Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования эмс источников и приемников электроэнергии вездехода 11
1.1. Анализ путей совершенствования систем электроснабжения вездехода 11
1.2. Требования к СЭС и приемникам электроэнергии гусеничных вездеходов 16
1.3. Анализ методов исследования СЭС вездеходов 19
1.4. Анализ исследований электромагнитной совместимости источников с приемниками электроэнергии 26
Выводы 33
Глава 2. Методика выбора рациональной системы электроснабжения, обеспечивающей электромагнитную совместимость 3 6
2.1. Факторы, определяющие электромагнитную совместим остьисточников с приемниками электроэнергии СЭС 37
2.2. Показатели и критерии оценки СЭС по обеспечению ЭМС источников с приемниками электроэнергии 45
2.3. Алгоритм синтеза рациональной СЭС, обеспечивающей ЭМС источников с приемниками электроэнергии 53
2.4. Моделирование процессов функционирования СЭС с 59 вентильными генераторами
2.4.1. Выбор базовой структуры СЭС для моделирования 59
2.4.2. Постановка задачи моделирования 62
2.4.3. Формирование модели 66
2.4.4. Разработка расчетной модели 76
Выводы 80
Глава 3. Экспериментально-расчетные исследования электромагнитной совместимости источников с приемниками электроэнергии
3.1. Методика экспериментального исследования 82
3.1.1. Объект и порядок проведения исследования 82
3.1.2. Измеряемые параметры и регистрирующая аппаратура 84
3.1.3. Метод определения параметров реального сопротивлениябортовой сети 86
3.2. Результаты исследования параметров напряжения в СЭС 91
3.2.1. Результаты исследования пределов изменения значений установившегося напряжения бортовой сети 91
3.2.2. Результаты исследования параметров импульсов коммутационных перенапряжений в.СЭС 92
3.2.3. Результаты исследования параметров пульсаций напряжения в СЭС 94
3.2.4. Результаты оценки адекватности математической модели системы электроснабжения с ВГ 96
3.3. Результаты экспериментального исследования ЭМС 97
источников с приемниками электроэнергии в СЭС
3.3.1. Выбор номенклатуры средств для исследования ЭМС 98
3.3.2. Результаты исследования восприимчивости средств на воздействие параметров напряжения бортовой сети 99
3.3.3. Результаты исследования параметров бортовой сети гусеничного вездехода 102
3.4. Выбор рациональной СЭС, обеспечивающей ЭМС источников с приемниками электроэнергии 105
3.4.1. Результаты оценки ЭМС в исходных вариантах СЭС 105
3.4.2. Результаты структурного синтеза СЭС гусеничного вездехода 106
3.4.3. Результаты синтеза параметров СЭС гусеничного вездехода 108
Выводы 111
Глава 4. Рекомендации по совершенствованию Системы электроснабжения гусеничного вездехода для обеспечения ЭМС 114
4.1. Организационно-методические мероприятия по обеспечению ЭМС в системах электроснабжения гусеничного вездехода 114
4.1.1. Требования к СЭС гусеничного вездехода по обеспечению ЭМС 114
4.1.2. Предложения по нормам и методам контроля параметров СЭС гусеничных вездеходов при оценке ЭМС 117
4.1.3. Предложения по проверке восприимчивости систем и средств гусеничного вездехода к воздействию непреднамеренных помех 122
4.2. Технические предложения по совершенствованию СЭС гусеничного вездехода 127
4.2.1. Многоканальная система электроснабжения гусеничного вездехода с улучшенной совместимостью 127
4.2.2. Анализ применения технических средств для обеспечения электромагнитной совместимости в СЭС гусеничного вездехода
Выводы 136
Заключение 138
Список использованных источников 143
- Анализ путей совершенствования систем электроснабжения вездехода
- Факторы, определяющие электромагнитную совместим остьисточников с приемниками электроэнергии СЭС
- Результаты исследования параметров импульсов коммутационных перенапряжений в.СЭС
- Организационно-методические мероприятия по обеспечению ЭМС в системах электроснабжения гусеничного вездехода
Введение к работе
Необходимость улучшения качественных параметров самоходной техники предъявляет высокие требования к свойствам образцов, как подвергающихся модернизации, так и вновь разрабатываемым. Свойства объектов в значительной степени зависят и определяются уровнем автоматизации процессов функционирования образца в различных условиях эксплуатации /1 -4/. Это наиболее полно проявляется в системах управления, электроснабжения и других системах. Так как большинство задач, связанных с повышением уровня автоматизации, проще и надежнее решается путем использования электрической энергии различного вида и мощности, то развитие и совершенствование самоходных машин сопровождается расширением номенклатуры и увеличением мощности электрических приборов, агрегатов, устройств и систем /5-10/.
