автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Прецизионные стабилизированные преобразователя для сверхприводящих нагрузок

На правах рукописи

Тановицкий Юрий Николаевич

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ

НАГРУЗОК

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Томск - 1997

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель Соруководитель

д.т.н., проф. Кобзеи Анатолий Васильевич к.т.н. Зсман Святослав Константинович

Официальные оппоненты д.т.н., проф. Багинский Борис Антонович

к.ф.-м.н., ст.н.с. Хузеев Александр Павлович

Защита состоится 30-го декабря 1997 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета К063.05.01 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу 634050, г. Томск-50, пр. Ленина 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Автореферат разослан " " ноября 1997 г.

Ведущая организация

Государственное научно-производственное предприятие "Полюс" г. Томск

диссертационного совета д.т.н., проф.

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Данная работа выполнена в продолжение исследований, проводимых сотрудниками учебно-научно-производственного комплекса (УНПК) Промышленная электроника при ТУСУР-е, направленных на повышение качественных характеристик систем преобразовательной техники. Созданные в УНПК низковольтные сильноточные прецизионные стабилизаторы нашли применение: для формирования совместно со сверхпроводящими магнитными системами высокостабильных магнитных полей для ядерного магнитно-резонансного томографа; для энергообеспечения систем управления током в сверхпроводниковых обмотках возбуждения мощных электрических машин; в испытательных стендах для экспериментального исследования образцов низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников, регистрации их переходных характеристик; в системе компенсации маг нитного поля кораблей и т.д. Диапазон выходных рабочих токов подобных стабилизаторов от сотен ампер до десятков килоампер сочетается с относительно низкими выходными напряжениями от единиц до десятков вольт. Другая особенность - повышенные требования к точности стабилизируемого тока (порядка 10'3-10"5 от тока нагрузки). Для получения высоких значений КПД стабилизаторы, как правило, строятся по схеме: сетевой выпрямитель - ключевой преобразователь о широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) - трансформаторно-выпрямительное устройство (ТВУ) -выходной фильтр. Требуемая точность достигается модернизацией изложенной схемы: сетевой выпрямитель делается управляемым; вместо обычной ШИМ применяется ее разновидность - многозонная широтно-импульсной модуляция, при этом соответственно изменяется структура ключевого преобразователя и ТВУ; вместо пассивного выходного фильтра для снижения массогабаритных показателей и уменьшения пульсаций стабилизируемой величины применяется комбинация из пассивного и активного фильтров; используются многоконтурные системы управления и т.д.

Эти и другие технические решения известны давно. Гораздо сложнее обстоит дело с их анализом, который приводит к необходимости исследования систем нелинейных дифференциальных уравнений. Несмотря на огромное количество различных математических методов анализа таких систем, большинство их позволяет лишь удостовериться в том, что исследуемая модель преобразователя действительно обладает (или нет) требуемым установившимся состоянием периодического типа и это состояние локально устойчиво (или нет). Причем получение ответов даже на эти вопросы обычно сопряжено с огромными трудностями. Разработчикам же этих сведений недостаточно. Специфика нелинейных систем требует ответов на гораздо более сложные вопросы. Так известно, что при плавном изменении какого-либо параметра динамической системы рано или поздно происходит качественное изменение ее свойств, которое проявляет себя как возникновение или исчезновение какого-либо из устойчивых

