Список сокращений
АВН – активный выпрямитель напряжения;
АД – асинхронный двигатель;
АИН – автономный инвертор напряжения;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ВБУ – высокоинтегрированный блок управления;
ГЭД – гребной электродвигатель;
КСУ – корабельная система управления;
ЛСУ – локальная система управления;
МК – микроконтроллер;
МКСУ – микроконтроллерная система управления;
НВ – неуправляемый выпрямитель;
ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема;
ПЛК – программируемый логический контроллер;
ПМУ – пост местного управления;
ПО – программное обеспечение;
ПУ – подруливающее устройство;
ПЧ – преобразователь частоты;
СИС – специализированная интегральная схема;
СУ – система управления;
СЭД – судовая система электродвижения;
ЦСК – цифровой сигнальный контроллер;
ЦСУ – центральная система управления.
Введение
Последние 20–25 лет развития российского судостроения характеризуются интенсивным увеличением объема работ, связанных с электродвижением судов. Это обстоятельство является не случайным и объясняется, с одной стороны, многочисленными достоинствами судовых систем электродвижения (СЭД) по сравнению с традиционными пропульсивными комплексами на основе тепловых двигателей (дизельных и турбин).
С другой стороны, электродвижение судов обрело популярность из-за существенного развития транзисторной преобразовательной техники, позволившего обеспечить производство мощных преобразовательных устройств, которые необходимы для регулирования частоты вращения гребных электродвигателей (ГЭД) или электродвигателей подруливающих устройств (ПУ), и перейти на СЭД переменного тока. Этот переход дал дополнительное преимущество СЭД, так как появилась возможность объединения СЭД с электроэнергетической системой судна в целом и установки на судах так называемых единых электроэнергетических систем. Особенно перспективна и экономически оправдана установка СЭД на судах, требующих высокой маневренности – например, на ледоколах, буксирах, аварийно-спасательных судах и других судах вспомогательного и технического флотов [3].
В состав современных СЭД входят следующие устройства (рис. 1) [4]:
ГЭД;
полупроводниковый преобразователь частоты (ПЧ) с системой управления (СУ ПЧ);
силовой трансформатор (СТ, может не входить в состав СЭД);
электрощитовое оборудование (ЭО).
В качестве ГЭД и электродвигателей ПУ наиболее широкое применение нашли асинхронные электродвигатели (АД).
В качестве ПЧ широкое применение нашли преобразователи со звеном постоянного тока на основе выпрямителей напряжения (управляемых или неуправляемых) и автономных инверторов напряжения (АИН). Управляемые (активные) выпрямители напряжения (АВН) и АИН реализованы в основном на базе IGBT-транзисторов, а неуправляемые выпрямители (НВ) – на базе диодов. АВН являются намного более перспективными, чем НВ, так как могут обеспечить заданный коэффициент мощности, меньше искажают судовую электросеть и позволяют рекуперировать накопленную при движении судна энергию в судовую электросеть при торможении судна (при наличии технической возможности рекуперации) [6].
СУ ПЧ предназначены для регулирования скорости вращения и момента ГЭД: они обеспечивают пуск, стабилизацию скорости вращения и ограничение мощности, торможение и, при необходимости, реверс ГЭД. СУ ПЧ принимают команды с различных постов управления (например, поста местного управления (ПМУ)) по цифровым и аналоговым интерфейсам, обеспечивают сбор и передачу в корабель��ую систему управления (КСУ) диагностической информации, управляют переходами между различными режимами работы и обеспечивают защиту ПЧ в аварийных ситуациях.
Современные СУ ПЧ построены на основе микроконтроллеров (МК) и, как любая микроконтроллерная система управления (МКСУ), состоят из аппаратной и программной частей – аппаратного обеспечения и программного обеспечения (ПО). Разработка ПО для СУ ПЧ является сложной технической задачей и ее решение основано на применении специальных алгоритмов управления АД. Поэтому, кроме аппаратного и программного обеспечений, для СУ ПЧ имеет важное значение алгоритмическое обеспечение, которое можно рассматривать как составную часть ПО или как отдельную часть, входящую в состав СУ ПЧ.
