CC BY
112
Список литературы
1. Саушев А. В. Методы управления состоянием электротехнических систем. — СПб., 2004.
2. Саушев А. В., Шошмин В. А. Основы инженерного проектирования электротехнических устройств и систем. — СПб.: ЛИВТ, 1993. — 125 с.
3. Саушев А. В. Аналитическое описание областей работоспособности электротехнических систем // Журнал университета водных коммуникаций. — СПб.: СПГУВК, 2009. — Вып. 4. —
4. Климов Е. Н. Управление техническим состоянием судовой техники. — М., 1985.
5. Саушев А. В, Шошмин В. А. Целевая функция в задачах синтеза судовых и береговых электромеханических систем // Речной транспорт. —2010. — № 5. — С. 79-81.
6. Саушев А. В. Метод построения границы области работоспособности электротехнических объектов // Электричество. — 1990. — № 4. — С. 14-19.
УДК 629.12-8.004.2 В. В. Павловский,
Произведен системный анализ технологии и организации проектирования преобразовательной техники с учетом электромашинного и статического преобразователей. Изложены основные требования ГОСТов к преобразовательной технике, классификация преобразователей, возможные функциональные схемы преобразования, достоинства и недостатки вышеуказанных преобразователей.
System analysis of converter equipment technology and design management is fulfilled with regard to the rotary and static converters. Here stated the main GOST demands to the converters, converter classification, possible converting functional circuits diagrams, advantages and disadvantages of the converters mentioned above.
Ключевые слова: преобразователь электроэнергии, электромашинный преобразователь, статический преобразователь, электроэнергетическая система корабля, выпрямитель, инвертор, силовой модуль.
Key words: electric energy transducer, dynamoelectric converter, static converter, electric-power system of sheep, rectifier, inverter, power unit.
С. 34-41.
аспирант, СПГУВК
системный анализ технологии и организации
проектирования преоразовательной техники
system analysis of converter equipment technology and design management
Введение
Основным родом тока в ЭС современных судов и кораблей является трехфазный переменный ток стандартной частоты 50 Гц.
<ч ж
[Î46J
Электроэнергетическая система (ЭС) судов и кораблей является объектом высокого уровня сложности. Достигая мощности десятков тысяч киловатт, ЭС судов и кораблей включает сотни электрических машин, тысячи электрических аппаратов, сотни километров кабельных трасс, а также множество других приборов и аппаратов.
В то же время для работы отдельных потребителей электроэнергии, а также некоторых корабельных систем требуется электроэнергия, параметры которой существенно отличаются от параметров основных электрических сетей. Поэтому для обеспечения электропитанием требуемого рода тока и необходи-
мых параметров таких систем и потребителей в электроэнергетических системах кораблей, электрифицированных на переменном и постоянном токе, используются различные преобразователи электроэнергии.
Требования к качеству электроэнергии устанавливаются ГОСТ 13109-97 «Качество электрической энергии». Показателями качества электроэнергии являются:
— отклонение напряжения от своего номинального значения — установившееся отклонение (более чем за 1 мин) действующего напряжения от номинала;
— колебания напряжения от номинала — определение допустимости размахов кратковременных колебаний действующих значений в зависимости от частоты этих колебаний;
— несинусоидальность напряжения — искажения синусоидальности кривой напряжения;
— несимметрия напряжений — неравенство фазных и междуфазных напряжений во всех элементах тяговых сетей, вызванное несимметрией токов;
— отклонение частоты от своего номинального значения — разность, усредненная за 10 мин между фактическим значением основной частоты и ее номинальным значением;
— длительность провала напряжения — внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 и , за
г ' ном'
которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от 10 мс до нескольких десятков секунд;
— импульс напряжения — резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня;
— временное перенапряжение — повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 ином продолжительностью более 10 мс, возникающие в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.
По принципу действия преобразователи электроэнергии делятся на две основные группы: электромашинные (вращающиеся) и
// университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
статические. В общем случае задача преобразования электроэнергии состоит в изменении рода тока, напряжения, частоты, числа фаз. Эта задача может быть решена либо с приме -нением электромашинных, либо статических преобразователей.
