Введение к работе
Актуальность теыы. Значительна успехи, достигнутые современной электротермией, били бы невозможны без создания эффективных и надеиных в эксплуатации источников питания. В области частот свиае бОкГц наиболее распространенный типом таких источников пи.зния на протяиении многих десятилетии являются промыиленные ламповые'автогенераторы (ЛГ). Появление ноцных транзисторных преобразователей пока еще не поменяло существенно ситуацию, и большая часть промышленности ориентируется на ЛГ, как традиционные источники питания. В то ае время, с появлением транзисторных источников питания в силу создавнейся конкуренции (в области частот и мощностей, где воэмоано применение, и тех, и других источников питания) резко повышаются требования к эффективности, надеаности, массогаба-рнтаы ЛГ, их регулировочным характеристикам.
Актуальними становятся вопроси оптимизации режимов работы генераторных схеа, сокращаются сроки НИР и ОКР при проектировании новых установок и при адаптации серийных установок на новые типы нагрузки - все это требует большого объема исследовательских работ.
Создание испытательных стендов для установок не всегда B03H02H0. да и сильно удоровает процессы НИР и ОКР. Особенно это касается установок большой мощности (на сотни и тысячи кВт). Полное физическое макетирование требует макетирования нагрузочных устройств, что практически невоэмонно на мощностях дане в десятки кВт.
Все этн факторы требуют нового, более современного подхода к проектировании источников питания с ЛГ. Внедрение в проектные структуры новых мощных компьютеров позволило поставить задачи автоматизации исследования и проектирования схем источников питания ЭТУ с ЛГ, позволяющие сократить до минимума этапы физического макетирования, ревить задачи оптимизации схем ЛГ с целью повыиения их экономических показателей к надеЕНости. Существенная часть полученной при этон информации, в частности, в области ренинов сеточной цепи, практически определяется только опытом долговременной эксплуатации ЛГ.
Из этого ясна актуальность разработки адекватных и эффективных математических моделей схем ЛГ, с поі:ог,ьа которых коино
- 2 -рассчитывать их режими работы н получать вневние характеристики численно, минуя процесс физического макетирования или существенно его сократив.
Цель работы. Создание математического обеспечения для численного анализа режимов работы ЛГ для ЭТУ и апробация созданного матобеспечения на вироком ряде установок, предназначенных для раооты в электротермических устройствах различного типа, на различных частотах и мощностях.
В соответствии с этим необходимо было:
разработать комплекс программ линейного анализа колебательных систем ЛГ. позволяющий найти частоты самовозбуядения и проводить оптимизацию линейной части схемы;
разработать комплекс программ расчета схем ЛГ с учетом реальных вольтамперных характеристик (ВАХ) генераторных приборов, позволяющий моделировать переходные, аварийные и ста,-ционарные режимы в данных схемах;
разработать комплекс программ расчета схем ІІГ с учетом; нелинейности лампы, позлолякщий эффективно моделировать непосредственно стационарные режимы в данных схемах без предварительного расчета переходного процесса;
исследовать возмоаности применения систем бифуркационного анализа для изучения электромагнитных процессов в схемах ЛГ;
разработать удобную для пользователя систему ввода информации, базу данных ВАХ генераторных приборов, используемых в установках с ЛГ для электротермии, а такае систему обработки результатов для получения необходимой информации о реаимах генератора, и его внешних характеристик в виде таблиц и графиков;
исследовать наиболее распространенные схемы ЛГ и провести сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовалась качественная теория обыкновенных дифференциальных уравнений, теория электрических и электронных цепей, теория динамических систем и методы современного численного анализа систем ОДУ. Проведено сравнение полученных численно режимов работы ЛГ с имеющимися экспериментальными-данными'и с результатами общей теории ламповых генераторов.
Научная новизна работы. І. Разработан и исследован алгоритм расчета чувствительностей переменных и функций цепи к вариации ее параметров. С учетом полученных результатов модернизирована
подсистема линейного анализа схем ЛГ в частотной области.
