Темирев Алексей Петрович. Разработка проблемно-ориентированных компонентов электротехнических комплексов дизель-электрической подводной лодки и систем управления ими

Короткий опис

Темирев Алексей Петрович. Разработка проблемно-ориентированных компонентов электротехнических комплексов дизель-электрической подводной лодки и систем управления ими : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.03.- Новочеркасск, 2006.- 466 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/115

ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНСТВО ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ
ПРЕДПРИЯТИЕ» «ИРИС»
На правах рукописи
Темирев Алексей Петрович
УДК 621:318:43
РАЗРАБОТКА ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ КОМПОНЕНТОВ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ И
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 10
1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ 21
1.1. Системный анализ как методология исследования сложных систем 21
1.2. Общее представление электроэнергетической системы
дизель-электрической подводной лодки 23
1.2.1. Основные функции и требования к электроэнергети¬ческой системе 23
1.2.2. Декомпозиция электроэнергетической системы 26
1.2.3. Развитие структуры и компонентов электроэнергети¬ческой системы 32
1.3. Проектирование компонентов электроэнергетической системы 34
1.3.1. Общая постановка задачи 34
1.3.2. Проблемы совершенствования источников энергии и
развитие средств преобразования электроэнергии в электро-энергетической системе 35
1.3.3. Совершенствование средств защиты в электроэнергети¬ческих системах 44
1.3.4. Обзор развития регулируемых электроприводов 49
1.3.5. Совместная работа дизельной электростанции и
источника бесперебойного питания 53
1.3.6. Выбор структур системы электропитания 54
Выводы по главе 56
ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ КОРАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ 60
2.1. Общая постановка задачи 60
2.2. Классификация видов моделирования систем 63
2.3. Формирование математической модели системы
дифференциальной релейной защиты 66
2.3.1. Постановка задачи 66
2.3.2. Математическая модель односистемной
дифференциальной защиты двухконцевых электроустановок электроэнергетической системы 68
2.3.3. Подтверждение адекватности математической модели
на основе лабораторных и промышленных испытаний 72
2.3.4. Исследование влияния внешних магнитных полей на
работу релейных защит 73
2.4. Методы разработки обобщенных комплексных
математических моделей вентильно-индукторных приводов 79
2.4.1. Структура и основные уравнения вентильно¬индукторного электропривода 79
2.4.2. Анализ современных методов исследования индукторных
двигателей 81
2.4.3. Уравнения и алгоритмы управления линеаризованного
индукторного двигателя 82
2.4.4. Математическая модель вентильно-индукторной
машины и численный алгоритм ее реализации 85
2.5. Программная реализация методов функционального
проектирования вентильно - индукторных машин 91
2.5.1. Программа оптимизации 91
2.5.2. Программный комплекс по расчету плоскопараллельных
полей 92
2.5.3. Программа моделирования электромагнитных процессов.. 94
2.5.4. Программа моделирования процессов в преобразователе... 95
2.5.5. Программа обработки экспериментальных данных 96
2.6. Методы управления вентильно - индукторным электроприводом96
2.6.1. Метод управления ВИП с компрессорной нагрузкой 99
2.7. Теоретические и экспериментальные исследования насосных
установок с вентильно-индукторными электроприводами 102
2.7.1. Экспериментальное исследование КПД насосной установки ЦН-319 с вентильным индукторным двигателем 5,5 кВт 102
2.7.2. Моделирование насосных установок с вентильно-индукторными приводами 106
Выводы по главе 110
ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСА УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОРАБЕЛЬ¬НОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ 112
3.1. Постановка задачи 112
3.2. Разработка и исследование магнитодиэлектрических трансформаторов тока для релейной защиты и диагностирования электрооборудования корабельных электроэнергетических систем 114
3.3. Автоматизированная система контроля и диагностирования
аккумуляторных батарей 120
3.3.1. Постановка задачи 120
3.3.2. Общее описание системы 122
3.4. Компьютерная обучающая программа системы контроля и
диагностирования аккумуляторных батарей 123
3.5. Исследование автоматизированной системы контроля и
диагностирования аккумуляторных батарей 125
3.5.1. Методика приближенной оценки плотности электро¬лита в процессе заряда аккумуляторов 131
3.5.2. Проверка макетного образца канала измерения тока
шунта типа 0,5ШСВ-15000-100 в СКД АБ 134
3.5.3. Статистическая обработка результатов испытаний СКД АБ... 135
3.5.3.1. Предварительная статистическая обработка 136
3.5.3.2. Дисперсионный анализ и гистограммы распределения AU 138
3.5.3.3. Корреляционный анализ процессов заряда и разряда 144
3.5.3.4. Сравнение параметров отдельных элементов 148
3.5.3.5. Сравнение ЭДС элементов при холостом ходе 149
3.5.4. Описание алгоритмов и программного обеспечения 151
3.6. Разработка стенда для тестирования контроллеров системы
управления.... 157
3.7. Методика автоматизированного тестирования преобразователя
и привода 159
3.8. Методика построения и алгоритмы программных защит
преобразователя для вентильно-индукторных электроприводов 165
Выводы по главе 167
ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОРАБЕЛЬ¬НЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ 169
4.1. Постановка задачи 169
