CC BY
95
Оригинальная статья / Original article УДК 621.311
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-3-154-171
ТЕХНИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АВТОНОМНОГО ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
1 л 4
© Г.Г. Константинов', Фам Конг Тао2, В.И. Киселев3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, 346428, Российская Федерация, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132. 3АО ПКБ «Интеллектуальные робастные интегрированные системы», 346400, Российская Федерация, г. Новочеркасск, ул. Дубовского, 15.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Техническое совершенствование зарядно-разрядного электротехнического комплекса аккумуляторных батарей, создание структурной схемы автономного зарядно-разрядного электротехнического комплекса (АЗРЭТК) с мониторингом состояния аккумуляторных батарей подводных аппаратов. МЕТОДЫ. Для достижения цели использовались методы математического моделирования, экспериментальные исследования на практических установках. РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложена математическая модель АЗРЭТК в программе Matlab Simulink. Проведено сравнение режимов заряда-разряда АЗРЭТК: напряжение на борне при зарядных, разрядных токах, зависимости напряжения при заряде токами, тока разряда, емкость, плотность электролита в масштабе реального времени на модели и на практической установке, показавшее хорошую сходимость полученных результатов. ВЫВОДЫ. Сделан выбор компонентов для новой структуры АЗРЭТК. Применение дизельного двигателя-вентильно-индукторного генератора расширяет функциональные возможности внедренного АЗРЭТК, обеспечивает его автономность. Исследования показали, что при измерениях в масштабе реального времени при заряде токами 400; 900; 1800 и 3600 А погрешность определения напряжения не превышала 2,7%. Погрешность определения измеренного тока составила 2,74%, заданного тока - 1,25%, что удовлетворяет заданным требованиям.
Ключевые слова: автономный зарядно-разрядный электротехнический комплекс, аккумуляторные батареи, дизельный двигатель-вентильно-индукторный генератор, напряжение заряда, ток заряда и ток разряда в режиме реального времени.
Информация о статье. Дата поступления 14 февраля 2018 г.; дата принятия к печати 22 февраля 2018 г.; дата онлайн-размещения 31 марта 2018 г.
Формат цитирования. Константинов Г.Г., Фам Конг Тао, Киселев В.И. Техническое совершенствование автономного зарядно-разрядного электротехнического комплекса аккумуляторных батарей подводных аппаратов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 3. С. 154-171. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-154-171
TECHNICAL IMPROVEMENT OF AN AUTONOMOUS CHARGE-DISCHARGE ELECTROTECHNICAL COMPLEX OF UNDERWATER DEVICE STORAGE BATTERIES
G.G.Konstantinov, Pham Cong Tao, V.I. Kiselev
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
Константинов Геннадий Григорьевич, кандидат технических наук, профессор, e-mail: [email protected] Gennady G. Konstantinov, Candidate of technical sciences, Professor, e-mail: [email protected]
2Фам Конг Тао, аспирант, e-mail: [email protected] Pham Cong Tao, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
3Киселев Василий Иванович, технический директор, e-mail: [email protected] Vasily I. Kiselev, Technical Director, e-mail: [email protected]
Platov South-Russian State Polytechnic University,
132, Prosveshcheniya St., Novocherkassk, 346400, Russian Federation
"Intelligent Robust Integrated Systems" JSC PDB,
15, Dubovsky St., Novocherkassk, 346400, Russian Federation
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is technical improvement of the charge-discharge electrotechnical complex of storage batteries and development of the structural diagram of an autonomous charge-discharge electrotechnical complex (ACDEC) with the monitoring of underwater device battery state. METHODS. To achieve the set goal the methods of mathematical modeling have been used as well as experimental researches on practical installations. RESULTS. A mathematical model of ACDEC is proposed in Matlab Simulink software. ACDEC charge-discharge modes are compared: voltage on the terminal at charge/discharge currents, dependences of voltage under the charge by currents, discharge current, capacitance, electrolyte density in the real time scale on models and a practical installation that have demonstrated good convergence of the results obtained. CONCLUSIONS. The components for the new structure of AC-DEC are selected. The use of the diesel engine - a switched inductor-type generator extends the functionality of the introduced ACDEC ensuring its autonomy. The studies have shown that the error of voltage determination did not exceed 2.7%, the error of measured current determination was 2.74% and set current - 1,25% (which meets the specified requirements) when performing real time measuremens under the charge by the currents of 400; 900; 1800 и 3600 А. Keywords: autonomous charge-discharge electrotechnical complex, storage batteries, diesel engine - a switched inductor-type generator, charge voltage diagram, real time charge current and current discharge
Information about the article. Received February 14, 2018; accepted for publication February 22, 2018; available online March 31, 2018.
