В статье рассмотрена проблема, существующая при эксплуатации аэродромных источников электроснабжения (АИЭ) – сложность и длительный период оперативного восстановления работоспособности после отказа их функциональных составных частей, даже при наличии этих частей в составе ЗИП. Представлена основная причина существования этой проблемы, показаны пути и практические способы ее существенного снижения с одновременным расширением эксплуатационных возможностей АИЭ
Общие сведения
Аэродромные источники электроснабжения предназначены для предполетной подготовки воздушных судов (ВС): самолетов, вертолетов, БПЛА самолетного и вертолетного типов, а также проведения других видов работ по техническому обслуживанию без запуска двигателей. При эксплуатации АИЭ в современных непростых условиях существует проблема, связанная со сложностью и длительностью их оперативного восстановления после отказа, даже при наличии запчастей из состава ЗИП, которая значительно затрудняет эксплуатацию АИЭ [1].
По мнению соавторов данной статьи, основной причиной существования данной проблемы является моноструктурная схемотехническая основа и порождаемая ею моноблочность конструкционного исполнения большинства типов АИЭ как отечественного, так и зарубежного производства (см. рисунок 1).
Рис. 1 Общий вид АИЭ производства ООО «НТЦ АКТОР» с выходным напряжением постоянного тока для предполётной подготовки вертолёта морской авиацииВ существующих условиях эксплуатации разборка моноблочного АИЭ и его преобразователя напряжения (ПН), замена в последнем отказавшего узла (модуля, блока) на запасной из состава ЗИП, последующая сборка ПН и АИЭ, а также опробывание АИЭ для определения его работоспособности перед дальнейшим штатным применением при проведении их специалистами аэродромных служб являются достаточно сложными и длительными. В свою очередь, отсутствие или нехватка на предприятиях, эксплуатирующих ВС, необходимого количества и номенклатуры разнотипных запасных частей для ПН, ремонтной документации и оборудования, а также достаточного уровня подготовки специалистов существенно усложняют вышеупомянутую проблему [1]. На крупных аэродромах, лучше обеспеченных всем необходимым, она, так или иначе, решается. В гораздо большей степени эта проблема проявляется на небольших и удаленных от центров аэродромах с недостаточным уровнем материально-технического обеспечения и квалификации соответствующих специалистов.
В настоящей статье предлагается реальный способ уменьшения зависимости качества и сложности эксплуатации ВС от вышеизложенной проблемы. По мнению соавторов, знакомых с нею как по информации из разных источников, так и непосредственно, от специалистов в вопросах эксплуатации ВС, он заключается в переходе от традиционной схемотехнической моноструктуры и моноконструкции ПН АИЭ к модульному принципу его создания в ближайшей перспективе, к тому же давно предусмотренному требованием [2]: «п. 6.18 При компоновке оборудования СНО предпочтение следует отдавать блочно-модульному построению СНО». Здесь аббревиатура «СНО» означает термин «Средства наземного обслуживания (самолетов [вертолетов])». Приведем и его определение из того же [2]: «Совокупность технических средств, обеспечивающих техническое обслуживание и сохранность самолетов [вертолетов] на земле», т.е. в нашем случае, под ним однозначно следует понимать конкретный вид одного из наиболее значимых СНО, а именно - «аэродромный источник электроснабжения», учитывая его назначение в процессе наземного технического обслуживания ВС, приведенное в начале текста настоящей статьи.
Однако, в существующих АИЭ блочно-модульная (модульная) конструкция почти не встречается, т.к. их производители стремятся, прежде всего, к упрощению и удешевлению производства, а эксплуатационным проблемам АИЭ ими уделяется недостаточное внимание.
Модульный принцип создания РЭА вообще, а также конкретных средств (приборов, устройств, систем) силовой электроники (ССЭ), в первую очередь, преобразователей вида и значений параметров электроэнергии, известен и уже давно применяется их разработчиками. Исторически первым шагом в этом направлении развития ССЭ явилось освоение ими параллельной по выходу работы нескольких (N) типовых силовых модулей (ТСМ) вида «АС-DC» (выпрямителей) в составе ПН на его общую выходную шину с целью получения на ней суммарного значения выходной мощности Рпн = N х Ред, где Ред – значение выходной мощности одного ТСМ. Данный эффект достигается в ПН при обеспечении устойчивого равномерного распределения его общего выходного тока между ТСМ одним из существующих способов. Это позволяет получать от ПН значение его выходной мощности (Рпн) кратно (в N раз) превышающее значение выходной мощности одного ТСМ. На этом шаге главной задачей было определение предельного количества ТСМ, способных реализовать бесконфликтную параллельную работу на общую шину ПН при выборе оптимального способа выравнивания значений их выходных токов, что позволяло обеспечить максимальное значение Рпн при имеющихся ТСМ с конкретным значением Ред. Здесь требовалось учитывать достаточно много критериев, не все из которых бесконфликтно уживались друг с другом. В итоге, путем качественного (практического) подхода к решению данной задачи по результатам анализа многих разработок в этом направлении был выявлен критерий, наиболее подходящий для большинства известных способов и вариантов обеспечения параллельной работы по выходу работы ТСМ на общую шину нагрузки [1,3]:
Ред = (15-25) % Рпн, т.е. N = Рпн / Ред = (4-7)
Для ПН, как такового, и его ТСМ, в частности, максимальное значение КПД обычно обеспечивается в относительно небольшой зоне около номинального значения тока нагрузки. При его отклонении в любую сторону от этой зоны значение КПД, в большинстве случаев, снижается.
При выборе Ред < 15% Рпн общее количество ТСМ в ПН увеличивается, что усложняет управление их параллельной работой на его общую выходную шину, а также снижает значения нагрузки каждого из N ТСМ, КПД ТСМ и КПД ПН.
При выборе Ред > 25% Рпн общее количество ТСМ в ПН уменьшается, что снижает гибкость управления ими, но повышается значение нагрузки каждого из N ТСМ, что и в этом случае может понизить значение КПД ТСМ и КПД ПН.
Главный недостаток данного варианта модульной архитектуры ПН заключается в отказе ПН в целом при отказе любого из N его ТСМ, т.к. при отсутствии достаточного запаса по перегрузочной способности каждого из них (например, при N = 5 - не менее 25% от значения Рпн) возникает каскадное отключение («эффект домино») остальных ТСМ ПН. Однако, гораздо меньшее время восстановления работоспособности ПН этого варианта модульной архитектуры по сравнению с моноблочным ПН при наличии в составе ЗИП для того и другого всех необходимых запасных частей, решает вопрос в пользу первого.
Преимущество применения в ПН даже такой (нерезервированной) модульной архитектуры заключается в создании двух важных эффектов. Первый – ТСМ, выполненные в виде ячеек с лицевыми панелями (типовых элементов замены - ТЭЗ), устанавливаются в каркас ПН с его открытой фронтальной стороны. Они оснащены простыми элементами механической фиксации в этом каркасе, а также разъемным (не паяным) соединением с ним, обеспечивая, тем самым, быстрое и технологически простое изъятие из каркаса ПН отказавшего модуля с помощью обычных инструментов (отвертка, ключ), а также и обратную последовательность операций при установке в каркас ПН запасного модуля из состава ЗИП. Второй эффект заключается в существенном сокращении номенклатуры и общего количества запасных частей в составе ЗИП из-за применения в ПН, преимущественно, однотипных модулей.
Дальнейшее совершенствование модульного принципа создания ПН является простым следствием вышеупомянутого первого шага. Оно продиктовано необходимостью повышения значений показателей безотказности ПН, не обеспечиваемого предыдущим (базовым) способом с применением в нем только N основных ТСМ с относительно невысокими значениями таких показателей. Решение заключается в увеличении количества ТСМ, как минимум, на один, являющийся резервным нагруженным и обеспечивающий сразу два преимущества: допустимое в части КПД снижение коэффициента нагрузки для N основных ТСМ (что замедляет расход их ресурса), а также дает возможность исключения зависимого отказа ПН при отказе одного из них. Правда, появление следующего отказа любого из ТСМ снова приводит ПН в неработоспособное состояние, но дает (с определенной вероятностью) некоторую задержку наступления этого события в случае своевременной замены отказавшего ТСМ на запасной из состава ЗИП. Такой способ нагруженного резервирования называется «N+1», развитый впоследствии до «N+М», где М=2,3 …). Как видно из самого названия модернизированного способа («N+М») добавление к N основным М нагруженных резервных ТСМ дает дополнительные полезные возможности, но и обладает (с увеличением их количества) и определенными недостатками. Ввиду этого, при использовании его на практике ограничиваются количеством М, не превышающим 1-2 ТСМ, т.к. при установке в ПН дополнительно одного (или более) резервного нагруженного ТСМ нагрузка на каждый из их общего количества еще более уменьшается, что, в свою очередь, дополнительно снижает значение КПД ТСМ и общего КПД ПН.
Постоянное увеличение требований к численным показателям безотказности работы ПН со стороны РЭА в связи с ее усложнением для решения все более ответственных задач заставило разработчиков ССЭ искать нетрадиционные решения в сопредельных направлениях применения РЭА (например, в устройствах вычислительной техники).
Такое решение было найдено и заключалось в добавлении в модульную архитектуру ПН еще, как минимум, одного ТСМ, находящегося в режиме ненагруженного резерва, т.е. электрически присоединенного к входной и выходной общей шинам ПН, но с отключенным выходным напряжением. Сам способ резервирования по регламентированной классификации относился к «смешанному» [4], объединяющему способы резервирования с нагруженными и ненагруженными ТСМ в одном ПН. Суть этого способа заключается в постоянном автоматическом восстановлении традиционного способа резервирования «N+1» в пределах ресурса К ≥ 1 ненагруженных ТСМ при появлении в ПН последовательных одиночных отказов ТСМ.
В отличие от предыдущего способа нагруженного резервирования «N+М» в последнем рассматриваемом способе, получившем на практике название «N+1+К», увеличение К до разумного предела (от 1 до 5, что зависит от поставленной задачи повышения значений показателей безотказности в течение заданного периода времени), дает только положительные результаты и новые эксплуатационные возможности ПН и РЭА в целом [1,3,5].
