Способы обеспечения устойчивости работы электротехнических комплексов постоянного тока в условиях Арктики

ЦЕЛЬ. Рассмотреть особенности разработки и эксплуатации источников вторичного питания постоянного тока для условий работы в Арктике, показать ключевые проблемы и существующие методы их решения, выделить перспективные направления в проектировании данного класса устройств.

МЕТОДЫ. Работа носит преимущественно обзорный характер и затрагивает вопросы конструирования, схемотехники, принципов управления, поддержания теплового равновесия, выбора элементной базы, миниатюризации. Первая часть работы посвящена обзору научных публикаций и патентов, во второй части рассматривается идея использования в морозоустойчивых источниках питания параллельной архитектуры, которая, в свою очередь, позволяет внедрить модульный принцип построения.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В работе изучаются вопросы адаптации модульного подхода к специфике морозоустойчивых источников питания. С его помощью можно построить самовосстанавливающийся, конфигурируемый, ремонтопригодный источник широкого применения. При модульной конструкции весь электротехнический комплекс состоит из включенных параллельно однотипных ячеек-модулей, размещенных в одном герметичном, подогреваемом корпусе, наружу которого выведены силовые выводы для подключения первичного источника питания и потребителей, а также простейшие блоки управления и индикации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Параллельное включение ячеек-модулей позволяет заложить в источник достаточный запас по мощности, выполнить быструю замену неисправных модулей на новые без прекращения питания потребителей, с легкостью увеличить/сократить мощность источника изменением числа работающих ячеек. Система приобретает особенные преимущества, если уровни выходных напряжений ячеек регулируемы. В этом случае можно построить универсальный конфигурируемый источник питания широкого применения, являющийся новинкой на рынке. Если сгруппировать ячейки по выходу, можно использовать один источник для одновременного питания нескольких разных потребителей. Комплект запасных частей к источнику максимально прост и представляет собой готовые ячейки-модули и соединительные провода. Результаты работы могут быть использованы при разработке отказоустойчивых вторичных источников питания, работающих в жёстких условиях эксплуатации.

1. Гендлер С.Г. Теплофизические аспекты безопасности и эффективности при добыче полезных ископаемых и эксплуатации подземных сооружений в суровых климатических условиях // Записки Горного института. 2006. Т. 168. С. 64-67.

2. Череповицын А.Е., Ларичкин Ф.Д., Ильинова А.А., и др. Формирование концепции рационального природопользования на арктических территориях, способствующей их устойчивому промышленному и социально-экономическому развитию // Вопросы территориального развития. 2018. № 5 (45). С. 1-17.

3. Шклярский Я.Э., Замятина Е.Н., Замятин Е.О. Оценка энергетической эффективности электротехнического комплекса // Известия ТулГУ. Технические науки. 2020. № 3. С. 339-347.

4. Лебедев В.А., Леушева Е.Л., Моренов В.А. Комплексное энергоснабжение при бурении скважин в осложненных климатических условиях // Записки Горного Института. 2015. Т. 213. С. 47-53.

5. Лаврик А.Ю., Жуковский Ю.Л., Булдыско А.Д. Особенности выбора оптимального состава ветро-солнечной электростанции с дизельными генераторами // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 1. С. 10-17.

6. Петрунин А.М., Семенов А.С., Молодых С.С. Анализ перспектив разработки угольных месторождений в арктической зоне Чукотской автономной области // Московский экономический журнал. 2020. №8. С. 74-85.

7. Абрамович Б.Н., Бельский А.А. Выбор параметров ветродизельной установки для энергообеспечения минерально-сырьевого комплекса // Записки горного института. 2012. Т. 195. С. 227-230.

8. Глущенко М. А. Ветроэнергетические установки // Записки Горного Института. 2007. Т. 170, № 1. С. 156-158.

9. Шклярский Я.Э., Салов Р.А. Повышение эффективности работы энергетических центров на попутном газе // Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. № 12-2. С. 484-492.

10. Аполлонский С.М., Куклев Ю. В. Низковольтные электрические аппараты // Записки Горного Института. 2016. Т. 218. С. 251-260.

