автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка и исследование моделей и алгоритмов для систем автоматизированного проектирования модульных преобразователей электроэнергии

Северо-Кавказский Ордена Дружбы Народов государственный технологический университет

ТАЙСАЕВ Игорь Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность 05.13.12. - "Системы автоматизации проектирования (промышленность)"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Дедегкаев Альберт Гагеевич;

доктор технических наук, профессор Хадонов Зураб Мусаевич.

Владикавказ 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Список сокращений. 4

Введение. 5

Глава 1. Анализ существующих систем синтеза и постановка задачи проектирования. 10

1.1. Современные направления развития силовых преобразователей электрической энергии. 10

1.2. Анализ современных преобразователей с модульной структурой. 18

1.3. Структура САПР электротехнических систем.

23

1.4. Этапы автоматизированного проектирования преобразователей с модульной структурой. 27

1.5. Математические методы исследований электромагнитных процессов в силовых преобразователях. 33

1.6. Выводы. 41

Глава 2. Разработка и исследование комбинаторно-

топологического метода структурного синтеза. 43

2.1. Разработка и исследование модели модуля преобразователя. 43

2.2. Анализ свойств графовой модели модульного преобразователя для решения задачи структурного синтеза.

2.4. Разработка алгоритма структурного синтеза модульного преобразователя.

52

2.3. Постановка задачи синтеза. 65

70

2.5. Выводы. 79

Глава 3. Разработка способа выбора оптимальной структуры мо-

дульно преобразователя. 81

3.1. Формулировка последовательности этапов процедуры

выбора оптимальной структуры. 81

3.2. Постановка задачи оптимизации и формирование требований к искомой структуре. 87

3.3. Формирование критериев и оценка вариантов. 93

3.4. Формирование решающего правила оценки результатов структурного синтеза. 100

3.5. Алгоритм выбора структуры модульного преобразователя. 106

3.6. Выводы. 108

Глава 4. Разработка и исследование функционально-

топологической структуры САПР. 111

4.1. Исследование и обоснование целесообразности создания САПР. 111

4.2. Формирование топологической структуры САПР. 116

4.3. Использование разработанных моделей и алгоритмов в

САПР. 129

4.4. Оценка эффективности разработанных моделей и алгоритмов. 133

4.5. Выводы. 134 Заключение. 136 Литература. 138 Приложения. 144 Приложение 1. Акты внедрения. 144 Приложение 2. Текст программы. 145

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

АМ - аналитические методы;

АП - автоматизация проектирования;

АРМ - автоматизированное рабочее место;

ГСП - граф состояний преобразователя;

ГЦ - гамильтонов цикл;

ДУ - дифференциальные уравнения;

КПД - коэффициент полезного действия;

МВР - множество вариантов решений;

ММ - математическая модель;

МП - модульный преобразователь;

ОС - операционная система;

ПО - программное обеспечение;

ПТ - преобразовательная техника;

ПЯ - преобразовательная ячейка;

РП - решающее правило;

САПР - система автоматизированного проектирования;

ССЭС - структурный синтез электронных схем;

ФМ - функциональная модель;

ФТС - функционально-топологическая структура;

ЧАМ - численно-аналитические методы;

ЧМ - численные методы;

ЭВМ - электронно-вычислительная машина;

ЭВТ - электронно-вычислительная техника.

ВВЕДЕНИЕ.

Современный этап в развитии устройств и систем преобразовательной техники характеризуется резким ростом предъявляемых к ним требований: качества, стабильности динамических параметров, увеличения числа выполняемых функций и надежности. В то же время, согласно отечественным и зарубежным материалам, наиболее перспективным и бурно развивающимся направлением преобразовательной техники является разработка систем модульных преобразователей электроэнергии. Это объясняется следующими факторами:

- возможность получения практически любой мощности путем параллельного включения необходимого количества модулей;

- обеспечение высокой надежности устройства посредством резервирования;

- формирование высококачественной выходной функции напряжения и тока;

- получение высокочастотной выходной функции путем суммирования низкочастотных напряжений отдельных модулей, уменьшения за счет этого размеров реактивных устройств;

- деление входного напряжения, тока, мощности для обеспечения равномерной нагрузки силовых ключей преобразователя;

- возможность построения унифицированного ряда преобразователей.

Исследование задачи синтеза систем модульных преобразователей с

повышенным коэффициентом преобразования электрической энергии, оптимизированными массогабаритными показателями, улучшенным качеством выходной энергии показывает, что дальнейшее развитие этих систем невозможно без применения новых методов и средств автоматизированного проектирования.

