Аналіз вимог, що пред'являються до автономних систем електроживлення з урахуванням забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС).
Проблеми електромагнітної сумісності пристроїв силової електроніки з техносферою пов'язані як з посиленням зворотного впливу напівпровідникових перетворювачів на живильну мережу в зв'язку з їх безперервно розширюється поширенням, так і зі зростанням вимог до якості електроенергії з-за зростання числа відповідальних споживачів, чутливих до неякісності електричної енергії. [1, 2, 3, 4, 9]
В даний час відбувається інтенсивний ріст числа електронної апаратури, функціонування якої супроводжується споживанням з мережі імпульсного струму і, як наслідок, генерацією в мережу вищих гармонічних складових, здатних викликати пошкодження електрообладнання або його неправильне функціонування. У зв'язку з цим мають бути вирішені завдання:
· Визначення вимог до якості електроенергії, яка використовується при роботі різного роду споживачів;
· Забезпечення цих вимог при створенні і експлуатації пристроїв, систем і комплексів. [5, 6, 7]
Визначення вимог до якості електроенергії здійснюється розробниками апаратури і обумовлюється точністю пристроїв. В міру ускладнення задач, розв'язуваних електронною апаратурою, відбувається підвищення вимог до її точності, і отже, до якості електроенергії.
Проблеми електромагнітної сумісності пристроїв силової електроніки з техносферою пов'язані як з посиленням зворотного впливу напівпровідникових перетворювачів на живильну мережу в зв'язку з їх безперервно розширюється поширенням, так і зі зростанням вимог до якості електроенергії з-за зростання числа відповідальних споживачів, чутливих до неякісності електричної енергії. [1, 2, 3, 4, 9]
В даний час відбувається інтенсивний ріст числа електронної апаратури, функціонування якої супроводжується споживанням з мережі імпульсного струму і, як наслідок, генерацією в мережу вищих гармонічних складових, здатних викликати пошкодження електрообладнання або його неправильне функціонування. У зв'язку з цим мають бути вирішені завдання:
· Визначення вимог до якості електроенергії, яка використовується при роботі різного роду споживачів;
· Забезпечення цих вимог при створенні і експлуатації пристроїв, систем і комплексів. [5, 6, 7]
Визначення вимог до якості електроенергії здійснюється розробниками апаратури і обумовлюється точністю пристроїв. В міру ускладнення задач, розв'язуваних електронною апаратурою, відбувається підвищення вимог до її точності, і отже, до якості електроенергії.
Взаємозв'язок електромагнітних процесів у перетворювачах та їх вплив на техніко-економічні показники апаратури показані на рис. 1.1.
Для пристроїв автоматики та обчислювальної техніки ці вимоги зводяться в основному до стабільності напруги живлення в статичних і динамічних режимах.
Забезпечення необхідної стабільності напруги харчування проводиться за рахунок розробки відповідних напівпровідникових перетворювачів енергії. Підвищення вимог до стабільності напруги призводить до ускладнення схем перетворювачів, що викликає погіршення масогабаритних, енергетичних та інших показників.
Особливо складною і важкою задачею є завдання забезпечення стабільності напруги в автономних рухомих об'єктах, де завжди мають місце жорсткі обмеження на масогабаритні показники обладнання.
Розвиток сучасних технологій характеризується широким розповсюдженням автономних об'єктів, здатних вирішувати різні виробничі завдання при різноманітних умовах експлуатації. Як правило, подібні об'єкти оснащуються автономними системами електропостачання.
Залежно від характеру функціональних завдань, що вирішуються автономними об'єктами, їх системи електропостачання містять ряд джерел вторинного електроживлення (ІВЕП) відповідних видів енергії.
Внаслідок того, що технічні пристрої, що реалізують виробничі технології, висувають певні вимоги до якості енергії, то відповідні ІВЕП забезпечуються відповідними регуляторами і утворюють разом з ними замкнуті динамічні системи.
Так як проектування динамічної системи здійснюється за умови забезпечення номінальних значень енергетичних координат, то відхилення
Для пристроїв автоматики та обчислювальної техніки ці вимоги зводяться в основному до стабільності напруги живлення в статичних і динамічних режимах.
Забезпечення необхідної стабільності напруги харчування проводиться за рахунок розробки відповідних напівпровідникових перетворювачів енергії. Підвищення вимог до стабільності напруги призводить до ускладнення схем перетворювачів, що викликає погіршення масогабаритних, енергетичних та інших показників.
Особливо складною і важкою задачею є завдання забезпечення стабільності напруги в автономних рухомих об'єктах, де завжди мають місце жорсткі обмеження на масогабаритні показники обладнання.
Розвиток сучасних технологій характеризується широким розповсюдженням автономних об'єктів, здатних вирішувати різні виробничі завдання при різноманітних умовах експлуатації. Як правило, подібні об'єкти оснащуються автономними системами електропостачання.