В настоящее время для автоматического управления промышленным оборудованием и технологическими процессами широко применяются специальные электронные устройства – программируемые логические контроллеры (ПЛК). В СУ ПЧ они используются для выполнения вспомогательных задач: приема и обработки сигналов от дискретных и аналоговых датчиков, управления исполнительными устройствами, реализации интерфейсов для связи с другими системами управления [5].
Системы управления преобразователями частоты
В области микропроцессорной техники современные тенденции к повышению степени интеграции и функциональности и снижению массогабаритных характеристик привели к созданию СУ ПЧ, состоящих из нескольких плат, расположенных в одном корпусе (блоке управления), причем соединение между этими платами осуществляетс�� без проводов (платы расположены на минимальном расстоянии и имеют разъемное соединение друг с другом), а корпус обычно является металлическим. Это также позволяет повысить помехозащищенность и надежность СУ, что очень важно для управления ПЧ, работающих в условиях большого электромагнитного излучения.
СУ, имеющие не сосредоточенную (в виде блока), а распределенную конструкцию, в которых платы находятся на большом расстоянии друг от друга (более 25 см) и соединяются с помощью проводов (кабелей), желательно не применять в ПЧ, так как они имеют низкие помехозащищенность и надежность [9].
Современные СУ ПЧ в основном имеют распределенно-централизованную структуру и состоят из следующих частей (рис. 2):
ЛСУ – локальные СУ, осуществляющие управление, контроль и защиту одного из транзисторных преобразователей (ТП), входящих в состав ПЧ (например, АВН или АИН);
ЦСУ – центральная (главная) СУ, которая управляет ЛСУ и координирует их работу, осуществляет информационное взаимодействие с ПМУ и КСУ, а также общее управление СЭД;
ПЛК – программируемый логический контроллер, который расширяет возможности ЦСУ по дискретным и аналоговым входам/выходам, цифровым и аналоговым интерфейсам, увеличивая их количество, если оно недостаточно для управления СЭД.
ЛСУ и ЦСУ являются обязательными частями СУ ПЧ. Каждый ПЧ имеет н��сколько ЛСУ (как минимум, две) – их количество соответствует количеству транзисторных преобразователей. Например, ПЧ для обычного АД имеет две ЛСУ: одна управляет АВН, а другая – АИН. А ПЧ для двухобмоточного АД имеет четыре ЛСУ: две из них управляют двумя АВН, а две другие – двумя АИН.
ПЛК является необязательной частью СУ ПЧ: он используется в тех случаях, когда ЦСУ имеет недостаточное количество дискретных и аналоговых входов/выходов, цифровых и аналоговых интерфейсов и их необходимо увеличить. Однако, в случае применения высокопроизводительного ПЛК, который сможет выполнять функции ЦСУ, он позволит значительно упростить структуру СУ ПЧ – она будет состоять только из ЛСУ и ПЛК.
Если повысить степень интеграции СУ ПЧ и объединить ЛСУ, ЦСУ и ПЛК в одном корпусе, то получится устройство, которое можно назвать высокоинтегрированным блоком управления (ВБУ), выполняющим все функции СУ ПЧ (рис. 3) [9].
ВБУ имеет централизованную структуру с внутренним распределением функций, состоящую из нескольких частей – СУ (контроллеров). Каждый контроллер выполняет определенную функцию – например, контроллер ТП1 (ЛСУ1), контроллер ТП2 (ЛСУ2), главный контроллер (ЦСУ) и ПЛК.
Преимуществами ВБУ являются повышение помехозащищенности, снижение массогабаритных характеристик и стоимости за счет расположения всех частей СУ ПЧ в одном корпусе, а недостатками – высокая трудоемкость разработки такого устройства, небольшое количество ЛСУ, входящих в его состав (из-за габаритных ограничений), а также более высокая сложность разработки и тестирования ПО.
Конструктивно, по количеству плат, входящих в их состав, СУ ПЧ бывают двух типов:
одноплатные СУ, когда их электронные компоненты расположены на одной печатной плате и эта плата выполняет все системные функции (рис. 4);
многоплатные СУ, когда их электронные компоненты расположены на нескольких (двух и более) печатных платах (рис. 5–8).
