Исследование возможностей совершенствования аэродромных светосигнальных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Берг, Андрей Витальевич

• Берг, Андрей Витальевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Берг, Андрей Витальевич

Введение.

ГЛАВА 1. Аналитический обзор аэродромных светосигнальных систем на базе регуляторов-стабилизаторов тока (АРСТ).

1.1. Типы электрических сетей для аэродромных огней.

1.2. Принципы построения АРСТ.

1.2.1. АРСТ на не полностью управляемых ключах.

1.2.2. Анализ уровня искажений потребляемого тока для АРСТ с фазоимпульсным управлением.

1.2.3. АРСТ с линейным потреблением тока на полностью управляемых ключах.

1.2.4. Принцип многоканального преобразования (МКП).

1.2.5. Модель АРСТ на полностью управляемых транзисторных ключах с МКП.

1.2.6. АРСТ с промежеточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) на транзисторных ключах.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. Анализ эффективности предлагаемых решений по модернизации АРСТ.

2.1 Применение принципа МКП в АРСТ на не полнустю управляемых ключах (НПУК).

2.2. Модельное описание АРСТ с МКП с использованием традиционных аналитических средств.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. Параметрический синтез АРСТ на НПУК без ПВЧП с МКП.

3.1. Основные требования технического задания.

3.2. Имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) предлагаемых решений.

3.2.1. Модель тиристора.

3.2.2. Ограничение всплесков напряжений.

3.2.3 Ограничение скорости нарастания прямого напряжения.

3.2.4. Моделирование силовой части АРСТ на НПУК с МКП.

3.3. Выбор основных элементов схемы.

3.3.1 Расчет охладителя.

3.3.2. О расчетных параметрах трансформаторов АРСТ.

3.3.3. О сглаживающем дросселе.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. Система управления АРСТ на НПУК с МКП.

4.1 Измеритель действующего значения тока и напряжения.

4.1.1. Обзор способов (принципов) измерения действующего значения.

4.1.2. Датчики входных параметров.

4.2. Оценка требуемой производительности и необходимых аппаратных ресурсов.

4.2.1. Расчет необходимых параметров аналога цифрового преобразователя (АЦП).

4.2.2. Система синхронизации АРСТ.

4.2.3. Подсистема подсчета числа сгоревших ламп.

4.2.4. Подсистема автоматических защит.

4.2.5. Центральный контроллер.

4.2.6. Подсистема взаимодействия с системой дистанционного управления СДУК.

4.3. Анализ эффективности применения МКП в части повышения точности измерения выходного тока.

4.4. Способы адаптации работы измерительного контроллера.

4.5. Конструктивное исполнение системы управления.

4.6. Выводы.

ГЛАВА 5. Проектирование и макетирование предложенных решений.

5.1 Стадии разработки АРСТ.

5.2 Устройство АРСТ с МКП.

5.2.1 Модуль измерительный.

5.2.2. Модуль управления.

5.2.3. Модуль питания.

5.3. Макетирование АРСТ с МКП.

5.3.1 Измерительная подсистема.

5.2.2 Силовая часть.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможностей совершенствования аэродромных светосигнальных систем»

Неукротимое стремление человека к быстрому и комфортному преодолению больших расстояний является одной из движущих сил постоянного совершенствования и развития гражданской авиации. Как следствие этого, все больше актуализируется проблема обеспечения безопасности полетов воздушных судов.

На этапах взлета и особенно посадки в ночное время и при сложных метеоусловиях необходимо использование современного и надежного светосигнального оборудования. Современное аэродромное светосигнальное оборудование (АССО) это сложная многоуровневая система.

На базе теоретических обоснований, проведенных НИИ ГВФ в 30-40е годы, с учетом опыта эксплуатации и требований отечественной и международной практики, отечественной промышленностью были составлены технические требования на разработку и изготовление систем светосигнального оборудова-ния(ССО). На сегодня разработаны и изготовлены системы «Свеча-1» (1956 г.), «Свеча-2» (1960 г.), «Свеча-3» (1972 г.), «Свеча МВЛ» (1985 г.) [В-1]. Вместе с~ этим, у отечественных производителей единственной серийно выпускаемой системой для категорированных аэродромов является комплекс «Луч-4МС»(2005 г.).

В настоящее время при проектировании таких систем руководствуются международными требованиями 1САО (Международная организация гражданской авиации) и нормами годности для гражданских и военных аэропортов [В-1],[В-2].

Питание колец, на категорируемых аэродромах с суммарной мощностью потребления от 30 до 800 кВА и последовательной схемой питания огней, осуществляется аэродромными регуляторами-стабилизаторами тока (АРСТ) переменного тока. Подсистема гарантированного электроснабжения отвечает за бесперебойное их обеспечение электроэнергией. Распределенная система дистанционного управления и контроля является верхним уровнем всей светосигнальной системы.

