CC BY
137
ПЛЕНАРНЫЙ ДОКЛАД
ИМПУЛЬСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРИБОРНЫХ КОМПЛЕКСОВ
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ В.С. Томасов
В докладе представлена краткая историческая справка о развитии электротехнических комплексов и систем на базе статических полупроводниковых преобразователей. Анализируются тенденции проектирования энерго- и информационной подсистем импульсных полупроводниковых преобразователей на современной элементной базе. Представлены некоторые практические разработки кафедры электротехники и прецизионных электромеханических систем СПбГУ ИТМО и перспективы их дальнейшего развития.
Введение. Краткая историческая справка.
В настоящее время более 40% всей вырабатываемой электрической энергии, обладающей определенными исходными параметрами (величиной, формой, частотой напряжения и тока), преобразуется в электрическую энергию с другими параметрами, отличными от исходных. Электроэнергия, производимая для широких потребительских целей, в основном вырабатывается и передается переменным трехфазным током промышленной частоты (/ = 50 Гц) в связи с удобством его трансформации [1].
Однако использование электроэнергии постоянного тока, господствовавшее на первом этапе развития электротехники, продолжает играть существенную роль в ряде отраслей науки и техники, таких как электротранспорт, электротехнологии, автоматизация промышленных установок, сварочная и бытовая техника, радиоэлектроника и т.п. В этих же областях появилась потребность в электроэнергии, отличающейся от промышленной по частоте, форме выходного напряжения или тока, числу фаз, возможности регулирования параметров электроэнергии. Эти задачи наиболее часто возникают при разработке регулируемого электропривода постоянного и переменного тока, на долю которого приходится около 60% всего потребления электроэнергии в стране [1, 2].
В преобразовательной технике в 20-х годах прошлого столетия начали разрабатываться статические преобразователи электроэнергии - выпрямители и инверторы с применением газоразрядных электронных приборов (ртутных выпрямителей, тиратронов, газотронов, игнитронов и т.д.). Однако их низкий КПД, невысокая надежность, существенное влияние на питающую сеть затрудняли широкое использование этих устройств. Вместе с тем именно с развитием и совершенствованием газоразрядных приборов усилиями ученых В. Шиллинга, М. Демонтивье, М. Мюллер-Любека, И.Л. Каганова, М.А. Чернышева, Д.А. Завалишина и др. развивалась теория преобразования энергии, ими были разработаны основные схемы выпрямителей и инверторов, а также исследованы электромагнитные процессы в их силовых цепях.
Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов, в период появления мощных полупроводниковых приборов - диодов, тиристоров, а затем мощных биполярных транзисторов. Эти приборы, разработанные в основном на Ое, и АвОа, существенно превосходили газоразрядные приборы, отличались меньшими габаритами и массой, повышенной надежностью, быстродействием, КПД и могли использоваться в достаточно широком температурном диапазоне.
Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковых приборов и их применению для преобразования электрической энергии, были труды академиков В.Ф. Миткевича, И. Д. Папалекси, А.И. Ларионова и др. Последующее развитие полупроводниковой преобразовательной техники характеризовалось появлением новых схемотехнических и конструктивных решений, расширением номенклатуры устройств, созданием и разработкой теории новых схем, использующих различные виды модуляции, формированием самостоятельных научных школ - московской, ленинградской, украинской, белорусской, уральской и сибирской.
Развитие ленинградской школы полупроводниковых преобразователей электрической энергии началось с исследований коммутаторов вентильных двигателей и преобразователей частоты в лаборатории привода переменного тока Института электромеханики [1]. Руководили этими работами действительный член АН СССР Михаил Полиевктович Костенко и член-корреспондент АН СССР Дмитрий Александрович Завалишин.
В 80-е годы прошлого столетия ленинградскую школу возглавила профессор нашего университета Татьяна Анатольевна Глазенко, действительный член Электротехнической академии Росийской Федерации, разработавшая теорию полупроводниковых преобразователей для систем приборного электропривода постоянного и переменного тока. Высокий уровень теоретических работ и практических разработок, проводимых в ИТМО, позволил открыть в 1970 году первый в СССР специализированный совет К 053.26.06 по защите диссертаций по специальности 05.09.12 "Электрические полупроводниковые преобразователи электрической энергии" и объединить в начале 80-х годов усилия специалистов более чем 45 вузов страны, многих НИИ и предприятий по решению проблемы создания высокоэффективных полупроводниковых преобразователей для систем электропривода и электротехнологий в рамках программы Минвуза СССР "Оптимум".
Поэтому постановку данного доклада на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга, именно в стенах нашего университета следует считать своевременной и вполне оправданной.
Последнее десятилетие прошлого столетия характеризовалось дальнейшим расширением номенклатуры систем с полупроводниковыми преобразователями для самых различных отраслей техники [3-5].
