Введение к работе
Актуальность темы. Совокупность электротехнического оборудования дизель-электрической подводной лодки (ДЭПЛ) или ее электроэнергетическая система (ЭЭС) является важнейшей составной частью подводной лодки, ее надежное функционирование обеспечивает большинство тактико-технических характеристик корабля, а также решение боевых задач.
ЭЭС является сложной многосвязной системой, содержащей подсистемы — электротехнические комплексы (ЭТК) различного назначения, обеспечивающие генерирование, распределение и потребление электрической энергии заданного качества и в необходимом количестве для всех установленных на ПЛ комплексов электрооборудования, вооружения и других технических средств во всех режимах эксплуатации. Помимо основной функции ЭЭС — бесперебойного обеспечения электроэнергией потребителей (ЭТК) — она должна обеспечивать коммутации электрических цепей, необходимые для изменения режима работы, защиту от перегрузки и коротких замыканий, контроль состояния электрооборудования, аварийно-предупредительную сигнализацию.
В целом развитие ЭЭС и ЭТК кораблей отечественного флота, их электрооборудование всегда находились на уровне мировых стандартов, в чем исключительная заслуга ученых и специалистов ВМФ и промышленности, среди которых имена И.И. Адрианова, А.А. Азовцева, Г.Я. Альтшулера, А.П. Баранова, Ю.Б. Бабанского, В.Н. Бочкарева, Б.Н. Бровкина, Л.П. Веретенникова, Д.В. Вилесова, А.И. Глебова, А.Н. Губанова, Ю.А. Губанова, Г.А. Жемчугова, Б.И. Калганова, Г.И. Китаенко, В.П. Коваленко, К.В. Лопаева, В.М. Морозова, В.В. Михайлова, К.В. Недялкова, И.А. Рябинина, Ю.В. Скачкова, B.C. Соколова, Г.Ф. Супруна, Д.А. Скороходова, В.А. Терешонкова, Л.Н. Токарева, Н.Н. Шереметьевского, П.И. Щербинина, Г.С. Ясакова, В.Г. Яцука и многих других.
Дальнейшее развитие корабельного электрооборудования идет по пути повышения его надежности, живучести, снижения электро- и взрывопожароопасности, увеличения срока службы, улучшения виброакустических характеристик. Проблема повышения эффективности функционирования ЭТК обусловлена постоянным развитием всех технических систем ПЛ, ростом их энерговооруженности при ограниченных возможностях источников электропитания. Это приводит к ухудшению качества электроэнергии, уменьшению надежности работы как самой ЭЭС, так и ее потребителей. В то же время повсеместное внедрение компьютерных систем управления и обработки информации повышает требования к стабильности и бесперебойности электропитания. Обостряются проблемы экономии и рационального использования энергоресурсов автономных ЭЭС, контроля и диагностики текущего состояния оборудования.
Предпосылками для решения указанных проблем являются современные достижения в области силовой и управляющей электроники. Разработка на этой основе новых электротехнических устройств и систем позволяет получать лучшие массога-баритные и энергетические показатели по сравнению с существующим оборудованием. Расширяются функциональные возможности устройств за счет реализации на базе микропроцессорных систем управления сложных, но более эффективных алго-
ритмов управления. Появляется возможность интеграции функций нескольких устройств в одном, перераспределения функций и связей в системе.
На находящихся в эксплуатации ПЛ из-за большого количества разнородных потребителей и сетей переменного и постоянного тока присутствует многократное преобразование электроэнергии. Общий КПД цепочки преобразования составляет не более 50-60%. Исходя из изложенного, на перспективной ДЭПЛ максимально возможное количество потребителей электроэнергии должно получать ее непосредственно от основной силовой сети постоянного тока. В таком случае снижение потребления электроэнергии может составить до 25% от суммарной мощности, потребляемой в режиме экономического хода.
Применение статических преобразователей, имеющих высокое быстродействие, вместо вращающихся двигатель-генераторных установок позволяет помимо отказа от многократного преобразования энергии исключить вращающиеся части и, как следствие, уменьшить шумность, что имеет особое значение для ПЛ, повышает надежность в эксплуатации вследствие отсутствия щеток, коллекторов, контактных колец.
Современные корабельные электроприводы — сложные электромеханические и электронные системы, обеспечивающие преобразование электрической энергии в механическую энергию корабельных машин и механизмов, управляемых в автоматическом режиме, и отвечающие жестким требованиям по надежности, защите, глубине регулирования, экономичности и малошумности. Мощность корабельных электрических машин варьируется от 0,1 до 1000 кВт и более. Переход от нерегулируемых электроприводов с релейно-контакторными цепями управления и защиты к регулируемым электроприводам на базе интеллектуальных силовых преобразователей позволяет экономить от 25% до 70% энергии, снизить пусковые токи и токи коротких замыканий.
