автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Системы регулирования источников электропитания с изменяемыми внешними характеристиками для технологических установок

л МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ 1 '1 (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ВНЕШНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКА}.«! ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи

электроэнергии

УШАКОВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре Промышленной электроники Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Обухов С.Г.

Консультант - доктор технических наук, профессор

Исхаков A.C.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Краснопольский А.Е. - кандидат технических наук, доцент Москаленко В.В.

Ведущее предприятие - Всероссийский электротехнический

институт

Защита диссертации состоится " /3" 1995 г.

в аудитории кафедры ЭПП в час. О О мин. на заседании диссертационного Совета Д.053.16.13 Московского энергетического института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, 14, Ученый Совет МЭМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "29" а б госта. 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем. Существует ряд потребителей электроэнергии и технологических процессов, которые требуют применения источников электропитания, обладающих возможностью изменения внеп-ней характеристики - зависимости выходного напряжения источника от тока - при изменении условий работы. К ним относятся источники питания для дуговой и электроялаковой сварки, гальванотехники, лазерной обработки материалов, вакуумных дуговых печей, плазмотронов, установок ионного азотирования, зарядки аккумуляторных батарей, автономных систем электродвигопия и т.д.

Поскольку в качестве первичного источника электропитания, как правило, используется сеть постоянного или переменного тока, внешняя характеристика которой соответствует характеристике источника напряжения, преобразование фор<ы характеристики осуществляется с помощью вторичного источника питания.

Формирование требуемых внешних характеристик источника питания в замкнутой системе автоматического управления полупроводниковым преобразователем достигается посредством соответствующего управления регулятором. Существующие схемы систем управления промышленных источников питания имеют ограничения, как в реализации множества внешних характеристик различных форм, так и в возможности быстрого переключения с одной характеристики на другую, вследствие чего они не могут обоспечить оптимальные технологические рекимы во всех возможных условиях работы конкретного потребителя, поэтому, задача создания источников, у которых имеется возможность формировать внешнюю характеристику произвольной форт, является актуальной проблемой преобразовательной техники.

Цель работы состоит в создании методов, новых алгоритмов, структур и конкретных устройств управления источниками электропитания на базе преобразователей электрической энергии, статические внешние характеристики которых могут быть сформированы по произвольным законам, а динамические характеристики обладают высоким качеством. Указанная цель определяет решение следующих основных задач: анализ -способов построения, разработка основных функциональных элементов, анализ динамики и синтез по заданным показателям качества замкнутых систем регулирования источников питания с изменяемыми внешними характеристиками.

Методы исследования. Исследования проводились аналитическими мэтодаш. При построении математических моделей и решении задач анализа и синтеза систем регулирования в работе использовался аппарат линейных и нелинейных дифференциальных и разностных уравнений в фор;о описания дискретно-непрерывных систем в пространстве состояний.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- предложены новые алгоритмы управления и способы построения источников питания с изменяемыми внешними характеристиками;

- предложен новый способ интегрального управления вентильным преобразователем и устройства для его реализации;

- показаны пути улучшения динамических характеристик источников питания с изменяемыми внешними характеристиками и новые схемы коррекции показателей качества динамических режимов;

- предложены методы решения задач анализа и синтеза систем регулирования вентильными преобразователями для больших отклонений регулируемой величины;

- разработаны вычислительные модели замкнутых систем управления на базе выпрямителей и пшротно-импульсных преобразователей.

Практическая ценность работы состоит в том, что применение нового алгоритма управления вентильным преобразователем позволяет успешно формировать статические внешние характеристики любой формы. Предложенные способы, устройства и алгоритмы управления, а также методы анализа и синтеза систем регулирования могут быть использованы при проектировании новых преобразователей.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в виде конкретных разработок систем управления электроприводом испытательного стенда на Северном Машиностроитель-н<" предприятии. Возможность управления внешними характеристиками вь' рямителя электропривода испытательного стенда позволяет сократить сроки доводки продукции до требований заказчика. Материалы работы используются в учебных курсах для студентов Севмашвтуза.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены в докладах на научно-технических конференциях и совещаниях - всесошщх: Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей (Таллинн, 1986, 1990), Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами (Грозный, 1987, 1989), Проблемы преобразовательной техники