Становится очевидным, что для получения такого результата в ПН с модульной архитектурой кроме двух силовых магистралей: входной с напряжением источника электроэнергии (ИЭ) и выходной с подключенной нагрузкой ПН необходимо ввести еще одну - информационную магистраль (информационный канал – ИК) и добавить в модуль контроля и управления (МКУ) контроллер с установленным в него специальным программным обеспечением, автоматически управляющий алгоритмом функционирования ПН. Для реализации вышеизложенного также необходимо добавить и в ТСМ программный контроллер, связанный с МКУ по ИК. Данная архитектура силового устройства по аналогии с ранее появившейся в устройствах вычислительной техники, называется «магистрально-модульной» (ММА).
Кажущаяся первоначально сложность реализации ПН на основе ММА после анализа возможности одновременного получения и других полезных результатов, недостижимых ПН в традиционном исполнении, достаточно быстро становится понятной, возможной и оправданной. Тем не менее, в настоящей статье для специалистов в области силовой электроники, испытывающих различные затруднения в таком «революционном» переходе (надеемся, кратковременные) от традиционных и привычных технологий непосредственно к применению в ПН ММА приведены и другие, упрощенные способы расширения эксплуатационных возможностей ПН вида АС-DC на примере эволюционного ухода от их моноблочного исполнения сначала - просто к модульному, и даже с возможностью резервирования и ротации модулей в составе ПН.
Эволюция технических решений по совершенствованию ПН для применения их в АИЭ с расширенными эксплуатационными возможностями
Переход от моноблочной к модульной архитектуре ПН в этой статье представлен двумя путями. Первый- реализация ПН с применением в нем небольшого количества ТСМ (до 3-4) с максимально приемлемым (см. ниже) значением Ред (до 100% Рпн), а второй - с увеличенным количеством ТСМ (до 6-8) с пониженным значением Ред (до 15-20 % Рпн). Выбор пути для разработчика ПН зависит от ряда факторов: наличием готовых (в т.ч., покупных) ТСМ, возможность разработки ТСМ оптимального варианта, особенностями конструкционного исполнения ПН, материальных, а также временных затрат и др.
Вначале рассмотрим три варианта реализации ПН вида АС-DC (выпрямитель) на основе минимизированной модульной архитектуры для АИЭ с выходным напряжением постоянного тока (АИЭ-ПТ). В них не требуется наличие в ПН информационной магистрали, а от входящих в его состав ТСМ и МКУ - наличие в них программного контроллера. В первых двух из них также не требуется возможность параллельной работы по выходу на общую шину нагрузки, а в третьем – эта возможность требуется для всех трех ТСМ, но одновременно параллельно к общей выходной шине подключаются выходы только двух любых ТСМ из трех. Даже при таких упрощениях все эти три варианта ПН обладают расширенными эксплуатационными возможностями по отношению к традиционному (моноблочному) выпрямителю с теми же выходными характеристиками.
Рис. 2 Структурная схема двухканального ПН варианта 1 с модульной архитектурой
ПН варианта 1 (см. рисунок 2) получает электроснабжение от трехфазного ИЭ переменного тока с номинальным значением напряжения 380/220 В частотой 50 Гц и содержит два независимых идентичных силовых канала (СК), каждый из которых обеспечивает на своем выходе напряжение 28,5 В постоянного тока с максимальным значением 300 А (соответствует значению выходной мощности, равному 8 кВт). Здесь и далее конкретные значения выходного тока и мощности приведены в качестве примера. Предельное максимальное значение выходной мощности одного МВ, по мнению соавторов, не должно превышать 12 кВт для реализации модуля в виде типового элемента замены (ТЭЗ). Это обеспечит возможность выполнения его переустановки с другим МВ в каркасе ПН, при необходимости, или замены отказавшего МВ на запасной одним пользователем с точки зрения ограничения по массе. Для получения от ПН больших значений выходной мощности следует его реализовывать на основе других вариантов модульной архитектуры (см. далее).
Первоначально из рисунка 2 может показаться, что в ПН оба СК соединены параллельно как по входу (через входную шину «380/220 В»), так и по выходу (через выходную шину «28,5 В»), т.е. МВ каждого СК определенным способом должны обеспечивать равномерное распределение выходных токов для сложения их значений на нагрузке АИЭ-ПТ, т.е. параллельную работу по выходу. Но, в самом начале эволюционного процесса ухода от традиционной моноблочности АИЭ предлагается сделать только первый шаг в применении минимизированной модульной архитектуры. Кроме того, не всегда «под рукой» разработчика имеются ТСМ с такой возможностью. Поясним вышеизложенное с помощью некоторых сведений о режимах и принципе работы рассматриваемого варианта ПН.
Общими функциональными узлами ПН для обоих СК являются:
СК состоит из:
Далее приведем некоторые сведения о режимах и принципе работы рассматриваемого варианта ПН.
