автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности систем бесперебойного электропитания для микропроцессорных средств управления

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ * ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛАВРОВ Алексей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном тех- • ническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С.А. Ковчин.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А.Е. Бор-Раменский, кандидат технических наук, доцент В.П. Николаев.

Ведущая организация: АО " НПП Модуль " Холдинговой компании " Ленинец г. С-Петербукг. _

Защита состоится "^7" 1994г. в /О часов на

заседании специализированного совета К 063.38.25 в Санкт-Петербургском Государственном техническом университете по адресу: 195251, С-Петербург, Политехническая ул.,29, корпус 9, ауд. 34.

С диссертацией мбкно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кавдацат технических наук

А.Н, Кривцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Технический прогресс с настоящее время неразрывно связан с внедрением в производство микропроцессорных средств управления. На машиностроительных заводах работает более сть1 тысяч станков с числовым программным управлением (ЧПУ), что составляет около ЗОХ от общего юрка станков. На осното станков и прошзлеиных роботов с ЧПУ создаются роботио^ваняне технологические комплексы, гибкие производственные модули и системы.

Проблема обеспечения ваделаюств является одной из главных при разработке и внедрении микропроцессорных средств управления. В производственных условиях значительная часть сбоев в их работе обусловлена возмущениями напряжения в промышленной сети. Опыт эксплуатации металлообрабатывающих ста:;кег показал, что если не принимать каких-либо мер то сбои в работе устройств числового программного упракоаяя (УЧПУ1 по этой причине могут возникать несколько раз за смену. Это приводит к значительному снижению производительности и браку.

Наиболее эффективным способом защиты микропроцессорных средств управления от возмущений напряжения в питающих сетях является применение систем бесперебойного электропитания (СЕЗ). Функционально СБЭ состоят из основного (промышленная сеть) и резервного источников питания и агрегата бесперебойного питания (АБП). Последний осуществляет переключение источников в случае отказов в них и обеспечивает преобразование напряжения первичных источников в выходное с заданными параметрами. Исследованием, разработкой и изготовлением СБЭ занимается многие ведущие зарубехные фирмы и отечественные научно-производственные объединения.

На кафедре "Системы автоматического управления" СПбГТУ з течение последних десяти лет проводятся научно-исследовательские работы, посвященные созданию систем бесперебойного электропитания ЭВМ с повышенными надежностными и энергетическими показателями. Работы проводятся, в соответствии с целевой программой "Оптимум" (приказ МинВУЗа СССР от 16.05.86 N2 358), постановлением Совета Министров СССР от 31.05.84 № 326 "Об ускорении 'работ по автоматизации машиностроительного производства на основе передовых технологических процессов и гибких переналаживаемых комплексов", решениями Президиума Совета Министров СССР от 17.08.88 (протокол №39) "О некоторых мерах по созданию и внедрению в промышленность типовых гибких производственных систем" и Бюро Совета Министров СССР от 29.02.88 "Об опыте создания Ленинградским политехническим институтом им. М. И. Калинина автоматизированных технологических комплексов в машиностроении".

Настоящая работа проводилась в соответствии с этими постановлениями и направлена на повышение эффективности СВЭ микропроцессорных средств управления, построенных на основе выпускаемых промышленностью АБИ Специфика потребителей рассматриваемого класса (например, широкораспространенных У1П1У типа "Электроника Щ 80/31" „и микроэвм типа "Электроника 60-1") обусловлена наличием у них источников вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом, что относит этих потребителей к классу импульсных (или нелинейных) нагрузок. Из-за импульсного, потребления тока мощность ИВЭП должна составлять не более чем 30-40% от номинальной быходной мощности инвертора, ; входящего в состав АБП, иначе нарушаются условия нормального функционирования инвертора или ИВЭП. Необходимость 2.5-3 кратного запаса по мощности инвертора значительно снижает технико-экономические показатели СБЭ в целом.

Известные способы повышения нагрузочной способности инверторов носят характер технических предложений и проверялись в луЪем случае эмпирически. Некотроые из них, повышая нагрузочную способность, ведут к снижению надежности СБЭ в целом. Обдснование возможных решений требует серьезных теоретических и экспериментальных исследований.

Цель работы. Цель диссертационной работы может быть сформулирована следующим образом: на основе исследования процессов в системе "СБЭ - управляющая ЭВМ" найти пути повышения нагрузочной способности СБЭ и снижения влияния сетевых возмущений на работу ЭВМ, разработать методику оптимального проектирования устройств, позволяющих повысить нагрузочную способность СБЭ.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующее задачи:

1. Анализ восприимчивости микропроцессорных средств управления к различным видам сетевых возмущений и оценка надежности их электропитания от промышленной сети.

