Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса обеспечения качества электрической энергии комплексами электропитания дизель-электрирческих подводных лодок (дэпл) 14
1.1 Требования, предъявляемые к комплексам электропитания корабельной системы электроснабжения 17
1.2 Сравнительный анализ корабельных комплексов электро-питания (ККЭ) 32
1.3 Состояние вопроса и постановка задач повышения качества корабельных комплексов электропитания 35
2 Разработка структуры и построение корабельных агрегатов бесперебойного питания (абп) нового поколения 43
2.1 Разработка обобщенной структуры АБП 43
2.1.1 Анализ существующих структур источников бесперебой ного питания 43
2.1.2 Требования, предъявляемые к АБП. Обобщенная структурная схема 48
2.2 Выбор способа управления АБП 53
2.3 Сравнительный анализ видов модуляции и выбор модулятора для системы управления АБП 56
2.4 Классифицирование типа импульсной системы управления для адаптивных АБП 59
2.5 Функциональная схема.. 63
3 Разработка математической модели и компьютерное моделирование системы управления абп дэпл 67
3.1 Выбор принципов построения и формирование структуры математической модели системы управления АБП 67
3.2 Компьютерное моделирование отдельных узлов АБП 79
3.2.1 Обоснование выбора среды программирования 80
3.2.2 Моделирование узла ШИМ системы управления АБП...81
3.2.3 Моделирование элементов и узлов интегрированных статических преобразователей 83
3.3 Компьютерная модель канала управления АБП и проверка её адекватности 85
3.5 Методика проектирования адаптивных АБП для ДЭПЛ 94
4 Практическая реализация корабельных АБП 98
4.1 Структура одноуровнего АБП для корабельной системы КАС «Литий» и алгоритм ее работы 98
4.2 Реализация многоуровневых комплексов АБП и исследование их функционирования (серии АБП-Л и ПП-ППЕТ-130-28,5) 111
4.2.1 Применение микроконтроллеров семейства PJC18 для организации и управления АБП 111
4.2.2 Описание алгоритма основного цикла программы системы управления АБП ...118
4.2.3 Описание канала М300-230В поставочного образца многоуровневого АБП 125
4.3 Адаптация к работе в реальных режимах 129
4.4 Программно-аппаратная защита АБП в режимах перегрузок и коротких замыкания 134
4.5 Опыт эксплуатации 142
Заключение 147
Список литературы 149
Приложения 155
- Сравнительный анализ корабельных комплексов электро-питания (ККЭ)
- Сравнительный анализ видов модуляции и выбор модулятора для системы управления АБП
- Компьютерная модель канала управления АБП и проверка её адекватности
- Реализация многоуровневых комплексов АБП и исследование их функционирования (серии АБП-Л и ПП-ППЕТ-130-28,5)
Введение к работе
Одно из важнейших мест в энергообеспечении дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ) нового поколения занимают агрегаты бесперебойного электропитания (АБП) комплексных систем управления техническими средствами (КСУ ТС). Примером могут служить агрегаты бесперебойного питания нового поколения АБП-Л для комплекса агрегатированных систем (КАС) "Литий". В состав потребителей могут входить самые разнообразные системы и комплексы: ответственные потребители сетей 50 и 400 Гц, преобразователи для бесшумного управления АД, компенсирующие устройства магнитных компасов, требующие высокий уровень стабилизации питающего тока при низком уровне пульсаций и другие. К задачам некоторых АБП для ответственных потребителей, в свою очередь, относится отказоустойчивое обеспечение потребителей электроэнергией с требуемыми показателями качества при одновременном уменьшении собственных массогабаритных показателей, увеличении КПД и ресурса работы, а также улучшении статических и динамических характеристик. Все это невозможно без создания новых микропроцессорных систем управления для АБП с регулируемыми внешними характеристиками.
Повышение качества электроэнергии, питающей новые управляющие комплексы, является одним из основных факторов эффективности использования этих комплексов, что, в свою очередь, определяет тактико-технические характеристики корабля в целом. Так, например, характерные для бортовых электросетей изменения напряжения приводят к перезагрузке бортовой компьютерной системы визуального контроля и управления и, как следствие, потере накапливаемой информации в процессе выполнения тактической задачи. Исключение таких «провалов» электропитания при различных переходных режимах в масштабе реального времени, как одна из задач, возлагаемых на комплексы бесперебойного электропитания, позволяет избежать потери текущей информации и неисправимых повреждений бортовой аппаратуры.
Работа ответственных потребителей из состава корабельных систем и комплексов характеризуется различными режимами кратковременного повышенного потребления энергии (например, при частичном коротком замыкании в длинном кабеле). В связи с этим, другой важной задачей, выполняемой АБП, является обеспечение защит от перегрузок по мощности, как потребителей, так и самих АБП при заданной селективности этих защит.
