Введение к работе
Актуальность работы. Непрерывное совершенствование схемотехники и технологии производства радиоэлектронных функциональных устройств систем управления я средств вычислительной техники выдвигает на передний план актуальную научно-техническую проблему электромагнитной совместимости источников вторичного электропитания (ИВЭП) с питающей сетью и нагрузкой.
Эксплуатация современных ИВЭП, обладающих исключительно низким входным сопротивлением, часто, при несимметричных режимах работы силового трансформатора, сопровождается аварийно высокими токовыми перегрузками—экстратоками.
С другой стороны, современные ИВЭП, обладая низкой динамической стабильностью выходного напряжения, не обеспечивают бесперебойного функционирования системы «ИВЭП — потребитель», приводя к отказам и сбоям средства управления и вычислительной техники.
Для решения задачи обеспечения живучести системы «ИВЭП — потребитель» в настоящее время намечаются два пути.
Первый путь заключается в использовании комплектующих изделий с повышенными электротехническими характеристиками и перегрузочными способностями.
Второй путь, который можно считать предпочтительным, заключается в изменении конфигурации структурной и электрической схем, а также физической основы элементной базы регулирующих элементов так, чтобы исключить возможность появления аварийных переходных процессов, приводящих к выходу из строя элементов как самого ИВЭП, так и потребителя— систем управления и средств вычислительной техники. Одновременно с этим следует обеспечить нормальное функционирование питаемого устройства за время кратковременных провалов напряжения питающей сети и динамического изменения тока нагрузки.
В настоящее время недостаточно внимания уделяется разработке простых и надежных способов регулирования мощно-
сти в ИВЭП с бестрансформаторным входом на базе нерегулируемого инвертора автогенераторного типа, обладающего повышенной надежностью и низкой стоимостью по сравнению с регулируемым инвертором.
Недостаточно широко используются также регулирующие элементы, выполненные на базе синхронных магнитных ключей, которые превосходят полупроводниковые по таким важным параметрам, как КПД и надежность. Способность этих регулирующих элементов выдерживать большие перегрузки по току и напряжению исключительно важна для электропитания систем управления и средств вычислительной техники.
Недостаточно проработаны вопросы электромагнитной совместимости ИВЭП с питающей сетью и нагрузкой при динамических возмущающих воздействиях.
Надежность функционирования системы «ИВЭП — потребитель» должна определяться не только средним временем между отказами самого ИВЭП, но и его способностью предотвращать сбои и отказы питаемых систем управления и средств вычислительной техники во время переходных процессов, вызванных возмущающими воздействиями на ИВЭП как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки.
Таким образом, для надежного функционирования и обеспечения живучести системы «ИВЭП — потребитель» необходимо решение задачи подавления возмущающих воздействий— помех, действующих на ИВЭП в виде провалов и скачков напряжения питающей сети вследствие коммутаций силового оборудования, питаемого от той же сети, а также со стороны нагвузки в виде импульсного характера тока потребления от ИВЭП.
Особенно остро вопрос электромагнитной совместимости возникает при питании ЭВМ от сети общего назначения, которая обычно имеет значительные динамические отклонения напряжения и существенно засорена различными помехами. Согласно исследованиям компании Bell Labs, кратковременный провал напряжения «Sags» или понижение напряжения, «brownouts» являются причиной почти всех возможных проблем с электропитанием, приводящих к блокировке клавиатуры и потере данных.
Обеспечение электромагнитной совместимости ИВЭП с нагрузкой при импульсном характере тока потребления систем управления и средств вычислительной техники, является актуальной задачей для импульсных ИВЭП, обладающих ограниченной полосой пропускания частот системы автоматического регулирования.
Таким образом, создание перспективных ИВЭП нового поколения, обладающих электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой, позволяющих устранить аварийные экстратоки, компенсировать возмущающие воздейст-
вия в виде провалов питающего напряжения и импульсного характера тока нагрузки и обеспечить требуемую динамическую стабильность, а также надежность функционирования системы «ИВЭП — потребитель», является актуальной научно-технической проблемой, решению которой посвящена настоящая работа.
