Введение к работе
Технический прогресс характеризуется периодической сменой поколений техники. Данное развитие определяется тем, что системы, устройства и составляющие их компоненты постоянно совершенствуются, а их жизненный цикл в силу этого неуклонно сокращается. Этот процесс сегодня особенно заметен, в частности, в сферах радиосвязи и телекоммуникаций, а также в областях информационной и силовой электроники. Наряду с этим совершенствуются методы проектирования и используемые для этого средства. Среди последних особенно следует выделить используемые сегодня современные компьютерные возможности, которые позволяют эффективно (оперативно и с высокой точностью) решать проектные задачи на основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) рабочих процессов в проектируемых объектах. По мере возрастания сложности разрабатываемой системы возрастают и сложности ее проектирования. Даже в самом благоприятном случае, когда известны модельное описание, свойства и характеристики составляющих систему узлов (звеньев), нельзя гарантировать получение наилучшего результата ее проектирования (по заданной совокупности показателей качества) без системного к нему подхода. Системность проектирования предполагает учет взаимного влияния свойств и характеристик звеньев системы друг на друга с целью получения наилучших ее показателей качества.
Актуальность проблемы. Настоящая работа посвящена исследованию возможностей совершенствования узлов машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС) автономных объектов (АО) малой мощности (до сотен кВА) в направлении энерго-и ресурсосбережения и улучшения электромагнитной совместимости ее узлов, а также решению комплекса задач по созданию информационно-методического обеспечения для системного их проектирования по заданной совокупности показателей качества. Отсутствие сегодня в должном объеме проектно необходимой информации сдерживает разработку и широкое практическое освоение таких систем. Поэтому исследования, направленные на решение этой проблемы, представляется актуальным.
Цель работы. Объектом исследования являются МЭГС, по сути, двух типов. Наличие в МЭГС электрического генератора (ЭГ) с переменной частотой вращения вала и выпрямительного, а также трансформаторно-или автотрансформаторно-вырямительного устройства (ТВУ или АТВУ) характеризует ее как МЭГС-1. Эта система может применяться как самостоятельно, так и в составе МЭГС-2, которая характеризуется наличием в ней еще двух силовых звеньев – трехфазного инвертора с широтно-импульсной его модуляцией (ШИМ) его напряжения (ТИН) и выходного фильтра. Основное содержание работы направлено на исследование возможностей совершенствования МЭГС-2 и создание информационно-методического обеспечения для структурно-параметрической оптимизации системы по заданной совокупности показателей качества.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы: общие положения теории электрических цепей, математический аппарат рядов Фурье, разделы дифференциального и интегрального исчисления, концепция многоканального преобразования энергетического потока, ИКМ в среде OrCAD 16.5 (Pspice Schematics), MathCAD и MatLAB, методы технического творчества.
Достоверность научных результатов. Самоконтроль результатов исследования по критерию достоверности осуществлялся поэтапно путем проверки на соответствие (путем ИКМ) проектному замыслу каждого узла исследуемой системы с последующим контролем функциональной характеристики всей системы. Показано, что полученные аналитическим путем и на основе ИКМ результаты удовлетворяют критерию физической непротиворечивости и полностью согласуются с известными частичными результатами, ранее полученными исследователями большей частью на качественном уровне. В качестве средств самоконтроля использовался также метод энергетического баланса.
Научная новизна работы.
1. Предложена классификация типов машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС), применяемых на автономных объектах. Сформулированы общие для рассматриваемых типов МЭГС проблемы, которые необходимо решать при их системном проектировании.
2. На основе ИКМ исследованы новые возможности совершенствования вентильных генерирующих систем – МЭГС 1-го типа (МЭГС-1) с использованием АТВУ с пульсностью m1Э выпрямленного напряжения – АТВУ-m1Э. Определена габаритная мощность АТВУ-18, необходимая для сопоставительной оценки альтернативных вариантов.
3. Создано информационно-методическое обеспечение для обоснованного выбора при проектировании структурно-алгоритмической организации ТИН с ШИМ:
3.1. Предложено решение, обеспечивающее нечувствительность ТИН к несимметричной нагрузке, что расширяет область применения, делая возможным использование его в авиационной электротехнике;
3.2. Для ТИН с многоканальным преобразованием (МКП) представлены результаты исследования свойств спектров выходного напряжения с основными модификациями ШИМ, которые является исходными данными для проектирования фильтров;
3.3. На основе полученных результатов ИКМ разработаны рекомендации по проектированию компонентов и обеспечению требуемых показателей ТИН.
