Введение к работе
Актуальность темы. Регулируемые элементы и устройства составляют основу значительной части систем автоматики, измерительной, преобразовательной и вычислительной техники. В настоящее время разработано значительное число типов используемых элементов и принципов регулирования. Достаточное распространение получили регулируемые элементы аналогового типа, использующие естественную нелинейность своих характеристик.
Применение в качестве основы для построения таких устройств трансформаторов, в которых откликом на управляющее воздействие является изменение величины коэффициента передачи напряжения, позволило разработать целый класс устройств преобразования параметров сигналов . Такие устройства обеспечили решение большого круга задач, связанных с преобразованием сигналов (умножение частоты, модуляция, амплитудная селекция, фильтрация, преобразование спектра, функциональное преобразование амплитуды, стабилизация амплитуды), а также с логической обработкой и запоминанием логического признака гармонического сигнала. Они обладают такими достоинствами, как возможность управления видом функциональной характеристики, малые искажения формы выходного сигнала, наличие гальванической развязки и многофункциональность, заключающаяся в возможности использования одной базовой структуры для решения ряда технических задач.
Принципы функционирования таких устройств были разработаны научными коллективами Рыбинской авиационной технологической академии и Рязанской радиотехнической академии при непосредственном участии автора. Был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, нашедших отражение в ряде публикаций, выступлений и практическом использовании в промышленности [1 13,15 -44].
Однако управление, основанное на использовании естественной нелинейности основной кривой намагничивания ферромагнитного материала, сужает функциональные возможности таких устройств, а неполное использование свойств магнитопровода не позволяет им обеспечивать высокие энергетические характеристики, что делает нецелесообразным применение их в устройствах силовой преобразовательной техники. Кроме того, вследствие разброса и нестабильности характеристик ферромагнитных материалов такие элементы не позволяют обеспечить высокую точность обработки информации.
Вместе с тем анализ тенденций развития систем управления различными технологическими процессами по данным отечественных и зарубежных
источников показывает, что применение принципов дискретного и комбинированного дискретно - непрерывного регулирования параметров позволяет существенно улучшить технико - экономические показатели таких систем.
Дискретное регулирование параметров элементов за счет введения в их состав управляемых ключей, объединенных в определенные структуры, позволило соединить достоинства современной базы пассивных элементов (высокую стабильность, точность, большую мощность, широкий диапазон номинальных значений и т.д.) с гибкостью алгоритмов цифрового управления. При этом, как показали исследования, выполненные научными коллективами института электродинамики АН УССР, Рязанской радиотехнической академии, Рыбинской государственной авиационной технологической академии и непосредственно автором, а также зарубежными специалистами, использование в качестве основного узла трансформаторных регулируемых элементов позволило обеспечить гибкость и многофункциональность управления, что существенно расширило область практического применения устройств с такими регуляторами.
По этой причине многие исследователи в своих разработках стали использовать трансформаторы с дискретным регулированием напряжения за счет коммутации витков в секциях обмоток. Наиболее интенсивно эти работы велись в институте электродинамики АН УССР. При этом были разработаны и исследованы основные принципы построения таких элементов. Специалистами Рязанской радиотехнической академии эти элементы были успешно применены для создания стабилизаторов переменного напряжения, чем были обеспечены широкий диапазон регулирования, высокий КПД и малый уровень искажений напряжения сети.
Одновременно рядом авторов проводились исследования по практическому применению резистивно - ключевых и конденсаторно - ключевых элементов. При этом были получены достаточно хорошие результаты. Так, при дискретном регулировании тембра помимо высокой надежности, отсутствия начального скачка сигнала и малого уровня помех в диапазоне частот 20 ... 20000 Гц при регулировании с шагом 3 ... 0,5 дБ достигнута неравномерность АЧХ 1 дБ, коэффициенте гармоник < 0,15 % и отношении сигнал/шум > 80 дБ, а дискретно - непрерывное формирование сигналов помимо возможности программного управления параметрами позволило обеспечить диапазон частот до сотен кГц, а нелинейные искажения - в диапазоне 0,2 ... 0,5 %. Были созданы аттенюаторы с интегральной нелинейностью < 10_3% в диапазоне регулирования 10 дБ и различные функциональные преобразователи (логарифмические, показательные, степенные) с динамическим диапазоном 60 ... 80 дБ и более и погрешностью 2 ... 4 %.