2. Выбор структурной схемы и состава оборудования СБЭ, анализ —надежности электропитания средств управления от СБЭ.

3. Анализ процессов при работе инверторов на. ИВЭП с бестрансфор-мзторным входом и выявление причин снижения нагрузочной способности инверторов при данном .виде нагрузки.

4. Анализ способов повышения нагрузочной способности инверторов, выбор способа с учетом влияния на надежность СЕЭ в целом.

5. разработка методик исследования и оптимального проектирования устройств, обеспечивающих повышение нагрузочной способности инверторов. "

6. Экспериментальная проверка полученных результатов.

Методы исследований. В работе использовались методы расчета надежности слохных систем, моделирования электромагнитных процессов электрических схем с переменной структурой, планирования эксперимента, нелинейного программирования, теории дискретных систем автоматического управления, экспериментальных ксс.чедокшкй на натурном образце.

Научная новизна.

1. Выполнен сравнительный анализ 'методов яовушшя нагрузочной способности инверторов, исследовано влияние этих методов на надежность СБ? в целом, доказана высокая эффективность применения резонансных фильтров (РФ).

2. Предложена методика оптимизации системы инвертор - рс.юнаистЛ фильтр - импульсная нагрузка на основа использования разработанной цифровой модели этой системы и последовательного применения, методов дихотомии, планирования эксперимента и Лагранла, в процессе опимизации получены аналитические зависимости, олиеьжшз» систему в установившемся режиме работы.

3. Предложена методикл получения линеаризованных систем разностных уравнений систем с. широтно-импульсной модуляцией и вычислителем одношагового условного прогноза, которая основана на применении численных методов и не имеет ограничения на порядок исследуемой системы, в отличии от известных методик.

Практическая ценность.

1. Произведен анализ восприимчивости средств управления к различным видам еда "X возмущений, результаты которого учтены ври оценке надежности их электропитания и выборе структурной схемы СЕЭ.

2. Даны рекомендации по использовании серийно выпускаемых ЛЕИ для' построения систем бесперебойного электропитания, произведена оценка надежности электропитания от СЕЭ.

3. Разработаны цифровые модели системы инвертор - РФ - имульсная нагрузка и прикладные программы расчета.

4. Получены оптимальные параметры РФ, предназначенных для серии -но-выпускаемых инверторов, произведена экспериментальная проверка полученных результатов.

5. Исследовано влияние К> на динамические характеристики инверторов.

В диссертации защищаются следующие новые результаты:

1. Оценка .восприимчивости современных микропроцессорных средств управления к различным видам сетевых возмущение и влияния этого параметра на «-«л ,чг»?Т! ну электропитания.

2. Сравнительный анализ методов повышения нагрузочной способности инверторов, в результате которого обосновано применение РФ третьей

. гармоники.

3. Цифровые модели системы инвертор-резонансный фильтр-импульсная нагрузка.

4. Методика оптимизации параметроов РФ по критерию максимума нагрузочной способности инверторов по мощности, результаты оптимизации параметров РФ, предназначенных для промышленно выпускаемых инверторов.

5. Методика получения линеаризированных систем разностных уравнений, описывающих рассматриваемые инверторы, результаты .исследования влияния РФ на динамические характеристики инверторов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно - техническом семинаре кафедры систем автоматического управления СПбГТУ, научно - технических конференциях Псковского филиала СПбГТУ (Псков, 1985, 198?), отраслевой научно -технической конференции МПСС (Ленинград, 1987, 1989), 2-ой научно -технической конференции "Устройства и системы автоматики автономных объектов" (Красноярск, 1990).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий обьем работы Е05 с., основной машинописный текст изложен на 128 с., иллюстрирован 42 рисунками и 37 таблицами, обьем приложений составляет 30 страниц, список литературы Еключает 100 наименований на 11 страницах.