Основополагающий вклад в решение вопросов, связанных с теоретическим обоснованием и практической реализацией САПР в целом, внесли такие известные ученые, как В.М. Глушков, В.А. Горбатов, И.П. Норенков, В.П. Сигорский и др. Вопросы теории, анализа и принципов конструирования полупроводниковых преобразователей электроэнергии наиболее полно рассмотрены в работах Ю.И. Конева, Э.М. Ромаша, Г.Н. Гуляковича, С.С. Бук-реева и др.

Учитывая специфику модульных полупроводниковых преобразователей электроэнергии, отметим, что степень автоматизации проектирования зависит от степени автоматизации отдельных проектных процедур, и в значительной мере от автоматизации структурного синтеза проектируемой системы. В то же время, следует отметить, что системы структурного синтеза, в силу их слабой формализации, получили недостаточное развитие.

Создаваемая система автоматизированного проектирования должна удовлетворять следующим требованиям:

- автоматизация проектных процедур должна охватывать в числе прочих и этап структурного синтеза устройства;

- САПР должна обеспечить высокий научно-технический уровень проектных решений;

- система обязана иметь возможность документирования результатов проектирования с необходимой полнотой и в предусмотренных ГОСТом формах;

- проектируемая система должна обеспечивать простоту и удобство работы пользователя.

В то же время создаваемая САПР должна удовлетворять критериям:

- высокого качества функционирования;

- открытости системы, обеспечивающий расширение возможностей САПР при усложнении решаемых задач;

- универсальности, обеспечивающей возможность использования широким кругом пользователей;

- надежности, обеспечивающей независимость функционирования от возможных сбоев.

Целью работы является разработка и исследование комбинаторно-топологического метода структурного синтеза модульных преобразователей электроэнергии на основе графовой модели, отражающей переменные состояния преобразователя; разработка способа выбора оптимальной структурной схемы из множества возможных работоспособных структур полученных на этапе синтеза; применение разработанных методов, моделей и алгоритмов в системе автоматизированного структурного проектирования модульных преобразователей электроэнергии.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- создание модели функционирования модульного преобразователя в виде совокупности множеств переменных состояний;

- разработка комбинаторно-топологического метода структурного синтеза модульных преобразователей;

- разработка алгоритма структурного синтеза преобразователя;

- разработка методики поэтапной векторной оптимизации в виде итерационного процесса;

- определение критериев, которым должна удовлетворять проектируемая система;

- разработка алгоритма выбора структуры модульного преобразователя;

- разработка структуры программного обеспечения, реализующего совокупность всех перечисленных задач.

Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов, включающий методы теории состояний, численно-аналитические

методы решения разностных уравнений, теоретико-графовые модели, методы векторной оптимизации, методы математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

1. Получена эффективная модель модуля преобразователя, рассчитанная на применение в автоматизированных системах структурного синтеза.

2. Сформулированы свойства графовой модели преобразователя.

3. Разработан и исследован комбинаторно-топологический метод структурного синтеза модульных преобразователей электроэнергии.

4. Разработан способ выбора оптимальной структурной схемы из множества возможных работоспособных структур полученных на этапе предварительного синтеза. В результате получены и сформулированы:

- этапы задачи выбора оптимальной модульной структуры;

- основные критерии для оценки конкурирующих вариантов структур;

- решающее правило выбора варианта из множества результатов синтеза;

- окончательный алгоритм выбора структуры модульного преобразователя.

5. Разработаны структура и общие требования к системе автоматизированного проектирования модульных преобразователей электроэнергии с использованием рассмотренных методов, моделей и алгоритмов.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается:

- результатами вычислительных экспериментов;

- результатами экспериментальных исследований;

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- работоспособностью и соответствием предъявляемым требованиям технических характеристик компонент спроектированной системы.

Практическая значимость работы состоит:

- разработанные алгоритмы и методы позволяют автоматизировать этап структурного синтеза модульных преобразователей, широко используемых в электрохимических и других технологиях;

- внедрение предложенных методов в системах автоматизированного проектирования позволяет при сохранении основных энергетических характеристик и параметров аналогичных преобразователей получить новые функциональные возможности и сэкономить время разработки рассматриваемых типов полупроводниковых преобразователей в среднем на 20-30%.

Реализация результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы синтеза использовались при проектировании модульных источников электропитания. Данные модульные преобразователи внедрены в производство на заводе "Мотор" (г. Владикавказ) и в ООО "Электрон" (г. Владикавказ).

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются при чтении курса "Преобразовательная техника", а также в курсовом и дипломном проектировании в СКГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (Владикавказ 1996-1998г.г.), на симпозиумах "Логическое управление организационными структурами" (Москва-Владикавказ, 1996г.) и "Логическое управление в промышленности" (Москва-Владикавказ 1998г.) проводимых в рамках международного форума информатизации.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах, в том числе одном авторском свидетельстве.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ СИНТЕЗА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

1.1. Современные направления развития силовых преобразователей электрической энергии.