For citation. Konstantinov G.G., Pham Cong Tao, Kiselev V.I. Technical improvement of an autonomous chargedischarge electrotechnical complex of underwater device storage batteries. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 3, pp. 154-171. (In Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-154-171
Введение
В последние два десятилетия в судостроении происходили быстрые и радикальные изменения, связанные с совершенствованием и применением зарядно-разрядных комплексов аккумуляторных батарей (ЗРК АКБ). В настоящее время такие ЗРК АКБ нашли применение на судах практически всех видов дизель-электрических подводных лодок, подводных аппаратов (батискафы, необитаемые глубоководные аппараты и т.д.) с аккумуляторными батареями, являющимися единственными источниками электроэнергии в подводном положении, а также надводных кораблей с электродвижением, имеющим в качестве резервного (аварийного) источника электропитания аккумуляторные батареи. В известных ЗРК АКБ отсутствует возможность автоматизированного контроля текущего технического состояния каждого элемента аккумуляторной батареи как в процессе разряда, так и процессе заряда. Вследствие этого автоматические зарядные устройства обеспечивают заряд только по
одному критерию - пока напряжение на аккумуляторных батареях не достигнет определенного заранее заданного значения.
Известные ЗРК не учитывают мониторинга технического состояния каждого элемента АКБ [1-3], и по этой причине ограничивается срок эксплуатации аккумуляторных батарей. Дальнейшее совершенствование ЗРК АКБ возможно путем повышения эффективности эксплуатации аккумуляторных батарей за счет мониторинга технического состояния каждого элемента АКБ, благодаря которому увеличивается их ресурс и срок службы, а также повышается автономность подводных аппаратов. Существенным толчком к техническому совершенствованию и исследованию автономного ЗРК АКБ на базе дизель-генератора [4, 5] послужило бурное развитие и внедрение систем мониторинга с автоматизированным предоставлением оператору полномасштабной и достоверной контрольно-диагностической информации о текущем техническом состоянии каждого элемента в
масштабе реального времени с использованием системы контроля и диагностики4 [6].
Поэтому техническое совершенствование ЗРК АКБ, позволяющее осуществлять мониторинг состояния каждого элемента АБ, является актуальной задачей.
Единственным источником энергии дизель-электрической подводной лодки в подводном положении являются АКБ. С целью успешной эксплуатации (заряда и разряда) и продления жизненного цикла АКБ по техническому заданию, согласованному с АО ЦКБ МТ «Рубин» (г. Санкт-Петербург), в Новочеркасском АО «ИРИС» разработан, изготовлен и передан в эксплуатацию автономный зарядно-разрядный электротехнический комплекс (АЗРЭТК) [7]. Данный АЗРЭТК работает от высоковольтной стационарной сети напряжением 6-10 кВ и успешно обеспечивает автоматизированный заряд-разряд АКБ на различных объектах промышленного и военного назначения. Ввиду трудности организации трехфазной сети высокого напряжения в
условиях влажного климата, в частности, во Вьетнаме, где относительная влажность воздуха более 80% и температура +40°С, применение АЗРЭТК с входным высоковольтным трансформатором по патенту [7] без доработок практически невозможно.
В известных ЗРК АКБ (таблица) отсутствует возможность автоматизированного контроля текущего технического состояния каждого элемента аккумуляторной батареи как в процессе разряда, так и в процессе заряда. Мониторинг технического состояния каждого элемента АКБ не проводится, вследствие чего ограничивается срок эксплуатации АКБ [1-3].
На рис. 1 представлен мобильный зарядно-разрядный комплекс (МЗРК), в состав которого входят следующие элементы (приоритет по составу и размещению системы охлаждения МЗРК): 1 - шкаф ЭВМ; 2 - устройство сопряжения; 3 - дроссели; 4 - насос; 5 - вентиляторы; 6 - радиаторы; 7 - расширительные бачки; 8 - трубопроводы; 9 - щит распределительный силовой; 10 - щит постоянного тока; 11 - стойка силовая.
Основные параметры ЗРУ Basic parameters of the charge-discharge device
Параметр / Parameter Значение / Value
Регулируемый выходной зарядный ток, А / Controlled output charge current, A 300-3600
Выходной разрядный ток (при лечебных циклах), А / Output discharge current (at treatment cycles), A 300-1850
Максимальный ток заряда, А / Maximum charge current, A 3600
Дискретность установки токов, А / Discreteness of current setting, A 10
Выходное напряжение при заряде, В / Output voltage at charge, V 150-350
Точность поддержания токов и напряжения / Accuracy of current and voltage maintenance^ 3
Коэффициент полезного действия / Efficiency factor,% не менее 91* / not less than 91*
Режим работы / Operation mode продлжительный / continuous
*В номинальном режиме работы / at rated operation.
4Савченко А.В. Разработка корабельной автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей дизель-электрических подводных лодок: дис. ... канд. техн. наук; 05.13.06. Санкт-Петербург, 2007. 180 с. / Savchenko A.V. Development of shipboard automated monitoring and diagnostic system for diesel-electric submarine batteries: Candidate's Disserttion in technical sciences; 05.13.06. St. Petersburg, 2007, 180 p.