состояний. Известно также, что такие изменения могут проходить по двум возможным сценариям - мягкому и жесткому. В нервом случае при достижении изменяющимся параметром некоторого критического значения основной режим теряет устойчивость и на смену ему приходит другой, который однако по началу сколь угодно мало отличается от предыдущего. При дальнейшем изменении параметра качественные различия становятся все более заметными. То есть переход от одного состояния к другому, при мягком сценарии, происходи! плавно и постепенно. Мягкое появление нежелательного режима может служить сигналом о необходимости ремонта или замены системы - в нашем случае, преобразователя. При жестком сценарии патологический режим появляется тогда, когда основной режим еще не потерял устойчивость - возникает неединствешюсть стационарных движений. Едва зародившийся патологический режим, имеет малую область протяжения и может сколь угодно долго себя никак не проявлять. По мере дальнейшего изменения параметра патологический режим развивается - его область притяжения увеличивается. В конце концов, он появляется. Но в отличие от мягкого случая появляется, как правило, в виде неприятного сюрприза. Иногда при агом возникают переходы между основным и патологическим состояниями - имеет место перемежаемость, являющаяся следствием действия возмущений на систему с несколькими (больше одной) областями притяжения. Иногда о существовании жесткого режима мы узнаем слишком поздно. С его появлением объект разрушается, порою, также вызывая разрушение и той системы, частью которой он являлся. Если после выхода на патологический режим преобразователь и не разрушается, то происходит резкое падение всех качественных характеристик. Попытка все-таки обосновать, что при всех значениях параметров, которые могут реализоваться в процессе эксплуатации, подобная смена динамики невозможна, приводит к усложнению задачи еще на порядки. Еще более сложной является задача выработки как частных, т.е. ориентированных на ограниченный круг объектов, так и общих формальных подходов, которые бы позволили получать динамические объекты с требуемыми свойствами - то есть проблема качественного проектирования, актуальность которой несомненна.

Цель работы: повышение качественных показателей и создание методики проектирования прецизионных систем электропитания для сверхпроводящих нагрузок на основе преобразователей с широтно-импульсной модуляцией.

Для се достижения были проведены исследования трансформаторно-выпрямительных устройств и замкнутых импульсных систем с ШИМ -стабилизаторов напряжения и двухконтурного стабилизатора тока.

Методы исследования. Исследования технических решений проводились посредством их математического моделирования. Большинство исследованных моделей описываются системами нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Для их анализа использован соответствующий математический аппарат: численные и численно-аналитические методы интегрирования ОДУ,

методы поиска решений трансцендентных нелинейных уравнений, методы оптимизации. Численные расчеты выполнялись на ЭВМ.

Научная попита состоит в установлении ряда новых качественных фактов в отношении динамики неуправляемых трансформаторно-выпрямительных устройств и стабилизаторов с ШИМ, среди них: О возможность потери устойчивости периодических движений в одноканальном выпрямителе и возникновения в нем «нежелательных» режимов в том числе по жесткому сценарию; ■ возможность возникновения неединственности устойчивых периодических движений в стабилизаторе напряжения с ШИМ при вариации внешних параметров;

О для стабилизаторов с ШИМ было показано, что путем введения управления с учетом всех переменшлх состояния и подбора коэффициентов обратных связен, можно расширить области в пространстве параметров, где основной периодический режим существует и является единственным. Также было значительно дополнено и углубленно понятие нормальных структур динамических объектов В введено разделение параметров на внутренние и внешние; И внутренние параметры, согласно новой формулировке, определяются в

результате оптимизации; Н использован новый подход к классификации реализующихся стационарных состояний;

что позволило связать понятие нормальных структур динамических объектов с понятием качество динамического объекта.

Практическая ценность. Полученные в ходе исследований результаты -качественные факты, конкретные рекомендации и новый вариант понятия нормальных структур - позволяют более направленно, более формально подходить к формированию адекватных'математических моделей динамических объектов прежде всего стабилизированных преобразователей и извлечению содержательной информации об их динамике, что способствует повышению качества проектирования.

Внедрение результатов исследований. Полученная информация внедрена в НИИ Автоматики и электромеханики при ТУСУР и используется в части выводов и рекомендаций при проектировании трансформаторно-выпрямительных устройств; при расчетах коэффициентов обратных связей систем управления преобразователями с ШИМ; при построении двухкошурных систем электропитания.

С использованием новой информации был модернизирован мощный низковольтный стабилизатор тока типа СТСН, эксплуатируемый в Российском научном центре «Курчатовский институт» г. Москва. В частности были заменены

трансформаторно-выпрямительные модули и введен дополнительный - второй контур стабилизации, что позволило существенно повысить КПД и точность.