В первой главе произведена уточненная оценка надежности электропитания рассматриваемых средств управления, для чего в отношении каж-' дого вида сетевых возмущений, характеризуемых средней длительностью и средней амплитудой, учтен показатель восприимчивости, связывающий между собой среднюю частоту сбоев в работе средств управления и среднюю частоту следования возмущений. Необходимые при расчетах показателей восприимчивости параметры потребителей: пороговое • время возмущений (при отключениях напряжения, оно равно допустимому времени перерыва в электропитании) и пороговая амплитуда возмущений определены для каждого потребителя исходя -из анализа работы его ИВЭП. Такой подход позволил получить более точную оценку надежности электропитания, чем известный подход, "при котором считают, что сбои в работе любых вычислительных средств наступают при снижении (повышении) напряжения в сети электропитания на 202 и более от его номинального значения при длительности возмущения свыше полупериода питающего напряжения. Произ-

4 1

■yssanrae расчеты показали, что среднее время между сбоями, в зависимости от параметров потребителей, составляет от 4.9ч до 9. 9ч. Требования к надежности электропитания средств управления могут быть весьма различными, но да»? в тех случаях, когда сбои в их работе не ведут к серьезным последствиям, в машиностроении считается, что среда«.о г.ремл между сбоями за счет сетевых возмущений должно составлять ке м>иее, чем 5000 ч. Поэтому применение СБЭ, особенно при длительных технологических циклах, является обязательным.

Из выпускаемых промышленностью АБП наибольшее применение находят агрегаты АБП 24-230-2,5 (на мощность 0.6 кВА) и АБП 60-230-16 (на мощность 3,5 кВА>, предназначенные для построения СЕЭ по "переключательной" структурной схеме со временем переключения с основного .кясашкп на резервный 2^=0.04 с. Расчеты показали, что при иегиачитешю пониженном напряжении основной сети (ка 6Z) допустимое время псрерньч в электропитании рассматриваемых потребителей меньше, чем время переключения АБП. По этой причине предложено, дополнив состав ЛВП управляемым или неуправляемым выпрямителем, строить на их основе ОБЭ по "буерной" или "модифицированной буферной" структурной схеме с нулевым временем пере!слючения. Исследование надежности электропитания от СБЭ, произведенное логико-вероятностным методом "дерева неисправностей", элементарными событиями на входе которого являются потоки отказов основной сети, аккумуляторной батареи и отказы основных элементов АБП (инвертора и выпрямителя), показало, что при соответствующем выборе емкости аккумуляторной батареи и порядке ее обслуживания СБЭ обеспечит заданную надежность электропитания.

Рассматриваемые АБП строятся на основе инверторов HOC 24-230-2,Ь с пилообразным широтно-импульсным модулятором (¡Eftij и ПОС 60-230-16 а вычислителем однобитового условного прогноза (БУШ. В дальнейшем эти инверторы будут называться соответственно инвертор с шкм и инвертор с ВУП. Источники вторичного электропитания рассматриваемых потребителей выполнены по типовой схеме, содержащей однофазный сетевой выпрямитель, к выходу которого подключены фильтровый конденсатор и многоканальи!.;:; импульсный стабилизированный преобразователь (ИСП). Нагрузочная способность инверторов в зачительной мере зависит от удельной емкости фильтрового конденсатора (С^), равной отношению емкости фильтрового конденсатора и мощности МОП. Экспериментальные исследования показали, что мощность, потребляемая МОП, практически не зависит от величины напряжения на его входе и от вида выполняемой средством украмк-нин пр г раммы, поэтому можно считать значение С^ постоянной величиюи. В ра ботах, посвященных проектированию ИВЭП, рекомендуется выбирать значение

С^ равным 1-3 Ыгй/Бт, однако, у многих потребителей значение Суд зна-' чителыю больше. При проведении исследований удобно реальных потребителей заменить эквивалентной нагрузкой (ЭН), представляющей собой мостовой выпрямитель, к выходу которого подключены батарея конденсаторов с переменной емкостью и пе-ременная актиьная нагрузка. При изучении установившихся реаимов ЭН адекватно заменяет реальных'потребителей, если значение удельной емкости С Cjy/Рщ поддерживается все'время равным Суд реального потребителя. В работе основные исследования проведены для ЭН, заменяющей таких широко распространенных потребителей,'• как УЧГО типа "Электроника Ш1 80/31" (Суд^5.5 •мкФ/Вг). ' 1

Временные диаграммы тока и напряжения на выходе инверторов при электропитании ЭН приведены на рис.1. Экспериментальны!.« путем установлено, что мощность ЭН додаю составлять не более; чем 30-40% от - номинальной выходной мощности инвертеров, иначе, в зависимости от типа инвертора, либо амплитуда выходного тока инвертора 1М достигнет значения , при котором срабатывает защита от токовых перегрузок инвертора, либо напряженке на Еыходе ЗН снижется до значения, при котором в ре- ' ашгом ИЕЗП устройство защиты приступило, бы к отключению выходных низ- ' ковольтных канатов. Форма выходного напряжения инверторов близка . к трапецеидальной, а увеличение его коэффициента несинусоидальности является следствием снижения значения напряжения UM, а следовательно й напряжения UJH. Для повышения. нагрузочной способности инверторов применимы кое способы компенсации нелинейных искажений. После проЕеденно- • го анализа все способы разбиты на три группы:

1. Путем совершенствования самих ИВЭП с бестрансформаторным входом. Наилучшими является решения, при которых ток на входе ИВЭП имеет форму близкую к синусоидальной. ' • '

2. За счет введения в состав инверторов накопителей энергии, либо путем улучшения их динамических свойств.