(Чернигов, 1987, Клев, 1991), Прпшнсняэ вычислительной техники для исследования и автоматизации прозктировевпя преобразователей (Саранск, 1987), ПроЛгака нэязнейяоЗ элэктротезшша (Киев, 1538), Создание кошлэксов олзктротохЕолоютэского оборудоввпгя еысоко-вольтпой, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техншш (Москва, 1939), Цробло;.а систем автономного элэктроснЕбзе-ния (Суздаль, 1991), Проблокы электромагнитной сослстекостп технических средств (Суздаль, 1991),

- меадународгпц: 6-я Конференция по энергетической электронике и регулируемому приводу (Будапешт, 1990), 43-й Конгресс Невдународ-ного Института сварки (Нонрезль, 1990), Сварные конструкции (Киев, 1990), Международная Симпозиум Института электротехники и электроники по электромагнитной совместимости (Черри- Хилл, 1991), Европейская Конференция по космической энергетике (Флоренция, 1991, Грац, 1993), (¿ездународяый Сгаагозиум Института электротехники и электроники по энергетической электронике (Ксиан, 1992), Мэзду-народная Кокфоронцпя по электромагнитной совмэстимости (Надрас, 1992), Силовая электроника в решении проблем рэсурсо- и энергосбережения (Харьков, 1993), 20-я Пеядунородная конференция Института электротехники и электропики по промышленной электронике (Болонья, 1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 30 работ, в список включены пять статей в центральных аурналах, четыре авторских свидетельства, десять тезисов докладов на всесоюзных и четыре тезиса докладов на международных научно-технических конференциях, симпозиумах и совещаниях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель работы, изложена постановка задачи и наполнен обзор видов вольт-амперных характеристик нагрузок и внешних характеристик источников питания, формирование которых требуется в различных технологических"проце ссах.

В первой главе выполнен анализ систем рэгулирования промышленными источниками питания с изменяемыми внешними характеристиками.

Обзор литературы дает возможность утверждать, что практически все схемы промышленных и экспериментальных источников питания, обладащих возможностью регулирования формы внешней характеристики, строятся в соответствии со структурой системы автоматического регулирования с суммирующим усилителем. Вывод аналитических зависимостей среднего значения выходного напряжения от тока нагрузки данной структуры показывает, что формирование внешней характеристики, соответствующей характеристике источника тока, может быть реализовано только в схемах, использующей два задающих сигнала (по току и напряжению), при отключенной цепи обратной связи по напряжению. Использование в данных схемах нелинейной обратной связи или применение адаптивного регулятора эффективно для формирования нелинейной внешней характеристики простой формы, состоящей из двух-трех отрезков. Усложнение формы внешней характеристики ведет к существенному усложнению системы регулирования.

Во второй главе предложен иной подход к разработке источника питания с изменяемой внешней характеристикой. Он основан на замкнутой системе автоматического управления, построенной по структуре подчиненного регулирования координат. Этот способ существенно расширяет возможности формирования множества внешних характеристик различной формы без изменения технической реализации схемы источника питания.

На рис. 1,а приведена структурная схема источника напряжения, внутренний контур системы регулирования которого обеспечивает пропорциональную зависимость между сигналом управления Уу и средним значением выходного напряжения Пл. Если сигнал С/у формировать с помощью специального преобразователя с заданной функцией пре-обрпзования тока I в напряжение И, то внешняя характеристика исто кика питания 11й(1й) будет повторять форму характеристики функ-ци гчльного преобразователя У(Г). Таким образом, предусматривая возможность задания с помощью преобразователя необходимого набора характеристик с желаемыми законами ¡¡¡(I), где ;] е ИД], можно осуществить воспроизведение любой из к внешних характеристик (Га) = и}(1), выбирая конкретную из них с помощью отдельной системы выбора характеристик (СВХ).

Управление этим же источником напряжения сигналом обратной связи по току организуется преобразованием его в источник тока за счет использования внутреннего токового контура. В этом случае

преобразователь

/ ч

регулятор

система управления

а)

2-1 15

характеристики 1л}{1}л) = 1}{11) могут быть получены при формировании тока управления 1У с помощью преобразователя 1(11) с заданными функциями преобразования У в I в соответствии со схемой, получаемой из приведенной на рис. 1,а, путем замены внутреннего контура на внешний, а преобразователя и(1) на Г(17).