Преобразователи любой группы подразделяются следующим образом в зависимости от назначения:
— преобразователи напряжения, в которых напряжение одного значения преобразуется в напряжение другого значения;
— выпрямители, в которых переменное напряжение преобразуется в постоянное (выпрямляется);
— инверторы, в которых постоянное напряжение преобразуется в переменное;
— преобразователи частоты, в которых переменное напряжение одной частоты преобразуется в переменное напряжение другой частоты.
Применение преобразователей электроэнергии обусловлено следующими причинами:
— разработкой промышленностью страны новой современной техники, имеющей в своем составе сложные электронные схемы, для нормальной работы которых требуется электроэнергия переменного тока частотой 400 Гц;
— современными требованиями по снижению шумности судов и кораблей путем внедрения на них последних научно-технических разработок статических преобразователей.
Преобразователи электроэнергии, используемые на современных кораблях, классифицируются по принципу действия и назначению (рис. 1).
Более подробно рассмотрим преобразователи электромашинные и статические, их принцип действия, определим их плюсы и минусы.
Электромашинные преобразователи
При построении систем и комплексов электропитания для аппаратуры судов и кораблей, требующих разнообразия типов и параметров выходных сетей, а также вследствие
Рис. 1. Классификация преобразователей электроэнергии
отсутствия гальванической связи между входными и выходными цепями, типовым решением было использование электромашинных (вращающихся) преобразователей (ЭМП).
Пример такой системы показан на рис. 2, где ЭМП различаются не только по мощности, но и по частоте, числу фаз и величине выходных напряжений. Это вызывает необходимость структурировать систему питания с использованием принципа независимых каналов, в состав которых могут входить раздельные щиты групповых распределительных устройств (ЩРУ) со встроенными средствами контроля, управления и защитной автоматики.
От этих щитов отдельные группы и одиночные потребители получают питание напрямую или через вторичные источники питания (ВИП), или статические преобразователи (СП) значительно меньшей мощности, чем ЭМП. Они обладают простотой конструктивного исполнения и высокой надежностью. В настоящее время в эксплуатации находится значительное количество разнообразных электромеханических преобразователей элек-
РО
троэнергии. Данный вид преобразователей
з рассчитан для работы при температуре окру-
00
1148 жающего воздуха от 1 до 40 °С, относительной влажности 98 % при температуре 35 °С, в условиях длительных вибраций, ударных потрясений, длительных кренов до 45 °С и дифферентов.
Разработанные в 1960-е гг. и не претерпевшие существенных изменений в процессе
серийного изготовления, преобразователи морально устарели. Этот вид преобразовательной техники имеет существенные недостатки:
— высокий уровень излучаемого шума и вибрации;
— значительное время, затрачиваемое на регламентные и ремонтные работы, а так-
Рис. 2. Типовая структура системы питания на основе электромашинных преобразователей с разнообразными параметрами выходного напряжения
же необходимость частого выполнения регламентных работ;
— в ряде случаев отсутствие поставки запасных частей в связи со снятием их с производства;
— низкий коэффициент полезного действия (КПД) и низкий коэффициент мощности;
— высокие массогабаритные характеристики.
Также стоит отметить, что из-за сложной финансово-экономической обстановки в нашей стране выпуск электромеханических преобразователей возможен только при больших капиталовложениях, но это не является критичным, так как общемировое развитие силовой электронной элементной базы позволяет сегодня полностью отказаться от электромеханических преобразователей.
В связи с этим становится актуальной задача модернизации преобразовательной техники с применением новых схемотехнических решений, которые позволяли бы значительно улучшить удельные энергетические показатели с обеспечением необходимого уровня качества и надежности, а также повысить эксплуатационные свойства.
Перспективным решением является использование статических преобразователей, которые лишены описанных выше недостатков электромеханических преобразователей.
Статические преобразователи
Развитие силовой и микроэлектронной полупроводниковой элементной базы, появление новых материалов и схемотехнических решений привело к созданию статических преобразователей.
Конструктивно статический преобразователь выполнен в виде шкафа. С передней стороны установлена дверь, на которой размещены сигнальные индикаторы, измерительные приборы и выключатели. Внутри же размещаются соединительные магистрали, платы управления и выполненные в виде блоков выпрямители, инверторы, фильтры и др. В статический преобразователь входят следующие компоненты:
— плата управления источником питания;
— блок силовых преобразований;
— модуль управления световой сигнализацией;
— прибор питания собственных нужд;
— платы датчиков токов и напряжений;
— системы охлаждения.
