1 2002 55
Раздел 4 Автоматика
УДК 622.0025: 621.314.632 И.В. БРЕЙДО П.И. САГИТОВ Б.Н. ФЕШИН
Классификационные признаки систем управления электротехническими комплексами и системами
процессе выполнения диссертационных работ
возникают проблемы адекватного выбора научной специальности, особенно в сфере технических наук.
Это, в частности, относится к исследованиям и разра- боткам в области электрооборудования и электроме- ханики, в рамках научной специальности 05.09.03
«Электротехнические комплексы и системы», которая до недавнего времени носила название «Электротех- нические комплексы и системы, включая их управле- ние и регулирование». Ранее специальность называ- лась «Электрооборудование».
Динамика изменения наименований специально- сти, с одной стороны, связана с неустоявшимся мне- нием о составе и границах подсистем, входящих в электротехнические комплексы, а с другой стороны, отражает комплексный характер этого направления и объективные процессы его развития.
В паспорте специальности 05.09.03 установлены следующие направления исследований:
1. Разработка и оптимизация электрооборудования и систем электроснабжения промышленных предпри- ятий, городов и сельского хозяйства.
2. Основы теории и практики создания новых вы- сокоэффективных и совершенствование существую- щих типов электрических приводов.
3. Основы теории и практики электрооборудова- ния электротехнических комплексов, в том числе
включающих электротехнологические приемники электроэнергии, источники и схемы их электропита- ния и системы управления их работой.
4. Основы теории и практики создания новых элек- тромеханических и мехатронных установок, систем.
5. Основы теории и практики систем управления и регулирования электротехнических комплексов.
Перечень направлений, представленных в паспор- те, следует признать достаточно полным и отражаю- щим в целом суть и границы специальности.
Электротехническое и электромеханическое обо- рудование и системы, подлежащие исследованиям и разработке в рамках специальности, в соответствии с традиционной классификацией, могут быть условно разделены на силовую и информационные части. Ус- ловность такого деления связана с тем, что широкое внедрение полупроводниковой техники, создание новых способов и средств преобразования электриче- ской энергии, использование новых материалов, каче- ственное изменение методов и средств управления и регулирования, обусловленное интенсивным развити- ем и внедрением компьютерных и микропроцессор- ных систем и разработкой новых информационных технологий, размывает ранее существующие четкие границы между силовым и управляющим каналами электротехнических комплексов и систем.
Расширились представления и о подсистемах,
В
56 Труды университета входящих в состав силовой части электромеханиче-
ских систем. Примером могут служить исследования и разработки взаимосвязанных электроприводов техно- логических линий и комплексов, исследования и раз- работки в области механотроники.
Введение обратных связей непосредственно по координатам машин и установок требует более точной оценки свойств механических подсистем. Бурный прогресс в полупроводниковой технике и информаци- онных технологиях открывает перед исследователями новые горизонты для решения ранее недоступных научно-технических задач, порождая одновременно новые проблемы, требующие своего разрешения.
Не останавливаясь в данной статье на направле- ниях, содержание которых однозначно отражено в их наименованиях и не вызывает сомнений в плане соот- ветствия специальности 05.09.03, произведем более подробный анализ исследований в области теории и практики наиболее интенсивно развивающихся систем управления и регулирования электротехнических комплексов, учитывая их органичную взаимосвязь с силовым каналом, а в некоторых приложениях — непосредственно с механизмами, машинами и техно- логическими комплексами.
В соответствии с классическим определением сис- тема управления — это совокупность управляемого объекта и устройства управления (комплекс средств сбора, обработки, передачи информации и формиро- вания управляющих команд), действие которой на- правлено на поддержание или улучшение работы объекта.
Системы управления электротехническими ком- плексами, включая электрооборудование и системы электроснабжения, электроприводы, новые электро- механические и мехатронные установки и системы, традиционно делятся на автоматические и автомати- зированные. Достижения силовой полупроводнико- вой, микропроцессорной и компьютерной техники, информационных технологий практически сняли ог- раничения на сложность и техническую реализуе- мость систем управления.
В связи с этим существенно расширяются воз- можности и перспективы развития автоматических и автоматизированных систем.
По существу, современные системы управления и регулирования представляют собой интегрированные программно-аппаратные комплексы, обеспечивающие на основе единых подходов и унифицированной эле- ментной базы решение всего круга задач управления, регулирования и контроля. Место, состав и границы подсистем, образующих системы управления, можно установить, определив их функции и взаимодействие с другими подсистемами электротехнических ком- плексов, обобщенная структура которых может быть представлена в следующем виде (рис.).
Обобщенная электротехническая система (ЭТС) в общем случае содержит n-электротехнических ком- плексов (ЭТК), в которых, в свою очередь, имеются силовые каналы и системы управления ЭТК, вклю- чающие следующие средства: средства сбора инфор- мации (ССИ), средства передачи информации (СПИ), средства обработки информации (СОИ), средства формирования управляющих воздействий (СФУВ),
средства формирования управляющих команд
(СФУК). Возможны варианты, когда СФУК управля-
ют отдельными ЭТК или ЭТС в целом.
ОУ1 ОУ2 ОУn
ЭТК1
СК ССИ
СОИ
СПИ СПИ
СПИ СОИ
СПИ
СД СОИ
СК ИМ ПМ
СОИ СОИ
ССИ
СУ ЭТС СУ ЭТК
ЭТК2 ЭТКn
Обобщенная структура электротехнических комплексов и систем
Объекты управления (ОУ) могут быть связаны между собой (возможные связи указаны пунктирами).