Новые факты в отношении динамики стабилизаторов с ШИМ уже несколько лет используются также при чтении курсов «Системы автоматизированного проектирования электронных схем» и «Импульсно-модуляционные системы» для студентов специальности «Промышленная электроника».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на V Всероссийской Н.Т.К. "Пути улучшения энергетических и массогабаритных показателей полупроводниковых преобразователей электрической энергии", Челябинск 1993 г.; на межвузовской Н.Т.К. «Динамика нелинейных дискретных электронных и электротехнических систем», Чебоксары 1995 г.; на 10-м межотраслевом совещании «Проблемы и перспективы развития Томского нефтехимического комбината» в г. Томске в 1996 г; на второй региональной научно-технической конференции студентов и молодых специалистов, посвященной 35-летию ТУСУР и 50-летию радиотехнического образования в азиатской части СНГ "Радиотехнические и информационные системы и устройства" в г. Томске в мае 1997 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано три статьи в научно-технических изданиях и тезисы к четырем докладам. Одна работа находятся в печати.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения трех глав, заключения и приложения. Текст работы, включая 55 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 53 наименований и приложение, содержит 95 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы и очерчен круг проблем, которые рассматриваются в диссертации.

Первая содержательная глава называется «Динамика трансформаторно-выпрямительных устройств (ТВУ)». Анализируемые ТВУ состоят из трансформаторов, неуправляемых выпрямителей, фильтрующих дросселей, емкостей и представляют собой пассивные, то есть не содержащие органов регулирования и обратных связей, нелинейные цепи. На определенном этапе проектирования такие устройства целесообразно рассматривать отдельно от остальных подсистем преобразователя. Для получения низкого выходного напряжения, характерного для сверхпроводниковых нагрузок, и уменьшения индуктивностей рассеяния удобно использовать структуру ТВУ, изображенную на рис. 1, где согласующий трансформатор, разбит на несколько пропорционально меньшей мощности с последующим соединением первичных обмоток последовательно, а вторичных через выпрямители - параллельно. Переход к такой

многоканальной структуре ТВУ позволяет: значительно уменьшить индуктивности рассеяния; уменьшить длительность коммутационных пауз выпрямителей, а соответственно и установленную мощность преобразователя в целом; обеспечить эффективное деление токов в параллельных цепях выходного выпрямителя. Однако, как показал практический опыт создания подобных устройств, при отладке и эксплуатации иногда возникают специфичные проблемы, которые выражаются в нарушении коммутационных процессов и "расползании" выходных токов отдельных выпрямительных каналов. Перед автором была поставлена задача исследования причин возникновения этих не гати иных явлений.

Естественное объяснение различия токов каналов - неидентичность их внутренних параметров. Проверка этого утверждения на математической модели двухканалыюго трансформаторно-выпрямительного устройства и стала началом работы. Математическая модель ТВУ на первом этапе включала линейные /?/,С компоненты и идеальные диоды. Сопротивление диодов равно нулю, когда они открыты, при этом прямой ток диода должен быть больше нуля, и бесконечности, когда закрыты, при этом прямое напряжение должно быть отрицательным.

ТВУ

выпрямительного устройства.

Модель представляла собой систему дифференциальных уравнений с кусочно-постоянными матрицами в правой части, т.е. линейную на интервалах, где нет коммутаций диодов -

а

Индекс 5 при векторе переменных состояния X, квадратной матрице А и векторе В означает, что модель соответствует 4-му состоянию диодов. Особенность модели -переменный порядок уравнений (он зависит от состояний диодов и изменяется от 5-ти до 9-ти) и наличие индуктивных узлов. Для такой модели был создал оригинальный алгоритм быстрого поиска стационарных режимов. В ходе численных экспериментов было проанализировано влияние неидентичности параметров отдельных каналов, а также входных и выходных параметров на относительный разбаланс токов каналов -

Д/=|?-?|/((^ + ?)/2)

где , 12 - средние за период значения токов каналов; и на длительность коммутационных пауз. Были выработаны рекомендации по уменьшению разбаланса и сокращению длительности коммутационных пауз. В целом полученные результаты оказались удовлетворительными - в ходе численных экспериментов при реальных значениях параметров разбаланс токов каналов не превысил долей - единиц процентов, что однако не совсем согласовывалось с данными, полученными опытным путем.

На втором этапе было проверено предположение, что проблемы, наблюдаемые в реальных ТВУ, являются следствием их сложной динамики -бифуркаций, неединственности периодических режимов, хаотических движений. Известно, что такие явления возможны в цепях с нелинейными индуктивностями и линейными емкостями. Сначала был рассмотрен последовательный НЬС контур с нелинейной индуктивностью, подключенный к источнику напряжения имеющего форму - меандр и амплитуду Ет. Анализ его динамики был сведен к анализу двумерного отображения Хк+]=Р(Хк),к = 1,2,3,..., где Х - вектор переменных состояния. Один из результатов исследования картина ветвлений - рис. 2. Варьируемый параметр, откладывавшийся по оси абсцисс, -Ет. Параметр т, откладывавшийся по оси ординат, характеризует период реализующихся периодических движений

■Хк+т =Хк;

Горизонтальная линия на картине ветвления обозначает область существования периодического движения. Вертикальная линия, соединяющая два движения с разным периодом, обозначает непрерывный переход (мягкую прямую или обратную бифуркацию) из одного движения в другое, случающийся при

т

А

32— 16— 8 —

4 —

2 — 1

О 3 Й Ь Й Уя Е„

Рисунок 2. Картина ветвлений Ш^С- контура.

изменении Ет. Каскад бифуркаций удвоения периода образует ветвь, отсюда и название. Различные стационарные движения имеют разное значение т. Исключение составляют два 1-цикла - периодических движения с т= 1. Эти движения имеют одинаковый период, но разные области притяжения и на рис. 2 специально немного раздвинуты по вертикали. Анализ динамики ЬС контура позволил проработать методологию исследований подобных цепей - найти подходы к поиску различных стационарных режимов, к их классификации, а также методику определения границ существования режимов по параметрам.

После систематизации полученных результатов было исследовано одноканальное ТВУ (см. рис. 3). На схеме замещения помимо диодов нелинейным является также трансформатор, состоящий из идеального трансформатора ТУ и нелинейной индуктивности которая обусловлена основным магнитным

потоком. Зависимость индукции В от напряженности магнитного поля Н в сердечнике ¿ц аппроксимирована с помощью - арктангенса

В = х-агацуу ■ //),

гДе У. X " коэффициенты аппроксимации. Остальные элементы, изображенные на схеме замещения, линейные. Источник напряжения Е(1) имеет форму меандра без постоянной составляющей и период - а. Было установлено, что основное стационарное состояние с ростом амплитуды Е(1) теряет устойчивость. На смену ему приходит другой нежелательный устойчивый периодический режим,

Ь-3 мкГн

Ь 1=6мкГи 1( ¡ '0,02 Ом 1л ¡1 __ |

щ

ФЕт=15 В; у=16 кГц

11=0,04 Ом /

Рисунок 3. Схема замещения выпрямительного канала преобразователя.

б)

Рисунок 4. Динамика некоторых переменных состояния одиокалальиого ТВУ в основном (а) и нежелательном (б) периодических режимах при одинаковом

наборе параметров.

Рисунок 5. Смена стационарных состояний в одноканальном ТВУ, вызванная коротким импульсом входного напряжения.

возникающий по мягкому или жесткому сценарию, в зависимости от параметров. На рис. 4 приведены некоторые переменные двух типов периодических движений, существующих при одном и том же наборе параметров, - основного (рис. 4 а) и нежелательного (рис. 4 б). Вследствие действия помех могут возникать переходы между ними. На рисунке 5 показана динамика входного тока 4 в процессе такого перехода. До момента времени /] реализуется основной стационарный режим. В момент /] вводится помеха - короткий всплеск входного напряжения. Как видно из рисунка, помеха влечет переходный процесс, оканчивающийся с установлением нежелательного стационарного состояния. Амплитуда входного тока в новом режиме превышает амплитуду в основном режиме более чем в четыре раза. Поскольку источником напряжения в реальном устройстве является инвертор на полупроводниковых приборах, которые чувствительны к токовым перегрузкам, выход на это состояние может повлечь катастрофу - внезапный выход из строя. Для схемы выпрямителя, изображенной на рис. 3, были построены области существования обоих режимов в пространстве параметров и рассмотрены возможные сценарии смены динамики.