Характерными особенностями этих систем являются:
• использование современной полупроводниковой техники - полевых транзисторов, транзисторов ЮВТ и программируемых контроллеров в системе управления;
• электромагнитная совместимость с питающей сетью и высокие показатели качества потребляемой из сети энергии;
• малые удельные значения массы и объема на единицу мощности;
• возможность сопряжения с различными системами автоматизации и управления на базе персональных компьютеров;
• встроенная самодиагностика, сводящая к минимуму техническое обслуживание и простой технологического оборудования.
Следует отметить тесную взаимосвязь первых двух особенностей современных систем с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии, так как только с появлением мощных, полностью управляемых приборов появилась возможность с помощью самих же преобразователей, работающих на стороне переменного тока с импульсной модуляцией на высоких частотах, активно влиять на показатели качества потребляемой ими электроэнергии [5, 6].
Несмотря на эти преимущества силовой электроники, уровень преобразования электрической энергии в России систематически снижается и сейчас оценивается
величиной в 20% против 38% в 1978 году. Особенно резкое отставание имеется в области вентильного электропривода переменного тока. При доле электропривода переменного тока в энергопотреблении по стране в 45% доля регулируемого электропривода переменного тока не превышает 2% существующего парка электроприводов. Использование полупроводниковых преобразователей только для систем регулируемого электропривода позволило бы снизить потребление электроэнергии в России от 10 до 25%.
В то же время в США доля регулируемого электропривода составляет более 50%, что дает экономию электрической энергии в промышленности 190 млрд КВт-ч, в быту 100 млрд КВт-ч в год. Важнейшее направление энергосбережения в Германии -применение вентильного электропривода: в 1983 году доля регулируемого электропривода была лишь 5%, а к 2000 году выросла до 60%.
Наше отставание по промышленному использованию полупроводниковых преобразователей объясняется взаимосвязанными причинами - относительной дешевизной электрической энергии, а также относительной сложностью и дороговизной энергосберегающих мероприятий.
Структурные схемы импульсных полупроводниковых преобразователей
и виды модуляции
Особенность большинства преобразователей приборных систем - силовое импульсное воздействие с прерывистой посылкой отдельных порций энергии к объекту регулирования посредством модуляции того или иного вида. Такой способ подвода энергии позволяет за счет дозировки длительности и интенсивности воздействия существенно повысить плотность подводимой к нагрузке энергии и реализовать оптимальные способы управления нестационарными и стационарными процессами в электромеханических, электронно-оптических, электротехнологических и других устройствах приборных комплексов нового поколения.
Электротехнические комплексы и системы на базе полупроводниковых импульсных преобразователей электрической энергии разделяются на две подсистемы: энергетическую и информационную [4].
Энергетическая подсистема включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового и электромеханического преобразователей и осуществляет двухсторонний обмен энергией между первичным источником питания и электрической машиной посредством коммутации силовых ключей.
Информационная подсистема включает в себя систему управления полупроводниковым преобразователем с информационно-измерительной частью и осуществляет реализацию заданного алгоритма регулирования координат [5, 6].
Требования, предъявляемые к энергоподсистемам импульсных полупроводниковых преобразователей приборных систем, весьма различны, что предопределяет использование большого числа типов преобразовательных устройств, классификация которых приведена на рис. 1.
Преимущественное распространение в них получили выпрямители (В), широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного напряжения (тока), автономные инверторы напряжения (АИН) и тока (АИТ) на основе полумостовых и мостовых однофазных и трехфазных транзисторных схем, импульсные преобразователи постоянного напряжения с реактивными накопителями энергии [2, 7, 8]. Ужесточение требований к качеству выходной электрической энергии и диапазону ее регулирования приводит к необходимости использования схем как с однократным, так и с многократным преобразованием энергии, в которых с помощью системы управления
реализуются различные виды линейной (ЛМ) и импульсной (ИМ) модуляции: амплитудная (АМ), фазовая (ФМ), частотно-импульсная (ЧИМ), широтно-импульсная (ШИМ), амплитудно-импульсная (АИМ), многозонная импульсная (МИМ) [9], комбинированная (КМ) и др.
Рис. 1. Классификация типов преобразовательных устройств
Модуляционные источники вторичного питания (ИВЭ) с однократным преобразованием энергии, питаемые от одного источника напряжения (одноступенчатые), выполняются, как правило, одноячейковыми, содержат минимальное число полупроводниковых ключей, весьма экономичны и надежны. Однако в них могут применяться лишь простейшие виды модуляции. Питание от нескольких изолированных источников напряжения (многоступенчатый
многоячейковый ИВЭ) позволяет реализовать многозонную импульсную модуляцию (МИМ) - сочетание амплитудной и непрерывно-импульсной модуляции в одной ступени питающего напряжения (рис. 2).
АИМ
4Их 3Их 2Их Их
ив
4Их 3Их 2Их Их
Ив
Тк 2Тк
ШИМ
Кк
3Тк 4ТК
2ТК
4Их 3Их 2Их Их
Ив;
4Тк
МИМ
Кк
8Тк
Рис. 2. Схемы импульсной модуляции
В преобразователях с МИМ диапазон изменения выходной величины ивых (¿) разделен на ряд ступеней - зон. Модулируемый параметр в каждой зоне изменяется по полному циклу. Окончание цикла является условием перехода из зоны в зону.
