2.14. Разработка первого в СССР автоматического регулятора напряжения синхронного генератора частотой 400 Гц с управляемым амплитудно-фазовым компаундированием

Вскоре подвернулась уникальная работа. Как я уже говорил, ЦКБ “Алмаз” разработал и начал реализацию нового в то время принципа поддержания корпуса корабля – на подводных крыльях. Обычный водоизмещающий корабль при движении должен преодолевать сопротивление воды площадью всей головной части корпуса и тратить на это большие мощность и энергию. Главный конструктор ЦКБ Бурлаков Вадим Михайлович решил вынуть корпус из воды и поставить его на плоские поверхности, крылья с малой площадью, сопротивляющейся набегающей воде. Такое решение обещало резко увеличить скорость движения даже по сравнению с лёгкими торпедными катерами, двигающимися на редане. Был построен так называемый полунатурный образец относительно небольших размеров для решения множества главных вопросов – какова должна быть форма крыльев, их угол наклона, в каком месте корпуса корабля крылья закреплять, как достичь устойчивости движения, как смягчать удары на волнении и множество подобных, с неведомыми никому ответами.

Стоит напомнить, что проектирование и строительство пассажирских катеров на подводных крыльях, начатое в Горьком под руководством главного конструктора Алексеева, шло уже существенно позже и производилось на опыте “Алмаза”. Вот – последствия “железного занавеса”. Талантливейший конструктор, первопроходец в этой области Вадим Михайлович Бурлаков был практически безвестным, а Алексеев купался в славе, раздутой, между прочим, Хрущёвым.

Один из существенных вопросов заключался в том, что как показали первые же опыты, для выхода корпуса корабля на крылья требовалась большая мощность. И чем легче был корабль, тем меньше, естественно, необходима мощность. В то же время использование традиционного оборудования, в том числе электрического. даже близко не позволяло достичь необходимого соотношения масса – мощность. Пришлось искать совершенно новые проектные решения. Самым естественным было использование опыта авиации. Началась тяжёлая организационно-техническая работа со смежной отраслью – авиацией. Надо было не просто взять готовое оборудование, но приспособить его к морским условиям эксплуатации. Поставили, например, авиационные (высокооборотные) главные двигатели со “звездообразным” расположением цилиндров. Приняли на вооружение лёгкие авиационные пушки с автоматическим наведением. В кормовой части установили мощные авиационные турбины, разгоняющие корабль в заключительной части торпедной атаки. В электростанции применили высокооборотные дизельгенераторы, продуваемые специальными мощным вентиляторами, приняли для электроэнергетики частоту не 50 Гц, а 400. Генераторы взяли с американских бомбардировщиков Б-29, в то время бомбивших Северную Корею. Кстати, очень ярко пришлось мне почувствовать разницу весовых характеристик обычных генераторов и американских. Для того, чтобы просто приподнять обычный генератор частотой 50 Гц и мощностью 30 кВт требуются усилия четырёх-пяти человек. Авиационный генератор той же мощности (30 квт) я один носил на собственном плече на 5 этаж. (Нам, электрикам дали место для работы на 5-м этаже здания заводской электростанции посёлка Приморский, под Феодосией).

В общем, преодолевали массу трудностей, одну за другой.

С одной из них пришлось заняться мне лично. Упомянутые генераторы на борту самолёта возбуждались от бортовой сети напряжением 27 в постоянного тока. На корабле такой сети, естественно, не было. Следовательно, надо было создавать совершенно новый автоматический регулятор неизвестного нам генератора, да ещё частотой 400 Гц. Без регулятора работа электростанции, а следовательно возможность создания корабля были невозможны. Каких-либо альтернативных технических решений просто не было в природе. Позже я узнал, что Московский авиационный институт им. Жуковского запросил невозможные сроки и средства на разработку регулятора. Оценить степень сложности задачи разработки системы автоматического регулирования напряжения в институте не могли из-за того, что в то время было очень мало опыта создания регуляторов и, тем более, освоения серийного производства. Кому-то, наверно, задача казалась простой и не стоящей денег, запрошенных институтом Жуковского. Так и получилось, в результате, что разработку поручили молодому неоперившемуся специалисту.