3.3а счет применения дополнительных устройств, подключаемых к выходу инверторов, в частности, применением активных компенсаторов нелинейных искажений или резонансных LC фильтров. Эти способы не требует п'.менений и инверторах и потребителях и для серийно-выпуекаемых изделий наиболее приемлемы. > ' • .

Расчеты надежности показали, что подключение компенсирующего устройства приводит к недопустимому снижению надежности электропитания' от СБЗ, тогда как при подключен!»! одного или двух, резонансных ' фильтров,'. надежность электропитания сохраняется в заданных пределах. Поскольку требование' по надежности является одним'из важнейших, применение РФ является Солее предпочтительным.-- ' .- ; ' •' • . S •' ' ' ' ' ■:■•'.■•'' '/'. .■

период преобр., (/-ЫгЬуКм-доп.к-т

Рис.2. Схема па-'а>че'п:к инвертора с ВУП

Затем лриве-деш результаты экспериментальных исследований, которые позволили выявить характер зависимости эффективности резонансных фильтров от их параметров: добротности (Q), волнового сопротивления (_р), относительной расстройки (J.Л. ймсазано, что наибольший практический интерес представляет РФ, настроенный на 3-ю гармонику тока. Сформированы следующие задачи дальнейших исследований:

1. Оптимизация параметров РФ по критерию максимума нагрузочной способности инверторов с учетом ограничений, соблюдение которых обеспечивает нормальную работоспособность как, самих, инверторов, так и потребителей.

2. Исследование влияния РФ на динамические характеристики инверторов.

Необходимость решения второй задачи обусловлена тем, что подключение РФ, частота настроШм которого близка к собственной частоте силового фильтра инверторов, может ухудшить динамические характеристики инверторов и тем самым значительно сузить круг потребителей, для электропитания которых предназначены инверторы.

Вторая глава посвящена разработке цифровых моделей системы инвертор - резонансный фильтр - импульсная нагрузка.

Инвертор с пилообразным ширртно-имлульсным модулятором или вычислителем одкошагового условного прогноза при подключении к его выходу резонансного фильтра и эквивалентной нагрузки рассматривается как система с переменной структурой и неизвестными заранее моментами переключения из одной структуры в другую. Задача расчета процессов решается методом припасовывания. Параметры установившегося режима определяются через расчет переходного процесса. При составлении схем замещения приняты допущения об идеальности силовых ключей инвертора, силовых ключей выпрямителя, трансформатора и источника постоянного напряжения.

Схема замещения инвертора с вычислителем одношагового условного прогноза представлена на рис. 2. Состояние силовых |слючей инвертора ц выпрямителя учитывается при помощи переключательных функций S и Z. Применение переключательных фушщий позволяет описать процессы системой уравнений с переменными коэффициентами.

X - A(Z,V)X + B(S)U,

где X - вектор переменных состояния, в качестве которых выбранц ток» индуктивностей и напряжения на конденсаторах,

U - вектор входных воздействий,

A(Z,V), B(S) - матрицы коэффициентов, являвшихся функциями от переключательных функций.

V - переключательная Функция, которая введена в алгоритм

расчета для согласования полярности напряжения на выходе инвертора и выходе эквивалентной нагрузки.

Значение переключательной функции 7. определяется по условиям, определяющим состояние неуправляемых вентилей, а переключательной функции 5 - по знаку прогноза рассогласования^(t), основой для вычисления которого являются значения переменных состояния и параметры силового фильтра инвертора. Численное интегрирование диФЬ.'ришиачышх уравнений осуществляется методом Рунге-Кутта 4-го порядка. V: менты но-' менения значений переключательной функции 1 определяются методом простого перебора. Моменты изменения значений переключательной функции 2 определяются также методом простого перебора, но с последующим их уточнением при помощи линейной экстраполяции Функции § ( О внутри шага интегрирования.