Подавляющая часть устройств информационно-вычислительных систем потребляет электроэнергию в виде постоянного тока. Если первичным источником служит сеть переменного тока и, то источник вторичного электропитания чаще всего имеет структуру, приведенную на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема преобразователя электроэнергии
Мощный трансформатор Т, как правило, понижает напряжение, затем оно преобразуется выпрямителем В в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются фильтром Ф, и при необходимости уровень этого напряжения с помощью стабилизатора Ст поддерживается неизменным.
Стремление уменьшить массу и габаритные размеры источников электропитания привело к структурной схеме, называемой «ИВЭП с бестрансформаторным входом» (рис. 4).
Рис. 4. Структурная схема преобразователя электроэнергии с бестрансформаторным входом
В этой структуре переменное напряжение первичной сети сначала выпрямляется (В1) и фильтруется (Ф1), а затем инвертируется в инверторе И в переменное, но с частотой 20-50 кГц. На этой частоте напряжение Т трансформируется до нужного уровня, вновь выпрямляется (В2), фильтруется (Ф2), при необходимости стабилизируется (Ст) и далее следует на нагрузку Н. Масса и габариты маг-нитопровода трансформатора (дросселя) об-
о X 3
ратно пропорциональны частоте переменного тока. Поэтому на высокой частоте происходит резкое уменьшение размеров трансформатора и фильтра (Ф2).
По сравнению с электромашинными преобразователями по проектным и эксплуатационным показателям статические преобразователи позволяют:
— на несколько порядков снизить уровень излучаемого шума и вибрации;
— реализовать принципы модульного построения;
— выполнять быстрое восстановление путем замены отказавших блоков (модулей) на исправные из состава ЗИП;
— понизить частоту выполнения регламентных работ;
— повысить показатели энергосбережения и оказывать меньшее влияние на питающую сеть по токовым нагрузкам;
— расширить параметры диагностики аварийных режимов, в максимальной степени исключить выход из строя питаемого оборудования из-за возникновения неисправности;
— уменьшить массогабаритные характеристики;
— повысить коэффициент полезного действия;
— реализовать преимущества применения микроконтроллеров в схемах управления;
— дать возможность местного и дистанционного управления выходным напряжением.
Данный вид преобразователей рассчитан для работы при температуре окружающего воздуха от -10 до 55 °С.
Существенным минусом статических преобразователей является присутствие на выходе помех с частотой питающего напряжения, а также гармонических составляющих в результате работы высокочастотных инверторов.
Как пример существенного превосходства статических преобразователей над электромашинными аналогами в табл. 1 приведена сравнительная характеристика электромашинного преобразователя АТО-1-400Р и статического преобразователя СПН 38 0/5 0/3 -1-230/400/3, выпускаемого ОАО «Тайфун» (Калуга).
Таблица 1
Сравнительная характеристика электромашинного и статического преобразователей
Техническая характеристика Тип преобразователя
АТО -1-400Р СПН 380/50/3-1-230/400/3
Напряжение питающей сети, В 220/380 220/380
Частота питающей сети, Гц 50 47-420
Количество фаз питающей сети 3 1, 3
Допустимое изменение напряжения питающей сети, % ±5,0 +10; -15
Допустимое изменение частоты питающей сети, % ±2,5 47-420 Гц
Выходная мощность, кВт 1,0 1,0
Коэффициент полезного действия, % 45,0 80,0
Потребляемая мощность на холостом ходу, кВт 0,8 0,008
Режим работы Продолжительный Продолжительный
Уровень интенсивности воздушного шума Общий уровень 75 дБА Не более 60 дБА на расстоянии 0,5 м
II университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
Таблица 1 (Окончание)
Вероятность безотказной работы за период 4 тыс. ч при доверительной вероятности 0,8 0,9 0,98
Назначенный ресурс до списания, ч 35 000 120 000
Назначенный срок службы до списания, лет 10 25
Габаритные размеры, мм 398 ■ 646 ■ 450 100 ■ 220 ■ 310
Масса, кг 196 15
Одной из характеристик преобразователя является пространственное размещение аппаратуры. При рассмотрении данного вопроса статические преобразователи имеют ряд преимуществ. Компактность системы питания на основе статических преобразователей объясняется тем, что вся необходимая аппаратура размещается непосредственно в корпусе преобразователя и нет необходимости в массивных фундаментах и амортизаторах. В то время как системы питания на основе вращающихся преобразователей должны иметь в своем составе аппаратуру управления и регулирования, а также кабельные трассы, соединяющие между собой электрические машины и пускорегулиру-ющую аппаратуру.
