CC BY
6УДК 621.371
Интеллектуализация систем автономного электроснабжения комплексов связи специального назначения
Абрамкин Р.В., Веселовский А.П., Винограденко А.М., Косарева Л.И
Аннотация. В материалах статьи предложен и обоснован интеллектуальный подход, направленный на улучшение эксплуатационных характеристик комплексов связи специального назначения. Предлагаемый подход основан на наиболее динамично развивающемся направлении силовой электроники, связанным с решением задачи интеллектуального регулирования напряжения в преобразователях постоянного напряжения систем автономного электроснабжения комплексов связи. Линейное регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции с использованием баз правил. Получена линейная регулировочная характеристика во всем диапазоне регулирования от нулевого до максимальных значений. Получена формула регулировочной характеристики выходного напряжения на основе математической модели широтно-импульсного способа регулирования с изменяющейся шириной импульсов.
Ключевые слова: комплексы связи; регулирование напряжения; статические преобразователи напряжения DC-DC; широтно-импульсная модуляция; регулировочная характеристика.
Введение
Новый виток эволюционного развития комплексов связи специального назначения (СН), автономный характер функционирования, постоянное увеличение сложности аппаратуры, а также увеличение требований со стороны органов управления, определяет необходимость повышения эффективности функционирования систем автономного электроснабжения (САЭ) эволюционирующих комплексов связи, на основе интеллектуализации процессов управления.
САЭ комплексов связи СН представляют собой совокупность технических средств, предназначенных для обеспечения элементов автономных систем управления и связи электрической энергией заданного качества в необходимом количестве в районе выполнения задачи. В составе современных САЭ комплексов связи СН применяются электромеханические источники электроэнергии, а также значительное количество вторичных источников питания, представляющих собой системообразующее электротехническое оборудование.
Одними из наиболее значимых элементов данного оборудования являются импульсные преобразователи постоянного тока, так как во многом от их работы зависит состояние системы в целом. Они требуют повышенной точности и скорости регулирования в разомкнутых и замкнутых системах управления. Использование энергосберегающего регулируемого преобразователя постоянного тока, функционирующего с использованием элементов искуственного интеллекта, обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик САЭ комплексов связи СН, в целом [1-8].
Основным параметром преобразователя, наиболее остро влияющим на работу САЭ комплексов связи СН является регулировочная характеристика, определяющая точность и скорость регулирования [9-18].
Принципы преобразования постоянного тока
Для улучшения потребительских свойств изделий оптимизируют параметры, повышают рабочую частоту преобразования, уменьшают потери мощности на силовых элементах, а также снижают динамические нагрузки в силовой части схемы. Для
регулирования переменного и постоянного напряжении используются широтно-импульсные методы модулирования с изменяющейся скважностью импульсов [5].
Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения (DC-DC) преобразуют постоянное напряжение в импульсное, среднее значение которого необходимо регулировать. Выходное напряжение таких преобразователей (до выходного фильтра), как правило, имеет вид однополярных импульсов.
Частота преобразования зависит от динамических свойств вентилей, на которых выполнен преобразователь. В связи с неизменным значением питающего напряжения, на входе преобразователя естественная коммутация вентилей (тиристоров) невозможна, что требует использования элементов с полным управлением (запираемые тиристоры, транзисторы). GTO-тиристоры допускают переключения до 1 кГц, IGBT-транзисторы -примерно до 10 кГц, полевые транзисторы - до 1 МГц и выше [12].
Уравнение регулировочной характеристики широтно-импульсного преобразователя с однополярными и равными по длительности импульсами (однополярная модуляция), определяется степенью регулирования C выходного напряжения:
Рис. 1. Широтно-импульсная модуляция преобразователей с однополярными импульсами равной длительности
Существенным моментом в преобразователях постоянного напряжения является желаемая линейная зависимость выходного напряжения от управляющего воздействия. Особенностью зависимости цк =/(Цр) при широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
напряжения является нелинейность выходной характеристики [1]. Регулировочная характеристика при таком способе регулирования имеет круто падающий характер, что затрудняет разработку регуляторов при использовании микропроцессоров. Линейность характеристики является большим достоинством преобразователя, обеспечивающим оптимальное построение устройств интеллектуального управления процессами в выходной цепи выпрямителей.
