Введение

В первой части и второй части статьи приводятся основные сведения о судовых системах электродвижения (СЭД), которые обладают многочисленными достоинствами по сравнению с традиционными пропульсивными комплексами на основе тепловых двигателей. В состав современных СЭД входят следующие устройства: гребной электродвигатель (ГЭД), полупроводнико­вый преобразователь частоты (ПЧ) с системой управления (СУ ПЧ), силовой трансформатор и электрощитовое оборудова­ние.  В качестве ГЭД используются в основном асинхронные электродвигатели (АД). В качестве ПЧ широкое применение получили преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока на основе двух полупроводниковых преобразователей: управляемых (активных выпрямителей напряжения – АВН) или неуправляемых выпрямителей и автономных инверторов напряжения (АИН). СУ ПЧ принимают команды с поста местного управления (ПМУ), а также обеспечивают сбор и передачу в корабельную систему управления (КСУ) диагностической информации.

Рассматриваются различные варианты структуры и конструкции СУ ПЧ. Современные СУ ПЧ имеют в основном распределенно-централизованную структуру и состоят из локальных СУ (ЛСУ), центральной СУ (ЦСУ) и программируемого логического контроллера (ПЛК). Менее распространенными являются СУ ПЧ с централизованной структурой, когда высокоинтегрированный блок управления ПЧ (ВБУ ПЧ), в состав которого входят ЛСУ, ЦСУ и ПЛК, выполняет все функции СУ ПЧ.

Отмечается, что современные СУ ПЧ построены в основном на базе высокопроизводительных микроконтроллеров (МК) с RISC-архитектурой или специализированных (для управления электроприводом) цифровых сигнальных контроллеров (ЦСК). Также они могут быть построены на базе программируемых логических микросхем (ПЛИС) или специализированных для этого применения микросхем (СИС). Как любая микроконтроллерная система управления (МКСУ), СУ ПЧ состоит из аппаратной и программной частей – аппаратного обеспечения и программного обеспечения (ПО).

Приведено краткое техническое описание ПЧ мощностью 1,67 МВА концерна «Русэлпром» на основе собственного высокоинтеллектуального силового модуля ТТМ-1000, который является базовым ПЧ для СЭД этого концерна. Подробно модуль ТТМ-1000 и ПЧ на его основе описаны в статье «Российский интеллектуальный силовой модуль для судовых преобразователей частоты» – Часть 1, Часть 2.

Приводится техническое описание микроконтроллерного блока управления БУПЧ, который входит в состав ПЧ концерна «Русэлпром»: его состав, устройство и технические характеристики. БУПЧ состоит из трех МКСУ, расположенных в одном корпусе: контроллера АВН (КАВ), контроллера АИН (КИН) и контроллера ввода/вывода сигналов (КВВ), который выполняет функции ЦСУ и ПЛК.

Для проверки правильности работы (тестирования) БУПЧ и ПЧ, сокращения времени тестирования и отладки основного ПО для БУПЧ, а также быстрого определения причин ошибок в нем существует специальное сервисное (вспомогательное) ПО для БУПЧ, разработанное инженером-программистом АО «НПЦ «СЭС» (концерн «Русэлпром»), которое включает:

• систему моделирования, содержащую компьютерную модель ПЧ для СЭД и определенную программную обвязку;

• программу управления и мониторинга БУПЧ и ПЧ.

Программно-модельная методика, применяемая при разработке ПО для БУПЧ

При разработке ПО для БУПЧ применяется уникальная программно-модельная методика, которая заключается в том, что на всех этапах разработки ПО для контроллеров КАВ и КИН используется специальная система моделирования, состоящая из компьютерной модели ПЧ для СЭД вместе с судовой электросетью, АД и коммутационной аппаратурой, создаваемой в среде графического программирования MATLAB/Simulink, и программной обвязки, имитирующей периферийные устройства ЦСК и его поведение (прерывания, модули АЦП, ШИМ и квадратурного энкодера, цифровые интерфейсы и т. д.). В этой системе моделирования ПО для контроллеров КАВ и КИН работает так же, как оно работало бы в реальном ЦСК при управлении реальным АВН или АИН. Уникальность этой методики заключается в том, что при моделировании в среде MATLAB/Simulink используется именно та управляющая программа на языке C, которая (после компиляции) загружается в ЦСК. Такая программно-модельная методика существенно сокращает время тестирования и отладки ПО для БУПЧ при проведении пусконаладочных работ ПЧ, а также значительно уменьшает вероятность ошибок в нем, способных привести к аварийным ситуациям и выходу из строя дорогостоящего оборудования.