Надежное функционирование всего электротехнического оборудования ССО аэропорта определяется надежностью отдельных его подсистем. Наиболее важные из них - подсистемы огней, которые рассматривают как совокупность АРСТ - кабельное кольцо (КК) - цепь светоизлучателей, называемых огнями, соединенных последовательно через изолирующие трансформаторы. Мощность, выделяемая на нагрузке АРСТ, в зависимости от КК вирируется от 2,5 до 50 кВт. Нагрузка АРСТ имеет специфический характер: высокое выходное напряжение - до ЮкВ; протяженность кабельного кольца - до 10км; наличие емкостной и преобладающей индуктивной составляющих сопротивления КК; специфические условия работы в случае перегорания ламп. Сегодня на подавляющем большинстве аэродромов Российской Федерации для питания аэродромных светосигнальных систем применяются однофазные тиристорные АРСТ, реализующие автоматическое управление током фазоимпульсным способом. Подробное описание, уже ставшей классической системы автоматического управления током в КК на основе АРСТ с антипараллельными тиристорами, дано в [В-1].

Работа тиристорного АРСТ характеризуется нелинейным потреблением тока, что вызывает искажения напряжения питающей сети, особенно при питании его от маломощных или резервных источников питания. При этом искажения потребляемого АРСТ тока и уровень его гармонических составляющих сегодня уже не соответствуют требованиям нормативных документов [В-4],[В-5], что накладывает ограничения на применение такого АРСТ в случаях питания его от маломощных сетей. Кроме того, плохое качество потребляемого тока и тока в КК, как показывает практика, может приводить к возникновению аварийных ситуаций в работе АССО и, как следствие, к снижению безопасности полетов.

Еще одним показателем надежности АРСТ является точность стабилизации тока. Нарушение режима стабилизации тока приводит к перегоранию ламп огней, искажению световой картины аэродрома, что в свою очередь может привести к неверному пониманию ситуации пилотом, в том числе и к его ослеплению.

В последние двадцать лет за рубежом активно развивается направление совершенствования АРСТ, основанное на применении более совершенных ключевых элементов - силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ). Ряд зарубежных фирм-производителей светосигнального оборудования наряду с совершенствованием классической (тиристорной) схемы АРСТ активно ведет разработки АРСТ, на основе использования новых функциональных возможностей элементной базы. Основным их отличием является кардинально улучшенная электромагнитная совместимость (ЭМС) за счет уменьшения искажений потребляемого тока и тока нагрузки.

В тоже время в России в последние годы, к сожалению, наблюдается стагнация в направлении научно-технического развития страны (как в теоретическом, так и практическом плане). Не исключением являются и новые разработки АРСТ, отвечающие современным требованиям,

Данная работа ставит задачу провести всесторонний анализ существующих типов АРСТ, как отечественного, так и иностранного производства, дать оценку их соответствию современным требованиям и на этой основе доказать необходимость проведения работ по их модернизации.

Поставленная задача определяет цель работы: исследование возможностей совершенствования АССО путем улучшения характеристик АРСТ и создание предпосылок (на уровне технических предложений) для разработки новых, более эффективных их решений.

При решении поставленных в работе задач структурно-алгоритмического синтеза силовой части АРСТ используется получивший в последнее время распространение в ряде классов устройств силовой преобразовательной техники принцип многоканального преобразования (МКП) энергетического потока. Анализ показателей качества преобразованной энергии МКП проведен спомощью теории электрических цепей и известных методов математического анализа (разложения временных процессов в ряд Фурье, интегрального исчисления). При сопоставлении вариантов синтезированных решений применялись элементы теории надежности. Синтез системы управления АРСТ основан на использовании способа цифровой дискретизации сигналов и элементов теории автоматического управления. Решение задач по информационно-методическому обеспечению проектирования основано на применении имитационно компьютерного моделирования (ИКМ) в среде OrCAD Pspice Schematics.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Берг, Андрей Витальевич

вывода I

Запуск таймера Т1 ?

Определение кода нулевого зталшузж,.

Имеются данные для передачи на управляющий МК РЯ?

Запуск передачи данных на управляющий МК РЯ

Есть новые результаты АЦП?

Сброс готовности результата АЦП

Прерывание SISR27 (интервал дискретизации)

Запуск АЦП

Ожидание времени преобразования

Установка готовности результата АЦП

Формирование сигналов синхронизации из переменных синхрониз.

Выход из прерывания

Опрос АЦП

Обработка новых данных: накопление суммы квадратов, обновление перем. синхронизации установка разреш. расч. RMS при переходе UQ через 0

Есть разрешение расчета RMS? I

Расчет RMS Подготовка данных к передаче на управляющий МК РЯ

Рис. 5.2. Алгоритм работы микроконтролера-МК платы измерения и синхронизации для

АРСТ(РЯ).

Тестирование работы платы проводилось в трех вариантах:

• с использованием лабораторного генератора;

• с помощью макета;

• в составе серийно выпускаемого АРСТ. Результаты тестирования в виде осциллограмм на рис. 5.3.