Конкретное воплощение процедуры нелинейного преобразования одной координаты в другую для формирования множества характеристик произвольной форм зависит от технических решений функциональных узлов данных схем, оказывающих существенное влияние на статические и динамические показатели всей системы в целом. Возможные варианты этих технических реиений рассмотрены отдельно для внешнего и внутреннего контуров системы регулирования.

Показано, что наиболее эффективным методом построения внешнего контура системы регулирования является табличный метод. Он предполагает аппроксимацию келаемой характеристики ступенчатой функцией и запись последней в запогашаадее устройство (ЗУ). Показанный на рис. 1,6 пример формирования внешней характеристики, состоящей из двух отрезков АВ и ВС, иллюстрирует использование табличного метода. Заданная характеристика строится в координатных осях У5 = 2%<1Л/ви. Г3= 2н1й/1вя. где N - разрядность ЗУ (полагаем равными число линий адреса и данных), ¡¡вях и 1в*х - максимальные значения выходных напряжения и тока источника питания. Затем характеристика аппроксимируется отрезками прямых линий

параллельных координатным осям и в виде таблицы заносится в ЗУ. При работе системы периодически измеряется и преобразуется в цифровую форму одна из координат внешней характеристики источника. Полученный код определяет адрес ячейки ЗУ, содержимое которой задает сигнал управления внутреннего контура системы регулирования.

Поскольку поиск числа в таблице является достаточно быстрой операцией, время вычисления сигнала управления зависит в основном от времени преобразования аналогового сигнала, пропорционального одной из координат внешней характеристики в цифровую форму. Поэтому применение этого метода позволяет считать внешний контур системы регулирования дискретным безынерционным звеном.

Рассмотрены недостатки табличного метода, связанные с необходимостью применения ЗУ большой емкости, и способы их устранения, основанные на принципах сжатия хранимой информации.

Пропорциональная зависимость между сигналом управления и выходной координатой преобразователя, в качестве которой служат координаты внешней характеристики - средние значения выходного напряжения и тока, обеспечивается системой управления (СУ) преобразователем, включенной во внутренний контур системы регулирования. В связи с тем, что основные статические и динамические характеристики системы регулирования определяются способом построения внутреннего контура, то, с целью оценки требований по точности, линейности и динамике, предъявляемых к схеме источника питания с изменяемыми внешними характеристиками, рассмотрены СУ выпрямителями и широтно-импульсными преобразователями (ШИП) в соответствии с известным делением их на асинхронные и синхронные.

Роль регулятора асинхронных СУ выполняет преобразователь напряжение-частота, поэтому все многообразие асинхронных структур сь",.'!1Ю к реализации трех способов преобразования: схемы с принуда.' иьным обнулением интегратора, схемы с импульсной обратной связью и схемы с переменой направления интегрирования. Получены уравнения, описывающие асинхронные СУ и статические регулировочные характеристики. При описании синхронных СУ рассмотрена система с интегральным регулятором и предложена синхронная СУ с дискретно-усредняющим фильтром, эффективно сопрягаемая с цифровыми и микропроцессорными системами регулирования. Для них также получены уравнения функционирования и статические регулировочные характеристики.

Отмечено, что недостатком табличного метода построения функционального преобразователя координат является влияние наклона заданной внешней характеристики на точность ее воспроизведения. Например, для характеристики, изображенной на рис. 1,6, очевидно, что если угол наклона р не превышает 45°, абсолютная погрешность б. представляющая собой разность мегду ординатой произвольной точки желаемой характеристики и аппроксимирующим ее отрезком, не превышает половины единицы младшего разряда (е.м.р.) преобразователя координат, а при р больше 45°, погрешность больше половины е.м.р.