Разработан метод модулированного широтно-импульсного управления силовыми элементами преобразователя с изменением длительности силовых импульсов, позволяющий получить линейную зависимость выходного напряжения от управляющего синусоидального напряжения [2] за счет использования базы правил.
Частичную линейность регулировочной характеристики управляемого выпрямителя возможно получить, используя ШИМ при изменении угла управления а по арккосинусоидальному закону [10].
Авторами предложен метод регулирования выходного напряжения ШИМ, который позволяет получить линейную регулировочную характеристику в диапазоне от 0 до 1.
Математическое описание предложенного линейного широтно-импульсного метода регулирования
Совместного решения уравнений линейной и синусоидальной функции нет. Применяется прием, при котором последовательность треугольных импульсов рассматривается как набор линейных функций, пересекаемых синусоидальной функцией, рис. 2. Применим следующие обозначения: Ц апх - синусоидальное напряжение на полупериоде П;
- напряжение, соответствующее высоте треугольных импульсов; т - число треугольных импульсов на участке п ; 1,1 - нечетные прямые
(левые бедра треугольных импульсов);
1 - четные прямые (правые бедра треугольных импульсов);
X,х,—,Хг. - координаты оснований треугольных импульсов на оси х; XX ,...,^^4 - координаты вершин треугольных импульсов на оси х;
- координаты пересечений сторон треугольников с синусоидальной
кривой на оси х;
Ц(х),Ц(х),".,Ц(х) - напряжения синусоидальной кривой, соответствующие координатам к - порядковый номер координаты Х^ от X до Х>т-
х=м>1
х=м>1
х=м>1
Рис. 2. Пересечение синусоидальной кривой напряжения с т треугольными импульсами
Нечетные прямые 1,1 ,...,^г_1 треугольных импульсов пересекают синусоидальную кривую напряжения ££дпх в точках с координатами на оси X,
соответствующим х=1,3,...,2^-1
П. (2)
т
Четные прямые 4,4,-.,^« треугольных импульсов пересекают синусоидальную кривую напряжения ££ЭПХ в точках с координатами на оси X, соответствующим
X =1,3,...,2т
х^лПЫй. (3)
т
Учитывая, что уравнение прямой, проходящей через 2 точки с координатами (х;у) и () имеет вид (3), допустим
х~х _ У~У\ . (4)
X. -X У2 -у
Для нечетных сторон треугольника уравнения (4) после подстановки координат X, X и У, У примет вид:
-xkг _ У-0 > (5)
X —X и —0
^счет ^чэт Т
где .Т±.' а для четных сторон прямоугольников:
" x-П • (6)
У и =-^x+2kU.
2т
Для четных и нечетных прямых (сторон треугольных импульсов) уравнения (4) и (5) запишутся в общем виде:
(7)
где Xе^-^], кД..,2т
Аналитическое представление точки пересечения синусоидальной кривой Цх)=Цжк с
прямыми 1к ((=12,..,2) представляется трудно достижимым, поэтому точкой пересечения будем считать точку Щ(у(4)).
Ординату этой точки положим равной среднему значению функции и(х)=исж'к в точках, ограничивающих область задания прямой ^. Тогда
у(4 ) ==(Ц sinx—1 +Ц s¡nx)' у(4 )=Ц 2sinx—1 оте ^^ > А4)=иссо4*24 «О
Координаты точки М удовлетворяют уравнению прямой /к. Тогда
У4) +2+(—1)k
Отсюда получаем:
4 =((-) »..
Подставляя из (8) выражение для у(4), получаем для 4 следующее выражение: На рис. 2 а) представлены прямоугольные импульсы, удовлетворяющие условию:
Un (x) =
U(x)<Uc sinx,
m m
Up = Пи***
Up =1Xl Ud*'
л
U П ■ (10)
2т
ПРи №¿¡>1- осв-Л-5ссв0=1; оов^П-ххв0=ъ а , так как -П — >0-
4т 2т 2т 2т 2т
Получаем следующее значение среднего напряжения Ц- на нагрузке:
(11)
2т
На рис. 2 б) представлены прямоугольные импульсы, удовлетворяющие условию:
Ц(х)>Ц Вт,
Un (*) =
т
Получаем следующее значение среднего напряжения U± на нагрузке:
ср
и- -a ■ (12)
На рис. 3 представлены регулировочные характеристики преобразователя, полученные в результате применения данного метода регулирования. Согласно представленных регулировочных характеристик, настоящий метод позволяет осуществлять регулирование выходного напряжения преобразователей DC-DC линейно во всем диапазоне от 0 до 1.