4.2. Функционально-структурный анализ вариантов построения
агрегатов бесперебойного питания 171
4.3. Проблемы и перспективы внедрения статических преобразо¬вателей взамен электромашинных 172
4.4. Методика проектирования фильтров защиты от коммутацион¬
ных перенапряжений потребителей корабельной сети постоянного тока 176
4.5. Методика проектирования преобразователя переменного
напряжения 187
4.6. Методика проектирования преобразователя постоянного
напряжения 200
4.7. Разработка статических преобразователей напряжения для
питания особо ответственных потребителей 204
4.8. Способы достижения высокой точности поддержания выходных параметров силовых полупроводниковых преобразователей210
4.9. Разработка алгоритма цифровой системы управления стабили-зацией постоянного и синусоидального напряжения 217
4.10. Разработка инверторов для питания вентильно-индукторных
двигателей 222
Выводы по главе 231
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ
ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 233
5.1. Постановка задачи экспериментального определения параметров вентильно-индукторного электропривода 233
5.1.1. Расчетные формулы и первичная обработка осциллограмм234
5.1.2. Энергетические показатели цикла перемагничивания 236
5.1.3. Гармонический анализ сигналов при двухполярном токе. 239
5.1.4. Зависимость потерь в стали от максимума потокосцепле¬
ния и оценка энергетических показателей предельного цикла работы ВИМ 244
5.1.5. Приведение графика ¥(І) фазы к кривой намагничивания
стали В(Н) 247
5.2. Анализ алгоритмов и структур систем управления
вентильно-индукторного электропривода 250
5.3. Экспериментальные исследования алгоритмов управления
вентильного индукторного электропривода с датчиком положения ротора 257
5.3.1. Постановка задачи экспериментального определения опти-мальных управляющих воздействий ВИП 258
5.3.2. Состав оборудования и методика проведения испытаний. 259
5.3.3. Влияние управляющих воздействий и нагрузки на режим ра-боты 260
5.3.4. Механические характеристики при постоянных управляющих
воздействиях 267
5.3.5. Зависимость КПД и составляющих потерь от режима работы273
5.3.6. Исследование законов управления вентильным индукторным
электроприводом в зависимости от возмущающих и задающих воздействий 275
Выводы по главе 277
ГЛАВА 6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ, КОНСТРУКТИВНЫХ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ВЕН-ТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 278
6.1. Бездатчиковое управление вентильно-индукторным электро-приводом 278
6.1.1. Сравнительный анализ способов бездатчикового управле¬ния ВИП ; 278
6.1.2. Алгоритм бездатчикового управления 292
6.1.3. Экспериментальное исследование вентильно-индукторного
электропривода в режиме бездатчиковой коммутации 293
6.2. Создание и экспериментальные исследования вентильно¬
индукторных электроприводов с минимальной виброактивностью и электропотреблением 297
6.2.1. Экспериментальное исследование электронасосного
агрегата ЦН-319 297
6.2.2. Создание альтернативного варианта насосной установки
ЦН-319А 302
6.3. Исследования ИД-3 в составе нового насосного агрегата 308
6.3.1. Получение кривых намагничивания ИД-3 308
6.3.2. Регистрация рабочих режимов насосного агрегата 312
6.3.3. Оценка эффективности работы ИД-3 316 
6.3.4. Оценка пульсаций входной мощности ИД-3 320
6.3.5. Зависимость индуктивности фазы от положения ротора... 321
6.3.6. Изменение обмоточных данных и управляющих воздействий322
6.4. Реализация новых вариантов построения систем вентильно-индукторного электропривода 324
6.4.1. Вентильно-индукторная машина с питанием от трехфазного
инвертора 324
6.4.2. Испытания вентильной пятифазной индукторной машины
в генераторном режиме 328
Выводы по главе 331
ГЛАВА 7. СОЗДАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОПЫТНЫХ И ПО-СТАВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ КОРАБЕЛЬНЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ...334
7.1. Новые вентильно - индукторные электродвигатели для вспомога-тельного оборудования подводных и надводных кораблей 334
7.1.1. Вспомогательные корабельные электроприводы 334
7.1.2. Аппаратная реализация систем управления электроприво¬дами и АБП разного назначения 336
7.1.3. Электроприводы мощностью 1,1 кВт 339
7.1.4. Вентильно-индукторные электроприводы мощностью 3
и 5,5 кВт 340
7.1.5. Вентильно-индукторный электропривод мощностью
17.5 кВт 340
7.1.6. Вентильно-индукторный электропривод мощностью 21 кВт
масляного насоса 341
7.1.7. Вентильно-индукторный электропривод мощностью 25 кВт
главного осушительного насоса ЦН-321 342
7.1.8. Вентильно-индукторный электропривод мощностью
32.5 кВт агрегата компрессорного водоохлаждающей холодиль¬ной машины 343
7.2. Новые статические преобразователи для бесперебойного электро-питания ответственных потребителей ДЭПЛ 344
7.2.1. Описание принципа работы преобразователя И-ПОЕТ-5-230-400 344
7.2.2. Агрегаты бесперебойного питания для аппаратуры
КАС «Литий» 345
7.2.2.1. Исследование формы выходного напряжения преобразо-вателей напряжения при больших колебаниях (до 30%) входного
напряжения 346
1222. Статический преобразователь напряжения постоянного тока в переменное напряжение с управлением от микро¬контроллера РІС. 348
7.2.3. Статический преобразователь мощностью 6x1,2 кВт 350
7.2.4. Создание системы электропитания размагничивающих 
обмоток ПЛ “Амур” и “Лада” с процессорным устройством
МК11.3 на основе микроконтроллера «Texas Istruments» 351
7.2.5. Статический преобразователь 3 кВт 354
7.2.6. Системы электропитания асинхронных двигателей.