Разработан алгоритм расчета, который предусматривает еывод временных диаграмм токов и напряжения силового фильтра инвертора и резонансного Фильтра, расчет действующего (Ц^гп) и амплитудного (1М) значений выходного 'тока инвертора, коэффициента несинусоидальности выходного напряжения инвертора (Кнс), среднего напряжения и мощности на выходе эквивалентной нагрузки (Ц^ и Исходными данными для рас-

чета являются параметры резонансного фильтра ((}, р и коэффициент

К, задающий значения и С^:

- % / К ; Сзн = * К;

где С£- базовые значения, выбираемые таким образом, чтобы обеспечить равенство СудЭН и ^уд реального потребителя. Соображения, по которым выбираются значения Н^ и С^. будут приведены в 3-ей главе. Программа расчета написана на языке Ваз1к и получила название "РРОбШ?.".

Для инвертора с !ШШ также, как и для инвертора с ВУП, составлена схема замещения и система уравнений состояния с переменными коэффициентами. Разработан алгоритм и программа расчета, получившая название "РИОСШ".

Результаты расчета процессов на ЭВМ отличаются от результатов, полученных экспериментально на 8-10% в сторону их завышения. Время расчета установившегося режима на ПЭВМ ДВК-3 или "'¿Х-5рееи ит" составляет около 13 минут.

Третья глава посвящена разработке методики оптимизации параметров РФ,по критерию максимума нагрузочной способности инверторов, основанной на применении программ "РИХЭДСЕ" и "РИООЕ-Й".

Задача оптимизации сформулирована следующим образом: найти оптимальные параметры^ определяющие максимальное значение це-

Э

левой функции Р> т.е. Р^ . при соблюдении ограничений:

"эн -д,(0,р,1К)> щНт1л (1),

ЦшпгъШ.рМ1Н0М : (2),

5« = 4.1пр (3)>

= См/Рэн'* Суд3а9 (4).

в заданном диапазоне изменения параметров:

О теп. ¿С ¿2 4 От/хх. 1пип ¿т^

Значение Ц^^л, принято равным минимально допустимому значению напряжения на выходе сетевого выпрямителя ИВЭП, при котором еще сохраняются регулирующие свойства импульсного стабилизирующего преобразователя* и устройство зашиты приступает к отключению ИВЭП. Действующее и амплитудное значения выходного тока инвертора и не Должкы

превышать значений соответственно номинального выходного тока инвертора и предельного тока при котором срабатывает защита от токовых перегрузок. Удельная емкость фильтрового конденсатора эквивалентной нагрузки СудЭЦ должна .все .время поддерживаться равной удельной емкости фильтрового конденсатора реального потребителя.

Предварительные вычислительные эксперименты показали, что при различных фиксированных сочетаниях параметров резонансного фильтра (£?>/.зависимости Р^=Г(К) и имеют строго возрастающий ха-

рактер, а зависимость ^^(К)- строго убывающий характер. Кроме это-!го, установлено, что из двух ограничений (1) и (3) при увеличении зна-Iчения К для инвертора с ВУП всегда в первую очередь нарушается ограничение (1), а для инвертора с пилообразным ШМ - ограничение (3).

Изложенное выше позволяет ограничение (3) для инвертора с ВУН считать 'несущественным, а ограничение (1) в виде неравенства заменить на ограничение в виде равенства:

(5)

Если при каждом возможном сочетании параметров РФ производит!, расчеты при таком значении К, которое обеспечивает соблюдение равенства (5), то задача упрощается и б^дет сформулирована следующим образом; найти оптимальные параметрыопределяющие максимальное значение Р^^ „¿), при соблюдении ограничения:

1МН, (6) Ограничение (4) будет всегда соблюдаться, если выбрать В5 и Су из условия: ~

Для инвертора с пилообразным ШИМ несущественным считается ограничение (1). а ограничение в виде неравенства заменяется на ограничение В ВИД«' рМ';ен<"П :

\np. (?)

Если при каждом возможном сочетании параметров РФ производить

расчеты при таком значении К, которое обеспечивает соблюдение равенства (7), то задача будет сформулирована следувдим образом: найти оптимальные^ параметры РФ Q,j> определяющие максимальное значение Р^л = f'(Q ._p*.<L), при соблюдении ограничений:

Iдыспг^ Q > ^ 1 нон , 13)

= Оэн' Ън - Су9Э*9. ' * (9)-

2 данном случае значения U^ при различных сочетаниях параметров РФ будут различными. Однако, разброс значений V3H при дальнейших вычислениях таков, что погрешность в определении СудЗн по формуле; СудЗн* %A',%/ Цда/ 116 превышает 6%. Поэтому будем считать, что равенство (4) при соответствующем выборе Rj и Сgсоблюдается приближенно.

