Содержание к диссертации
Введение
1. Энергетические свойства электропривода 9
1.1. Энергетический канал электропривода 9
1.2. Энергетические показатели управляемых преобразователей переменного тока в постоянный 24
1.3. Питающая сеть 36
Выводы 44
2. Нечеткое управление в электроприводе 46
2.1. Перспективы применения нечеткого управления в электроприводе 46
2.2. Синтез стабилизации скорости системы «управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока с нечетким регулятором» 55
2.3. Автоматизированный расчет 61
2.4. Моделирование системы на базе нечеткого регулирования 66
2.5. Построение графиков переходных процессов системы управления
на базе нечеткого регулятора 68
2.6. Сравнительный анализ результатов моделирования 69
Выводы 77
3. Регулируемые источники постоянного тока с улучшенными энергетическими показателями 79
3.1. Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный на базе полностью управляемых приборов и устройств 83
3.2. Установившиеся режимы и энергетические характеристики компенсированного преобразователя
с конденсаторным фильтром 85
Выводы 107
4. Технико-экономические показатели энергосберегающего комплекса «компенсированный выпрямитель -электропривод постоянного тока с нечетким регулятором скорости» 110
4.2. Обобщенное представление эффективности применения полупроводниковых преобразователей для питания регулируемых электроприводов 110
4.1. Расчет универсальных характеристик узла искусственной коммутации компенсированного выпрямителя 118
4.3. Методика определения экономической эффективности использования компенсированного выпрямителя 126
4.4. Сравнительный анализ показателей компенсированных выпрямителей и выпрямителей с естественной коммутацией 129
Выводы 130
Заключение 131
Библиографический список
- Энергетический канал электропривода
- Перспективы применения нечеткого управления в электроприводе
- Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный на базе полностью управляемых приборов и устройств
- Обобщенное представление эффективности применения полупроводниковых преобразователей для питания регулируемых электроприводов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время, когда каждая новая тонна первичных энергетических ресурсов (угля, нефти, газа и т.д.) обходится существенно дороже, чем ранее добытая, неизмеримо возросла роль энергосберегающей политики. Одной из важнейших в политике энергосбережения является проблема снижения потерь и повышения качества электрической энергии в электрических сетях, питающих установки энергоемкой электротехнологии, горнорудного железнодорожного транспорта и других производств, где потребление энергии осуществляется на постоянном токе.
В агрегатах, состоящих из электродвигателя и рабочей машины, энергосбережения можно добиться двумя основными способами:
искать новые научно-технические и конструктивные решения для обоих компонентов агрегата, обеспечивающих повышение его КПД (т.е. снижения потерь в процессе преобразования электрической энергии в механическую или иную);
искать пути выполнения технологического процесса с наименьшими энергетическими затратами во всех звеньях от источника питания до последней стадии процесса.
Первый путь в электромеханике был исчерпан к 90-м годам XX века, когда КПД электроприводов и большинства машин превысили значения 0,9. Естественно, поиски новых конструкций (модернизаций) идут и в настоящее время. Но, при этом, в энергосбережении можно выиграть только единицы или доли процента. Второй путь - это рациональный способ преобразования механической энергии, развиваемой электроприводом, в полезную через более совершенную технологию - актуален. Так, например, если регулируемый электропривод не участвует непосредственно в технологическом процессе, то добиться значительной величины энергосбережения невозможно. И наоборот, если регулируемый электропривод функционально завязан в технологии, то эффективность энергосбережения резко возрастает.
Наибольший эффект достигается при системном подходе к энергосбережению в электротехнических системах, увязывая решение задач электромаг-
нитной совместимости элементов силового электрооборудования с параметрами сети и задачи энергосбережения в технологическом оборудовании в единый комплекс. Так, в комплексе «управляемый выпрямитель - электропривод постоянного тока» энергосбережение может быть достигнуто за счет более совершенных систем управления электроприводами и применения новой технологии преобразования переменного тока в постоянный.