Проектирование систем защит в свете новых современных требований к корабельным устройствам электропитания характеризуется необходимостью комплексного подхода к проектированию каждого устройства системы электроснабжения. Необходимо осуществлять умелое сочетание успешного опыта применения схем релейных защит, универсальность и избирательный характер электронных схем защит, использующих в качестве датчиков параметров элементы основных силовых цепей, и возможности современных микропроцессорных средств сбора, обработки информации и управления. При построении схем защит необходимо также учитывать зависимость питания оперативных цепей от режима работы защищаемой сети, возможность появления кратковременных или длительных отклонения оперативного напряжения от номинального значения.
Кроме того, должен обеспечиваться ряд дополнительных функций, связанных с управлением АБП, обеспечением бесперебойности электроснабжения, фильтрацией перенапряжений на линии, обеспечением различных видов сигнализации и т. д. Из сказанного вытекает очевидный факт: новому поколению кораблей должны соответствовать системы электропитания, не только согласующиеся с питаемой аппаратурой по уровню качества электрической энергии, но и в достаточной степени функционально интегрированные. Это делает необходимым применение новых гибких структур АБП, и в первую очередь - структур систем автоматизированного управления (САУ) АБП, что, в свою очередь, невозможно без применения современных средств микропроцессорной техники.
Таким образом, новые корабельные системы электроснабжения должны иметь в своем составе проблемно-ориентированные комплексы - функционально интегрированные АБП.
Основной задачей диссертационной работы является формирование подхода к проектированию составных частей корабельных АБП - интегрированных статических преобразователей (ИСП), представляющих собой функционально законченные модули АБП, с учетом знаний, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях систем электропитания вспомогательных механизмов, в том числе разработанных и созданных для питания и управления вентильно-индукторными электроприводами.
Актуальной задачей является обобщение результатов теоретических исследований и проектных разработок в области систем электроснабжения и автоматизированных электроприводов и их использование в схемах управления ИСП, являющихся главным функциональным ядром АБП.
Существенный вклад в эти работы внесли предприятия и организации: ФГУП НПО «Аврора» (Ю.А. Губанов), 1-й ЦНИИ МО РФ (Ю.В. Скачков), ФГУП «ЦКБ МТ «РУБИН», ФГУП «ПКП «Ирис» (Р.А. Тумасянц, А.П. Те-мирев, СВ. Кравченко, В.В. Буравлев), а также коллектив кафедры «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) под руководством Коломейцева Л.Ф.
Вместе с тем, в настоящее время отечественных электротехнических комплексов энергоснабжения, полностью удовлетворяющих условиям эксплуатации подводных лодок (ПЛ) последнего поколения, на рынке нет. Разработка новых АБП требует формирования нового подхода к систематизированию методов их проектирования, т.е. существует объективная необходимость в создании новых структур и методик проектирования адаптивных АБП, как проблемно-ориентированных комплексов систем электроснабжения ДЭПЛ нового поколения, нового алгоритмического и программного обеспечения САУ АБП нового поколения. Это определяет актуальность темы диссертационной работы: «СОЗДАНИЕ АДАПТИВНЫХ
МОДУЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»
Цель работы заключается в совершенствовании агрегатов бесперебойного электропитания с микропроцессорным управлением для электронных комплексов подводных лодок (ПЛ) нового поколения.
Для этого в работе ставятся и решаются следующие задачи:
Выбор и обоснование важных для ответственных потребителей -электронных комплексов и систем автоматики ПЛ - показателей качества электроэнергии в стационарных режимах и при переходных процессах.
Разработка универсальной обобщенной структурной схемы АБП с микропроцессорной системой автоматического управления (САУ), обеспечивающей применение унифицированных функциональных узлов по типу, мощности и назначению.
Разработка функциональной схемы АБП и схемотехнических решений, обеспечивающих заданные показатели качества выходного напряжения в различных режимах, включая защитные.
Разработка математической и компьютерной моделей системы управления АБП для проведения имитационного моделирования.
Разработка методики проектирования АБП с применением полученной компьютерной модели.
Разработка алгоритма адаптивного микропроцессорного управления АБП при изменениях входного напряжения и при переключениях питания в случае аварийного пропадания напряжения в одной из входных сетей.
Разработка алгоритмов и схемотехнических решений для обеспечения защиты АБП от перегрузок и токов КЗ.
Практическая реализация структурно-алгоритмических и схемотехнических решений при создании новых АБП и выработка рекомендаций по проектированию на основе полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Решение данных задач позволило наладить производство норморяда вновь разработанных комплексов электропитания для систем автоматики ДЭПЛ нового поколения и других судов с аналогичными системами ответственных потребителей.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось комплексно на основе методов аналитического исследования, испытаний и экспериментальной отработки, и, наконец, апробации и анализа результатов промышленного использования опытных и поставочных образцов в лабораторных условиях и непосредственно в составе системы электроснабжения дизель - электрической подводной лодки ДЭПЛ нового поколения. Методы исследований включают анализ и научное обобщение отечественной и зарубежной технической и патентной литературы, аналитические исследования с использованием фундаментальных положений теории электроснабжения, теоретической электротехники, управляемых электрических машин, электроники и микропроцессорной техники, теории автоматизированного электропривода, преобразовательной техники, информации по современной элементной базе для преобразовательной техники, автоматики, диагностики. В процессе выполнения работы использовались расчетно-экспериментальные методы, математическое и компьютерное моделирование, выполнен анализ и обобщение знаний и информации, полученных путем экспериментального исследования макетов и опытных образцов в лабораториях и на натурных стендах и поставочных образцов непосредственно в корабельной системе.