На рис. 1–3 показаны верхний уровень модели СЭД для подруливающего устройства (ПУ) круизного пассажирского судна проекта PV300VD, а также содержание блоков FC и INU. В состав СЭД этого проекта входят ПЧ на основе неуправляемого (диодного) выпрямителя и АИН, а также АД.

На рис. 4–8 показаны результаты расчёта модели СЭД для ПУ судна проекта PV300VD в следующих режимах работы:

• разгон до номинальной скорости вращения АД;

• остановка по команде «Стоп» от ПМУ;

• подхват и разгон до номинальной скорости вращения АД;

• реверс и возвращение к номинальному режиму работы;

• ограничение мощности по команде от КСУ;

• торможение и остановка.

На рис. 4 приведены напряжения в звене постоянного тока: фактическое (желтый цвет) и измеренное (синий цвет).

На рис. 5 приведены скорости вращения АД: фактическая (желтый цвет), измеренная (синий цвет), заданная до задатчика интенсивности (зеленый цвет) и заданная после задатчика интенсивности (оранжевый цвет).

На рис. 6 приведены моменты на валу АД: фактический (желтый цвет) и вычисленный (синий цвет), а также момент сопротивления (оранжевый цвет).

На рис. 7 приведены токи АД: измеренный по оси d (желтый цвет), измеренный по оси q (синий цвет), заданный по оси d (оранжевый цвет) и заданный по оси q (зеленый цвет).

На рис. 8 приведены мощности на валу АД: фактическая (желтый цвет), вычисленная (синий цвет) и заданная (оранжевый цвет), а также уставка (заданное значение) для ограничения мощности (зеленый цвет).

Программа управления и мониторинга БУПЧ и ПЧ

Для тестирования и отладки ПО для БУПЧ, а также при проведении пусконаладочных работ ПЧ на испытательном стенде и объектах эксплуатации (судах) применяется специальная программа управления и мониторинга БУПЧ и ПЧ – DriveTerminal.

Программа DriveTerminal позволяет:

• загружать управляющие программы в контроллеры КАВ, КИН и КВВ;

• записывать и считывать значения параметров контроллеров и ПЧ;

• реализовывать виртуальный (программный) осциллограф для мониторинга работы БУПЧ и ПЧ;

• реализовывать виртуальный пульт для управления ПЧ (вместо ПМУ в тестовом режиме);

• тестировать БУПЧ: его дискретные входы/выходы, аналоговые входы от датчиков напряжения и тока, температурные входы, оптические входы/выходы для управления IGBT-транзисторами, цифровые и аналоговые интерфейсы, входы от квадратурного энкодера.

В режиме виртуального осциллографа программа DriveTerminal позволяет с различным временным разрешением выводить на экран компьютера (подключаемого к контроллеру с помощью интерфейса RS-422) до 24 любых переменных ПО: например, состояние дискретных входов/выходов, аналоговых входов от датчиков напряжения, тока и температуры, промежуточные величины и т. д. Такой подход позволяет проверить правильность работы БУПЧ и ПЧ, а при возникновении ошибок – быстро определить их причины.

Программа DriveTerminal написана на языке программирования Python с использованием привязки PySide и библиотек PyQtGraph, PySerial и NumPy. Она имеет следующие вкладки:

• «Осцилл.» – режим виртуального осциллографа;

• «Тест» – режим тестирования входов/выходов (за исключением температурных входов) и интерфейсов БУПЧ;

• «Темпер.» – режим тестирования температурных входов БУПЧ;

• «Пульт» – режим виртуального пульта управления. 

В левой части окна программы DriveTerminal расположены поля ввода, которые позволяют формировать выходы контроллеров КАВ, КИН и КВВ с помощью флажков, переключателей и окон для ввода значений. В правой части окна программы расположены поля вывода, которые позволяют видеть состояние входов контроллеров (в виде флажков и окон для вывода значений).

На рис. 9 показано окно программы DriveTerminal в режиме виртуального осциллографа. Для примера приведены напряжения, токи и скорость вращения в процессе выполнения процедуры определения параметров АД.

На рис. 10 показано окно программы DriveTerminal в режиме тестирования входов/выходов (за исключением температурных входов) и интерфейсов БУПЧ.

Тестирование модулей БУПЧ с помощью программы DriveTerminal

На рис. 11–13 показаны окна программы DriveTerminal при тестировании аналоговых входов одного из трех модулей МК в режиме виртуального осциллографа. В этом режиме тестирования используется вкладка «Осцилл.».