Залежно від характеру функціональних завдань, що вирішуються автономними об'єктами, їх системи електропостачання містять ряд джерел вторинного електроживлення (ІВЕП) відповідних видів енергії.
Внаслідок того, що технічні пристрої, що реалізують виробничі технології, висувають певні вимоги до якості енергії, то відповідні ІВЕП забезпечуються відповідними регуляторами і утворюють разом з ними замкнуті динамічні системи.
Так як проектування динамічної системи здійснюється за умови забезпечення номінальних значень енергетичних координат, то відхилення
Рис. 1.1 Взаємозв'язок електромагнітних процесів у перетворювачах та їх вплив на техніко-економічні показники |
останніх при роботі системи сприймаються нею як обурення, що діють на певні елементи системи. Відхилення енергетичних координат від номінальних значень в ряді випадків призводить до деякого еквівалентному зміни динамічних властивостей системи.
Обидва зазначених фактора обумовлюють зміну якості функціонування динамічних систем і вимагають розробки методів обліку або усунення зазначених явищ при проектуванні подібних систем. Відхилення енергетичних координат від номінальних значень у процесі роботи технічних пристроїв обумовлено обмеженням по потужності відповідних ВП. [2,7]
Відомо [3], що підвищення потужності ІП при інших рівних умовах практично завжди веде до збільшення габаритів і маси відповідного устаткування, підвищенню непродуктивних витрат енергії, (наприклад збільшення втрат холостого ходу) і отже, до погіршення загального ККД енергоустаткування. У силу зазначених причин зайве збільшення потужності ІП на автономних об'єктах і особливо на рухомих вкрай небажано, тому потужність ІП автономних об'єктів на практиці завжди обмежена і часто буває порівнянна з потужністю приймачів. Наслідком обмеженості потужності ІП є залежність значень їх вихідних координат від режиму і характеру роботи навантаження, яка, наприклад, для джерел електричної енергії визначається внутрішнім опором джерела живлення. У свою чергу характер і режими роботи приймачів визначаються режимами роботи відповідних динамічних систем, до складу яких вони входять.
Таким чином, при сумірності потужності ІП з потужністю приймачів, з одного боку, відбувається вплив режимів роботи динамічних систем на характер змін і значення вихідних (енергетичних) координат ВП, з іншого боку, наслідком відхилень енергетичних координат ВП від їх номінальних значень є
Обидва зазначених фактора обумовлюють зміну якості функціонування динамічних систем і вимагають розробки методів обліку або усунення зазначених явищ при проектуванні подібних систем. Відхилення енергетичних координат від номінальних значень у процесі роботи технічних пристроїв обумовлено обмеженням по потужності відповідних ВП. [2,7]
Відомо [3], що підвищення потужності ІП при інших рівних умовах практично завжди веде до збільшення габаритів і маси відповідного устаткування, підвищенню непродуктивних витрат енергії, (наприклад збільшення втрат холостого ходу) і отже, до погіршення загального ККД енергоустаткування. У силу зазначених причин зайве збільшення потужності ІП на автономних об'єктах і особливо на рухомих вкрай небажано, тому потужність ІП автономних об'єктів на практиці завжди обмежена і часто буває порівнянна з потужністю приймачів. Наслідком обмеженості потужності ІП є залежність значень їх вихідних координат від режиму і характеру роботи навантаження, яка, наприклад, для джерел електричної енергії визначається внутрішнім опором джерела живлення. У свою чергу характер і режими роботи приймачів визначаються режимами роботи відповідних динамічних систем, до складу яких вони входять.
Таким чином, при сумірності потужності ІП з потужністю приймачів, з одного боку, відбувається вплив режимів роботи динамічних систем на характер змін і значення вихідних (енергетичних) координат ВП, з іншого боку, наслідком відхилень енергетичних координат ВП від їх номінальних значень є
зміна (зазвичай погіршення) якості функціонування динамічних систем, які отримують енергію від даного ВП.
Якщо від одного ІП отримують енергію ряд динамічних систем, то внаслідок зазначених факторів може виникнути взаємний вплив між процесами в різних системах через загальний ВП. Для усунення цього явища можна проводити роздільне енергопостачання різних систем від декількох автономних ВП. Однак подібне вирішення проблеми в загальному випадку не завжди задовільно, оскільки застосування цілого ряду автономних ІП однієї і тієї ж фізичної природи призводить до погіршення масогабаритних і енергетичних показників якості електрообладнання.
Тому в даний час найбільш широкого поширення набули системи централізованого харчування рухомих об'єктів, що припускають використання одного спільного ІП, від якого і отримують енергію всі системи рухомого об'єкта.