Широко применяется вариант одноплатных СУ с одной или несколькими мезонинными платами1, которые выполняют определенные функции. Например, могут быть мезонины, на которых расположены МК, мезонины с микросхемами памяти или светодиодами и т. д. При этом мезонинные платы могут располагаться на верхней стороне основной платы, на нижней ее стороне или на обеих ее сторонах.
В свою очередь, многоплатные СУ ПЧ можно разделить на следующие основные виды [9]:
СУ с главной (материнской или системной) платой, которая выполняет основную часть системных функций (обработка информации, управление и контроль) и имеет разъемы, к которым подключаются функциональные платы2, выполняющие определенные функции, в основном, периферийные (например, плата дискретных входов/выходов, плата аналоговых входов/выходов, плата цифровых интерфейсов и т. д.) (рис. 5);
СУ с объединительной платой (кросс-платой), которая предназначена для электрического соединения плат и имеет разъемы, к которым подключаются функциональные модули3 (например, модуль источника питания, модуль микроконтроллера, модуль дискретных входов/выходов и т. д.) (рис. 6);
СУ с несколькими функциональными платами (например, платой источника питания, цифровой платой, аналоговой платой, платой интерфейсов и т. д.), которые выполняют определенные функции и электрически соединяются друг с другом с помощью разъемов (рис. 7, 8).
Примечания:
1 Мезонинная плата (мезонин) представляет собой дополнительную плату, которая подключается к раз��ему (разъемам) основной платы и устанавливается параллельно ей (над ней). Возможно неразъемное подключение мезонина к основной плате, когда он припаивается к ней.
2 Функциональные платы устанавливаются перпендикулярно главной плате.
3 Функциональные модули представляют собой функциональные платы с лицевыми панелями и устанавливаются перпендикулярно кросс-плате.
В многоплатных СУ отдельные платы также могут иметь в своем составе мезонины.
Преимуществам�� одноплатных СУ по сравнению с многоплатными является то, что они проще, дешевле и компактнее. Но их функциональность ниже, чем у многоплатных СУ и применяются они в основном в качестве ЛСУ и в транзисторных преобразователях небольшой мощности.
Преимуществами СУ на основе главной платы являются их гибкость и более низкая стоимость, когда для каждого проекта (объекта управления) подбираются свои функциональные платы и получается оптимальная (по набору плат и выполняемым функциям) для данного проекта СУ.
Основным преимуществом СУ на основе объединительной платы является их высокая ремонтопригодность, когда можно очень быстро заменить функциональный модуль, который вышел из строя.
Преимуществами СУ на основе нескольких функциональных плат являются их более высокая компактность и более низкая трудоемкость разработки по сравнению с СУ на основе главной и объединительной плат.
Современные СУ ПЧ имеют полное цифровое управление (без аналоговых регуляторов), их аппаратное обеспечение реализовано либо на базе высокопроизводительных МК с RISC-архитектурой (например, ARM и RISK-V), либо на базе специализированных (для управления электроприводом) цифровых сигнальных контроллеров (ЦСК или, в зарубежной литературе, DSC) [1, 2, 7].
В современных СУ ПЧ внутренние контуры регулирования (тока или момента) все чаще выполняют на основе программируемых логических микросхем (ПЛИС или, в зарубежной литературе, FPGA и CPLD), которые имеют максимальное быстродействие за счет параллельного выполнения вычислений, или специализированных для этого применения микросхем (СИС или, в зарубежной литературе, ASIC). ПЛИС являются полностью цифровыми устройствами и не имеют встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), поэтому к ним необходимо подключать внешний АЦП. СИС могут иметь встроенный АЦП, но чаще им тоже требуется подключение внешнего АЦП [8].
Учитывая изложенное в предыдущих двух пунктах, современные СУ ПЧ правильнее называть не микроконтроллерными, а цифровыми, так как они могут быть построены на базе не только МК или ЦСК, но также ПЛИС или СИС. Поэтому цифровые СУ ПЧ – более широкое понятие, а микроконтроллерные – более узкое, являющееся частью цифровых.
В области создания СУ ПЧ есть еще одна интересная тенденция или, правильнее сказать, особенность: каждая фирма-производитель ПЧ для управления ими использует СУ собственной разработ��и и изготовления. Например, ведущие западные фирмы-производители транзисторной преобразовательной техники, такие как ABB, Danfoss, Ingeteam, Siemens, имеют собственные СУ ПЧ. В России тоже каждая фирма-производитель ПЧ для управления ими старается применять собственную СУ.