Статический преобразователь И-ПТЕТР-5-400-50 355
7.3. Статические преобразователи для АПЛ, созданные на базе
предложенной автором теории комплексного проектирования и унифицированных блоков с цифровой системой управления 358
7.3.1. Преобразователь В-ТПЕ-160-320 (шифр - «Глиссер-ЭП»)358
7.3.2. Преобразователь В-ТПЕ-160-45 (шифр "Глиссер") 359
7.3.3. Преобразователь ПНП-15 360
7.3.4. Преобразователь согласующий (ПС-1) ПП-70/145 361
7.3.5. Преобразователи И-ПТЕТ (шифр «Маяк») 362
7.3.6. Создание норморяда статических преобразователей для
автоматизированных систем контроля климата 363
7.4. Устройства и системы релейной защиты и диагностирования
корабельного электрооборудования 367
Выводы по главе 375
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 377
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 380
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ
ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ 393
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Многокритериальная оценка технического совершен¬ства разработанного измерительного преобразователя тока 397
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Принципы построения устройств защиты 401
ПРИЛОЖЕН!® 4. Статистическая обработка результатов испытаний
СКДАБ 421
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Статистические исследования на стендах гидравличе¬ских, вибрационных и шумовых характеристик базовой насосной уста¬новки ЦН-319 424
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Сертификаты соответствия 433
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Математическая модель ЦН - 319А как колебатель¬ной системы 444
Акты внедрения результатов докторской диссертационной работы.... 460
ВВЕДЕНИЕ
Электроэнергетическая система (ЭЭС) является важнейшей составной частью оборудования подводных лодок (ПЛ), ее надежное функционирова¬ние обеспечивает большинство тактико-технических характеристик корабля, а также решение боевых задач. ЭЭС относится к классу структурно и функ-ционально сложных систем, поскольку состоит из большого количества раз-нородных взаимосвязанных элементов.
В целом развитие электроэнергетических систем кораблей отечествен-ного флота, их электрооборудование всегда находились на уровне мировых стандартов, в чем исключительная заслуга ученых и специалистов ВМФ и промышленности, среди которых имена И.И. Адрианова, А.А. Азовцева, Г.Я. Альтшулера, А.П. Баранова, Ю.Б. Бабанского, В.Н. Бочкарева, Б.Н. Бровки¬на, Л.П. Веретенникова, Д.В. Вилесова, А.И. Глебова, А.Н. Губанова, Ю.А. Губанова, Г.А. Жемчугова, Б.И. Калганова, Г.И. Китаенко, В.П. Кова¬ленко, К.В. Лопаева, В.М. Морозова, В.В. Михайлова, К.В. Недялкова, И.А. Рябинина, Ю.В. Скачкова, В.С. Соколова, Г.Ф. Супруна, Д.А. Скороходова, В.А. Терешонкова, Л.Н. Токарева, И.Р. Фрейдзона, Н.Н. Шереметьевского, П.И. Щербинина, Г.С. Ясакова, В.Г. Яцука и многих других.
Дальнейшее развитие корабельного электрооборудования и ЭЭС идет по пути повышения их надежности, живучести, а также электропожаробезо-пасности и взрывопожароопасное™, увеличения срока службы, улучшения вибро-акустических характеристик [31].
Актуальность проблемы повышения эффективности функционирова¬ния ЭЭС связана с постоянным развитием всех технических систем ПЛ, рос¬том их энерговооруженности при ограниченных возможностях источников электропитания. Это приводит к ухудшению качества электроэнергии, уменьшению надежности работы как самой ЭЭС, так и ее потребителей. В то же время повсеместное внедрение компьютерных систем управления и обра¬ботки информации повышает требования к стабильности и бесперебойности электропитания. Обостряются проблемы экономии и рационального исполь-зования энергоресурсов, контроля и диагностики текущего состояния обору-дования.