Рис. 5.3 (а). Осциллограмма работы платы 1-сигиал с датчика входного напряжения; 2-сигнал синхронизации (перехода через 0), 3,4-сигналы положительной и отрицательной полуволн.

Рис. 5.3 (б). Осциллограмма работы платы 4-сигнал с датчика выходного тока; 3-сигнал наличие отсутствие тока.

В результате получена работоспособная система измерения и синхронизации для АРСТ.

5.2.2 Силовая часть

На 2-м этапе разработки создан макет силовой части двухканального АРСТ рис 5.4), произведена стыковка с информационной частью, проведены отладка и испытания. Характерные осциллограммы его работы представлены на рис.5.5. Измерения на макете АРСТ проводились в три этапа с использованием цифровой 16-ти разрядной СИУ:

- без МКП (два канала регулируемых параллельно);

- с МКП (два канала-регулируемый и не регулируемый), диапазон изменения глубины модуляции ¡л в пределах 0,3-0,7, за счет изменения коэффициента трансформации основного трансформатора;

- с МКП и СУИ использующей адаптированный МПД и формирующей сигнал выходного воздействия по ПИД-закону. Анализ осуществлялся по трем основным параметрам:

- по коэффициенту гармоник тока -АГ^;

- по точности измерения тока Я;

- по скорости реакции (восстановления значения тока) при изменении нагрузки в диапазоне50-700%. пряжение первичной обмотки основного трансформатора.

Для проведения сравнительного анализа с прототипом измерения основных параметров осуществлены также:

- для выпускаемого ранее ОАО «ГОКБ «Прожектор» АРСТ без МКП с аналоговой СУ;

- для серийного АРСТ с цифровой 8-ми разрядной СУ.

Получены данные, позволяющие оценить положительный эффект от применения МКП и цифровой СУИ, представлены в таблице 5.1.

Заключение

1. В рамках проведенного аналитического обзора выявлено несоответствие уровня отечественных разработок в области аэродромного светосигнального оборудования (АССО) современным требованиям, в частности, показано несоответствие характеристик ЭМС требованиям нормативных документов одного из основных узлов - аэродромного регулятора-стабилизатора тока (АРСТ) на не полностью управляемых ключах (НПУК).

2. В качестве основного направления совершенствования АССО в данной работе выбрано исследование возможности модернизации АРСТ в системах с последовательным питанием огней. Сформулированы основные технические требования к АРСТ, определяющие объем частичной модернизации.

3. Особое внимание на этапе анализа уделено АРСТ на полностью управляемых ключах (ПУК), в виду его перспективности и ограниченной информации в отечественных работах в данном их применении. Кратко рассмотрен вариант построения АРСТ с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП). Показано, что улучшение качества АРСТ может быть достигнуто за счет применения известного в преобразовательной технике принципа многоканального преобразования (МКП) энергетического потока.

4. На уровне структурно-алгоритмической организации АРСТ предложены варианты его модернизации: а) - с использованием принципа МКП при его реализации на НПУК - тиристорах; б) - с использованием принципа МКП и ПУК переменного тока (без применения принципа ПВЧП и с его применением).

5. На основе использования математического аппарата рядов Фурье получено модельное описание процессов АРСТ на НПУК с МКП и доказано улучшение его характеристик по сравнению с традиционным решением.

6. Разработаны компьютерные модели для АРСТ на ПУК и НПУК с применением МКП, а также модель НПУК. На основе проведенного моделирования получена необходимая информация для проектирования АРСТ данного типа и для сопоставительной оценки вариантов его построения. Подтверждено теоретически прогнозировавшиеся улучшение характеристик АРСТ с МКП, в частности, показана возможность снижения коэффициента гармоник потребляемого тока до значения, определяемого нормативными требованиями.

7. Сделан вывод, что АРСТ без ПВЧП с МКП на НПУК наиболее готов к опытно-конструкторской реализации, как способный обеспечить заданный уровень ЭМС и не требует дополнительного освоения новых технологий изготовления.

8. Проведена модернизация системы управления (СУ) для АРСТ на НПУК с МКП в цифровом исполнении. Произведена оценка необходимых ресурсов вычислительной системы, необходимая для выбора основных элементов СУ. Предложены способы адаптации известного метода цифровой дискретизации измерения к конкретным условиям работы АРСТ. В результате достигнуто трехкратное увеличение точности стабилизации уровней тока - основного параметра АРСТ.

9. Совокупность решений, реализующих 1-й этап частичной модернизации АРСТ (принцип структурной многоканальное™ при одном регулирующем элементе и новый уровень реализации цифровой системы управления) внедрена в производство и успешно применяется в серийно выпускаемом АРСТ. В рамках реализации 2-го этапа модернизации АРСТ (до уровня АРСТ на НУПК с применением принципа МКП) разработана конструкторская документация, реализующая это техническое решение.

10. Созданы предпосылки для проведения следующего этапа модернизации АРСТ в транзисторном исполнении. Полученные результаты составляют банк проектно-конструкторской информации при разработке техники следующего поколения.