Могут также существовать связи между ОУ через СПИ и СОИ с ЭТК и(или) системой управления (СУ) ЭТС. СУ ЭТС обычно имеет иерархическую структу- ру. Нижний уровень предназначен для управления локальными ЭТК. На верхнем уровне осуществляется управление ЭТК, входящими в состав ЭТС.
В обобщенном виде СУ ЭТС может содержать СПИ, СОИ, СФУК, средства и системы контроля
(СК), СФУВ, имитационные (ИМ), прогнозирующие
модели (ПМ) и другие средства.
В рамках предложенной структуры может быть осуществлена декомпозиция систем электропривода, электроснабжения, электрооборудования, электротех- нологических и электромеханических установок, электромеханических и мехатронных систем.
В зависимости от назначения, функциональных особенностей, областей применения ЭТС содержат все или часть подсистем, средств и элементов. Прин- ципы построения систем управления, алгоритмы, технические решения определяются не только выше- изложенными факторами, но и средствами, применяе- мыми для реализации силового канала.
Характерным примером являются системы бес- проводного дистанционного управления электротех- ническими комплексами с тиристорными электропри- водами для подземной добычи угля. В соответствии с назначением эти системы должны обеспечивать управление электрооборудованием угледобывающих комплексов, содержащих очистной комбайн, скребко- вый конвейер и насосную станцию механизированной крепи. Управление по правилам безопасности должно осуществляться в пределах прямой видимости очист- ного комбайна, с сохранением маневренности маши-
Раздел «Автоматика»
1 2002 57
ниста, в пространстве выработки, насыщенной значи- тельными массами металла, в условиях мощных им- пульсных помех от тиристорных преобразователей.
Специфические и противоречивые требования к системе, которая в рамках структуры, изображенной на рисунке, может быть представлена в виде СФУК, СПИ, СОИ, ограничивают возможности использова- ния известных методов и средств реализации беспро- водного управления для других применений.
В результате возникает научная проблема создания автоматизированной системы, являющейся неотъемле- мой частью электротехнического комплекса для подзем- ных условий и содержащей ранее неизвестные принци-
пы и средства передачи и обработки информации.
В процессе анализа диссертационных исследова- ний по системам управления на предмет определения специальности целесообразно структурировать ЭТС
(ЭТК) на основе предложенных принципов и опреде-
лить место подсистемы и комплекс ее взаимосвязей с другими подсистемами. Наличие и существенность этих факторов является критерием соответствия дис- сертации специальности 05.09.03. При более глубоком и подробном анализе структуры можно оценить сово- купность новых научных результатов и положений, выдвигаемых автором для публичной защиты, и сте- пень их новизны.
УДК 621.316.722 Ю.И. ФЕДОРАШКО И.Н. ФЕДОРАШКО М.Л. КАРАКУЛИН
Параллельный стабилизатор напряжения для зарядки аккумуляторных батарей
ккумуляторные батареи широко применяются в качестве источников электроэнергии на электро- транспорте, автомобильном транспорте, в связи и других видах деятельности. Срок службы аккумуля- тора и его электрические характеристики значительно зависят от режима заряда. Одним из методов заряда, обеспечивающим небольшое время заряда, при при- емлемом качестве функционирования аккумулятора, является заряд постоянным напряжением. При этом очень важно на последней стадии заряда не допустить превышения напряжения на аккумуляторе.
Эта задача наиболее эффективно решается с по- мощью параллельных стабилизаторов напряжения [1], особенно при больших токах заряда и источниках зарядного тока с большим внутренним сопротивлени- ем. Однако разработка эффективных параллельных стабилизаторов напряжения на достаточно большие токи (десятки ампер и более) до последнего времени сдерживалась отсутствием соответствующей элемент- ной базы. На кафедре АПП КарГТУ разработан мощ- ный параллельный стабилизатор напряжения, предна- значенный для заряда аккумуляторных батарей руд- ничного электровоза от тиристорного преобразователя напряжения, питающегося от контактной сети. Отли- чительной особенностью стабилизатора является ис- пользование одинаковых регулирующих ячеек, вы- полненных из мощных транзисторов с большим ко- эффициентом усиления по току, и балластных рези- сторов значительной мощности, при относительной простоте схемы.
Схема стабилизатора представлена на рис. 1. Ста- билизатор состоит из схемы сравнения выходного напряжения с опорным на транзисторе VT5, источни- ка опорного напряжения элементов VT4, VD2 и не- скольких параллельных регулирующих элементов, выполненных на основе мощных транзисторов
VT1…VT3, типа КТ827А. Выходное напряжение ста-
билизатора устанавливается резистором R14.
Достоинством стабилизатора являются ограниче- ние и стабилизация напряжения на нагрузке при боль- шом диапазоне изменения внутреннего сопротивления нагрузки, особенно при относительно большом выход-
ном сопротивлении выпрямителя. Такая ситуация часто имеет место при зарядке аккумуляторных батарей большой емкости, в процессе заряда которых недопус- тимо превышение напряжения на аккумуляторах, осо- бенно в конце цикла заряда, когда ток заряда аккумуля- тора имеет минимальное значение. В этой стадии про- цесса заряда ток источника питания протекает через параллельные регулирующие элементы. В начальной стадии процесса заряда, при низком внутреннем сопро- тивлении аккумуляторной батареи, весь ток источника питания протекает в нагрузку, параллельные регули- рующие элементы при этом отключены, что обуслов- ливает высокий коэффициент полезного действия опи- сываемого устройства в этот момент.
Рис. 1. Схема параллельного стабилизатора напряжения
На рис. 2 приведена зависимость выходного на- пряжения стабилизатора от входного напряжения в режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки) — кривая 1, при нагрузке сопротивлением 2,4 Ом — кривая 2.
Рис. 2. Зависимость выходного напряжения от входного напряжения при разных величинах нагрузки