Задача расчета установившихся режимов при значениях К, обеспечивающих соблюдение равенства (5) или (7), роняется методом полоешшого деления на основе использования программ "PROGNOZ" и "PIL00BR". При четырех шагах поиска с последующей линейной экстраполяцией результатов, полученных на последнем и предпоследнем шагах, погрешность результатов не превышает 0.5%. Программы • получили название "PROG" и "PIL".

Далее, при помощи метода планирования эксперимента, получены ' аналитические зависимости, описывающее систему в установившемся режиме работы. Для этого параметры Q ,j> ,<jL представлены в нормированном виде. После проведения вычислительных экспериментов по ортогональному центральному композиционному плану определены коэффициенты квадратичных полиномов, аппроксимирующих зависимости РnpSg =f(Q,f,J~) и I деист" = Дисперсия воспроизводимости опытов определена искусствен-

нвм путем, исходя из желаемой точности аппроксимации и заданной доверительной вероятности. После расчета дисперсии коэффициентов полиномов проведена статистическая оценка их значимости. Произведена проверка адекватности полиномов по критерию Фишера относительно значений, по лученных в результате вычислительных экспериментов. По результатам плановых, и дополнительных опытов определен класс точности полиномов, который составил 6Ж. ■ ■ .

При помощи графических построений исследован характер полученных зависимостей. Показано, что зависимость от I^j^npn варьирова-

нии параметров РФ строго возрастающая. Поэтому ограничение (6) или (8) в виде неравенства может быть 'заменено на ограничение в виде равенства. .' . ,. ■

Задача нахождения условных максимумов P^gg решается методом

Лагранжх. Получаемые в процессе решения системы нелинейных алгебраических уравнений решаются численным методом Ньютона-Лейбница при помощи стандартной программы.

Нагрузочную способность инверторов предложено оценивать при помощи коэффициента загрузки по мощности Кр=РПрвг/РН()М , гдеРп.в|МОщность ЭН. при которой либр напряжение 1)Э11 снижается до значения ,

либо амплитудное значение выходного тока инвертора достигает значения 1„р, при которм срабатывает зашита от токовых перегрузок, Рном -номинальная выходная мощность инвартора.

Анализ результатов нахождения условных максимумов Рлрел' при различных добротностях ГФ и последующая их экспериментальная проверка позволили сделать следующие выводы:

1. Нет необходимости увеличивать добротность РФ, • подключаемых к инвертору с ВУП и 'с пилообразным ШИМ соответственно свыше 8 и 14, т. к. это позволяет дополнительно увеличит Кр лишь на 5-7%.

2. Максимальные значения Кр достигаются при относительных расстройках Л , отличных от нуля.

3. Экспериментальным путем установлено, что применение оптмизи-рованных РФ позволяет увеличить Конвертора с пилообразным ШИМ с 36.9% до 48.4% (в 1.31 раза), а инвертора с ВУП с 41.6% до 62.8% (1.51 раза). Расхождения результатов, полученных экспериментальным и расчетным путем не превышают 12% в сторону завышения последних.

В четвертой главе произведено исследование елияния РФ на динамические характеристики инверторов.

Инверторы с широтно-импульсным модулятором и вычислителем одно-шагового условного прогноза по классификации теории автоматического управления относятся к нелинейным дискретным системам. Для исследования динамических характеристик таких систем при малых возмущениях широко используется подход, осноеэнный на линеаризации исходных нелинейных разностных уравнений систем в окрестности точки установившегося режима. После линеаризации анализу подвергаются уже линейные дискретные системы уравнений, в которых неизвестными величинами являются малые отклонения переменных состояния системы от точки установившегося режима. Линеаризация возможна, в принципе, не только в окрестности точки установившегося режима, но .и в любой точке траектории движения системы.

Применительно к инверторам с рассматриваемыми законами модуляции подход, основанный на линеаризации их нелинейных уравнений, разработан в работах известных области преобразовательной техники специалистов Ф. И. Ковалева и Г. V. Мустафы. В работах обоснованы допущения, по которым 12

оценка динамических характеристик может быть произведена на основе линеаризации исходных уравнений не относительно периода выходной частоты инвертора, па котором коэффициент заполнения импульсов является переменной величиной, а относительно пробных статических режимов холостого хода, на каждом из которых коэффициент заполнения неизменен. Лшеари-зированные разностные уравнения получены аналитически для инверторов с непрерывной частью 2-го порядка на основе общей системы уравнений, описывающей малые отклонения замкнутых импульсных систем, приведенной в монографии Розепвассера Е. Е. Общая система уравнений имеет вид:

, 1[ПЧ]-(ПеЛ'*Щ)1[п2=Н1Ш -где

I и - номер и длительность межкоммутациоиного интервала, А -матрица коэффициентов системы уравнений состояния, описывающих инвертор на межкоммутационном интервале, Н.- матрица асачков,. которая позволяет свести изучение от;сдскс;тй к неизменным моментам переключений, ¿Сп-НЗ и 2СпЗ - векторы отклонений в начале ц+1 п п-го тактов.