Заключение
На сегодняшний день, существующие системы автономного электроснабжения комплексов связи СН, характеризуются недостаточной эффективностью функционирования. Внедрение предложенного интеллектуального подхода, заключающегося в применении метода ШИМ с применением базы правил, позволит получить линейную регулировочную характеристику преобразователей постоянного напряжения, а также производить регулирование напряжения от нулевых значений до максимальных. При этом, осуществляется распределение (оптимизация) ресурсов микропроцессорной техники и их использование в процессах производства и функционирования регуляторов напряжения. Результаты по разработанному алгоритму работы управляющего устройства методом ШИМ могут найти широкое применение в САЭ комплексов связи СН.
Литература
1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: учебник для вузов / под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1988. 320 с.
2. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: Солон-Пресс, 2011. 416 с.
3. Розанов Ю.Г. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992. 296 с.
4. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Academa, 2006. 265 с.
5. Роташ Э.М., Дробович Ю.И., Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М.: Радио и связь, 1988. 288 с.
6. Будко П.А., Бурьянов О.Н., Винограденко А.М., Веселовский А.П. Особенности систем управления вентильных преобразователей / Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях: труды II межвузовской научно-практической конференции (Санкт-Петербург, Военная академия связи, 2017). Санкт-Петербург, 2017. - С. 150-154.
7. Будко П.А., Винограденко А.М., Веселовский А.П., Косарева Л.И. Реализация способа преобразования переменного напряжения // Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях: труды III межвузовской научно-практической конференции (Санкт-Петербург, Военная академия связи, 2018). Санкт-Петербург, 2018. - С. 168-172.
8. Будко П.А., Веселовский А.П., Винограденко А.М., Косарева Л.И. Регулирование напряжения в преобразователях высокочастотными импульсами с изменяющейся скважностью // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. № 8 (19). С. 516-522. doi: 10.17587/mau. 19.516-522.
9. Винограденко А.М., Веселовский А.П., Вжесневский С.В., Гальвас А.В. Способ и устройство синхронизации систем управления преобразователей напряжения // Практическая силовая электроника. 2018. № 2 (70). С. 53-55.
10. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Плотников И.А. Силовые преобразователи в электроснабжении: учебное пособие. Томск: Томский политехнический университет, 2014. 150 с.
11. Гельман М.В., Гельман М.М., Преображенский К.А. Преобразовательная техника: учебное пособие. Челябинск: Южно-Уральский государственный университет, 2009. 425 с.
12. Кулик В.Д. Силовая электроника: учебное пособие. СПб.: Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, 2010. 91 с.
13. Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учебное пособие. М.: Юрайт, 2012. 671 с.
14. Abraham L., Heumann K., Koppelmann F. Wechselrichter fur Dzehzahlsteurung von Kafiglaufermotoren. AEG-Mitt. 1964. № 2. P. 89-106.
15. Volkov A.G. Mathematical model of AC-AC converter without passive elements in DC-link. Source of the Document International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2014). 2014. P. 403-407.
16. Веселовский А.П., Винограденко А.М., Косарева Л.И. Импульсный метод регулирования напряжения / Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях: труды IV межвузовской научно-практической конференции (Санкт-Петербург, Военная академия связи, 2019). -Санкт-Петербург, 2019. - С. 190-194.
17. Веселовский А.П., Винограденко А.М., Дорошенко Г.П. Импульсные устройства в выпрямителях / Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях: труды IV
межвузовской научно-практической конференции (Санкт-Петербург, Военная академия связи, 2019). -Санкт-Петербург, 2019. - С. 187-189.
18. Баринов М.А., Будко П.А., Винограденко А.М., Морозов Р.В., Бурлаков А.А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учебник для курсантов вузов связи, обучающихся по специальностям «Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи» и «Применение и эксплуатация автоматизированных систем специального назначения» / под ред. А.В. Мякотина. СПб.: Военная академия связи, 2015. 470 с.
