Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкое применение устройств преобразовательной техники в различных областях народного хозяйства и технологических процессах неразрывно связано с созданием эффективных преобразователей электрической энергии с улучшенными массо-габаритными показателями. Дальнейшее внедрение в различных областях народного хозяйства технологических процессов и устройств, базирующихся на использовании импульсных источников энергии (импульсные лазеры, сейсмоакустическне комплексы, электро- и магнитоимпульсные технологии и т.д.) ставит задачу обеспечения высокого к.п.д. заряда емкостного накопителя энергии (ЕНЭ), надежной работы зарядного устройства (ЗУ).
В последнее время разработчиками преобразовательной техники большое внимание уделяется устройствам на основе резонансных инверторов (РИ). Коммутация управляемых ключей при нулевых значениях тока (напряжения), в частности бестоковое выключение управляемых полупроводниковых ключей (естественная коммутация), имеющее место в таких инверторах, позволяет существенно снизить коммутационные потери, что важно при работе на повышенных частотах. Повышение частоты преобразования благоприятно сказывается на массо-габаритных показателях преобразователя, позволяет с меньшими затратами обеспечить гальваническую развязку входных и выходных цепей, улучшает управляемость преобразователя. Близкие к синусоидальным формы кривых токов (напряжений) в РИ улучшают электромагнитную совместимость преобразователя с другими составляющими комплекса электротехнического оборудования: Применение преобразователей на основе последовательных РИ в системах заряда емкостных накопителей энергии позволяет реализовать близкий к оптимальному режим заряда.
ЕНЭ является для преобразователя ЗУ специфической нагрузкой, напряжение которой изменяется от короткого замыкания до максимального значения в каждом зарядио-разрядном цикле. Включение преобразователя для подзаряда ЕНЭ при релейной стабилизации его напряжения или использование для регулирования напряжения ЕНЭ шунтирования первичной обмотки повышающего трансформатора приводит к скачкообразному изменению нагрузки преобразователя ЗУ.
Указанные возмущения могут приводить к электромагнитным перегрузкам элементов РИ и, для тиристорних инверторов, срыву инвертирования. Вследствие этого, в зарядных устройствах ЕНЭ,
.., . . 4 построенных на основе последовательных РИ с диодами встречного тока, целью управления РИ можно назвать стабилизацию среднего за период преобразования тока конденсатора колебательного контура (амплитуды напряжения на этом конденсаторе) , при обеспечении коммутационной устойчивости РИ.
" Рмвш-ие методик сейсмоакустических исследований привело к "использованию в качестве источника звуковых колебаний в 'с^исмоакусгических комплексах (САК) пьезоэлектрического излучателя л1'ЩЭИ), питание которого осуществляется от источника близкого к'синусоидальному напряжения со стабилизированным средним за период преобразования значением и изменяемой по заданному закону частотой. Длительность импульса напряжения 'питания ПЭИ может изменяться от десятков до тысяч периодов йитающего напряжения. В качестве источника переменного напряжения целесообразно использовать параллельный РИ. Формирование импульса напряжения питания заданной частоты, величины и длительности предъявляет повышенные требования к динамическим свойствам преобразователя.
Во всех перечисленных случаях необходимо обеспечить заданные
динамические свойства преобразователя. Актуальной является
проблема разработки схем и алгоритмов управления преобра-
зователями на основе РИ при обеспечении заданного качества выходного параметра, отсутствии электромагнитных перегрузок элементов и обеспечении коммутационной устойчивости преобразователя. В ряде областей преобразовательной техники вопросы динамики, преобразователей освещены достаточно полно,' однако динамика РИ, в. силу их особенностей, исследована недостаточно. В немногочисленной литературе, посвященной динамике преобразователей на основе РИ, отсутствует простая и наглядная методика синтеза регуляторов преобразовательных систем на основе РИ, обеспечивающих указанные цели управления. Сложность линейных импульсных моделей рассматриваемых преобразователей, содержащих наряду с импульсными элементами первого' рода, учитывающими управляемый коммутатор, и импульсные элементы второго рода, умножающие входной сигнал на'*' периодическую функцию времени, усложняет задачу анализа динамических свойств преобразователя и синтеза его регулятора.
'Целью работы является разработка и исследование преобразователей на основе РИ, обладающих заданными
динамическими характеристиками, в том числе для работы в составе сейсмсакустических комплексов.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
-
Анализ особенностей линейных импульсных моделей рассматриваемых преобразователей.
-
Развитие методик анализа динамических свойств преобразователей на основе РИ и получения параметров его линейной импульсной модели с использованием результатов численного моделирования процессов в схеме на ЭВМ.