Функциональная схема МЗРК приведена на рис. 2. Комплекс состоит из следующих функциональных узлов:
- комплектная трансформаторная подстанция (КТП) - высоковольтная часть зарядно-разрядного устройства (ЗРУ): щит высоковольтный (ЩВ), к которому подключается промышленная сеть трехфазного переменного напряжения величиной (10+0,5 (6+0,3)) кВ, частотой 50 Гц; высоковольтный автоматический выключатель (ВАВ); трансформатор Т1 напряжением 10(6)/0,4 кВ; автоматические выключатели QF1-QF4;
- низковольтная часть ЗРУ, включающая: нагрузочное устройство (НУ); блок сопряжения (БС); шкаф ЭВМ (на рис. 2 не показан); блок рекуператора (БР); блоки выпрямителей (БВ1 и БВ2); блок понизителя (БП) (рис. 3); батарейный автомат (БА), к которому подключается аккумуляторная батарея (АКБ); блок заряда конденсаторов (БЗК); щит питания собственных нужд (ЩПСН); автоматический выключатель S; блок преобразователя для питания корабельных потребителей (БП120). Соединения между силовыми блоками выполнено шинами.
Исходя из технических данных и предложенных на рынке транзисторов данной мощности для блока понизителя был выбран транзистор фирмы EUPEC FZ3600R17KE3.
Назначение составных частей МЗРК заключается в следующем:
- ЗРУ предназначено для проведения заряда-разряда АКБ (2 группы по 120 свинцово-кислотных аккумуляторов) при питании от трехфазной сети напряжением 10 кВ (6 кВ), частотой 50 Гц;
- НУ обеспечивает поддержание разрядных токов 400, 800, 920 и 1850 А при проведении лечебного цикла АКБ, при начальном напряжении на АКБ 320-290 В до достижения конечного напряжения 210 В;
- преобразователь обеспечивает питание корабельных потребителей (радиоэлектронная аппаратура, аппаратура управления, освещение, электроприводы (максимальная мощность двигателя ~30 кВт) постоянным током в режиме стабилизации напряжения в диапазоне 175-320 В;
- комплект щитов предназначен для подачи питания на заказ и для технологического обеспечения базирования.
КТП
ЗРУ
Рис. 2. Функциональная схема МЗРК Fig. 2. Functional diagram of the autonomous charge-discharge complex
Рис. 3. Внешний вид блока понизителя мощного зарядно-разрядного комплекса Fig. 3. Exterior view of the reducing block of the powerful charge-discharge complex
Автоматизированная система управления
Управление МЗРК осуществляется с помощью распределенного аппаратно -программного комплекса, состоящего из шкафа ЭВМ и микропроцессорных контроллеров, интегрированных (встроенных)
в следующие блоки ЗРУ:
- блок заряда конденсаторов (БЗК); блок выпрямителя 1 (БВ1); блок выпрямителя 2 (БВ2); блок сопряжения (БС); блок рекуперации (БР); блок понизителя (БП);
блок преобразователя (БП120);
- шкаф ЭВМ и микропроцессорные контроллеры блоков ЗРУ, в которых установлены программы, обеспечивающие выполнение ими необходимых функций контроля и управления. Блок-схема информационного взаимодействия шкафа ЭВМ с блоками ЗРУ представлена на рис. 4.
В работе предложен модернизированный АЗРЭТК, обеспечивающий полную автономность и независимость от стационарной сети напряжением 6-10 кВ за счет применения дизель-генератора (ДГ) с вен-тильно-индукторной машиной (ВИМ).
Предложенный АЗРЭТК также предназначен для заряда регулируемым постоянным током корабельных АКБ с возможностью обеспечения режима разряда с рекуперацией химической энергии, накопленной в АКБ и с обеспечением проведения заряда-разряда двух групп по 120 свинцо-во-кислотных аккумуляторов при питании дизельного двигателя-вентильно-индуктор-ного генератора (ДД-ВИГ).
На рис. 5 приведена структурная схема АЗРЭТК, где цифрами обозначены: 1 - сеть переменного тока с группой потре-
бителей переменного тока; 2, 3, 27, 28, 29 -автоматические выключатели; 4 - нагрузка; 5 - импульсный трансформатор; 6 - щит дизель-генератора; 7 - комплекс агрегати-рованных средств управления электроэнергетической системой; 8 - последовательно соединенные АКБ; 9 - первый АКБ; 10 - второй АКБ; 11 - п-й АКБ (отрицательная клемма первого аккумулятора 9 подключена к положительной клемме второго аккумулятора 10 и т.д.); 12 - датчик тока; 13 - блок инвертора; 14 - выпрямитель;
15 - блок силовых ЮВТ-ключей;
16 - ДД-ВИГ; 17, 20, 23 - датчики напряжения; 18, 21, 24 - датчики уровня электролита; 19, 22, 25 - датчики температуры электролита; 26 - датчик напряжения; 30 - шина сети электроэнергетической системы; 31, 32, 33 - устройства контроля параметров АКБ; 34 - шина информационного обмена (CAN-bus интерфейс) распределенных систем реального времени; 35 - шкаф ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга; 36 - блок обработки информации; 37 - гребной винт; 38 - гребной электродвигатель; 39 - щит гребного электродвигателя.
Рис. 4. Блок-схема информационного взаимодействия ЭВМ с блоками ЗРУ Fig. 4. Block diagram of computer and charge-discharge device information interaction
Рис. 5. Структурная схема АЗРЭТК Fig. 5. Structural diagram of the autonomous charge-discharge electrotechnical complex (ACDEC)
Комплекс АЗРЭТК обеспечивает [6,
8]:
- мониторинг текущего технического состояния аккумуляторных батарей, включая каждую банку аккумулятора;
- предоставление оператору полномасштабной и достоверной контрольно-диагностической информации о текущем техническом состоянии каждого элемента в реальном времени с использованием системы контроля и диагностики (СКД);
- повышение эффективности эксплуатации аккумуляторных батарей и, как следствие, увеличение их ресурса и срока службы, а также повышение автономности подводной лодки;
- максимальную экономию электроэнергии в сети напряжения переменного тока (восполнение электроэнергии для питания потребителей, подключенных к этой сети) за счет рекуперации в полном объеме всей химической энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, при выполнении многократных циклов заряда-разряда аккумуляторной батареи;
- эффективный тренировочный процесс вплоть до полного разряда аккумуляторной батареи;
Целью настоящей статьи является исследование на математической модели функциональных возможностей АЗРЭТК, построенного с использованием ДД-ВИГ и полупроводниковых преобразователей напряжения для заряда-разряда корабель-
ных АКБ большой емкости регулируемым реверсивным постоянным током при проведении формовочных циклов заряда-разряда от источника ДД-ВИГ мощностью 1320 кВт.
Принцип работы АЗРЭТК представлен на рис. 6, где приняты следующие условные обозначения:
ДД-ВИГ - дизельный двигатель -вентильно-индукторный генератор;
БТ - блок силовых IGBT-ключей;
ИТ - импульсный трансформатор;
ВУ - выпрямитель устройства;
БФ - блок фильтра;
НУ - нагрузочное устройство;
АКБ - аккумуляторные батареи;
DC/AC - инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный трехфазный ток, сеть переменного тока частотой 3~50 Гц напряжением 380 В.
ДД и ВИГ соединены коаксиально. Энергия вращения передается от вала ротора на электрический генератор, от которого выработанная электроэнергия поступает через блок силовых ЮВТ-ключей, проходит через импульсный трансформатор, выпрямитель, блок фильтра и осуществляет заряд АКБ. Ток разряда и напряжение аккумуляторной батареи в инверторе преобразуется в необходимое для использования переменное напряжение, соответствующее стандартам 380 В / 50 Гц [4, 6].
Рис. 6. Структурная схема блока АЗРЭТК Fig. 6. Block diagram of the autonomous charge-discharge electrotechnical complex unit
Функциональная схема блока АЗРЭТК
Блок рекуперации (БР), функциональная схема которого представлена на рис. 7, предназначен для разряда АКБ. Особенностью данного блока является возможность возврата энергии АКБ в сеть
или ее передачу на нагрузочное устройство. В качестве управляющего микропроцессорного контроллера используется ТМБ320х24хх [9].
Рис. 7. Функциональная схема блока рекуперации Fig. 7. Functional block diagram of the recovery unit
При разряде ШИМ-управление подает сигналы в сеть платы управления со встроенным микропроцессорным контроллером на транзисторы ^Т1; VT2; VT3; VT4; VT5; VT6) и через драйверы формирует на выходе трехфазную синусоиду тока. Изменением величины амплитуды синусоиды происходит регулирование тока разряда АКБ.
При разряде на нагрузочное устройство сигналы ШИМ-управления подаются только на транзисторы VT1, VT3, VT5, а транзисторы VT2, VT4, VT6 должны быть закрыты. Шириной импульса ШИМ-управления регулируется ток разряда. Для предупреждения глубокого разряда на входе блока измеряется напряжение, и если оно приближается к значению 1,8 В на аккумулятор, то необходимо выдать соответствующее предупреждение на экран шкафа ЭВМ.
Плата датчиков напряжения измеряет напряжение на выходе БР для отслеживания перехода фазы через ноль и ее автоматической синхронизации с сетью. Платы датчиков напряжения и тока измеряют ток разряда АКБ и напряжение на входе и конструктивно одинаковы. Измеренные значения напряжений и токов передаются на плату управления по шине
CAN. Каждая из плат имеет два внешних двухканальных АЦП, по которым она получает данные от датчиков тока и напряжения. Предполагаемый график заряда представлен на рис. 8, напряжение переключения между ступенями составляет около 300 В.