4ТК 6ТК 8ТК
!2Тк ШТ
Сравнение трех видов модуляции (рис. 2) при линейно возрастающем входном сигнале (штриховая линия) показывает, что амплитудная (поступенчатая) модуляция с ограниченным числом зон (п) дает наибольшее отклонение формы выходного напряжения от заданной, а частота включения ступеней зависит от скорости изменения входного сигнала.
Многозонная модуляция обеспечивает наименьшую погрешность воспроизведения энергетическим каналом преобразователя заданной формы управляющего напряжения на входе информационного канала преобразователя и наименьшие коммутационные потери мощности (так как высокочастотная ШИМ имеет место лишь в одной ступени), а также улучшает спектр выходного напряжения, чем облегчаются условия ЭМС.
Кроме того, МИМ наиболее органично сочетается с прямым цифровым управлением, и такой МИВЭ может использоваться как силовой цифро-аналоговый преобразователь [10]. Однако необходимо учитывать большую установленную мощность электротехнического оборудования в МИВЭ при МИМ.
Рис. 3. Варианты цепочечных структур со звеном повышенной частоты
Большими функциональными возможностями и гибкостью управления при сравнительно высоких технико-экономических показателях обладают ИВЭ с многократным преобразованием, построенные по схеме цепочечного или комбинированного включения элементарных преобразователей (В, ШИП, АИ), фильтров и трансформаторов. Варианты цепочечных структур со звеном повышенной частоты, в последние годы получившие распространение в приборных системах электропривода, источниках бесперебойного питания и в электротехнологических установках, приведены на рис. 3.
В преобразователях со звеном повышенной частоты (ЗПЧ), которое представляет собой промежуточный вентильный преобразователь, при бестрансформаторном входе (рис. 3 а) существенно улучшаются массо-габаритные показатели трансформаторов ЗПЧ и фильтров по сравнению с их аналогами, работающими на частоте 50 Гц. Здесь необходимо напомнить, что габариты трансформаторов обратно пропорциональны корню четвертой степени от частоты, а габариты реактивных элементов сглаживающих фильтров обратно пропорциональны квадрату частоты. Такие преобразователи выполняют также функции регулирования или стабилизации, подавляют низкочастотные пульсации.
Цепочечные схемы с ЗПЧ менее чувствительны к характерным для электротехнологических устройств и приборных электроприводов резким изменениям нагрузки, которые могут компенсироваться с помощью регулятора напряжения звена постоянного тока.
В преобразователях-регуляторах постоянного напряжения ЗПЧ может быть реализовано в виде АИ с ШИМ и выходным трансформатором, выпрямителем и высокочастотным фильтром (рис. 3б).
Структурные схемы цепочечных инвертирующих преобразователей с ЗПЧ (рис. 3в) обычно содержат высокочастотный АИ с выходным трансформатором, совмещающим процессы преобразования на основной и повышенной частоте посредством гармонической модуляции выходного напряжения на высокой (несущей) частоте.
Преобразователь с инвертированием на повышенной частоте и модуляцией выходного напряжения на основной частоте наиболее прост по структуре (содержит минимальное число звеньев), имеет хорошие энергетические характеристики и позволяет улучшить массо-габаритные и динамические характеристики системы. Выходной согласующий трансформатор, работающий на основной частоте выходного напряжения, несколько ухудшает общие массогабаритные показатели цепочечного преобразователя в целом.
При значительной разнице в величинах входного и выходного напряжений рационально использовать цепочечную схему (рис. 3г). Здесь трансформаторная развязка осуществляется в высокочастотном звене вентильного блока ЗПЧ1, на который возлагаются и функции регулирования выходного напряжения. Выпрямленное и сглаженное высокочастотным фильтром напряжение затем вновь инвертируется блоком ЗПЧ2, работающем также на повышенной частоте с модуляцией по заданному закону, после чего высокочастотная составляющая выходного напряжения отфильтровывается. Разделение функций регулирования и модуляции между блоками ЗПЧ улучшает технико-экономические показатели цепочечного преобразователя, так как все звенья работают на повышенной частоте.
Уменьшить помехи, создаваемые цепочечными преобразователями, и облегчить условия коммутации транзисторов можно, используя высокочастотные резонансные инверторы (с обратными диодами и без них), в которых транзисторы переключаются в моменты времени, соответствующие нулевому значению тока в колебательном контуре [4, 11-13].