Суть этой технологии преобразования состоит в организации комбинированной коммутации, когда катодная (или анодная) группа работает в режиме искусственной коммутации с опережающими углами управления, а анодная (или катодная) группа - в режиме естественной коммутации. Такие преобразователи получили название компенсированных. Они отличаются от обычных управляемых выпрямителей и выпрямителей с искусственной коммутацией в анодной и катодной группах по энергетическим показателям и по более улучшенной электромагнитной совместимости с питающей сетью.
Таким образом, для энергосбережения системный подход к решению задач в области создания автоматизированных электроприводов и энергосберегающих технологий преобразования переменного тока в постоянный является актуальным.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы в соответствии с Федеральным законом «Об энергосбережении» и с указанием Государственного комитета РФ по высшему образованию в Воронежском государственном техническом университете.
Целью работы является разработка энергосберегающего комплекса «компенсированный выпрямитель - электропривод постоянного тока» посредством применения технологии нечеткого управления и компенсированного выпрямителя с улучшенными энергетическими показателями, позволяющего эффективно экономить электроэнергию.
Идея работы заключается в разработке нечеткой системы управления регулируемым электроприводом постоянного тока с применением компенсированного выпрямителя, обладающего новыми качественными показателями.
Задачи работы. Для разработки и исследования энергосберегающего
комплекса «компенсированный выпрямитель - электропривод постоянного тока с нечетким регулятором скорости» поставлены следующие задачи:
анализ энергетических характеристик всех элементов силового канала, участвующих в передаче, преобразовании и потреблении энергии с целью выявления энергетических затрат в элементах с целью повышения эффективности комплекса в целом и определении путей энергосбережения в системе;
разработка и исследование нечеткой системы управления электроприводом постоянного тока, инвариантной к изменению параметров элементов силовой части;
разработка и исследование быстродействующего выпрямителя с энергосберегающей технологией преобразования переменного тока в постоянный с одновременным улучшением электромагнитной совместимости с питающей сетью;
определение энергетических показателей компенсированных выпрямителей и их сравнительный анализ с выпрямителями, работающими при естественной коммутации вентилей;
разработка универсальных характеристик узла искусственной коммутации в компенсированном выпрямителе;
разработка методики определения технико-экономических показателей компенсированного выпрямителя. !
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
проведен системный анализ энергетических процессов в силовом канале регулируемого электропривода постоянного тока, позволивший оптимизировать работу отдельных узлов и пути по энергосбережению;
синтез системы стабилизации скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения на базе нечеткого регулятора, обладающей свойствами инвариантности к изменению параметров элементов и внешним воздействиям;
предложен компенсированный выпрямитель с модернизированным узлом защиты от перенапряжений в звене искусственной коммутации, обладающий новыми энергосберегающими свойствами по сравнению с выпрямителями при естественной коммутации;
разработаны универсальные характеристики узла искусственной коммутации, позволяющие осуществлять проверку на нагрев двигатель, определять энергетические показатели узла - КПД и коэффициент мощности;
разработана методика определения технико-экономических показателей компенсирован ного преобразователя.
Практическая значимость работы:
применение в структуре управления электроприводом нечеткого регулятора придает системе свойства невосприимчивости (инвариантности) к изменениям параметров системы и внешних возмущений, позволяет сделать ее структуру гибкой и использовать в нелинейных системах;
применение комбинированной искусственной коммутации позволило получить новые качественные изменения в режиме работы выпрямителя: исключен обмен реактивной мощностью между сетью и выпрямителем при любых углах управления; потребляемая из сети мощность определяется только активной составляющей и мощностью искажения, существенно сокращаются потери активной энергии и улучшается электромагнитная совместимость с питающей сетью.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использованы структурные методы теории автоматического регулирования, математический аппарат нечеткой логики, теория электрических цепей, методы моделирования динамических процессов на ЭВМ, сравнение с результатами, полученными другими исследователями.
Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений диссертационной работы, конкретных выводов и рекомендаций, адекватность предложенных моделей и методик подтверждены положительными результатами сравнительного анализа данных моделирования и расчета отдельных узлов, а также результатами, полученными другими авторами.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный компенсированный выпрямитель с улучшенными энергетическими показателями и полученные универсальные характеристики узла искусственной коммутации используются при выполнении проектных работ в ОАО «Липецкий гипромез».