References
1. Gorbachov G.N., Chaplyigin Е.Е. Promyshlennaya elektronika [Industrial electronics]. Мosсow, Energoatomizdat Publ., 1988. 320 p. (in Russian).
2. Semenov B.Y. Silovaya elektronika: professional'nie resheniya [Power electronics: professional solutions]. Мoscow, Solon-Press Publ., 2011. 416 p. (in Russian).
3. Rozanov Y.G. Osnovy silovoy elektroniky [Bases of power electronics]. Мoscow, Energoatomizdat Publ., 1992. 296 p. (in Russian).
4. Sokolovskiy G.G. Elektroprivody peremennogo toka s chastotnim regulirovaniem [AC electric drives with frequency control]. Мoscow, ACADEMA Publ., 2006. 265 p. (in Russian).
5. Rotash EM., Drobovich U.I., Yurchenko N.N., Shevchenko P.N. Vysokochastotnie tranzistornie preobrazovately [High-frequency transistor converters]. Мoscow, Radio i svyaz' Publ., 1988. 288 p. (in Russian).
6. Veselovskiy A.P., Budko P■А., Bur'yanov O.N., Vinogradenko А.М. Osobennosty system upravleniya ventil'niyh preobrazovateley [Features of valve converter control systems]. Trudi mezhvuzovskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Problemy tehnicheskogo obespecheniya voysk v sovremennih usloviyah" [Materials of reports of the scientific and practical conference "Main problems and prospects for development of autonomous power supply systems"]. St. Petersburg, Military Academy of communications Publ., 2017, pp. 150-154 (in Russian).
7. Veselovskiy A.P., Budko PA., Vinogradenko А.М., Kosareva L.I. Realizatsiya sposoba preobrazovaniya peremennogo napryazheniya [Implementation of AC voltage conversion method]. Trudi mezhvuzovskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Problemy tehnicheskogo obespecheniya voysk v sovremennih usloviyah" [Materials of reports of the scientific and practical conference "Main problems and prospects for development of autonomous power supply systems"]. St. Petersburg, Military Academy of communications Publ., 2018, pp. 168-172 (in Russian).
8. Veselovskiy A.P., Budko PA., Vinogradenko А.М., Kosareva L.I. Regulirovanie napryazheniya v preobrazovatelyah visokochastotnimi impul'sami s izmenyayutsheysya skvazhnost'yu [Voltage control in converters with high frequency pulses with varying duty cycle]. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie, 2018, no. 8 (19), pp. 516-522. doi: 10.17587/mau. 19.516-522 (in Russian).
9. Vinogradenko А.М., Veselovskiy A.P., Vzhesnevskiy S.V., Gal'vas АУ. Sposob i ustroystvo sinhronizatsii system upravleniya preobrazovateley napryazheniya [Method and device for synchronizing control systems of voltage converters]. Praktichekaya silovaya elektronika, 2018, no. 2 (70), pp. 53-55. (in Russian).
10. Lukutin ВУ., Obuhov S.G., Plotnikov 1.А. Silovie preobrazovateli v elektrosnabzheniy [Power converters in the power supply]. Tomsk, Tomsk's politehnical University Publ., 2014. 150 p. (in Russian).
11. Gel'man МУ., Gel'man М.М., Preobrazhenskiy К.А. Preobrazovatel'naya tehnika [Converting equipment]. Chelyabinsk, South-Ural'skiy state University Publ., 2009. 425 p. (in Russian).
12. Kulik V.D. Sylovaya elektronika [Power electronics]. St. Petersburg, Saint Petersburg state University of plant polymers Publ., 2010, 91 p. (in Russian).
13. Zinov'ev G.S. Sylovaya elektronika [Power electronics]. Мoscow, Yurayt Publ., 2012, 671 p. (in Russian).
14. Abraham L., Heumann K., Koppelmann F. Wechselrichter fur Dzehzahlsteurung von Kafiglaufermotoren. AEG-Mitt, 1964, no. 2, pp. 89-106.
15. Volkov A.G. Mathematical model of AC-AC converter without passive elements in DC-link [Source of the Document International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2014)]. 2014, pp. 403-407.
