Проблемы и перспективные направления энергосбережения в военной технике
«Наука и военная безопасность», №2, 2003 г., с.36-40
Проблемы и перспективные направления энергосбережения в военной технике
Подполковник А.Н. МАЛАШИН,
докторант кафедры электротехники
Военной академии Республики Беларусь,
кандидат технических наук, доцент
Подполковник СВ. КЛОПОВ,
доцент кафедры электротехники
Военной академии Республики Беларусь
Современные образцы вооружения и военной техники представляют собой сложные системы, имеющие в своем составе целый комплекс взаимосвязанных элементов, объединенных в единую энергосистему (ЭС) процессами производства, преобразования и потребления электрической энергии. До последнего времени влияние ЭС на тактико-технические показатели образца вооружения (ОВ) недооценивалось
Между тем опыт боевых действий США и их союзников против Ирака и Югославии показал, что объекты энергоснабжения, нефтехранилища, склады горючего, линии электропередачи подвергаются первоочередному уничтожению [1]. Обороняющаяся сторона вынуждена воевать в условиях ограниченности запасов топлива и отсутствия централизованного электроснабжения. Необходимость ведения боевой работы от собственных энергосредств приводит к резкому усилению влияния энергосбережения в ОВ на эффективность их боевого применения, поскольку даже самая современная военная техника (ВТ) оказывается абсолютно бесполезной без соответствующего энергообеспечения.
В мирное время сокращение энергопотребления ОВ и ВТ позволяет увеличить время учебы личного состава на боевой технике в условиях жесткого лимита на выделяемые энергоресурсы.
Следовательно, при модернизации и разработке военной техники экономичность образцов вооружения должна учитываться наряду с показателями, определяющими их основное предназначение. Данное положение, в первую очередь, относится к таким энергоемким объектам, как РЛС, ЗРК, системы связи, АСУ, командные пункты.
Рассмотрим типовую структуру ЭС функционального оборудования образца вооружения, приведенную на рисунке 1. По типу получаемой конечной энергии для использования в ВТ и конструктивным особенностям элементов она разделяется на ряд подсистем:
систему электроснабжения (СЭС);
систему вторичного электропитания (СВЭП) электронной аппаратуры;
систему электроприводного оборудования (СЭПО),
систему отопления;
систему светотехнического оборудования.
Задача СЭС - производство и бесперебойное обеспечение электроэнергией всех потребителей. Основу СЭС составляют первичные источники, преобразующие различные виды энергии в электрическую.
Задача СВЭП - прием от СЭС электроэнергии и преобразование ее параметров к виду, необходимому для питания функциональной аппаратуры Основными элементами данной системы являются источники вторичного электропитания (ИВЭП).
СЭПО обеспечивает потребности вооружения в механической энергии Она включает устройства управления оружием, системы вентиляции, кондиционирования и т.п.
образует первичную электрическую энергию в тепловую.
Система светотехнического оборудования (освещения) обеспечивает вооружение необходимой для работы на ней личного состава световой энергией.
Основу современных энергосистем наземных образцов вооружения мощностью до 200 кВт составляет СЭС переменного тока. Она состоит из централизованной и автономной СЭС.
Централизованная СЭС используется для работы в местах постоянной дислокации или при проведении учений. В повседневной деятельности основным источником питания являются трансформаторные подстанции, преобразующие напряжение ЛЭП 6 или 10 кВ в напряжение 380 В. При отсутствии ЛЭП электроснабжение ведется от дизельных электростанций (ДЭС) через электромашинный преобразователь частоты серии ПСЧ. В состав автономной СЭС входят два газотурбинных агрегата питания (ГАП), которые применяются для электроснабжения самоходного ОВ при совершении маневра.
На сегодняшний день решение проблемы энергосбережения в наземных ОВ можно вести в рамках модернизации существующей или путем разработки новой ЭС.
Рассмотрим возможности по совершенствованию современной ЭС.
Характерным для системы вооружения является большое количество нагрузок, потребляющих значительную реактивную мощность, и нагрузок с импульсным токопотреблением.
Полная мощность S первичных генераторов (ДЭС, ГАП) рассчитывается по формуле [2]:
где Р - максимальная потребляемая активная мощность;
cosφ коэффициент мощности;|
v - коэффициент искажений.