Таким образом, можно предположить, что устройство должно обеспечивать: ток заряда 3600 А - до напряжения АКБ 300 В; 1800 А - до 300 В; 900 А - до 300 В; 400 А - до 320 В.
На рис. 9 представлена математическая модель АЗРЭТК в программе Matlab Simulink [10, 11].
Ток на выходе генератора [5] через блок силовых ЮВТ-ключей и импульсный трансформатор Т проходит фильтр LC и осуществляет заряд АКБ. Сигналы, поданные на блок Scopel, показаны на рис. 10. При разряде: фильтрованное напряжение постоянного тока прикладывается к инвертору IGBT, генерирующему напряжение частотой 50 Гц. Инвертор IGBT использует ШИМ, напряжение на выходе инвертора через фильтр поступает к измерению. Сигналы, поданные на блок Scope2, показаны на рис. 1 1 . Здесь же показаны формы волн напряжения фаз, когда аккумуляторные батареи разряжаются в сеть.
Рис. 8. График заряда батарей Fig. 8. Battery charge schedule
Рис. 9. Математическая модель АЗРЭТК при заряде/разряде Fig. 9. Mathematical model of the autonomous charge-discharge electrotechnical complex at charge / discharge
Исходя из опыта в области построения автоматизированных систем, отметим важнейшие аспекты, связанные с реализацией систем контроля АКБ (СКД АКБ). Ранее в [12] была проведена отработка алгоритмов устройства контроля и экспериментальная проверка работоспособности его каналов измерения тока, напряжения, температуры, уровня электролита на стенде ЗАО «Электротяга» (г. Санкт-Петербург). Целью указанной проверки являлось изучение поведения и идентификация параметров АЗРЭТК и АКБ при различных режимах работы, с подтверждением и уточнением математического аппарата обработки данных, применяемого на верхнем уровне ЭВМ СКД АКБ4 [13-17].
Приведем основные пункты программы: проверка канала измерения тока АКБ; проверка канала контроля напряжения.
В ходе эксперимента были получены результаты, часть которых приведена на рис. 12-21. Проанализируем полученные данные. На рис. 12 приведена осциллограмма напряжения на клеммах аккумулятора в режиме заряда при токе 400 А. Очевидно, наличие пульсаций напряжения на аккумуляторе (из-за неоптимального режима работы зарядного устройства) не оказывает влияния на канал измерения напряжения за счет использования входных интегрирующих цепей. Однако применение этих цепей в канале тока не дает желаемого сглаживания пульсаций на рис. 13.
1.0 1.15 1.30 1.45 1.60 г. с u -1-1-1-1-
1.0 1.15 1.30 1.45 1.60 t,c
с d
Рис. 10. Результаты моделирования тока и напряжения по ступени заряда, a - ступень 1зар = 3600 А, U = 300 В; b - II ступень 1зар = 1800 А, U = 300 В; c - III ступень Зар = 900 А, U = 300 В; d - IV ступень Зар = 400 А, U = 320 В
Fig. 10. Results of current and voltage simulation by the charge stage: a -1 stage Icharge = 3600 A, U = 300 V; b - II stage Icharge = 1800 A, U = 300 V; c - III stage Icharge= 900 A, U = 300 V; d - IV stage Icharge = 400 A, U = 320 V
Использование интегрирующих цепей с большими постоянными времени приводитт к снижению точности измерения, ввиду чего эта задача была решена программно, и учтена в АЗРЭТК, путем уменьшения дискретизации измерения по величине и по времени с применением интегрирующих уравнений.
Ввиду того что режим разряда АКБ организован с помощью применения инвертора (с отдачей энергии обратно в сеть), на осциллограмме напряжения аккумулятора также присутствуют пики высокочастотных помех (рис. 14). Очевидно, что в канале измерения напряжения (вход АЦП) эти высокочастотные составляющие отсутствуют (рис. 15).
m Энергетика
Ses Power Engineering
Uac, В
1.0 1.15 1.30 1.45 1.60 1.75 t, с
Рис. 11. Результаты моделирования напряжения при разряжении АКБ в сеть переменного тока Fig. 11. Voltage simulation results under storage battery discharge into the AC main
Рис. 12. Осциллограмма напряжения на борне при токе заряда 400 А Fig. 12. Voltage oscillogram on the terminal at the charge current of 400 A
l_A Prévu
Источник
: СИНХрОСИГН. !