Применение принципов дискретного регулирования позволяет сочетать в устройствах систем управления одновременно и простоту сопряжения с цифровыми схемами, и преимущества интегральной полупроводниковой технологии, обеспечивающей высокие технические характеристики, такие, например, как создание резистивных матриц с разбросом абсолютного значения номиналов ±10 % и относительного ±0.02 % при температурной нестабильности коэффициента отношения сопротивлений менее Ю-5 1/град.
Приведенные примеры свидетельствуют о целесообразности широкого применения в новых разработках дискретно регулируемых элементов различного назначения. Вместе с тем существует ряд недостатков в указанной области исследований:
до настоящего времени не разработаны достаточно совершенные модели самих элементов и общие методы их анализа;
не в полной степени исследованы функциональные и технические возможности различных управляющих структур (комбинированного цифро-аналогового управления, управления многозонными объектами) и ряда структурных элементов (компараторов, измерителей, формирователей и генераторов управляющих сигналов);
слабо исследованы вопросы повышения надежности, в частности методы управления дискретно регулируемыми элементами в условиях нестабильных промышленных сетей и сетей с искаженной формой напряжения;
не исследовано влияние на питающую сеть ряда преобразовательных структур;
не исследованы вопросы повышения точности при широкодиапазон-ном регулировании.
Цель работы. Разработка теории и принципов построения устройств преобразования параметров технологических процессов и электроэнергии на основе МДРЭ с улучшенными эксплуатационными характеристиками. При этом решаются следующие основные задачи: 1. Создание математических моделей МДРЭ и их структурных составляющих. 2. Разработка алгоритмов и схем управления МДРЭ. 3. Анализ существующих и нахождение новых технических решений. 4. Разработка методов анализа и улучшения технических характеристик устройств. 5. Разработка методов быстрого измерения амплитуды и среднеквадратичного за период значения напряжения. 6. Практическая реализация результатов исследований.
Научная новизна. Сформулирована и решена народнохозяйственная проблема разработки МДРЭ и устройств преобразования информации и параметров электрической энергии с улучшенными эксплуатационными
характеристиками на их основе, в частности: 1 Введено понятие многофункционального дискретного регулируемого элемента (МДРЭ), включающее в себя как известные, так и вновь разрабатываемые элементы, которые находят самостоятельное применение в качестве электрорадиоэлементов с регулируемыми характеристиками (дискретно регулируемые трансформаторы, дроссели, конденсаторы, резисторы), а также используются в качестве основного узла дискретных регуляторов (ДРН) и преобразователей (ДППН) переменного напряжения схем различного назначения. Это позволило выявить общие структурные особенности таких элементов, определило единые подходы к анализу и синтезу на их основе устройств и систем управления различного назначения. 2. Предложено матричное описание МДРЭ и его структурных составляющих, разработан метод определения матрицы управления коммутацией ключевых исполнительных структур. 3. На основании аппарата теории матриц разработан метод анализа электромагнитных цепей, на основе которого созданы методы топологического и параметрического преобразований для исследования МДРЭ трансформаторного типа. 4. Предложены варианты новых схем МДРЭ, получена зависимость коэффициента передачи от управляющего кода. 5. Разработаны принципы управления МДРЭ в ДППН ( непосредственное, жесткое, гибкое, следящее ) и предложены варианты новых схем устройств различного назначения. 6. Предложены новые варианты схем быстродействующих измерителей амплитуды и среднеквадратичного за период значения переменного напряжения. 7. Разработаны и исследованы принципы времявариантного регулирования, регулирования смещением полуволн и регулирования с повышенной равномерностью энергопотребления. 8. Предложены способы улучшения ряда технических характеристик устройств на основе МДРЭ.