Нормальное функционирование электрооборудования, электронной аппаратуры и средств автоматики обеспечивается системой электроснабжения (СЭС) машин; вырабатывающей для них электрическую энергию, требуемой мощности и качества во всех видах использования объектов. Отказ или снижение работоспособности СЭС ведет к ухудшению или прекращению работы систем, потребляющих электроэнергию, а, следовательно, и к ухудшению показателей эксплуатационно-технических свойств самоходных машин. Исследования, проведенные в работах /1 1-13/, показывают, что отклонение параметров качества электроэнергии от требуемых значений приводит
к ухудшению технических характеристик объектов, например: при уменьшении напряжения бортовой сети на 18,5% (22В) ухудшается работа автоматической системы управления (АСУ) и навигационной аппаратуры (НА); при амплитуде пульсаций напряжения свыше ЗООмВ увеличивается в 6 раз уровень шумов радиостанции.
Рост количества приемников электроэнергии сопровождается необходимостью использования как мощных источников электроэнергии с высокими удельно-мощностными показателями, так и электронной аппаратуры и средств автоматики на полупроводниковой микроэлементной базе с малым уровнем потребляемой мощности электрической энергии. Исследованиями /14-17/, установлено, что наиболее перспективными для использования в СЭС объектов самоходных машин являются вентильные генераторы (ВГ), обладающие рядом преимуществ по сравнению с существующими коллекторными генераторами: большей надежностью и сроком службы, высокими энергетическими и объемно-массовыми показателями, широким диапазоном частот вращения ротора. Кроме того, конструкция ВГ позволяет применять жидкостную систему охлаждения, необходимость которой диктуется жесткими требованиями к объемно-массовым показателям агрегатов и систем, располагаемым в корпусном пространстве.
Вместе с тем, создание СЭС с ВГ представляет собой сложную научно-техническую задачу. Основная трудность при ее решении состоит в том, что ВГ, обеспечивающие высокую стабильность напряжения бортовой сети в широком диапазоне частот вращения вала двигателя шасси, имеют худшие в сравнении с серийными коллекторными генераторами параметры качества электроэнергии по пульсациям напряжения и импульсам коммутационных перенапряжений /18-20/. В тоже время, особенностью СЭС перспективных самоходных машин с ВГ является, как наличие мощных приемников электроэнергии, соизмеримых по мощности с источником, так и наличие приемников электроэнергии на полупроводниковой микроэлементной базе, уровень
полезного сигнала которых соизмерим с уровнем пульсаций напряжения, возникающих от работы генератора. Следствием этого является существенное влияние параметров-пульсаций напряжения и импульсов коммутационных перенапряжений, возникающих при совместной работе источников и приемников электроэнергии, на выходные характеристики средств самоходных машин на микроэлементной базе, ухудшающее их функционирование, а тем самым и эксплуатационно-технические свойства образца /21-24/.
Внедрение в СЭС вездеходов вентильных генераторов привело к перерастанию проблемы улучшения качества электроэнергии в проблему обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) источников и приемников электроэнергии /25-27/. В соответствии с общепринятой и установленной стандартами терминологии применительно к СЭС под ЭМС понимается способность источников и приемников электроэнергии работать совместно так, чтобы непреднамеренные, но всегда возникающие при такой работе изменения значений параметров качества электроэнергии не приводили к недопустимому снижению показателей эффективности функционирования /28-43/. Согласно /39/ ЭМС в СЭС является синонимом электрической совместимости.