Объект исследования. Агрегаты бесперебойного электропитания для электроснабжения корабельного комплекса агрегатированных систем нового поколения «Литий».
Предмет исследования. Рабочие (сброс, наброс нагрузки; переход первичного питания АБП с одной сети на другую), перегрузочные и аварийные режимы агрегатов бесперебойного питания корабельных электронных систем.
Новые научные результаты.
Разработана универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного электропитания с микропроцессорной САУ, обеспечивающая его построение на основе унифицированных функциональных узлов и адаптацию к различным режимам работы.
Разработаны математическая и компьютерная модели системы управления АБП, позволяющие с помощью имитационного моделирования определять параметры АБП, обеспечивающие заданные показатели качества выходного напряжения.
Разработан алгоритм и даны рекомендации по определению параметров контура регулирования системы управления АБП, которые обеспечивают требуемые показатели качества выходного напряжения при переходном процессе переключения питания с одного борта на другой и в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения.
Структурные и схемотехнические решения по организации программно - аппаратных защит АБП от токов перегрузки и короткого замыкания на выходе АБП.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
универсальная обобщенная структура агрегата бесперебойного электропитания с микропроцессорной САУ;
математическая и компьютерная модели системы управления АБП;
методика выбора параметров контура регулирования напряжения, которые обеспечивают требуемые показатели качества выходного напряжения при переходном процессе переключения питания с одного борта на другой и в стационарном режиме при заданном диапазонном изменении входного напряжения;
алгоритм и схемотехнические решения программно-аппаратной защиты АБП при перегрузках и коротких замыканиях на выходе.
Практическая ценность. На основе научных результатов, полученных в диссертационной работе, разработана методика проектирования агрегатов
бесперебойного электропитания, обеспечивающих заданные показатели качества электроэнергии в разных режимах (рабочих, перегрузочных, аварийных), адаптированных к заданным диапазонным изменениям входного напряжения. Разработаны алгоритмические и схемотехнические решения встроенной программно-аппаратной защиты АБП, обладающей свойством селективности идентификации аварийной ситуации и способствующей повышению надежности работы в режимах перегрузок. Создана принципиально новая ударо- и вибропрочная модульная конструкция многоканальных агрегатов бесперебойного электропитания. Создан норморяд новых АБП, адаптированных к различным видам нагрузки. Результаты работы внедрены в ФГУП «Адмиралтейские верфи», г. Санкт - Петербург при разработке и введении в эксплуатацию корабельного комплекса нового поколения КАС «Литий», а также в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) для специальности «Электрооборудование и автоматика судов».
Внедрение. На основе теоретических положений, обоснованных в диссертации, получены следующие практические результаты:
1. На опытном производстве ФГУП ПКП «Ирис» изготовлены и внедрены в производство агрегаты бесперебойного питания АБП-Л - 14 комплектов в 5-ти исполнениях; преобразователи ГШ-ГШЕТ-130-28,5 -2 комплекта, в том числе 120 автономных статических преобразователей - модулей каналов электропитания из состава АБП серии АБП-Л и 10 автономных статических преобразователей из состава АБП серии ГШ-ГШЕТ-260-28,5 для корабельного комплекса КАС «Литий».
Разработки с участием автора, подтвержденные шестью свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ. Выполненные с их использованием промышленные образцы статических преобразователей агрегатов бесперебойного питания создали условия для производства в заводских условиях серий высококачественных систем электропитания и 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. Данный комплекс был использован для всесторонних испытаний, как для опытных, так и для поставочных образцов вторичных источников электропитания (ВИП) и статических преобразователей, в том числе и АБП.
Некоторые материалы диссертационной работы использованы при разработке и внедрении в производство системы контроля параметров и диагностирования состояния стационарных аккумуляторных батарей для ПЛ ВМФ.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании секции Всероссийского симпозиума по проблемам бесперебойного электроснабжения (г. Зеленоград, 2003 г.), на межотраслевом научно-техническом семинаре "Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах" (г. Ростов-на-Дону, 2003 г.), на межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов» (г. Новочеркасск, 2005 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе статьи в журналах «Изв. вузов. Электромеханика», «Электропитание», публикации в трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов, получены патент РФ на полезную модель и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 148 страницах основного текста, содержит 79 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает 58 наименований.
