РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ДВУНАПРАВЛЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Одним из путей увеличения эффективности работы автономных подводных аппаратов является использование электроэнергетической системы постоянного тока. С помощью импульсного регулирования можно добиться стабильного напряжения на потребителях даже при значительных изменениях частоты вращения гребного винта, вызванных волнением, рельефом дна, течением, ветрами, сменой курса и т. д. Рассмотрены вопросы, касающиеся моделирования преобразователей постоянного напряжения для автономных подводных аппаратов. Определены мощности, передаваемые от источника постоянного напряжения к нагрузке. Проанализированы возможные пути регулирования мощности и напряжения на выходе преобразователя и доказано, что целесообразней всего производить регулировку мощности и напряжения с помощью фазового угла между инвертирующим и выпрямительным мостами. При угле, равном 90º, ток в импульсном трансформаторе по форме будет походить на синусоиду и при этом будет прост для кусочно-линейной аппроксимации, что облегчит определение передаваемой мощности за период. Представлены различные варианты выходного сигнала при изменении фазового угла открытия IGBT-транзисторов. Проиллюстрированы осциллограммы преобразователя постоянного напряжения переменного тока, форма тока в катушке индуктивности. На базе произведённых расчётов найдено аналитическое решение для определения передаваемой мощности. Двунаправленный преобразователь постоянного тока на базе IGBT-транзисторов был смоделирован в пакете Simulink, в результате чего получены напряжение на катушке индуктивности, ток и напряжение на нагрузке в виде графической зависимости. Полученные зависимости полностью совпадают с проведёнными теоретическими расчётами.