При разработке указанной задачи особую важность приобретают два взаимосвязанных направления:
первое — обоснование требований к СЭС самоходных машин, выполнение которых обеспечит ЭМС источников с приемниками электроэнергии;
второе — обеспечение выполнения этих требований при проектировании, производстве и эксплуатации нового поколения систем управления и средств самоходных машин.
Увеличение количества средств, усложнение их функций, создание и внедрение на вездеходах радиоэлектронных и электротехнических средств нового назначения с различными уровнем потребляемой мощности и родом питающего напряжения, рост пространственной плотности их размещения —
накладывает определенные требования как на принцип построения СЭС, так и на параметры качества вырабатываемой ею электрической энергии, которые должны обеспечивать нормальное функционирование приемников электроэнергии при совместной работе с источниками. Для СЭС эти требования сводятся в основном к требованиям по составу источников электрической энергии, порядку ее передачи и распределения между потребителями, а также к требованиям по параметрам питающего напряжения: значениям напряжения в установившихся режимах, параметрам пульсаций напряжения и импульсов коммутационных перенапряжений /44-50/.
На вездеходах, как на подвижных объектах, задача обеспечения ЭМС источников с приемниками электроэнергии является сложной и трудноразрешимой, так как имеют место случайные изменения оборотов двигателя шасси и тока нагрузки генератора (количества включенные приемников электроэнергии), а также жесткие ограничения по объемно-массовым показателям оборудования. Кроме того, устанавливаемые на объектах средства являются для источников электроэнергии нагрузкой различной по своему характеру (активно-индуктивной, емкостной и т.п.) и режимам потребления (постоянный, импульсный и т.п.) /24-26, 51 -53/. В связи с этим важно знать пути подхода к совместному решению задач по обоснованию и обеспечению требований к СЭС с учетом совместной работы, как источников, так и приемников электроэнергии.
Процесс взаимодействия источников и приемников электроэнергии, который определяет параметры питающего напряжения, имеет сложный и нелинейный характер и зависит не только от характеристик и режимов работы источников электроэнергии, но и от характера и режимов работы нагрузки (приемников электроэнергии). Это создает определенные трудности его математического описания и разработки методов исследования. Для уменьшения влияния параметров качества электроэнергии на нормальное функционирование приемников электроэнергии, формирующих эксплуатационно-
технические свойства самоходных машин, необходимо еще на стадии проектирования оценивать совместимость и формировать требования по ее обеспечению на стадии производства/24-26, 29-33, 42-45, 54/.
Используемые в настоящее время подходы /17, 21, 55, 56/ к проектированию источников и приемников электроэнергии самоходных машин не предписывают обязательных расчетов таких характеристик питающего напряжения, как параметры пульсаций напряжения и импульсов коммутационных перенапряжений (непреднамеренных помех), которые возникают в цепях питания при их совместной работе. Существующие же методики, предназначенные для исследования самоходных машин отдельных систем и СЭС в целом, не предусматривают проведение исследований по оценке влияния изменения значений параметров питающей напряжения на функционирование приемников электроэнергии и анализу ЭМС, а тем более не рассматривают рекомендации по предполагаемым путям ее достижения.
С учетом изложенного, обоснование путей совершенствования СЭС самоходных машин,- направленных на обеспечение ЭМС источников с приемниками электроэнергии, является актуальной научно-технической задачей, решению которой и посвящена настоящая работа.
Общая методология исследований по решению поставленной задачи опиралась на принципы системного анализа. В работе использованы современные методы проведения научных исследований и обработки экспериментальных данных, основанные на теории вероятностей, математической статистике, моделировании, численных методах решения дифференциальных уравнений, теории нелинейных систем электроснабжения /57-87/.