-
Исследованы методы ускорения сходимости переходных процессов к стационарному колебательному реяиму в схемах ЛГ путем введения переменных демпфирующих элементов в низкочастотные цепи схемы и алгоритма точного поиска моментов переключений генераторной лампы. На базе этих исследовании модернизирован программный комплекс, реализующий моделирование переходных и стационарных режимов полной схема ЛГ но временной области.
-
Разработан алгоритм и введен в программное обеспечение блок, реализующий работу с разреженными матрицами, позволивши* повысить эффективность расчетов в десятки раз.
-
Предложен и исследован новий алгоритм непосредственного решения краевой задачи с периодическими граничными условиями для определения установившихся колебательных реяимов как генераторов с независимым возбуядением. так и автогенераторов.
-
Исследованы и реализованы методы, обеспечивающие глобальную сходимость итерационного процесса решения краевой задачи и методы получения оптимального начального приближения.
-
Опробованы методы бифуркационного анализа схем ЛҐ и определены точки бифуркаций Хопафа и колебательные ренимы заданного периода.
?. С помощью разработанного матобеспечения проведено исследование схем ЛГ для высокочастотной сварки, для нагрева диэлектриков и установок для бестигельной зонной плавки и плавки в холодных тиглях, определены- оптимальные режимы их работы и оптимальные параметры, получены поля внешних характеристик данных схем.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны следующие программные комплексы: численного анализа колебательной системы ЛГ в частотной области для получения частотных, передаточных характеристик и чувствительностей функций цепи к изменению паранетров; получения переходных и стационарных режимов методом установления в схемах ЛГ с учетом реальних ВйХ лампы: непосредственного определения стационарных реяимов в схемах ЛГ, минуя пеоеходной процесс, используя реые-ние краевой задачи с периодическими граничными условиями.
На основе разработанного программного обеспечения создана САПР ЛГ, позволявшая производить полное исследование схем ЛГ на катеиатическич моделях к получать характеристики рекнкои
- 4 -генераторов и их внешние характеристики в удобном виде.
С помощью данного матобеспечения получены следующие данные для конкретных ЛГ:
- исследован сварочный генератор ВЧСЗ-250/0,44 в аварийных ситуациях при коротких замыканиях нагрузок, его внеиние характеристики, выявлены их особенности, исходя из характера реии-мов, полученных в различных точках этих характеристик;
исследована установка для диэлектрического нагрева ВЧГ8М-60/13. в результате чего определены условия согласования контуров и оптимальные параметры цепи сеточного смещения;
исследован новый мощный генераторный триод Г9-98А в автогенераторах на различные частоты и мощности, определена оптимальная нагрузка;
исследована установка "Кристалл-109" для бестигельной , зонной плавки, рассчитаны ее внеиние характеристики для различных уровней напряіенйя накала и определены регулировочные характеристики по накалу;
исследована установка "Кристалл-402" для плавки окислов в холодном тигле, рассчитаны ее внеиние характеристики и определены оптимальные параметры схемы.
Внедрение результатов работы. Разработанные численные модели, программы и результаты исследований схем, проведенных с помощью данного программного обеспечения, использованы во ВНИИТВЧ при проектироввании источников питания для ЭТИ, программы включены в САПР ЛГ. Общий документально подтвериденный экономический эффект от внедрения результатов составляет 40,7млн рублей.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на X Всесоюзной научно-технической конференции "Применение токов высокой частоты в электротермии" (Ленинград. 1986), XI Всесоюзной научно-технической конференции "Применение токов высокой частоты в злектротехнодогии" (Ленинград. 1991К Congress НИ & HF-.Nice. 1991, научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава С-ПбГЭТУ (ЛЭТИ) им. В.И.Ульянова(Ленина) в і'987-І995гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 статьи, 5 докладов на научно-технических конференциях с опубликованными тезисами и программа, зарегистрированная в ГОСФйП.
- 5 -Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 61 наименование. Основная часть работы излоаена на 139 страницах машинописного текста. Работа содержит 43 таблицы и 6? рисунков,