Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 10
Глава 1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С АВТОНОМНЫМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ 27
1.1. Выбор критериев оценки электроэнергетической совместимости транспортного оборудования 27
1.2. Систематизация узлов и элементов транспортных электроэнергетических комплексов и алгоритм их начального структурного синтеза 34
1.3. Систематизация, обобщение, модернизация и разработка средств обеспечения совместимости электромашинных генераторов с сетью переменного тока стабильной частоты 39
1.4. Разработка универсального способа обратимого деления постоянного напряжения (ОДПН) для обеспечения совместимости потребителей с высоковольтным питанием 47
1.5. Распределенная подсистема генерирования постоянного повышенного напряжения на базе вентильных магнитоэлектрических генераторов и ОДПН 55
1.6. Распределительные системы квазипостоянного повышенного напряжения (КППН) на базе ОДПН,
совместимые с бездуговыми контакторами 59
1.7. Базовая структура обратимого прямо ходового двуполярного конвертора (ОПДК) для обеспечения двусторонней совместимости питающих каналов постоянного и (или) переменного тока 66
1.8. Схемы бес трансформаторных инверторов с улучшенной формой напряжения на базе ОДПН и ОПДК 70
1.9. Структуры и схемы трансформаторных конверторов с высоковольтным питанием и способ управления параллельными источниками 80
1.10. Подсистема генерирования трехфазного переменного тока с распределенным преобразованием "переменная скорость стабильная частота" (ПССЧ) на базе трехфазных циклоконверторов с ОПДК 95
1.11. Обеспечение совместимости аккумулятора с сетью постоянного повышенного напряжения при пиковых нагрузках 102
1.12. Обеспечение стартер генераторной совместимости 104
1.13. Емкостно-модуляторный регулятор переменного тока для возбуждения реактивных и асинхронных машин 119
Глава 2. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С СЕТЕВЫМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ПИТАНИЕМ 122
2.1. Критерии эффективности обеспечения электроэнергетической совместимости тяговых схем 122
2.2. Анализ путей повышения эффективности аварийных быстродействующих выключателей постоянного тока 130
2.3. Существующие средства защиты от сетевых коммутационных высоковольтных импульсов и автоколебаний 141
2.4. Разработка структур тягового привода с импульсным многорежимным регулированием 150
2.5. Система питания вспомогательных цепей сетевого транспорта 158
2.6. Схемы без дугового расщепления и устройства разгрузки контакторов 164
2.7. Аварийный высоковольтный быстродействующий выключатель постоянного тока с активным форсирующим устройством и модернизированные электромагнитные контакторы 173
2.8. Дугогасительные камеры с повышенной эффективностью 184
2.9. Дифференциальный датчик постоянного тока на базе насыщаемого трансформатора в цепи резонансного контура 191
2.10 Блок защиты от сетевых высоковольтных импульсов на базе силового реактора, варисторно-тиристорного столба и фильтрового конденсатора с блокирующим диодом 193
Глава 3. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ МОЛНИИ В ТРАНСПОРТНЫХ
КОМПЛЕКСАХ 197
3.1. Основные меры и средства улучшения качества электроэнергии транспортных комплексов 197
3.2. Нетрадиционные высокоэффективные способы улучшения качества электроэнергии в сети переменного тока 202
3.3. Анализ и разработка вторичных источников импульсного питания (ВИИП), сохраняющих качество электроэнергии магистральной сети 216
3.4. Разработка бес трансформаторных генераторов импульсов тока с демпфированием потребляемой мощности 239
3.5. Средства прогнозирования мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) молнии и систематизация мер и средств защиты от них 248
Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
УСТРОЙСТВ И ПРОЦЕССОВ 283
4.1. Разработка методик программно-вычислительного моделирования синхронных и вентильных машин, адекватного задачам управления в переходных режимах и анализа показателей качества электроэнергии 284
4.2. Алгоритмы квазиинвариантного регулирования вентильных генераторов в автономных электроэнергетических системах 297
4.3. Моделирование процессов снижения колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах с помощью демпфирующего симисторного коммутатора 311
4.4. Математическое описание автономной системы электроснабжения с индуктивно-емкостным преобразователем, выпрямительной и стационарной нагрузками 320