Приведенные выше западные фирмы производят широкий ряд СУ, которые управляют ПЧ различной мощности – от нескольких десятков кВт до нескольких МВт [11–14]:
ABB – BCU-11, BCU-12, BCU-22, UCU-23, UCU-24;
Danfoss – плата управления Control Board NX (главная плата) и большой набор функциональных плат, например, OPT-A1, OPT-A2, OPT-A5, OPT-B8, OPT-C2, OPT-C6, OPT-CI;
Ingeteam – AR2105, AR2110, AR2515/AR2516, AR2531, AR2532;
Siemens – CU230P-2, CU240B-2, CU240E-2, CU250S-2, CU310-2, CU320-2.
Плата управления Control Board NX включает в себя ЛСУ и ЦСУ, она построена на базе СИС фирмы Microchip (ЛСУ) и МК фирмы NXP (ЦСУ).
Блок управления AR2105 является ЦСУ, он реализован на основе микропроцессора фирмы AMD, ЦСК фирмы Analog Devices и ПЛИС фирмы Altera.
Блок управления AR2515/AR2516 является ЛСУ и построен на базе ПЛИС фирмы Altera.
Блок управления AR2110 представляет собой ВБУ и включает в себя ЛСУ, ЦСУ и ПЛК.
Блоки управления AR2531 и AR2532 являются одноплатными ЛСУ, реализованными на основе ПЛИС фирмы Altera. При этом блок AR2531 имеет мезонин, на котором располагаются оптические микросхемы, а блок AR2532 имеет безмезонинную конструкцию.
Блоки управления фирмы Siemens построены в основном на базе МК фирмы Infineon.
Применение ВБУ в судовых преобразователях частоты
В настоящее время, в условиях минимальных сроков на поставку электрооборудования для судов, любому предприятию, которое занимается разработкой и изготовлением ПЧ для СЭД, хочется иметь максимально функционально законченный, проверенный и надежный транзисторный преобразователь в виде блока (силового модуля) и универсальную СУ ПЧ, которые подойдут для большинства или даже для всех проектов. Такой подход позволяет быстро конструировать ПЧ различной мощности из готовых модульных транзисторных преобразователей и сосредоточиться в основном на разработке алгоритмического обеспечения и ПО.
Примером такого подхода является ПЧ мощностью 1,67 МВА на основе собственного высокоинтеллектуального силового модуля ТТМ-1000, разработанный инженерами концерна «Русэлпром» в 2022 году и ставший базовым ПЧ для СЭД этого концерна, который используется на судах в качестве ПЧ ГЭД или ПЧ ПУ. Для управления этим ПЧ применяется БУПЧ – универсальная СУ ПЧ собственной разработки и изготовления, которая представляет собой ВБУ, объединивший в своем составе две ЛСУ, ЦСУ и ПЛК.
На основе модуля ТТМ-1000 и блока управления БУПЧ создан ряд ПЧ мощностью от 600 кВА до 4,5 МВА, которые успешно эксплуатируются на следующих судах:
океанографические исследовательские суда;
дизель-электрический ледокол;
круизное пассажирское судно (проект PV300VD, замена СУ ПЧ ГЭД и СУ ПЧ ПУ фирмы Ingeteam на блок управления БУПЧ).
На стадии реализации находятся следующие проекты судов:
MPSV06 – аварийно-спасательное судно (ПЧ ЭДРК и ПЧ ПУ, мощность – 3,5 МВт и 1,5 МВт соответственно);
MPSV07 – аварийно-спасательное судно (ПЧ ГЭД и ПЧ ПУ, мощность – 2,4 МВт и 1,03 МВт соответственно);
21900М2 – дизель-электрический ледокол (ПЧ ГЭД и ПЧ ПУ, мощность – 4,5 МВт и 1,1 МВт соответственно);
IBSV02 – аварийно-спасательное судно (ПЧ ПУ, мощность – 1,4 МВт).
Далее приводится краткое техническое описание ПЧ мощностью 1,67 МВА, который в настоящее время является базовым ПЧ для СЭД концерна «Русэлпром».