Новыми наиболее существенными научными результатами исследований являются:
показатели и оценка эффективности СЭС гусеничного вездехода по обеспечению ЭМС источников с приемниками электроэнергии и порядок их расчета;
методический подход к выбору рациональной СЭС гусеничного вездехода на основе синтеза ее структуры и параметров;
математическая модель СЭС гусеничного вездехода, устанавливающая взаимосвязь ее параметров с ЭМС источников и приемников электроэнергии;
рекомендации по разработке, использованию и совершенствованию СЭС гусеничного вездехода.
Научная новизна работы заключается в том, что:
обоснованы показатели эффективности СЭС гусеничного вездехода, обеспечивающие оценку ЭМС источников с приемниками электроэнергии;
разработана методика, базирующаяся на математической модели процесса совместного функционирования источников с приемниками электрической энергии и позволяющая на стадии проектирования производить анализ и оценку ЭМС, а также обоснованный выбор рациональной структуры и параметров СЭС гусеничного вездехода;
установлена взаимосвязь ЭМС источников и приемников электроэнергии в гусеничном вездеходе со значениями параметров СЭС с учетом случайного характера основных воздействующих факторов, таких как частота вращения вала двигателя и периодичность работы приемников электроэнергии.
Практическая ценность диссертации заключается:
в обосновании рациональной структуры и значений параметров СЭС гусеничного вездехода, обеспечивающих электромагнитную совместимость источников с приемниками электроэнергии;
в разработке практических рекомендаций, включающих в себя уточнение требований к параметрам напряжения бортовой сети перспективных гусеничных машин и методам их контроля, а также технические предложения по совершенствованию СЭС гусеничного вездехода.
На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Показатели эффективности СЭС, позволяющие оценивать ЭМС источников с приемниками электроэнергии в гусеничном вездеходе.
. Методика выбора рациональной СЭС, обеспечивающей электромагнитную совместимость источников с приемниками электроэнергии в гусеничном вездеходе.
. Результаты экспериментально-расчетного исследования по обоснованию структуры и параметров СЭС гусеничного вездехода, обеспечивающих ЭМС источников с приемниками электроэнергии.
. Практические рекомендации по совершенствованию СЭС и ее элементов, улучшающие эксплуатационные и энергетические показатели при модернизации и разработке перспективных гусеничных машин.
Диссертационная работа выполнена на 152 листах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и заключения, а также включает список использованных источников (99 наименований), содержание, 26 рисунков и 7 таблиц.
Анализ путей совершенствования систем электроснабжения вездехода
Совершенствование вездеходов возможно за счет расширения функциональных возможностей их систем, или применения новых нетрадиционных систем /1, 3, 5, 7, 91.
При совершенствовании самоходных машин в большинстве случаев расширение функциональных возможностей существующих систем и установка новых систем сопровождается применением дополнительных устройств и систем автоматики с применением микропроцессорной техники, бортовых ЭВМ, силовых электроприводов и электромеханических устройств повышенной мощности, которые используют в своей работе электрическую энергию /16-19, 22, 23, 88/. Их нормальное функционирование обеспечивается СЭС, которая вырабатывает, передает и распределяет электрическую энергию потребителям, а также поддерживает ее параметры в заданных пределах. СЭС представляет собой совокупность источников и преобразователей электроэнергии, электрических сетей, устройств управления, контроля и защиты /З, 7-10, 40/. Взаимное влияние составляющих сложной электротехнической системы, которой является СЭС, содержащей как мощные электромеханические устройства (генератор, электродвигатели), так и маломощные электронные устройства (устройства управления, контроля, сигнализации), а также развитую электрическую сеть с большим количеством коммутационных устройств и элементов защиты, может приводить к сбоям в работе систем вездехода из-за их электромагнитной несовместимости /23-26/.
Процесс совершенствования вездеходов, связанный с успешным выполнением широкого круга задач в современных условиях, требует также непрерывного совершенствования СЭС. Как ранее, так и до настоящего времени, основой совершенствования СЭС являлось обеспечение требований по улучшению таких ее основных свойств, как достаточность мощности источников электрической энергии для питания потребителей, надежность и качество вырабатываемой электроэнергии, обеспечивающих нормальное функционирование электропотребителей, при существенном улучшении объемно-массовых показателей всех устройств, объединенных процессами выработки, распределения и передачи электроэнергии /16-22, 56/.