В первой главе на основе публикаций и приобретенного практического опыта проведен анализ современного состояния вопроса качества электрической энергии вырабатываемой корабельными устройствами системы электроснабжения. На основе проведенного анализа определены возможные спо-
собы и средства улучшения качества вырабатываемой электроэнергии. Определены основные требования к устройствам электропитания дизель-электрической подводной лодки (ДЭПЛ) со стороны корабельной системы электроснабжения.
Проведен сравнительный анализ известных видов корабельных комплексов электропитания, на основании которого определена их классификация.
Определена необходимость принятия принципа интегрированности функциональных задач при создании АБП нового поколения.
В свете определенной тенденции развития корабельных комплексов (ККЭ) класс интегрированных статических преобразователей в приведенной классификации ККЭ рассматривается как основной.
На основании проведенного анализа определена необходимость выработки общего подхода, разработки методик и рекомендаций по проектированию АБП, как законченного функционального узла - составной части АБП.
Во второй главе проводится разработка общей структуры и выбор системы управления агрегатов бесперебойного питания электронных комплексов ДЭПЛ.
Исходя из принципов организации бесперебойности корабельных ответственных потребителей, проведен анализ известных структур промышленных источников бесперебойного питания, применяемых для обеспечения бесперебойности питания ПЭВМ, а также сформулированы основные технические требования, предъявляемые к корабельным АБП для систем автоматики ДЭПЛ нового поколения. На основе проведенного анализа получена обобщенная структура АБП.
Проведен анализ способов управления АБП с точки зрения аппаратной реализации, а также видов модуляции и типов САУ. На основе этого анализа для АБП определен вид импульсной системы управления, реализованной на базе микроконтроллера.
Третья глава посвящена развитию метода математического моделирования и проектирования интегрированных корабельных устройств электропитания нового поколения. Получены функциональная структура канала преобразования АБП и структура математической модели. Предложено математическое описание широтно-импульсного модулятора с применением принципов теории автоматического управления (ТАУ).
Рассмотрено компьютерное моделирование ИСП с применением системы комплексного моделирования Mathlab, в частности, пакета расширения Simu-link, который служит для имитационного моделирования моделей, состоящих из графических блоков с заданными свойствами (параметрами). Проведено структурное моделирование отдельных узлов ИСП на основе структуры математической модели. На основе анализа структуры математической модели канала преобразования АБП получена компьютерная модель. Проведена проверка адекватности компьютерной модели. Разработана методика проектирования АБП с применением этой модели.
Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации, описанию алгоритмов работы реальных АБП, экспериментальным исследованиям и адаптации к условиям эксплуатации АБП для КАС «ЛИТИЙ» серий АБП-Л и ПП-ППЕТ-260-28,5.
В заключении приведены основные выводы по диссертации.
Сравнительный анализ корабельных комплексов электро-питания (ККЭ)
Указанные требования к АБП определяют их положение в соответствии с рис. 1.2. Дизель - генераторы и аккумуляторная батарея образуют силовую энергетическую установку, вырабатывающую электроэнергию первичных сетей, с показателями качества, соответствующими общим нормам. АБП (например, АБП-Л и ПП-ППЕТ-260-28,5) преобразуют эту энергию определенным образом с повышением уровня качества, дополняя образуемые локальные сети защитными функциями и обеспечивая определенные автоматические режимы функционирования ответственных потребителей (в указанном случае это КСУ КТС и ответственные потребители узкого направления).
В свою очередь, к корабельным комплексам электропитания, ввиду размещения их в составе автономного объекта, предъявляются жесткие требования по массогабаритным показателям, экономии электроэнергии и выделению тепла в окружающую среду, виброшумовым характеристикам и надежности. Немаловажно при этом, чтобы устройства электропитания имели минимальные стоимостные показатели.
Все изложенное определяет чрезвычайную важность выполнения расчетов, проведения исследований и разработки специальных интегрированных источников для улучшения показателей качества выходного напряжения для питания специальных корабельных потребителей, причем, с использованием более простых и экономичных способов построения и дешевых средств, и, по возможности, применяя отечественную элементную базу.
Сравнительный анализ корабельных комплексов электропитания (ККЭ)
Для питания корабельных систем и механизмов электрической энергией, вырабатываемой КСЭ, служат корабельные комплексы электропитания (ККЭ). Проанализировав различные виды преобразователей питания и потребителей, можно предложить классификацию корабельных комплексов электропитания, изображенную на рис. 1.7. По виду конечного потребителя ККЭ можно раз Корабельные комплексы илещалтшт
Рисунок 1.7 - Классификация ККЭ Принципиально эти два вида преобразователей могут работать, замещая друг друга. Это возможно в случае, когда система управления со 33
держит в своем составе микроконтроллер, реализующий соответствующие виду нагрузки алгоритмы регулирования и управления силовой частью.
По способу преобразования преобразователи можно разделить на электромашинные, имеющие механически движущиеся части, и статические, в которых электроэнергия преобразуется без механического перемещения. По количеству входных питающих сетей преобразователи разделяются на преобразователи, питающиеся от одной сети - односетевые, и от нескольких сетей - многосетевые.