Предложены способы устранения указанного недостатка. Один из них заключается в использовании комбинированной схемы источника питания, в которой посредством переключений в цепи обратной связи внутренний и внешний контуры меняются местами в зависимости от текущего положения рабочей точки на внешней характеристике. В схеме используется два преобразователя координат 1/(1) и 1(17), аппроксимирующих кавдую заданную внешнюю характеристику. Недостатком данного способа управления источником питания является сложность обеспечения устойчивой работы на характеристиках с неоднозначными участками, описываемыми возрастающими функциями (7(1). Устранить его позволяет способ управления источником на основе данных о параметрах нагрузки. При ЯЬ-нагрузке в статическом режиме таким параметром является активное сопротивление Я. Показано, что реализация данного способа сводится к введению измерителя параметра и замене функционального преобразователя (7(1) и 1(11) на (7(Я) и КО) соответственно, где С = 1/Я. Замена функционального преобразователя подразумевает построение заданной внешней характеристики в новых координатах.

Пример подобной замены представлен на рис. 2,а,б. Здесь показаны шесть вариантов линейных участков внешних характеристик, построенных в координатах (7(Г) и результат пересчета этих зависимостей в координаты (/(Я). Для расширения динамического диапазона входных сигналов функциональных преобразователей измеряемый параметр представлен в логарифмическом масштабе.

Таким образом, источник питания, управляемый на основе данных о параметрах нагрузки, может быть построен по схеме, изображенной на рис. 2,6. Отношение напряжения на нагрузке к току в данной схеме вычисляется через разность их логарифмов, а переключатель К в цепи обратной связи, управляемый схемой выбора канала (СВК),

Яше

я»

и ь

1

иа

* 7

-Р /

к // и

/ / А

Ь д

а)

1ъ I,1 -

и ша

Уъ

1

Уо

Хшах

£

Нп> 1 п Яь Йаах

О) я —.

Рис. 2

X

1

используется с целью исключения влияния наклона кривой функционал! ной зависимости на точность воспроизведения отдельных участков внешний характеристики.

Наличие противо-эдс Е в цепи нагрузки требует идентификации этого параметра и учета его при формировании управляющих сигналов Уу и Гу. Известные способы идентификации параметров нагрузки, основанные на методе двойного интегрирования или на измерении средних значений выходных напряжения Уа и тока Га преобразователя в двух точках, лежащих на линии, аппроксимирующей вольт-амперную характеристику нагрузки, с последующим вычислением параметров

нагрузки с помощью микропроцессорной системы, не корректны в переходных режимах преобразователя. Поэтому предлогано осуществлять идентификацию параметров нагрузки по мгновенным значениям сигналов 1л и и« = {¿Я + Е в тактовые и коммутационные моменты времени: Я = - и«(Гп)]/ЕСа(^) - £а(1п)], Е = Ш^п) - (а(^)й.

Третья глава посвящена анализу динамических свойств источников питания с изменяемыми внешними характеристиками. Выявлены особенности исследуемых в работе систем регулирования и задачи, решаемые при анализе их динамики. Исследование динамических режимов выполнено с помощью метода переменных состояния (метода фазового пространства). В качестве объекта исследования выбран ШИП с ЯЬЕ-нагрузкой, управляемый различными СУ.

В связи с тем, что в зависимости от текущего положения рабочей точки на внешней характеристике источник питания работает либо в качестве источника напряжения, либо в качестве источника тока, анализ динамики выполнен отдельно для каждого из двух режимов работы схем: режима стабилизации напряжения и режима стабилизации тока.

Для рассматриваемых систем получены условия устойчивости, позволяющие определить допустимые диапазоны изменения параметров элементов схем, и условия быстродействия, определяющие такие значения параметров звеньев, которые обеспечивают получение переходных процессов минимальной длительности.

Анализ условий быстродействия ШИП, работающего в качестве стабилизатора напряжения, показывает, что оно реализуется достаточно простыми технически,га сродства?®. Уравнение, описывающее систему регулирования напряжения на базе ШИП, является линейным, независимо от ширины импульса, поэтому найденные в результате анализа динамики соотношения справедливы не только в малом, но и в большом.