11. Емашкина Т.С., Белов А.Г., Кочегаров И.И. Классификационные признаки источников электропитания // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2014. Т. 2. С. 15-16.

12. Amaral A., Cardoso A.J.M. Voltage Doubler for AC-DC Step-Up Linear Power Supplies: Design, Modelling and Simulation // Acta Electrotechnica et Informatica. 2016. V. 6. P. 3-10.

13. Беспалов Н.Н., Пенькин К.Ю. Оптимизация величин некоторых параметров линейных источников питания на основе стабилизаторов напряжения // Огарев-Online. 2018. №13. С. 1-5.

14. Нгуен Тьи Киен, Кашаев Р.С., Козелков О.В. Импульсный блок питания для портативного протонно-магнитного резонансного релаксометрa // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019. Т. 21. № 6. С. 111-117.

15. Fuerback V. B., Dall’Asta M. S., Pagliosa M. A., et al. Analysis of modular DCM Flyback converters in input parallel con-nections with parametric mismatches // Eletrônica de Potência. 2019. № 24. P. 225-234.

16. Иванов Д.Н. Пути развития источников электропитания современных радиотехнических систем // Актуальные вопросы современной науки. 2016. № 45. С. 134- 139.

17. Володин П.Н. Разработка макромодели интенсивности отказов импульсного ИВЭП // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2017. Т. 1. С. 251- 254.

18. Попов А.В. Исследование и совершенствование методов расчета надежности элементов электротехнических комплексов и систем. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2015. № 3-4. С. 114-123

19. Ridley R. Results of a Power Supply Failure Survey // Power Systems Design. 2014. P. 1–4.

20. Edmundo A. Gutierrez, Jamal Deen, Cor Claeys. Low Temperature Electronics: Physics, Devices, Circuits, and Applications. Доступно по: https://books.google.com.tr/books?id=e677kp7OhzAC&hl=tr&source=gbs_navlinks_s. Ссылка активна на 25 августа 2021.

21. Егоров В. И., Лайне В. А., Калинина М. И. Расчет блока радиоэлектронной аппаратуры с естественной вентиляцией // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2003. № 9. С. 33-36.

22. Смолин Е.В. Система управления предпусковым подогревом электронной аппаратуры в условиях низких температур: патент на полезную модель № 96615, Российская Федерация. Опубликовано 08.10.2010.

23. Попов В.А. Стабилизированный источник постоянного или переменного напряжения: авторское свидетельство на изобретение № 636592, СССР. Опубликовано 05.12.1978. Бюл. № 45.

24. Деревянченко И.Л., Бурмака А.А. Двенадцативольтовый источник бесперебойного питания постоянного тока: патент на полезную модель № 34819, Российская Федерация. Опубликовано 10.12.2003.

25. Паспорт на блок питания БП12-4-3,7А, ЗАО «НТФ ТИРЭКС». Доступно по: http://ntftirex.ru/docs/BP12-4-3.7A.pdf. Ссылка активна на 25 августа 2021.

26. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и паспорт «Источники напряжения серии ARPV-UH», Sunrise Holdings Ltd. Доступно по: https://arlight- russia.ru/upload/iblock/6b4/Datasheet_ARPV-UH_025171-025045-025046.pdf. Ссылка активна на 25 августа 2021.

27. Журавлев А.В., Ревнев С.Н., Ревнева Л.А., и др. Блок питания: патент на полезную модель № 106487, Российская Федерация. Опубликовано 10.07.2011.

28. Денисенко Е.А., Тарасов М.М., Кривошей А.А., и др. Источники бесперебойного и автономного электроснабжения // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. 2016. № 115. С. 1337-1349.

29. Карагодин В.В., Полянский К.А., Горин В.А. Структурно-параметрическая оптимизация системы бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей // Приборостроение. 2017. Т. 60, № 1. С. 14-23.

30. Hwu K. I., Shieh J. Applying Module-Link Method to Multiple Power Supplies Paralleled. IEEE IECON 2017 – 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing; 2017. pp. 901–903.

31. Исмаилов Т. А., Муслимов Э. М., Рашидханов А. Т., и др. Обеспечение теплового режима приборов распределенного питания в составе корабельных систем вторичного электропитания на базе унифицированных блоков // Вестник ДГТУ. Технические науки. 2016. Т. 42. № 3. С. 64-72.