4. Разработана уточненная системно-ориентированная методика проектирования Г-образного LC фильтра переменного тока, заключающаяся, в частности, в учете его волновой проводимости:
4.1. Показана ее применимость для различных спектров выходного напряжения ТИН (для низкочастотных и высокочастотных спектров);
4.2. Разработана методика автоматизированного расчета Г-образного LC фильтра, и на основе ИКМ применительно к ТИН с МКП (с выходным фильтром) при принятых допущениях подтверждена ее высокая адекватность (с точностью не хуже 2%) в заданных режимах работы;
4.3. На основе исследования динамических свойств Г-образного LC фильтра сформулированы требования к алгоритмам пуска и отключения ТИН.
5. Представлены результаты исследования МЭГС-2 – «Переменная скорость – постоянная частота (ПСПЧ)», выполненной в виде последовательно соединенных звеньев: электрический генератор – ЭГ с переменной частотой вращения вала и статический преобразователь частоты со звеном постоянного тока – ПЧПТ (в виде АТВУ-18 и ТИН с ШИМ и с выходным фильтром):
5.1. Показано, что при одинаковых уровнях напряжений ЭГ и на выходе системы ПСПЧ необходимо обеспечить повышение напряжения на ее входе на 30% (например, с помощью АТВУ-18);
5.2. На основе моделирования системы ПСПЧ и исследования основных режимов ее работы сформулированы рекомендации по ее системному проектированию.
Практическая значимость работы.
На основе исследования (путем ИКМ) возможностей совершенствования МЭГС-1 и МЭГС-2 создано информационно-методическое обеспечение, необходимое для системного их проектирования, которое создает предпосылки для обоснованного проектирования и расширения области практического их освоения.
На защиту выносятся:
1. Особенности системного подхода к структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу машинно-электронных генерирующих систем двух типов – МЭГС-1 и МЭГС-2.
2. Результаты синтеза и исследования (на основе ИКМ) ТВУ и АТВУ с пульсностью выпрямленного напряжения m1Э=12 и m1Э=18 (соответственно – ТВУ-12 и АТВУ-18), которые в соответствующих применениях могут быть составными звеньями МЭГС-1 и МЭГС-2.
3. Результаты исследования ТИН с МКП и с суммированием выходных токов каналов с помощью трансфильтров (ТФ) с использованием компьютерных возможностей для решения проектных задач.
4. Системно-ориентированная и усовершенствованная методика проектирования Г-образных LC фильтров переменного и постоянного тока (с учетом их волновой проводимости ).
5. Разработанная программа автоматизированного расчета Г-образных LC фильтров переменного и постоянного тока (по усовершенствованной методике), а также результаты расчета и исследования на ее основе прохождения через эти фильтры новых и наиболее часто используемых на практике низкочастотных и высокочастотных спектров напряжений с различными модификациями ШИМ.
6. Разработанная имитационная компьютерная модель машинно-электронной генерирующей системы второго типа – МЭГС-2 (система ПСПЧ в виде идеализированного генератора и преобразователя частоты со звеном постоянного тока, ориентированная на применение ее в авиационной электротехнике) и полученные на основе этой модели результаты.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось: На ХIX-й (2012г.) и XX-й (2013г.) международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов; на 3-х н/т-х семинарах кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов ЭКАО» МЭИ.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (среди них один патент на полезную модель и две статьи в рецензируемых изданиях).
Личный вклад.
1. Систематизированы типы машинно-электронных систем и на наиболее сложном ее варианте – МЭГС-2 предложен общий подход к ее исследованию и проектированию с использованием средств ИКМ.
2. На основе ИКМ исследованы вопросы синтеза ТВУ-m1Э и АТВУ-m1Э с пульсностью выпрямленного напряжения m1Э=12 и m1Э=18 соответственно и даны рекомендации по их проектированию.
3. На основе ИКМ исследованы свойства ТИН с различными структурами и алгоритмами управления, в том числе в вариантах с ШИМ и с многоканальным преобразованием, и даны рекомендации по их проектированию.
4. Предложена системно-ориентированная уточненная методика расчета параметров Г образного LC фильтра, учитывающая волновую его проводимость и разработана программа автоматизированного их расчета.
5. Разработана имитационная компьютерная модель одного варианта МЭГС-2 – «ПСПЧ» и на ее основе проведены исследования, позволившие синтезировать решение, удовлетворяющее требованиям авиационного применения и сформулировать рекомендации по ее системному проектированию.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, заключения, библиографии из 68 наименований и приложений и изложена на 237 страницах, включая 163 рисунок и 32 таблицы.