Откуда видно, что низкий коэффициент мощности (0,6 0,8) и искажения формы тока, потребляемого от ДЭС, приводят к завышению установленной мощности генератора на 20% - 40%. Это увеличивает массу генераторной установки. Дополнительные потери электроэнергии, вызванные протеканием реактивной составляющей и высшими гармоническими составляющими тока нагрузки, снижают экономичность работы СЭС. Современный уровень развития силовой электронной техники позволяет решить данную проблему применением устройств активной фильтрации [3].
Активный фильтр (АФ) представляет собой сочетание двунаправленного транзисторного инвертора и емкостного накопителя. Схема использования активного фильтра и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, представлены на рисунке 2. Как видно из графиков, в процессе работы фильтром осуществляется формирование синусоидального по форме входного тока Inom, совпадающего по фазе с питающим напряжением U(t). При выполнении этих условий значение произведения cosφ x v будет равно единице. С этой целью управление инвертором АФ производится таким образом, чтобы его выходной ток Ifa(t) компенсировал отклонение формы тока нагрузки I(t) от синусоиды.
Одним из основных устройств, существенно ухудшающим энергетические показатели СЭС, является ПСЧ. Необходимость его использования приводит к появлению в составе СЭС отдельной кабины. КПД таких преобразователей лежит в пределах 0,7 - 0,8. Следовательно, дополнительные потери мощности при преобразовании даже в номинальном режиме составляют 20 - 30% и увеличиваются при неполной нагрузке СЭС. Коэффициент мощности ПСЧ из-за наличия в его составе асинхронного двигателя (АД) не превышает 0,86 - 0,91, что, согласно выражению (1), увеличивает расчетную мощность ДЭС. Кроме того, большие пусковые токи АД могут нарушать устойчивость ЭС, а применяемые для исключения этого явления специальные меры запуска АД увеличивают время готовности ЭС к приему нагрузки.
Вместо электромашинного преобразователя частоты целесообразно разработать статический преобразователь (СтПЧ), выполненный с использованием силовых IGBT транзисторов [4]. На рисунке 3 в виде диаграмм приведены результаты сравнительного анализа массы существующих на сегодняшний день преобразователей различных типов и мощности. Как видим, применение СтПЧ позволит снизить массу преобразователя на порядок. Это позволит уменьшить количество транспортных единиц в составе СЭС. Кроме выигрыша в массе (а, значит, и снижения расходов топлива на транспортировку), статические преобразователи имеют КПД более 0,9 и высокую надежность.
Коэффициент использования установленной мощности СЭС современных ОВ невысок (0,5 - 0,7), поскольку из-за высоких требований к непрерывности электропитания большей части функциональной аппаратуры резервирование СЭС осуществляется методом нагруженного резерва. Это приводит к увеличенному расходу топлива и снижению вероятности безотказной работы электростанции. Значительно увеличить экономичность работы электростанции и надежность электроснабжения позволяет применение ненагруженного или облегченного резерва [5]. При этом для сохранения необходимого коэффициента готовности в составе СЭС необходимо применение накопителя энергии (НЭ), обеспечивающего ЭС электроэнергией нагрузки во время запуска резервной ДЭС. Накопитель может быть выполнен на базе пусковых аккумуляторных батарей ДЭС по структуре агрегата бесперебойного питания [6].
Система вторичного электропитания объединяет в своем составе источники вторичного электропитания различной мощности и уровня выходного напряжения. ИВЭП располагаются в контейнерах с функциональной аппаратурой и составляют от 20% до 60% общей массы и объема контейнера. Род выходного тока ИВЭП постоянный. Удельные массогабаритные параметры ИВЭП и его экономичность в значительной мере зависят от структуры источника. В современной ВТ широко используются следующие типы ИВЭП. Во-первых, это ИВЭП с преобразованием уровня напряжения на частоте СЭС и непрерывной стабилизацией выходного напряжения (занимают удельный объем 0,5 - 15 Вт/дм3 и имеют КПД 17 -55%). Во-вторых, ИВЭП с преобразованием уровня напряжения на частоте СЭС и стабилизацией выходного напряжения регулятором ключевого типа (занимают удельный объем 5-20 Вт/дм3 и имеют КПД 65 - 70%). В последних ОВ начали применяться ИВЭП с преобразованием уровня напряжения на высокой частоте и стабилизацией выходного напряжения регулятором ключевого типа (занимают удельный объем 20 - 60 Вт/дм3 и имеют КПД 70 - 85%). Однако последние разработки показывают, что для ИВЭП третьего типа при использовании новейших полупроводниковых приборов и современных алгоритмов работы возможно получение КПД 85 - 95% при занимаемом удельном объеме 100 -1000 Вт/дм3 [7]. Основными направлениями совершенствования ИВЭП являются: повышение промежуточной частоты преобразования до единиц мегагерц; использование квазирезонансных инверторов в составе ИВЭП, применение многофазных ИВЭП [8, 9]. Массовому применению высокоэкономичных ИВЭП со стабилизаторами ключевого типа в военной технике препятствуют периодические импульсные токи (рисунок 4,6), приводящие к дополнительным потерям, помехам и искажениям питающих напряжений сети. Поэтому в состав таких ИВЭП необходимо включать устройство коррекции формы входного тока (коэффициента мощности) [10].