т*
Кроме того, основные практические и теоретические результаты работы используются в учебном процессе при прохождении производственных практик, при выполнении курсовых и дипломных работ на кафедре электромеханических систем и систем электроснабжения Воронежского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй всероссийской научно-практической конференции: «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях» (Новокуз-
vs нецк, СибГИУ, 2004); IV и V Международных научно-практических конферен-
циях: «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими»
(Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ), 2004, 2005); Международной школе-конферен-
^ ции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, ВТЭС, 2005); XII Меж-
дународной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2006», (Томск, ТПУ, 2006).
і_ч Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9
научных работ, в том числе 6 без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце работы, лично соискателем предложены: в [155, 158] - исследованы установившиеся режимы и энергетические характеристики компенсированного преобразователя с конденсаторным фильтром; [157] — разработка компенсированного выпрямителя с модернизированным узлом защиты от перенапряжений в звене искусственной коммутации.
W* Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе-
ния, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 158 наименований и 8 приложений. Основная часть изложена на 147 страницах текста, содержит 48 рисунков, 12 таблиц. Приложения на 83 страницах содержат 17 таблиц и 40 рисунков.
Энергетический канал электропривода
Энергосбережение (или рационализация производства, распределения и использования всех видов энергии) стало в последние годы одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Энергосбережение в любой форме сводится к снижению бесполезных потерь. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что основная составляющая потерь (до 90%) приходиться на сферу потребления [1,2].
В течение длительного отрезка времени в России и странах СНГ отпускная цена на энергоносители была значительно ниже фактической стоимости, что не стимулировало оптимизацию энергопотребления и внедрения энергосберегающих технологий. По оценкам специалистов среднее энергопотребление на единицу валового национального продукта и сейчас в РФ в 2-3 раза превышает соответствующие показатели передовых стран мира. Опережающий рост стоимости энергоносителей привел к тому, что энергетическая составляющая в себестоимости готовой продукции на предприятиях достигает 20-60% [3]. Поэтому чрезвычайную важность приобретает разработка комплекса технических и организационных мероприятий, направленных на оптимальное использование энергетических ресурсов. На решение этих задач направлен Федеральный закон «Об энергосбережении» от 3 апреля 1996 г. Федеральный закон регулирует отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения, в целях создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов.
Из спектра различных решений, применяемых для энергосбережения, одно из наиболее эффективных и быстро окупаемых, требующих относительно небольших капиталовложений - внедрение высокотехнологичной и наукоемкой энергосберегающей техники - регулируемых электроприводов, позволяющих оптимизировать режимы работы механизмов в широком диапазоне изменения нагрузок. Существует большое разнообразие конкретных технологических установок с установленной мощностью исполнительного двигателя от долей ватта (роботы и манипуляторы) до десятков мегаватт (шагающие экскаваторы, буровые установки, прокатные станы и др.).
При всем многообразии реализаций в электроприводе осуществляется один и тот же фундаментальный физический процесс - электромеханическое преобразование энергии, всегда электрическая энергия превращается в механическую работу или за счет механической работы получается электрическая энергия, всегда это происходит в конкретной материальной среде, всегда часть энергии при этом теряется.
Рассмотрим процессы, существенно влияющие на ситуацию в области энергосбережения и определяющие тенденции ее развития.
Первый процесс - рост энергоемких технологий в народном хозяйстве при возрастающей сложности получения энергии, дефиците доступных энергоресурсов. Этот быстро прогрессирующий процесс определяет необходимость экономии энергии вообще и электроэнергии, в частности.
Второй процесс - усложнение технологических операций и рост требований к качеству их выполнения. Там, где до недавнего времени устраивал простейший неуправляемый привод, сегодня необходим управляемый.
Третий процесс - появление и бурное развитие совершенных технических средств управления: силовых полупроводниковых приборов, элементов микроэлектроники, микропроцессорной техники и т.п.
Четвертый процесс - появление вычислительных средств, открывающих новые возможности рационального проектирования электропривода в каждом конкретном случае с учетом многих факторов, с оптимизацией различных признаков и свойств.