Вывод
Комплексное применение вращающихся и статических преобразователей обеспечивает возможность более рационально исполь-
зовать возможности электроэнергетической системы, обеспечивая тем самым требуемые технические свойства судна или корабля.
Применение современных силовых высокочастотных статических преобразователей позволяет:
— осуществить замену электромашинных преобразователей, что приведет к исключению или упрощению щитов распределительных устройств, уменьшению массо-габаритных показателей, резкому снижению уровня шума и вибрации;
— создавать сети бесперебойного питания с горячим резервированием без применения электромеханических или электронных переключателей;
— строить оптимальные системы питания, использующие статические преобразователи меньшей единичной мощности, для построения независимых каналов питания отдельных функционально связанных групп и отдельных потребителей.
Список литературы
1. Колосовский В. В. Корабельные преобразователи электроэнергии. — Пушкин, 2000. — ы 231 с. "К
2. Мкртчян Ж. А. Основы построения устройств электропитания. — М.: Радио и связь, ы
3. Ланцов В., Эраносян С. Эволюция импульсных источников вторичного электропитания // Силовая электроника. — 2009. — № 1.
4. Миловзоров О. В., Панков И. Г. Электроника. — М.: Высш. шк., 2005 — 289 с.
5. Леута А. А., Раввин Б. Ц. Статические преобразователи как альтернатива электромашинным преобразователям в системах электропитания // Электрическое питание. — 2005. — № 3.
6. ГОСТ 13109-97 Качество электрической энергии.
7. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. — М.: Техносфера, 2005. —
8. Электроника: справ. кн. / Ю. А. Быстров, Я. М. Великсон, В. Д. Вогман [и др.]; под ред. Ю. А. Быстрова. — СПб.: Энергоатомиздат, 1996. — 544 с.
9. http://www.power-e.ru/ — официальный сайт журнала «Силовая электроника».
10. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/index.htm — статьи по силовой электронике.
перспективы применения нового поколения в диагностических комплексах bosch fsa для диагностики
судовых двигателей
prospects of application of new generation of diagnostic complexes bosch fsa for diagnostics of ship engines
В современных двигателях постоянно растет доля электрических и электронных компонентов. Эта тенденция предъявляет к системам диагностики новые требования. В данной статье приведен обзор нового поколения диагностических комплексов "Bosoh", описаны их функциональные возможности.
The share of electric and electronic components constantly grows in modern engines. This tendency makes new demands to diagnostics systems. In given article the review of new generation of diagnostic complexes "Bosсh" is resulted, their functionality is described.
Ключевые слова: диагностика, судовые двигатели, диагностические комплексы.
Key words: diagnostics, ship engines, diagnostic complexes.
632 с.
УДК 004.8: 621.43: 629.12
В. М. Пилявский,
аспирант, СПГУВК
НИВЕРСАЛЬНЫМ диагностическим комплексом, осуществляющим как моторное, так и системное диа-
Работоспособность мотор-тестера обеспечивается пакетом программного обеспечения SystemSoft [plus], который содержит программное обеспечение для генератора сигналов, мультиметра и осциллографа, а также общие указания по подключению и алгоритмам проверки.
гностирование, является новое поколение диагностических приборов для анализа систем двигателей производства фирмы "Bosch":
FSA720/740/750.
о
[l52J
В сочетании с персональным компьютером модуль FSA 720 (Farzeug System Analyse), образует полноценный мотор-тестер, имеющий:
— генератор сигналов;
Программное обеспечение CompacSoft [plus] содержит обновляемые подробные указания по подключению и алгоритмам проверки, с 2005 г. — базу эталонных значений измеряемых величин.
— осциллограф с частотой развертки 50 МГц;
FSA 740 построен на базе модуля FSA720. Современная измерительная техника приборов нового поколения FSA фирмы "Bosch" формирует диагностическую платформу будущего. Благодаря модульной конструкции FSA720
— зонды и датчики для измерения различных величин (напряжение, ток, давление, температура и пр.).