Получившие широкое распространение в различных отраслях производства частотно-регулируемые электроприводы на базе традиционных электромеханических и электронных преобразователей не могут удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к корабельным электроприводам. Разработка специализированных регулируемых электроприводов для корабельных электротехнических систем является актуальной задачей, требующей комплексного подхода к проектированию как отдельных элементов электропривода, так и всей системы в целом.
Создание совершенных систем управлении (СУ) ЭТК невозможно без применения новых методов проектирования, идентификации сложных объектов управления с целью получения объективной оценки, сопоставления и обоснованного выбора оптимальных методов управления в конкретных условиях.
Решение перечисленных выше проблем развития ЭТК ДЭПЛ лежит на пути создания научно-технического обеспечения проектно-конструкторских разработок, производства и внедрения интегрированных корабельных электротехнических комплексов и систем, обладающих повышенными технико-экономическими показателями, посредством решения необходимых для этого теоретических, технологических и организационных задач. Поэтому тема диссертационной работы, решающей комплекс перечисленных проблем, является актуальной.
Объекты исследований.
Корабельные электротехнические комплексы с системами бесперебойного электропитания технических и технологических установок, а также средства их автоматизации, управления, диагностики и защиты.
Цель работы и задачи исследований.
Целью работы является создание и совершенствование проблемно-ориентированных компонентов электротехнических комплексов, обеспечивающих с использованием микропроцессорных систем управления повышение эффективности функционирования дизель-электрических подводных лодок нового поколения.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
-
Функционально-структурный анализ компонентов электроэнергетической системы подводных лодок с целью выявления системообразующих связей, алгоритмов функционирования и взаимовлияний подсистем, тенденций развития и совершенствования их технических средств.
-
Разработка методов анализа и синтеза интегрированных систем бесперебойного электропитания комплексных систем управления техническими средствами подводных лодок. Создание унифицированного интеллектуального статического преобразователя с адаптацией структуры и алгоритмов управления к характеру и требованиям потребителя.
-
Разработка методов анализа и синтеза устройств защиты главных цепей корабельной ЭЭС на основе использования новых магнитодиэлектрических преобразователей тока (трансреакторов и трансформаторов тока), обладающих повышенной селективностью, упрощенной конструкцией, расширенными функциональными возможностями, надежностью, быстродействием, резервированием.
-
Формирование концепции проектирования, реализации и сопровождения системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей (СКД АБ). Разработка и реализация специализированного программного обеспечения для прикладных задач тренажеростроения: компьютерная обучающая программа (КОП) для подготовки и контроля знаний экипажа ПЛ, виртуализация АБ.
5. Разработка методологии компьютерного проектирования вентильно-
индукторных электроприводов (ВИП) и алгоритмов их управления на базе расчетно-
экспериментального определения параметров электромеханической системы, ими
тационного моделирования и процедур многокритериальной оптимизации.
-
Экспериментальные исследования макетных, опытных и поставочных образцов ВИП с целью подтверждения и уточнения используемых на этапе проектирования математических моделей, структур и алгоритмов систем управления ВИП.
-
Практическая реализация результатов работы путем создания гаммы статических преобразователей электроэнергии различного назначения в диапазоне мощностей 0,3. ..50 кВт, норморяда ВИП вспомогательных корабельных механизмов в от 1,1 до 32 кВт, системы контроля и диагностирования аккумуляторных батарей СКД АБ и внедрение указанных проблемно-ориентированных компонентов ЭТК на ДЭПЛ нового поколения.
Методы исследований.
Методологической основой исследований является комплексное применение методов системного анализа, теории управления, теории электромеханического пре-
образования энергии и управления электротехническими системами, методы диффе
ренциального и интегрального исчисления, теории автоматов, численных методов
расчета с применением ЭВМ, статистические методы обработки информации. В про
цессе выполнения работы использовались расчетно-экспериментальные методы, ма
тематическое моделирование, анализ и обобщение знаний и полученной информа
ции путем экспериментального исследования макетов в лабораториях, опытных об
разцов на натурных стендах и поставочных образцов непосредственно в корабель
ных механизмах. '.
Научная новизна.