Ключевые слова:
преобразователь постоянного напряжения, автономный аппарат, катушка индуктивности, кусочно-линейная аппроксимация, мощность
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение Подводные аппараты могут применяться на недоступной для подводных лодок и водолазов глубине и предназначены для выполнения различных операций: для визуального исследования линий подводных коммуникаций, патрулирования, исследования морского дна, контроля биоресурсной базы, разработки подводных месторождений полезных ископаемых, сейсморазведки и т. д. В процессе создания данных аппаратов одним из самых сложных достижений является обеспечение необходимой автономности при сохранении малых массогабаритных показателей и экономических затрат на изготовление и работу. Необходимо учитывать, что для внедрения любого технологического решения необходим предыдущий анализ производительности системы, который приведёт к успешному применению и гарантированной экономии [1]. В процессе передачи и преобразования электроэнергии из аккумуляторных батарей к движителю происходит большое количество преобразований электроэнергии, что приводит к потерям. В условиях автономности аппарата, при невозможности поступления питания извне, остро ставится вопрос, касающийся целесообразной трансформации электроэнергии. В качестве одного из путей решения предлагается использование судовой сети, работающей на постоянном токе, которая обладает преимуществами перед сетью переменного тока [2]. Стабильного напряжения на потребителях даже при значительных изменениях частоты вращения гребного винта, вызванных волнением, рельефом дна, течением, ветрами, сменой курса и т. д., можно добиться с помощью импульсного регулирования [3, 4]. В системе «аккумуляторные батареи - потребитель» преобразователь постоянного напряжения имеет важное значение для улучшения переходных характеристик системы и обеспечения оптимального выравнивания нагрузки. Целью данного исследования является расчёт передаваемой мощности, необходимой для дальнейшего моделирования электрической сети автономного аппарата. Материалы и результаты исследования Преобразователь постоянного напряжения служит для питания нагрузки постоянным напряжением, отличающимся по величине от напряжения источника. Преобразователь постоянного напряжения основан на использовании импульсных методов регулирования постоянного напряжения. Структурная схема и принцип работы современных преобразователей аналогичен импульсным выпрямительным модулям, построенным с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Двунаправленный преобразователь также может использоваться для хранения энергии в энергосистеме. Существуют различные виды двунаправленных преобразователей постоянной мощности [5, 6]. Рассмотрим одну из самых распространённых двунаправленных схем преобразователя. Преобразователь состоит из гальванически развязанных двух цепей, подключенных через высокочастотный трансформатор TV. Обе цепи собраны из IGBT-транзисторов S1-S4 и S5-S8 и представляют классический Н-мост, который коммутируется импульсами с системы управления. Для сглаживания тока в первой цепи (инвертирующей) применяется катушка индуктивности L и конденсаторы C1 и С2 для сглаживания пульсаций напряжения в обеих цепях. Питание осуществляется от аккумуляторной батареи GB. Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью DТ и паузой Т(1 - D), амплитуда которых близка к напряжению питания. Требуемое качество выходного напряжения с точки зрения пульсаций достигается включением сглаживающего фильтра между выходом преобразователя и нагрузкой [5-8]. Высокочастотный трансформатор служит для гальванической развязки и может потребоваться в тех случаях, где отношение напряжения между входным и выходным напряжениями превышает определённый предел. В противном случае устройства должны одновременно выдерживать как высокое напряжение, так и высокий ток, что неэкономично. Он также обеспечивает дополнительную степень свободы по сравнению с базовой схемой путём введения коэффициента трансформации трансформатора (рис. 1). Рис. 1. Схема двунаправленного преобразователя и синхронизация сигналов ШИМ Осуществление работы двунаправленного преобразователя постоянного напряжения будем рассматривать при следующих допущениях: 1) пренебрегаются все потери; 2) рассматриваются идеальные источники питания; 3) величины вторичной (выпрямляющей) цепи рассматриваются в первичной (инвертирующей) цепи. В эквивалентной модели, которая объясняет работу преобразователя, инвертор заменён на источник напряжения UИ(t), а выпрямитель - на источник напряжения UВ(t), между которыми последовательно подключена индуктивность L (рис. 2). Рис. 2. Эквивалентная модель преобразователя постоянного тока В схемах первичных или вторичных Н-мостов возможны три различные уровня напряжения в зависимости от уровня напряжения входных и выходных источников напряжения соответственно. Следовательно, источник напряжения, представляющий входной мост, определяется четырьмя состояниями: Эти состояния соответствуют состояниям переключателей, представленных в таблице. Состояние ключей и напряжения на зажимах моста Состояние Ключи S1 и S2 Ключи S3 и S4 UB UD Uвых I 1 0 + Uвх/2 - Uвх/2 + Uвх II 0 0 - Uвх/2 - Uвх/2 0 III 1 1 + Uвх/2 + Uвх/2 0 IV 0 1 - Uвх/2 + Uвх/2 - Uвх Источник напряжения, представляющий выходной мост, определяется аналогичным способом: Напряжения UИ(t) и UВ(t) создают напряжение UL(t) на индуктивности: В связи с тем, что контур замкнутый, из-за возникшего напряжения UL(t) по контуру будет проходить ток IL(t): где IL(t0) - ток в момент времени t0, А. Источники напряжения UИ(t) и UВ(t) генерируют или получают соответствующие мгновенные мощности: При этом средняя мощность в течение одного цикла переключения T вычисляется для цепи инвертирования и выпрямления следующим образом [9, 10]: Согласно балансу мощностей можно записать равенство: РИ = РВ. Уровень мощности преобразователя постоянного напряжения обычно настраивается с использованием одного или нескольких из четырёх параметров управления: - фазовым углом θ между напряжениями переменного тока UИ(t) и UВ(t); - фазовым углом диагонали инвертирующего или выпрямляющего моста; - рабочим циклом D переменного напряжения на инвертирующем или выпрямляющем мостах; - частотой переключения. Модуляция фазового сдвига управляет преобразователем постоянного напряжения с постоянной частотой коммутации с максимальными рабочими циклами Dl = D2 = 0,5, при этом изменяется только фазовый сдвиг между инверторным и выпрямительным мостами для управления передаваемой мощностью. С помощью этих управляющих сигналов напряжение на инверторном мосту имеет два уровня: +Uвх и -Uвх. И аналогичным образом напряжение на выпрямительном мосту имеет два уровня: +Uвых и -Uвых. При установившемся режиме напряжения UИ(t), UВ(t) и ток IL(t) повторяют каждый полупериод с обратными знаками. Импульсы на одну ветвь моста представляют собой пару сигналов квадратной волны с рабочим циклом, равным 0,5, которые смещены на 180° относительно друг друга. Применяя эти импульсы модуляции к инвертирующему и выпрямительному мостам с фазовым сдвигом на 90° между импульсами, на выходах каждого моста генерируются два напряжения переменного тока в форме меандра. При данном угле между выпрямительным и инверторным мостами наблюдается наибольшая передаваемая мощность. При уменьшении угла θ будет происходить уменьшение уровня напряжения на выходе и, соответственно, передаваемой мощности через преобразователь. Как можно заметить, средние значения UИ(t) и UВ(t) при установившемся режиме равны нулю для избегания насыщения трансформатора. На рис. 3 приведены осциллограммы преобразователя. Рис. 3. Осциллограммы преобразователя постоянного напряжения: а - напряжение переменного тока на выходе инвертирующего моста; б - напряжение переменного тока на входе выпрямительного моста; в - напряжение на катушке индуктивности L; г - ток через катушку индуктивности L Таким образом, для получения аналитического выражения для определения мощности за период необходимо определить ток IL(t). Составление кусочно-линейной аппроксимации тока IL(t), состоящей из четырёх участков, не составляет особого труда. Форма тока в катушке индуктивности представлена на рис. 4. Рис. 4. Форма тока при катушке индуктивности Ток в катушке можно описать следующим уравнением: (1) где I0 - начальное значение тока, А; II, III, IIII - значения токов при углах θ, π и π + θ соответственно. Поскольку время фазового сдвига t0 и напряжения питания Uвх и Uвых в установившемся режиме остаются неизменными в течение первого полупериода (состояния I, II) и во втором полупериоде (состояния III, IV), для расчёта тока можно учитывать только первый полупериод, интервалы I и II. Уравнение (1) можно переписать следующим образом: В установившемся режиме состояния III и IIII являются зеркальными отображениями состояний I и II, конечное значение тока в конце периода должно совпадать с начальным значением тока I0. Таким образом, Подставим вместо IIII величину тока в состоянии I0 и получим уравнение (2) Решив несложное уравнение (2) относительно I0 при t = T, можно получить С учётом напряжения на катушке индуктивности можно записать следующее выражение для передаваемой мощности за период: (3) В качестве практической реализации рассмотрим модель преобразователя постоянного напряжения, выполненного в пакете Simulink. Имитационная модель представлена на рис. 5, напряжение на индукторе, ток через трансформатор и напряжение на нагрузке - на рис. 6. Рис. 5. Модель преобразователя постоянного тока, выполненного в пакете Simulink Рис. 6. Результаты моделирования двунаправленного преобразователя постоянного напряжения: а - напряжение на индукторе; б - напряжение на нагрузке; в - ток нагрузки Таким образом, осциллограммы тока, приведённые на рис. 6, полностью совпадают с проводимыми теоретическими расчётами, соответствующими формуле (3). Заключение В результате анализа силового преобразователя постоянного напряжения для автономного подводного аппарата постоянного напряжения были найдены мощности, передаваемые от источника к нагрузке за период. Определено, что для передачи максимальной мощности фазовый угол между инвертирующим и выпрямительным мостами должен составлять 90°, чтобы ток в трансформаторе походил на синусоиду и при этом был прост для обработки. В этом случает кривую тока легко представить в виде кусочно-линейной аппроксимации. Симуляция двунаправленного преобразователя постоянного напряжения в пакете Simulink подтвердила теоретические расчёты.
Список литературы