Организация питания ККЭ от нескольких сетей требуется, как правило, для повышения надежности работы ответственных потребителей, получающих электроэнергию от этих ККЭ. Поэтому, аналогично наземным потребителям электроэнергии, ККЭ можно разбить на предназначенные для питания неответственных потребителей, для которых, например, допускается пропадание питающего напряжения, и для питания потребителей особой группы - ответственных потребителей, которые должны питаться от АБП.
Многосетевые ККЭ, в свою очередь, разделяются по степени ответственности потребителей. Так, к категории малоответственных потребителей, которые допускают кратковременную потерю питания, можно отнести системы поддержания микроклимата, размагничивания и другие инерционные системы. К категории потребителей, допускающих кратковременный провал с неразрывностью кривой питающего напряжения, можно отнести системы освещения, радиосвязи, эхолокации и тому подобные. К категории особо ответственных потребителей, которые не допускают даже кратковременных перерывов в питании, можно отнести системы жизнеобеспечения корабля, системы управления кораблем и управления вооружением корабля, словом те системы, которые обеспечивают живучесть корабля. Такие потребители должны получать питание от специальных электротехнических комплексов - агрегатов бесперебойного электропитания (АБП), которые характеризуются не только высоким уровнем качества преобразуемой энергии, но и наличием встроенных схем защит, сигнализаций и управляющих воздействий.
В качестве примера можно привести реальную ситуацию. При переходе питания ККЭ с одной входной сети на другую напряжение на выходе просаживалось до 22 - 23 В (при номинальном значении 28,5 В) при длительности переходного процесса до 40 мс. Как следствие, происходила перезагрузка питающихся от этих ККЭ компьютеров - ответственных потребителей из состава системы управления и визуального контроля параметров системы электродвижения (СЭД), включающей в себя главный гребной двигатель ДЭПЛ.
Разделение ККЭ на одиночные, снабжающие одиночный приемник электроэнергией, и сетевые вызвано более высокими требованиями к сетевым ККЭ по показателям качества преобразуемой электроэнергии. В случае наличия определенного количества нагрузок различного характера возникают, в частности, дополнительные требования по обеспечению динамических характеристик конкретного вида ККЭ, так как это связано с питанием ответственных потребителей внутри одной локальной сети. Например, при подключении к локальной сети одного из многих потребителей динамические параметры переходного процесса не должны выходить за рамки требований по качеству формируемого напряжения
По типу выполняемых функций ККЭ можно разделить на специальные, например, выполняющие функции согласования КСЭ с электрохимическим генератором, питающие, которые обеспечивают питанием различные потребители, зарядные, служащие для заряда АБ, и комбинированные, совмещающие различные функции, например, функцию заряда АБ и функцию питания потребителей.
Сравнительный анализ видов модуляции и выбор модулятора для системы управления АБП
При аналоговом управлении имеет место система автоматического управления с непрерывной передачей сигнала, при которой передается и преобразуется каждое его мгновенное значение. Передаваемый сигнал в этом случае определяет закон модуляции постоянной или гармонически изменяющейся физической величины.
В отличие от этого при дискретном способе процесс преобразования непрерывного сигнала в импульсную последовательность осуществляется в два этапа.
На первом этапе происходит квантование сигнала по времени или по уровню. Отметим, что применительно к статическим преобразователям наиболее приемлемым является квантование по времени, когда фиксируются дискретные моменты времени, при которых уровни сигнала могут принимать произвольные значения. При этом существует два основных вида модуляции с квантованием сигнала по времени. Как известно, частотно - импульсная модуляция (ЧИМ) предполагает изменение частоты следования импульсов в линейном соответствии с модулирующим воздействием при неизменной длительности модулируемых импульсов. При этом частота следования импульсов понимается как мгновенная частота колебаний синусоидальных частотно - модулированных колебаний. Широтно-импульсная модуляция предполагает изменение длительности модулируемого импульса при неизменной частоте следования. Реализация ЧИМ предполагает разработку закона регулирования на основе зависимостей значения регулируемого параметра функции момента времени появления импульсов постоянной длительности. Такие зависимости не однозначны для всех режимов работы АБП с заданными показателями качества регулируемого параметра ввиду того, что количество энергии, «закачиваемое» в выходной фильтр (см. рис. 2.5) за период постоянно. При этом, частотные свойства силовых ключей инвертора ограничены и зависят от мощности нагрузки. Учитывая, что качество регулируемого параметра должно сохраняться на высоком уровне в широком диапазоне нагрузок, включая перегрузки до 2,5 - кратного значения номинальной мощности, можно сделать вывод о сложности применения ЧИМ в АБП.
Таким образом, в качестве управляющего модулятора принимается ШИМ. Такой модулятор прост при реализации и достаточно эффективен, когда речь идет об обеспечении нужного качества регулирования и стабилизации выходного параметра в преобразователях напряжения.