Важным условием для поддержания продолжительной работы ПН с обеспечением гарантированного электроснабжения нагрузки является наличие в месте его эксплуатации полностью укомплектованного и периодически пополняемого ЗИП, содержащего запасные МВ. В составе ЗИП может быть и запасной МКУ, хотя вероятность его отказа существенно ниже, чем у МВ по причине сравнительно облегченных режимов работы его компонентов.
Работа ПН в режиме гарантированного электроснабжения одной нагрузки
Данный режим предусматривает возможность снабжения одной нагрузки электроэнергией постоянного тока (28,5 В; ≤ 8 кВт) с гарантированной длительностью перерыва в ее подаче не более (1-3) с, обусловленного коммутационным процессом замены одного отказавшего из двух альтернативно функционирующих СК в составе ПН.
Перед началом работы в данном режиме на КП пользователем между клеммами 1 и 2 априорно устанавливается перемычка П, а нагрузка подключается к «Выходу1» или к «Выходу 2» ПН.
СК1 по умолчанию определяется основным, а СК2 – резервным ненагруженным, автоматически замещающим СК1 в случае его отказа.
Работа ПН происходит следующим образом. С помощью автоматического выключателя АВ входное напряжение от ИЭ 380/220 В, 50 Гц подается на вход ВИН, УКН и УК1 каждого из двух СК. Пользователь устанавливает данный режим работы на лицевой панели (ЛП) МКУ.
При соответствии значения входного напряжения регламентированному диапазону значений (определяется УКН) по командам от МКУ в обоих СК с помощью УК2 отключается нагрузка ПН, на ЛП МКУ выдается световой сигнал о готовности к включению выходного напряжения ПН. Включение и отключение выходного напряжения СК1 в штатном режиме работы выполняется вручную пользователем с ЛП МКУ.
После контроля МКУ наличия выходного напряжения УК2.1 автоматически подключает нагрузку ПН к выходу МВ в СК1.
При включении выходного напряжения в следующем цикле работы ПН вышеприведенные действия выполняются автоматически в СК2 с продолжением чередования СК в дальнейших циклах, чем обеспечивается режим их ротации [6] с целью более равномерного расхода ресурсов МВ в обоих СК.
При отказе МВ в СК, функционирующем в данном цикле работы, МКУ автоматически и последовательно:
Для поддержания дальнейшей штатной работы ПН в данном режиме пользователю следует в течение ближайшего штатного перерыва между ее циклами заменить отказавший МВ в СК на запасной из состава ЗИП.
Работа ПН в режиме гарантированного электроснабжения двух нагрузок
Данный режим предусматривает возможность одновременного снабжения электроэнергией постоянного тока (28,5 В; ≤ 8 кВт) каждой из двух независимых нагрузок с гарантированной, но увеличенной (по сравнению с предыдущим режимом) длительностью перерыва электроснабжения каждого одного из них не более (10-15) мин., что определяется необходимостью замены отказавшего МВ на запасной из состава ЗИП.
При выборе пользователем данного режима работы между клеммами К1 и К2 должна отсутствовать перемычка П, нагрузка 1 подключается к «Выходу1», а нагрузка 2 - к «Выходу 2» ПН, чередование включения выходного напряжения (ротация СК1 и СК2) - отсутствует. Включение выходного напряжения обоих СК может выполняться пользователем одновременно или раздельно.
При невыполнении вышеизложенных условий в части ЗИП ПН обеспечивает работу в этом режиме лишь до отказа одного из двух СК с прекращением электроснабжения нагрузки, подключенной к отказавшему СК. Если при этом приоритетным является электроснабжение именно этой нагрузки, то возможно ее переключение к работоспособному СК, чем и будет определяться длительность перерыва в электроснабжении.
При появлении в месте эксплуатации АИЭ-ПТ укомплектованного ЗИП или пополнении его отсутствующими модулями МВ возможно восстановление функционирования ПН в данном режиме с приведением вышеизложенных ситуаций к исходному состоянию.
Двухканальный ПН варианта 2, являющийся следующим шагом на пути к эволюционному совершенствованию ПН, создан на основе модульной архитектуры с тремя СК и наличием в каждом из них МВ, который, как и в первом варианте, обеспечивает значение Ред = Рпн. Структурная схема этого варианта ПН приведена на рисунке 3.
Рис. 3 Структурная схема двухканального ПН варианта 2 с модульной архитектурой
ПН варианта 2 отличается от предыдущего варианта наличием в нем трех однотипных СК (МВ), аналогичных приведенным в варианте 1, с теми же значениями выходных параметров: Uвых = 28,5 В, Iвых = 300 А, а также типом выходных управляемых коммутаторов УК2.1-УК2.3, обеспечивающих автоматическое переключение выходных цепей МВ1-МВ3 с одного выхода ПН на другой.
Также, как и в варианте 1 модульного ПН, в нем не требуются наличие внутренней информационной магистрали и обеспечение параллельной работы МВ по выходу на общие шины нагрузки ПН, а в МВ - обязательного наличия программного контроллера.
К любой из выходных шин Ш2 или Ш3 может быть автоматизированно подключен выход любого из работоспособных МВ1-МВ3.