Поэтому в современных условиях особое значение приобретает комплекс вопросов, связанных с энергосбережением в электроприводе, поскольку с одной стороны, особенно острой стала проблема экономии электроэнергии и, с другой — появились реальные возможности ее эффективного решения применительно к главному ее потребителю — электроприводу.
Рассмотрим на примере электропривода, имеющего последовательное соединение элементов в энергетической части, образующих силовой канал, процессы передачи и преобразования энергии (рис. 1.1). В ее составе - силовые элементы, т.е. элементы, непосредственно участвующие в процессе преобразования электрической энергии в механическую (и обратно), и элементы, преобразующие информацию, необходимую для управления процессом преобразования энергаи. Элементы, передающие и преобразующие энергию, на схеме выделены жирными линиями.
Перспективы применения нечеткого управления в электроприводе
Постоянное возрастание требований к электроприводу по таким показателям как надежность, точность, быстродействие, качество воспроизведения движения, энергетическая эффективность, ресурсоемкость, электромагнитная и информационная совместимость, вызывает необходимость совершенствования всех элементов, составляющих электропривод. Это достигается как за счет изменения конструкции электрических машин, так и за счет более качественного управления электрическим преобразователем в силовом канале. С технической точки зрения наибольший интерес представляют уникальные, прецизионные системы, вбирающие последние достижения научной и технической мысли [21, 22, 50, 68, 74]. Однако наибольший экономический эффект дают массовые электроприводы. Основной тенденцией развития массового электропривода на современном этапе является переход от простейшего нерегулируемого к регулируемому электроприводу. Обычно понятие «регулируемый привод» связано с управлением скоростью рабочего органа. Однако в более широком смысле регулируемый привод - это привод, управляемый электроникой [31, 56, 57]. Даже тогда, когда не требуется изменения скорости, электроника может расширить функциональные возможности электропривода (повышение пускового момента, ограничение токов, повышение уровня защиты и диагностики, большая надежность работы). Долгое время массовое применение регулируемых приводов сдерживалось ограничением сложности алгоритмов управления, реализуемых в аналоговой форме или на цифровых микросхемах малой и средней степени интеграции. Создание однокристальных микроконтроллеров достаточной вычислительной мощности обусловило возможность массового внедрения сложных цифровых систем управления электроприводом.
Стремительный рост уровня промышленных технологий и средств производства спровоцировал еще более стремительный рост сложности объектов, те или иные параметры которых в процессе функционирования необходимо изменять в соответствии с заданным алгоритмом. В связи с этим в последнее время перед разработчиками автоматических систем регулирования и средств автоматики все чаще встают задачи управления либо достаточно неопределенными объектами, либо объектами, структура и /или/ параметры которых в процессе функционирования могут подвергаться значительным и непредсказуемым девиациям. К числу таких объектов управления можно отнести как всевозможные химические и технологические процессы, так и различные электромеханические системы и, в частности, системы электроприводов.
Эффективное решение широкого спектра непрерывно усложняющихся задач управления технологическим оборудованием возможно лишь в условиях постоянного совершенствования существующих и разработки новых подходов к реализации методов и алгоритмов регулирования. Интенсивное развитие средств цифровой техники (управляющих ЭВМ, микропроцессоров, программируемых логических контроллеров и т.п.) открыло широкие перспективы для построения качественно новых типов адаптивных ЭП, комбинирующих в себе традиционные методики построения систем управления с новыми технологиями обработки информации [28, 78, 79]. Это дает возможность вывести объективные преимущества классических адаптивных алгоритмов регулирования на более высокий уровень.
Перспективным направлением в построении адаптивных систем управления неопределенными и нестационарными объектами является применение интеллектуальных технологий (технологий искусственного интеллекта) обработки информации [62, 78, 79]. Под технологиями искусственного интеллекта в данном случае подразумеваются методики, ориентированные на синтез управляющих алгоритмов, обеспечивающих принятие решений высокого уровня сложности и трансформацию стратегии управления объектом в условиях действующих на него параметрических и внешних возмущений, имитируя функции человека-оператора.