Силовые преобразователи электрической энергии являются неотъемлемой частью любого промышленного комплекса, а следовательно в значительной степени определяют технико-экономические показатели электротехнической аппаратуры. Например, только в радиоэлектронной аппаратуре на долю источников электропитания в настоящее время приходится от 20 до 40% общей массы и объема. Удельные показатели, характеризующие современные преобразовательные устройства и комплексы колеблются в пределах

о

от 20 до 180 Вт/дм в зависимости от принципа схемно-конструктивной реализации [32]. Данные соотношения и удельные показатели характеризуют общее состояние современных отечественных разработок в области преобразовательной техники. Их обуславливают следующие основные факторы.

1. Требования предъявляемые к преобразователям в части стабильности и пульсаций выходных напряжений, токов, динамических параметров, условий эксплуатации и разнообразием систем электроснабжения.

2. Увеличение числа функций, выполняемых современными преобразователями. Необходимо отметить, что если раньше устройства выполняли только функции преобразования, сглаживания пульсаций и стабилизации выходной энергии, то сегодня ко всем этим традиционным функциям добавились функции защиты самих преобразователей от возможных аварийных режимов работы, защиты потребителя от перенапряжения на выходе преобразователя, встроенного автоконтроля и сигнализации неисправностей [31,83]. По возможности ставится задача обеспечения защиты от повышения и понижения напряжения в системах электроснабжения.

3. Невысокий КПД, обусловленный широким использованием на практике разработок с традиционным принципом непрерывного регулирования, обеспечивающий создание систем с относительно высокими характеристиками по стабильности и пульсациям. Использование подобных устройств в промышленности и бытовой аппаратуре составляет около 50%, а их удельная

о

энергетическая мощность от 10 до 40 Вт/дм , поэтому они во многом определяют уровень энергетических и массогабаритных показателей потребителя электроэнергии в целом.

4. Широкое внедрение различных устройств дискретной техники, что требует создания энергетически неэффективных низковольтных высоко стабилизированных источников питания. Согласно [32], в последнее время потребление электроэнергии преобразователями для дискретных устройств увеличилось на 60%.

5. Высокими темпами внедрения в электроаппаратуру преобразователей, принцип действия которых основан на использовании импульсных методов регулирования и высокочастотного преобразования, что естественно обеспечивает высокие энергетические и удельные показатели. Этот процесс несколько тормозится сложностью обеспечения электромагнитной совместимости подобных преобразователей с электроаппаратурой.

6. Недостаточность работ по оптимизации структурных схем и функциональных узлов преобразователей, что сдерживается слабым развитием, а иногда и полным отсутствием, отработанных методов, алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации проектирования.

Следует отметить, что прогрессирующая в последнее время тенденция к росту показателей удельной мощности в значительной степени опережает степень роста коэффициента полезного действия. Если принять среднюю удельную мощность блока, например в 1977 году, равной примерно 25 Вт/дм3 и сравнить ее с разработками 1997 года, в которых удельная мощность уже составила 250 Вт/дм , то можно сделать вывод, что в то время как удельная

мощность выросла в 10 раз, КПД соответственно составил 0,65 и 0,8 (выросло всего в 1,23 раза).

Динамика изменения удельной мощности отечественных и зарубежных преобразователей приведена на рисунке 1.1, где на рисунке 1.1 (а) показано семейство одноканальных преобразователей, а на рисунке 1.1(6) соответственно семейство многоканальных модульных. Анализ зависимостей показывает заметное отставание отечественных разработок.

Современные преобразователи в своем составе имеют разветвленные структуры, которые делятся на подсистемы по функциональному назначению потребителей. Подсистемы электропитания по способу осуществления преобразовательно-стабилизирующих функций могут выполнятся централизованно, децентрализовано и комбинированного типов и реализуются из отдельных функциональных узлов или их сочетаний. К функциональным узлам в этом случае относятся:

- выпрямительные устройства;

- сглаживающие фильтры;

- линейные компенсационные стабилизаторы;

- ключевые стабилизаторы;

- статические преобразователи.

При формировании систем электропитания находят применение различные преобразователи использующие энергию от систем электроснабжения переменного и постоянного тока, а также энергию автономных объектов [51, 52]. Так, в зависимости от заданных выходных параметров напряжения, тока и коэффициента пульсаций используются различные типы выпрямительных устройств, фильтров, стабилизаторов и инверторов.

Для дальнейшего повышения унификации, улучшения характеристик по динамической стабильности и повышения надежности основным перспективным направлением на сегодняшний день считается миниатюризация, ко-

85

75

а)

75

150

95

85

75

б) 40 80

- США---СССР(Россия)

Рисунок 1.1. Динамика изменения удельной мощности преобразователей.

торая, согласно [32, 36], определена как "генеральное направление развития современной электронной техники". В настоящее время определились три основных напр