Анализ проведенных работ /14-17/ показывает, что для обеспечения требований по достаточнострі мощности электрической энергии в различных условиях эксплуатации вездеходов, совершенствование СЭС предлагалось проводить в основном за счет улучшения характеристик генераторов. Так, например, повышение объемной и удельной мощности генераторов предлагалось осуществлять путем применения изоляционных материалов с высокой теплостойкостью, улучшения теплоизоляции между генератором и источниками тепла в моторно-трансмиссионном отделении, увеличения расхода охлаждающего генератор воздуха. Обеспечение требуемой надежности СЭС предлагалось осуществлять за счет повышения надежности узлов и элементов отдельных ее устройств таких, как щеточный узел генераторов, схемы и элементы коммутационно-регулирующей аппаратуры и т.п. /15, 16, 18/.
Кроме того, основным направлением при совершенствовании СЭС для обеспечения нормального функционирования приемников электроэнергии являлось и является улучшение качества электроэнергии. В соответствии с требованиями стандартов /36-41/, основными показателями качества электроэнергии являются такие параметры напряжения бортовой сети, как: значения напряжения в установившихся режимах; параметры пульсаций напряжения — амплитуда и частота; параметры импульсов коммутационных перенапряжений — амплитуда и длительность.
В последние годы большое внимание уделялось повышению стабильности напряжения бортовой сети, снижению амплитуды пульсаций напряжения и импульсов коммутационных перенапряжений. При этом для повышения отдельных показателей качества электроэнергии предлагалось улучшение схем и конструкций генераторов; применение приводов постоянной частоты вращения их роторов; повышение точности систем регулирования напряжения; разработка эффективных устройств стабилизации напряжения и фильтров для питания приемников электроэнергии, особо критичных к колебаниям и пульсациям напряжения; применение многоканальных СЭС /15-17, 20, 22/.
Однако улучшение отдельных показателей качества электроэнергии может приводить к ухудшению или снижению других его показателей. Так, например, применение регуляторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией (Р10ТМУ-1С, РН10-1С) позволило повысить точность регулирования напряжения с +0,5В до +0,1В. При этом частота пульсаций напряжения от работы регулятора возросла до 1кГц и стала соизмерима с частотой пульсаций напряжения от работы генератора, что создало условия для возникновения паразитных резонансных пульсаций напряжения, влияющих на нормальное функционирование приборов электрооборудования на полупроводниковой микроэлементной базе /33/.
Факторы, определяющие электромагнитную совместим остьисточников с приемниками электроэнергии СЭС
В соответствии с основами теории и методами оценки ЭМС радиоэлектронных средств /29-33/ оценка сводится к двум этапам. На первом этапе решается задача анализа электромагнитной обстановки (ЭМО). Результатом решения этой задачи должны быть количественные характеристики полезных и мешающих сигналов, воздействующих на радиоэлектронные средства. Необходимо отметить, что ЭМО представляется совокупностью только тех сигналов, которые потенциально опасны в отношении ЭМС.
На втором этапе предусматривается решение задачи оценки качества функционирования (эффективности) отдельных радиоэлектронных средств. Результат решения задачи второго этапа характеризует степень влияния помех на выходные характеристики радиоэлектронных средств.
В СЭС вездеходов потенциально опасными для нормального функционирования приемников электроэнергии являются непреднамеренные изменения параметров питающего напряжения (качество электроэнергии): К ним, согласно проведенным исследованиям /24, 25, 34, 61/, относятся непреднамеренные помехи в цепях питания - пульсации напряжения и импульсы коммутационных перенапряжений (ИКП), а также изменения значений установившегося напряжения бортовой сети.
Анализ работ /18, 20/ показывает, что все факторы, оказывающие влия ниє на параметры качества электроэнергии, можно разделить на две группы: обусловленные влиянием СЭС - первичные и обусловленные нагрузкой (приемниками электроэнергии) - вторичные (рис. 2.1).