4.5. Методики моделирования и расчета пассивно компенсирующих средств подавления возмущений качества питающей электроэнергии 325
4.6. Моделирование и алгоритмы регулирования вторичных источников импульсного питания (ВИИП) 336
4.7. Квазиоптимальные по электроэнергетической экономичности алгоритмы импульсного управления разгоном тягового электропривода 345
4.8. Расчетно-аналитическое моделирование и итоговый критерий эффективности дугогашения в контакторах и быстродействующих выключателях постоянного тока 356
4.9. Расчетно-аналитическое моделирование быстродействующего выключателя с активным форсирующим устройством 361
4.10. Расчетно-аналитическое моделирование дифференциального датчика постоянного тока 366
4.11. Методики расчета индукционных магнитометрических и электрометрических датчиков и их метрологических характеристик 371
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 381
ПРИЛОЖЕНИЯ. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БАЗОВЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ 391
П.1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 391
П. 1.1. Макет системы электроснабжения квазипостоянного повышенного напряжения (КГПТН) 391
П. 1.2. Макеты трансформаторных конверторных модулей для высоковольтного последовательно-модульного конвертора 392
П. 1.3. Опытно-промышленное освоение импульсных источников вторичного питания для бортовых лазеров, антиобледенителей и проблесковых огней 395
П. 1.4. Экспериментальные исследования модели расщепляющего компенсирующего трансформатора 399
П. 1.5. Расчет и формирование переходных процессов генератора при наброске выпрямительно-емкостной нагрузки 402
П. 1.6. Исследование совместной работы вторичного источника импульсного питания с сетью переменного тока соизмеримой мощности 411
П. 1.7. Универсальная программно-вычислительная модель индуктивно-вентильного генератора с регулируемой емкостной компенсацией 426
П. 1.8. Компенсация индуктивного сопротивления синхронного генератора в машинно-вентильных источниках 432
П. 1.9. Расчет разветвляющего компенсирующего трансформатора 437
П. 1.10. Расчет процессов в ВИИП с промежуточным емкостным накопителем 446
П.2. СИЛОВЫЕ УЗЛЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ 458
П.2.1. Переходные реостатные схемы тяговых электроприводов постоянного тока с импульсным многорежимным регулированием на базе резисторно-транзисторных
контроллеров 458
П.2.2. Безреостатные схемы импульсного управления тяговым электроприводом на базе запираемых тиристоров 461
П.2.3. Тяговые электроприводы с импульсными транзисторно-емкостными контроллерами 466
П.2.4. Универсальный четырехканальный тяговый электропривод с питанием от сетей переменного тока (25 кВ, 50 Гц) или постоянного тока (3 кВ) 469
П.З. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА 472
П.3.1. Макеты бортового измерителя импульсных электромагнитных воздействий и лабораторного имитатора мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) 472
П.3.2. Макет трех координатного датчика для измерения напряженности электростатического поля 472
П.4. ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ КОММУТАЦИОННАЯ АППАРАТУРА 474
П.4.1. Полунатурные испытания форсирующих устройств для быстродействующего выключателя и рекомендации по проектированию 474
П.4.2. Полу натурные испытания дугогасительных камер с повышенной эффективностью и рекомендации по проектированию 481
П.4.3. Стендовые испытания устройств без дугового расцепления и разгрузки контакторов и рекомендации по
проектированию 490
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 492
Введение к работе
Под электроэнергетической совместимостью (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) понимается его согласованность (взаимное функциональное соответствие) по видам, параметрам и качеству электропитания, по мощностным, энергетическим, надежностным и производственно-эксплуатационным показателям.
Исходной предпосылкой для формирования научных основ ЭЭС ТЭО явились работы Бертинова А.И., Конева Ю.И., Мизюрина СР., Синдеева И.М. и др., в которых система электрооборудования (СЭО) летательного аппарата (ЛА), в отличие от системы электроснабжения (СЭС), рассматривалась как комплекс взаимодействующих составляющих: от потребителей электроэнер-гиидо первичных источников.
Недостаточное внимание к проблемам ЭЭС (аналогично проблемам ЭМС) приводит к увеличению сроков и ухудшению качества проектирования и создания транспортных комплексов, а также - к неоправданным затратам времени и средств при их доработке, испытаниях и опытной эксплуатации.