32. Мандзий Б. А., Волочий Б. Ю., Озирковский Л. Д., и др. Сравнение надежности источников бесперебойного электропитания с нагруженными и ненагруженными резервными модулями // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2013. Т. 1. С. 132-135.

33. Татунов С.Ю. Разработка программы имитационного моделирования безотказности блоков питания // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2019. № 22. С. 109-112.

34. Datasheet «TPS2475x 12-A eFuse Circuit Protector with Current Monitor TPS24750, TPS24751», Texas Instruments Inc. 2013, revised December 2018. Доступно по: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps24751.pdf. Ссылка активна на 25 августа 2021.

35. Datasheet «DVCL28 Series High Reliability Hybrid Inrush Current Limiter», VPT-Inc. 2017. Доступно по: https://www.vptpower.com/wp-content/uploads/downloads/2017/08/DS-DVCL28-5.0.pdf. Ссылка активна на 25 августа 2021.

36. Datasheet «MAX17613A/MAX17613B/MAX17613C 4.5V to 60V, 3A Current-Limiter with OV, UV and Reverse Protection», Maxim Integrated. February 2019. Доступно по: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX17613A-MAX17613C.pdf. Ссылка активна на 25 августа 2021.

37. Берг В.Р., Бродников С.Н., Михеев В.В., и др. Интеллектуальная система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки: патент на изобретение № 2692089, Российская Федерация. Опубликовано 21.06.2019. Бюл. № 18.

38. Федоров А.В., Орел Е.А. Отказоустойчивая система электропитания с возможностью гибкой настройки параметров: патент на изобретение № 2746221, Российская Федерация. Опубликовано 09.04.2021. Бюл. № 10.

39. Meng L., Dragicevic T., Vasquez J., et al. Tertiary and Secondary Control Levels for Efficiency Optimization and System Damping in Droop Controlled DC-DC Converters // IEEE Transactions on Smart Grid. 2015. V. 6. № 6. P. 2615–2626.

40. Hu T., Khan M., Xu K., et al. Design of an Input-Parallel Output-Parallel Multi-Module DC-DC Converter Using a Ring Communication Structure. Journal of Power Electronics. 2015. Vol. 15, №4. P. 886–898.

41. Sun B. How to Parallel Two DC/DC Converters with Digital Controllers // Analog Design Journal. 2018. Iss. 3Q. P. 1–5.

42. Klassen S.V., Klassen T.S., Luft S.V. Current Sharing in Digitally Controlled DC-DC Converters Connected in Parallel. International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devises, EDM. 2019. pp. 541-546.

43. Каталупов О.И. Модульный источник питания с конфигурируемой структурой // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. 2017. № 131. С. 1192- 1203.

44. Данилов Д. А., Егоров В. И., Фадеева С. В., и др. Моделирование тепловых режимов электронных систем с естественной вентиляцией // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 53, № 4. С. 41-45.

45. Повгородний В. О. Проектирование печатных плат с учетом температурного воздействия // АСУ и приборы автоматики. 2007. № 138. С. 66-71.

46. Ефременков И. В., Сорокин М. Ю. Проведение инженерного расчета теплового воздействия элементов электронных плат // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18, № 4-3. С. 663-668.

47. Шарков А.В., Герасютенко В.В., Минкин Д.А. Моделирование теплового режима электронного оборудования на основе результатов тепловизионной съемки температурных полей элементов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20, №2. С. 272-276.

48. Исмаилов Т.А., Рашидханов А.Т., Юсуфов Ш.А. Термоэлектрическое устройство для обеспечения теплового режима блоков радиоэлектронных систем // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2015. Т. 37, №2. С. 50-59.

49. Либенко Ю. Н. Эксплуатационные возможности преобразователей напряжения с магистрально-модульной архитектурой // Практическая силовая электроника. 2012. № 4(48). С. 6-9.

50. Жаднов В.В. Модель магистрально-модульного преобразователя напряжения для расчета его наработки до отказа методом статистического моделирования при смешанном резервировании его каналов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2020. Т. 1. С. 52-55.