Kl Среднее 1.45 В
Внешний/10 (Ext/10)
2U0mB К2 ЗО.ОтВ . I 2.00I11C Л К2 Л.-71.0тВ
Источник Тип входа Наклон Уровень дРТп К2 пост, ток л. -71.0тВ
Рис. 13. Осциллограмма тока при заряде 400 А Fig. 13. Current oscillogram at the charge of 400 A
Рис. 14. Осциллограмма напряжения на борне при трехчасовом разряде током 1700 А Fig. 14. Voltage oscillogram on the terminal under the three-hour discharge by the current of 1700 A
Рис. 15. Осциллограмма напряжения на входе АЦП с борна при трехчасовом разряде током 1700 А Fig. 15. Voltage oscillogram at A/D converter input from the terminal with a three-hour discharge by the current
of 1700 A
На рис. 16 приведены характеристики емкости АКБ в реальном времени при заряде токами 3600; 1800; 900; 400 А. Эти данные были получены из энергонезависимой памяти устройства контроля параметров аккумулятора (УКПА).
На рис. 17 показаны характеристики плотности электролита АКБ в масштабе
реального времени. Погрешность определения расчетной плотности (1) соствляет 1,18%, экспериментальной (2) - 6,8%.
На рис. 18 приведена зависимость напряжения при заряде токами, А: I ступень - ток 3600; II - 1800; III - 900; IV - 400. На рис. 19 приведена зависимость напряжения при разряде током 400 А.
C, А*ч
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 О
1 ^
10
15
20
t, час
0
5
Рис. 16. Емкость АКБ в реальном времени при заряде токами 3600; 1800; 900 и 400 А, где 1 - емкость УКПА; 2 - экспериментальная емкость Fig. 16. Storage battery capacity in real time with the charge by the currents of3600; 1800; 900 and 400 A where: 1 - battery parameter monitoring device capacity; 2 - experimental capacity
Рис. 17. Плотность электролита при заряде токами 3600; 1800; 900 и 400 А, где 1 - плотность расчетная; 2 - плотность экспериментальная Fig. 17. Electrolyte density at the charge by the currents of 3600; 1800; 900 and 400 А, where: 1 - reference density; 2 - experimental density
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
и /
4:48 pm 7:12 pm 9:3öpm 12:00 am 2:24 am 4:48 am 7:12am t, ЧЭС:М
Рис. 18. Зависимость напряжения при заряде токами 3600; 1800; 900 и 400 А Fig. 18. Voltage dependence at the charge by the currents of 3600; 1800; 900 and 400 А
и. в
2Ü0 255 230 70S
180
0:00 6:00 12:00 18:00 24:00 30:00 36:00 42:00 48:00 1: час
Рис. 19. Зависимость напряжения при разряде током 400 А Fig. 19. Voltage dependence at the discharge by the current of 400 A
На рис. 20 показана зависимость напряжения в масштабе реального времени при заряде токами 3600; 1800; 900 и
400 А. Погрешность определения экспериментального напряжения составляет 0%, напряжения УКПА - 2,7%.
14.24
17.12 t, час:м
Рис. 20. Зависимость напряжения при заряде токами 3600; 1800; 900 и 400 А, где 1 - напряжение эксперементальное, 2 - напряжение УКПА Fig. 20. Voltage dependence at the charge by the currents of 3600; 1800; 900 and 400 A, where: 1 - experimental voltage, 2 - battery parameter monitoring device voltage
На рис. 21 показана зависимость тока в масштабе реального времени при заряде токами 3600; 1800; 900 и 400 А. Погрешность определения измеренного тока составляет 2,74%, заданного тока - 1,25%,
что удовлетворяет требованиям: точность поддержания тока и напряжения на выходе в режиме заряд/разряд должна быть в пределах ±3%.
Рис. 21. Ток в реальном масштабе времени при заряде 3600; 1800; 900 и 400 А, где 1 - ток измеренный, 2 - ток заданный Fig. 21. Current in real time scale with the charge of 3600; 1800; 900 and 400 A, where: 1 -measured current, 2 - set current
Выводы
Одним из возможных путей технического совершенствования автономных за-рядно - разрядных электротехнических комплексов аккумуляторных батарей подводных аппаратов, является использование предложенного в работе модернизированного АЗРЭТК, обеспечивающего полную автономность и независимость от стационарной сети напряжением 6-10 кВ за счет применения дизель-генератора с вентиль-но-индукторной машиной.
Исследования функциональных возможностей АЗРЭТК на математической модели и экспериментальные исследования на реальных установках от источника ДД-ВИГ мощностью 1320 кВт, показали существенное расширение функциональных возможностей данного АЗРЭТК, при достижении максимально возможной экономии энергии, затрачиваемой в процессе неоднократных циклов заряда-разряда ко-
рабельных аккумуляторных батарей большой емкости.