Полученные в результате анализа условий быстродействия ШИП, работающего в режиме стабилизации тока, требования, предъявляемые к системе, являются противоречивыми и не могут быть физически реализованы. Поэтому, с целью достижения оптимального быстродействия в любой точке внешней характеристики источника питания, предложено изменить структуру регулятора посредством введения дополнительных обратных связей по координатам вектора состояния замкнутой системы и автоматическим изменением параметров регулятора при изменении

условий. В качестве корректирующих обратных связей рассмотрены как традиционные схемы, реагирующие на сигнал по производной регулируемого сигнала, так и новые схемы, использующие в качестве сигналов гибкой обратной связи в цифровых системах управления - сигналы, пропорциональные разности дискретных значений регулируемой координаты, квантованные в смехные моменты коммутации вентилей схемы или в соседние тактовые моменты времени.

Анализ динамики схем, содержащих дополнительные обратные связи, показывает идентичность динамических свойств систем, использующих корректирующие сигналы, пропорциональные производной тока, и сигналы, пропорциональные разности значений тока в моменты замыкания или размыкания ключа ШИП.

Достижение оптимальных переходных процессов для произвольной точки внешней характеристики при изменении сигнала управления и колебаниях нагрузки осуществляется одновременным регулированием коэффициентов передачи обратных связей. В итоге такая система приобретает свойства адаптивного регулятора с многопараметрической настройкой. Выбор параметров настройки регулятора, на основе анализа линейной модели справедлив только в малом. Поэтому для регуляторов, действующих в широком диапазоне изменения условий работы, необходимо выполнить анализ системы в большом, путем исследования показателей качества переходных процессов.

В четвертой главе с помощью моделирования решены задачи анализа и синтеза в большом системы электропитания с изменяемыми внешними характеристиками.

Предложен метод аналитического моделирования процессов в замкнутых системах электропитания, основанный на использовании аналитических разностных уравнений и обладающий быстрой сходим ■ тыо за счет использования новых алгоритмов идентификации реки-М(■!■ работы преобразователей. Преимущества предложенного метода, по сравнению с широко применяемыми при анализе и синтезе нелинейных объектов с импульсным характером работы, к которым относятся управляемые выпрямители и ШИП, численными методами решения уравнений состояния или их модификаций, характеризующихся зависимостью скорости, точности и устойчивости решения от величины расчетного шага, состоят в значительно меньших затратах машинного времени и практической возможности исследования источников питания, рассматриваемых в настоящей работе, в которых регулирование производится

по двум координатам внешней характеристики, точнее, осуществляется регулирование одной координаты в функции другой, либо в функции параметров нагрузки.

Реализация данного метода выразилась в построении алгоритмов идентификации режима и решения аналитических разностных уравнений выпрямителя и ШИП и разработке программ расчета переходных процессов. Использование этих программ для анализа /¿намики различных вариантов построения схем источников питания проиллюстрировано на примере источника питания на базе ШИП, основные параметры которого соответствуют использованию в качестве высокочастотного сварочного источника: U = 75 В, / = 20 кГц, 1м* = 375 A, L = 3 мкГн. Внутренний контур системы регулирования построен на базе синхронной СУ, ограничивающей величину ширины импульса амплитудой и на выходе ШИП в диапазоне значений от xmin = 0.05Т до Тщах = 0.95Г, где Г = 1//, с интегральным регулятором, имеющим постоянную времени интегратора Та = Т и цепью коррекции, реагирующей на разность токов в моменты коммутации tñ. Параметры регулятора и корректирующего устройства заданы исходя из условий быстродействия линейной модели. Внешний контур системы формирует внешнюю характеристику, показанную на рис. 3,а и состоящую из участков стабилизации напряжения, мощности и тока.

В качестве динамического процесса рассматривалась реакция системы на ступенчатое возмущающее воздействие на примере синхронного с началом некоторого no-го такта скачкообразного изменения параметров нагрузки R и Б от fio и Ео до fli и £1. При выборе Но = (Ствах - Ео)/Го, Ео = и/3, Й1 = Зйшш, El = 0, где Unax = ImeJJ/T, ftain = (JJain - El )/Ieax, Umln = 1miiiJ/T. ДЭННЫЙ режим наброса нагрузки является наиболее тяжелым, так как он близок к режиму короткого замыкания.

Моделирование переходных процессов выполнено в двух вариантах построения схемы источника питания на базе структуры подчиненного регулирования. В первом случае формирование сигнала управления внутренним контуром источника питания осуществляется на основе данных о координатах внешней характеристики, во втором - на основе данных о параметрах нагрузки. Сравнение результатов моделирования двух вариантов построения схемы внешнего контура источника питания позволяют сделать вывод о более высоких динамических показателях последнего способа построения схемы.