Подход к решению задач адаптивного управления в условиях неопределенной входной информации с позиций технологий искусственного интеллекта основан на принципах автоматизации процедуры выбора оптимальных решений из множества формируемых моделей поведения объекта регулирования и способности обеспечить самоорганизацию всей системы за счет нелинейного сочетания эвристических алгоритмов. Системы, реализованные с применением интеллектуальных методик, принято называть системами интеллектуального управления. Управляющие воздействия в них являются результатом комплекса операций автоматизированного сбора, хранения, логической обработки информации и принятия решения в условиях частично неопределенной информации об объекте.
Наибольшее распространение среди интеллектуальных технологий формирования адаптивных алгоритмов регулирования в области ЭП получила технология нечеткого управления (Fuzzy-control). Данная технология представляет собой простой и эффективный метод решения задач управления, базирующийся на интуитивно-эмпирическом подходе к описанию свойств неопределенных и нестационарных объектов. Концепцию управляющих алгоритмов на базе нечеткой логики (Fuzzy-logic) можно рассматривать как формализацию целого ряда технологий в области синтеза систем управления. Известно, что в традиционных системах управления электроприводами управляющее воздействие является результатом поиска ряда ключевых решений, которые в свою очередь определяются по заранее заданному и в той или иной степени формализованному алгоритму. При этом в большинстве случаев поиск таких алгоритмов является сложной математической задачей, требующей к тому же определенных допущений и упрощений. Кроме того, структура самих алгоритмов всегда привязана к параметрам объекта управления, при изменении которых оптимальность законов регулирования теряется. Часто сами математические исследования объекта связаны с трудностями, а иногда и просто невозможны, что соответственно приводит к объективным трудностям при реализации систем управления и регулирования с использованием классических подходов. Используя нечеткие алгоритмы управления, представляется возможным связать между собой входные и выходные координаты объекта без составления его математической модели.
Базируясь на принципах теории нечеткой логики, технология нечеткого управления позволяет реализовать эвристический подход к формированию закона регулирования, заключающийся в описании структуры и принципов функционирования объекта с помощью набора логических правил определенной структуры. Данный набор правил (база правил) фактически определяет стратегию управления объектом в наиболее характерных точках пространства изменения координат. Принцип функционирования систем, построенных с применением технологии нечеткого управления заключается в «подборе» (в соответствии с базой правил) для каждой рабочей точки системы наиболее подходящего значения управляющего сигнала. Такой подход дает возможность упростить процедуру синтеза управляющих алгоритмов в условиях полной или частичной неопределенности во взаимосвязях между параметрами объекта и внешними воздействиями за счет привнесения в систему экспертного опыта.
Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный на базе полностью управляемых приборов и устройств
Выбор элементной базы преобразователей рассматриваемого класса осуществляется с учетом преобразуемой мощности. Силовые цепи управляемых ти-ристорных преобразователей с искусственной коммутацией должны содержать, как правило, три функциональные части: тиристорный выпрямитель, устройство искусственной коммутации (УИК) и устройство защиты от коммутационных перенапряжений (УЗП). УИК служит для прерывания протекающего через тиристоры тока, в результате чего достигается эффект двухоперационного управления преобразователем. Усовершенствование конденсаторной коммутации происходит в направлении отделения цепей коммутации от нагрузки, обеспечивающем инвариантность процессов прерывания тока вентилей от параметров и процессов в цепи выпрямленного тока. Одновременно существует тенденция к уменьшению необходимой емкости коммутирующих конденсаторов путем создания таких УРІК, в которых она определяется лишь временем восстановления запирающих свойств тиристоров. Все это способствует улучшению регулировочных свойств преобразователей, а также делает их внешние характеристики более жесткими и линейными с высокой добротностью и собственной частотой порядка нескольких кГц [107, 112, 113]. Такие УИК обеспечивают надежное и практически мгновенное выключение силовых тиристоров в любой части диапазона регулирования при любой допустимой величине протекающего тока.
