Стабілізуючі імпульсні перетворювачі постійної напруги зі змінною структурою та слідкуючим управлінням

Размещено на http://www.allbest.ru

національна АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

СТАБІЛІЗУЮЧІ ІМПУЛЬСНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ Зі зМІННОЮ СТРУКТУРОЮ та слідкуючим управлінням

Спеціальність: 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КОБЕЦЬ Данило Васильович

УДК 621.316.722.1

Київ - 2002Дисертацією 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 ехнологічними 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).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56).

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. С.Федій

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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. перетворювач напруга електроенергія експеримент

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:

дістала подальшого розвитку теорія оптимізації систем управління перетворювачами на основі метода динамічного програмування Беллмана з використанням властивості стабілізуємості динамічної системі;

вперше запропоновано в системі підлеглого управління перетворювачами, яка побудована за принципом підлеглого регулювання координат, в якості регуляторів струму дроселя та вихідної напруги використовувати релейні регулятори, які працюють в ковзному режимі;

отримано раніш невідомі умови існування ковзного режиму в перетворювачах зі змінною структурою;

на основі аналізу електромагнітних процесів в перетворювачах зі змінною структурою вперше встановлено, що математичні моделі цього класу перетворювачів при роботі у ковзному режимі можуть бути лінеаризовані;

вперше показано, що в запропонованій системі управління для спрощення синтезу регулятора напруги контур регулювання струму можна представити аперіодичною ланкою першого порядку.

Практичне значення одержаних результатів. У результаті проведених досліджень

запропоновано методику синтезу оптимального за швидкодією алгоритму управління стабілізуючими перетворювачами зі змінною структурою та слідкуючим управлінням, з урахуванням обмеження струму дроселя;

запропоновано методику аналізу впливу коефіцієнтів зворотних зв'язків на динамічні характеристики перетворювачів;

розроблено пакет програм для обчислення оптимальних коефіцієнтів зворотних зв'язків регулятора вихідної напруги та аналізу впливу отриманих коефіцієнтів на динамічні характеристики перетворювачів.

Реалізація результатів роботи в народному господарстві здійснювалася шляхом використання їх при виконанні держбюджетних робіт і господарського договору 2-62/1503/20 з ВАТ "Алчевьсккокс".

Особистий внесок здобувача. Самостійно розроблений спосіб управління стабілізуючими ІППН зі змінною структурою і слідкуючим управлінням, що забезпечує виникнення ковзних режимів. Здобувачу належить методика одержання лінеаризованих математичних моделей перетворювачів зі змінною структурою; алгоритм управління ІППН зі змінною структурою, який синтезовано за критерієм максимальної швидкодії з урахуванням обмеження струму накопичувального дроселя. Здобувачем складені всі програми та отримані результати аналізу перехідних процесів у ІППН, що дозволяють визначити динамічні характеристики отриманих систем при параметричних збурюваннях.

У спільних роботах, опублікованих по темі дисертації особисто здобувачу належить: у роботі /1/ - методика одержання лінеаризованих математичних моделей перетворювачів зі змінною структурою; у роботі /2/ - алгоритм оптимального управління імпульсних перетворювачів напруги; у роботі /3/ - умови існування ковзного режиму в перетворювачах зі змінною структурою.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на: 8-й Міжнародній конференції з автоматичного управління "Автоматика - 2001" (м. Одеса, 2001), 1-й Всеукраїнській науково-технічній конференції аспірантів і студентів "Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих" (м. Донецьк, 2001), на науково-технічних конференціях Донбаського гірничо-металургійного інституту (м. Алчевськ, 2001, 2002)

Публікації. Основні результати роботи відображені в 6 друкованих працях, з яких 4 статті в фахових виданнях, 2 тези доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку літератури і додатків. За-гальний обсяг дисертації складає 173 сторінки, у тому числі: 109 сторінок основного тексту, 57 рисунків, список літературних джерел з 129 найменувань та 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі досліджень. Викладено основні наукові й практичні результати, отримані в роботі, а також основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі сформульовано основні вимоги, що пред'являються до стабілізуючих ІППН, проведено їхній короткий аналіз і виділені ті з них, що мають основне значення для досліджених у дисертаційній роботі перетворювачів.