-
Предложен новый концептуальный подход к анализу и синтезу компонентов и структур ЭТК ДЭПЛ, состоящий в развитии теории и практики их комплексного проектирования.
-
Диссертационная работа рассматривает вопросы анализа, моделирования, оптимизации, совершенствования управления с целью повышения эффективности функционирования интегрированных электротехнических комплексов и систем ПЛ, сочетая разработку новых и совершенствование существующих компонентов.
-
Разработаны методы и алгоритмы структурно-параметрического анализа систем бесперебойного электропитания, адаптированных к различным видам нагрузки;
-
Впервые разработана общая методология компьютерного моделирования и проектирования вентильно-индукторных электроприводов и алгоритмов их управления с учетом особенностей корабельных электромеханических систем различного назначения;
-
Создана новая методика расчетно-экспериментального определения параметров схемы замещения магнитной цепи ВИД, его рабочих характеристик и энергетических показателей;
-
Разработана комплексная математическая модель электромеханической системы перекачки жидкости в составе насосного агрегата, которая базируется на обработке и обобщении результатов большого объема проведенных испытаний насосных агрегатов;
-
Разработана математическая модель и программа расчета измерительного преобразователя тока, как элемента аварийной защиты корабельной ЭЭС, а также методика автоматизированного определения параметров схемы его магнитной цепи;
-
Впервые разработаны и реализованы принципы построения трехуровневых микропроцессорных систем контроля и диагностики аккумуляторных батарей ПЛ;
-
Разработаны методы анализа и алгоритмы управления статическими преобразователями системы бесперебойного электроснабжения ЭТК, позволяющие обеспечить требуемые уровни и качество их выходных параметров в статических и динамических режимах (стабилизация напряжения, уменьшение пульсаций и тд.).
Разработанные алгоритмы и программное обеспечение официально зарегистрированы в РОСПАТЕНТе. Сведения о них приведены в списке публикаций. Практическая значимость работы и реализация.
-
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для моделирования и проектирования вентильно-индукторных электроприводов и их систем управления.
-
Созданы гибкие быстродействующие релейные защиты.
-
Создан, изготовлен и внедрен норморяд регулируемых электроприводов с улучшенными показателями по надежности, КПД, виброхарактеристикам.
-
Создана испытательная лаборатория для идентификации параметров систем электропитания и индукторных двигателей.
-
Создан норморяд измерительных преобразователей тока для системы защиты ЭЭС ПЛ.
-
Разработаны гибкие переключающиеся структуры статических преобразователей с питанием от двубортной сети, фильтрами импульсных коммутационных перенапряжений и радиопомех, повышающие качество электроэнергии и улучшающие электромагнитную обстановку корабельных ЭЭС.
-
Реализована трехуровневая микропроцессорная система контроля и диагностирования аккумуляторных батарей подводных лодок.
8. Разработаны новые конструкции и схемотехнические решения ИД для
вспомогательных электроприводов.
На основе теоретических положений, обоснованных в диссертации, выполнены и внедрены в практику следующие разработки:
1. На опытном производстве ФГУП ПКП «Ирис» и в кооперации с ЮРГТУ
(НПИ), Сафоновским электромашиностроительным заводом (ОАО «СЭЗ»), ИБП
РАН, ООО «НПП «Цикл+», НПФ «Вектор» изготовлены и внедрены 67 экземпляров
вентильно-индукторных приводов и статических преобразователей для заказа «Ла
да», систем контроля и диагностики АБ.
Разработки автора и выполненные с их использованием вентильно-индукторные электроприводы, статические преобразователи, агрегаты бесперебойного питания, системы релейной защиты и диагностики создали условия для производства серий высококачественных устройств электропитания и систем регулируемых электроприводов нового типа для отечественной промышленности, имеющих также высокий экспортный потенциал.
-
Создан универсальный компьютеризированный испытательный комплекс, предназначенный для проведения комплексных испытаний различных систем электропитания и типов электроприводов, в том числе для оценки виброактивности. Испытательный комплекс использован для всесторонних испытаний опытных и поставочных образцов ВИЛ и статических преобразователей.
-
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре "Электропривод и автоматика" ЮРГТУ (НПИ) в курсах лекций по специальным дисциплинам.
Новые научные положения, выносимые на защиту:
-
Методы и алгоритмы структурно-параметрического синтеза систем бесперебойного электропитания, адаптированных к различным видам нагрузок и обеспечивающих надежное электроснабжение разного рода потребителей
-
Обобщенная трехуровневая модульная структура организации программного обеспечения микроконтроллеров, реализующая на базе прямого цифрового управления все необходимые основные и вспомогательные функции системы управления статических преобразователей, и соответствующее специализированное программное обеспечение.