ий. В

80

Яо

60 40 20

/ \

/ л

- 14 -

(а, А 500

Й1

400 300 200 100

сс

ч

О 100 200 300 400 А а) 1л —>

11л. В 80

Яо

60 40 20

д.,

/ \\

/

О 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5 мс

а) х —►

1л. А

500

Й1

400 300 200 100

сс

О 100 200 300 400 А б) I,I —

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 мс г) г —.

Я 3

От1п Огр линейная модель ^ С3т1п Огр линейная модель

ы

-2,5-2,0-1,5-1,0-0,5 О 0) к* —

Рис. 3

Данные результаты при гь = 2 показаны на рис. 3,а,0 в виде дискретной фазовой кривой, построенной в координатах ил(1л) и временной диаграммы выходного сигнала преобразователя - тока (а.

Отмечено, что варьируя значения переменных регулятора, можно улучшить показатели качества переходных процессов. Поэтому постав-лэна задача синтеза в большом оптимальных динамических режимов. Решение данной задачи выполнено методом поиска. В качестве алгоритма поиска был использован релаксационный алгоритм случайного спуска с адаптацией величины рабочего шага и распределения случайного шага, который является стохастическим аналогом известного метода наискорейшего спуска. В качестве минимизируемого функционала 0 была использована формула, наиболее адекватно реализующая целевую функцию оптимизации - поиск значений параметров системы, при которых качество регулирования максимально приближено к предельно достижимому, учитывающая дискретные значения ошибки регулирования выходного сигнала преобразователя, измеряемого в тактовые моменты времени (п = 1лЦп). и дискретную аппроксимацию производной этого сигнала (1п+1 - 1п) на интервале регулирования.

Представленные на рис. 3,6,г результаты моделирования системы, оптимизированной по минимуму функционала (}, свидетельствуют о существенном улучшении показателей качества регулирования, по сравнению с системой, параметры которой оптимизированы по линейной модели.

Рассмотрены вопросы технической реализации регуляторов, обладающих возможностью изменения параметров с целью оптимизации динамических характеристик системы регулирования при изменениях внешних условий в процессе работы. Использование метода синтеза адаптивных свойств системы, основанного на оптимизации динамики в реальном времени, предполагает многократное моделирование динамических режимов и, следовательно, характеризуется большими вычислительными затратами, не позволяющими применить данный метод даже в устройствах управления низкочастотными преобразователями.

Предложен способ реализации требуемых динамических свойств, основанный на переносе процедуры вычисления параметров системы, соответствующих оптимальному режиму, на этап проектирования. Использование данного способа при нелинейной нагрузке преобразователя, когда каждой точке заданной внешней характеристики соответствует множество сочетаний значений параметров нагрузки и,

следовательно, оптимальных значений параметров регулятора, требует применения ЗУ очень большой емкости.

С целью сжатия информации, хранимой в ЗУ, предложено реализо-вывать оптимальные динамические свойства регулятора с заданной точностью, используя в качестве интегральной оценки качества регулирования функционал <3.

Изображенная на рис. 3,0 область значений варьируемых параметров регулятора к-\ и кг, при которых уровень О не превышает некоторой граничной величины <Эгр, иллюстрирует решение поставленной задачи. Представленные на рис. 3,е временные диаграммы дискретных значений (п, соединенных для наглядности прямыми линиями, показывают результаты моделирования систем при настройке параметров регуляторов, соответствующих помеченным на рис. 3,0. Сравнивая полученные результаты, можно констатировать незначительные отличия показателей качества переходных процессов, соответствующих выбору параметров регулятора при 0 = (Згр, от оптимального варианта «3 = = 0ш1п), и, следовательно, допустимость такой настройки системы.