При разработке перспективных транспортных электротехнических комплексов особое внимание уделяется использованию высоковольтного (в/в) питания, позволяющему существенно снизить транспортируемую массу оборудования (с учетом добавления массы корпуса, топлива, системы охлаждения и др.) и массу контактной сети (в случае сетевого питания) за счет снижения тепловых потерь в проводах и полупроводниковых приборах, а также снижения удельной массы емкостных накопителей энергии.
Устранение указанного противоречия представляется важнейшим аспектом теории электроэнергетической совместимости транспортного оборудования.
Разработкой перечисленного оборудования занимались многочисленные отечественные и зарубежные организации и фирмы, в частности: АКБ "Якорь" (г. Москва), МАЗ "Дзержинец" (г. Москва), ВЭИ (г. Москва), МЭИ (г. Москва),
МИИТ (г. Москва), МИИГА (г. Москва), РТИ им. акад. Минца (г. Москва), ЗАО "Спецремонт" (г. Москва), НПО "Астрофизика" (г. Москва), УОМЗ (г. Екатеринбург), ВНИИЖТ (г. Москва), ABB (Швейцария), Siemens (Германия), NASA Marshall Space Flight Center (США), Martin Marietta Astronautics Group (США), и др. Указанным проблемам посвятили свои научные труды следующих ученых (помимо выеупомянутых): И.И. Алексеев, Б.Л. Алиевский, Д.Э. Брускин, В.П. Булеков, Д.А. Бут, СИ. Вольский, Б.И. Гринштейн, Б.С. Зечихин, Л.А. Квасников, Л.К. Ковалев, Б.П. Константинов, В.И. Кривенцев, Н.Н. Лаптев, Э.Я. Лившиц, В.Л. Лотоцкий, Г.М. Малышков, Е.В. Машуков, B.C. Моин, В.Т. Моро-зовский, Г.М. Мустафа, Б.И, Петленко, В.А. Полковников, В.А. Постников, Ю.К. Розанов, В.В. Синайский, И.Н.Соловьев, А.Ю. Черкашин, В.Р. Чорба, М.М. Юхнин и др.
Однако, несмотря на значительное количество публикаций, посвященных отдельным частным вопросам и разрозненным удачным разработкам, к настоящему времени следует констатировать неразработанность единой проблемы обеспечения электроэнергетической совместимости высоковольтного и низковольтного оборудования транспортных электротехнических комплексов, а именно - отсутствием систематизации средств обеспечения ЭЭС ТЭО, а также критериев оценки их эффективности. Поэтому наблюдается превалирование попыток применения традиционных структур и схем, иногда в ущерб их адекватности высоковольтному питанию. Необходимо пересмотреть многие прежние подходы и приступить к широкому внедрению высоковольтной силовой электроники на транспортных объектах. Однако для этого нужны систематизация и модернизация известных средств обеспечения ЭЭС ТЭО, а также нетрадиционные схемотехнические, конструктивные и алгоритмические разработки более эффективных средств. В связи с вышесказанным решение проблемы обеспечения ЭЭС ТЭО при высоковольтном питании представляется актуальной научно-технической задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение.
К специфике работы можно отнести вынужденный охват обширной номенклатуры систем, подсистем и узлов, связанный с вышеуказанным комплексным подходом к проблеме ЭЭС ТЭО и затрудняющий доведение сравнительного анализа многочисленных разработок до конкретных числовых значений в оценке эффективности.
В качестве примеров конкретных объектов в диссертации рассматриваются электротехнические комплексы следующих гипотетических транспортных средств: трех ЛА, соответствующих общеизвестной перспективной концепции "ЛА с полностью электрифицированным оборудованием (ЛА с ПЭО)", имеющих в качестве основных распределительных систем сети: а) постоянного повышенного напряжения (СГШН, 750 В), б) трехфазного напряжения 380/220 или 208/115 В, 400 Гц (без пневмо- и гидропривода постоянной частоты вращения) и в) - комбинированные; железнодорожных электропоездов с питанием от высоковольтных сетей постоянного (З кВ) или переменного (25 кВ, 50 Гц) тока, а также дизель электропоезда с распределительной системой 750 В. Рассмотренные электротехнические комплексы могут иметь самостоятельное значение и быть рекомендованы для перспективных транспортных средств; однако использованы в работе в качестве наглядных примеров применения результатов исследований.