К разъему XP5 на лицевой панели модуля МК подключается тестовая плата, на которой установлены два дисковых литиевых элемента питания (номинальное напряжение – 3 В) и которая формирует 16 аналоговых сигналов, имеющих диапазон от -5 В до +5 В. На нечетные аналоговые входы (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15) подается напряжение 2,72 В; на четные аналоговые входы (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16) – напряжение -2,79 В. На рис. 11 приведены осциллограммы сигналов всех 16 аналоговых входов, на рис. 12 – осциллограммы сигналов нечетных входов (напряжение – 2,72 В), на рис. 13 – осциллограммы сигналов четных входов (напряжение – -2,79 В). По вертикальной оси отображается напряжение в единицах АЦП (0 – +5 В, 2048 – 0 В, 4095 – -5 В), а по горизонтальной оси – время в относительных единицах (1 ед. = 180 мкс).

Примечания:

1. Под нагрузкой напряжение на элементах питания понижается и становится меньше номинального.

2. На осциллограммах показаны сигналы с аналоговых входов модуля МК без цифровой обработки (программной фильтрации); это результат аналого-цифрового преобразования. В дальнейшем эти сигналы фильтруются с помощью программного фильтра.

На рис. 14 показано окно программы DriveTerminal при тестировании дискретных входов/выходов модулей ДВх1 и ДВых1, а также аналогового интерфейса 4–20 мА модуля АИ1. В этом режиме тестирования используется вкладка «Тест».

К разъемам XP3, XP4 на лицевой панели модуля ДВх1 подключаются две тестовые платы, которые передают выходные дискретные сигналы модуля ДВых1 (разъемы XP3, XP4) на дискретные входы модуля ДВх1 (одна тестовая плата передает 16 дискретных сигналов). В поле ввода «ДВых1» с помощью соответствующих флажков уровень всех 32 дискретных выходов задан равным «лог. 1». В поле вывода «ДВх1» видны результаты приема этих сигналов, которые показывают, что все дискретные сигналы, за исключением сигнала 10, формируются и принимаются правильно – они имеют уровень «лог. 1». По результатам тестирования дискретный выход 10 или дискретный вход 10 является неисправным – нужно выяснить, в какой плате (ДВых1 или ДВх1) и в какой ее части находится ошибка.

К разъему XP4 на лицевой панели модуля АИ1 подключается тестовая плата, которая передает выходные аналоговые сигналы 1–6 модуля АИ1  на аналоговые входы этого модуля (разъем XP3). В поле ввода «АВых1» токи аналоговых выходов 1–3 заданы равными 20 мА, а токи аналоговых выходов 4–6 –13,5 мА. В поле вывода «АВх1» видны результаты измерения этих токов, которые показывают, что аналоговые сигналы формируются и принимаются правильно, а их суммарная погрешность не превышает 0,5 %. 

Модули ДВх2, ДВх3, ДВых2 и АИ2 не подключены к БУПЧ в данной конфигурации, поэтому информация в полях «ДВых2», «АВых2», «ДВх2», «ДВх3» и «АВх2» не имеет смысла (является информационным «мусором»). 

На рис. 15 показано окно программы DriveTerminal при тестировании аналогового интерфейса 0–10 В модуля АИ1, а также аналоговых входов модуля МК3. В этом режиме тестирования используется вкладка «Тест».

К разъему XP4 на лицевой панели модуля АИ1 подключается тестовая плата, которая передает выходные аналоговые сигналы 7, 8 модуля АИ1 на аналоговые входы этого модуля (разъем XP3). В поле ввода «АВых1» напряжения аналоговых выходов 7, 8 заданы равными 10 В. В поле вывода «АВх1» видны результаты измерения этих напряжений, которые показывают, что аналоговые сигналы формируются и принимаются правильно, а их максимальная суммарная погрешность равна 0,53 %. 

К разъему XP5 на лицевой панели модуля МК3 подключается тестовая плата, которая формирует 16 аналоговых сигналов в диапазоне от -5 В до +5 В. На нечетные аналоговые входы (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15) подается напряжение 2,7 В, на четные аналоговые входы (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16) – напряжение -2,75 В. В поле вывода «АЦП» можно увидеть результаты измерения этих напряжений. Эта проверка является дополнительной к основной проверке аналоговых входов модулей МК, которая осуществляется в режиме виртуального осциллографа.