Это означает, что каждому поколению кораблей должны соответство¬вать системы электроснабжения, увязанные с «питаемой» аппаратурой не только по требуемому уровню качества электрической энергии, но и в доста¬точной степени функционально интегрированные.
Предпосылками для решения указанных проблем являются современ¬ные достижения в области силовой и управляющей электроники. Разработка на этой основе новых электротехнических систем позволяет получать луч¬шие массогабаритные и энергетические показатели по сравнению с сущест¬вующим оборудованием. Расширяются функциональные возможности уст¬ройств за счет реализации на базе микропроцессорных систем управления сложных, но более эффективных алгоритмов управления. Появляется воз¬можность интеграции функций нескольких устройств в одном устройстве, перераспределения функций и связей в системе.
На находящихся в эксплуатации ПЛ из-за большого количества разно-родных потребителей и сетей переменного и постоянного тока присутствует многократное преобразование электроэнергии. Общий КПД цепочки преоб-разования составляет не более (50-60)%. Отказ от многократного преобразо-вания позволит обеспечить значительную экономию электроэнергии при движении на малых скоростях. Исходя из изложенного, на перспективной ПЛ максимально возможное количество потребителей электроэнергии должно получать ее непосредственно от основной силовой сети постоянного тока. В таком случае снижение потребления электроэнергии может составить до 25 % от суммарной мощности, потребляемой в режиме экономического хода [161].
Применение статических преобразователей, имеющих высокое быст-родействие, вместо вращающихся двигатель-генераторных установок позво¬ляет помимо отказа от многократного преобразования энергии исключить вращающиеся части и, как следствие, уменьшить шумность, что имеет осо¬бое значение для подводных лодок, обеспечивает надежность в эксплуатации ввиду отсутствия щеток, коллекторов, контактных колец.
Современные корабельные электроприводы - сложные электромехани-ческие устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую энергию корабельных машин и механизмов, управ-ляемых в автоматическом режиме и отвечающих жесточайшим требованиям по надежности, защите, глубине регулирования, экономичности и малошум- ности. Мощность корабельных машин варьируется от сотен ватт до 1000 и более кВт. Создание систем электроснабжения боевых кораблей на мировом уровне требует непрерывного совершенствования и обновления с учетом по¬следних достижений в области электрических машин, первичных источников энергии, аккумуляторных батарей, микропроцессорных систем регулирова¬ния и управления, оптимизации параметров и характеристик самих машин и механизмов.
Получившие широкое распространение в различных отраслях произ-водства частотно-регулируемые электроприводы на базе традиционных элек-тромеханических и электронных преобразователей не могут удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к корабельным электроприводам. Разра¬ботка специализированных регулируемых электроприводов для корабельных электротехнических систем является актуальной задачей, требующей сис-темного подхода к проектированию как отдельных элементов электроприво¬да, так и всей системы в целом.
Создание совершенных систем управлении (СУ) невозможно без при-менения новых методов проектирования, идентификации сложных объектов управления с целью получения объективной оценки, сопоставления и обос-нованного выбора оптимальных методов управления в конкретных условиях.
При построении релейных защит необходимо учитывать зависимость питания оперативных цепей от режима работы защищаемой сети, возмож¬ность появления кратковременных или длительных отклонений напряжения от номинального. Актуальным является обобщение результатов теоретиче¬ских исследований и проектных разработок в области систем электроснабже¬ния и их использования в схемах релейной защиты, что позволяет не только понять физику работы предложенных автором типов релейных защит, но и должно явиться базой для исследований и разработок новых устройств и спо¬собов построения релейных защит и диагностики самих корабельных систем электроснабжения и их компонентов: вентильно-индукторного двигателя (ВИД), асинхронного двигателя (АД), силовых трансформаторов, генерато¬ров, распределительных щитов, аккумуляторных батарей и т.д.
Решение перечисленных выше проблем развития электроэнергетиче¬ской системы ПЛ лежит на пути создания научно-технического обеспечения проектно-конструкторских разработок, производства и внедрения интегриро-ванных корабельных электротехнических систем, обладающих повышенны¬ми технико-экономическими показателями, посредством решения необходи¬мых для этого теоретических, технологических и организационных задач. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной.
Цель и задачи исследований. Целью работы является создание компо-нентов электроэнергетической системы подводных лодок нового поколения, обеспечивающих на базе микропроцессорных систем управления повышение эффективности функционирования технологических комплексов различного назначения.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены еле- дующие задачи.