Информационная подсистема современных электроприводов строится на базе микроконтроллеров [3, 4, 14], разрабатываемых такими ведущими фирмами, как ABB, INTEL, MOTOROLA, TEXAS INSTRUMENTS, SEMENS AG, ANALOG DEVICES, ядром которых является процессор с мощной системой команд, имеющий в своем составе большой набор периферийных устройств: порты ввода-вывода, таймеры-счетчики, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и т.д. Это позволяет обрабатывать сигналы с датчиков обратной связи, реализовывать сложные законы управления в режиме реального
времени и вырабатывать управляющие сигналы для силового блока преобразователя. На микроконтроллер возлагаются также функции контроля, защиты и диагностики отдельных элементов и всей системы в целом.
В случае проектирования прецизионных систем с большим диапазоном регулирования и высоким быстродействием целесообразно использовать микроконтроллеры ADMC300 фирмы ANALOG DEVICES и TMS320F240 фирмы TEXAS INSTRUMENTS. Это представители последнего поколения вычислительных управляющих устройств, обладающих повышенной вычислительной производительностью и специально адаптированных для задач управления системами электропривода с полупроводниковыми преобразователями. Оба этих микроконтроллера принадлежат к новым развивающимся семействам, что обеспечивает надежность вложений и перспективу дальнейшего усовершенствования разрабатываемых изделий при минимальных затратах.
В табл. 1 представлены основные характеристики нескольких типов контроллеров различных фирм-производителей, организация которых наиболее адаптирована для реализации регулируемых электроприводов различного назначения.
Контроллер Фирма-производитель Год выпуска Разрядность, бит Память Кбайт Быст- родей- ствие, млн. опер. в сек. Периферийные устройства Цена, USD
87С196МС Intel 1994 16 16 ПЗУ 1 ШИМ-генератор на 6 каналов, 13 каналов АЦП на 10 разрядов, 2 таймера на 16 разрядов 35
SAB80C167CR Siemens 1996 16 128 ПЗУ 10 2 16-разрядных блока «сравнения-фиксации» с возможностью ШИМ, 5 таймеров на 16 разрядов, 16 каналов АЦП на 10 разрядов, последовательный порт, интерфейс CAN 50
ADMC300 Analog Devices 1998 16 14 ОЗУ 25 ШИМ-генератор на 6 каналов, 5 полных АЦП на 16 разрядов, интерфейс с инкрементальным датчиком, 2-х канальный таймер событий, последовательный порт 25
TMS320F240 Texas Instrume nts 1998 16 32 Flash 20 12 каналов ШИМ, 3 таймера на 16 разрядов,4 модуля «фиксации» с возможностью подключения инкрементального датчика, 2 полных 10-разрядных АЦП на 8 каналов каждый, последовательный порт 25
ADSP-21990 Analog Devices 2003 16 40 ОЗУ 160 ШИМ-генератор на 6 каналов, 8 каналов АЦП на 14 разрядов, 3 таймера на 32 разряда, интерфейс с инкрементальным датчиком, последовательный порт 25
Таблица 1. Сравнительная характеристика микроконтроллеров
Для школы профессора Т. А. Глазенко всегда был характерен системный подход к исследованию и проектированию электромеханических и электротехнологических комплексов и систем с высокоэффективными полупроводниковыми преобразователями, когда разработка критериев оценки и методики выбора законов и способов коммутации полупроводниковых коммутаторов, типа коммутирующего
прибора, частоты коммутации, вида модуляции, а также расчет электромагнитных нагрузок и синтез параметров элементов проводится с учетом свойств и особенностей всех составляющих энергетической и информационной подсистем [3-5, 7, 8, 11-13, 15, 16]. Поэтому научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы проводились на кафедре по следующим направлениям.
I. Исследование и разработка методов и аппаратуры для неразрушающих режимных испытаний полупроводниковых приборов и системы параметров, характеризующих области безопасной работы полупроводниковых приборов.
II. Исследование коммутационных процессов в полупроводниковых преобразователях, определение электромагнитных нагрузок на элементах, разработка защищенных (интеллектуальных) транзисторных ключей и устройств защиты и диагностики систем с преобразователями.
III. Исследование и разработка новых схемных структур полупроводниковых преобразователей и систем электропривода постоянного и переменного тока с улучшенными динамическими показателями и расширенным диапазоном регулирования.
IY. Разработка методов анализа, синтеза, автоматизированного расчета и проектирования полупроводниковых преобразователей и систем на их основе.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные по второму и третьему направлениям в 70-х годах под руководством проф. Т.А. Глазенко, позволили впервые сформулировать концепцию построения унифицированного обратимого ШИП с несимметричным законом и поочередной коммутацией на основе защищенных транзисторных ключей из условия полного использования транзисторов по напряжению и току, с защитами от короткого замыкания цепи нагрузки, от исчезновения питания цепей управления, от выхода из строя датчиков координат замкнутой САР и от перегрева или выхода из строя одного или нескольких силовых ключей, обеспечивающего работу электрической машины во всех четырех квадрантах плоскости механических характеристик [7, 8, 12, 13]. Все это позволило к концу 80-х годов создать базовый унифицированный транзисторный инвертор напряжения, предназначенный для обеспечения заданных статических и динамических показателей различных по своему назначению САР [15].
