Введение к работе
Актуальность проблемы. Системы импульсного электропитания (СИП) широко используются в различных областях современной науки и техники благодаря преимуществам импульсного способа подачи энергии в нагрузку перед непрерывным. Это современные технологии обработки материалов, установки экспериментальной физики, радиолокационные станции, промышленные озонаторы, установки с использованием электрогидравлического эффекта для генерирования ударных волн, измельчения различных материалов и ряд других устройств.
СИП преобразуют поток энергии первичного источника электропитания (ИП) в электрические импульсы с заданными параметрами в нагрузке, мощность которых может значительно превышать мощность ИП. Обязательным элементом СИП являются накопители энергии (НЭ), в качестве которых чаще всего применяют емкостные накопители.
С целью повышения эффективности накопления энергии и уровня электромагнитной совместимости (ЭМС) СИП с сетью в его структуре имеется зарядный преобразователь (ЗП), который включают между ИП и НЭ. Для преобразования и передачи в нагрузку накопленной в НЭ энергии в состав СИП вводят разрядный преобразователь (РП), который позволяет получить в нагрузке импульсы тока и напряжения с заданными параметрами.
Топология и схемотехника ЗП и РП определяются различными факторами и, прежде всего, областью применения и функциональным назначением СИП.
Одна из этих областей – радиолокационные станции (РЛС), где СИП используются для питания передающих устройств антенны (ПУ). Для РЛС, работающих в диапазоне субмиллиметровых волн, предложены и разработаны СИП на базе регуляторов переменного напряжения и формирующих линий. Они нашли широкое применение в серийно выпускаемых устройствах, используемых сегодня в комплексах ПВО. Переход РЛС на новые принципы построения и более высокие частотные диапазоны, создание антенн с активной фазированной решеткой позволяют повысить эффективность средств ПВО. Вместе с этим возникает задача разработки СИП иных мощностей и схемных вариантов и, как следствие, поиск новых подходов к построению ЗП и РП.
Другим направлением применения СИП являются системы генерирования озона, применяемого в качестве сильного окислителя в различных областях промышленности, станциях водоочистки сточных и питьевых вод. Особенно актуальной становится задача разработки и совершенствования СИП повышенной частоты, что позволяет увеличить производительность озонаторных установок и снизить удельные энергозатраты на производство озона.
Широкое использование в различных отраслях промышленности находят электротехнологии с применением методов воздействия на вещество электрическими импульсами. Интенсивное развитие нашли электроэрозионная, магнитно-импульсная, электрогидравлическая, светолучевая и другие технологии обработки материалов. Применение их позволяет получить недостижимые другими способами виды и точность обработки. Исследования проводятся как в направлении расширения областей применения методов, так и поиска новых способов оперативного регулирования параметров импульсов энергии, вводимой СИП в рабочую зону технологической установки.
Решение ряда фундаментальных задач экспериментальной физики, энергетики, разработки ускорительных систем, стендовых установок термоядерного синтеза требует непрерывного совершенствования импульсных систем электрофизической аппаратуры.
Структура и схемные решения СИП в каждом из перечисленных случаях применения определяются также средним значением мощности в цикле зарядки НЭ, характером и видом нагрузки, диапазоном регулирования параметров выходных импульсов, требованиями ЭМС, массой и габаритами, используемой элементной базой и другими требованиями. Вместе с тем, общность сущности решаемых задач обусловливает часто идентичность подходов в построении и схемотехнике узлов СИП различного функционального назначения, значительно отличающихся по уровню выходных параметров.
Основными направлениями разработки и совершенствования СИП, в части ЗП и РП, остаются вопросы повышения КПД, снижения массы и габаритов, повышения уровня ЭМС с ИП, надежности и стабильности выходных параметров. В последнее время все большее внимание уделяется вопросам расширения функциональных возможностей СИП за счет оперативного регулирования параметров энергии импульса в нагрузке.