Непрерывная часть инверторов с РФ описывается уравнениями состояния 4-5-го порядка, поэтому задача получения линеаризированных разностных уравнений с последующим их анализом не может быть решена аналитически. В диссертационной работе эта задача решена при помощи численных методов на ЭВМ. Линеаризация произведена относительно пробных статических режимов холостого хода, на каждом из которых коэффициент заполнения импульсов неизменен, и относительно отдельных участков траекторий движения системы при синусоидальном входном воздействии. Общий алгоритм имеет последовательность:

1. Определение межксммутациопных интервалов и расчет значений переменных состояния системы в моменты коммутаций. При исследовании статических режимов межкоммутационные интервалы задаются, а значения переменных состояния рассчитываются по известным выражениям. При исследовании участков траекторий при синусоидальном входном воздействии интервалы и переменные состояния рассчитываются яри помощи программ "Р1Ь00ВН" и "РЙСШОг".

2. Расчет элементов матричных экспоненциалов методой, основанным на численном интегрировании-дифференциальных уравнений при различных значениях вектора начальных условий.

3. Расчет значений элементов матриц скачков Н;. Исходными данными являются значения переменных состояния в моменты коммутаций и коэффициенты уравнений замыкания. При расчете используются стандартные подпрограммы операций с матрицами.

4. Расчет значений элементов матрицы коэффициентов линеаризован-, ных разностных уравнений Н при помощи стандартных подпрограмм операций

с матрицами.

5. Вычисление коэффициентов характеристического полинома и его корней при помощи соответствующих стандартных подпрограмм.

Результаты расчетов корней характеристических полиномов линеаризованных разностных уравнений инверторов без РФ и с РФ показали, что во втором случае появляется пара комплексно-сопряженных корней, действительная и мнимая йасть которых зависит от параметров РФ. Поскольку, модули этих корней не превышают единицы, их появление не приводит к нарушению условной устойчивости в "малом". Тем не менее, в некоторых случаях именно они определяют норму матрицы Н, что свидетельствует об ухудшении динамических характеристик.

С практической точки зрения большое значение имеет оценка влияния *РФ на динамические характеристики инверторов при больших возмуще-ниях. Такая оценка получена путем цифрового. моделирования переходных процессов (при 1002 скачкообразных изменениях тока нагрузки и запуске в работу) при помощи программ "Р1Ь00ВН" и "РЕШШг". Анализ временных диаграмм процессов показал, что подключение РФ не приводит к заметному изменению динамических характеристик инверторов при больших возмущениях. „

В приложениии приведены блок-схемы и тексты используемых программ, параметры схем замещения, акт внедрения результатов работы.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Оценка надежности электропитания показала, что среднее время между сбоями рассматриваемых средств управления за счет сетевых возмущений составляет не более чем 9.9 ч. Очевидно, при длительных техноло-гичнских процессах эффективность использования средств управления окажется низкой и применение СЕЭ является обязательным.

2. Показано, что время переключения промышленно-выпускаемых АБП с осноеной сети на резервную в некоторых случаях превышает допустимое время перерыва в электропитании рассматриваемых средств управления. По этой причине предложено изменить состав оборудования АБП и использовать ' их для построения СЕЭ по "буферной" структурной схеме с нулевым временем переключения. Анализ надежности СБЭ показал, что среднее время между возмущениями напряжения на выходе СБЭ, способными вызвать сбои в работе потребителей, составляет не менее чем 5000 ч, что соответствует принятой в машиностроении надежности электропитания средств управления.

3. Произведен анализ способов повышения нагрузочной способности инверторов по мощности при электропитании средств управления. Выделены 14

способы, не требующие вмешательства в конструкции инверторов, и потребителей, произведена оценка их влияния на надежность СБЭ в целом. Обосношю применение РФ третьей гастюникй.

4. Разработаны цифровые модели инверторов с иидсоСрг-оиУМ здхлко . -импульсным модулятором и вычислителем одно;::-:,толсто умклшого огяоо*.

при подключении к их выходу Р-Е> и импульсной нагрузки.