Первичные факторы оказывают наибольшее влияние на установившееся значение напряжения, диапазон регулируемого напряжения в переходных режимах работы СЭС, амплитуду ИКП и пульсаций напряжения. В меньшей степени эти факторы оказывают влияние па импульсы перенапряжений, возникающие при работе различной нагрузки.
Параметры пульсаций напряжения зависят от характеристик регулятора напряжения, который при своей работе создает дополнительные пульсации напряжения от коммутации обмотки возбуждения при регулировании напряжения. Существующие на гусеничных машинах регуляторы напряжения имеют точность регулирования 0,5В и создают в звуковом диапазоне частот -низкочастотные пульсации напряжения в диапазоне частот 50...300Гц и амплитудой до бООмВ. Однако, опыт конструирования регуляторов напряжения показывает, что как у нас, так и за рубежом установка на подвижные объекты регуляторов напряжения на основе широтно-импульсной модуляции позволит обеспечить точность регулирования напряжения порядка 0,1В при стабильной частоте регулирования порядка 1000Гц и с амплитудой пульсаций напряжения до ЮОмВ /25, 61/.
Так как привод генераторов осуществляется от двигателя шасси, по этому преимущественны квазиустаиовившиеся режимы, для которых характерны непрерывные изменения параметров с низкой частотой в пределах допусков. Для квазиустановившихся режимов также свойственна модуляция напряжения, которая вызывает незатухающие низкочастотные колебания и может вызвать ошибки в работе следящих систем, а также явиться причиной недопустимых отклонений на выходе вторичных источников питания, преобразователей и т.п. Пульсации напряжения в наибольшей степени характерны для СЭС с вентильными генераторами. Здесь помимо высокочастотных пульсаций напряжения, вызванных работой выпрямительного узла, присутствуют и низкочастотные пульсации, которые обусловлены квазиустановившимся характером процессов по переменному току /23, 24, 62-64/.
Рассмотренные выше параметры характеризуют в основном статические свойства СЭС. Динамические же свойства характеризуются изменениями значений тока нагрузки и частотой вращения ротора генератора, а также динамикой работы регулятора напряжения и определяются: видом первичного привода и режимом его работы; запасом по мощности и перегрузочной способностью каналов генерирования, преобразования, передачи и распределения энергии приемникам электроэнергии; быстродействием регуляторов и защитно-коммутационной аппаратуры. Аппаратура защиты систем генерирования и распределения электрической энергии строится с использованием выдержек времени, в течение которых качество электрической энергии существенно отличается от требуемого для нормальной работы, что не позволяет гарантировать необходимые выходные характеристики практически всех видов бортового электрооборудования.
Результаты исследования параметров импульсов коммутационных перенапряжений в.СЭС
В соответствии с методикой проведения экспериментов определялись параметры ИКП в различных режимах коммутации приемников и источников электроэнергии. Экспериментальные исследования подтвердили малую зависимость параметров ИКП от частот вращения ротора генератора, которой можно пренебречь. На рис. 3.5 приведены максимально возможные значения параметров ИКП, возникающих в СЭС вездеходов.
Максимальные значения параметров ИКП положительной полярности получены при отключении группы приемников электроэнергии с суммарным током потребления (нагрузки) Іп равным 100А. Максимальные значения ИКП отрицательной полярности получены при отключении источников электроэнергии от группы потребителей, суммарный ток потребления которых составляет 50 А, в момент срабатывания исполнительных механизмов системы пожаротушения, приводов насосов, вентилятора и т.п. Характер этих импульсов с точки зрения теории процессов, протекающих в СЭС, объясняет индуктивный характер нагрузки, т.е. LH Сн, амплитуда и длительность которых увеличивается с возрастанием RH и LH в послекоммутационных цепях.
Максимальные значения параметров ИКП, возникающих в СЭС с генератором Г-3, не превышают требований по амплитуде и длительности /30/ и если приемники электроэнергии будут рассчитаны на воздействие ИКП с такими параметрами, то совместимость в таких СЭС будет обеспечена.