Разработке СИП различного назначения посвящено значительное число научных исследований таких организаций нашей страны, как ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», ОАО «ВНИИЭТО», АО «Электротермосварка», концерн ПВО «Алмаз-Антей» (г. Москва), Институт проблем электрофизики РАН (г. Санкт-Петербург), Институты ядерной физики и сильноточной электроники СО РАН (г. Томск), Институт прикладной физики (ИПФ) РАН (г. Н.Новгород), ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров), ООО НПП «ТЕХОЗОН» (г. Дзержинск) и др. Среди вузов отметим МЭИ, ЛЭТИ, государственные технические университеты г.г. Санкт-Петербург, Томск, Н.Новгород и др.
Общее признание в области управляемых преобразователей для СИП получили работы Булатова О.Г., Васильева А.С., Волкова И.В., Грехова И.В., Закревского С.И., Ивашина В.В., Кныша В.А., Короткова С.В., Кофмана Д.Б., Месяца Г.А., Опре В.М., Пентегова И.В., Розанова Ю.К., Рубцова В.П., Тугова Н.М. и ряда других ученых.
Работы по исследованию и разработке СИП ведутся и за рубежом. Хорошо известны полупроводниковые преобразователи для СИП различного назначения Института электродинамики (Украина), фирм Siemens и Jessler und Gsell (Германия), Schneider Electric (Франция), ABB (Швейцария), Mitsubishi Electric (Япония), Spellmann (США), Union Pumps (Канада), Water Corporation (Австралия) и ряда других фирм.
Анализ существующей ситуации в исследовании и разработке СИП позволяет сделать вывод о несомненной актуальности продолжения работ в направлениях, связанных с появлением новых устройств импульсного потребления энергии, развитием элементной базы, повышением требований к ЭМС СИП с ИП, надежности и поиска новых подходов к управлению. Эти вопросы исследованы недостаточно.
В диссертации автор обобщает результаты проведенных им многолетних исследований СИП для различных типов устройств, разрабатываемых и находящихся в эксплуатации в ряде организаций г. Н.Новгорода и региона: РЛС, промышленных озонаторов, технологических лазеров, установок физического эксперимента, которые создали предпосылки для решения задач оптимизации СИП, ориентированных на указанные классы нагрузок, и создания на этой основе новых управляемых преобразователей параметров электроэнергии. Решение этих задач возможно лишь при обобщении и развитии теории, алгоритмов, специализированных методов расчета и проектирования, позволяющих с единых позиций проанализировать работу СИП с учетом элементов, входящих в систему преобразования и регулирования параметров электроэнергии, а также электромагнитных, тепловых процессов в СИП и физических и электрохимических – в нагрузке. Поэтому обобщение и дальнейшее развитие теории высокоэффективных СИП, разработка новых устройств с расширенными функциональными, улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями и методов управлениями ими являются актуальной научной проблемой.
Цель работы и задачи исследования
Цель диссертационной работы – обобщение и развитие теории систем импульсного электропитания многофункционального назначения на базе регулируемых преобразователей и создание новой техники для РЛС, озонных, лазерных технологий и физических установок.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Анализ режимов работы импульсных электропотребителей и определение требований к СИП.
2. Разработка специализированного матрично-топологического математического описания многовариантных СИП.
3. Совершенствование управляемых преобразовательных устройств СИП с целью расширения их функциональных возможностей и повышения технико-экономических показателей.
4. Математическое моделирование стационарных и динамических режимов комплексов «ИП – СИП – нагрузка» для определения устойчивой работы комплекса, анализа взаимного влияния преобразовательных устройств СИП и создания алгоритмов обеспечения автоматизированного проектирования СИП.
5. Разработка новых устройств повышения электромагнитной совместимости СИП с сетью, в том числе и для автономных объектов.
6. Разработка систем управления СИП по оперативному регулированию формы генерируемых импульсов с использованием нейросетевых методов, а также систем управления устройствами повышения ЭМС СИП с ИП.