Перспективность предложенных и защищенных авторскими свидетельствами решений по построению ШИП и силового транзисторного ключа была впоследствии подтверждена практикой проектирования силовой электроники для систем управления в СССР и за рубежом [1-3].
Решение проблемы построения транзисторного силового ключа и базового ШИП позволило впоследствии сосредоточить усилия ученых кафедры на решении вопросов анализа, синтеза и практической реализации систем управления, статические и динамические характеристики которых определяются в конечном итоге спецификой и быстродействием транзисторных и тиристорных инверторов напряжения и тока. Были сформулированы основные требования к законам и способам коммутации как тиристорных, так, позднее, и транзисторных ШИП из условия обеспечения устойчивости систем автоматического регулирования, построенных на базе этих преобразователей, и достижения такими системами максимальных динамических показателей [15].
Полупроводниковые преобразователи как элемент замкнутой системы регулирования приборных систем, методика их расчета и проектирования
В приборных системах к качеству выходной ЭЭ преобразователя предъявляются достаточно жесткие требования. Преобразователь должен обеспечивать:
• высокую точность стабилизации и низкий уровень пульсаций при широком диапазоне регулирования;
• высокую точность системы многофазных гармонических напряжений (токов), создающих равномерно вращающиеся магнитные поля;
• заданную форму импульсов выходного напряжения (тока), в некоторых случаях с достаточно крутым фронтом и срезом;
• возможность согласования внешней характеристики ИВЭ с нелинейной и изменяющейся в зависимости от режима работы характеристикой нагрузки.
Поэтому полупроводниковые преобразователи в приборных комплексах работают в составе замкнутых систем автоматического управления (САУ), содержащих энергетический и информационный каналы. На САУ приборных систем могут быть возложены следующие функции: подавление автоколебательных режимов на субгармонических частотах, повышение быстродействия и обеспечение устойчивости системы, а также решение некоторых проблем ЭМС преобразователя с питающей сетью [4-6, 16].
Приборные комплексы с полупроводниковыми преобразователями представляют собой нелинейные импульсные системы, статические и динамические свойства которых в значительной степени определяются электромагнитными процессами в энергетическом канале преобразователя и режимами работы нагрузки [4, 7, 8].
Проектирование преобразователей состоит обычно из нескольких этапов, на которых в зависимости от решаемой задачи используются различные электрические модели силовой цепи [4, 11, 12].
1. Расчет электромагнитных процессов в энергетическом канале при разных режимах работы исполнительного устройства с целью выявления наиболее тяжелого режима, для которого следует проектировать силовую цепь преобразователя. На этом и последующих этапах используются ключевые модели полупроводниковых приборов и простейшие электрические схемы замещения реактивных элементов.
2. Выявление структуры силовой цепи при выбранном алгоритме переключения вентилей, определяющих класс электрической модели преобразователя и методы ее расчета:
• класс I. Силовая цепь с неизменной структурой и параметрами, электромагнитные процессы в которой описываются линейным дифференциальным уравнением и характеризуются эквивалентным дискретно-изменяющимся периодическим возмущением;
• класс II. Силовая цепь с переменной структурой и фиксированными моментами ее изменения на периоде коммутации; процессы в цепи описываются системами линейных дифференциальных уравнений с дискретно изменяющимися в фиксированные моменты времени коэффициентами;
• класс III. Силовая цепь с переменной структурой, изменяющейся в моменты времени, зависящие от напряжений или токов в ветвях с вентилями.
3. Исследование нестационарных и квазистационарных процессов в силовой цепи преобразователя.
Преобразователи I класса (с неизменной структурой) исследуются применением аналитических или численно-аналитических методов расчета линейных электрических цепей.
При расчете реакции на сложные и знакопеременные возмущения целесообразно использовать принцип наложения.
Анализ устойчивости в малом приборных САУ с преобразователями I класса может быть выполнен линейными методами теории автоматического регулирования.
Области устойчивости САР с преобразователем исследуются далее на ПЭВМ с применением численного интегрирования при различных законах изменения входного сигнала во времени (линейный, гармонический или ступенчатый) и типах регуляторов. Вычислительные процедуры могут быть выполнены в аппарате символьных преобразований и матричных представлений.
Наиболее общим методом расчета электромагнитных процессов в силовой цепи преобразователей II и III классов является метод переменных состояний в сочетании с методом сшивания решений на границах расчетных интервалов, соответствующих интервалам постоянства структуры и параметров цепи [17]. Преимущества такого подхода состоят в возможности формирования системы кусочно-линейных уравнений минимального порядка.
Результатом третьего этапа является расчет мгновенных, средних и действующих значений тока, напряжения и рассеиваемой мощности во всех элементах энергетического канала преобразователя для квазистационарного и типовых переходных режимов.
4. Расчет обобщенных статических (регулировочных, пульсационных и энергетических) и динамических характеристик модуляционных преобразователей, определяющих их регулировочные, нагрузочные, пульсационные, энергетические и инерционные свойства.