Всей этой политики я не знал, но за работу взялся с большим воодушевлением. Я же знал, что из всего института только я имел опыт работы с Цукерником, да и по собственной дипломной работе имел, по крайней мере, ощущение предмета. Кроме того, автоматическое регулирование как направление вообще было определённой экзотикой в нашей сфере корабельной электротехники. Такое отношение к этой области определялось, в частности, тем, что для реализации любой системы автоматического регулирования требовались преобразователи и усилители сигналов. Такую функцию выполняли в те времена электронные лампы. Но на корабле, да ещё на таком, который подвергается ударам о волны, да в условиях машинного отделения лампы совершенно не годились.

Начинать надо было с элементарной электротехники, с изучения процессов в трансформаторах тока и напряжения. Затем – с характеристик и свойств объекта управления – синхронной машины. Познать эти предметы надо было до мельчайших тонкостей. Особенно важно было разработать способ сложения сигналов по напряжению и току генератора. Сложение путём параллельного включения выпрямителей, питающихся от трансформаторов напряжения и тока, принципиально не годилось. В такой схеме всегда работает только один канал. Если один из каналов имеет большее напряжение, второй – автоматически запирается. Любопытно, что эта простая истина до сих пор не всеми воспринята, и схема с параллельным включением выпрямителей приводится даже сегодня в учебной литературе, например, в учебнике для нашей кафедры, выпущенном под редакцией профессора ЛЭТИ Лукомского.

Вторая проблема – как сделать так, чтобы при постоянной амплитуде напряжения генератора и, следовательно, постоянном (по амплитуде) напряжении первичной обмотки трансформатора компаундирования выходное напряжение менялось в три раза по мере увеличения нагрузки генератора.

Третья проблема заключалась в том, что система регулирования, с одной стороны должна быть неустойчива для обеспечения процесса самовозбуждения, с другой, естественно, устойчива в процессах нормального функционирования.

Четвёртая проблема – как и какими конкретными средствами обеспечить отрицательную обратную связь в системе.

Пятая проблема – как обеспечить без усилителя высокую точность стабилизации напряжения (плюс – минус 1 процент) при изменении нагрузки от нуля до 125 % номинальной и коэффициента мощности от единицы до 0,6.

Шестая проблема – как компенсировать тепловой увод при нагреве элементов системы и изменение частоты вращения дизеля, вращающего вал генератора.

Седьмая проблема – как обеспечить лёгкость настройки системы в условиях заводаизготовителя большой серии регуляторов.

И, наконец, последнее – как резко снизить массу и габариты регулятора.

Все эти проблемы шаг за шагом и комплексно были решены. Пожалуй, самой важной и плодотворной была идея создания такого регулятора, который без отрицательной обратной связи обеспечивал такую характеристику вход-выход, которая максимально точно соответствовала регулировочной характеристике генератора. В таком случае на долю отрицательной обратной связи оставалось бы только обеспечение устойчивости системы. Только при такой схеме возможно было получить высокую точность регулирования при низком коэффициенте усиления цепи отрицательной обратной связи. В свою очередь, только при низком коэффициенте усиления можно было иметь переходный процесс без перерегулирования, с минимальным временем достижения установившегося состояния после возмущения. До сих пор удивляюсь, что без единого транзистора (которых тогда не существовало), без усилителей, являющихся обязательной принадлежностью любого регулятора, была достигнута точность лучше одного процента. Кстати, в технических условиях на регулятор была записана точность 1,3 %. Эта величина была результатом моего личного торга с директором ЦКБ Кабчевским (сегодня это предприятие “Меридиан”). Удивляюсь и тому, что торговаться по такому важному вопросу ЦНИИ им. Крылова послало зелёного юнца, да ещё без сопровождения какого-то опытного управленца. Может быть, я действительно добился своей работой такого удивительного, по сегодняшним понятиям, доверия?

Интересно, что сейчас, через почти пол – века я понял, что в регуляторе реализовал адаптивный принцип автоматического регулирования. Сущность принципа в том, что регулятор по своему принципу действия должен создавать такую зависимость выходной величины от возмущающих воздействий, которую требует объект управления для полной компенсации возмущений.

В данном случае объектом является синхронный генератор с нагрузкой. Основными возмущающими воздействиями для него являются ток статора и коэффициент мощности нагрузки. Если создать регулятор, который в зависимости от этих возмущений создаёт семейство регулировочных характеристик генератора, то на долю обратных связей системы регулирования останется только обеспечение устойчивости.