Во второй содержательной главе исследованы стабилизаторы напряжения с ШИМ. В начале главы приведен обзор математических моделей и методов анализа подобных стабилизаторов; рассмотрено состояние исследований в этой сфере на кафедре Промышленной электроники ТУСУРа к моменту, когда к ним

К

а

ь

Рисунок 6. Схема замещении стабилизатора напряжения. На рисунке обозначено: К3 - пропорциональное корректирующее звеио\,Цт1, / - датчики тока; Д„ - датчик напряжения; К - ключ.

т

16

50 70 90 ат 110 130 150

Рисунок 7. Картина ветвлений стабилизатора напряжения.

а

подключился автор; сформулированы цели. В ходе проведенных на кафедре исследований для стабилизатора, см. рис. б, была построена картина ветвлений -рис. 7. Схема замещения содержит источник постоянного напряжения Ео', работающий на переключение идеальный ключ К\ широтно-импульсный формирователь второго рода; фильтр, состоящий из элементов R,L,C\ нагрузку R„. Напряжение ошибки (/„,„, подаваемое на вход пропорционального корректирующего звена К3, формировалось согласно выражению

где Uy - управляющее напряжение; ß - коэффициент передачи датчика напряжения. Варьируемым параметром был а - коэффициент передачи пропорционального корректирующего звена. Как видно из рисунка 7, основное периодическое движение с т= 1 существует по а вплоть до сг- 86,6. Однако при 52,7<а<70 наряду с ним существует множество других устойчивых стационарных движений с т>2, то есть имеет место их неединственность. Если значение а окажется в этом диапазоне, то случайные возмущения на входе или выходе могут привести к смене стационарного режима. При выходе на режимы с т>2 показатели качества резко падают. Например, коэффициент пульсаций возрастает в б раз и более. Анализ картины ветвлений позволил объяснить, причины появления хаотических движений в стабилизаторе (см. статью: Баушев B.C., Жусубалиев Ж.Т. О недетерминированных режимах функционирования стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Электричество № 8, 92). Последние возникают из за существования множества устойчивых стационарных состояний и сужения радиуса области притяжения стационарных состояний до величины меньшей величины случайных помех. Анализ картины ветвлений привел таюке к необходимости по-новому взглянуть на проблему определения «хороших» в определенном смысле динамических объектов. В результате появились понятия нормальных и аномальных структур динамических объектов. В нормальных структурах в отличие от аномальных, невозможно пересечение областей существования основной и какой-либо другой ветвей, а следовательно, невозможны внезапные переходы между основным и какими либо другими режимами в процессе эксплуатации и невозможны катастрофы.

Дальнейшие исследования динамики стабилизатора проходили с участием автора. Основная преследуемая цель заключалась в поиске приемов и методов, улучшающих динамику, представленную картиной ветвлений, с позиции проектирования. В результате проделанной в этом направлении работы удалось: углубить понятие нормальных структур, ввести понятие нормализация структуры динамического объекта и показать, как можно нормализовать структуру импульсного стабилизатора, изображенного на рисунке 6. Эти результаты были получены совместно с Баушевым B.C., и Кобзевым A.B.

Выяснение, является ли структура динамического объекта нормальной, предполагает следующую последовательность действий

• Множество всех параметров объекта Пвп - мерном евклидовом пространстве, делится на множества внутренних П/„, и внешних ПЦД/ параметров. Отличие внутренних от внешних заключается в диапазоне их вариации в процессе эксплуатации. Внешние параметры могут изменяться в более широких пределах, чем внутренние. В идеальном случае внутренние параметры не меняются. Пусть P=(pi,p2, --,p,J - точка пространства Г1 (Р е П). Тогда

Piiit _ / „int int 'mt \ ^. rl !)/ .,i'-'i ext „ext \ _ T-f

= (p 1 ,Pi >•■•./'„, ) еП,„,, P =(/?, ,p2 ,..,Д,г)еП0,, и, + n2 =n,P = (Pktt ,Pm)

• Выбирается базовая точка в пространстве внешних параметров е Определение базовых параметров происходит согласно техническому заданию.