Изменяя условия моделирования, можно получить области значений параметров системы аналогичные приведенной на рис. 3,0. Их сравнение показывает, что области значений параметров регулятора, построенные для различных условий моделирования, пересекаются. Выбирая указанные параметры внутри областей пересечения, можно обеспечить заданную точность оптимальных свойств регулятора в соответствующих диапазонах изменения параметров нагрузки. Использование этих диапазонов, а не дискретных значений параметров нагрузки в качестве адресов таблицы, хранящей оптимальные значения параметров регулятора, позволяет существенно сократить требуемый объем ЗУ. Показано, что область, соответствующая минимальной величина сопротивления нагрузки для некоторой точки внешней характеристики, является наиболее узкой. Поэтому при выборе значений параметров регулятора из этой области, будет обеспечен заданный уровень качества динамики, независимо от текущих параметров нагрузки. Таким образом, осуществляется "привязка" оптимизированных значений параметров регулятора к конкретным точкам заданной внешней характеристики источника питания.

В заключении обобщены основные результаты работы.

В приложениях приведены коэффициенты линеаризованных уравнений состояния и графическая интерпретация условий устойчивости и

быстродействия систем регулирования тока на базе ШИП; даны формулы для вычисления сигнала на входе компаратора различных систем управления выпрямителями и ШИП, учитывающие особенности моделирования динамических режимов источников питания с изменяемыми внешними характеристиками; представлены результаты исследования физической модели преобразователя и результаты внедрения работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получено решение задачи построения преобразовательной системы с изменяемыми внешними характеристиками на базе системы автоматического управления с подчиненным регулированием координат.

Рассмотрены существующие и предложены новые алгоритмы управ линия и структуры устройств управления источниками электропитания на базе преобразователей электрической энергии, статические внешние характеристики которых могут быть сформированы по произвольным законам.

Выполнен анализ динамических характеристик источников электропитания , основанный на линеаризации системы, описанной с помощью дискретно-непрерывных и дискретных моделей. Показано, что реализация переходного процесса минимальной длительности системы электропитания, работающей в режиме стабилизации тока, достигается за счет введения дополнительных обратных связей по координатам вектора состояния замкнутой системы. Рассмотрены существующие и предложены новые способы коррекции динамических характеристик преобразовательных систем.

Рассмотрены особенности моделирования источников питания с изменяемыми внешними характеристиками с целью кэстройки регуляторов. Предложен алгоритм аналитического моделирования, позволяющий производить расчет переходного процесса в замкнутой системе регу-лиронания при заранее не известной последовательности переключения вентилей на интервале повторяемости преобразователя.

Изложен метод оптимизации параметров регулятора, позволяющий найти такие параметры системы, при которых показатели качества переходных процессов почти не отличаются от предельно достижимых.

Показаны способы технической реализации оптимизированных регуляторов, основанные на предварительном анализе распределения значений минимизируемого функционала в пространстве оптимизируемых параметров.

Основше положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Управление стабилизированными источниками постоянного напряжения при искаженном питании // Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей: Тез. докл. Третьего Всесоюз. науч.-техн. совещ. - Таллин, 1986. - Ч. I. - С. 115.

2. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Источник питания с программируемыми внешними характеристиками // Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Грозный, 1987. - С. 25.

3. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Применение аналитических моделей для синтеза на ЦВМ стабилизирующих обратных связей микропроцессорной системы управления выпрямителем // Применение вычислительной техники для исследования и автоматизации проектирования преобразователей: Тез. докл. 111 Всесоюз. науч.-техн. совещ. - М.: Информэлектро, 1987. - С. 42.

4. Исхаков А. С., Ушаков А. В., Кузнецов Г. А., Орлов Е. Ф. Идентификация состояния вентилей при аналитическом моделировании управляемых выпрямителей // Применение вычислительной техники для исследования и автоматизации проектирования преобразователей: Тез. докл. 3 Всесоюз. науч.- техн. совещ. - М.: Информэлектро, 1987. -С. 43-45.

5. Исхаков А. С., Ушаков А. В., Шевченко А. В. Выпрямитель с программируемыми статическими и динамическими характеристиками // Проблемы преобразовательной техники: Тез. докл. IV Всесоюз. науч.-техн. конф. - Киев, 1987. - Ч. 3. - С. 132-134.

6. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Задачи аналитического модели-ронания управляемых выпрямителей // Проблемы нелинейной электротехники: Тез. докл. Ш Всесоюз. науч.-техн. конф. - Киев: Наукова Думка, 1988. - Ч. 2. - С. 276-277.