Использование в АЗРЭТК автоматизированной системы контроля и диагностирования АКБ предоставляет широкие функциональные возможности и повышение достоверности результатов контроля и диагностирования за счет охвата комплексной проверкой в реальном масштабе времени всех аккумуляторов по напряжению на банке, выделенной части аккумуляторов по ЭДС, уровню и температуре электролита, по напряжению АКБ в целом, по току нагрузки и току заряда АКБ, дополненной расчетом значений плотности электролита в масштабе реального времени, сопротивления изоляции, емкости, времени до окончания разряда АКБ, прогнозом остаточного ресурса и срока службы АКБ и т.д. и в связи с автоматизацией процесса эксплуатации АКБ в целом.
Библиографический список
1. Устройства зарядные серии УЗА [Электронный ресурс] // Преобразовательная техника. Зарядные и зарядно-разрядные утройства. ПАО «Электровыпрямитель». URL: http://www.elvpr.ru/preobraz-technic/zaryadpusk/uza.php (17.01.2018).
2. Пат. 89296 РФ, МПК: H02J7/00. Автоматизированная сильноточная система зарядки-разрядки аккумуляторных батарей / Н.А. Иванов, В.И. Красов, О.В. Куличенко, А.Н. Лебедев, В.Т. Николаенко и др., 2009.
3. Пат. 122212 РФ, МПК: H02J7/32. Автономная электростанция / Ю.П. Стоянов, В.В. Зенин, Д.П. Колесников. 2006.
4. Пат. № 2595267. Мобильный зарядно-разрядный комплекс для корабельных аккумуляторных батарей // Фам Конг Тао., А.П. Темирёв, А.А. Цветков, В.И. Киселев и др. 2016.
5. Фам Конг Тао, Фам Ван Вьен, Нгуен Фыонг Ти, Абакумов М.И. Разработка дизельного двигателя-вентильно-индукторного генератора для мобильного зарядно-разрядного комплекса // Успехи современной науки. 2017. Т. 5. № 4. С. 104-111.
6. Пат. № 2377157. Электроэнергетическая система перспективных дизель-электрических подводных лодок с мониторингом состояния аккумуляторных батарей / К.С. Ляпидов, А.В. Анисимов,
A.П. Темирёв и др. 2009.
7. Пат. 2419943 РФ. Зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети /
B.М. Павлюков, А.Н. Юдин, А.В. Кротенко, В.К. Куликов, А.П. Темирёв и др. 2010.
8. Пат. 2106679 РФ, МПК G 05 В 23/02. Зарядно-разрядное устройство с рекуперацией электроэнергии в корабельную сеть / И.В. Капустин, И.В. Киселев, Б.В. Никифоров, А.П. Прасолин, А.П. Темирёв. 2013. Бюл. 31.
9. Темирёв А.П., Козаченко В.Ф., Обухов Н.А., Алучин А.С., Нукифоров Б.В., Трофимов С.А., Байков В.П. Контроллеры МК 11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями // CHIP NEWS. 2002. № 4 (67). C. 24-30.
10. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPower Systems и Simulink. М.: ДМК-Пресс, 2007. 288 с.
11. Лурье М.С., Лурье О.М. Имитационное моделирование схем преобразовательной техники. Красноярск: Изд-во СГТУ, 2007. 145 c.
12. Темирев А.П. Совершенствование комплекса устройств релейной защиты, автоматики и диагностики судовых электроэнергетических систем: монография. Ростов н/Д: Изд-во Ростовского университета, 2005. 150 с.
13. Пат. № 2474832. Автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования / А.П. Темирёв, В.И. Киселев, А.В. Кротенко и др. 2013.
14. Ясаков Г.С. Корабельные электроэнергетические системы. СПб.: Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова, 1999. 640 с.
15. Пат. 89296 РФ. МПК: H02J7/00. Автоматизированная сильноточная система зарядки-разрядки аккумуляторных батарей / Н.А. Иванов, В.И. Красов, О.В. Куличенко, А.Н. Лебедев, В.Т. Николаенко. и др. 2009.
16. Абрамов В.И., Соколов А.А., Тютрюмов О.С. Анализ сроков службы аккумуляторных батарей в эксплуатации. Автотракторное электрооборудование: науч.-техн. реф. сб. М.: Изд-во НИИНавто-пром. 1974. № 8. С. 18-22.
17. Бабаев А.И. Стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. М.: Воениздат, 1967. 173 с.
References
1. Ustroistva zaryadnye serii UZA. Preobrazovatel'naya tekhnika. Zaryadnye i zaryadno-razryadnye utroistva [Charging devices of the UZA series. Conversion devices. Charging and charge-discharge devices]. Available at: http://www.elvpr.ru/preobraz-technic/zaryadpusk/uza.php (accessed 17 January 2018).
2. Ivanov N.A., Krasov V.I., Kulichenko O.V., Lebedev A.N., Nikolaenko V.T. [et al.]. Avtomatizirovannaya sil'notochnaya sistema zaryadki-razryadki akkumulya-tornykh batarei [Automated high-current chargedischarge system of accumulator batteries]. Patent RF, no. 89296, 2009.