Принципиально возможно применение одновременно как квантования по уровню, так и квантования по времени. В этом случае непрерывный сигнал заменяется дискретными уровнями, ближайшими к значениям непрерывного сигнала в дискретные моменты времени.
На втором этапе преобразования квантованный сигнал в соответствии с одним из законов модуляции преобразуется в импульсную последовательность, воздействующую на объект управления. В системах автоматического управления статическими преобразователями наиболее часто используются широтно-импульсная модуляция и частотно-импульсная модуляция. Применение систем управления с модуляцией сигнала объясняется рядом преимуществ, основными из которых для статических преобразователей являются возможность многоканального управления, возможность стыковки с цифровыми вычислительными устройствами, высокая помехозащищенность и повышенная точность. Система автоматического управления с импульсной модуляцией отличается от непрерывной системы наличием импульсного модулятора. Импульсный модулятор преобразует непрерывно изменяющийся входной сигнал в последовательность импульсов. При широтно-импульсной модуляции происходит модулирование ширины (длительности) выходных импульсов амплитуда импульсов при этом остается постоянной.
В соответствии с общепринятой классификацией САУ, содержащие в своем составе импульсный модулятор, называются импульсными САУ [ТАУ].
Как известно, любой вид модуляции (в том числе и ТІІИМ) принято подразделять на модуляции 1-го и 2-го рода. Считается, что при модуляции 1-го рода модулируемые параметры импульсов определяются только значениями модулирующего сигнала в дискретные фиксированные моменты времени и не зависят от изменения сигнала между ними. При модуляции 2-го рода значения модулируемого параметра определяются модулирующим сигналом (или некоторым функционалом от него), определенным на конечном интервале времени (например, в течение периода следования импульса).
Модуляторы 1-го рода, очевидно, несколько проще в реализации, и на первый взгляд обеспечивают худшее качество процесса регулирования. Однако, как показывает опыт, при определенном согласовании частоты выборки модулирующего сигнала и диапазона частот изменения этого сигнала, модуляция 1-го рода обеспечивает заданный уровень качества процесса регулирования. Вместе с тем, алгоритм управления при этом несколько упрощается, что в конечном итоге позитивно влияет на характеристики надежности системы. Поэтому применительно к корабельным статическим преобразователям, учитывая требования по надежности, а также все сказанное, будем говорить о ШИМ 1-го рода. 2.4 Классифицирование типа импульсной системы управления для адаптивных АБП
Как известно, термин «адаптация» заимствован из биологии, где им обозначают свойство приспособления организма к изменениям внешней среды. Вообще говоря, элементы приспособления или адаптации существуют в любой автоматической системе, как замкнутой, так и разомкнутой. Прежде всего, необходимость в адаптивных системах управления применительно к корабельным системам и комплексам возникает в связи со значительным усложнением решаемых задач управления новыми корабельными устройствами и системами электропитания, причем специфическая особенность такого усложнения заключается в отсутствии практической возможности для подробного изучения и описания процессов, протекающих в управляемом объекте. Примерами таких объектов могут служить корабельные многоуровневые многофункциональные системы новейшего поколения для ДЭПЛ, в которых не представляется возможным описание всей совокупности режимов работы, а также точные априорные данные, о характеристиках которых во всех условиях функционирования не могут быть получены из-за значительных разбросов параметров мирового океана, дальностей и глубин, а также из-за наличия широкого спектра параметрических и внешних возмущений.
Неадаптивные методы управления, как правило, предусматривают наличие достаточного объема априорных сведений о внутренних и внешних условиях работы объекта еще на предварительной стадии разработки системы, которые затем используются при проектировании автоматической системы. Чем полнее априорная информация о характеристиках системы и условиях ее работы, тем обычно выше качество неадаптивного управления. Отсюда видно, что создание адаптивной системы управления осуществляется в принципиально иных условиях, т.е. адаптивные методы должны способствовать достижению высокого качества управления при отсутствии достаточной полноты априорной информации о характеристиках управляемого процесса или в условиях неопределенности. Вполне очевидно, что по мере усложнения задач, возлагаемых на автоматические системы управления, указанная неопределенность растет, т.е. становится все сложнее заранее определять характер изменения динамических свойств системы и управляемого процесса. Поэтому трудности в обеспечении надлежащего качества управления также возрастает по мере уменьшения объема априорных знаний о системе.
Эффект приспособления к изменяющимся условиям в адаптивных системах достигается за счет того, что часть функций по получению, обработке и анализу недостающей информации об управляемом процессе осуществляется уже не проектировщиком на предварительной стадии, а самой системой в процессе ее нормальной эксплуатации.
Такой частичный перенос функций способствует не только более полному использованию рабочей информации (совокупности данных о состоянии системы, получаемой непосредственно в процессе управления) при формировании управляющих воздействий, но и позволяет существенно снизить влияние неопределенности на качество управления, компенсируя в определенной степени недостаток априорного знания проектировщика об управляемом процессе.