В первом приближении ПЧ можно представить состоящим из двух основных частей – силовой и информационной (СУ ПЧ) (рис. 4).
Cиловая часть ПЧ состоит из следующих устройств:
входной фильтр (ВФ);
активный выпрямитель напряжения (АВН);
автономный инвертор напряжения (АИН);
блок тормозного резистора (БТР).
Она подробно описана в статье «Российский интеллектуальный силовой модуль для судовых преобразователей частоты» – Часть 1, Часть 2.
С точки зрения теории управления СУ ПЧ состоит из трех частей (подсистем):
измерительно-информационная, обеспечивающая прием и обработку сигналов от датчиков напряжения, тока и температуры;
информационно-управляющая, обеспечивающая формирование управляющих сигналов для IGBT-транзисторов и исполнительных устройств;
информационно-коммуникационная, осуществляющая информационное взаимодействие с ПМУ и КСУ, а также между МКСУ.
Основой СУ ПЧ является блок управления БУПЧ (��алее – БУПЧ), разработанный инженерами АО «НПЦ «СЭС» (концерн «Русэлпром»). Технические условия на этот блок управления одобрены Российским морским регистром судоходства [10], а сам БУПЧ имеет Свидетельство о типовом одобрении Российского морского регистра судоходства.
БУПЧ имеет централизованную структуру с внутренним распределением функций и состоит из трех МКСУ:
МКСУ АВ, управляющая АВН с помощью специализированного векторного алгоритма, что позволяет обеспечить одновременное регулирование напряжения в звене постоянного тока и cos φ;
МКСУ ИН, управляющая АИН с помощью специализированного векторного алгоритма, что позволяет обеспечить большой диапазон и высокую динамику регулирования скорости вращения и момента АД;
МКСУ ВВ (ввода/вывода сигналов), которая управляет МКСУ АВ и МКСУ ИН и координирует их работу, осуществляет ввод/вывод дискретных сигналов, ввод температурных сигналов, информационное взаимодействие с ПМУ и КСУ, реализует цифровые и аналоговые интерфейсы, т. е. выполняет функции ЦСУ и ПЛК.
БУПЧ по сравнению с большинством российских и зарубежных СУ ПЧ имеет более высокую степень интеграции (он является ВБУ), поэтому его разработка, в которой автор принимал активное участие, оказалась очень непростой задачей, решение которой требовало высокой квалификации и большого упорства.
Заключение
Во второй части статьи будет более подробно рассмотрен блок управления БУПЧ. Будут приведены его техническое описание и характеристики, рассмотрены особенности и преимущества БУПЧ по сравнению с его западными аналогами – блоками управления AR2105 и AR2515/AR2516 фирмы Ingeteam.
Список литературы
Анучин А. С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 373 с.
Баховцев И. А. Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники: структуры и алгоритмы: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. 219 с.
Вершинин В. И., Махонин С. В., Паршиков В. А., Хомяк В. А. Создание систем электродвижения для судов различного назначения // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. Т. 1, № 387. С. 107–122.
Григорьев А. В., Кулагин Ю. А. Судовые системы электродвижения на базе двигательно-движительных систем кольцевой конструкции // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2015. № 4 (32). С. 164–169.
Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. М.: Горячая линия–Телеком, 2014. 606 с.
Ефимов А. А., Шрейнер Р. Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.
Козаченко В. Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // Новости о микросхемах. CHIP NEWS. 1999. №1 (34). С. 2–10.
Мелешин В., Овчинников Д. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. М.: Техносфера, 2011. 576 c.
Сергеев М. Ю. Современное состояние и перспективы развития преобразователей частоты для судовых систем электродвижения // Российская Арктика. 2025. Т. 7. № 2. С. 23-36.
ФБРТ.426469.001ТУ. Блок управления БУПЧ. Технические условия: введ. впервые. 75 с.
ABB Industrial Drives. BCU-02/12/22 control units: Hardware manual. 34 p. URL: http://www.abb.com.
INGEDRIVE. Control Components: User manual. 59 p. URL: http://www.ingeteam.com.
SINAMICS. S120 AC Drive: Manual. 500 p. URL: http://www.siemens.com.
Vacon NX AC Drives. Basic I/O boards, Expander I/O boards, Adapter boards: User manual. 84 p. URL: http://www.danfoss.com.