В транзисторных схемах применение конденсаторов может обеспечить плавный принудительный перевод тока нагрузки во время коммутации из фазы с большим напряжением в фазу с меньшим напряжением сети. Это облегчает условия работы транзисторных ключей в схемах выпрямления. Стремление уменьшить емкость коммутирующих конденсаторов в тиристорных преобразователях влечет за собой необходимость разработки эффективных устройств защиты от коммутационных перенапряжений. Такие УЗП становятся обязательной частью не только тиристорных, но и все более мощных транзисторных схем, что обуславливает актуальность указанной проблемы. Назначением УЗП является вывод из контура коммутации фазных токов избытка электромагнитной энергии, выделяющейся на индуктивных элементах в момент запирания вентилей [108, 109, 111]. Необходимо отметить, что до сих пор наибольшее применение находят УЗП, работающие по принципу рассеивания энергии, заимствованному из практики преобразователей с естественной коммутацией вентилей. Недостатком такого подключения конденсаторов является односторонность передачи энергии, ведущая к наполнению ее в поле фильтрового конденсатора. Во избежание перенапряжений в настоящее время устанавливают в преобразователях емкости порядка 100-200 мкФ на каждый киловатт мощности [122]. Применив схемные решения, появилась возможность обеспечения двухстороннего обмена энергией фильтра с контуром коммутации. Данный принцип положен в основу для создания исследуемых вентильных преобразователей.
Одним из наиболее экономически выгодных способов управления вентильными преобразователями рассматриваемого класса является управление с поддержанием выходного коэффициента сдвига по первой гармонике на уровне близком к единице. Оснащение компенсированного преобразователя конденсаторным фильтром придает ему ряд новых свойств [153-158].
Рассмотрим работу конденсаторного фильтра в режимах, когда его заряд под воздействием тока выходящей из работы фазы чередуется с частичным разрядом током включаемой фазы. Данный принцип работы УЗП, исключающий накапливание энергии в конденсаторе впервые был изложен в работе [104]. Однако для его использования важно выяснить возможность установившейся работы устройства, которая, очевидно, может быть лишь в условиях равенства энергий, отдаваемых и получаемых конденсатором на интервалах повторяемости процессов. Реализация указанного принципа возможна при различной задаваемой частоте следования разряда и заряда конденсатора в схеме, изображенной на рис. 3.4, а, б [119, 120].
Данный преобразователь содержит группу силовых полностью управляемых вентилей (типов GTO, IGCT или IGBT) VT1, VT2, VT3, группу вспомогательных маломощных диодов VD1, VD2, VD3, полярный конденсатор фильтра Сф, коммутирующий вентиль VTk и разделительный диод VD4. Схема содержит минимально возможное число вспомогательных элементов, необходимых для реализации рассматриваемых режимов. Для того чтобы конденсатор начал разряжаться током вступающей в работу фазы, необходимо подать управляющий импульс на включение силового вентиля этой фазы и одновременно на вентиль VTk (рис. 3.4, а). Перевод конденсатора в цепь выходящей из работы фазы, с целью его заряда, осуществляется путем выключения силового вентиля в этой фазе и одновременно вентиля VTk (рис. 3.4, б). На внекоммутационных интервалах конденсатор оказывается вне контура тока нагрузки, не оказывая влияния на протекание процессов в схеме.
Обобщенное представление эффективности применения полупроводниковых преобразователей для питания регулируемых электроприводов
Эффективность электротехнического изделия, может быть определена двумя основными критериями: показателем уровня качества; экономическим эффектом от внедрения. При оценке уровня качества полупроводникового преобразователя устанавливается следующая номенклатура показателей качества: назначения, характеризующие технические возможности преобразователя; надежности; технологичности; эстетики; эргономики; стандартизации; унификации; патентно-правовое и экономическое. Каждому из указанных видов показателей качества соответствует определенная совокупность единичных показателей, обуславливающая уровень качества данного изделия. Уровень качества изделия в целом и уровни отдельных видов качества сравнивают с показателями базового перспективного образца. Наибольший коэффициент весомости имеют надежностные показатели и показатели назначения. Среди показателей назначения наиболее значимыми являются КПД, масса и габариты.
Экономический эффект от производства и эксплуатации электротехнического изделия долговременного применения представляет выражение, которое связано определенной зависимостью со стоимостью, надежностью, капитальными затратами на производство, производительностью разработанного и базового изделия. Причем наибольшее значение имеют стоимостные показатели.