Методы исследования
В работе использовались метод кусочно-линейной аппроксимации при описании вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов, резистивных и реактивных элементов, представление СИП электрическими схемами с переменной и постоянной структурами. Методы сопряжения интервалов, классический, операторный, переменных состояния применялись при расчете переходных процессов, нахождении схемных функций для мгновенных значений токов и напряжений, интегральных характеристик укрупненных блоков СИП, оптимизации трансформаторных модулей, расчете режимов полупроводниковых приборов и конденсаторов. Матрично-топологические методы использовались при описании электромагнитных процессов в системах управляемого каскадного преобразования параметров электроэнергии для импульсных нагрузок. Методы численного интегрирования дифференциальных уравнений взяты за основу нахождения динамических процессов в кусочно-линейных системах СИП. При исследовании электромагнитных, электрохимических и тепловых процессов высокоуровневые системы дифференциальных уравнений СИП формировались и решались с использованием среды компьютерной математики MATLAB, пакетов ее расширения – визуального моделирования (Simulink) и символьной математики (Symbolic Math). Методы спектрального анализа, подсистема имитационного моделирования в реальном масштабе времени (Real Тime Windows) положены в основу нахождения условий ЭМС СИП с ИП, разработки САУ корректором коэффициента мощности (ККМ).
Экспериментальные исследования проводились на опытных и промышленных образцах СИП с использованием современных методов проведения автоматизированных измерений и анализа полученных данных, в том числе программной среды LabView.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата, совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами, а также подтверждением многочисленными экспериментами на лабораторных, опытно-промышленных образцах и серийных установках.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами
Работа выполнялась в рамках следующих программ:
1) ведомственной научно-технической программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005–2010 г.г. (Подпрограмма 2 «Прикладные исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники». Раздел 2.1 «Прикладные исследования». Направление «Энергетика». Проект «Разработка нового поколения полупроводниковых преобразователей и автоматизированных систем управления для повышения энергетической эффективности специальных электротехнологических и электромеханических комплексов»);
2) программы фундаментальных научных исследований ИПФ РАН (г. Н.Новгород) по направлению «Разработка источников электропитания физических установок», в том числе в рамках ОКР «Разработка и изготовление системы заряда, управления и диагностики для стенда «Силовой усилитель» установки ИСКРА-6» для Российского Федерального ядерного центра «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров);
3) программы новых разработок концерна ПВО «Алмаз–Антей» (г. Москва), проводимых НГТУ совместно с ФНПЦ «Нижегородский НИИ радиотехники» в рамках создания серийно-выпускаемых РЛС («НЕБО-СВ», «НЕБО-У», «НЕБО») с пассивной фазированной антенной решеткой (ПАР) и РЛС «НЕБО-СВУ» с активной фазированной антенной решеткой (АФАР);
4) программы фундаментальных научных исследований отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (ОИТВС РАН, г. Москва) «Новые физические и структурные решения в инфотелекоммуникациях» по направлению № 2 «Нейро-оптические принципы и системы обработки информации», а также совместных исследований, проводимых НГТУ и Институтом оптико-нейронных технологий РАН на тему «Разработка генератора обучающей выборки адаптивной нейросетевой системы управления» (2005 г.); НГТУ и ИПФ РАН на тему «Разработка имитационной модели зарядного устройства емкостного накопителя энергии» (2006 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Структуры и схемы построения силовой части и систем импульсного электропитания для ПУ РЛС, генераторов озона (ГО), технологических лазеров (ЛТУ), электрофизических установок (ЭФУ) с улучшенными статическими, динамическими, массогабаритными, функциональными и технико-экономическими показателями, отвечающие повышенным требованиям к электромагнитной совместимости СИП с первичным источником электропитания.
2. Обобщение и развитие теории СИП применительно к недостаточно исследованной в литературе структуре «питающая сеть – зарядный преобразователь – накопитель энергии – разрядный преобразователь с нагрузкой» и широкому кругу схем, выполненных по этой структуре, на основе агрегатирования и покаскадного синтеза СИП различного назначения в стационарных и динамических режимах работы.
3. Уточненные математические модели ряда вариантов СИП в составе комплекса «питающая сеть – зарядный преобразователь – накопитель энергии – разрядный преобразователь с нагрузкой», и результаты исследований на моделях (проверка результатов аналитического исследования, полученных ранее по упрощенным моделям), описание электромагнитных процессов и основных характеристик.