5. Предложена методика оптимизации ларам'л-рол К по к; :r--p;ia максимума нагрузочной способности инверторы, йроко^'-^а ,-i параметров РФ. предназначенных для пцмяж'лпю miyeKj-г.чх ¡н:1е;:гор;г.

ь. Результаты экспериментальные илслоладении лолаоали. не.:; ;:,'и-менение РФ третьей гармоники с параметрами. рассчитанными по разработанной методике, позволяют на 30-f С"' лоалоиел i; л^уеолнул ела а е; СЬЭ при электропитании рассматриваема средств управление. глехеед'а. а между результатами, получеышми расчетным и экспериментальным путем, не пр?впск.та г?.% в-сторону завышения n«pjiux.

7. Исследовано влияние РФ на днндмлчеслпе хпрг^егксти^ч имр*,,>-торов. Предложена методика получения линеаризованных разностнгх уравнений, описывающих процессы в инверторах при малых возмущениях. Методика основана на применении численных методов и не имеет ограничения на порядок исследуемой системы. Расчеты показали, что подключение РФ приводит к ухудшению динамических характеристик инверторов при малых возмущениях, но не приводит к нарушению условий устойчивости в "малом". Цифровое моделирование процессов при больших возмущающих воздействиях показало, что в этом случае подключение РФ не приводит к заметному изменению динамических характеристик инверторов. Зло оыьлчалч что АБП могут выпускаться с предлагаем»« И*.

Основные результаты работы отражены в сяедуздюс пу'Злиее p;i:.r<:

1. Повышение нагрузочной спосоонссти инверторов далрллонил л.;:; электропитании управляющих ЭВМ / С. А. Ковчин. А. Н. Крпереа, Лавров, A.B. Матвеев // Устройства и системы иъ?сют»:13( аллонлл'ле; объектов: Тез. докл. 2-ой науч. -техн. кснф. - Красноярск. ллРо. - л. 140.

2. Ковчин С. А. , Лавров A.A. Цифровые системы электропривода с улучшенным качеством обработки информации // Проблемы управления примышленными электромеханическими citcretsm (Всесогз. науч. - техн. совет. , Ульяновск, сентябрь, 1969г.): Те.?, докл. - Л., iö*S. - и.

3. Ковчин O.A., Лавров A.A. Исследование инвертера с троо'но -:;!;-пульсной модуляцией при электропитании управляющих ЭВМ //Энергетика, Известия вузов. -1990, -N5, -С. 56-60.

4. Кривцов А. Е , Лавров А. А., Матвеев А. В. Оценка влияния откосов .

промышленных сетей на на работоспособность ГПС //Системы автоматического управления /Научно-методический сборник ЛПИ. -Л, 1990, -С. 98-101.

5. Ковчин С. Н., Лавров А. А., Яо Цюнхой. Исследование систем с ши-ротно-импульсной модуляцией // Алгоритмическое, программное и техническое обеспечение гибких производственных счистем: Межвуз, сб. / Под ред. проф. Л, R Рассудова, проф. Б. Я. С-оветоьа. - СПб.: Из-во С. Петербургского ун-та, 1992, -С. 34-42.

6. Григорьев О. И., Кривцов А. Е . Кадочников А. А. , Лавров А. А. Оценка динамических показателей автономных инверторов напряжения систем гарантированного электропитания //Проблемы ресурсосберегающих технологий и производства: Тез. докл. научн.-техн. конф. - Псков, 1985, -С. 21-27.

1 7. Григорьев О. И., Лавров А. А. Анализ динамических характеристик инвертора напряжения с широтно-имульсной модуляцией //Вклад специалистов в ускорение научно-технического прогресса: Тез. докл. науч. -техн. конф. - Псков, 1987, -С. 154-156.

8. Кондратов С. Б, Лавров А. А., Крутиков Е. Н. Улучшение формы выходного напряжения инвертора при электропитании управляющих ЭВМ //Интегральные оптические сети связи: Тез. докл. научн. -техн. конф. - Л., 1989, -С. 66-67.

9. Кондратов С. Б., Горинцев С. И. , Лавров А. А., Целиков М. Д. Моделирование стабилизированного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией второго рода //V Межотраслевая научно-техническая конференция по средствам вторично электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Тезисы докладов.- Л., 1987, -С. 269- 271.

10. А. С. 1610574 СССР, МКИ Н 02М 7/539. Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное напряжение /А. А. Лавров, Е Д. Моторыгин; Ленингр. политехи, ин-т.

Подписано к печати 2.0Z.34. ' Тираж 100 экз.

Заказ 3 9.

Отпечатано на ротапринте СГОГТУ. 195251, Санкт-Петербупг, ' Политехническая ул., 29.