На рисунке 4, а представлена схема корректора коэффициента мощности (активного выпрямителя), позволяющая получить близкую к синусоидальной форму входного тока ИВЭП (рисунок 4, в). Желаемая форма входного тока в данной схеме достигается за счет работы в режиме управляемого потребления входного тока повышающего регулятора на транзисторном ключе Т.
Помимо различных ИВЭП, электроприводное оборудование является вторым главным потребителем электроэнергии, поскольку в системах вентиляции, отопления, кондиционирования широко применяется электропривод. Особенно велика доля электроэнергии, потребляемой приводом, в РЭС средств автоматизации (КП РТВ - 70%, КП зрбр - 75%, КП ЗРК -55%). Основные типы электродвигателей, применяемых в ВТ, это асинхронный двигатель (АД) и коллекторный двигатель постоянного тока.
Асинхронный двигатель используется преимущественно как нерегулируемый в вентиляционном оборудовании, для вращения антенных систем и т.д.
По величине потребляемой мощности самыми распространенными среди исполнительных механизмов ВТ являются вентиляторы и насосы. Способы управления производительностью таких механизмов в настоящее время основываются на дросселировании потока. При таком способе скорость вращения двигателя остается неизменной, а количество поступающей жидкости или величина воздушного потока регулируется путем прикрытия или открытия заслонки дросселя.
Так, в системах вентиляции образцов вооружения регулирование воздушного потока осуществляется путем открытия вентиляционных люков. При этом избыточная мощность АД переводится в тепло, что приводит к снижению КПД и неоправданным потерям электрической энергии. Энергосберегающее управление режимами работы достигается частотным управлением скоростью вращения асинхронных двигателей. При том использование регулируемого электропривода взамен нерегулируемого позволит сократить энергопотребление насосов на 25 - 30%; компрессоров - на 40%; вентиляторов - на | 30% [11]. Дополнительным положительным свойством частотного управления является уменьшение влияния пускового режима привода на первичную сеть ограниченной мощности, что позволит сократить время включения ФА и организовать энергосберегающее управление работой вентиляционного оборудования в зависимости от потребности в охлаждающем воздухе в реальных условиях применения ОВ.
Коллекторный двигатель постоянного тока применяется в автоматическом следящем приводе управления оружием. Ввиду низкой надежности щеточно-коллекторного узла и невысокого КПД от использования коллекторных двигателей постоянного тока в новых и модернизируемых ОВ необходимо отказываться, отдавая предпочтения частотно-управляемому приводу на базе синхронных или асинхронных двигателей.
Система освещения представляет собой совокупность различных осветительных приборов. В ВТ наиболее широко используются лампы накаливания, являющиеся не самым экономичным источником света. В таблице 1 приведены данные по основным типам современных источников излучения.
Как видно из нее, на сегодняшний день наиболее предпочтительными для использования в ВТ являются люминесцентные лампы.
Таблица 1
Сравнительные характеристики источников излучения
Тип источника изучения |
Мощность устройства, Вт |
Срок службы, ч |
Сравнительная яркость |
||
Светоизлучающие диоды |
5 |
100000 |
0,6 |
||
Галогенные лампы |
20 |
5000 |
0,66 |
||
Люминесцентные лампы |
12 |
10000 |
0,88 |
||
Лампы накаливания |
150 |
1000 |
1 |
Компактные люминесцентные лампы потребляют на 75% энергии меньше, чем лампы накаливания при тех же показателях освещения. Они могут подключаться к тем же патронам, что и традиционные лампы. Их типовой ресурс превышает в 9 - 13 раз аналогичные показатели для ламп накаливания.