7. Исхаков А. С., Ушаков А. В., Буторина 0. Н., Лаптев 0. В. Аналитическое моделирование процессов в управляемых выпрямителях с изменяемыми внешними характеристиками // Создание комплексов электротехнологического оборудования высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - M., 1989. - Ч. I. - С. II2-II3.

8. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Астатическая система регулирования выпрямителя с емкостным фильтром // Электричество. - 1989. -* 7. - С. 88-90.

9. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Микропроцессорное регулирование внешней характеристики выпрямителя // Микропроцессорные комплексы для управления технологическими процессами: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. ковф. - Грозный, 1989. - Ч. I - С. II7-II8.

10. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Устойчивость стабилизированных выпрямителей с емкостным фильтром // Электротехника. - 1990. -Л 7. - С. 22-24.

11. Исхаков А. С., Обухов С. Г., Ушаков А. В. Управление внешней характеристикой источника электропитания // Электричество. - 1990. - » II. - С. 67-70.

12. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Применение накопителей электроэнергии для улучшения помехоустойчивости ИВЭП // Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей: Тез. докл. Четвертого науч.-техн. совещ. - Таллинн,

Г990. - С. 28-29.

13. А. с. 1543395 СССР, МКИ G05P 1/66 Н02М 5/257. Устройство регулирования я-фазного напряжения / А. С. Исхаков, А. В. Ушаков (СССР) // Открытия. Изобретения. - 1990. - » 6.

14. Исхаков А. С., Ушаков А. В., Статников Е. Ш. Оптимизация статических и динамических характеристик высокочастотных сварочных источников // Тез. докл ХШ Конгресса Международного института сварки. - Монреаль, 1990. - IIW Doc. 212-757-90. - 9 с.

(на англ. яз.).

15. Исхаков А. С., Обухов С. Г., Ушаков А. В. Источник питания постоянного тока с изменяемой внешней характеристикой // Тез. докл. S-ой Конференции по энергетической электронике и автоматизированному электроприводу. - Будапешт, 1990. - Т. I. - С. 296-298. (на англ. яз.).

16. Исхаков А. С., Придатков А. Г., Статников Е. Ш.,

Ушаков А. В. Источники сварочного тока с оптимизированными внешними характеристиками // Сварные конструкции: Газ. докл. Междунар. конф. - Киев, 1990. - С. 258.

17. Исхаков А. С., Кузнецов Г. А., Ушаков А. В. Особенности моделирования поцессов в цепях с вентилями на персональных компьютерах // Известия вузов. Электромеханика. - 1991. - * 10. -С. I09-110.

те. Исхаков А. С., Обухов С. Г., Росинская Т. В., Ушаков А. В. Алгоритмы реализации регулируемых внешних характеристик при нелинейной нагрузке // Проблемы преобразовательной техники: Тез. докл. V Всесоюз. науч.-техн. конф. - Киев, 1991. - Ч. 3. - С. 33-35.

19. А. с. 1705988 СССР, МКИ Н02М 7/12. Устройство для управления вентильным преобразователем /А. С. Исхаков, А. В. Ушаков (СССР) // Открытия. Изобретения. - 1992. - * 2.

20. А. с. 1737671 СССР, МКИ Н02М 7/12, 7/48. Способ интегрального управления т-фазным вентильным преобразователем /

А. С. Исхаков, А. В. Ушаков (СССР) // Открытия. Изобретения. -1992. - * 20.

21. А. с. 1737672 СССР, МКИ Н02М 7/12, 7/48. Способ управления вентильным преобразователем / А. С. Исхаков, А. В. Ушаков (СССР) // Открытия. Изобретения. - 1992. - * 20.

22. Исхаков А. С., Ушаков А. В. Быстродействующие асинхронные регуляторы напряжения широтно-импульсных преобразователей // Электричество. - 1992. - * I. - С. 58-60.

23. Исхаков А. С., Ушаков А. В., Серов С. Ю., Дедков Н. В. Синтез регуляторов вентильных преобразователей оптимальных по быстродействию в большом // Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Харьков: ХПИ, 1993. - С. 212-215.

Типографии МЭИ. Кр.'н'покгюармсинпя, 13