Работа ПН в режиме гарантированного электроснабжения одной нагрузки
При работоспособном состоянии трех МВ любой из них (например, МВ1) может быть использован в качестве основного, а МВ2 и МВ3 – в качестве резервных в ненагруженном режиме.
При подаче входного напряжения ПН путем включения его с помощью АВ и выполнении УКН контроля его значения с положительным результатом оно, с помощью УК1.1-УК1.3, поступает на входы всех МВ, выходы всех МВ автоматически подключаются к Ш2. По команде пользователя включается Uвых. МВ1. МКУ контролирует от него сигнал «PG» (Uвых. в норме) и значение Iвых. (Iн. от ДТН1).
После завершения цикла работы ПН (отключения пользователем Uвых. ПН (МВ1) выход МВ1 автоматически отключается от Ш2 (УК2.1). Основным модулем становится МВ2. Во втором цикле работы ПН (после включения Uвых. МВ2) МВ1 и МВ3 используются в качестве резервных в ненагруженном режиме. МКУ ПН контролирует сигнал «PG» от МВ2 и значение его Iвых. (Iн. от ДТН1).
В третьем цикле работы ПН в качестве основного используется МВ3 с повторением вышеприведенного алгоритма работы ПН. В дальнейших циклах ротация МВ в ПН продолжается, что создает замедление расхода их ресурса.
При отказе в процессе работы ПН любого из выбранных основных МВ (по отсутствию от него сигнала «PG») МКУ включает в качестве основного Uвых. того МВ, выходное напряжение которого было включено в меньшем количестве предыдущих циклов работы ПН, а оставшийся второй работоспособный МВ становится резервным в ненагруженном режиме. Одновременно с этим МКУ отключает отказавший модуль от Ш1, а также блокирует возможность подачи на него сигнала на включение Uвых. в последующих циклах работы ПН.
При данном способе замены отказавшего основного МВ на резервный происходит короткое - не более (1-3) с прекращение подачи Uвых. ПН на его нагрузку, что обусловлено коммутационным процессом замены отказавшего МВ на запасной и относит данный способ к «гарантируемому» электроснабжению.
В связи с уменьшением резервного ресурса ПН из-за отказа одного МВ в каждом последующем цикле его работы режим ротации будет поддерживаться только двумя работоспособными МВ, что также способствует повышению показателей безотказности ПН, но с несколько меньшей эффективностью по сравнению с наличием в ПН трех работоспособных МВ.
При отказе одного из двух оставшихся работоспособных МВ ПН продолжит выполнять свои функции до момента отказа последнего работоспособного МВ.
В случае оперативной замены отказавших МВ на запасные из состава ЗИП функциональные возможности ПН восстанавливаются.
Работа ПН в режиме гарантированного электроснабжения двух нагрузок
При работоспособном состоянии трех МВ любые два из них (например, МВ1 и МВ2) могут быть использованы в качестве основных, а МВ3 – в качестве общего резервного в ненагруженном режиме. Из-за наличия ограниченного резервного ресурса (только один МВ) пользователь заранее должен принять решение в части обеспечения необходимого приоритета гарантированного электроснабжении двух подключенных нагрузок при отказе любого из двух основных модулей для его предварительного ввода в МКУ. По той же причине режим ротации МВ в циклах работы ПН в данном варианте отсутствует.
При подаче входного напряжения ПН путем включения его пользователем с помощью АВ и выполнении УКН контроля его значения с положительным результатом оно по шине Ш1с помощью УК1.1-УК1.3 поступает на входы всех МВ, а выходы МВ1 и МВ2 автоматически подключаются к Ш2 и Ш3, соответственно, выход МВ3 – к той из них, для которой заранее введен приоритет в электроснабжении подключенной к ней нагрузки, или к которой подключена нагрузка с потенциально большим значением потребляемой мощности (также вводится пользователем заранее с ЛП МКУ).
По команде пользователя раздельно (совместно) включаются Uвых. МВ1 и МВ2. МКУ контролирует от них сигналы «PG» (Uвых. в норме) и значения Iвых. (Iн. от ДТН1и ДТН2).
При соответствии нагрузки (например, МВ1) одному из приоритетных условий его резервирования и отказе МВ1 в процессе работы ПН МКУ включает Uвых. резервногоМВ3. Одновременно с этим МКУ ПН отключает МВ1 от Ш1 и Ш2, а также блокирует возможность подачи сигнала на включение его Uвых. в последующих циклах работы ПН.
При отсутствии у нагрузки (например, МВ2) приоритета в резервировании и отказе МВ 2 в процессе работы ПН необходимо проведение, по возможности, его оперативной замены на запасной МВ и повторного включения его Uвых..
При наличии другого запасного МВ следует то же выполнить для замены ранее отказавшего МВ1.
При вышеупомянутых отказах МВ перерыв в электроснабжении приоритетной нагрузки, или нагрузки с большим значением потребляемой мощности не превысит (1-3) с. Для второй нагрузки он может быть существенно больше - до (10-15) минут (при наличии запасного МВ).