К регулировочным характеристикам автономных преобразователей с ШИМ относятся зависимости относительного среднего входного тока IL и выходного
напряжения Uc от относительной продолжительности включения нагрузки в цепь
источника питания UП на периоде коммутации:
- - IL ■ r — — UCcp
I ВХср = 1 Lcp =—- = f (У)-, U ВЫХ cp = U Ccp = CP
Un ..........~ ~ U
П
для постоянных силовой цепи /3L = Tj tl ,Pc = T/tc , R = r/RH •
Пульсационные характеристики представляют собой относительный размах пульсаций тока и напряжения на входе и выходе преобразователя как функции регулирующего параметра:
АIВХ = A 1l = Il max - Ilmin = f (Y), AUвых = AUС = Uc max - Uc min
I ^ U
1 Lcp ^ Ccp
при PL ,Pc, R = const •
Энергетические характеристики позволяют оценить результирующие относительные потери мощности в энергетическом канале преобразователя, и следовательно, КПД:
P, UC 2
п = — =-Ccp-= f (y)
' P, RH -Un • ILcp JU)
при PL ,PC, R = const.
Динамические характеристики определяются как совокупность относительных переходных реакций на ступенчатое входное возмущение y(t) = y-5(t) [18] и позволяют оценить длительность переходных процессов, максимальные перенапряжения и броски тока, а также скорректировать выбранные параметры силовой цепи.
В конечном итоге совокупность переходных характеристик закладывается в основу приближенного представления преобразователя некоторым типовым звеном САУ (нелинейным или линейным с насыщением, апериодическим с запаздыванием,
колебательным и др). Эти семейства характеристик устанавливают связи между основными свойствами преобразователя и параметрами его силовой цепи, что позволяет в дальнейшем перейти к оптимизационным задачам выбора параметров силовой цепи по тому или иному критерию.
5. Выбор стандартных и проектирование нестандартных магнитных элементов, работающих в специфичных условиях элементов.
Транзисторы выбираются на основании расчета процессов в элементарном переключающем звене преобразователя с использованием уточненных кусочно-линейных схем замещения, учитывающих паразитные параметры [11, 12]. При этом проверяется расположение (внутри или вне области безопасной работы) траектории переключения рабочей точки транзистора и при необходимости применяется демпфирующая цепь.
Практические разработки электрических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями
Несмотря на большой спектр работ на кафедре, традиционными для нее являются работы по построению систем управления прецизионными комплексами позиционирования и слежения телескопов траекторных измерений (ТТИ) и лабораторных источников тока программируемой формы для нужд нестационарного электролиза.
Комплексы позиционирования и слежения предназначены для преобразования кодов задания траекторий движения оптической оси станции, поступающих от центральной ЭВМ, в углы поворота следящих осей по двум координатам - углу места а и азимуту в [19].
Структурно комплексы как электромеханотронные системы, как было отмечено выше, содержат энергетические и информационные подсистемы, отличающиеся разнообразием как инфраструктур и элементной базы, так и внешних связей. Точность традиционных систем, построенных на базе коллекторных двигателей с согласующими редукторами, ограничена, и в современных условиях наиболее перспективными являются приводы на основе бесколлекторных высокомоментных элетромеханических преобразователей с транзисторными усилительно-преобразовательными устройствами, цифровыми датчиками координат и регуляторами [19].
При построении оптических комплексов слежения возникает широкий круг задач, связанных с необходимостью точного позиционирования и слежения, сопровождающегося вращением следящей оси с инфранизкими скоростями при значительных величинах моментов статического сопротивления и маховых масс на валу и возможном широком диапазоне их изменения. Обычно к таким системам предъявляются высокие требования по статическим, динамическим, энергетическим, надежностным и другим показателям.
Системами наведения, спроектированными и разработанными специалистами нашей кафедры, оснащены ТТИ нового поколения, осуществляющие траекторные измерения и проводку спутников на Кавказе, в Подмосковье и на Алтае. Сегодня ведется эскизное проектирование системы наведения для самого крупного в России ТТИ с диаметром зеркала в 3,12 м для Алтайского оптико-лазерного центра.
Разработанные системы обеспечивают движение следящей оси а в диапазоне углов от 0 до 180 град с угловыми скоростями и ускорениями в диапазонах соответственно от 2"/с до 30 град/с и от 0 до 6 град/с2 и позиционирование с точностью не хуже 1" при статическом моменте нагрузки на оси до 20 Нм и моменте инерции, меняющемся в диапазоне от 250 до 500 кгмс .
С 2000 года СПбГИТМО (ТУ) в лице кафедры ЭТ и ПЭМС является головным предприятием Российского авиационно-космического агенства (РАКА) в кооперации с ФГУП "НИИ НИ" в части создания электросиловых приводов квантово-оптических систем нового поколения.