Проведено порівняльний аналіз способів управління стабілізуючими перетворювачами. Показано, що одним з перспективних напрямків розвитку перетворювальної техніки та підвищення ефективності її використання є удосконалювання способів і алгоритмів управління, заснованих на принципі змінності структури. На підставі проведеного огляду зроблено висновок про те, що з існуючих способів управління переважним є слідкуючий релейний асинхронний принцип управління із контролем змінних стану силової частини схеми, який найбільш повно відповідає вимогам щодо можливості забезпечення високих динамічних характеристик.

Розглянуто основні критерії і методи оптимізації режимів роботи перетворювачів, що забезпечують високу якість вихідної напруги в динамічних режимах. Показано, що для оптимізації динамічних режимів перетворювачів доцільно застосовувати комплексний критерій мінімуму часу перехідного процесу з обмеженням управління і припустимих відхилень.

Існуючі методики синтезу систем управління за даним критерієм задовільно ефективні лише при низькому (не більш другого) порядку об'єкта регулювання (силової частини перетворювача), зі збільшенням же порядку силової частини ці методики надзвичайно ускладнюються.

Серед відомих методик синтезу регуляторів слідкуючих перетворювачів найбільш розповсюдженими є також ітераційні методики з апріорним завданням закону управління (час-імпульсного перетворення). Зазначені методики практично незастосовні для об'єктів регулювання високого порядку в зв'язку з неоднозначністю напрямків пошуку при параметричній оптимізації регуляторів.

Внаслідок аналізу вимог до ІППН як замкнутої системи автоматичного регулювання обрана методика синтезу системи управління. Показано, що для синтезу алгоритмів управління, що забезпечують оптимальні динамічні характеристики перетворювача за обраним критерієм якості, найбільше доцільно застосовувати дискретний метод динамічного програмування Беллмана.

Другий розділ присвячений аналізу асинхронних релейних систем управління перетворювачами зі змінною структурою і можливості використання в них ковзних режимів.

Високі динамічні показники систем зі змінною структурою вдається одержати на основі наступного підходу. Передбачається, що система складається з декількох безупинних підсистем чи структур, причому кожна з них може виявитися неприйнятною з погляду якості процесу управління. У моменти зміни структури праві частини диференціальних рівнянь, що описують рух системи, зазнають розривів на деяких поверхнях у просторі координат системи. Задача синтезу в системах з розривними управляючими впливами звичайно зводиться до вибору цих поверхонь. При виконанні визначених співвідношень у таких системах виникає ковзний режим. Виникнення ковзного режиму можливо, якщо в околиці поверхні, на якій функція управління зазнає розриви, фазові траєкторії спрямовані назустріч один одному. Очевидно, що після потрапляння на поверхню, зображуюча точка не може на протязі будь-якого, навіть як завгодно малого, але кінцевого інтервалу часу, рухатися по кожній із траєкторій, що примикають до цієї поверхні. Таким чином, у розглянутій системі зображуюча точка може рухатися лише уздовж поверхні розриву. Цей рух прийнято називати ідеальним ковзним режимом. У реальних системах перемикаючі пристрої завжди мають малі неідеальності (типу запізнювання, гистерезис і т.д.). При виникненні описаної вище ситуації наявність неідеальностей приведе до того, що перемикання управляючого впливу будуть відбуватися з кінцевою частотою, а зображуюча точка буде робити коливання в деякій околиці поверхні розриву.

Проведено аналіз існуючих способів обмеження фазових координат. У першу чергу обмеженню піддається відхилення (перерегулювання) вихідної напруги, виходячи з вимог до якості перехідного процесу. Крім вихідної напруги обмеженню піддається струм дроселя. Таке обмеження дозволяє забезпечити захист силового транзистора від перевантажень і дає можливість забезпечити нормальне функціонування схеми при короткому замиканні в навантаженні. Крім того, згідно з дослідженнями різних авторів, введення зворотного зв'язку по струму дроселя дозволяє підвищити стійкість перехідних процесів.

Існуючі способи обмеження фазових координат можна умовно розділити на дві групи. До першої групи можна віднести способи, що враховують обмеження в процесі синтезу регулятора вихідної напруги шляхом введення умов у виді нерівностей.