Представленная диссертация выполнена на базе многолетних НИР, проведенных Московским авиационным институтом по хозрасчетным и госбюджетным темам для следующих предприятий авиационной, оборонной, транспортной, электротехнической и радиотехнической промышленности.
Цель диссертационной работы - систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных средств обеспечения электроэнергетической совместимости (ЭЭС) транспортного электрооборудования (ТЭО) с вы 14 соковольтным питанием (автономным или сетевым) для сокращения сроков и повышения качества проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Систематизация и повышение эффективности средств обеспечения совместимости ТЭО по видам и параметрам электропитания, по мощност-ным и энергетическим показателям, в частности - разработка универсальных способов, схемотехнических решений и законов регулирования обратимого, многорежимного, энергоэкономичного преобразования и бездуговой коммутации с учетом высоковольтного питания.
2. Систематизация и повышение эффективности средств улучшения качества электроэнергии на зажимах первичного и вторичного питания, а также линейных, нелинейных и импульсно-циклических нагрузок, в частности выявление типовых и разработка универсальных способов, схем и законов управления.
3. Выбор и обоснование комплексов типовых средств обеспечения ЭЭС для перспективных самолетных систем электроснабжения с повышенной суммарной установленной мощностью (в частности - в соответствии с концепцией "самолетов с полностьютя электрифицированным оборудованием" (СПЭО)).
4. Выбор и обоснование комплексов типовых средств обеспечения ЭЭС для перспективных импульсных систем управления бортовыми исполнительными электроприводами и высоковольтными стартер-генераторами, а также тяговыми электроприводами сетевого транспорта.
5. Систематизация, модернизация и разработка высокоэффективных схемотехнических и конструктивных решений для средств защиты ТЭО от аварийных режимов и мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ молнии и коммутационных). 6. Разработка методик математического моделирования, расчета ос новных характеристик и алгоритмов оптимального регулирования рабо чих и переходных процессов в устройствах обеспечения ЭЭС ТЭО.
7. Практическая реализация теоретических, схемотехнических и конструктивных решений, экспериментальные исследования, разработка рекомендаций по проектированию и опытно-промышленное освоение вы соковольтной преобразовательной, защитно-коммутационной и измерительно диагностической аппаратуры.
Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая теорию поля, теорию четырехполюсника, метод переменных состояний, классический и операторный методы расчета переходных процессов, методы гармонических составляющих и спектрального анализа; общепринятые в теории автоматического регулирования аналитические методы, включая методы вариационного исчисления и обеспечения инвариантности. Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов аналитического и компьютерного моделирования (программно-вычислительного и "квазианалогового") подтверждена экспериментальными исследованиями на физических макетных моделях и опытных образцах, проведенными на испытательных стендах и полигонах, а также путем анализа работы промышленных образцов в условиях эксплуатации.
Научная новизна. Обобщенным конечным новым научным результатом диссертационной работы является развитие теории электроэнергетической совместимости транспортного электрооборудования в аспекте высоковольтности питания, а именно - систематизация, обобщение и многокритериальный анализ эффективности, разработка методик моделирования и законов регулирования высоковольтной преобразовательной, защит-но-коммутацион-ной и измерительно-диагностической аппаратуры. На базе анализа существующих подсистем и узлов ТЭО выбраны и обоснованы критерии оценки эффективности, систематизированы средства обеспечения ЭЭС, выделены типовые из них для каждого вида транспорта, выявлены недостатки базовых средств, сдерживающие совершенствование ТЭО, разработаны нетрадиционные универсальные высокоэффективные способы преобразования, коммутации, защиты и соответствующие базовые структурные решения; предложены расчетно-аналитические, программно-вычислительные, модельно-компьютерные методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов, адекватные задачам разработчиков и исследователей.