Таким образом, адаптивное управление применяется тогда, когда сложность управляемого процесса достигает такого уровня, при котором влияние неопределенности или «неполноты» априорной информации об условиях работы системы становится существенным для обеспечения заданного качества процессов управления. Очевидно, что наиболее приемлемым видом управления для СУ АБП является именно адаптивное управление.
Компьютерная модель канала управления АБП и проверка её адекватности
Под стационарным режимом будем понимать длительный установившийся режим функционирования без влияния внешних возмущающих воздействий на элементы модели.
На рис. 3.18 представлена компьютерная модель ИСП, построенная с использованием элементарных моделей, описанных в предыдущей части главы.
Рисунок 3.18 -КомпькхернаямодоьіжташугфааіішияАБПда
Для визуализации моделируемых параметров использован многоканальный виртуальный осциллограф Scope 1. Блок double предназначен для согласования выхода блока Gain и Transfer Fen по типу передаваемых и
\ \ \ N \ \ \ \ \ \ принимаемых данных. Блоки Constant и Unary Minus совместно с сумматором формируют сигнал -Uy для формирования в цепи обратной связи сигнала [U вых- Uy].
На диаграммах рис. — 3.19 представлены эпюры сигналов в соответствии с моделью рис. 3.18.
Рисунок 3.19 - Диаграммы стационарного режима к„=50. В порядке «сверху вниз» на всех диаграммах представлены сигналы:
- [U вых - Uy],
- [U вых - Uy] х kn„A
- сигнал с выхода генератора формирователя импульсов,
- модулируемые импульсы ШИМ на входе линейной части - фильтра;
- выходное напряжение - стабилизируемый параметр. Особенностью определенного выше стационарного режима является достаточность в обратной связи только пропорционального звена. При этом с увеличением коэффициента кп значение напряжения на выходе ИСП будет ближе к требуемому (Uy). Для примера, диаграммы рис.3.19 соответствуют кп=50, на рис. 3.20 представлены диаграммы, соответствующие кп=2. пени здравого смысла и не увеличивать чрезмерно это коэффициент, т.к. после определенного предела увеличение кп уже не изменяет существенно картину напряжения, но усиливает паразитные сигналы (помехи).
Основное значение коэффициенты интегрального и дифференциального звеньев приобретают в динамических режимах. Определимся называть динамическим режимом такой режим, когда происходит резкая смена параметров сигналов на входе элементарных моделей преобразующих узлов, влияющих на качество регулирования выходного параметра АБП.
Для создания динамического режима введем в обратную связь дестабилизирующий фактор в виде последовательности двухполярных симметричных импульсов амплитудой, например, Ав - 1,5 В. Это можно осуществить с помощью введения дополнительных блоков: Pulse Generator, Constant 2 и двух дополнительных сумматоров. Модель ИСП, соответствующая такому режиму представлена на рис. 3.21.
Рисунок 3.21 - Структурная схема компьютерной модели системы управления АБП для исследования динамических режимов при возмущениях на входе ИСП
Диаграммы с сигналов, соответствующие этой модели представлены на рис. 3.22. Для примера на рис. 3.23 и 3.24 представлены диаграммы выходного напряжения для практического режима переключения электропитания от бортовой сети с одного фидера на другой при разных значениях напряжения в фидерах. На модели такой режим имитируется введением дополнительного генератора импульсов с постоянной составляющей, сигнал с выхода которого перемножается с сигналом с выхода компаратора compare to zero 1 с помощью элемента product (см. рис. 3.26). Как видно из диаграмм напряжения коэффициенты контура регулирования выбраны таким образом, что изменения выходного напряжения для модели составляют -4,5 В и +3,5 В, что при значении стабилизируемого параметра 28,5 В составляет -15,7% и +12,3%.При этом практический результат по изменению выходного напря
« ! т2J Г жения составляет около -3,5 В и +4 В, что соответственно составляет -12,3% и +14%. Таким образом, погрешность определения значения амплитуды напряжения в переходном режиме при моделировании относительно практического результата составляет соответственно -1В и +0,5В при номинальном выходном напряжении 28,5 В, что определяет адекватность применения модели для идентификации параметров контура регулирования СУ АБП.
Реализация многоуровневых комплексов АБП и исследование их функционирования (серии АБП-Л и ПП-ППЕТ-130-28,5)
Наиболее передовым направлением в развитии цифровой техники являются микроконтроллеры. Как уже отмечалось в главе 2, при построении системы управления ИСП предпочтение следует отдавать именно микроконтроллерам при выборе способа управления силовыми элементами преобразователя.
В последние годы все большую популярность завоевывают контроллеры на базе Л/ЯС-архитектуры. Сегодня одним из наиболее популярных типов промышленных микроконтроллеров является PIC (Peripherial Interface Controller). Несложная система команд, низкая стоимость, простота использования позволяют использовать РІС в самых различных электронных устройствах: от простейших бытовых приборов до сложнейших систем военной техники. В качестве примера можно привести систему управления статического преобразователя (ИСП) напряжения постоянного тока в переменное напряжение 230В/50 Гц с управлением от РІС, выполненная в производственно-конструкторском предприятии «ИРИС».