3. Методология компьютерного проектирования вентильно-индукторных
электроприводов и алгоритмов их управления, обеспечивающая многокритериаль-
ную оптимизацию по массогабаритным, энергетическим и виброакустическим показателям.
-
Методика расчетно-экспериментального определения параметров (методика идентификации) схемы замещения магнитной цепи ВИД, его рабочих характеристик и энергетических показателей.
-
Результаты экспериментальных исследований электромеханических и виброакустических свойств вентильно-индукторных электроприводов в различных режимах работы.
-
Математическая модель электромеханической системы перекачки жидкости в составе насосного агрегата и вентильно-индукторного электродвигателя, позволившая выявить недостатки в работе системы разгрузки рабочих колёс насоса от осевых сил.
-
Математическая модель, алгоритм и программа расчета вторичного тока измерительного преобразователя тока (ИПТ), а также методика автоматизированного определения параметров схемы магнитной цепи, позволяющие рассчитывать процессы во вторичных цепях систем электропитания с погрешностью не более 10% при больших кратностях токов КЗ, различных формах первичного тока, нагрузках, с учетом нелинейности и влияния внешнего поля.
-
Принципы построения и способы реализации трёхуровневых микропроцессорных систем контроля и диагностики аккумуляторных батарей ПЛ, позволяющие обеспечить постоянный и непрерывный сбор и обработку информации по основным параметрам (напряжению, току, ёмкости, уровню электролита, температуре, плотности) каждого элемента аккумуляторной батареи. Результаты идентификации параметров аккумуляторных батарей, полученные при статистической обработке данных опытно-промышленной эксплуатации.
Достоверность полученных автором результатов подтверждается:
корректным применением принципов и методов системного анализа, численных методов математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики;
согласованностью теоретических положений и результатов расчета с данными, полученными при натурных экспериментах, а также с результатами расчетов других авторов, приведенными в литературе;
сертификатами типа средств измерения военного назначения и соответствия требованиям технических условий, выданными 32 ЦНИИ МО РФ и ЦНИИ им. Крылова на продукцию, испытательное оборудование и методы испытаний;
положительными результатами проектирования и эксплуатации 22 типов агрегатов бесперебойного питания для ВИМ вспомогательных агрегатов, корабельных систем управления технологическими установками (КСУ ТС), эффективной и надежной работой более 150 модулей АБП.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, в том числе; Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания мощных электроэнергетических систем для судов ледового плавания и плавучих буровых установок» (Ленинград, 20 октября 1983 г.), на Международных научно-технических конференциях «Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств» (Санкт-Петербург,
1998 и 2000 гг.), на Международном симпозиуме «Электрические машины в столетии ЭЛМАШ-2000» (Москва, 2000 г.), на Всероссийском симпозиуме по проблемам бесперебойного электроснабжения (Зеленоград, 2003 г.), на Международной конференции по состоянию и перспективам развития трансформаторов тока (Польша, Лодзь, сентябрь 1990 г.), на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием по теории цепей и сигналов (Таганрог, 1994 г.), на научно-практической конференции «Транспортный электропривод — 2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на 5-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Крым, Алушта, 2003 г.), а также на постоянно действующем региональном научно-техническом семинаре «Вопросы теории и принципы построения устройств и систем автоматизации» (Новочеркасск, 1983 и 1990 гг.), на научных сессиях Новочеркасского политехнического института «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» (Новочеркасск, 1981, 1988, 1990 и 1991 гг.), на сессиях научно-технического семинара «Электроснабжение промышленных предприятий. Кибернетика электрических систем» (Новочеркасск, 2000 и 2002 гг.), на межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах» (Ростов-ка-Дону, 2003 г.) и др.
Работа обсуждена и получила одобрение на заседаниях кафедры "Электропривод и автоматика" ЮРГТУ (НПИ) и расширенном НТС ФГУП ПКП "ИРИС" (г. Новочеркасск) в 2005 г.
Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 67 научных работах, в том числе: в 3 монографиях, статьях в журналах «Электричество», «Изв. вузов. Электромеханика», «Изв. вузов. Энергетика», «Chip News», «Судостроение», «Морская радиоэлектроника», «Электрическое питание», авторских свидетельствах и патентах на изобретения, запатентованных моделях и программах, трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 286 страницах основного текста, содержит 297 рисунков и 38 таблиц. Список литературы включает 188 наименований.