При этом получены следующие конкретные новые научные результаты:
-выбраны, сгруппированы и обоснованы критерии оценки ЭЭС ТЭО с высоковольтным автономным и сетевым питанием;
—произведена систематизация подсистем, узлов и элементов транспортных электроэнергетических комплексов и предложен вариант алгоритма их начального структурного построения, соответствующий задачам ЭЭС;
-разработан новый универсальный способ обратимого деления (умножения) постоянного и переменного напряжения путем последовательной импульсной перекачки энергии (транс-портировки заряда) по звеньям емкостного делителя, позволяющий с помощью относительно низковольтных ключей осуществить двустороннюю связь между каналами с произвольно изменяющимися уровнями знакопостоянного напряжения;
-предложены новые принципы обеспечения бездугового расцепления в сетях постоянного (квазипостоянного) повышенного напряжения (КППН): с плавающими потенциалами;
-предложены новые принципы плавного регулирования эквивалентной электроемкости конденсаторных батарей переменного тока для регулируемой компенсации реактивной мощности, самовозбуждения реактив 17 ных и асинхронных электрических машин, регулирования (самонастраивания) резонансных фильтров;
-разработаны новые универсальные способы многорежимного обратимого прямоходового двуполярного конвертирования (циклоконверирова-ния) для обеспечения энергоэкономичной двусторонней совместимости питающих каналов постоянного и (или) переменного тока;
-систематизированы и проанализированы причинно-следственные связи показателей качества электроэнергии с источниками возмущений и характеристиками СЭС, а также меры и средства их улучшения, позволяющие осуществить системный подход к их применению и оценке эффективности;
-предложено использование поперечной емкостной компенсации для обеспечения параметрической стабилизации (инвариантности) напряжения при глубоком варьировании нагрузки;
-проведены систематизация и многокритериальный анализ известных и разработанных структур вторичных источников импульсного питания, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения, сформулированы критерии их оценки и выявлены рациональные структуры;
-предложены способ повышения чувствительности и точности измерения магнитных полей гальванометрическим методом, основанным на эффекте Суля, а также способ его использования для трехкоординатных измерений вектора Пойнтинга;
-систематизированы и проанализированы методы индукционного измерения стационарных электрических полей с электромеханическим модулированием; разработан способ трехкоординатного измерения вектора напряженности при сферической форме зонда;
-систематизированы меры и средства обеспечения ЭМС и стойкости к мощным ЭМИ электрооборудования автономных систем, имеющие и самостоятельное значение; -предложено нетрадиционное программно-вычислительное моделирование синхронных и синхронно-вентильных машин с учетом емкостной компенсации, адекватное задачам управления в переходных режимах и анализа показателей качества электроэнергии;
-предложены математические модели процессов снижения колебаний напряжения в автономных электроэнергетических системах с помощью демпфирующего симисторного коммутатора;
К теоретическим результатам, полученным расчетно-аналитически-ми методами и рекомендуемым для использования при проектировании и исследовании следует отнести следующие законы и соотношения:
о упрощенное эквивалентное уравнение Коши для переходного процесса в синхронном генераторе с продольной емкостной компенсацией и его частное решение для процесса подключения к выпрямительно-емкостной нагрузке;
о алгоритмы квазиинвариантного регулирования одно-, двух- и трехкаскадных синхронно-вентильных генераторов, обеспечивающие высокую стабильность выходного напряжения при коммутациях нагрузки;
о квазиоптимальные законы управления демпфирующим симисторным коммутатором, позволяющие упростить и повысить эффективность снижения колебаний напряжения;
о расчетно-аналитические соотношения и выражения для основных характеристик пассивно компенсирующих средств подавления возмущений качества электроэнергии - фильтрокомпенсатора и разветвляющего компенсирующего трансформатора;
о оптимальный по КПД закон управления комбинированным ВИИП -как результат решения вариационной задачи с помощью уравнения Эйлера;
о квазиоптимальный по электроэнергетической экономичности алгоритм двухканального импульсного управления разгоном тягового привода постоянного тока с ограничением потребляемой мощности, позволяющий минимизиро 19 вать установленную мощность двигателя и преобразователя и повысить коэффициент их использования;
о выражение для итогового энергетического критерия эффективности ду-гогашения при размыкании цепей постоянного тока;
о приближенное выражение для импульсной силы воздействия на размыкающий якорь аварийного активного быстродействующего выключателя;
о выражения для основных метрологических характеристик датчиков электромагнитной обстановки: порогового дифференциального датчика постоянного тока и трехкоординатных индукционных датчиков ЭМИ и электростатического поля.