Практическая ценность. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать базу для разработки целого класса высокоэффективных устройств с цифровым программным управлением, в частности регуляторов и стабилизаторов переменного напряжения, преобразователей частоты, функциональных преобразователей формы сигнала, регуляторов и компенсаторов реактивной мощности, управляемых аттенюаторов, генераторов сигналов специальной формы, задат-чиков напряжения, функциональных преобразователей амплитуды, фазорегуляторов, сопряженных регуляторов параметров электрических цепей, регуляторов тембра, устройств для ступенчатого подключения потребителей к сети, устройств многозонного регулирования, измерителей логарифмического декремента затухания, измерителей параметров гармонической вибрации, комплексных регуляторов амплитуды и фазы.
Такие устройства позволили осуществить решение следующих технических задач: повышение КПД, уменьшение искажений формы напряжения при регулировании, сопряжение с цифровыми схемами управления с целью реализации различных алгоритмов преобразования, программное изменение параметров, увеличение коэффициента мощности реактивной нагрузки, повышение точностных характеристик, исключение начального скачка при регулировании, исключение электрической дуги, повышение надежности, уменьшение помех при регулировании, воспроизведение сетки сигналов, комплексное регулирование параметров, многозонное регулирование, повышение равномерности энергопотребления, быстрое измерение амплитуды и среднеквадратичного за период значения напряжения.
Разработаный метод анализа электромагнитных цепей, а также созданные на его основе алгоритмы и программы исследования могут найти применение при создании прикладных программ анализа электромагнитных устройств различного назначения.
Публикация результатов. Представленные исследования являются составной частью хоздоговорных и госбюджетных НИР 1980 - 95 гг., выполненных при непосредственном участии автора.
Основные результаты диссертационной работы внедрены: при создании стабилизатора скорости вращения вала намоточного станка СНТИ - 2 на Рыбинском электротехническом заводе; регуляторов напряжения РПН -1, РПН - 1а и РПН - 2, а также регулятора стабилизированного напряжения РСН - 1 в Рыбинской авиационной технологической академии ; источника стабилизированных напряжений на Андроповском заводе по ремонту радио и телевизионной аппаратуры; измерителя логарифмического декремента затухания ИЛДЗ и измерителя ускорения и скорости гармонической вибрации ИУСП в Рыбинском конструкторском бюро "Луч" ; стенда регулируемых элементов и стенда испытания трансформаторов в лаборатории испытаний РЭА Рыбинской авиационной технологической академии ; компенсатора реактивной мощности на ряде предприятий министерства электронной и электротехнической промышленности, в частности на Донецком заводе радиодеталей АО " Алунд" ; в статическом преобразователе частоты на предприятиях министерства радиопромышленности; в имитаторе промышленной сети ТОО "КРИСТА".
Результаты работы использованы в учебном процессе Рыбинской авиационной технологической академии в дисциплинах: "Учебно - исследовательская работа студентов", "Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы", "Испытания РЭА и испытательное оборудование" , что нашло отражение в 5 учебных пособиях, изданных типографским способом.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей" (г. Ульяновск, 1978 г.); научно-технической конференции "Повышение эффективности электромагнитных и полупроводниковых преобразователей энергии в системах управления" (г. Владимир, 1986 г.); научно-технических семинарах "Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры" (г. Москва, 1986 и 1989 гг.); IV Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники " ( г. Киев, 1987 г.); межотраслевых научно-технических конференциях по средствам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры ( г. Ленинград, 1987 и 1990 гг.); второй Всесоюзной конференции "Системы автоматического управления летательными аппаратами" (г. Москва, 1988 г.); семинаре "Высокоэффективные экономичные устройства энергетической электроники с применением мощных полевых транзисторов" (г. Киев, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной преобразовательной и полупроводниковой техники" (г. Москва, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Современные методы и средства информационно-преобразовательных систем" (г. Челябинск, 1990 г.); Российской научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении " (г. Рыбинск, 1994 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 141 работе, в том числе 1 монографии и 69 авторских свидетельствах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, перечня использованной литературы, приложений. Работа содержит 352 с. машинописного текста, включающие 245 с. основного текста, 12 с. таблиц, 82 с. иллюстраций, 13 с. библиографического списка из 166 наименований.