До другої групи способів обмеження фазових координат можна віднести структурні обмеження, тобто обмеження формуються додатковим регулятором.

Показано, що найбільше доцільно будувати систему управління за принципом підлеглого регулювання координат з регулятором струму дроселя, підлеглим регулятору вихідної напруги. Як регулятори струму дроселя і вихідної напруги, запропоновано використовувати релейні регулятори, що працюють у ковзному режимі.

Структурна схема запропонованої системи управління показана на рис. 1.



Рис. 1. Система управління перетворювачем з обмеженням струму дроселя

Функцію управління, що відповідає структурі (рис.1), можна визначити у виді

, (1)

де I_max - максимально припустимий струм дроселя; k n-мірний вектор-рядок коефіцієнтів зворотних зв'язків; - вектор відхилень фазових координат у фазовому просторі відхиленого руху; x- вектор фазових координат; x- вектор заданих значень фазових координат; k_L коефіцієнт зворотного зв'язку по струму дроселя; i_L - струм дроселя.

Передбачаючи, що релейні регулятори будуть працювати в ковзному режимі, то подальший параметричний синтез регулятора вихідної напруги варто проводити з урахуванням умов виникнення цього режиму.

Для ІППН підвищуючого та інвертуючого типів з фільтрами різних порядків були отримані умови існування ковзних режимів для випадку, коли поверхні переключення є лінійними функціями від фазових координат.

При рішенні зазначених задач сформована система рівнянь, що описує ІППН у загальному виді

, (2)

де x і f n-мірні вектори-стовпці; u_у скалярна функція управління.

У загальному виді розривне управління має вид

(3)

де (x,t), (x,t), s(x) деякі безупинні функції ( ).

Ковзний режим у системі (2) виникає, якщо на поверхні s(x)=0 можуть бути зазначені області, де проекції векторів та на нормаль мають різні знаки і спрямовані назустріч один одному. В аналітичній формі умови виникнення ковзного режиму можна представити у виді

(4)

де s - поверхня розриву.

Завдяки своїй простій технічній реалізації, найчастіше застосовуються лінійні поверхні (функції) розриву типу

. (5)

Якщо в (5) взяти похідну від s за часом, і підставити замість праву частину рівняння (2) при s>0 та s<0, то умови (4) приймають вид

(6)

Як було відзначено, 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. При цьому, відповідно до робіт В.І. Уткіна, введення неідеальностей типу "гистерезис" чи "запізнювання" при граничному переході не порушує вказаних довизначень.

Граничним випадком лінеаризації релейної системи є реалізація ковзного режиму, при якому частота перемикань релейного елемента прагне до нескінченності. На практиці в реальних слідкуючих перетворювачах з асинхронним релейним управлінням реалізація ковзного режиму утруднена й енергетично недоцільна. У зв'язку з цим частоту перемикань релейного елемента пропонується доводити до раціональних значень уведенням гистерезиса відповідної величини.

Використовуючи таким чином довизначення розривних диференціальних рівнянь за методом О.Ф. Філіппова, відповідно до якого ковзання описується рівнянням виду

, (7)

були отримані лінеаризовані математичні моделі ІППН підвищуючого та інвертуючого типів, що працюють у ковзному режимі.

У результаті дослідження математичних моделей перетворювачів на фазовій площині встановлено, що при роботі регулятора струму дроселя в ковзному режимі математична модель ковзання еквівалентна математичній моделі системи, що складається з джерела струму фільтра та навантаження. Даний висновок був підтверджений шляхом моделювання перехідних процесів у перетворювачах з використанням вхідних диференціальних рівнянь з розривною правою частиною.

Якщо прийняти припущення, що в перехідному процесі час зміни вихідної напруги значно перевищує час зміни струму дроселя від мінімального до максимального значення, то можна зробити наступний висновок. Тому що велика частина перехідного процесу проходить при ковзанні регулятора струму дроселя, то для спрощення синтезу регулятора вихідної напруги контур регулювання струму можна представити аперіодичною ланкою першого порядку.

Третій розділ присвячений розробці методики визначення алгоритмів оптимального за швидкодією управління стабілізуючими перетворювачами з урахуванням обмеження струму дроселя.