Таким образом, в СЭС с генераторами Г-3 совместность по ИКП перенапряжений в исследуемых режимах коммутации обеспечивается при возникновении импульсов.
В процессе исследования пульсаций напряжения производились измерения амплитудных значений спектральных составляющих в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц в соответствии с принятой методикой проведения эксперимента. Максимальные значения амплитуды спектральных составляющих получены при измерениях на главном распределительном устройстве (ГРУ) и изображены в виде графика на рис. 3.6.
Рассматривая спектральные составляющие пульсаций напряжения в СЭС гусеничных машин можно выделить в них диапазоны частот, которые характеризуют работу определенных элементов СЭС. Поскольку основным источником пульсаций напряжения, в соответствии с проведенным в предыдущей главе анализом электромагнитных процессов, является электромашинный генератор, то спектральные составляющие характеризуют работу элементов генераторной установки. В связи с этим, пульсации напряжения можно разделить на пульсации, обусловленные работой регулятора напряжения и пульсации, вызванные работой выпрямителя у генератора Г-3. Максимальные значения амплитуды пульсации напряжения, обусловленных работой регулятора напряжения, находятся в диапазоне частот 800... 1000Гц с амплитудой от 90мВ до 220мВ.
В СЭС с генератором Г-3 амплитуда пульсаций напряжения превышает требования /45/ в 2-2,5 раза и достигает величин 500—836 мВ в диапазоне частот 1000-10000Гц. На рис. 3.7 показана форма выходного напряжения генератора Г-3, на которой видны основные гармоники - 1 от выпрямителя, имеющие частоту 1,2-3,6 кГц от демпферных стержней - 2, имеющих частоту в 5 раз выше (по числу стержней, которых в генераторе 5 шт.). Гармонические составляющие - 3 образованы коммутацией вентилей и имеют частоту 0,1-1 МГц.
Форма пульсаций выходного напряжения ВГ Г-3
Повышенная амплитуда пульсаций напряжения свыше 300 мВ в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц в СЭС с ВГ может привести к нарушению функционирования приемников электроэнергии, что говорит о возможной несовместимости в таких СЭС по параметрам пульсаций напряжений.
Сформированная в п. 2.4 математическая модель разработана при соответствующем уровне идеализации электромагнитных процессов, протекающих в СЭС с ВГ. Как известно, этот уровень, конкретизируемый системой принятых допущений, определяется компромиссом между требованием адекватности, а следовательно, практической ценности модели и возможностью ее реализации с помощью современных математических методов анализа и вычислительных средств.
Математическая модель считается адекватной объекту исследования, если результаты моделирования подтверждаются опытом и могут служить основой для прогнозирования процессов, протекающих в исследуемой системе.
Для проверки адекватности модели проводилось сравнение расчетных и полученных выше экспериментальных данных по характеристикам системы электроснабжения с ВГ. На рис. 3.8 приведены расчетные и экспериментальные зависимости установившегося значения напряжения UH, амплитуды импульсов коммутационных перенапряжений U„ и относительных значений амплитуды пульсаций напряжения AU„ (при U„= 28В) от величины тока нагрузки 1н при частоте вращения ротора генератора пг = бООмин-1. Экспериментальные зависимости получены при работе вентильного генератора на активную нагрузку. Расчетные зависимости получены при использовании явных методов численного интегрирования с базовым шагом интегрирования h = 5. Их сопоставительный анализ с данными эксперимента показал, что относительная погрешность результатов, получаемых с помощью модели, не превышает 5% для характеристик и 10-15% для пульсаций
Организационно-методические мероприятия по обеспечению ЭМС в системах электроснабжения гусеничного вездехода
Важным фактором обеспечения ЭМС между источниками и приемниками электроэнергии в СЭС гусеничного вездехода является установление реальных, объективно имеющих место изменений значений параметров напряжения бортовой электросети с учетом режимов работы и особенностей, свойственных для приемников электроэнергии данной машины. Поэтому, разрабатывая требования к СЭС по обеспечению ЭМС, необходимо учитывать требования, предъявляемые к параметрам напряжения бортовой электросети со стороны приемников электроэнергии.