4. Результаты теоретических исследований и математического моделирования, устанавливающие закономерности взаимовлияния структур и параметров ИП, управляемых преобразователей СИП в совокупности с нагрузкой, в том числе особенностей процессов циркуляции энергии между блоками СИП, а также между СИП и нагрузкой; тепловых процессов в полупроводниковых приборах СИП с ЗП на IGBT и самовозбуждения колебаний в СИП с нелинейным высокочастотным трансформатором.
5. Корректоры коэффициента мощности (ККМ) СИП, состоящие из трансформаторно-вентильного или вентильного корректора коэффициента сдвига (ККС) и транзисторного корректора коэффициента искажения (ККИ), результаты имитационного моделирования трансформаторно-вентильного ККС и транзисторного ККИ, а также определение их параметров.
6. Метод управления СИП для формирования импульсов тока сложной формы, основанной на нейросетевых принципах. Математические модели и микропроцессорные системы управления устройствами повышения электромагнитной совместимости СИП с источником питания (трехфазными трансформаторно-вентильными ККС и транзисторными ККИ). Алгоритм управления электроприемниками системы электропитания радиолокационных станций.
Научная новизна
1. Предложенные и обоснованные в работе структуры и схемы построения силовой части СИП, состоящих из зарядного преобразователя, накопителя энергии и разрядного преобразователя с нагрузкой, отличаются новизной технических решений, реализуемых на современной элементной базе, подтвержденных 7-ю авторскими свидетельствами на изобретения и 7-ю патентами на полезную модель, глубиной теоретической проработки, наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к СИП в основных областях их применения.
2. Новым в обобщении и развитии теории СИП, выполненных в работе, является разработка методов анализа и расчета СИП, отличающихся от известных в силовой электронике в связи со спецификой структур СИП, синтезируемых из каскадно соединяемых функциональных групп, и разнообразием схем основных блоков СИП.
3. Используемые модели отличаются сочетанием в них моделей, взятых из библиотеки MATLAB Simulink, и обоснованных автором специализированных моделей, полученных на базе электрических схем замещения СИП, отсутствием ряда упрощающих допущений, принимаемых при аналитическом расчете электромагнитных процессов и основных характеристик зарядного и разрядного преобразователей. Их новизна подтверждена семью свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ. Моделирование позволило проанализировать ряд интегральных характеристик всего комплекса «питающая сеть – зарядный преобразователь – накопитель энергии – разрядный преобразователь с нагрузкой» (энергетические, регулировочные, динамические), режимы работы компонентов в стационарных и динамических режимах, уточнить требования к параметрам схем и влияние СИП на питающую сеть.
4. Научно обоснована целесообразность расширенного использования энергообмена между отдельными блоками СИП, а также СИП и нагрузкой. Показаны новые области применения нерегулируемого и предложены варианты регулируемого энергообмена, что позволяет повысить технико-экономические показатели СИП. Разработан метод комплексного исследования, отличающийся учетом взаимосвязи одновременно протекающих электромагнитных процессов в силовых цепях СИП и тепловых процессов в полупроводниковых приборах, а также электрохимических процессов в ГО, на основании которого получены соотношения параметров, обеспечивающие повышение эффективности использования оборудования СИП.
5. Предложены новые устройства для повышения электромагнитной совместимости СИП с сетью: трансформаторно-вентильный и вентильный ККС, а также транзисторный ККИ. На вентильный вариант ККМ получен патент на полезную модель.
6. Предложен способ оперативного управления СИП, отличающийся применением нейросетевых методов, позволяющий формировать импульсы заданных сложных форм в нелинейной нагрузке. Выполнено математическое обоснование разработанных принципов управления корректорами коэффициента сдвига и коэффициента искажения, отличающихся высоким быстродействием в динамических режимах и позволяющих обеспечить заданный уровень электромагнитной совместимости СИП с сетью при изменении режима работы СИП.
Практическая ценность работы
1. На основе предложенных принципов построения, новых технических решений, методов управления разработаны СИП для ПУ РЛС, ГО, ЛТУ, ЭФУ с расширенными функциональными и улучшенными технико-экономическими показателями, нашедшие применение в различных научных организациях и промышленности.