Так як до складу системи «ІП-ІВЕП-навантаження», входять найрізноманітніші технічні пристрої (ТУ) різні по своїй фізичній природі і принципом дії, робота яких передбачає споживання енергії різних видів і номіналів, то системи енергопостачання за необхідності повинні містити перетворюють пристрої, забезпечують отримання енергії необхідного роду і якості.
Таким чином, система централізованого енергопостачання, крім первинного джерела живлення (ІП), містить ряд перетворювачів енергії, забезпечених регуляторами відповідних вихідних (енергетичних) координат, що є власне кажучи замкнутими регульованими динамічними системами.
Оскільки число приймачів електроенергії зазвичай велика і вони розташовані некомпактно, то між ІП і навантаженням необхідно організувати розподільну мережу, що включає в себе пристрої передачі енергії,
Якщо від одного ІП отримують енергію ряд динамічних систем, то внаслідок зазначених факторів може виникнути взаємний вплив між процесами в різних системах через загальний ВП. Для усунення цього явища можна проводити роздільне енергопостачання різних систем від декількох автономних ВП. Однак подібне вирішення проблеми в загальному випадку не завжди задовільно, оскільки застосування цілого ряду автономних ІП однієї і тієї ж фізичної природи призводить до погіршення масогабаритних і енергетичних показників якості електрообладнання.
Тому в даний час найбільш широкого поширення набули системи централізованого харчування рухомих об'єктів, що припускають використання одного спільного ІП, від якого і отримують енергію всі системи рухомого об'єкта.
Так як до складу системи «ІП-ІВЕП-навантаження», входять найрізноманітніші технічні пристрої (ТУ) різні по своїй фізичній природі і принципом дії, робота яких передбачає споживання енергії різних видів і номіналів, то системи енергопостачання за необхідності повинні містити перетворюють пристрої, забезпечують отримання енергії необхідного роду і якості.
Таким чином, система централізованого енергопостачання, крім первинного джерела живлення (ІП), містить ряд перетворювачів енергії, забезпечених регуляторами відповідних вихідних (енергетичних) координат, що є власне кажучи замкнутими регульованими динамічними системами.
Оскільки число приймачів електроенергії зазвичай велика і вони розташовані некомпактно, то між ІП і навантаженням необхідно організувати розподільну мережу, що включає в себе пристрої передачі енергії,
пристрою комутації каналів її передачі і ряд допоміжних пристроїв (фільтри, обмежувачі, датчики контролю, індикації).
Таким чином, первинні ІП спільно з розподільною, комутаційної регулюючою апаратурою і всіма перетворювачами енергії, утворюють систему електропостачання (СЕС), від якої отримують енергію всі споживачі.
Сучасне судно (корабель) з позицій системного аналізу являє собою складну ієрархічну структуру, що складається з великої кількості підсистем і комплексів, значна частина яких характеризується високим ступенем автоматизації.
До сучасних судновим системам автоматики і обчислювальним комплексам пред'являється ряд вимог, найважливіші з яких визначаються статичними, динамічними та масогабаритними показниками. Крім того, суднові системи повинні задовольняти вимогам ЕМС.
Радіоелектронна апаратура на більшості судів і кораблів отримує живлення не від основної електростанції, а від спеціальних перетворювачів електроенергії. Основні причини такого технічного рішення дві [5].
Перша полягає в тому, що параметри електроенергії для живлення радіоелектронних систем відрізняються від стандартних параметрів силової електричної мережі.
Друга причина полягає в тому, що РЕА є нелінійним споживачем і тому спотворює форму кривої напруги. У процесі розвитку як мікроелектроніки, так і силової електроніки несумісність по ланцюгах харчування збільшується. З одного боку, мініатюризація електронних схем перетворення сигналів все більш знижує рівень сигналів, роблячи схеми більш критичними до якості харчування. З іншого боку, в силовій електроніці прискорено розвиваються тиристорні і
Таким чином, первинні ІП спільно з розподільною, комутаційної регулюючою апаратурою і всіма перетворювачами енергії, утворюють систему електропостачання (СЕС), від якої отримують енергію всі споживачі.
Сучасне судно (корабель) з позицій системного аналізу являє собою складну ієрархічну структуру, що складається з великої кількості підсистем і комплексів, значна частина яких характеризується високим ступенем автоматизації.
До сучасних судновим системам автоматики і обчислювальним комплексам пред'являється ряд вимог, найважливіші з яких визначаються статичними, динамічними та масогабаритними показниками. Крім того, суднові системи повинні задовольняти вимогам ЕМС.
Радіоелектронна апаратура на більшості судів і кораблів отримує живлення не від основної електростанції, а від спеціальних перетворювачів електроенергії. Основні причини такого технічного рішення дві [5].
Перша полягає в тому, що параметри електроенергії для живлення радіоелектронних систем відрізняються від стандартних параметрів силової електричної мережі.