Практическая ценность работы. Обобщенным практическим результатом является модернизация и повышение эффективности схемотехнической базы для проектирования высоковольтной преобразовательной, защитно-коммутационной и измерительно-диагностической транспортной аппаратуры. Это позволяет сократить сроки и повысить качество проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов, устранив противоречие между снижением транспортируемой массы (а следовательно - приведенной стоимости) и сохранением высокой надежности ТЭО. Разработаны рекомендации по проектированию подсистем и узлов, а также выбору схем и конструкций элементов, включая вновь разработанные, компьютерных моделей, расчетных выражений и алгоритмов управления. Реализованы и испытаны макетные и опытно-промышленные образцы, созданы испытательные стенды. Часть устройств внедрены в серийное производство и в учебный процесс.
Более конкретно это заключается в следующем:
-разработан ряд новых типовых устройств, обеспечивающих: а) совместимость относительно низковольтных потребителей, резервных аккумуляторов и полупроводниковых ключей, а также без дуговых контакторов с высоковольтными цепями питания; б) совместимость каналов обратимого питания с произвольными уровнями и формами напряжения, включая m-фазные синусоидальное; в) плавное регулирование эквивалентной электроемкости конденсаторных батарей переменного тока; г) рекуперацию энергии в широком диапазоне скоростей, а также малые пульсации или нелинейные искажения напряжений на обмотках приводных электромашин (снижение тепловых потерь);
-предложена структура высоковольтного понижающего составного конвертора на базе параллельных автономных секций, содержащих последовательно-закольцованные нерегулируемые трансформаторно-инверторные ячейки, позволяющая по сравнению с известными моноблочными и этажерочно-модульными аналогами: а) гибко наращивать установленную мощность; б) обеспечить надежное и динамически устойчивое самовыравнивание напряжений ячеек; в) обеспечить взаиморезервирование секций, высокие живучесть и ремонтопригодность; г) исключить "сквозные сверхтоки" в транзисторных парах; д) повысить помехозащищенность; схемы нерегулируемых трансформа-торно-инверторных ячеек имеют самостоятельное значение, в частности - в варианте повышающего конвертора с коллекторно-щеточным ключом, позволяющим в несколько раз снизить тепловые потери при питании от низковольтного аккумулятора;
-разработана нетрадиционная структура нелинейно-статической схемы управления параллельными регуляторами тока, обеспечивающая по сравнению с известными схемами статического регулирования более высокую точность самовыравнивания токов (порядка 3-5%), более высокое быстродействие (несколько мс), более широкую зону динамической устойчивости и может быть рекомендована для управления параллельной работой каналов генерирования или нескольких ВИЛ;
-существенно модернизированы и вновь разработаны следующие средства улучшения качества электроэнергии: а) фильтрокомпенсирующий повторитель переменного напряжения; б) трансформаторный и непосредственный вольто добавочные стабилизаторы сетевого переменного напряжения; в) обра 21 тимый выпрямительно-емкостный ограничитель всплесков переменного напряжения; г) разветвляющий компенсирующий трансреактор; д) двухрежимный корректор-регулятор мощности, которые способны улучшить известные показатели качества электроэнергии не только на распределительных устройствах, но и в подсистеме регулирования;
-разработан ряд вторичных источников импульсного питания, обеспечивающих сохранение качества сетевого напряжения в заданных нормах, их основные характеристики сведены в сравнительную таблицу, рекомендованную для разработчиков; помимо них разработаны три нетрадиционные схемы бестрансформаторных генераторов мощных импульсов тока с секционированным емкостным накопителем, демпфирующие потребляемую из сети мощность, обладающие высокой массо-энергетической и надежностной эффективностью и высокой точностью регулирования; они могут быть рекомендованы для применения в бортовых лазерах, ионно-плазменных двигателях, системах зажигания, антиобледенительных вибраторах, источниках питания проблесковых огней и средствах радиоэлектронной борьбы;