• Исходя из технического задания определяется целевая функция W(P'"', Pj?' ), и

проводится оптимизация, которая предполагает поиск У^"'/ е II „„,

доставляющей глобальный минимум IV. Пусть Рирг(¡'ор,. I'it' )■> а вектор

ХС(Ц\Р.) - стационарное движение соответствующее глобальному минимуму IV. После определения внутренних параметров объекта (Р=Рор1) в отношении его динамики предполагается следующее. Пусть П^ с Пед[ - односвязные множества

параметров, к = 0,М, где M может быть конечным или бесконечным, обладающие следующими свойствами

1. Для любых Рех1 е ГЦ существует стационарное движение Хс(1,(Р™, J**'))

непрерывное по параметрам в П*; разным движениям при фиксированных Р*'соответствуют разные Пк.

2. Р"' е П0. Множество П0 назовем основным.

3. Для любых Р1" е любая точка в пространстве (X,t) либо принадлежит области притяжения некоторого стационарного движения Xc(t,(

либо лежит на траектории неустойчивого стационарного движения. • Структура динамического объекта нормальна, если

п0П

( А/ Л

Un*

-о (1)

4=1

Если (1) не выполнено, то структура аномальна. Структура абсолютно нормальна, если Л/- -0.

Пусть П„¡„у - та часть П0, где существует единственное движение, т.е.

п0 = п_ип0/п_)

Для нормальных структур Пот„у совпадает с ГТ0. Пусть Пс„„„ - непустое множество. Под радиусом области конвергентиости гсот будем понимать минимальное расстояние от базовой точки Р^' до границы П „,,„,. Пусть в рамках одного технического задания, то есть фиксации 1Р^1, 1У(Р'"1, Р^") реализуются различные структуры 5;, Б2,.... Процесс построения последовательности структур 5/, ¿2, ... с нарастающими радиусами областей конвергентиости гсот! < гсоп„2 < ■■■ назван процессом нормализации структуры.

Понятия нормальных и аномальных структур были введены безотносительно конкретного объекта и могут использоваться при анализе динамических объектов и систем самой различной природы.

Далее новые понятия используются при анализе импульсного стабилизатора напряжение (рис. 6). Рассматривались два структурных решения, различающихся схемой управления: 5/ - когда обратная связь введена только по выходному напряжению; и Б2 - обратная связь введена по выходному напряжению и току емкости. В последнем случае напряжение ошибки определялось согласно выражению

иош = и, - - А 'с; »'с ='/. - ис I К. где /с - ток емкости, а р2 - коэффициент передачи датчика тока емкости. То есть в случае Я2 имеет место управление с учетом всех переменных состояния. Для обеих структур после проведенной оптимизации в пространстве внешних параметров (¿о, были построены множества ГЦ (см. рис. 8 а, б, в). Множество По на рисунках занимает все пространство, которое ограниченно пунктирными линиями и осями, и ни как не выделено. Множества П* с к>1 выделены темным цветом. Как видно из рисунка 8 а, где показано пространство внешних параметров

для структуры базовая точка пространства внешних параметров Р"' е ПС0((1,, т.е. основной режим устойчив в целом, но радиус области конвергентиости настолько мал, что далее небольшие вариации внешних параметров могут привести к смене характера движения при наличии помех. На рис. 8 б показано пространство внешних параметров для структуры при внутренних параметрах приближающихся к оптимальным. Как видно из рисунка области Г1;. с к>1 сдвигаются вверх и вправо, а радиус конвергентиости увеличивается. Рис. 8 в соответствует структуре с оптимальными параметрами. Области П* с в этом случае отсутствуют, и структура Б2 абсолютно нормальна.

В третей главе рассмотрен вариант двухконтурного стабилизатора тока (см. рис. 9). Устройство состоит из мощного импульсного преобразователя 1, на выходе которого всегда присутствуют пульсации, представленные на рисунке генератором ер. И маломощного неинерционного линейного усилителя 2, который предназначен как для устранения пульсаций мощного преобразователя, так и для повышения точности и скорости устранения локальных отклонений стабилизируемой величины - выходного тока. Стабилизатор содержит также два

Я«, t

Ом

125-ï=

100--

75-

я,. *

Ол/

75--

й». ф Ом

125-

100--

75-

•"Vv?.::

Р"

1000

1 150

1300

б)

р «•>' ' я

1000

1150

Ев.В

„) 1300 Е0,В

Рисунок 8. Пространство внешних параметров стабилизатора.

