Стабілізуючі імпульсні перетворювачі постійної напруги зі змінною структурою та слідкуючим управлінням

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

 

КОБЕЦЬ Данило Васильович

 

УДК 621. 316. 722. 1

 

 

Спеціальність: 05. 09. 12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії

 

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

 

Київ – 2002

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого управління технологічними процесами паливно-енергетичного комплексу Донбаського гірничо-металургійного інституту Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ.)

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент Баранов Олександр Миколайович, доцент кафедри автоматизованого управління технологічними процесами паливно-енергетичного комплексу Донбаського гірничо-металургійного інституту.

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор Артеменко Михайло Юхимович, професор кафедри «Промислова електроніка» Національного технічного університету України «КПІ»;  кандидат технічних наук Руденко Юрій Володимирович, старший науковий співробітник Інституту електродинаміки НАН України.

Провідна установа – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України (кафедра промислової електроніки).

 

 

Вступ. Сучасний етап розвитку промисловості і народного господарства характеризується значною кількістю об'єктів і пристроїв, для електроживлення яких необхідно: задовольнити підвищені вимоги до якості і швидкодії регулювання вихідних координат перетворювачів електроенергії в режимах автоматичної стабілізації, програмного і слідкуючого управління; підвищити якість вхідних енергетичних показників перетворювачів з метою поліпшення їхньої електромагнітної сумісності. Як свідчать роботи багатьох провідних фахівців, досягнути найбільш вагомих результатів в таких умовах можливо за рахунок розробки нових класів перетворювачів та подальшого розвитку методів синтезу систем управління перетворювачами. У зв’язку з чим, значно зростає роль автоматичного управління в силовій електроніці.

Актуальність теми. Постійний прогрес в області силової електроніки, зв'язаний у першу чергу з появою все більш досконалих силових напівпровідникових приладів, відкриває шляхи поліпшення і створення нових схемотехнічних рішень, підвищення енергетичних і динамічних показників, розширення сфери використання силової електроніки в народному господарстві.

Тенденція розвитку пристроїв перетворювальної техніки все в більшій мірі характеризується застосуванням змінних структур. Принцип змінності структури дозволяє забезпечити в більшості випадків оптимальне рішення задач перетворення, а в окремих конкретних умовах є практично єдиним методом досягнення прийнятного результату. Питання теорії систем зі змінною структурою порівняно давно знайшли висвітлення в роботах Є. А. Барбашина, С. В. Ємельянова, В. І. Уткіна та ін. Основна увага в цих роботах приділяється різним задачам управління об'єктами за допомогою управляючих систем зі змінною структурою, у яких реалізується так називаний ковзний режим. Характерною рисою такого режиму роботи є те, що зміна структури відбувається з частотою, яка прагне до нескінченності.

Ковзний режим має багато позитивних властивостей, завдяки яким він одержав широке поширення при синтезі автоматичних систем, побудованих з використанням принципу змінності структури. По-перше, форма ковзного процесу залежить від поверхні переключень і не залежить від параметрів об'єкта. По-друге, згідно довизначенню розривних диференціальних рівнянь О. Ф. Філіппова, система, що працює в ковзному режимі, з достатнім ступенем точності може бути зведена до лінійної системи управління. Зазначені властивості були використані в роботах О. В. Пузакова та ін. стосовно слідкуючих перетворювачів, побудованих на базі імпульсного перетворювача постійної напруги (ІППН) знижуючого типу. Що стосується ІППН підвищуючого та інвертуючого типів, то можливості використання в них ковзного режиму вивчені недостатньо.

Таким чином, незважаючи на значні досягнення в області перетворювальної техніки, подальше удосконалення засобів управління перетворювачами з використанням принципу змінності структури і ковзного режиму роботи є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з зазначеної тематики проводилися в Донбаському гірничо-металургійному інституті при виконанні НДР “Розробка системи автоматизованого проектування й аналізу високодинамічних імпульсних перетворювачів електричної енергії” (№ ДР 0198U005527). Роль здобувача у виконанні цієї НДР полягала в розробці математичних моделей для аналізу динамічних властивостей перетворювачів.

Метою і задачами досліджень є подальшій розвиток методів підвищення динамічних властивостей перетворювачів зі змінною структурою та слідкуючим управлінням, шляхом використання в них ковзних режимів роботи, а також розробка на цій основі стабілізуючих імпульсних перетворювачів постійної напруги підвищуючого та інвертуючого типів.

Поставлена мета вимагає розв'язання наступних задач:

визначення умов існування ковзного режиму в перетворювачах зі змінною структурою;

лінеаризації математичних моделей цього класу перетворювачів;

розробки методики визначення алгоритмів оптимального за швидкодією управління стабілізуючими перетворювачами з урахуванням обмеження струму дроселя;

розробки програмного забезпечення для розрахунку оптимальних коефіцієнтів зворотних зв'язків за змінними стану;

аналізу впливу коефіцієнтів зворотних зв'язків на динамічні характеристики перетворювачів.

Об'єктом дослідження є електромагнітні процеси та динамічні характеристики напівпровідникових перетворювачів.

Предметом дослідження є стабілізуючі імпульсні перетворювачі постійної напруги зі змінною структурою та слідкуючим управлінням, побудовані на базі ІППН підвищуючого і інвертуючого типів.

Методи дослідження. При рішенні поставлених задач використовувалися методи: теорії систем зі змінною структурою; теорії дискретних систем; теорії оптимального та екстремального управління; теорії автоматичного управління; матричні методи; чисельні методи рішення диференціальних рівнянь; методи математичного моделювання. Чисельні розрахунки проводилися з використанням ЕОМ типу Celeron.

Вірогідність основних положень і результатів перевірялася з використанням аналогового, чисельного, напівнатурального і фізичного моделювання, перевіркою на експериментальних зразках перетворювачів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: