автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование параметрических систем управления преобразователей с дозированной передачей энергии

Оглавление

Введение

1. ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Области применения параметрических систем управления

1.2 Параметрические измерения и задания параметров в электрических цепях

1.3 Принцип дозированной передачи энергии в нагрузку. Классификация ППН с дозированной передачей энергии

1.4 ППН с емкостным накопителем, возможности параметрического управления

1.5 ППН с емкостным накопителем и рекуперацией энергии в источник питания 39 Выводы по главе

2. ГЛАВА 2. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ППН С ИНДУКТИВНЫМ ДОЗИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ

2.1 Особенности применения схем и принцип действия

2.2 Внешние характеристики и электромагнитные процессы при различных видах нагрузки. Классификация нагрузок

2.3 Способы параметрического управления ППН

2.4 Расчет точности при комбинированном управлении

2.5 Динамика ППН с дозированной передачей энергии

2.6 Параметрическое управление при режиме технологического короткого замыкания 87 Выводы по главе

3. ГЛАВА 3. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ППН СО ЗВЕНОМ ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Принцип действия

3.2 Режимы работы схемы

3.3 Оптимизация режимов работы преобразователя. Основные особенности управления

3.4 Параметрическое управление в режиме дозированной передачи энергии.

3.5 Точностные показатели при параметрическом управлении.

3.6 Параметрическое управление в режиме ИН

3.7 Динмика ППН со звеном фазового управления

Выводы по главе

4. ГЛАВА 4. ВЫЧИСЛИТЕЛИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Способы построения вычислителей

4.2 Построение восьмиразрядных каскадных вычислителей.

4.3 Вычислители в инвариантных системах

4.4 Применение теории планирования эксперимента для оптимизации вычислителей.

4.5 Повышение быстродействия комбинационных вычислителей.

4.6 Основные этапы проектирования систем управления ППН с дозированной передачей энергии в нагрузку

Выводы по главе

Актуальность проблемы. Развитие силовой преобразовательной техники неразрывно связано с развитием систем информационного обеспечения преобразовательных устройств - систем управления. Вентильный преобразователь представляет собой нерасторжимое единство силовой части и системы управления, которая в значительной мере определяет его свойства, характеристики и параметры. Появление микросхем, развитие цифровой электроники и микропроцессорной техники сделали конкурентоспособными многие решения в области систем управления, которые ранее отвергались в силу их сложности, что позволило значительно улучшить многие показатели вентильных преобразователей (показатели качества электрической энергии на входе и выходе, динамические параметры, массогабаритные показатели фильтровых узлов и т.п.).

Еще в 50-60-е годы начались исследования систем автоматического регулирования (САР), включающих преобразовательные установки. Большую роль в решении этой задачи сыграли исследования отечественных ученых Булгакова A.A., Шипилло В.П., Поздеева А.Д., а позднее Исхакова A.C., Воловича Г.И., Белова Г.А., Мустафы Г.М., Абрамова А.Н., Рябенького В.М. , Подъякова Е.А. и многих других. Значительным вкладом в эти работы стала разработка асинхронных и следящих систем управления, а также принципов скользящего управления, основанных на релейном управлении (работы Бродовского В.Н., Иванова Е.С.,Уткина В.И., Изосимова Д.Б., Рывкина С.Е., Гра-бовецкого Г.В.,Писарева А.Л., Деткина Л.П. и др.).

Одновременно интенсивно разрабатывались принципы построения цифровых и микропроцессорных систем вентильными преобразователями. Значительную роль в этом начиная с 70-х г.г. сыграли работы сотрудников и выпускников кафедры Промышленной электроники Московского энергетического института Бизикова В.А., Обухова С.Г., Панфилова Д.И., Ремизевич Т.В., Чаплыгина Е.Е., Волкова В.Н. и др. В настоящее время число публикаций по микропроцессорным системам управления вентильными преобразователями стало необозримым. Применение цифровых и микропроцессорных систем управления позволило расширить функциональные возможности систем информационного обеспечения преобразвоательных устройств, повысить их точность и надежность, упростить процесс разработки и внедрения новых систем управления, снизить их стоимость.

Однако большинство цифровых и микропроцессорных систем управления реализуют те принципы работы, которые широко применялись ранее при разработке аналого-импульсных устройств и лишь адаптированы к особенностям микропроцессорной техники. Нередко это приводит к разрастанию периферийной части устройств управления : датчиков, системы гальванических развязок, АЦП и т.п. При этом мало затронуты исследованиями те способы управления, которые базируются на вычислительных возможностях цифровых и микропроцессорных устройств, в частности параметрическое управление. При параметрическом управлении непосредственное измерение внутренних и внешних параметров процесса в преобразовательной установке заменяется вычислением этих параметров на основе информации о других параметрах процесса и параметрах схемы. Как показывает опыт применения параметрического принципа управления, при его использовании в ряде случаев удается значительно упростить периферийные узлы системы управления, исключить элементы, вносящие значительную погрешность и задержку при измерениях, снизить порядок и упростить САР, а в ряде режимов повысить точность измерения и задания параметров процесса. Восполнение пробела в исследовании параметрического принцпа управления является первой из главных задач данной работы.

Вторая задача также вытекает из актуальных проблемм развития преобразовательной техники. Активное развитие техники, в первую очередь электропривода и электротехнологии, появление новых технологий вызывает необходимость разработки вентильных преобразователей с улучшенными характеристиками, а также источников питания с необычным сочетанием свойств. В значительной мере это относится к источниками питания для обработки материалов концентрированными потоками энергии с использованием сильноточного газового разряда [54]. Наряду с традиционными требованиями (токовый характер внешней характеристки, регулирование тока нагрузки в широких пределах, высокое качество электрической энергии на выходе преобразователей и динамических процессов) в них появляются новые , порой очень жесткие и труднореализуемые требования: стабилизация и регулирование тока в режимах, близких к короткому замыканию, защита преобразователя и технологической установки в режимах внезапных технологических коротких замыканий , скорость развития которых имеет порядок 1 мкс, ускоренное снятие энергопитания с установки при возниконовении указанных режимов и возобноление электропитания через минимальный промежуток времени, устойчивость к внезапному обрыву цепи и др. Подобные требования могут иметь место также в сварочных, светотехнических и электрохимических устройствах и в установках электропривода с экскаваторными характеристками.

Создание источников питания для газоразрядных технологических установок представляет собой сложную задачу и для ее успешного решения необходимо обратиться к решению трех проблем :

1. Выбор и разработка силовых схем устройств. В этом направлении перспективным оказалось предложенное отечественными учеными использование принципов дозированного заряда электрической энергии [5, 10, 29, 46, 47, 52]. Основные публикации кафедры Про-мэлектроники], поскольку гиперболическая форма естественной внешней характеристики вентильных преобразователей улучшает ход резко динамических переходных процессов;

2. Разработка микропроцессорных систем управления электротехнологическими установками [27].

3. Разработка локальных систем управления источников питания. Решению последней задачи посвящена данная работа.

Цель работы заключается в разработке локальных систем управления преобразователями постоянного напряжения (ППН) с дозированной передачей энергии для питания газоразрядных электротехнологических установок, основанных на принципах параметрического управления. В качестве силовой схемы рассматриваются транзисторные ППН с индуктивным накопителем.

Для выполнения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- проведен анализ существующих и выявлены ранее неизвестные способы параметрического измерения электрических величин, определена область их применения и сформулированы условия однозначности измерений; выявлены способы параметрического управления в ППН с дозированной передачей энергии на базе регулятора напряжения 3-го рода в режиме прерывистого тока и ППН со звеном фазового управления, разработаны принципы построения микропроцессорных устройств управления параметрического типа названными преобразователями, проведена оценка точности и расчет параметров САР.

- рассмотрены способы оптимизации построения вычислителей с целью уменьшения аппаратных затрат на запоминающие устройства и снижение времени , затрачиваемого на вычисления.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются различные методы исследования электромагнитных процессов в вентильных цепях, включая кусочно-припассовочный метод, метод усредненных значений, метод основной гармоники, метод фазовой плоскости, метод разностных уравнений, положения теории подобия, для оптимизации вычислителей применены методы теории планирования эксперимента. При выполнении работы использованы результаты цифрового моделирования ППН на базе численных моделей.

Для экспериментальной проверки достоверности результатов была создана физическая модель ППН (макет) мощностью 1 кВт. Достоверность результатов подтверждается также на развитых математических моделях исследуемых преобразователей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе анализа электромагнитных процессов выявлены условия однозначности при параметрических измерения, в том числе при понижении порядка цепи как элемента САР.

2. Впервые разработаны параметрические системы управления комбинированного типа, обеспечивающие высокую точность работы во всех режимах работы ППН, показана возможность повышения точности измерения малых сигналов по сравнению с традиционными измерительными схемами.

3. Впервые разработана параметрическая система управления ППН со звеном фазового управления, основанная на картах оптимального управления.

4. Рассмотрена структура и определены параметры регулятора параметрических систем управления ППН, обеспечивающего максимальное быстродействие.

5. Проведена оптимизация вычислителя с целью минимизации аппартаных затрат на память и времени вычислений на основе методов теории планирования эксперимента.

6. Впервые применен параметрический принцип при построении узлов управления для защиты преобразователя и технологической установки от внезапного технологического короткого замыкания.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Определены области применения и потенциальные преимущества параметрических систем управления и критерии однозначности параметрических измерений, которые применимы для управления различными типами преобразовательных устройств с мягкими внешними характеристиками и при работе в режиме прерывистого тока.

2. Разработанные системы управления могут быть использованы при проектировании микропроцессорных систем управления ППН для электртехнологических установок нового поколения на баде транзисторных схем с индуктивным дозирующим элементом.

3. Разработанные принципы оптимизации вычислителей могут использоваться для создания микропроцессорных и комбинационных вычислителей различных систем управления, работающих в реальном масштабе времени.

Апробация работы. По результатам работы опубликовано 4 научные работы: 3 статьи и тезисы доклада. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной элек

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.

Выводы по главе 4

1. Предложена классификация вычислителей для систем управления вентильных преобразователей, охватывающая цифровые и аналоговые микропроцессорные и комбинированные вычислители.

2. Сопоставлены аппаратные затраты и точностные показатели цифровых неделимых и каскадных вычислителей; показано, что снижение аппаратных затрат в каскадных вычислителях сопровождается появлением дополнительных погрешностей дискретизации. Определены условия, при которых эти погрешности существенны.

3. На основе методов теории планирования эксперимента предложен алгоритм замены неделимого вычислителя каскадным вычислителем, определены условия возможности такой замены.

4. На основе методов теории планирования эксперимента предложены каскадные вычислители с многофакторной линейной интерполяцией, обеспечивающие значительное уменьшение емкости памяти табличных вычислителей.

5. На основе проведенного анализа разработаны принципиальные схемы для микропроцессорных параметрических систем управления ППН различных типов при снижении аппаратных затрат и повышении быстродействия их работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных исследований и разработок можно сделать следующие выводы:

1. Параметрические способы управления позволяют упростить интерфейсные и периферийные узлы системы управления, исключить звенья, требующие больших аппаратных затрат и снижающих точность системы, в ряде случаев понизить порядок САР за счет исключения интегрирующих и дифференцирующих цепей. При измерении относительно малых значений параметров процесса параметрическое управление в ряде случаев позволяет повысить точность измерений.

2. Систематизированы основные способы параметрического управления, которые могут быть основаны

- на однозначности связей между различными параметрами несинусоидальных сигналов известной формы;

- на стабильности связи между входными и/или выходными параметрами в преобразователях с жесткой или однозначной внешней характеристикой;

- на дуальности интегро-дифференциальных зависимостей индуктивных и емкостных цепей;

- на однозначности связи между временными параметрами процесса и током/ напряжением в режиме прерывистого тока и при наличии коммутационных процессов в преобразователях.

3. Показано, что в преобразователях с дозированной передачей энергии в нагрузку параметрические способы управления имеют несомненные перспективы в силу функционирования преобразователей в режиме прерывистого тока при мягкой (гиперболической) форме внешней характеристики. На основе анализа электромагнитных процессов при применении теории подобия выявлены условия однозначности и инвариантности регулировочных характеристик параметрического управления при работе ППН на различные типы нагрузки.

