Введение к работе
I. Актуальность проблемы. Одной из основных задач, стоящих перед экономной Украины, является задача создания нозш: энергосберегаюпкх технологий и оборудования. Широкие перспективы з этсм направления открываются при разработке и внедрении электротехничских систем (ЭТС) к комплексов, фуккішонировакне которых основано на использовании явления сверхпроводимости. Применение сзерудгровадниковнх (СП) ЭТС позволяет обеспечить эффективнее и качественнее преобразование параметров электрической энергии, а так:г-* накопление к сохранение ее с малыми потерями з течение длительного интервала времени. Особую актуальность вопросам развития СП систем и комплексов придает открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости и ведущиеся з этом направлении интенсивные исследования.
Современный этап з развитии СП ЗТС характеризуется повышением и ужесточением предъявляемых к ним функциональных, и энергетических требовании, постоянным расширением области применения, ростом единичных моп-костей устройств. Ввиду этого есє болызее значение приобретают вопросы выбора оптимальных параметров системы, определения энергетически зконо-
мичных режимов эксплуатации, расчета оптимальных алгоритмов управления, предотвращения аварийных ситуаций. Решение перечисленных вопросов сдер-кивается их недостаточной теоретической проработкой, что объясняется но-івдзной и сложностью такого рода систем, обладающих иерархической структурой силовых цепей и содержащих нелинейные элементы со скачкообразно изменяющимися параметрами. Эти характерные факторы обуславливают принадлежность СП ЭТС к классу устройств, моделируемых электрическими цепями с переменной.структурой ( ЭТС с переменной структурой-).
В настоящее время разработаны различные методу и алгоритмы параметрической оптимизации таких ЭТС. однако все они'осноьаны на использовании поисковых процедур. В то- же время специфика СП ЭТС предъявляет повышенные требования к точности решаемых оптимизационных задач (до 10"э-1.0"7), которые могут Сыть обеспечены только градиентными методами опти--мизации. При этом применение"указанных методов для СП ЭТС осложнено отсутствием эффективных алгоритмов вычисления градиентов функционалов.
Научные исследования проводились в отделе моделирования и оптимизации систем с полупроводниковыми преобразователями электрической- энергии ИПЭ АН Украины.'Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР Совета министров, ГКНТ и АН Украины по комплексным проблемам "Научные основы электроэнергетики", "Научные основы .энергосбережения", а также в рамках международного целевого проекта "Сильноточные устройства с использованием сверхпроводников, работающих при различных температурах" (задание 6.2.4.5), выполненными в рамках темы. "Трембита" (1988-ISSO Г.г. Пост. ГКЕГ »27 от 20.07.88 г., № Гос. регистр. 01.8S.0024480), темы "Доминанта-2" (I983-ISSI г.г. Пост. Президиума АН Украины №402 от II.12.87 Г'., № Гос. регистр. ОТ.88.0019095).
Пелыо диссертационной работы является повышение энергетической эффективности процессов ввода-вывода энергии в сверхпроводкіїковнй соленоид путем разработки элементов теории чувствительности для сверхпрозоднико-вых статических электротехнических систем и выбора на этой основе оптимальных параметров их конструкции и управления.
Поставленная цель потребовала решения ряда основных задач:!. Разработки математических" моделей и постановки оптимизационных задач для СП ЭТС. 2. Разработки- элементов теории чувствительности ЭТС переменной структуры. 3. Разработки методики решения оптимизационных задач для ЭТС с переменной структурой.: 4. Разработки программного комплекса, моделиру-щего и оптимизирующего процессы ввода-вывода энергии в СП соленоид. 5. Разработки энергетически оптимальных резшмов работы и алгоритмов управления СП. ЭТС ввода-вывода энергии. 6. Разработки конструктивных решений СП подсистемы (СГШС) с оптимальным размещением СП элементов.
Методн исследования. Решение поетавле-ншх задач потребовало использования элементов теорий электрических цепей, магнитного поля и СП пре--образователей;математического аппарата теорий систем с переменной структурой, дифференциальных уравнений и оптимизации; численно-аналитических методов анализа чувствительности электрических цепей; численних методов и алгоритмов условной и негладкой оптимизации. Достоверность расчетов, выводов и рекомендаций' подтверждена экспериментально.
