы с суммарной мощностью потребления от 30 до 800 кВА и последовательной схемой питания огней. Сегодня на подавляющем большинстве аэродромов Российской Федерации для питания аэродромных светосигнальных систем применяются однофазные тиристорные АРСТ, реализующие автоматическое управление током фазоимпульсным способом. Нагрузкой АРСТ является кабельное кольцо (КК) – цепь светоизлучателей, называемых огнями, соединенных последовательно через изолирующие трансформаторы. Мощность, выделяемая на нагрузке АРСТ, в зависимости от КК вирируется от 2,5 до 50 кВт. Нагрузка АРСТ имеет специфический характер: высокое выходное напряжение – до 10кВ; протяженность кабельного кольца – до 10км; наличие емкостной и преобладающей индуктивной составляющих сопротивления КК; специфические условия работы в случае перегорания ламп.
Актуальность проблемы
Работа тиристорного АРСТ характеризуется нелинейным потреблением тока, что вызывает искажения напряжения питающей сети, особенно при питании его от маломощных или резервных источников питания. При этом искажения потребляемого АРСТ тока и уровень его гармонических составляющих сегодня уже не соответствуют требованиям нормативных документов, что накладывает ограничения на применение такого АРСТ в случаях питания его от маломощных сетей. Кроме того, плохое качество потребляемого тока и тока в КК, как показывает практика, может приводить к возникновению аварийных ситуаций в работе АССО и, как следствие, к снижению безопасности полетов.
Еще одним показателем надежности АРСТ является точность стабилизации тока. Нарушение режима стабилизации тока приводит к перегоранию ламп огней, искажению световой картины аэродрома, что в свою очередь может привести к неверному пониманию ситуации пилотом, в том числе и к его ослеплению. Следовательно, устранение указанных недостатков на основе разработки более совершенного АССО на базе новых решений АРСТ, включая создание информационно–методического обеспечения, необходимого для их проектирования, сегодня следует считать актуальной задачей.
Цель работы – исследование возможностей совершенствования АРСТ и создание предпосылок (на уровне технических предложений) для разработки новых, более эффективных их решений.
Методы исследования
При решении задач структурно-алгоритмического синтеза силовой части АРСТ используется получивший в последнее время распространение в ряде классов устройств силовой преобразовательной техники принцип многоканального преобразования энергетического потока. Анализ показателей качества преобразованной энергии проведен с помощью теории электрических цепей и известных методов математического анализа (разложения временных процессов в ряд Фурье, интегрального исчисления). При сопоставлении вариантов синтезированных решений применялись элементы теории надежности. Синтез системы управления АРСТ основан на использовании способа цифровой дискретизации сигналов и элементов теории автоматического управления. Решение задач по информационно–методическому обеспечению проектирования основано на применении имитационно компьютерного моделирования (ИКМ) в среде OrCAD Pspice Schematics.
Достоверность научных результатов подтверждается хорошим совпадением полученных результатов математического моделирования, ИКМ и практической реализации. Показано также, что полученные результаты не противоречат известным результатам, частично полученным специалистами ранее.
Научная новизна работы
1. Известный принцип многоканального преобразования построения (МКП) распространен на исследуемый объект – АРСТ (с учетом специфики его функциональной характеристики), что позволило значительно снизить искажения потребляемого тока и тока нагрузки без проведения глубокой модернизации. Новизна и полезность синтезированных решений запатентована.
2. Разработаны имитационные компьютерные модели (ИКМ) предложенных вариантов АРСТ, позволяющие провести предварительную сопоставительную их оценку по требуемым показателям качества и создающие основу для последующей параметрической их оптимизации.
3. При синтезе системы управления током АРСТ использован известный в своей сущности метод цифровой дискретизации, адаптированный к функциональным его особенностям, что позволило решить поставленную задачу существенного улучшения качества стабилизации тока.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе решения АРСТ позволяют существенно улучшить его технические характеристики, а реализованная относительно небольшая глубина модернизации (по сравнению с рассмотренными в работе также вариантами глубокой модернизации) позволяет минимизировать срок и стоимость модернизации.
На защиту выносятся:
1. Формулировка тенденций развития аэродромных систем светосигнального оборудования (ССО), полученная на основе их обзора и результатов систематизации и классификации.
2. Доказательство эффективности применения для решения поставленных задач принципа многоканального преобразования (МКП) при синтезе АРСТ (реализованного на базе не полностью управляемых ключей – тиристоров), полученное на основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) и физического эксперимента.
3. Результаты исследования показателей качества, характеризующих электромагнитную совместимость тиристорного АРСТ в традиционном одноканальном варианте и в варианте с МКП.
4. Результаты синтеза системы управления АРСТ в цифровом исполнении с теоретическим и экспериментальным доказательством эффективности такого пути решения поставленной задачи.
Апробация работы
Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: на XV-й (2009г.), XVI-й (2010г.), XVII-й (2011г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на седьмой международной конференции молодых специалистов организаций, ракетно-космической и металлургической промышленности России в г. Королеве и на 2-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов – ЭКАО» МЭИ.
Публикация
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (среди них два патента РФ на полезные модели и две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК).
Личный вклад
1. Произведен анализ тенденций развития в области построения светосигнальных систем.
2. Разработаны имитационные компьютерные модели (ИК-модели) для двух вариантов построения силовой части АРСТ:
– АРСТ с МКП на базе не полностью управляемых ключей (тиристоров);
– АРСТ с МКП на базе полностью управляемых ключей (IGBT).
На основе сформированных ИК-моделей исследованы свойства работы системы АРСТ - КК, выявлен ряд особенностей работы схем, обозначены потенциально опасные режимы работы, получены необходимые для проектирования рекомендации.
3. Проведен гармонический анализ потребляемого тока для АРСТ с МКП, частным случаем которого является существующий (одноканальный) тиристорный АРСТ.
4. При непосредственном участии соискателя разработана цифровая система управления АРСТ с МКП и техническая документации на его опытный образец.
Структура и объем работы