На пятом международном авиасалоне "МАКС-2001" в августе 2001 года экспонировался оптико-лазерный комплекс траекторных измерений с системой наведения, разработанной на кафедре ЭТ и ПЭМС.
В 80-х годах на кафедре электротехники начались исследовательские и проектные работы в части применения транзисторных ШИП в источниках электропитания для установок импульсного электролиза - наиболее перспективного и надежного средства простого и эффективного управления структурой и свойствами функциональных покрытий, особенно сплавов.
Для технического обеспечения указанного направления требуются специальные сильноточные импульсные источники электропитания, обладающие по сравнению с непрерывными дополнительными регулируемыми параметрами, такими как частота следования импульсов, их амплитуда и длительность, длительности фронтов самих импульсов. Обеспечение заданных и регулируемых величин этих параметров потребовали использования новых структурных и схемных решений и новой элементной базы [20].
К источникам электропитания, обеспечивающим процесс электроосаждения импульсным током, предъявляются следующие требования:
• возможность формировать выходной параметр в виде импульсов заданной произвольной формы
• широкий диапазон регулирования среднего напряжения и тока в нагрузке;
• высокая точность стабилизации выходных параметров источника в условиях изменяющихся параметров нагрузки, малые пульсации выходного параметра;
• обеспечение работы источника по программам, определяющим технологические режимы покрытий, контроль и индикация выходного параметра;
• выход на ЭВМ высокого уровня для работы в составе АСУ;
• возможность наращивания выходной мощности за счет организации параллельной работы на общую нагрузку однотипных источников;
• высокие энергетические показатели, минимальные габариты и вес и др.[20].
Применение импульсного регулирования остро поставило проблему сглаживания пульсирующей составляющей тока в нагрузке, которая оказывает негативное влияние на качество покрытий и требует установки сглаживающих фильтров, значительно снижающих предельные динамические свойства источников при ограниченной частоте коммутации силовых ключей и точность воспроизведения в нагрузке тока заданной амплитуды, частоты и формы.
Существенного расширения этих возможностей удалось достичь за счет применения усилительно-преобразовательных устройств многомодульного типа, что потребовало разработки соответствующих методов синтеза энергетических и информационных подсистем источников [21, 22].
На второй международной выставке "ТЕХНОХИМИЯ-98" экспонировался технологический комплекс для электрохимической обработки металлов, включающий универсальный источник электропитания с микропроцессорной системой управления, позволяющий воспроизвести в гальванической ванне ток или напряжение любой заданной формы, а также осуществить его задание в графическом виде на экране дисплея и визуальный контроль электрохимических процессов в гальванованне с применением современных виртуальных технологий, выполненный по заказу НИИ ювелирной промышленности и АО " Русские самоцветы".
Перспективы развития полупроводниковой преобразовательной техники и электротехнических комплексов и систем на ее основе
Создание современных методов анализа и синтеза прецизионных электроприводов и мощных источников электропитания с программируемой формой выходного параметра для электротехнологических установок, основанных на последних достижениях силовой электроники и компьютерной техники, является серьезной научно-технической проблемой в области энергетической электроники. Эта проблема включает такие вопросы, как:
1. пазработка математических моделей, способствующих расширению и углублению представлений о характере электромагнитных и информационных процессов в системах управления с усилительно-преобразовательными устройствам на основе транзисторных инверторов;
2. разработка структур, алгоритмов функционирования и конкретных схем систем управления электроприводов и источников электропитаиия с программируемой формой выходного параметра с транзисторными ШИП в контурах управления, позволяющих реализовать системы с заданными статическими и динамическими характеристиками при сохранении высоких показателей качества потребляемой электроэнергии;
3. разработка инженерных методик расчета электромагнитных нагрузок на элементы энергоподсистемы и синтеза САУ с импульсными преобразователями в контурах управления с учетом цикличности и разрядности датчиков координат и микропроцессорных контроллеров;
4. разработка принципов реализации алгоритмов прямого цифрового управления силовыми ключами транзисторных инверторов на основе однокристальных процессоров DSP из условия обеспечения заданных статических и динамических характеристик системы управления.
Научная новизна предполагаемых работ состоит в развитии теории расчета и проектирования систем управления с импульсными полупроводниковыми преобразователями применительно к прецизионным электроприводам постоянного и переменного тока и источникам тока программируемой формы.
В последние годы особый интерес у разработчиков систем электропривода с полупроводниковыми преобразователями приобрел "мехатронный подход" к проектированию. При таком подходе одним из основных требований к полупроводниковым преобразователям становится возможность их встраивания непосредственно в корпус механизма, в связи с чем появляется тенденция к созданию высокоинтегрированных модулей. При этом электропривод и механизм проектируются как единое целое, с учетом специфических свойств друг друга, чем обеспечиваются наилучшие конструктивно-технологические и массо-габаритные показатели. Этот подход оказался эффективен при создании поворотных столов и опорно-поворотных устройств, мотор-колес для транспортных средств, электроинструмента и других механизмов.