Друга причина полягає в тому, що РЕА є нелінійним споживачем і тому спотворює форму кривої напруги. У процесі розвитку як мікроелектроніки, так і силової електроніки несумісність по ланцюгах харчування збільшується. З одного боку, мініатюризація електронних схем перетворення сигналів все більш знижує рівень сигналів, роблячи схеми більш критичними до якості харчування. З іншого боку, в силовій електроніці прискорено розвиваються тиристорні і
транзисторні перетворювачі електроенергії з високочастотним перетворенням її параметрів.
Проблема зниження складності та вартості системи електроживлення РЕА призвела до збільшення числа споживачів, які живляться від одного вторинного щита з перетворювачем. З'явилися індивідуальне і централізоване електроживлення спецспоживачів.
Розвиток систем електроживлення РЕА йде, в основному, у двох напрямках: заміна електромашинних перетворювачів статичними і переклад на харчування безпосередньо від шин ГРЩ електростанції.
Результатом комплексної автоматизації корабельних
електроенергетичних систем стала поява на кораблях нового класу споживачів електроенергії - комплексних систем управління (КСУ), що призвело до створення спеціальних систем централізованого електроживлення СЦП. Сталося розвиток СЦП від суто захисно-розподільчих систем до систем силової електроніки, призначених для реалізації безперебійного електроживлення специфічної електронної навантаження. Зазначене дозволяє вважати системи централізованого електроживлення (СЦП) окремою частиною корабельної електротехнічної системи (Кетс). Корабельні СУ ЕЕС за існуючою класифікацією належать до класу систем управління функціональним комплексом технічних засобів автономних електроенергетичних систем.
Застосування в корабельних ЕЕС істотно нелінійних навантажень (наприклад «ДПТ-УВ») є одним з істотних факторів, що впливають на результати роботи вимірювальних ланцюгів СУ ЕЕС.
Більше 60% всієї вироблюваної у світі електричної енергії споживається електричними двигунами різних типів загальнопромислового і суднового призначення. Сучасні суднові системи, пристрої і технології вимагають від електроприводу підвищеної точності
Проблема зниження складності та вартості системи електроживлення РЕА призвела до збільшення числа споживачів, які живляться від одного вторинного щита з перетворювачем. З'явилися індивідуальне і централізоване електроживлення спецспоживачів.
Розвиток систем електроживлення РЕА йде, в основному, у двох напрямках: заміна електромашинних перетворювачів статичними і переклад на харчування безпосередньо від шин ГРЩ електростанції.
Результатом комплексної автоматизації корабельних
електроенергетичних систем стала поява на кораблях нового класу споживачів електроенергії - комплексних систем управління (КСУ), що призвело до створення спеціальних систем централізованого електроживлення СЦП. Сталося розвиток СЦП від суто захисно-розподільчих систем до систем силової електроніки, призначених для реалізації безперебійного електроживлення специфічної електронної навантаження. Зазначене дозволяє вважати системи централізованого електроживлення (СЦП) окремою частиною корабельної електротехнічної системи (Кетс). Корабельні СУ ЕЕС за існуючою класифікацією належать до класу систем управління функціональним комплексом технічних засобів автономних електроенергетичних систем.
Застосування в корабельних ЕЕС істотно нелінійних навантажень (наприклад «ДПТ-УВ») є одним з істотних факторів, що впливають на результати роботи вимірювальних ланцюгів СУ ЕЕС.
Більше 60% всієї вироблюваної у світі електричної енергії споживається електричними двигунами різних типів загальнопромислового і суднового призначення. Сучасні суднові системи, пристрої і технології вимагають від електроприводу підвищеної точності
руху, швидкодії, надійності, зниження вносяться системою «перетворювач-двигун» спотворень в мережеве напруга.
Розвиток електроніки, створення нових напівпровідникових перетворювачів зробили можливим вирішення поставлених вище завдань. Використання нового покоління силових напівпровідникових приладів типу IGBT, GТО та ін в системах регульованого електроприводу дозволяє поліпшити масогабаритні показники пристроїв управління та суттєво підвищити техніко-економічні показники електроприводів.
В даний час [2, 3, 5, 6, 8, 10] проявляється великий інтерес до вирішення цих завдань за допомогою імпульсного управління потоком електроенергії на високій частоті.
Розвиток електроніки, створення нових напівпровідникових перетворювачів зробили можливим вирішення поставлених вище завдань. Використання нового покоління силових напівпровідникових приладів типу IGBT, GТО та ін в системах регульованого електроприводу дозволяє поліпшити масогабаритні показники пристроїв управління та суттєво підвищити техніко-економічні показники електроприводів.
В даний час [2, 3, 5, 6, 8, 10] проявляється великий інтерес до вирішення цих завдань за допомогою імпульсного управління потоком електроенергії на високій частоті.