1. Выполнен функционально-структурный анализ компонентов элек-троэнергетической системы подводных лодок с целью выявления системооб-разующих связей, алгоритмов функционирования и взаимовлияний подсис¬тем, тенденций развития и совершенствования их технических средств.
2. Разработаны методы анализа и синтеза интегрированных систем бесперебойного электропитания комплексных систем управления техниче¬скими средствами подводных лодок.
3. Разработаны методы анализа и синтеза устройств и структуры защи¬ты главных цепей корабельной ЭЭС, обладающие повышенной селективно¬стью, упрощенной конструкцией, расширенными функциональными воз¬можностями, надежностью, быстродействием и резервированием на основе использования новых магнитодиэлектрических преобразователей тока (трансреакторов и трансформаторов тока).
4. Разработаны методы и алгоритмы обработки информации в электро-приводах с вентильно-индукторными машинами (ВИМ) для применения при моделировании и управлении. Анализ и оценка возможностей разработанно¬го математического аппарата и программных комплексов при исследовании управляемых ВИМ.
5. Разработана методология компьютерного проектирования вентиль-но-индукторных электроприводов (ВИЛ) и алгоритмов управления ими на базе расчетно-экспериментального определения параметров электромехани¬ческой системы, имитационного моделирования и процедур многокритери¬альной оптимизации.
6. Сформирована концепция проектирования, реализации и сопровож-дения системы контроля и диагностирования аккумуляторных батарей (СКД АБ). Реализация специализированного программного обеспечения для при-кладных задач тренажеростроения: компьютерная обучающая программа для подготовки и контроля знаний экипажа ПЛ, виртуализация работы аккумулятор¬ных батарей.
Решение указанных задач позволило разработать математическое, алго-ритмическое, программное и техническое обеспечение комплексного проекти-рования интегрированных корабельных электротехнических систем, обла-дающих повышенными технико-экономическими показателями, и создать компоненты электроэнергетической системы подводных лодок нового поко-ления, обеспечивающие на базе микропроцессорных систем управления по-вышение эффективности функционирования технологических комплексов различного назначения и наладить производство разработанных компонен¬тов.
Методы исследования. Методологическая основа исследований - принцип системного анализа, теория управления, предложенный общий под¬ход к управлению техническим объектом в системе бесперебойного электро¬питания (СБЭ), теория электромеханического преобразования и управления вентильно-индукторной машиной, методы дифференциального и интеграль¬ного исчисления, векторного анализа, математического преобразования Лап¬ласа, математической статистики, матричное исчисление, переключающих функций, теории автоматов, численных методов расчета с применением ЭВМ. В процессе выполнения работы использовались расчетно¬экспериментальные методы, математическое моделирование, анализ и обоб¬щение знаний и полученной информации путем экспериментального иссле¬дования макетов в лабораториях, опытных образцов на натурных стендах и поставочных образцов непосредственно в корабельных механизмах. Разра¬ботка устройств и систем осуществлялась на основе знания современной элементной базы для преобразовательной техники, автоматики, диагностики и релейной защиты.
Объекты исследования. Корабельные электроэнергетические систе¬мы, а также средства их автоматизации, диагностики и защиты.
Новые научные положения, выносимые на защиту.
1. Методы и алгоритмы структурно-параметрического синтеза систем бесперебойного электропитания, адаптированные к различным видам нагру¬зок, которые обеспечивают надежное электроснабжение разного рода потре¬бителей.
2. Обобщенная трехуровневая модульная структура организации про-граммного обеспечения микроконтроллеров, реализующая на базе прямого цифрового управления все необходимые основные и вспомогательные функ¬ции системы управления статических преобразователей и соответствующее специализированное программное обеспечение.
3. Методология компьютерного проектирования вентильно-индукторных электроприводов и алгоритмов управления ими, которая обес-печивает оптимизацию по массогабаритным, энергетическим и вибро-акустическим показателям.
4. Методика расчетно-экспериментального определения параметров (методика идентификации) схемы замещения магнитной цепи вентильно-индукторного двигателя.
5. Результаты экспериментальных исследований электромеханических и вибро-акустических свойств вентильно-индукторных электроприводов в различных режимах работы.
6. Математическая модель электромеханической системы перекачки жидкости в составе насосного агрегата и вентильно-индукторного электро-двигателя, позволившая выявить недостатки в работе системы разгрузки ра-бочих колёс насоса от осевых сил.
7. Математическая модель, алгоритм и программа расчета вторичного тока измерительного преобразователя тока, а также методика автоматизиро-ванного определения параметров (методика идентификации) схемы магнит¬ной цепи, позволяющие рассчитывать процессы во вторичных цепях систем электропитания с погрешностью не более 10% при больших кратностях то¬ков КЗ, различных формах первичного тока, нагрузках, с учетом нелинейно¬сти и влияния внешнего ПОЛЯ.