Основные положения, выносимые на защиту : I. Математические мозоли оптимизационных задач для СП ЭТС. 2. Элемента теории чувствительности
ЭТС С ПереМеНКОЙ СТРУКТУРОЙ. 3. АЛГОрИТГЛі ВЦЧИСЛеНИЯ ГраДИеНТОЗ ФУНКЦПО-
налов, заданных на решении ЭТС с переменной структурой. 4. Методика ранения оптимизационных задач для ЭТС с переменной структурой. 5. Прмпи.к—: построения программного комплекса, моделирующего и оптимизирующего работу ЭТС ввода-вывода энергии в СПС. 6. Энергетически оптимальные рекими и алгоритмы управления СП ЭТС. 7. Результаті; параметрической оптимизации процессов ввода-вывода энергии и их использование при сезда: :; устройств различного - функционального назначения.
Научная новизна полученных результатов.:
впервые исследованы вопроси чувствительности сверхпроводшковых статических ЗТС ввода-вывода энергии к изменению обобщенного вектора іараметров конструкцій и управления, получены рекуррентные соотношения йля вычисления функцій чувствительности таких систем;
предложены новые алгоритмы вычисления градиентов энергетических ерптериев для СП ЭТС. испельзукнжэ решения систем в вариациях, сопряжен-:ых систем и инвариантов движения;
предложена и обоснована оригинальная методика получения опткыаль-их алгоритмов .управлєігия и конструкций СП 2ТС, основанная на использовании точні;х штрафних Сушений, алгоритмов вычисления градиентов и алгоритмов недпффевеншгруемой оптимизации с растяжением пространства;
доказаны оптималоность по зне pre тиче ским критериям ^«жима коммутации ЭДС и алгоритма управления с постоянной амллитудой изменения тока гервнчной обмотки СП трансформатора (ОПТ.) для СП ЗТС, выполненной по [вухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой.
Ппакстческая ценность. Использование новых научных положений, обос-гаваншх в диссертационной работа, позволило формализовать процедуры оп-'кмиззции ЭТС переменной структуры и, тем самым :
-разработать единый подход к вычислений функций чувствительности ЭТС временной структуры для рззличных комбинаций варьируемых параметров;
-снизить вычислительные затраты на получение градиентов фуккциона-Рв, заданных на решений ЭТС;
-свести задачу условной параметрической оптимизации ЗТС переменной структуры к решению безусловной оптимизационной задачи с негладким функционалом цели и тем самым ограничиться вычислением градиента только одного функционала на каждом шаге итеративного процесса решения задачи;
-разработать и создать программный комплекс, ксделкрунщий к оптимизирующий работу ЭТС ввода-вывода энергии в СПС.
Результаты оптимизации процессов ввода энергии в СПС и конструктивных решений СППС непосредственно использованы при разработке и создании ЭТС ввода-вывода энергии с улучшенными энергетическими показателями. .
Реализация результатов работы." Теоретические положения и практические результаты работы положены в основу ряда разработок, выполненных при участии автора в І988-І99І г.г. по х/д с заинтересованными организациями и предприятиями: .Ш52-88, 683-91(г.Москва, НИКРФ, г.Донецк, ДонФТИ), Ж05-88, 607-90 (г.Мссква, ЭНМН), ,4626-91 (Г.К.Новгород, НПО "Полет"). Малая серия (7шт.) ПППС и СППС в составе ЭТС для запитки СПМС постоянным током до 120 А изготовлена СКТБ ИПЭ АНУ и используется в радиофизических исследованиях. Всего по теме диссертации имеется 5 актоє внедрения.
Апгобэшга работа. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались ка III Всесоюзном семинаре по численным методам нелинейного программирования, г. Харьков ( 1979 г. ); семинаре "Теория оптимальных решений" Института кибернетики АН Украины (1980г.); VIII Всесоюзной к/т конференции "Силовая полупроводниковая техника и ее ггримненке в народном хозяйство", г.Челябинск (1989г.); V Всесоюзной н/т конференции "Проблема преобразовательной техники", г.Чернигов ( 1991г.); Всесоюзном семинаре "Энергосбережение и проблемы сверхпроводимости", г.Яремча (1990 г.): Мендународнои н/т конференции "Комплексные проблемы сверхпроводимости", г.Киев (1992 г.).
Публяктатгх.По результатам работы опубликовано 5 статей, I препринт, 6 тезисов докладов, получено I авторское свидетельство на изобретение и I положительное решение'го заявке на изобретение (есєго 14 публикаций). По смежным вопросам имеется 7 опубликованных работ (одна монография).