Дальнейшим усовершенствованием ПН варианта 2 является обеспечение «минимизированной» параллельной работы МВ, т.е. когда эта возможность принципиально требуется для любого из трех МВ, но одновременно параллельно к любой общей выходной шине (Ш2, Ш3) подключаются выходы только двух любых МВ из трех. К дополнительной шине параллельной работы (ШПР) МВ подключаются с помощью управляемых коммутаторов УК ПР1-УК-Пр3.
Структурная схема варианта ПН варианта 3 приведена на рисунке 4.
Рис. 4 Структурная схема двухканального ПН варианта 3 с модульной архитектурой
ПН варианта 3 схож с предыдущим вариантом наличием в нем трех однотипных СК (МВ), аналогичных примененным в ПН варианта 2, с теми же значениями выходных параметров: Uвых = 28,5 В, Iвых = 300 А, а также типом выходных управляемых коммутаторов УК2.1-УК2.3, обеспечивающих автоматическое переключение выходных цепей МВ1-МВ3 с одного выхода ПН на другой.
Также, как и в ПН вариантов 1 и 2, в нем не требуются наличие внутренней информационной магистрали, а в МВ - обязательного наличия программного контроллера.
Также к любой из выходных шин Ш2 или Ш3 может быть автоматизированно подключен выход любого из работоспособных МВ1-МВ3.
Однако, есть и существенное отличие, способствующее приближению архитектуры ПН этого варианта к магистрально-модульной (ММА). Оно заключается, как было отмечено выше, в применении для этого варианта ПН МВ с возможностью обеспечивать параллельную работу с себе подобными на общую шину нагрузки. Так как этот шаг, поначалу, может вызвать определенные трудности, предусматривается некоторое упрощение задачи в виде минимально-возможного количества МВ (2). При этом упрощении требование к равенству токов нагрузки каждого из них не является слишком жестким, особенно, если у МВ существует определенный перегрузочный запас по значению его выходного тока (15-20%). Этот запас может снизить влияние разбаланса значений токов нагрузки каждого из двух МВ на реализацию их параллельной работы, который может быть причиной перегрева одного из МВ и его последующего отключения. Положительным эффектом от реализации такого технического решения может быть дополнительное расширение эксплуатационных возможностей ПН (АИЭ-ПТ), приведенное далее.
Работа ПН в режиме бесперебойного электроснабжения одной нагрузки
Нагрузка ПН (Uвых = 28,5 В, Iвых ≤ 300 А), подключается к Ш2.
Работа ПН в выбранном режиме происходит следующим образом. С помощью автоматического выключателя АВ входное напряжение от ИЭ 380/220 В, 50 Гц подается пользователем на входную шину Ш1.
При выполнении УКН контроля его значения с получением положительного результата оно, с помощью УК1.1-УК1.3, поступает на входы всех МВ, а их выходы автоматически с помощью УК2.1-УК2.3 подключаются к Ш2.
В случае наличия исходного работоспособного состояния всех трех МВ любой из них (например, МВ1) может быть использован в качестве основного, МВ2 – в качестве резервного нагруженного, МВ3 - в качестве резервного ненагруженного.
УК ПР1и УК ПР2 подключают к ШПР цепи ПР МВ1 и МВ2.
По команде пользователя включается Uвых. МВ1 и МВ2. МКУ контролирует от каждого из них сигнал «PG» (Uвых. в норме) и значение Iвых. (Iн. от ДТН1).
МВ1 и МВ2 в совокупности обеспечивают необходимое значение выходной мощности ПН ( ≤ 8 кВт), а МВ3 выполняет функцию ненагруженного резерва.
В следующем цикле работы ПН основным становится МВ2, резервным нагруженным - МВ3, резервным ненагруженным – МВ1 с обеспечения подобной ротации МВ в следующих циклах работы ПН.
При отказе одного любого из МВ в процессе работы ПН он автоматически отключается от Ш1, Ш2 и ШПР, возможность подачи на него сигнала включения выходного напряжения блокируется МКУ, режим ротации МВ прекращается. Электроснабжение нагрузки бесперебойно обеспечивает в качестве основного один из двух работоспособных МВ, а второй – становится резервным нагруженным.
При следующем отказе любого из двух работоспособных МВ второй- становится основным, обеспечивая бесперебойное электроснабжение нагрузки, а отказавший - отключается от Ш1, Ш2 и ШПР с дополнительной блокировкой возможности подачи на него сигнала включения выходного напряжения.
Таким образом, в данном режиме работы ПН обеспечивается бесперебойное электроснабжение нагрузки до момента отказа последнего из работоспособных модулей, а также, при наличии ресурса (трех работоспособных МВ), обеспечивается замедление расхода ресурса каждого из МВ них путем их цикловой ротации.
В этом же режиме работы данного варианта ПН возможно обеспечить гарантированное электроснабжение (с перерывом не более 3-5 с) одной нагрузки ПН с повышенным значением мощности потребления (до 16 кВт).
Для этого два МВ (например, МВ1 и МВ2) должны быть подключены выходами на шину с этой нагрузкой для параллельной работы на нее с суммированием значений их выходной мощности, а цепями ПР - к шине ШПР.
