Введение к работе
Актуальность проблемы
В современной технике выдвигаются высокие требования к параметрам используемых устройств. Для обеспечения этих требований следует повышать точность измерений в процессе производства и контроля параметров изготавливаемых изделий (пускорегулирующей аппаратуры (ГГРА), люминесцентных и светодиодных ламп).
При измерении различных характеристик электроприборов (мощность, коэффициент мощности, КПД, и т.д.) существенный вклад в погрешность измерений вносит нестабильность сетевого напряжения. Допустимое отклонение действующего значения переменного напряжения в сетях общего назначения от номинала составляет 5% (предельное - 10%), в соответствии с ГОСТ 13109-97. Для электроснабжения метрологических лабораторий и измерительных стендов нормативными документами рекомендуется использовать источники вторичного электропитания (ИВЭП), в т.ч. стабилизаторы, классом точности не хуже 0.5 и контролем среднеквадратичного значения напряжения (Root Mean Square (RMS)). Следует отметить, что на практике в случаях, не требующих столь высокой точности, используется выходной контроль по среднему значению. Такую высокую точность способны обеспечить несколько типов стабилизирующих ИВЭП переменного напряжения, в т.ч. электронные, релейно-трансформаторные и с управляемым резонансом.
Существует несколько подходов к улучшению характеристик указанных ИВЭП. Это выбор подходящей схемы устройства, совершенствование средств контроля и разработка эффективных методов анализа и настройки устройств.
В качестве наиболее подходящего типа рассматривается и исследуется электронный стабилизатор переменного напряжения с управляемым резонансом.
Для разработки схем ИВЭП требуется создание эффективных методов моделирования и анализа систем управления индуктивно-емкостными преобразователями электроэнергии с оценкой их устойчивости, адекватности моделирования различных режимов работы.
Следует отметить, что известные средства контроля источников переменного напряжения с необходимой точностью (0.1-0.3%) отличаются сложностью, высокой стоимостью, недостаточной функциональной гибкостью и их построение представляет сложную техническую задачу. Поэтому создание автоматизированной системы сбора, анализа, визуализации данных о параметрах напряжения, с помощью которой можно решить указанную задачу, также представляется, несомненно, актуальным.
В данной работе рассмотрены анализ и улучшение эксплуатационных характеристик стабилизатора переменного напряжения с управляемым резонансом методами имитационного и математического моделирования, что востребовано в современной технике.
Цель:
Исследование прецизионного стабилизатора переменного напряжения с управляемым резонансом и разработка методов его проектирования.
Задачи:
Исследовать существующие типы стабилизаторов для обоснования выбора стабилизатора напряжения с управляемым резонансом.
Исследовать стабилизатор переменного напряжения с управляемым резонансом для выявления возможностей его совершенствования.
Провести моделирование стабилизатора переменного напряжения с управляемым резонансом с учетом функциональных особенностей его системы управления и силовой части для анализа режимов их работы и путей обеспечения заданных выходных характеристик.
Разработать методы улучшения настроек и средства автоматического контроля параметров разрабатываемого оборудования.
Создать опытный образец и экспериментально исследовать предложенные методы улучшения его характеристик.
Методы исследований:
Для решения поставленных в работе задач используются общие положения теории цепей, вычислительные методы, теория функции комплексной переменной, теория автоматического управления, современные инструментальные системы имитационного компьютерного моделирования MATLAB и ANSYS, а также физическое (натурное) моделирование.
Научная новизна:
1. Создана функционально-полная модель стабилизатора переменного напряжения
с управляемым резонансом, состоящая из электронных компонентов и стандартных
звеньев теории автоматического управления (ТАУ), и проведен ее анализ при
варьировании параметров элементов для выявления источников возникновения
погрешностей.
2. Адаптирован метод идентификации линейных систем для нахождения
передаточных функций, что позволило улучшить характеристики конкретных устройств
(проверен как на модели, так и в реальном эксперименте).
Разработана линеаризованная математическая модель стабилизатора на основе полученных методами идентификации передаточных функций, что позволяет применять частотные методы при исследовании устойчивости работы стабилизатора.
Предложен метод настройки цифровой адаптивной обратной связи (ЦАОС) и сформулированы критерии оценки (структурные, частотные) ее настройки, что позволило минимизировать статическую погрешность стабилизации напряжения на 1 -2 порядка.
Практическая значимость:
1. Разработанные модели стабилизатора с управляемым резонансом позволяют
вскрыть существенные особенности функционирования и улучшить выходные
характеристики устройства.
2. Адаптированные методы идентификации и анализа нелинейных систем
автоматического управления (САУ) повышают эффективность их настройки, (в т.ч.
стабилизаторов и пускорегулирующей аппаратуры (ПРА)).
3. Применение стабилизатора с управляемым резонансом позволяет существенно
повысить точность измерений за счет снижения погрешности стабилизации на 1 -2 порядка
питающих напряжений.
4. Созданный измерительный комплекс для контроля параметров источников
переменного напряжения позволяет сохранять, обрабатывать и отображать
экспериментальные данные в автоматическом режиме, что значительно повышает
эффективность контроля параметров источников переменного напряжения.
Достоверность научных результатов обеспечена адекватностью моделирования, надежностью систем математического моделирования MATLAB и ANSYS, справедливостью использования приближений и практическим экспериментированием на образцах стабилизатора напряжения мощностью 5 кВт.
Положения, выносимые на защиту:
1. Функционально-полная модель стабилизатора переменного напряжения с
управляемым резонансом, выявляющая особенности поведения системы при
варьировании параметров элементов.
2. Метод идентификации линейных систем для нахождения их передаточных
функций указывающий пути улучшения характеристик конкретных устройств (проверен
как на модели, так и в реальном эксперименте).
3. Математическая модель стабилизатора на основе полученных методами
идентификации передаточных функций, позволяющая применять частотные методы при
исследовании устойчивости работы стабилизатора.
В исследуемой системе существует область линейности, где поведение системы описывается передаточной функцией построенной на основе колебательного звена.
Метод настройки ЦАОС и сформулированные на его основе критерии оценки настройки (структурные, частотные) обеспечивающие минимизацию статической погрешности стабилизации.
Использование двухконтурного построения системы управления с разнесением контуров в частотной области, позволяющее значительно упростить техническую реализацию устройства.
Реализация результатов работы:
Прецизионный стабилизатор переменного напряжения с управляемым резонансом, а также методика частотного анализа параметров аппаратуры приняты к внедрению в ООО "ВНИСИ", г. Москва (подтверждено соответствующим актом внедрения).
Кроме того, методика автоматического анализа сложных временных процессов при внешнем воздействии использована в Учреждении Российской академии наук Институте прикладной механики РАН (ИПРИМ РАН) в материалах заключительного отчета по НИР "Редукция-133-РАН" в рамках ФЦП "Редукция -133" (подтверждено соответствующим актом внедрения).
Апробация работы:
По результатам диссертации опубликовано 10 работ: 3 в журналах из списка ВАК, 2 статьи в сборниках трудов конференций, 3 отчета по федеральным целевым программам, а также несколько публикаций в сборниках тезисов всероссийских конференций. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры «Электротехники и Микропроцессорной Электроники» НИТУ "МИСиС", на заседании кафедры 306 МАИ (ГТУ), а также на Всероссийской светотехнической конференции "Свет без границ" (Москва, 2009г.).
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 155 стр. текста, 110 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 104 наименований.
Похожие диссертации на Прецизионный стабилизатор переменного напряжения для светотехнических измерений