2. Предложенная обобщенная теория агрегатирования и покаскадного синтеза СИП, а также комплекс математических моделей и специализированных программ для исследования многовариантных СИП используются при выполнении НИОКР СИП РЛС, ГО, ЛТУ, ЭФУ.
3. Результаты исследований и анализа особенностей протекания физических процессов и циркуляции энергии в системе «ИП – СИП – нагрузка», включающей в себя СИП различных структур, позволяют повысить эффективность и надежность их работы и дают необходимый материал для инженерного выбора топологического и схемного решений.
4. Выявленные функциональные зависимости между параметрами основных элементов преобразователей и их рациональные соотношения являются основой инженерной методики проектирования СИП различного назначения.
5. Результаты разработок новых технических решений СИП, математические модели и специализированные программы используются в учебном процессе.
Реализация результатов работы
Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в следующих организациях: 1) ФНПЦ «Нижегородский НИИ радиотехники» (г. Н. Новгород) – система импульсно-фазового управления вентильно-электромагнитным регулятором напряжения в трех серийно выпускаемых РЛС с ПАР; высокочастотный преобразователь для СИП передающего устройства и общая система электропитания РЛС в серийно выпускаемых РЛС с АФАР;
2) научно-производственном предприятии «ТЕХОЗОН» (г. Дзержинск, Нижегородской обл.) – системы импульсного питания для двух серий озонаторов ТМ, ТС; 3) ИПФ РАН (г. Н. Новгород) – в высоковольтных зарядных устройствах для ЭФУ, в разрядных устройствах на базе комбинированных накопителей энергии для питания соленоидов импульсных магнитных полей и специализированных лазеров; 4) в учебном процессе в Волжской государственной академии водного транспорта (г. Н. Новгород), в НГТУ им. Р.Е.Алексеева (г. Н.Новгород) в виде учебно-методических пособий «Разрядные устройства силовых импульсных преобразователей с комбинированным накопителем энергии» (4,5 п.л.), «Системы импульсного электропитания озонаторов» (5,0 п.л.), «Математическое моделирование систем импульсного электропитания» (5,5 п.л.), «Зарядные преобразователи систем импульсного электропитания» (7,0 п.л.).
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на III, IV, V Всесоюзных конференциях «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1983, 1987, 1991 г.г.); I Всесоюзной конференции «Импульсные источники энергии для физических и термоядерных исследований» (Москва, 1983 г.); межотраслевой конференции «Применение полупроводниковых преобразователей для экономии металлов в машиностроении» (Уфа, 1983 г.); Всесоюзной конференции «Применение преобразовательной техники в энергетике и электротехнологических установках» (Тольятти, 1984 г.); V Всесоюзной конференции «Автоматизация новейших электротехнических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей (Уфа, 1984 г.); III и IV Международных (XIV и XV Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу (Н. Новгород – 2001 г., Магнитогорск – 2004 г.); Всероссийских конференциях с международным участием «Проблемы электроники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2004, 2007 г.г.); VIII, IX, X Всероссийских конференциях по электромагнитной совместимости (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2008 г.г.); Всемирном электротехническом конгрессе ВЭЛК – 2005 (Москва, 2005 г.); конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, 2005, 2007 г.г.); XI Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2006 г.); Международной конференции «Проблемы автоматизации в технических системах» (Пенза, 2007 г.); I Всероссийской конференции по средствам электропитания (Санкт-Петербург, 2007 г.); VII Международной молодежной конференции «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2008 г.); отраслевой конференции «Радиолокация. Теория и практика» (Н. Новгород, 2008 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 108 работ, в том числе 1 монография, 12 работ в ведущих рецензируемых изданиях, реферируемых ВАК, 23 работы в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций, 7 авторских свидетельств на изобретения, 8 патентов на полезную модель, 7 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ и 4 учебно-методических пособия.
Структура и объем диссертации
Основное содержание диссертации изложено в 6 главах на 397 страницах, в том числе 202 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 233 наименований. Приложение содержит 75 страниц.