Нельзя также не отметить возросший интерес у разработчиков электротехнических комплексов и систем к использованию сетевых технологий для целей дальнейшей автоматизации. С точки зрения рассмотренных в докладе и разработанных на кафедре систем управления квантово-оптическими комплексами нового поколения, сетевые технологии позволят реализовать централизованное управление всеми телескопами организации или ведомства. При подключении телескопов к единой компьютерной сети и переводе программного обеспечения на технологию "клиент - сервер" у наблюдателя появляется реальная возможность
работать с любым инструментом независимо от его географического положения. При
таком централизованном управлении реализуется целый ряд преимуществ перед
традиционными способами:
• одновременная работа с несколькими телескопами (используя многозадачную операционную систему, не составляет никаких трудностей запуск двух и более программ-клиентов, каждая из которых будет подключаться к "своему" серверу, предоставляя доступ к очередному телескопу);
• возможность работы нескольких операторов из разных географических мест одновременно;
• возможность создания единой базы результатов всех наблюдений и справочных материалов;
• оперативное решение проблем с программным обеспечением.
Литература
1. История и перспективы развития полупроводниковой преобразовательной техники и систем электропривода на ее основе / А.Е.Козярук, В.С.Томасов. // Изв. вузов. Приборостроение.1998. Т. 41. № 1-2. С. 85-93.
2. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М: Энергоатомиздат, 1992.
3. Электрические комплексы и системы с полупроводниковыми преобразователями /
B.С.Томасов, В.А.Толмачев // Изв. ёузов. Приборостроение. 2000. Т. 43/ № 1-2.
C. 70-75.
4. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении. / Т.А.Глазенко, В.С.Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т.39. № 3. С. 5-12.
5. Электромагнитные процессы в силовой цепи источника питания транзисторного ШИП, работающего в замкнутой системе электропривода / В.С.Томасов, С.А.Серебряков, П.А.Борисов // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45. № 8. С. 42-50.
6. Ефимов А.А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / Под общей редакцией д.т.н., проф. Р.Т.Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.
7. Глазенко Т.А., Пискарев А.Н., Синицын В.А., Томасов В.С. Полупроводниковые широтно-импульсные преобразователи для быстродействующих следящих электроприводов постоянного тока. Л.: ЛДНТП, 1974. 32 с.
8. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973.
9. Кобзев А.В., Лебедев Ю.М., Михальченко Г.Я. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. М.: Энергоатомиздат, 1986.
10. Глазенко Т.А., Эздрин Г.С. Принципы построения силовых преобразователей "код-напряжение". // Тез. докладов VII Всесоюзной конференции "Современные задачи преобразовательной техники". Киев. 1975. Вып.4. С.44-47.
11. Режимы работы и способы повышения надежности транзисторных ключей в преобразователях систем электропривода / Т.А Глазенко., В.А. Синицын, В.С. Томасов, Г.С. Эздрин. Киев. 1979. Препринт. / ИЭД АН УССР. 202.
12. Глазенко Т.А., Синицын В.А., Томасов В.С. Коммутационные процессы и принципы построения силовых каскадов ШИП и АИН систем электропривода на защищенных транзисторных ключах. // Электротехника. 1983. № 3. С.11-18.
13. Глазенко Т.А., Синицын В.А., Толмачев В.А. Выбор частоты коммутации силовых ключей замкнутых систем автоматического регулирования с транзисторными ШИП. // Электротехника. 1988. №10. С.64-68.
14. Проблемы реализации микропроцессорных систем управления источников тока программируемой формы / К.М.Денисов, В.А.Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т.43. № 1-2. С.75-80.
15. Глазенко Т.А., Синицын В.А., Толмачев В.А. Сравнительный анализ динамических характеристик транзисторных широтно-импульсных преобразователей. // Электротехника. 1988. №3. С.23-39.
16. Глазенко Т.А., Сеньков В.И. Схемотехнические и конструктивные методы обеспечения электромагнитной совместимости транзисторных преобразователей постоянного напряжения. // Электричество. 1989. №2. С.37-43.
17. Цыпкин ЯЗ., Попков Ю.С. Теория нелинейных импульсных систем. М.: Наука. 1973.
18. Глазенко Т. А.,Томасов В.С. Методика анализа переходных процессов в выпрямителях с г-С фильтрами. // Изв. вузов. Приборостроение. 1994. Т.37. № 1112. С.45-53.
19. Системы управления комплексом позиционирования и слежения / В.А.Синицын, В.А.Толмачев, В.С.Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т.39. № 3. С.22-27.
20. Принципы построения и пути совершенствования технических характеристик мощных источников электропитания с произвольной формой выходного параметра / В.А.Синицын, В.А.Толмачев, В.С.Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39. № 4. С. 47-54.
21. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивным фильтром / Толмачев В.А. // Изв. вузов. Приборостроение. 2001. Т.44. №3. С.16-22.
22. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивно-емкостным фильтром / Толмачев В.А.. // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45. №4. С.33-39.