Целью работы является развитие теории и создание научных основ разработки ИВЭП нового поколения, необходимых для современных систем управления и средств вычислительной техники, отличающихся высокой электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой, высокой надежностью и КПД, не оказывающих негативного влияния на экологию окружающей среды.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:
определить взаимодействие ИВЭП с питающей сетью и выработать условия безэкстратоковой работы;
определить структуру ИВЭП с бестрансформаторным входом, обладающего безопасными безэкстратоковыми переходными процессами;
определить способы физической реализации условий безэкстратоковой работы для перспективных ИВЭП нового поколения;
разработать метод компенсации кратковременных провалов напряжения питающей сети на входе ИВЭП с бестрансформаторным входом для обеспечения надежного функционирования системы «ИВЭП — потребитель»;
обосновать необходимость активного параллельного корректирующего звена для повышения динамической стабильности выходного напряжения ИВЭП;
определить структуру и условия работы активных силовых корректирующих устройств, необходимых для повышения динамической стабильности ИВЭП при скачкообразных возмущающих воздействиях, и разработать способы реализации внутренних источников резервной энергии.
Методы исследования.
Научные положения разработаны на основе теории электрических и магнитных цепей, теории автоматического регулирования и математического моделирования с помощью специальных пакетов компьютерных программ PSPICE, MSIM, MARS.
Достоверность научных результатов, изложенных в работе, подтверждена экспериментальными исследованиями, патентной экспертизой и внедрением в промышленность России и стран СНГ, а также длительной эксплуатацией в составе изделий действующих объектов.
.3
Решение поставленных задач привело к результатам, которые обладают научной ценностью и практической полезностью.
Научная новизна результатов работы состоит в том, что:
определены условия реализации безэкстратоковой работы ИВЭП с регулирующим элементом, работающим в режиме фазового регулирования и широтно-импульсной модуляции;
разработаны основы создания безэкстратоковых структур ИВЭП нового поколения, обеспечивающих электромагнитную совместимость с питающей сетью и нагрузкой с учетом специфических свойств используемой элементной базы, позволяющих получить новые функциональные качества, обеспечивающие безотказность работы системы «ИВЭП — потребитель» и безопасные.режимы работы при динамических возмущающих воздействиях на ИВЭП;
обоснована актуальность применения метода компенсации кратковременных провалов напряжения питающей сети с использованием резервной энергии емкостной накачки, обеспечивающего бесперебойное функционирование систем управления и средств вычислительной техники;
аналитически и экспериментально доказано, что способ активной силовой коррекции в прямом тракте импульсной системы автоматического регулирования ИВЭП обеспечивает безынерциоиность подавления всплесков и компенсацию провалов и, следовательно, высокую динамическую стабильность выходного напряжения при скачкообразных возмущающих воздействиях на ИВЭП со стороны питающей сети и со стороны нагрузки.
Практическая значимость работы состоит в том, что ИВЭП нового поколения
обеспечивают высокую электромагнитную совместимость с питающей сетью и нагрузкой без снижения высоких удельных массо-габаритных показателей мощности;
позволяют безотказно работать элементам и устройствам систем управления и средствам вычислительной техники при провалах питающего напряжения вплоть до нуля с длительностью до 6—15 периодов частоты напряжения питающей сети без существенного увеличения габаритов и массы ИВЭП в целом;
дают возможность исключить дорогостоящие, обслуживаемые и экологически вредные из-за наличия в них химического источника энергии источники бесперебойного электропитания системы «on-line» для компенсации кратковременных провалов питающего напряжения.
ИВЭП, разработанные на базе научно-технических предпосылок, приведенных в работе, выпускались на различных предприятиях России и в странах СНГ, испытывались и экс-
плуатировлись в составе изделий реальных объектов. В том числе: Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники, Москва; завод «Энергоприбор», Москва; Ленинградское научно-производственное объединение «Электрон-маш», Санкт-Петербург; Государственный ордена Трудового Красного Знамени проектный и конструкторский институт «Проектмонтажавтоматика», Москва; Брянский машиностроительный завод, Брянск; Лианозовский машиностроительный завод, Москва; Сормовский завод «Электромаш», Нижний Новгород; Одесский судоремонтный 'завод им. 50-летия Советской Украины, Одесса; Калужский научно-исследовательский институт телемеханических устройств, Калуга; Зырянов-ский свинцово-цинковый комбинат, Восточно-Казахстанская область; Предприятие п/я В-82—40, Саратов.