16. Veselovskiy A.P., Vinogradenko А.М., Kosareva L.I. Impul'sniy method regulirovaniya napryazheniya [Pulse voltage control method]. Materiali dokladov 4 mezhvuzovskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Problemi tehnicheskogo obespetcheniya voysk v sovremennih usloviyah" [Works of the 4-th inter-university scientific and practical conference "Main problems and prospects for development of autonomous power supply systems"]. St. Petersburg, Military Academy of communications Publ., 2019, pp. 190-194 (in Russian).
17. Veselovskiy A.P., Vinogradenko А.М., Doroshenko G.P. Impul'snie ustroystva v vipryamitelyah [Pulse devices in rectifiers] Materiali dokladov 4 mezhvuzovskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Problemi
tehnicheskogo obespetcheniya voysk v sovremennih usloviyah" [Works of the 4-th inter-university scientific and practical conference "Main problems and prospects for development of autonomous power supply systems"]. St. Petersburg, Military Academy of communications Publ., 2019, pp. 187-189 (in Russian).
18. Barinov М.А., Budko P.A., Vinogradenko А.М., Morozov R.V., Burlakov А.А. Elektropitanie ustroystv i system telekommunikatsiy [Power supply of telecommunication devices and systems]. St. Petersburg, Military Academy of communications Publ., 2015. 470 p. (in Russian).
Статья поступила 25 марта 2020 г.
Информация об авторах
Абрамкин Роман Викторович - Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного, адъюнкт. Адрес: Санкт-Петербург, Тихорецкий пр- т, д. 3. E-mail: avg62rus@rambler.ru.
Веселовский Анатолий Платонович - Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного, доцент, к.т.н., доцент. Адрес: Санкт-Петербург, Тихорецкий пр-т, д. 3. E-mail: A_Veselovskiy@mail.ru.
Винограденко Алексей Михайлович - Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного, докторант, к.т.н., доцент. Адрес: Санкт-Петербург, Тихорецкий пр-т д. 3. E-mail: vinogradenko.a@inbox.ru.
Косарева Лидия Ивановна - Военный институт (инженерно-технический). Адрес: Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 22. E-mail: kosareval52@mail.ru.
Intellectualization of autonomous power supply systems for special-purpose communication complexes
R.V. Abramkin, A.P. Veselovskiy, A.M. Vinogradenko, L.I. Kosareva
Annotation. The materials of the article propose and justify an intellectual approach aimed at improving the performance of special-purpose communication complexes. The proposed approach is based on the most dynamically developing direction of power electronics, related to the solution of the problem of intelligent voltage regulation in DC converters of Autonomous power supply systems of communication complexes. Linear adjustment characteristic is obtained in the whole control range from zero to maximum values. Formula of adjustment characteristic of output voltage is obtained based on mathematical model of pulse width control method with varying width of pulses.
Keywords: communication complexes; voltage control; DC-DC static voltage converters; pulse width modulation, adjustment characteristic.
Information about Authors
Abramkin Roman Viktorovich - Graduated in a Military Academy of Communication named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny. Research interests: intellectual control of information and telecommunication systems. E-mail: avg62rus@rambler.ru.
Veselovskiy Anatoliy Platonovich - PhD, Docent. Docent Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny. Research interests: intellectual control of information and telecommunication systems. E-mail: a_veselovskiy@mail.ru.
Vinogradenko Alexey Mikhailovich - PhD, Docent, Doctoral Candidate. Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny. Research interests: intellectual control of information and telecommunication systems. E-mail: vinogradenko.a@inbox.ru.
Address: 194064, Russia, St. Petersburg, Tikhoretsky pr., 3.
Kosareva Lidiya Ivanovna - PhD, Docent. Docent Military Academy of Logistics named after Army General A.V. Khrulyov. Research interests: power electronics. E-mail: kosareval52@mail.ru. Address: 121123, Russia, St. Petersburg, Zahar'evskaya st., 22.
Для цитирования: Абрамкин Р.В., Веселовский А.П., Винограденко А.М., Косарева Л.И. Интеллектуализация систем автономного электроснабжения комплексов связи специального назначения // Техника средств связи. 2020. № 2 (150). С.18-25.
For citation: Abramkin R.V., Veselovskiy A.P., Vinogradenko A.M., Kosareva L.I. Intellectualization of autonomous power supply systems for special-purpose communication complexes. Means of communication equipment. 2020. No. 2 (150). P.18-25 (in Russian).