Отсюда и высокая точность регулирования при совсем малом коэффициенте усиления цепи обратной связи.

Любопытен психологический момент – в то время я совершенно не задумывался над подобного рода вопросами.

В общем, разработка регулятора была успешно завершена. Летом 1958 года на головном корабле в Феодосии вся система принята Государственной комиссией, признана соответствующей ТУ и рекомендована к серийному производству на заводе “КРИЗО” в Гатчине.

Корабли на крыльях очень понравились пограничникам. Построено было несколько сотен катеров, лучших в мире на то время. Достаточно того, что ни один серийный корабль не имел скорости хода 72 узла. До сих пор помню, как свистел ветер на ходу корабля на мерной миле у черноморского посёлка “Приморский” под Феодосией.

Конечно, не обошлось без трудностей и срывов. Я выбрал для регулятора лучшие, новейшие материалы и элементы. Применил лучшую новейшую электротехническую текстурованную сталь Э-330. Использовал только-только появившуюся обмоточную шину с кремний органической изоляцией. Применил тогда ещё экзотические полупроводниковые диоды ВГ-10 и ДГЦ. Но вот конденсаторы (типа БГО), использованные в качестве компаундирующих сопротивлений, к работе на высокой частоте оказались непригодными. В один прекрасный момент конденсаторы один за другим начали взрываться прямо у заводского пирса. Из люка машинного отделения, из всех щелей корабля пошёл бело-коричневый едкий дым. По возвращении в Ленинград директор 3-го института (Аристов Евгений Михайлович) сильно меня отчитывал. Ещё раз удивляюсь – как можно было не контролировать мои действия хотя бы по выбору материалов. Ведь когда разрабатываются чертежи для изготовления в цехе, конструкторы составляют спецификацию и проверяют все применённые изделия на соответствие ТУ. Но было так, как было.

На претензии Евгения Михайловича я очень обиделся. По литературе, по отзывам специалистов, по собственному опыту работы с доктором технических наук Цукерником я уже тогда мог судить, что шёл совершенно неизведанным путём, работал абсолютно не считаясь со временем, нашёл целый ряд новых технических решений, в том числе принципиальных. А меня ругают за ошибку в выборе конденсаторов. При этом ругают только меня, а не вместе с теми начальниками и опытными специалистами, которые по своей должности подписывали выходные документы и спецификации регулятора. Ах так – объявляю английскую забастовку – сделаю новый расчёт строго по существующим правилам, так, как делают все. Разработал новый образец, конструкторы создали новую конструкцию, изготовили образец. Он получился раза в три больше по размерам и весу, чем разработанный мной ранее и испытанный на корабле. Меня снова отругали. Я снова пересчитал регулятор, выбросил конденсаторы, заменив их дросселями с воздушным зазором. Конструкторы разработали новые чертежи с корпусом из силумина в литье. Проведена настройка, регулятор отправлен в Феодосию на судостроительный завод, установлен на корабле.

Начались ходовые испытания, в том числе работа с воздушными целями. Здесь проявились другие проблемы, не выявленные в лабораторных условиях. При высокой температуре машинного отделения первые, малонадёжные полупроводниковые диоды ДГЦ выходили из строя, иногда в самый неудачный момент. Представьте, корабль стоит у причальной стенки, полностью готовый к выходу, корпус натужно дрожит, команда – на местах, появилось сообщение о вылете из Симферополя самолётов для совместной работы с корабельным автоматическим зенитным оружием и гранитовской радиолокационной системой управления. И вдруг крик – напряжение исчезло. Меня чуть ли не за шиворот в машинное отделение. Бросаю на горячий, грохочущий дизель ватник, ложусь на него животом, лихорадочно, ломая ногти, отвинчиваю гайки, крепящие регулятор к переборке, снимаю, бегу на берег. Лихорадочно проверяю диоды, отпаиваю сгоревшие, меняю из ЗИПа (запасные части и инструменты) на новые, закрываю крышку, бегу в машинное, снова ложусь на работающий дизель, включаю разъёмы, креплю корпус. Выбегаю, корабль сразу же отходит от стенки, выходит из заводского ковша в море. Буквально через несколько минут в небе самолёты, слышна дробь выстрелов автоматических корабельных пушек. Сижу на пирсе ни жив, ни мертв, ожидая страшных известий с моря об очередном выходе из строя ДГЦ или ВГ. Слава богу – пронесло. Через пару часов корабль возвращается, с регуляторами всё в порядке.