8. Принципы построения и способы реализации трёхуровневых микро-процессорных систем контроля и диагностирования аккумуляторных батарей ПЛ, позволяющие обеспечить постоянный и непрерывный сбор и обработку информации по основным параметрам (напряжению, току, ёмкости, уровню электролита, температуре, плотности) каждого элемента аккумуляторной ба-тареи. Результаты идентификации параметров аккумуляторных батарей, полу-ченные при статистической обработке данных опытно-промышленной эксплуа-тации.
Практическая ценность работы
1. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для моделиро-вания и проектирования вентильно-индукторных электроприводов и их сис¬тем управления.
2. Созданы гибкие быстродействующие релейные защиты.
3. Создан и изготовлен норморяд регулируемых электроприводов с улучшенными показателями по надежности, КПД, виброхарактеристикам.
4. Создана испытательная лаборатория для идентификации параметров систем электропитания и индукторных двигателей.
5. Создан норморяд измерительных преобразователей тока для системы защиты электроэнергетической системы ПЛ.
6. Разработаны гибкие структуры статических преобразователей со встроенными переключателями двубортной сети, фильтрами импульсных коммутационных перенапряжений и радиопомех, повышающие качество электроэнергии и улучшающие электромагнитную обстановку корабельных
ээс.
7. Реализована трехуровневая микропроцессорная система контроля и диагностирования аккумуляторных батарей ПЛ.
8. Разработаны новые конструкции индукторных двигателей для вспо-могательных электроприводов.
Внедрение. На основе теоретических положений, обоснованных в диссертации, получены следующие практические результаты:
1. На опытном производстве ФГУП ПКП «Ирис» и в кооперации с ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск), ОАО «Сафоновский электромеханический завод» (г. Сафоново, Смоленской области), Институтом биологического при¬боростроения Российской Академии наук (г. Пущино), ООО «НПП «Цикл+», НПФ «Вектор» (г. Москва) изготовлены и внедрены для заказа «Лада»: вентильно-индукторные приводы:
- ВИП насосного агрегата ЦН-319 (5,5 кВт, 300 - 2400 об/мин) - 9 экз.;
- ВИП насосного агрегата ЦН-320 (3,0 кВт, 300 - 3000 об/мин) - 3 экз.;
- ВИП насосного агрегата ЦН-321 (25 кВт, 3000 об/мин, два входа
175.. .320 В)-2 экз.;
- ВИП холодильной машины ИРЭП-30 (32,5 кВт, 1500 - 5000 об/мин, два входа 175...320 В)-2 экз.;
- ВИП насосов гидравлики (17,5 кВт - 21 кВт, 0 - 3000 об/мин, два входа 175.. .320 В) - 4 экз.;
- ВИП компрессоров СКАВ-1 (17,5 кВт, 0 - 3000 об/мин) - 4 экз.;
- ВИП лебедки антенны УПВ (1,1 кВт, 0- 1500 об/мин, два входа
175.. .320 В) - 1 экз. и 9 экз. для иностранных заказов;
- ВИП вакуумных насосов ВЖ (1,1 кВт, 1500 об/мин, два входа 175...320 В)-2 экз.,
статические преобразователи:
- сетевые статические преобразователи взамен электромашинных И-ПОЕТ-15-230-50 (два входа 175...320 В / 230 В, 50 Гц) - 9 экз. (по заказу ФГУП «НПО «Агат» Москва - 3 экз.);
- для электропривода асинхронного двигателя И-ПТЕТР-5-400-50 (двавхода 175...320 В/ 380 В, 50 Гц)-2 экз.;
- сетевой статический преобразователь И-ПОЕТ-5-23 0-400 (два входа
175.. .320 В /230В, 400 Гц)-1 экз.;
- преобразователь ПП-ППЕТ-260-28,5 (два входа 175...320 В/28,5 В, 6 каналов мощностью по 1,2 кВт каждый) - 1 экз.;
- источник питания системы размагничивания корпуса М-ПЗПЕТ-25-
63 (два входа 175...320 В/25 А, 63 В) - 1 экз.;
- агрегаты бесперебойного питания АБП-Л - 14 комплектов в пяти ис-полнениях,
а также система контроля и диагностирования аккумуляторных батарей СКД АБ - 1 экз. и 8 экз. для иностранных заказов.
Разработки автора и выполненные с их использованием промышлен¬ные прототипы гаммы автоматизированных вентильно-индукторных элек-троприводов, статических преобразователей, агрегатов бесперебойного пита-ния, систем релейной защиты и диагностики создали условия для производ¬ства на заводе серий высококачественных систем электропитания и регули¬руемых электроприводов нового типа для отечественной промышленности, имеющих также высокий экспортный потенциал.
2. Создан универсальный компьютеризированный испытательный комплекс, предназначенный для проведения комплексных испытаний раз-личных систем электропитания и типов электроприводов, в том числе для оценки виброактивности. Испытательный комплекс автоматизирован и ис¬пользован для всесторонних испытаний опытных и поставочных образцов вентильно-индукторных электроприводов, а также статических преобразова-телей.