На рис. 16 показано окно программы DriveTerminal при тестировании температурных входов модуля ДТ1. В этом режиме тестирования используется вкладка «Темпер.».

К разъемам XP3 и XP4 на лицевой панели модуля ДТ1 подключаются две тестовые платы, на каждой из которых установлены 10 прецизионных резисторов: пять с сопротивлением 100 Ом и пять с сопротивлением 180 Ом, имитирующих датчики температуры (термопреобразователи) Pt100. Согласно номинальной статической характеристике (НСХ) термопреобразователя Pt100, сопротивлению 100 Ом соответствует температура 0 °С, а сопротивлению 180 Ом – 210 °С. В поле вывода «ДТ1» видны результаты измерения сопротивлений этих резисторов и их преобразования в температуру, которые показывают, что измерение температуры осуществляется с определенной систематической погрешностью (приблизительно 1 °С), которую затем необходимо программно компенсировать (или которой можно пренебречь).

Модули ДТ2, ДТ3 не подключены к БУПЧ в данной конфигурации, поэтому информация в полях «ДТ2», «ДТ3» не имеет смысла (является информационным «мусором»).  

Для проверки модуля ШИМ используется вкладка «Тест». В ручном режиме проверки (переключатель – в положении «GPIO (ручн.)») в поле ввода «ШИМ» необходимо установить соответствующий флажок для включения или сбросить его для выключения оптического передатчика (всего 12 передатчиков – для двух трехфазных транзисторных мостов). В автоматическом режиме проверки (переключатель – в положении «PWM (sin)») 12 сигналов управления IGBT-транзисторами двух трехфазных мостов формируются автоматически (применяется синусоидальная широтно-импульсная модуляция). Включение/выключение оптических передатчиков определяется визуально по излучению ими света.

Включение/выключение оптических приемников (имитация срабатывания защиты драйверов) осуществляется с помощью подачи на них света. Сигналы ошибок от драйверов можно увидеть в поле вывода «Аварийные сигналы» в виде установленных флажков в определенных битах слова «ШИМ». В этом же поле вывода в слове «ДНТ» содержится информация о причине срабатывания аппаратной защиты ПЧ (флажки в определенных битах), а в слове «Источн.» – информация о неисправности источников питания БУПЧ.

Примечание: Аппаратная защита ПЧ – независимое от ЦСК и ПО выключение ПЧ при превышении фазными токами, напряжением в звене постоянного тока или температурой IGBT-модулей АВН или АИН максимально допустимых значений.

Для проверки модуля ЦИДС используется вкладка «Тест». К разъему на лицевой панели модуля ЦИДС подключается тестовая плата, которая имитирует двухканальный датчик скорости вращения АД (квадратурный энкодер) и в ручном режиме формирует три сигнала («A», «B», «I») в дискретном виде, а в автоматическом режиме – эти же сигналы в импульсном виде. В поле вывода «GPIO или QEP» можно увидеть результаты проверки энкодера в виде принятых дискретных сигналов или в виде измеренной частоты.

Тестирование ПЧ с помощью программы DriveTerminal

На рис. 17, 18 показаны окна программы DriveTerminal при тестировании АВН в режиме виртуального осциллографа.

На рис. 17 приведены осциллограммы двух входных напряжений (желтый и синий цвета) и трех входных токов (красный, зеленый и розовый цвета) АВН.

На рис. 18 приведены осциллограммы трех входных токов (красный, зеленый и розовый цвета) и трех управляющих сигналов для интегрированных модулей ШИМ (темно-синий, темно-красный и темно-зеленый цвета) АВН.

На рис. 19, 20 показаны окна программы DriveTerminal при тестировании АИН в режиме виртуального осциллографа.

На рис. 19 приведены осциллограммы двух выходных напряжений (желтый и синий цвета) и трех выходных токов (красный, зеленый и розовый цвета) АИН. Выходные напряжения АИН имеют форму, которая ближе к импульсной, чем к синусоидальной. Причиной этого является то, что они имеют импульсный характер, а в каналах измерения этих напряжений не были установлены специальные фильтры, подавляющие высокочастотные гармоники, обусловленные широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). При наличии такого фильтра форма измеряемых напряжений АИН получается близкой к синусоидальной.

На рис. 20 приведены осциллограммы двух выходных напряжений (желтый и синий цвета), трех выходных токов (красный, зеленый и розовый цвета) и трех управляющих сигналов для интегрированных модулей ШИМ (темно-синий, темно-красный и темно-зеленый цвета) АИН. В данном примере, в отличие от предыдущего, в каналах измерения выходных напряжений АИН установлены специальные фильтры, и поэтому эти напряжения имеют форму, близкую к синусоидальной.