Потом уже выяснилась неизвестная ранее подробность – при частых включениях и выключениях возбуждения генераторов на обмотке возникают перенапряжения, выводящие из строя выпрямители. Чтобы избежать этого, контакты контакторов гашения поля включили не последовательно, а параллельно обмоткам роторов. И тут возникла проблемка – шунтируем обмотку, а напряжение не падает. Парадокс! В конце концов, догадался прикинуть сопротивление проводов от контактора на ГРЩ до генератора. Оказалось – при очень малом сопротивлении обмоток возбуждения авиационных генераторов провод от КГП надо было иметь сечением не полтора квадрата, а как минимум, 10. Поставили 16 квадрат.

Чисто технологическая проблема – чем нагружать генераторы?

О специальных нагрузочных устройствах тогда никто не думал. Решили – давайте использовать прожекторные лампы накаливания мощностью по киловатту каждая. Взяли большую фанеру, нарезали отверстий под цоколи, смонтировали по 30 ламп на два щита. (В электростанции было два дизель-генератора по 30 кВт). Включили. Во-первых, осветили ярким светом всю округу (дело было под вечер). Во-вторых, бедный дизель при включении нагрузки как-будто застонал от напряжения. Стали думать – в чём дело. Кто-то вспомнил – нихромовые спирали ламп накаливания нагреваются до нескольких тысяч градусов. Следовательно, сопротивление их меняется от холодного до нагретого состояния в десятки раз. Значит – в первый момент включения дизель-генератор нагружается не на 30 кВт, а в несколько раз больше. Всё – отбой. Щиты с прожекторами убрали, стали думать. Я вспомнил, как мы испытывали на судостроительных заводах корабельные электростанции. По правилам электрооборудования полагалось проводить осциллографирование электромеханических процессов в электростанциях головных кораблей. Но как рассчитать параметры нагрузочных устройств, никто, конечно, не знал.

Но дело то делать надо! Принял решение делать водяное сопротивление. Чисто интуитивно прикинул диаметр круглого корпуса, крепление медных шин от старого ГРЩ с соответствующим подъёмником для изменения глубины погружения электродов. Смонтировали получившийся бак, налили морской воды, включили. Дизель-генератор – заглох. Стали думать. Прикинули сопротивление морской воды. Стало ясно, что сделали глупость. Только при очень маленькой площади поверхности шин можно было получить сопротивление, необходимое для нагрузки в 30 кВт.

Вылили морскую воду, налили водопроводную. Нагрузка стала меньше, но всё равно слишком большая даже при небольшой площади контакта пластин с водой. Налили дистиллированной воды из опреснителя, нагрузка – ноль. Стали добавлять в воду поваренной соли из столовой. Нагрузка стала удобоваримой. Но это было ещё не всё. На осциллограмме – ток странно колеблющийся. Понаблюдали за водой в баке – оказывается, она быстро нагревается в области соприкосновения с шинами и начинает бурлить, обнажая медные поверхности. Подумали – раздвинули фазы, увеличив расстояние между ними и увеличив глубину погружения. Стало существенно лучше. На том и остановились.

С позиции сегодняшнего дня можно и меня и заводчан ругать за глупость и необразованность. Но можно оказать и снисхождение. Всё было в первый раз. Да и, вообще, оценивая состояние промышленности, науки и техники в то время, думаю, что мы все были на довольно низком или, скорее, на совсем низком техническом уровне. Даже наиболее продвинутое в науке и технике предприятие “Гранит” счётно – решающие системы управления оружием (система ”Рангоут») делало на таких элементах, как сельсины и вращающиеся трансформаторы. Сегодня это кажется просто смешным.