-разработаны три варианта структур авиационных систем электроснабжения с распределенным преобразованием для перспективных самолетов с большой электроэнерговооруженностью (в соответствии с известной концепцией "самолетов с полностью электрифицированным оборудованием"), которые помимо известных достоинств аналогичных структур - отсутствие гидро- и пневмопривода постоянной частоты вращения, малая транспортируемая масса, способность параллельного включения каналов питания - имеют по сравнению с аналогами следующие дополнительные преимущества: рекуперация энергии торможения электроприводов; высокое качество электроэнергии в статических и динамических режимах; унификация структурных и схемных решений; бездуговая и безыскровая коммутация в цепях постоянного повышенного напряжения; минимальные реактивные мощности и тепловые потери; замена высоковольтных, но низкочастотных тиристоров относительно низко 22 вольтными /G2?Г-транзисторами(снижение массы моточных элементов); эффективное резервирование и подпитка пиковых нагрузок с помощью низковольтных аккумуляторов; исключение энергоемких фильтров (снижение массы и пожароопасности);
-разработаны и обоснованы комплексы средств обеспечения ЭЭС для перспективных систем импульсного управления исполнительными электродвигателями, тяговыми приводами сетевого транспорта и высоковольтными стартер-генераторами, удовлетворяющие следующим выбранным базовым критериям: а) обратимость преобразования (рекуперативное и динамическое торможение, генераторный режим) в широком скоростном диапазоне; б) минимальные значения коэффициентов пульсации и несинусоидальности напряжения (для минимизации тепловых потерь в двигателях); в) исключение пусковых резисторов, громоздких низкочастотных трансформаторов и энергоемких фильтров; г) защита двигателей от сверхтоков и перенапряжений, но без ограничительного шунтирования питающей сети постоянного тока (сохранение способности дугогашения в контакторах); помимо использования на ЛА предложенные схемы могут найти применение в электропоездах, в частности - в перспективных высокоскоростных;две из предложенных структур являются универсальными в силу пригодности для обеих железнодорожных сетей, применяемых в РФ и странах СНГ (±3±! кВ и 25 кВ, 50 Гц);
-модернизированы и разработаны заново следующие схемотехнические и конструктивные средства защиты ТЭО от аварийных режимов, позволяющие предотвратить или существенно ослабить действие коротких замыканий, импульсных перенапряжений, перегрузок, перерывов питания и утечек тока в изоляции: а) схемы без дугового расцепления и устройства разгрузки контакторов для высоковольтных цепей тягового электропривода, позволяющие существенно увеличить срок службы высоковольтной коммутационной аппаратуры, повысить их надежность и снизить эксплуатационные расходы; б) схема активного форсирующего устройства для аварийного высоковольтного быстродействующего выключателя (БВ) с блоком ранней диагностики, позволяющие существенно (втрое и более) снизить время отключения, причем в обоих направлениях питания, а главное — предотвратить пожары и короткие замыкания по сигналу утечек в изоляции; в) схемно-конструктивные способы повышения эффективности дугогасительной камеры БВ позволяющие существенно (вдвое и более) повысить предельную и снизить критическую коммутационную способность, повысить износостойкость камер и продлить их срок службы; г) распределенный блок защиты от коммутационных и молниевых ЭМИ;
-предложены средства прогнозирования и диагностики ЭМИ молнии, использующие информацию о пространственном и временном изменении вектора напряженности электрического поля вблизи транспортного средства, а также о направлении и динамике изменения интенсивности ЭМИ от импульса к импульсу, которые позволяют проектировать простые и надежные бортовые датчики указанных параметров для определения электромагнитной грозовой обстановки и принятия решения о защите от ЭМИ; к ним относятся индукционные трех координатные магнитометрические, электрометрические и электромеханические датчики;
-предложены расчетно-аналитические, программно-вычислительные, "квазианалоговые" компьютерные модели, методики анализа процессов и алгоритмы оптимального регулирования динамических режимов в рассматриваемых устройствах при их взаимодействии, позволяющие выбирать из них наиболее адекватные задачам исследования и проектирования ТЭО с высоковольтным питанием; по сравнению с известными моделями они позволяют существенно сократить сроки моделирования, обеспечивая достаточную точность;
-предложены расчетные соотношения и рекомендации по проектированию предлагаемых устройств; созданы макетные и опытные образцы исследованных устройств для нужд авиационной, оборонной и железнодорож но транспортной техники, а также для использования в учебном процессе; под 24 готовлены к серийному производству: а) авиационно-бортовые вторичные источники импульсного питания; б) высоковольтные транзисторные статические преобразователи (конверторы) для электропоездов постоянного тока; в) активные форсирующие устройства (АФУ) и модернизированные дугогасительные камеры аварийных высоковольтных быстродействующих выключателей (БВП-105ТС); г) ВИП для непрерывных лазеров.