Большой объем промышленного выпуска разработанных ИВЭП и длительная эксплуатация в составе различных объектов показали их преимущества по сравнению с традиционными ИВЭП, что подтверждается актами внедрения и промышленной эксплуатацией различными предприятиями Советского Союза и России.
Результаты, полученные в работе, реализованы:
в 1963—1981 гг. при разработке семейства перспективных БЭП нового поколения с высокой динамической стабильностью и электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой на основе базового блока 59БП08, используемых в изделиях Всероссийского научно-исследовательского института радиотехники (ВНИИРТ);
в 1977 г. Калужским научно-исследовательским институтом телемеханических устройств (КНИИТМУ) в системе электропитания орбитальной станции «Салют»;
в 1987 г. при разработке унифицированного ИВЭП с шифром БП5В/10А, рекомендованного Ленинградским научно-производственным объединением (ЛНПО) «Электронмаш» для электропитания персональных электронно-вычислительных машин, подтвердившими перспективность, надежность и отсутствие помехоизлучеиия как негативного воздействия на экологию окружающей среды;
в 1987—1992 гг. при разработке и внедрении в серийное производство унифицированного ряда ИВЭП с бестрансформаторным входом с шифром БЭП-44 (5В/0А), БЭП-46 (±12В/12А; — 12В/2А), БЭП-55 (12В/16А) и БЭП-56 ( + 24В/5А) на заводе «Энергоприбор» (Москва), для применения в составе комплексов цифровой обработки информации;
в 1992—1994 гг. при разработке унифицированных двух-полярных блоков ИВЭП с шифром БЭП-60 (±15В/ЗА), выполненных на магнитных регулирующих элементах'—дина-
мических ограничителях тока и квазинасыщенпых выходных регулирующих элемента для электропитания высокоточных систем технологического контроля Новоуфимского нефтеперерабатывающего завода (НУНПЗ), обладающих высокой стабильностью напряжения в выходных каналах блока, независимо от распределения нагрузки между ними.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
новые условия безэкстратоковой работы регулирующего элемента ИВЭП, работающего в режиме фазового регулирования и широтно-импульсной модуляции;
новый принцип построения безэкстратоковых структур ИВЭП, обеспечивающих высокую динамическую стабильность и электромагнитную совместимость с питающей сетью и нагрузкой, а также безотказность работы системы «ИВЭП — потребитель» при скачкообразных возмущающих воздействиях на ИВЭП;
новая концепция компенсации кратковременных провалов напряжения питающей сети с использованием резервной энергии емкостной накачки;
новый принцип структурного построения системы автоматической стабилизации напряжения ИВЭП с параллельной активной силовой коррекцией, обеспечивающей высокую динамическую стабильность путем безынерционного подавления всплесков и компенсацию провалов выходного напряжения, возникающих при динамических возмущающих воздействиях на ИВЭП со стороны питающей сети и со стороны нагрузки.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались в период 1966—1997 гг. на различных научно-технических конференциях и семинарах:
на второй, третьей и четвертой научно-технических конференциях по вторичным источникам питания (Ленинград, 1966, 1968,1970,1975);
на научно-технической конференции по вторичным источникам электропитания РЭА (Ленинград, 1975);
на научно-техническом семинаре «Повышение эффективности вторичных источников питания» (Киев, 1976);
на техническом совещании в ЛНПО «Электронмаш» (Ленинград, 1987);
на 1-й Всесоюзной научно-технической конференции «Силовые электронные системы и устройства маломощной преобразовательной техники», подсекции «Научные проблемы вторичных источников электропитания» при научном Совете АН СССР по комплексной проблеме «Научные проблемы электрофизики и электроэнергетики» (Алма-Ата, 1990);
на семинаре научно-технической секции 33 Научно-технического совета НИЭМИ (Москва, 1997);
на заседании кафедры «Автоматики и управления в технических системах» Московского государственного горного университета (Москва, 1997);
на международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 1997).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 36 печатных работах, в том числе 11 авторских свидетельств, на изобретение и 1 положительное решение о выдаче патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (181 наименование) и приложения.
Общий объем диссертации составляет 284 страницы, в том числе 249 страниц основного текста, 4 таблицы и 93 рисунка.