3. Stoyanov Yu.P., Zenin V.V., Kolesnikov D.P. Avtonomnaya elektrostantsiya [Stand-by power station]. Patent RF, 122212 RF, 2006.
4. Fam Kong Tao, Temirev A.P., Tsvetkov A.A., Kiselev V.I. [et al.]. Mobil'nyi zaryadno-razryadnyi kompleks
dlya korabel'nykh akkumulyatornykh batarei [Mobile charge-discharge system for shipboard accumulator batteries]. Patent RF, no. 2595267, 2016.
5. Fam Kong Tao, Fam Van V'en, Nguen Fyong Ti, Abakumov M.I. Development of the diesel engine switched reluctance generator for mobile chargedischarge complex. Uspekhi sovremennoi nauki [Modern Science Success]. 2017, vol. 5, no. 4, pp. 104-111. (In Russian).
6. Lyapidov K.S., Anisimov A.V., Temirev A.P. [et al.]. Elektroenergeticheskaya sistema perspektivnykh dizel'-elektricheskikh podvodnykh lodok s monitoringom sos-toyaniya akkumulyatornykh batarei [Electric power system of promising diesel-electric submarines with storage battery state monitoring]. Patent RF, no. 2377157, 2009.
7. Pavlyukov V.M., Yudin A.N., Krotenko A.V., Kulikov V.K., Temirev A.P. [et al.]. Zaryadno-razryadnyi
beregovoi kompleks dlya korabel'nykh akkumulya-tornykh batarei s elektropitaniem ot vysokovol'tnoi seti [Charge-discharge coastal complex for shipboard storage batteries supplied from a high-voltage network]. Patent RF, no. 2419943, 2010.
8. Kapustin I.V., Kiselev I.V., Nikiforov B.V., Prasolin A.P., Temirev A.P. Zaryadno-razryadnoe ustroistvo s rekuperatsiei elektroenergii v korabel'nuyu set' [Chargedischarge device with electric energy recovery into the ship's network]. Patent RF, no. 2106679, 2013.
9. Temirev A.P., Kozachenko V.F., Obukhov N.A., Alu-chin A.S., Nukiforov B.V., Trofimov S.A., Baikov V.P. MK 11.3 controllers for high-performance systems of engine direct digital control. CHIP NEWS. 2002, no. 4 (67), pp. 24-30.
10. Chernykh I.V. Modelirovanie elektrotekhnicheskikh ustroistv v MATLAB. SimPower Systems i Simulink [Modeling of electrical devices in MATLAB, SimPower Systems and Simulink]. Moscow: DMK-Press Publ., 2007, 288 p. (In Russian).
11. Lur'e M.S., Lur'e O.M. Imitatsionnoe modelirovanie skhem preobrazovatel'noi tekhniki [Simulation modeling of conversion device circuits]. Krasnoyarsk: Sibirskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet Publ., 2007, 145 p. (In Russian).
12. Temirev A.P. Sovershenstvovanie kompleksa ustroistv releinoi zashchity, avtomatiki i diagnostiki su-dovykh elektroenergeticheskikh sistem [Improvement of the complex of devices of relay protection, automatics and diagnostics of shipboard electric power systems].
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Rostov na Donu: Rostovskii gosudarstvennyi universitet Publ., 2005, 150 p. (In Russian).
13. Temirev A.P., Kiselev V.I., Krotenko A.V. [et al.]. Avtomatizirovannaya sistema kontrolya i diagnostiki akkumulyatornykh batarei korabel'nogo bazirovaniya [Automated system for control and diagnostics of ship-based storage batteries]. Patent RF, no. 2474832, 2013.
14. Yasakov G.S. Korabel'nye elektroenergeticheskie sistemy [Shipboard power systems]. Saint-Petersburg: N.G. Kuznetsov Naval Academy Publ., 1999, 640 p. (In Russian).
15. Ivanov N.A., Krasov V.I., Kulichenko O.V., Lebedev A.N., Nikolaenko V.T. [et al.]. Avtomatizirovannaya sil'notochnaya sistema zaryadki-razryadki akkumulya-tornykh batarei [Automated high-current battery charge/discharge system]. Patent RF, no. 89296, 2009.
16. Abramov V.I., Sokolov A.A., Tyutryumov O.S. Analiz srokov sluzhby akkumulyatornykh batarei v eksplu-atatsii. Avtotraktornoe elektrooborudovanie: nauchno-tekhnicheskii referativnyi sbornik [Analysis of the service life of storage batteries in operation. Motor and tractor electrical equipment: scientific and technical reports]. Moscow: Scientific Research Institute of Automobile Industry Publ., 1974, no. 8, pp. 18-22. (In Russian).
17. Babaev A.I. Starternye svintsovo-kislotnye akku-mulyatornye batarei [Starter lead-acid storage batteries]. Moscow: Voenizdat Publ., 1967, 173 p. (In Russian).
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