Таким образом, в качестве наиболее существенных составляющих технико-экономического критерия эффективности принимаются массо-габаритные, энергетические, надежностные и стоимостные показатели преобразователя. При разработке технических систем необходимо учитывать многочисленные, зачастую противоречивые требования. Поэтому выбор критерия эффективности является одним из основных этапов создания технической системы. Качественные критерии эффективности могут быть только или достигнуты, или не достигнуты. При этом критерий эффективности должен принимать только два значения, например, 1 (в случае достижения цели) и 0 (в противном случае). Количественные критерии эффективности заключаются в стремлении увеличить или уменьшить значение некоторой величины, зависимость которой от фазных координат и составляет критерий эффективности.
В составе суммарного критерия эффективности необходимо учитывать многочисленные показатели. Различная размерность отдельных показателей, отсутствие единого подхода к определению величины коэффициентов весомости не позволяет в настоящее время рассчитывать на количественную величину критерия эффективности, удовлетворяющего многочисленным видам технических систем. Поэтому для конкретных областей применения выделяют ограниченную часть наиболее весомых показателей, исходя из которых формируют характеристики базовой модели, являющейся эталоном для оценки эффективности разрабатываемых технических систем. Можно привести группировку наиболее характерных показателей, по которым оцениваются в настоящее время эффективность полупроводниковых преобразовательных устройств, как то:
1. Функциональные характеристики, которые в основном характеризуют выходные показатели преобразователя. Например, качество преобразованной энергии, диапазон плавного регулирования выходного тока или напряжения, степень стабилизации выходного напряжения и другое.
2. Эксплуатационные характеристики, характеризующие входные показатели преобразователя. К ним можно отнести влияние на качество энергии источника питания, возможность построения быстродействующей электронной защиты преобразователя от аварийных режимов и др.
3. Технико-экономические характеристики. Здесь в первую очередь выделяют массогабаритные, энергетические, стоимостные и надежностные показатели преобразователей.
Приведенная группировка характеристик технической системы в общем виде показывает неоднозначность их оценки. В первую очередь такая неоднозначность объективно вытекает из того, что «заказчик» технической системы стремится по-.ігучить максимальный результат от ее создания, а «разработчик» системы на определенном уровне развития соответствующих отраслей техники имеет ограниченные возможности реализации в законченных изделиях всех желаемых (заказчиком) характеристик систем. В технических системах возникает, таким образом, определенное несоответствие желаемых и реально-достижимых, характеристик. Причем в зависимости от конкретных условий «заказчиком» могут задаваться различные виды желаемых характеристик (либо функционально-эксплутационные, либо технико-экономические или их сочетания). При указанной ситуации формирование критерия эффективности может основываться на принципе гарантированного результата, который приемлем и для «заказчика» и для «разработчика».
В общем случае техническая система обосновывается многовекторным критерием эффективности, составляющие которого формируются на основе требований к функционально-эксплуатационным и (или) технико-экономическим характеристикам системы, где отдельные составляющие критерия эффективности приводятся к единому эквиваленту через коэффициенты весомости.
Недостаточный объем информации о некоторых характеристиках технической системы, необходимость определения вклада отдельных составляющих, имеющих различную размерность, в величину единого критерия эффективности приводит к появлению неопределенных факторов при достижении выбранного критерия эффективности. Ввиду сложности анализа и отсутствия приемлемого математического аппарата разработчики не могут оперировать неопределенностями при решении задач по конкретным техническим системам. Поэтому при принятии решений разработчик технической системы вынужден исключить неопределенности принятием различных допущений и ограничений. Так, например, в силовой преобразовательной технике общепринятыми при анализе полупроводниковых преобразователей являются допущения об идеализации параметров ряда элементов силовой схемы (в первую очередь вентильного и трансформаторно-реакторного оборудования).
Принятие ряда допущений о функциональных и эксплуатационных характеристиках для конкретизации, например, технико-экономических показателей, в основном, связаны с идеализированными методами управления преобразователем.