3. Материалы диссертационной работы используются в учебном про-цессе на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных устано¬вок и технологических комплексов» ЮРГТУ (НПИ) в курсе лекций по спе¬циальным дисциплинам: «Устройство и технические средства корабля», «Функциональные устройства судового электрооборудования», «Судовые электроэнергетические системы», «Гребные электрические установки», «Техническая эксплуатация судового оборудования».
Достоверность полученных автором результатов подтверждается:
-корректным применением принципов и методов системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, линейной алгебры;
- согласованностью теоретических положений и результатов расчета с данными, полученными при натурных экспериментах, а также с результата¬ми расчетов других авторов, приведенными в литературе;
- сертификатами утверждения типа средств измерений военного на-значения и соответствия требованиям технических условий, которые выданы на продукцию, испытательное оборудование, методы испытаний 32 ЦНИИ МО РФ и ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова;
- положительными результатами испытаний 22 типов агрегатов беспере¬бойного электропитания для вентильно-индукторных машин вспомогательных агрегатов, корабельных систем управления технологическими установками, эф¬фективной и надежной работой более 133 экземпляров АБП;
- сопоставлением теоретических результатов, полученных автором, с опубликованными научными работами, где аналогичные или близкие теоре-тические результаты получены другими методами;
- критическим обсуждением основных результатов работы с ведущи¬ми специалистами по рассматриваемой тематике на международных, всерос-сийских и региональных научно-технических конференциях и семинарах.
Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались на заседании секции «Элек-троэнергетические системы судов и сооружений по освоению шельфа» Все-союзной научно-технической конференции «Проблемы создания мощных электроэнергетических систем для судов ледового плавания и плавучих бу-ровых установок» (Ленинград, 1983 г.), на Международной конференции по состоянию и перспективам развития трансформаторов тока (Польша, Лодзь, 1990 г.), на Всероссийской научно-технической конференции с международ¬ным участием по теории цепей и сигналов (Таганрог, 1994 г.), на постоянном действующем региональном научно-техническом семинаре «Вопросы теории и принципы построения устройств и систем автоматизации» (Новочеркасск, 1983 г., 1990 г.), на XXX, XXXVII, XXXIX, ХХХХ научных сессиях Ново¬черкасского политехнического института «Элементы и устройства вычисли¬тельной техники и систем управления» (Новочеркасск, 1981 г., 1988 г., 1990 г., 1991 г.), на 6-й и 7-й Международных научно-технических конфе¬ренциях «Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспорт¬ных средств» (Санкт-Петербург, 1998 г. и 2000 г.), на XXII, XXIII сессиях научно-технического семинара «Электроснабжение промышленных пред-приятий. Кибернетика электрических систем» (Новочеркасск, 2000 - 2002 гг.), на научно-практической конференции «Транспортный электропри¬вод - 2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на 3-м Международном симпозиуме «Электрические машины в новом столетии ЭЛМАШ-2000» (Москва, 2000 г.), на Всероссийском симпозиуме по проблемам бесперебойного электроснаб¬жения (Зеленоград, 2003 г.), на межотраслевом научно-техническом семина¬ре «Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электро-приводах» (Ростов-на-Дону, 2003 г.), на 5-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Алуш¬та, 2003 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опублико¬вано 68 работ, в том числе четыре монографии, статьи в журналах «Электри¬чество», «Известия вузов. Электромеханика», «Известия вузов. Энергетика», «Chip News», «Судостроение», «Морская радиоэлектроника», «Электриче¬ское питание», публикации в трудах научно-технических конференций и в сборниках научно-технических трудов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 286 страницах основного текста, содержит 297 рисунков и 38 таблиц. Список ли-тературы включает 188 наименования.

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создание подводных лодок нового поколения с перспективными сис¬темами электропитания современных электротехнических комплексов, со¬держащих энергонасыщенные электромеханические и полупроводниковые преобразователи определяет необходимость выполнения комплексных ис¬следований динамических процессов во взаимосвязанных системах различ¬ной физической природы, создания методов автоматизированного проекти¬рования электрооборудования, решения вопросов энергосбережения и элек¬тромагнитной совместимости устройств в автономных электрических систе¬мах соизмеримой мощности.
Представленная диссертационная работа направлена на дальнейшее развитие теории, принципов построения и реализации локальных и ком¬плексных математических и компьютерных моделей, позволяющих на ран¬них стадиях создания новых корабельных электротехнических устройств и систем выполнять вариантные исследования и проектирование схем и обору¬дования, создавать более совершенные электротехнические комплексы, оце¬нить влияние параметров и принятых технических решений на технико¬экономические, эксплуатационные и оперативно-тактические показатели подводных лодок.