Тогда же впервые мы столкнулись с явлением модуляции напряжения. Огибающая напряжения дизель-генератора колебалась с какой-то низкой частотой. Амплитуда колебаний – всего около 2-х процентов, но на работу радиолокационной системы это оказывало неприятное воздействие. На экране локатора так называемые кольца кругового обзора становились не стабильно круглыми, концентрическими, а искривлёнными и колеблющимися с частотой модуляции напряжения. Конечно, все вокруг обратили осуждающие взоры на меня. Это всё твой регулятор! Что было делать? В голове зароились воспоминания из книг по теории регулирования – по характеру это явление похоже на автоколебания нелинейных систем с обратными связями. Но сначала надо выявить и записать информацию. Стали думать, как записать. Из московского института приехали специалисты со сложными приборами. Несколько дней возились на корабле – ничего не получалось. Мы сидели на пирсе, скучали без дела. Хотелось домой. Шёл третий месяц командировки. В конце концов, поднял я с пола кусок картонки, проткнул дырки для ножек транзистора (только – только появились такие изделия, типа П-4), спаял простенькую схему с подавлением нуля с помощью танковой батареи и заосциллографировал напряжение с большим увеличением отклонения. Посмотрел более внимательно на особенности конструкции авиационного генератора, понял, что проблема модуляции обусловлена не автоколебаниями системы автоматического регулирования напряжения, а с конструктивными особенностями объекта управления – генератора. Авиационный генератор предельно выжат по габаритам, воздушный зазор очень маленький, вал совсем небольшого сечения. Возможно, дело в колебаниях воздушного зазора. Вал генератора под действием сил магнитного тяжения и собственного веса прогибается, периодически меняется воздушный зазор, меняется и напряжение. Изменяя частоту вращения дизеля, меняем, соответственно, частоту модуляции. Доказал. Обвинения с себя снял. Гранитовцы, насколько помню, исключили или существенно снизили влияние модуляции напряжения специальными низкочастотными фильтрами.

Глядя на всю эту историю из сегодняшнего дня, удивляюсь – как это руководители института взяли на себя обязательство разработать то, чего никогда не было, не было прототипов подобных регуляторов, не было ни специалистов по этому направлению, ни литературы.

Позднее в таких случаях действовали более трезво. Сначала создавали за счёт средств госбюджета научный задел, оценивали принципиальную возможность разработки. Когда появлялась какаято уверенность, заключали договор на разработку и поставку опытного образца, затем головного и т.д.

Но мне тогда до подобных организационных соображений не было дела. Я просто окунулся в задачу и работал. Сейчас вижу, что занимался с какойто неистовой страстью. Все радости жизни были заключены в задаче. До сих пор помню, как, уходя поздно вечером из института, с радостью думал о том, что с утра следующего дня продолжу работу. Конечно же, такое состояние человека даёт высшее счастье, самую острую радость жизни! Очень существенно, что никто мной не командовал, даже не давал советов. Я уже говорил, что настрой большинства инженеров отдела не способствовал прямым контактам с физическим оборудованием. А без опыта непосредственного общения с машинами и приборами нечего и пытаться давать советы тому, кто с машинами и приборами работает. Кто был начальником моего сектора в отделе, даже не помню. Кажется, я был тогда в составе электротехнического стенда, которым руководил Геннадий Михайлович Лачков. Никаких помех в моей личной работе он не создавал, ни с какими советами не набивался. Сейчас-то я знаю, что это было огромным благом для меня и для работы вообще. Значит – хватало ума у начальника не мешать. Уверяю Вас, читатель, что надо быть очень умным начальником, чтобы уметь не мешать работать тому, кто и без вашего вмешательства всё делает, как надо.

Самой большой наградой, ни с чем не сравнимой, было ощущение своей значимости, сопричастности к большому делу создания не просто корабля, а нового типа корабля.

Получилось так, что без моего относительно маленького ящичка с регулятором буквально не было бы корабля. Нет регулятора напряжения – нет генератора. Нет генератора – нет электростанции. Нет электростанции – весь корабль, всё его насыщение – мёртвая груда металла.

Если бы в тот момент, во время разработки регулятора я куда-то пропал бы, заболел, утонул, дело с созданием серии новейших кораблей застопорилось бы на годы. Где бы взяли человека мне на замену? Нужен же был не просто любой инженер, а такой, который уже имел опыт работы с регулятором, такой, который был способен без всякой помощи разрубать одну за другой ворох проблем, который способен был страстно, яростно вгрызаться в дело, отдаться работе, даже не думая о таких мелочах, как время, усталость, любые посторонние дела.

Удовлетворение от этой разработки было особенно полным в связи с тем, что регулятором была оснащена огромная серия, по крайней мере, полторы сотни кораблей. Эти корабли служили на всех морях, омывающих берега Союза, изготавливались на экспорт, воевали на Средиземном море, даже в Никарагуа.