Появление новых типов контроллеров семейства РІС фирмы MICROCHIP сделало перспективным использование этих контроллеров для использования в системах управления различными силовыми преобразователями. Прошедшие годы эксплуатации микроконтроллеров и соответственно изделий, собранных на их основе, в самых тяжелых условиях - на буровых вышках, скважинах, в автомобильных системах управления, сигнализациях, устройствах защиты, датчиках и др., - показали высочайшую надежность Р/С-контроллеров и, в то же время, достаточный уровень универсальности в применении.
Все это служит предпосылками для использования Р/С-контроллеров в качестве основного управляющего устройства в схемах управления силовыми инверторами, в частности при проектировании преобразователей DC/DC и DC/АС. Наиболее удачным сочетанием «цена - качество» являются микроконтроллеры семейств 16F87XH 18F487X, включающие в себя достаточный минимум аппаратных периферийных устройств: ШИМ, 8-канальный АЦП, а также модули USART, SPI, 12С.
Структура контроллеров семейства PICl 8F87X выполнена по RISC-архитектуре, что обуславливает малое количество команд при высокой эффективности их исполнения. Высокое быстродействие и простота делает привлекательными эти контроллеры для решения задач различной степени сложности.
Наличие периферийных модулей, таких как двухканальный модуль ШИМ, восьмиканальный десятиразрядный АЦП, три модуля таймеров, гибкая структура прерываний (14 источников), высокая нагрузочная способность портов ввода/вывода (20 мА), - все это позволяет использовать данные микроконтроллеры в качестве управляющего узла в многоуровневых преобразователях.
На рис. 4.5 представлена типовая структурная схема преобразователя напряжения постоянного тока в напряжение переменного синусоидального тока со стабилизацией формы и амплитуды (-230В/50 Гц), реализованная в
ИСП из состава АБП-Л. Схема предназначена для применения в источниках питания нового поколения с широким диапазоном значений входного напряжения и выходных нагрузок различного характера (активного, индуктивного, смешанного).
При использовании в качестве входного звена структуры рис. 3.1 получим структуру многоуровневого АБП, состоящего из нескольких ИСП.
На схеме представлены основные узлы преобразователя. Центральным управляющим устройством является микроконтроллер. Силовые транзисторные ключи входят в состав полномостового инвертора. К выходу преобразователя подключается фильтр, преобразующий импульсы напряжения в кривую синусоидальной формы при определенном алгоритме управления ключами. Индикатор с клавиатурой служит для задания выходных параметров и параметров управления при оптимизации алгоритма, а также для визуального контроля этих параметров.
Основным управляющим узлом схемы является микроконтроллер с необходимой обвязкой. Он формирует управляющие сигналы на затворах силовых ключей мостового инвертора с учетом поступающей информации о значениях напряжения и тока в нагрузке. Таким образом осуществляется активное контрольное управление с целью получения на выходе преобразователя синусоидального напряжения с малым коэффициентом нелинейных искажений (менее 2%).
В основу алгоритма управления положен принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При этом программа учитывает необходимость так называемого «сброса энергии», накопленной в выходном фильтре при определенных соотношениях характеров нагрузки.
Кроме того, в схеме преобразователя предусмотрен узел ограничения тока. Его основное назначение - стабилизация выходного тока в случае внешнего короткого замыкании или чрезмерно высокой нагрузки. При достижении током нагрузки заданного максимального значения происходит стабилизированное ограничение мощности. Это гк/fj свойство преобразователя обеспечивает его высокую надежность при эксплуатации.
Рисунок 4.6 - Схема силового инвертора (полный мост)
Также ограничитель тока формирует сигнал прерывания для микроконтроллера, т.е. информирует контроллер о превышении током нагрузки допустимого значения, после чего контроллер, в свою очередь, отключает преобразователь.
При коротком замыкании преобразователь работает в режиме ограничения мощности нагрузки. При этом существует возможность установки вы держки времени, в течение которого будет обеспечиваться защитное ограничение выходной мощности; по истечении заданного временного интервала контроллер прекратит подачу управляющих импульсов на затворы силовых ключей. Программа постоянно анализирует состояние датчиков тока нагрузки. В случае, если короткое замыкание будет устранено до окончания заданного промежутка времени, программа восстановит нормальный режим работы преобразователя автоматически. Датчиками тока являются шунты, включенные в эмиттерные цепи «нижних» транзисторов (рис. 4.6).
- Силовой узел устройства представляет собой мостовой инвер-(1 еысокор Т0Р который составляют транзисторные ключи (рис. 4.6) В качестве .отв ключей применены вы "э 767кГц С0К0СК0Р0СТНЬІЄ IGBT транзисторы.
Рисунок 4.7 - Импульсы управления (луч2) и напряжение эмиттер-коллектор (лучі) «нижнего» силового транзистора