Люминесцентные лампы наиболее эффективно и без мерцаний работают от высокочастотных (20 - 35 кГц) источников переменного тока (электронных пускателей), служащих одновременно и корректорами формы потребляемого тока таких ламп [12].
Электронагревательные системы, применяемые в ОВ, необходимо снабжать терморегуляторами, что также позволит экономить электроэнергию.
Реализация рассмотренных выше энергосберегающих мероприятий при модернизации ВТ позволит снизить мощность СЭС минимум в полтора-два раза.
В то же время наилучших результатов в энергосбережении можно достичь за счет разработки новой энергосистемы. Исходя из рассмотренных выше направлений использования современных энергосберегающих технологий в ОВ, попытаемся обрисовать облик перспективной ЭС.
Анализ потребителей системы энергоснабжения показывает, что большинство устройств (ИВЭП с импульсной стабилизацией напряжения, частотно-регулируемый электропривод, системы освещения и обогрева) наилучшим образом сопрягается (работают наиболее экономично и имеют наилучшие массогабаритные и стоимостные показатели) с первичным напряжением постоянного тока в системе электроснабжения.
Так, например, ИВЭП, работающие от СЭС постоянного тока, будут иметь лучшие удельные показатели, поскольку в них отсутствует входной выпрямитель и сглаживающий фильтр. Перспективная СВЭП ВТ будет представлять собой набор унифицированных низковольтных и высоковольтных модулей, выполненных в виде преобразователей постоянного напряжения с высокочастотным промежуточным преобразованием энергии. При необходимости выходная мощность ИВЭП будет легко наращиваться путем объединения модулей в многофазную конструкцию. Аналогичные рассуждения справедливы и для других типов нагрузок.
Следовательно, наиболее подходящим типом первичной сети для данных нагрузок является СЭС постоянного напряжения 220 или 380 вольт.
Использование в качестве первичного постоянного напряжения снимает проблемы низкого коэффициента мощности и импульсного токопотребления от ДЭС, симметрирования нагрузок, исключает из состава СЭС преобразователи частоты. С использованием постоянного тока упрощается решение задачи регулирования нагрузки ДГУ при параллельной работе и конструкция накопителя энергии для реализации облегченного и ненагруженного резервирования. В качестве генератора в такой СЭС можно использовать бесконтактный генератор постоянного тока электро-механотронного типа [13].
Серьезным недостатком современной СЭС является наличие автономной СЭС, работающей только при выполнении маневра и выполненной на газотурбинных агрегатах. В качестве привода генератора в ГАП используется газотурбинный двигатель (ГТД). Основным достоинством ГТД является значительная удельная преобразуемая мощность, что достигается за счет высоких допустимых частот вращения вала и отсутствия системы водяного охлаждения. Массогабаритные показатели ГТД в 2-3 раза лучше, чем у дизеля такой же мощности. Однако ГТД имеют и значительные недостатки. В первую очередь, это повышенный на 25 - 30% по сравнению с дизелями расход топлива даже на оптимальной нагрузке. В реальных же условиях эксплуатации при частичных нагрузках расход топлива ГТД существенно превышает оптимальный. Также к недостаткам следует отнести большую стоимость ГТД, пониженный ресурс из-за работы турбины при больших температурах, шумность и резкое снижение надежности работы в условиях запыленности.
Состоящие на вооружении ГАП к настоящему времени практически выработали свой ресурс. Повышенный расход топлива, низкая надежность и высокая стоимость не позволяют проводить реальную боевую работу на технике при питании от ГАП.
Замена ГАП на ДГУ возможна, если в качестве привода применить современные быстроходные дизели небольшой мощности, применяемые в автомобилестроении [14]. Удельные массогабаритные показатели таких дизелей практически не уступают ГТД, а надежность и экономичность работы значительно выше. Дополнительному снижению массы установки будет способствовать повышение частоты вращения вала генератора. Причем, поскольку оптимальные частоты вращения современных двигателей и электрических машин разнятся, целесообразно использовать согласующий редуктор. Замена ГАП на ДГУ позволит отказаться от использования централизованной системы электроснабжения.
Работа в децентрализованном режиме делает график нагрузки ДЭС резкопеременным. Поэтому для повышения экономичности работы и улучшения массогабаритных показателей при переменном графике нагрузки электростанции целесообразно ее выполнение в виде многоагрегатной электростанции на каждой конструктивной единице образца вооружения.