Умови існування ковзних режимів визначають усе різноманіття поверхонь, на яких можливе виникнення ковзного режиму. Однак для остаточного рішення задачі синтезу системи управління необхідно визначити поверхню, що задовольняла б обраному критерію якості управління.

Методика базується на властивостях управляємості та стабілізуємості дискретних систем, що описуються лінійним різницевим рівнянням виду

, (8)

де x - n-мірний вектор стану; F - матриця nn, g - n-мірний вектор; u - скалярне управління; .

Властивість управляємості полягає в наступному. Якщо ранг матриці дорівнює n, то динамічну систему (8) можна перевести з початкового стану x(0) у бажаний кінцевий стан x(N) за N=n кроків. Для цього управляючий вплив повинний мати вид

. (9)

Якщо вводяться обмеження, задача стає нелінійною. Управляюча перемінна обмежена і постійна протягом деякого числа інтервалів дискретизації. При фіксованій величині інтервалів дискретизації (число яких N_Д>N) формуються інтервали управління, чи іншими словами, інтервали постійності управляючої перемінної, число яких дорівнює порядку системи. Величини цих інтервалів визначаються цілим числом інтервалів дискретизації.

З урахуванням того, що на кожному кроці управління матриця F та вектор g різні, рівняння (8) приймає вид

(10)

Остаточно управляючий вплив визначається за формулою

, (11)

де .

Виходячи з принципу оптимальності Беллмана, задача оптимізації вирішувалася, починаючи з останнього інтервалу управління. Така задача відноситься до задач нелінійного цілочисельного програмування з лінійною цільовою функцією й обмеженнями у виді системи нерівностей і не має універсального рішення. Мінімізація інтервалів управління була зроблена за допомогою алгоритму, який базується на методі Гауса-Зейделя, з використанням спрямованого перебору. Таким чином, було визначено оптимальне програмне управління. Перехід від програмного управління до управління зі зворотним зв'язком був зроблений на основі властивості стабілізуємости.

Властивість стабілізуємости полягає в тім, що система (8) може бути стабілізована управляючим впливом виду

, (12)

де k - вектор зворотних зв'язків.

У зв'язку з тим що, інтервали управління та управляючі впливи на цих інтервалах відомі, то, підставляючи їх у рівняння (8), можна визначити . Далі, керуючись тим, що в регуляторі вихідної напруги створюється ковзний режим, визначено вектор k у такий спосіб. Рівняння (12) представлено у виді системи, порядок якої дорівнює порядку об'єкта управління

(13)

У ліві частини підставляються значення управляючих впливів, починаючи з другого інтервалу управління, а в праві частини підставляються значення фазових координат наприкінці кожного інтервалу управління, починаючи з першого інтервалу. Така підстановка пояснюється тим, що діюче значення фазових координат визначає переключення релейного регулятора. У ліву частину останнього рівняння системи підставляється нуль, тому що при досягненні фазовими координатами сталого значення релейний регулятор вихідної напруги починає роботу в ковзному режимі, що відповідає рівнянню (3). Вирішуючи систему (13) відносно k визначається вектор коефіцієнтів зворотних зв'язків.

Таким чином, описана вище методика дозволяє визначити коефіцієнти зворотних зв'язків у регуляторі вихідної напруги, при яких перехідний процес з початкового стану x(0) у бажаний кінцевий стан x(t_кін) буде оптимальний за швидкодією.

За допомогою математичного моделювання була досліджена залежність інтегрального критерію якості від коефіцієнтів зворотних зв'язків. Для систем, що описуються системою дискретних рівнянь виду (8), такий аналіз проводився вперше, що вимагало розробки відповідної методики і програмного забезпечення. Проведений аналіз показав, що запропонована в другому розділі математична модель перетворювача з апроксимацією контуру регулювання струму аперіодичною ланкою першого порядку може бути використана для визначення коефіцієнтів зворотних зв'язків у регуляторі вихідної напруги. При цьому отримані коефіцієнти близькі до оптимальних значень, а величина інтегрального критерію якості відрізняється від мінімуму не більше ніж на 20-30%.