Заключение

СЭД имеют много достоинств по сравнению с традиционными пропульсивными комплексами на основе тепловых двигателей. Особенно перспективна и экономически оправдана установка СЭД на судах, требующих высокой маневренности. В состав современных СЭД входят ГЭД, ПЧ с СУ, силовой трансформатор и электрощитовое оборудова­ние. 

В области микропроцессорной техники современные тенденции к повышению степени интеграции и функциональности и снижению массогабаритных характеристик привели к созданию СУ ПЧ в виде блоков управления – нескольких плат, расположенных в одном корпусе.

Современные СУ ПЧ имеют в основном распределенно-централизованную структуру и состоят из ЛСУ, ЦСУ и ПЛК. При этом ЛСУ и ЦСУ являются обязательными частями СУ ПЧ, а ПЛК – необязательной частью, он используется для увеличения количества входов/выходов и интерфейсов. При повышении степени интеграции СУ ПЧ – объединении ЛСУ, ЦСУ и ПЛК в одном корпусе – получится ВБУ ПЧ, который будет выполняет все функции СУ ПЧ. Он имеет централизованную структуру с внутренним распределением функций, состоящую из нескольких частей – СУ (контроллеров), каждый из которых выполняет определенную функцию. Можно с уверенностью сказать, что в будущем сохранятся и будут развиваться СУ ПЧ с обеими этими структурами, хотя более распространенными останутся СУ ПЧ с распределенно-централизованной структурой.

В процессе развития СУ ПЧ будет повышаться такой их показатель, как удельная функциональность (отношение количества функций, выполняемых СУ ПЧ, к ее объему). И наоборот, такой показатель, как функциональная себестоимость (отношение количества функций, выполняемых СУ ПЧ, к ее себестоимости) будет снижаться.

По конструкции СУ ПЧ бывают одноплатными и многоплатными. В свою очередь, многоплатные СУ ПЧ можно разделить на три основных вида: с главной (материнской или системной) платой, с объединительной платой (кросс-платой) и с несколькими функциональными платами. В настоящее время одноплатные СУ активно используются в ПЧ небольшой мощности, поэтому можно с уверенностью предположить, что в будущем продолжится их широкое применение, особенно благодаря тому, что будет повышаться их удельная функциональность и снижаться функциональная себестоимость.

Аппаратное обеспечение современных СУ ПЧ реализовано либо на базе высокопроизводительных МК с RISC-архитектурой или специализированных ЦСК, либо на базе ПЛИС или СИС. В настоящее время ПЛИС и СИС активно развиваются, поэтому с достаточной степенью уверенности можно предположить, что в будущем их применение в СУ ПЧ будет увеличиваться.

В 2022 году концерном «Русэлпром» разработан ПЧ мощностью 1,67 МВА, на базе которого создан ряд ПЧ для СЭД мощностью от 600 кВА до 4,5 МВА. Основой СУ этих ПЧ является универсальный микроконтроллерный блок управления БУПЧ, объединивший в своем составе две ЛСУ, ЦСУ и ПЛК. Он разработан инженерами АО «НПЦ «СЭС» и позволяет управлять четырьмя транзисторными преобразователями – например, двумя АВН и двумя АИН.

При разработке ПО для БУПЧ применяется уникальная программно-модельная методика, которая существенно сокращает время тестирования и отладки ПО и уменьшает вероятность ошибок в нем, способных привести к аварийным ситуациям. Для тестирования и отладки ПО для БУПЧ, а также при проведении пусконаладочных работ ПЧ используется специальная программа управления и мониторинга БУПЧ и ПЧ DriveTerminal, которая позволяет быстро определить причины возникновения ошибок. 

Одним из главных достоинств БУПЧ является его универсальность, которая позволяет успешно применять его для замены СУ ЭП западного производства, поддержка которых в последнее время полностью отсутствует на территории Российской Федерации. Например, инженерами концерна «Русэлпром» были успешно заменены СУ ПЧ ГЭД и СУ ПЧ ПУ фирмы Ingeteam на блоки управления БУПЧ на круизном пассажирском судне проекта PV300VD. При этом в ПЧ ГЭД один БУПЧ заменил два блока управления фирмы Ingeteam – AR2105 и AR2516, а в ПЧ ПУ один БУПЧ заменил три блока управления фирмы Ingeteam – AR2105 и два AR2532.