Дальнейшему повышению экономичности работы ДЭС и снижению ее массы будет способствовать частотное управление выходной мощностью приводного двигателя ДГУ, а также использование в составе двигателей различного типа и мощности [15].
Для сопряжения с промышленной сетью ЭС, выполненной на основе СЭС постоянного тока через трансформаторную подстанцию, в состав ЭС должен быть включен трехфазный активный выпрямитель.
Структурная схема перспективной энергосберегающей ЭС функционального оборудования образца вооружения приведена на рисунке 5.
Современная ВТ в обязательном порядке должна снабжаться средствами контроля и приборами управления энергосбережением. Это могут быть таймеры, фотоэлементы, автоматические термостаты, устройства "климат контроля" и т.п. Не являющиеся силовыми элементами ЭС, тем не менее, эти средства позволяют исключить неоправданный перерасход потребляемой энергии и, таким образом, влияют на энергосбережение.
Таким образом, комплексное решение проблем энергосбережения может коренным образом изменить боевые возможности ВТ. Очерченные в статье направления использования энергосберегающих технологий в ОВ ждут военных инженеров, способных их реализовать.
ЛИТЕРАТУРА:
1.Боевые действия в Югославии: Инф. сб./ Воен. академия РБ. - Минск, 2001. - 320 с.
2.Энергосберегающая технология в электроснабжении народного хозяйства: В 5 кн.: Практ.пособие / Под ред. В.А.Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе/Н.Ф. Ильинский, Ю.В. Рожанковский, А.О. Горнов. - М.: Высш. шк., 1989. - 127 с.
3. Савоськин А.Н., Кулинич Ю.М., Гринберг Р.П. Повышение коэффициента мощности электровоза переменного тока// Электротехника. - 2002. - № 5. - С. 11 - 16.
4. Барский В. А., Брызгалов М.Г., Горяйнов П. А. и др. Создание серии IGBT преобразователей для регулируемых асинхронных приводов// Электротехника. - 1999. - №7. - С. 38 - 40.
5.Емельянов И.А., Овчинников И.П. Многоагрегатные передвижные электростанции: Справочник. - М.: Воениздат, 1987.
6.Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А., Гринберг Р.П. Силовая электроника и качество электроэнергии// Электротехника. -2002.-№2.-С. 16-22.
7. Лоренц Л. Состояние и направления дальнейшего развития в сфере разработки, производства и применения силовых полупроводниковых приборов// Электротехника. - 2002. - № 3. - С. 2 - 16.
8. Пенин А.Л., Семенов А. Г.Высоконадежный, экономичный резонансный преобразователь с глубокой регулировкой выходного напряжения// Электротехника. - 2002. - №7. -С. 60 - 62.
9. Артамонова О.М. Особенности функционирования многофазных импульсных преобразователей постоянного напряжения с силовыми каналами повышающего типа// Электротехника. - 1999. - № 7. - С. 31 - 37.
10.Рабодзей А. Вопросы расчета элементов схем активных корректоров коэффициента мощности// CHIP NEWS. - 1998. - №9 - 10. - С. 44- 47
11.Ковалев Ф.И., Лапир М.А., Усов Н.Н., Цой А.Д. Энергосбережение в жилищно-коммунальной и бытовой сферах// Электричество. -1999. -№11.- С. 17-22.
12. Апаров А.Б. Маломощные автономные электроустановки// Электротехника. - 2001. - № 3. - С. 49 - 51.
13. Малашин А.Н., Клопов СВ.Разработка электромеханотронного генератора для энергосберегающих систем автономного электроснабжения// Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии: Тез. докл. 5-й Междунар. науч.-техн. конф., Гродно, 25 - 26 июня 2002 г. - Гродно: ГрГУ, 2002. -С. 31- 32.
14.Савченко А.С. Дизели для легковых автомобилей// Автомобильная промышленность. - 2002. - № 4. - С. 38 - 39.
15.Малашин А.Н. Новые мобильные электроэнергетические установки как средство повышения надежности электроснабжения в чрезвычайных ситуациях// Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации: Сб. материалов науч.-практ. конф., Гомель, 26 -27 сентября 2002 г. - Гомель. - ГВКИУ, 2002. - С. 167 - 168.