Обычно при разработке СЭС, требования, предъявляемые со стороны приемников электроэнергии в основном касаются диапазона значений установившегося напряжения. В тоже время, проведенные исследования /24, 64/ показали, что большинство приемников электроэнергии подвержено воздействию пульсаций напряжения и импульсов коммутационных перенапряжений с различными значениями параметров. Однако, те приемники электроэнергии, которые критичны к пульсациям напряжения, нормально функционируют при воздействии пульсаций с амплитудой не превышающей 300 мВ в диапазоне 20-20000 Гц, причем каждый приемник критичен к определенному поддиапазону частот "в пределах примерно одной декады. Так например, уже при воздействии пульсаций напряжения амплитудой свыше 300 мВ в диапазоне частот 200...2000 Гц заметно ухудшается работа средств связи и т.п.
Особую опасность для приемников электроэнергии на микроэлементной базе представляют импульсы коммутационных перенапряжений. По природе своего происхождения они связаны не только с характеристиками источников электроэнергии, но и зависят от импеданса электросети, величины и характера коммутируемой нагрузки, а параметры их (амплитуда и длительность) представляют собой случайные величины. Полупроводниковые элементы систем, приборов и устройств выдерживают воздействие импульсов коммутационных перенапряжений с определенными значениями своих параметров. Воздействие ИКП с параметрами выше этих значений может привести к выходу из строя полупроводниковых элементов, а значит и сие темы в целом. Это позволило определить предельные значения параметров ИКП, которые согласуются с требованиями стандарта /45/ и составляют: для амплитуды импульсов положительной полярности ии = 70 В при Т„ = 2 мс, U„ = 41В при Т„ = Юме, U„ = 31В при Ти = ЮОмс; для амплитуды импульсов отрицательной полярности составляют U„= 50 В при Ти = 0,2 мс, ии= -40 В при Ти = 0,5 мс, U„ = -28 В при Ти = 1,0 мс, U„ = 2 В при Тн= 5,0 мс.
Однако в стандарте не определяется при коммутации каких токов нагрузки и импедансе (волновом сопротивлении) бортовой сети, которые являются определяющими при оценке величины энергии импульса, возникают ИКП, В тоже время, воздействие ИКП проявляется в виде дополнительно выделяемой энергии на границе "р-n" переходов полупроводниковых элементов, приводя к их разрушению. В ходе экспериментальных исследований /24/ системы электроснабжения гусеничного вездехода было определено, что при коммутации нагрузки в бортовой сети имеют место импульсы с энергией от 20 Дж до 190 Дж. Вероятность появления импульсов в бортовой сети с энергией от 20 Дж до 130 Дж составляет от 0,7 до 0,76 соответственно, а с энергией от 130 Дж до 190 Дж - от 0,24 до 0,3. При этом, вероятность появления импульсов с энергией порядка 190 Дж мала и составляет 0.07-0.1. Установлено, что полупроводниковые элементы имеют гораздо меньшую постоянную времени воздействия на них импульсов, чем время срабатывания предохранителей, поэтому при работе в системах и устройствах они могут выдерживать воздействие импульсов с энергией до 130 Дж.
Таким образом, вышеизложенные выводы проведенных исследований предопределили основные требования к СЭС гусеничных вездеходов по обеспечению ЭМС источников и приемников электроэнергии /27/, заключающиеся в том, что параметры пульсаций напряжения и импульсов коммутационных перенапряжений в бортовых электросетях гусеничных вездеходов на настоящий период должны быть: значения амплитуды пульсаций напряжения не должны превышать 300 мВ (Un 300 мВ) в диапазоне частот 20-20000 Гц для каждой декады, т.е. в поддиапазонах 20-200 Гц, 200-2000 Гц и 2000-20000 Гц; величина энергии импульса Еи не должна превышать 130 Дж.
Для выполнения требований по параметрам пульсаций напряжения и импульсов коммутационных перенапряжений необходимо ввести их в отраслевые стандарты в виде норм, контролируемых по определенным методам.