датчика тока и два трехвходовых весовых сумматора в системе управления. Создана и исследована динамическая модель такого стабилизатора. Показано, что при определешнлх значениях параметров здесь также имеет место неединственность основного и других периодических движений. Показано, что можно, как и в случае стабилизаторов напряжения, избавиться от областей с неединственностью путем введения управления с учетом всех переменных состояния.

Рисунок 9. Структура двухкон гурного стабилизатора тока. На рисунке обозначено: р, 9 - коэффициенты суммирования сумматоров XV Дти Дт2 - датчики тока; 1 - мощный инерционный импульсный усилитель, у которого К=К(со) - коэффициент передачи, ер - напряжение пульсаций, /?, - выходное сопротивление; 2 - маломощный линейный усилитель, у которого к -коэффициент передачи, г, - выходное сопротивление.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана возможность потери локальной устойчивости стационарных состояний и возможность появления жестких «нежелательных» режимов в неуправляемых трансформаторно-выпрямительных устройствах. Обоснована необходимость анализа их нелокальной динамики при проектировании.

2. Уточнено и дополнено понятие нормальных структур динамических объектов. Введено понятие - нормализация структуры динамического объекта. Показано, что проектирование качественных динамических объектов связано с построением нормальных структур.

3. Показано, что можно нормализовать структуру импульсных стабилизаторов с ШИМ путем введения управления по всем переменным состояния.

Содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Баушев В. С., Земан С.К., Кобзев А. В., Тановицкий Ю. Н. Двухконтурныс прецизионные стабилизаторы тока для сверхпроводящих нагрузок. - Проблемы и перспективы развития Томского нефтехимического комбината. - Тезисы докл. 10-го межотраслевого совещания. Томск, 1996, с. 22.

2. Баушев В. С., Земан С.К., Тановицкий Ю. Н. Вопросы проектирования трансформаторно-выпрямительных узлов модульного исполнения для мощных стабилизаторов тока с низковольтным выходом. - V Всероссийская научно-техническая конференция "Пути улучшения энергетических н массогабаритных показателей полупроводниковых преобразователей электрической энергии". -Тезисы докл. Челябинск: ЧГТУ, 1993, с. 29-31.

3. Земан С. К., Тановицкий 10. Н. Процессы и характеристики трансформаторно-выпрямительных устройств. - В Сб. статей: Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов /Под ред. Ю. А. Шурыгина Томск: изд-во Том. ун-та, 1995, с. 100 - 120.

4. Тановицкий 10. Н. Влияние сопротивления нагрузки и напряжения питания на динамические характеристики стабилизатора с широтно-нмпульсным (ШИМ) регулированием. - Динамика нелинейных дискретных электротехнических систем. - Тезисы докладов межвузовской науч.-тсх. конф. Чебоксары: изд-во Чувашского ун-та, 1995, с. 34.

5. Тановицкий Ю. Н., Земан С. К. Проблемы проектирования трансформаторно-выпрямительных узлов систем электропитания. - Технические информационные системы и устройства - Тез. докл. нуч.-метод. конф. Томск, 20-22 мая 1997 г - Томск: Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники 1997, с. 160-162.

6. Тановицкий Ю.Н., Земан С.К. Двухконтурный стабилизатор тока. - В сб. статей: Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов /Под ред. Ю. А. Шурыгина Томск: изд-во Том. ун-та, 1997, с. 82-89.

7. Баушев В. С., Кобзев А. В., Тановицкий Ю. П. Нормальные структуры динамических объектов и проблема качества. - В сб. статей: Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов /Под ред. Ю. А. Шурыгина Томск: изд-во Том. ун-та, 1997, с. 146-152.

Заказ 101. Тираж 50. Отпечатано в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники