Введение к работе
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 магнитного 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 с 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 первом 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, происходит 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 пріггяжения 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 атом 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 о&ьект 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 новизна состоит в установлении ряда новых качественных фактов в отношении динамики неуправляемых трансформаторно-вынрямительных устройств и стабилизаторов с ШИМ, среди них: И 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 переменных 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 упгубленио 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 двухконтурных 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
траисформаторно-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.