1. Sarigiannidis A., Patsios C., Pittaras A., Kladas A. Geometry optimization of synchronous machines used on ship shaft generator systems // Materials Science Forum. 2014. Vol. 792. P. 245-250.

2. Schоyen H., Sow H. A. Decision making tool concerning retrofit of shaft generator frequency converter // Ocean Engineering. 2015. Vol. 109. P. 103-112.

3. Sokolova E. The study of the possibility of using innovative technologies for saving engineering 3D objects // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 129. URL: https://www.matec-conferences.org/ articles/matecconf/abs/2017/43/matecconf_icmtmte2017_03008/matecconf_icmtmte2017_03008.html (дата обращения: 20.12.2018). DOI: 10.1051/matecconf/201712903008.

4. Авдеев Б. А. Расчёт индуктивности для двунаправленного преобразователя постоянного напряжения в автономных подводных аппаратах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2018. № 4. С. 107-114. DOI:10.24143/2073-1574-2018-4-107-114.

5. Sokolova E. A., Aslanov G. A., Sokolov A. A. Modern approach to storing 3d geometry of objects in machine engineering industry // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. P. 177. DOI: 10.1088/1757-899X/177/1/012036.

6. Авдеев Б. А. Расчёт потерь двунаправленного преобразователя постоянного напряжения судовой электростанции постоянного тока // Энергобезопасность и энергосбережение. 2018. № 6. С. 24-26. DOI: 10.18635/2071-2219-2018-6-24-26.

7. Lai J. S., Nelson D. J. Energy management power converters in hybrid electric and fuel cell vehicles // Proceedings of the IEEE. 2007. Vol. 95. P. 766-777.

8. Иванов А. В., Немировский А. Е. Силовая электроника. Выпрямители: учеб. пособие. Вологда: Изд-во ВоГУ, 2015. 119 с.

9. Токарев Л. Н. Судовая электротехника и электромеханика. СПб.: Береста, 2006. 320 с.

10. Chung Y., Liu W., Schoder K., Cartes D. A. Integration of a bi-directional DC-DC converter model into a real-time system simulation of a shipboard medium voltage DC system // Electric Power Systems Research. 2011. Vol. 81. P. 1051-1059.