4. Разработана методика анализа точностных показателей параметрических систем управления ППН с дозированной передачей энергии, в результате анализа показана целессообразность комбинированного параметрического управления, заключающегося в автоматическом выборе в каждом режиме того из двух способов управления, который обеспечивает минимальные погрешности. Показано, что по точностным показателям параметрическое управление не уступает способам с непосредственными измерениями, а при малых значениях тока нагрузки может превосходить известные способы управления.

5. Разработаны принципы построения системы управления ППН со звеном фазового управления, основанного на картах оптимального управления. Показано, что точность управления зависит лишь от погрешности способа идентификации выходного тока.

6. Предложен параметрический способ управления ППН при резкодинамических режимах, в том числе при внезапных короткихъ замыуканиях в нагрузочной цепи.

7. При использовании аппарата разностных уравнений произведен анализ динамических показателей систем, показана достаточность применения П-регуляторов, определены их показатели, обеспечивающие максимальное быстродействие, и область устойчивой работы.

8. Предложена классификация вычислителей для систем управления вентильных преобразователей. Показано, что снижение аппаратных затрат в каскадных вычислителях сопровождается появлением дополнительных погрешностей дискретизации. Определены условия, при которых эти погрешности существенны.

9. На основе методов теории планирования эксперимента предложены каскадные вычислители с многофакторной линейной интерполяцией, обеспечивающие значительное уменьшение емкости памяти табличных вычислителей.

10. На основе проведенного анализа разработаны и реализованы на макетах схемы микропроцессорных параметрических систем управления ППН с дозированной передачей энергии.

1. A.c. 1080243 (СССР) Цифровое устройство для управления вентильным преобразователем. БИ 10, 1984 Н02р13/16, авт. Обухов С.Г., Ремизевич

2. A.c. 595841 (СССР) Параметрическое определение проводящего состояния вентиля. БИ 8, 1978.

3. A.c. №1080243. Цифровые устройства для управления вентильными преобразователями. Авт. Обухов С.Г., Ремизевич Т.В., Чаплыгин Е.Е. БИ10, 1984г., МКИ Н02р13/16

4. A.c. №612217. Способ регулирования выходного напряжения автономных инверторов, авт. Булатов О.Г., Олещук В.И. Открытия, изобретения, пром. Образцы, тов. Знаки, 1978, №83

5. Алешин М.Л. Преобразователи постоянного напряжения с дозированной передачей энергии, автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, МЭИ, 1999

6. Артамонова О.М. Разработка методики автоматизированного проектирования много-фазных импульсных преобразоателей постоянного напряжения. Автореферат. М., 1997.

7. Булатов О.Г., Олещук В.И. Автономные тиристорные инверторы с улучшенной формой выходного напряжения. Кишинев, Штиинца, 1980.

8. Булатов О.Г., Поляков В.Д., Царенко А.И. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии, М: Энергоатомиздат, 1982г.

9. Булатов О.Г., Царенко А.И. Тиристорно-конденсаторные преобразователи, М: Энергоатомиздат, 1982г.

10. Булатов О.Г., Чаплыгин Е.Е., Алешин М.Л., Николенко М.П. Преобразователь постоянного напряжения с индуктивным дозирующим элементом, Электротехника, №9,1998г.

11. Булатов О.Г.,Иванов B.C., Панфилов Д.И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии, М.Радио и связь, 1986

12. Бутырин Л.А., Демиргян К.С. Машинные методы расчета. М., ВШ, 1988.

13. Веников В.А. Теория подобия и моделирование, М.Высш.школа, 1966

14. Видаль П. Нелинейные импульсные системы. Перев. С франц. М., Энергия, 1974.

15. Влах И., Сингхал К., Машинные методы анализа и проектирования электронных схем. Пер. с англ. М. Радио и связь, 1988.

16. Гладышев С.П., расчет нелинейных систем на ЭВМ. М., Машиностроение, 1987.

17. Гноенский Л.С., Каменский Г.А., Эльсгольд Л.Э. Математические основы теории управляемых систем. Москва, Наука, 1969.

18. Динамика вентильного электропривода постоянного тока. Под ред. А.Д. Поздеева.М.,Энергия, 1975.

19. Дьяконов В.П. Система MathCAD, M: Радио и связь, 1993г.20.