-
Разработка математического и программного обеспечения для синтеза регуляторов с заданными свойствами для преобразователей на основе РИ.
-
Разработка математического и программного обеспечения для анализа свойств системы для заряда ЕНЭ - последовательный РИ и умножитель напряжения.
Методы исследования базируются на использовании положений теории электрических цепей, линейных импульсных моделей (ЛИМ), метода элементарных спектров, обычного и дискретного преобразование Лапласа, Z-преобразования, теории Флохе, метода переменных состояния, методов численного и физического моделирования.
Научная новизна положений, рассматриваемых в работе, заключается в следующем:
-
Предложены аналитические зависимости для определения параметров эквивалентной схемы преобразователей рассматриваемого класса в соответствии с теоремой разложения, позволяющие упростить анализ динамических свойств преобразователей.
-
Предложена методика использования результатов численного моделирования процессов в преобразователе на основе резонансного инвертора для получения параметров его эквивалентной схемы в соответствии с теоремой разложения и параметрического синтеза оптимального и близких к нему регуляторов.
-
Предложены и исследованы новые схемотехнические решения и алгоритмы работы преобразователей на основе РИ для использования в сейсмоакустике и других областях техники.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований: 1. Разработана методика получения параметров линейной импульсной модели преобразователей рассматриваемого класса, позволяющая на основе использования результатов численного моделирования находить значения полюсов и полюсных коэффициентов эквивалентного объекта регулирования.
-
С использованием разработанной методики проанализированы динамические свойства рассматриваемых преобразовательных систем на основе РИ и даны рекомендации по выбору параметров оптимальных и близких к ним регуляторов преобразовательных систем.
-
Исследованы процессы и разработаны инженерные методики расчета параметров преобразователя для заряда ЕНЭ на основе последовательного РИ и умножителя напряжения.
-
Разработаны схемотехнические решения преобразователей на основе РИ, обеспечивающие их коммутационную устойчивость и отсутствие электромагнитных перегрузок элементов при прогнозируемых и снижение при аварийных скачкообразных возмущающих воздействиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика получения характеристик линейной импульсной модели преобразователей на основе РИ, включающая в себя использование результатов численного моделирования, разработанная на основе применения теоремы разложения к системам с периодическим изменением параметров; результаты анализа динамических свойств этих преобразователей и синтеза оптимального и близких к нему регуляторов.
-
Результаты анализа электромагнитных процессов в системе последовательный РИ - умножитель напряжения и методики инженерного расчета составляющих системы.
-
Совокупность технических решений и рекомендаций для построения преобразователей на основе РИ, в том числе для работы в составе глубоководных САК с ЕНЭ и ПЭИ.
-
Цифровые модели преобразователей, работающих в соответствии с предлагаемыми алгоритмами и результаты исследований, полученные на этих моделях.
Личный вклад автора в разработку научных результатов, выносимых на защиту:
- результаты анализа динамических свойств рассматриваемых
преобразователей;
алгоритмы получения параметров линейной импульсной модели преобразователей рассматриваемого класса при использовании численного моделирования;
результаты экспериментальных и теоретических исследований системы последовательный РИ - умножитель напряжения;
новые схемотехнические решения преобразователей на основе РИ (при наличии авторского свидетельства идеи принадлежат соавторам в равной степени);
цифровые модели преобразователей и результаты, полученные с их помощью.
В разработке методологических вопросов автор и Гончаров Ю.П. принимали равное участие.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке генераторов импульсов тока, предназначенных для работы в составе глубоководных и палубных САК с электродинамическим или электроискровым излучателями; преобразователя для питания пьезоэлектрического излучателя, предназначенного для работы в составе САК создаваемых С КБ "Моринжгеология" (г.Рига); при разработке изготавливаемого ПО "Счетмаш" (г.Лубны) блока питания АЦПУ 6362.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на
4, 5 Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", Киев 1987, 1991 г.г.
Международной научно-технической конференции "Силовая электроника в решении проблем .ресурсо-. и энергосбережения", Харьков 1993 г.
Республиканском семинаре Научного совета АН Украины "Вопросы теории, разработки и исследования вентильных преобразователей", Харьков 1987 - 1995 г.г.
- научно-технических конференциях профессорско-преподава
тельского состава, сотрудников и аспирантов Харьковского госу
дарственного политехнического университета, Харьков 1987-1995 г.г.
Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе получено 4 ангорских свидетельства на изобретения.
Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 147 наименований, приложения и содержит 114 страниц основного машинописного текста и 67 рисунков.