МВ3 должен выполнять функцию ненагруженного резерва с исходным отключением от шины с подключенной нагрузкой и от ШПР.
Включение выходного напряжения МВ1 и МВ2 выполняется одновременно.
При отказе МВ1 (МВ2) оставшийся работоспособный МВ отключит выходное напряжение из-за перегрузки по выходному току. Оказавший МВ автоматически отключается от Ш1, Ш2 и ШПР с блокировкой возможности подачи на него сигнала включения выходного напряжения.
МВ3 автоматически подключается к шине с подключенной нагрузкой и к ШПР. Затем выполняется одновременное включение выходного напряжения МВ2и МВ3 с восстановлением электроснабжения нагрузки, которое прекратится при отказе МВ2 или МВ3.
При своевременной замене отказавших МВ на запасные из состава ЗИП возможно обеспечить длительную работу ПН данного варианта.
Работа ПН в режиме бесперебойно-гарантированного электроснабжения одной из двух нагрузок
Каждая из двух независимых нагрузок со значением потребляемой мощности не более 8 кВт подключается к одному из выходов ПН. Пользователь выбирает статус нагрузок и вводит необходимые данные в МКУ о конфигурации структуры ПН.
При исходном работоспособном состоянии МВ1- МВ3 к шине с наиболее статусной нагрузкой после включения входного напряжения ПН подключаются (для примера) МВ1и МВ2, а МВ3 – к Ш3.
УК1 и УК2 подключают цепи ПР МВ1 и МВ2 к ШПР.
Включаются выходные напряжения всех МВ.
При отказе в процессе работы МВ1 (МВ2) бесперебойно обеспечивается электроснабжение статусной нагрузки за счет работоспособного МВ2. При этом МВ1 отключается от Ш1, Ш2 и ШПР с блокировкой возможности подачи на него сигнала включения выходного напряжения.
МВ3 по априорному решению пользователя может либо быть переключенным к Ш2 для поддержания параллельной работы по выходу с МВ2 (продолжить бесперебойное электроснабжение статусной нагрузки с прекращением электроснабжения другой нагрузки), либо остается подключенным к Ш3.
Третьим вариантом работы ПН в этом режиме может быть переключение МВ3 к Ш2 только после отказа МВ2, что является понижением категории электроснабжения нагрузки, подключенной к шине Ш2 с бесперебойной на гарантированную (время перерыва - не более 3-5 с).
Во всех вышеприведенных вариантах при своевременной замене отказавших МВ на запасные из состава ЗИП возможно обеспечить длительную работу ПН.
Далее рассмотрим следующие три варианта ПН, соответствующие ранее представленному второму пути, по нарастающей сложности их реализации. С учетом принципиальных отличий от уже представленных трех вариантов, соответствующих первому пути (сокращенное количество ТСМ при максимальном значении их Ред = Рпн), эти три варианта являются расширением «модульности» архитектуры ПН.
Первый из них, «классический», содержащий только N основных МВ и обеспечивающий, тем самым, необходимое значение выходной мощности ПН. Его структурная схема приведена на рисунке 5.
Рис. 5 Струтурная схема одноканального ПН варианта 4 с модульной архитектурой
В ней также, как и в двух предыдущих вариантах ПН (см. рисунки 2-4) не требуется наличие в нем информационной магистрали, а от МВ и МКУ, входящих в его состав, обязательного наличия в них программного контроллера. Однако здесь обязательным требованием к МВ является наличие возможности их параллельной работы по выходу на общую шину нагрузки Швых., а в ПН – наличие дополнительной шины параллельной работы ШПР.
Некоторым преимуществом данного (4-го) варианта ПН по сравнению с первым (см. рисунок 2), является возможность увеличения значения выходной мощности ПН (до предела, ограниченного возможностью стабильного управления их работой) путем увеличения числа N МВ, работающих параллельно по выходу на его общую шину нагрузки.
Другим, более существенным преимуществом, может быть безотказная работа ПН в случае отказа любого одного МВ при условии наличия у «единичного» МВ определенной перегрузочной способности (запаса максимального значения выходной мощности) в пределах 10-35 % от Ред в зависимости от его максимального значения). Это дает вероятностную возможность выполнить оперативную замену отказавшего МВ на запасной из состава ЗИП с сохранением работоспособного состояния ПН без наличия в нем резервных модулей.
Назначение в составе ПН таких составных частей как АВ, УКН, ВИН, ДТН, УК обоих видов аналогично приведенным для предыдущих рассмотренных вариантов.
МКУ, кроме выполнения функций, аналогичным этим вариантам, здесь дополнительно обеспечивает и одновременное включение/отключение выходного напряжения всех работоспособных МВ аналоговыми сигналами релейного вида по физическим цепям управления.