В результате выполнения диссертационной работы получены новые научные результаты, предложены рекомендации и технические решения, по¬зволяющие комплексно решить проблему проектирования, исследования, реализации и внедрения корабельных электротехнических устройств и сис¬тем для подводных лодок нового поколения с учётом обеспечения их боевой эффективности, живучести и стойкости к поражающим факторам. При реше¬нии этой научно-технической проблемы, имеющей важное народно¬хозяйственное и оборонное значение, получены следующие основные ре¬зультаты и выводы:
1. Созданы уточнённые универсальные математические модели и мето¬ды проектирования, позволяющие комплексно исследовать и оптимизировать сложные электромагнитные и электромеханические устройства с заданными геометрическими размерами, которые апробированы при создании магнито¬диэлектрических трансформаторов тока и вентильно-индукторных электро¬двигателей различного назначения.
2. Разработана методика и создана компьютерная лаборатория функ-ционального проектирования вентильно-индукторных электроприводов, по¬зволяющая оптимизировать их параметры и создавать на их базе эффективно управляемые корабельные электромеханические системы с улучшенными энергетическими, массогабаритными показателями и виброшумовыми харак¬теристиками.
3. Предложены принципы построения, способы реализации и опреде¬лены области целесообразного применения разработанных вентильно¬индукторных электроприводов, позволяющих повысить надёжность работы и обеспечить эффективное энергосберегающее управление различными кора¬бельными вспомогательными механизмами и гребными установками пер¬спективных систем электродвижения новых подводных лодок, что даёт воз¬можность значительно увеличить КПД, уменьшить массогабаритные показа¬тели и повысить бесшумность работы электромеханических комплексов.
4. Найдены требуемые законы изменения напряжения фазных обмоток для различных углов включения силовых ключей, обеспечивающие поддер¬жание заданной частоты вращения и постоянного момента нагрузки вентиль¬но-индукторных электродвигателей. Предложен подход и методика опреде¬ления требуемой мощности и вольтамперных характеристик инвертора и за¬висимости крутящего момента от среднего значения тока, а также расчёта коэффициента усиления пропорционального регулятора скорости в зависи¬мости от требуемой жёсткости механической характеристики или оценки не¬обходимого запаса по напряжению при известном диапазоне изменения на¬грузки на валу двигателя.
5. Разработана концепция проектирования и выполнена реализация мо¬дульного принципа построения полупроводниковых устройств и систем электропитания, позволившая осуществить унификацию по назначению, мощности и типоисполнению создаваемых обратимых преобразователей энергии для подводных лодок четвёртого поколения.
6. Создана универсальная следящая система с элементами интеллекту¬ального управления полупроводниковыми преобразователями напряжения, которая может быть применена при создании различных источников пита¬ния, включая электроэнергетические системы управления корабельными техническими средствами.
7. На основе разработанных новых магнитодиэлектрических преобра¬зователей тока предложены способы и устройства защиты главных цепей ко¬рабельных систем электроснабжения и системы их диагностики.
8. Научно обоснованы принципы построения, предложены способы реализации, разработаны и внедрены трёхуровневые микропроцессорные системы контроля и диагностирования аккумуляторных батарей подводных лодок, позволяющие обеспечить постоянный и непрерывный сбор информа¬ции по основным параметрам (напряжению, току, ёмкости, уровню электро¬лита, температуре, плотности) каждого элемента аккумуляторной батареи, что облегчает их эксплуатацию и увеличивает срок службы.
9. Разработана обобщённая математическая модель электромеханиче¬ской системы перекачки жидкости в составе насосного агрегата и вентильно¬индукторного электродвигателя, выполнена её компьютерная реализация, по¬зволившая получить новые научные результаты о работе системы разгрузки рабочих колёс насоса от осевых сил, создаваемых торцовыми уплотнениями при погружении подводных лодок на глубину 300 м., а также определить значения недокомпенсации пружинами осевых сил при погружении подвод¬ных лодок на глубину более 5 м.
10. Полученные результаты теоретических и экспериментальных ис¬следований, разработанные методы проектирования электромагнитных уст¬ройств, предложенные научно обоснованные рекомендации и технические решения по реализации силовых полупроводниковых преобразователей и ре¬гулируемых электроприводов имеют межотраслевое значение и могут быть внедрены в практику проектирования электротехнических систем, приме¬няемых в других областях техники.
11. В совокупности результаты работы представляют теоретическое обобщение и решение важной научно-технической проблемы - повышение технического уровня и эффективности работы корабельных электротехниче¬ских устройств и систем путём улучшения их технических характеристик и расширения функциональных возможностей. Внедрение предложенных ме¬тодов проектирования, созданных устройств и систем позволило реализовать энергосберегающие технологии, снизить массогабаритные показатели, повы¬сить качество, надёжность и технический ресурс электротехнических ком¬плексов подводных лодок четвёртого поколения, что вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и обороноспособность страны.