Полученные результаты легли в основу 20 внедренных изобретений, новизна и положительный эффект которых подтверждены патентами Российской Федерации.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы легли в основу опытного и серийного выпуска и ОКР следующих отечественных комплексов: авиационные дальномеры и прицельные системы для самолетов; системы электроснабжения самоходных наземных комплексов и широкофюзеляжных самолетов; высоковольтная коммутационная аппаратура и вторичные источники электропитания для электропоездов постоянного тока, стационарные высоковольтные вторичные источники питания импульсных и непрерывных лазеров, имитаторы и измерители параметров мощных электромагнитных импульсов молнии и поверхностно-электризационных разрядов, бортовые источники преднамеренных электромагнитных возмущений, системы распознавания подвижных объектов по электромагнитным излучениям и др.
Результаты работы являются основой курса "Электротехническая совместимость комплексов ЛА" и смежных курсов, читаемых на кафедре "Теоретическая" электротехника" МАИ, входят в состав курсовых и дипломных работ и использованы аспирантами и соискателями, руководимыми автором, вошли в материалы учебного пособия с грифом Минобразования РФ и семи учебных пособий (издательство МАИ). Апробация работы. Теоретические положения диссертационной
работы апробированы на 23 международных и отечественных научно-технических симпозиумах и конференциях:
1) X Международный Вроцлавский симпозиум по ЭМС "ЭМС-1990". (г. Вроцлав, 1990).
2) Electrotechnicky casopis, Rocnic 42, 1991, Bratislava.
3) Proceedings of the First MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control, Beijing, China, 1992.
4) Международный симпозиум по электромагнитной совместимости ЭМС 93 (г. Санкт-Петербург, 1993).
5) Международная конференция "Авиация - пути развития" (г. Москва, 1993 г.).
6) Всероссийская научно-практическая конференция "Высшая школа России и конверсия" (г. Москва, 1993 г.).
7, 8) International Symposium on Automatic Control; Control Systems (Moscow, MAI/BUAA, 1993, 1997).
9) Международный симпозиум по системам автоматики (Пекин, ноябрь,
1995 г.).
10) Третий международный симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии (г. Санкт-Петербург, 1997 г.).
11) Научные чтения, посвященные 150-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского (г. Москва, 1997 г.).
12, 13) Международный симпозиум по электромагнитной экологии "ЭМС-95-ЭМЭ" (г. Санкт-Петербург, 1995 г., 1997 г.).
14-19) Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации (г. Алушта, Украина, 1996 г., 1997 г., 1998 г., 1999 г., 2002 г., 2004 г.). 20) Пятая российская научно-техническая конференция "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1998 г.).
21) Международная конференция и выставка "Авиация и космонавтика-2003" (г. Москва, ноябрь 2003 г.).
22) 15 International Zurich Symposium Technical Exhibition on electromagnetic Compatibility (Zurich, 2003, February).
23) Восьмая российская научно-техническая конференция "Электромаг нитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность" ЭМС-2004 (г. Санкт-Петербург, сентябрь 2004 г.).
Опытные и серийные образцы разработанных устройств участвовали в 3х международных и всероссийских выставках:
1) Выставка Всероссийской научно-практической конференции "Высшая школа России и конверсия" (г. Москва, 1993 г.).
2) Iя Международная специализированная выставка "ИнтерСвет 95" (jr. Москва, ноябрь 1995 г.).
3) Trans Russia-2001 (г. Москва, март 2001 г.).
Публ и кации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 81 печатных работах, в их числе 21 патент РФ на изобретение. Рїх список (кроме публикаций в сб. трудов перечисленных симпозиумов и конференций) приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4х глав, заключения, списка использованных источников и 4х приложений. Основная часть диссертации содержит 390 страниц машинописного текста, включая 136 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 63 наименования, в том числе 5 на иностранных языках. Приложения имеют объем 100 страниц. Общий объем диссертационной работы составляет 498 страниц.