Рис. 6 Структурная схема одноканального ПН варианта 5 с модульной архитектурой (с резервными каналами)
Следующий ПН варианта 5 с расширенной модульной архитектурой, представляющий собой некоторую модернизацию предыдущего (см. рисунок 5), приведен на рисунке 6. Модернизация заключается в дополнении структуры с N основными МВ одним (способ резервирования «N+1») или несколькими (способ резервирования «N+М», М=1-2) резервными нагруженными МВ. Она позволяет продлить время безотказной работы ПН, необходимое для замены отказавших МВ работоспособными из состава ЗИП. Дополнительный эффект безотказности можно получить при наличии в МВ некоторой перегрузочной способности, более подробно рассмотренной в ПН варианта 4 (см. рисунок 5).
Рис. 7 Структурная схема ПН варианта 6 с магистрально-модульной архитектурой (ММА)
Последний из рассматриваемых вариантов создания ПН, анонсированный в «Общих сведениях» настоящей статьи, является самым современным и эффективным не только в части обеспечения его повышенной безотказности, но и создает ряд дополнительных преимуществ по сравнению с его предшественниками. Естественно, что создание такого ПН требует определенного усложнения не только схемотехнических решений, но и измененной идеологии, необходимой для реализации поставленной задачи. За основу этой идеологии взята многоканальная модульная архитектура ПН, рассмотренная в его варианте 6 (см. рисунок 7), в которую внесен ряд существенных изменений, иллюстрируемых структурной схемой ПН и обеспечивших дальнейшее развитие этой архитектуры до магистрально - модульной (ММА). К основным из них относятся:
* - Вышеприведенный термин «системный» относительно МВ означает наличие в его составе узлов (элементов), обеспечивающих не только процессы преобразования видов и значений параметров входной электроэнергии и коммутации, но и управления (контроля) от центрального МКУ ПН совместно с сопряжением с другими МВ по внутреннему ИК.
Это позволяет обеспечить замену любого МВ после его отказа из состава ЗИП без необходимости проведения последующей диагностики и ремонта модулей в условиях эксплуатации, а также позволяет упростить и унифицировать его обрамление в каркасе ПН. Поэтому в структуре ПН на основе ММА отсутствуют управляемые коммутаторы во входной и выходной цепях МВ (см. рисунок 6), а также элементы «развязки» параллельно подключенных по выходу МВ к общей шине нагрузки ПН.
Наличие внутреннего ИК исключает из каркаса ПН жгуты с физическими цепями и паянные межмодульные соединения, а также позволяет заменить аналоговые сигналы контроля и управления цифровыми, что в совокупности увеличивает отказоустойчивость ПН.
Необходимость применения программных контроллеров в МВ и МКУ не требует особых пояснений.
Не вдаваясь, далее, в другие подробности реализации ПН варианта 6 с применением ММА, перейдем к перечислению и пояснению его основных преимуществ по сравнению с предыдущими вариантами ПН:
А) без изменения номенклатуры и количества составных частей:
Б) с оперативной заменой версии МКУ без изменения номенклатуры и количества остальных составных частей:
* - при обеспечении перегрузочной способности МВ;
** - временная ротация- замена всех или части МВ в определенные, заранее установленные моменты времени от момента включения выходного напряжения ПН (используется в режиме его длительной непрерывной работы с включенным выходным напряжением).
Практически все вышеперечисленные преимущества в равной степени возможно достичь и в случае применения ПН с любым из существующих четырех его «классических» видов на основе ММА: АС-DC, AC-AC, DC-AC и DC-DC. Первые два вида широко применяются в ПН АИЭ с выходным напряжением постоянного (АС-DC - выпрямитель) и переменного (AC-AC - конвертор) тока. В последнем случае необходимо дополнительно реализовать синхронизацию и фазирование напряжений переменного тока «единичных» модулей (основных и резервных) в процессе сложения их выходных мощностей на общей шине нагрузки ПН.
Выводы:
1. При уходе в процессе создания ПН от моноблочной структуры и конструкционного исполнения к модульной (в т.ч. и с ММА) возможно одновременное повышение ремонтопригодности (практически не зависящей от примененного варианта его структуры) и безотказности (в разной степени для различных вариантов его структуры, максимально- с ММА), что существенно расширяет эксплуатационные возможности АИЭ.
2. Модульная структура ПН во многом упрощает технологию восстановления работоспособности АИЭ после отказа в нем ПН, снижает требования к эксплуатационной документации, инструменту, оборудованию и квалификации обслуживающего персонала.
3. Упрощение создания на производстве и применения на эксплуатации ЗИП для восстановления работоспособности АИЭ с модульными ПН обеспечивается, в основном, за счет сокращения в ПН номенклатуры типовых запасных модулей (до 1-2 видов), и дополнительно, их количества.
4. Повышению значений показателей безотказности модульного (в большей степени, с ММА) исполнения ПН способствует, в основном, выбранный способ резервирования, а также - автоматическая цикловая (временная) ротация ТСМ в составе ПН и априорное увеличение их перегрузочной способности;
5. Модульная структура ПН в процессе его функционирования в составе АИЭ позволяет существенно понизить уровни силовых электромагнитных воздействий последнего на РЭА, как получающую электроснабжение от этого же АИЭ (излучаемых и кондуктивных), так и на РЭА, получающую электроснабжение от другого АИЭ (излучаемых), но расположенную вблизи от АИЭ с ПН на основе ММА.
Литература