Також була досліджена залежність перехідних процесів від величини опору навантаження. У результаті проведених досліджень підтверджено, що регулятор струму дроселя забезпечує обмеження струму на заданому рівні, а для перетворювача інвертуючого типу - захист від короткого замикання. Також показано, що регулятор вихідної напруги при варіації опору навантаження забезпечує статичну помилку не більш одиниць відсотків, а при кидках навантаження забезпечує динамічну помилку менш 10%.

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень стабілізуючих імпульсних перетворювачів підвищуючого і інвертуючого типів з фільтрами різних порядків та релейним слідкуючим управлінням.

На рис. 2 наведена функціональна схема одного з таких перетворювачів, що має фільтр третього порядку. Проведені експериментальні дослідження підтвердили можливість та ефективність використання отриманих алгоритмів управління імпульсними перетворювачами підвищуючого та інвертуючого типів, та методики синтезу оптимального за швидкодією алгоритму управління стабілізуючим ІППН з урахуванням обмеження струму дроселя. Також були вироблені практичні рекомендації з розробки і використання ІППН зі змінною структурою безупинної частини та релейним слідкуючим управлінням.

У додатках наведені тексти розроблених програм і акт впровадження результатів дисертаційної роботи.

Рис. 2

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі на основі лінеаризації математичних моделей перетворювачів, синтезу схемотехнічних рішень та оптимізації параметрів системи управління дістали подальшого розвитку методи підвищення динамічних властивостей перетворювачів зі змінною структурою та слідкуючим управлінням. Отримані науково обґрунтовані результати у сукупності є суттєвими для створення стабілізуючих імпульсних перетворювачів постійної напруги зі змінною структурою.

Обґрунтована доцільність подальшого розвитку теорії перетворювачів зі змінною структурою, з застосуванням ковзних режимів роботи.

Проведено аналіз способів управління силовими ключами перетворювачей. Показано, що для забезпечення високих динамічних характеристик найбільш доцільно застосовувати асинхронний слідкуючий спосіб управління з контролем змінних стану силової частини схеми.

Доведена ефективність застосовування дискретного метода динамічного програмування для оптимізації динамічних режимів перетворювачів за комплексним критерієм мінімуму часу перехідного процесу з обмеженням управління і припустимих відхилень.

Показано, що використання системи управління перетворювачами, яка побудована за принципом підлеглого регулювання координат, з регуляторами струму дроселя і вихідної напруги, що працюють у ковзному режимі, дозволяє забезпечити високі динамічні властивості перетворювачей з обмеженням струму дроселя.

Визначено умови існування ковзних режимів регуляторів вихідної напруги та струму дроселя в підвищуючому та інвертуючому перетворювачах з фільтрами різних порядків, виконання яких дозволяє одержати лінеаризовані математичні моделі цього класу перетворювачів.

Показано, що в запропонованій системі управління для спрощення синтезу регулятора вихідної напруги контур регулювання струму можна представити аперіодичною ланкою першого порядку.

Розроблено методику визначення алгоритму оптимального за швидкодією управління стабілізуючими перетворювачами з урахуванням обмеження струму дроселя. Розроблено методику і проведено аналіз впливу коефіцієнтів зворотних зв'язків на динамічні властивості перетворювачів зазначеного класу. При порівнянні динамічних властивостей перетворювачів, які були отримані за допомогою лінеаризованих моделей з апроксимацією контуру регулювання струму і моделей без апроксимації встановлено, що значення коефіцієнтів зворотних зв'язків близькі до оптимальних.

На основі отриманих результатів розробленно приклади практичної реалізації стабілізуючих перетворювачів підвищуючого і инвертирующего типів з оптимальним за швидкодією управлінням та обмеженням струму дроселя. Вироблено практичні рекомендації з розробки і використання перетворювачів зі змінною структурою та слідкуючим управлінням.

Вірогідність та обґрунтованість наукових досліджень, висновки та рекомендації підтверджуються узгодженням теоретичних результатів з експериментальними даними, результатами математичного моделювання і раніш відомими з літературних джерел висновками.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Баранов А.Н., Кобец Д.В. Линеаризованная модель импульсного преобразователя постоянного напряжения повышающего типа // Техн. електродинаміка. - 2001. - №4. - С. 23-27.

Баранов А.Н., Кобец Д.В. Оптимальное управление импульсными преобразователями электроэнергии с ШИМ // Збірник наукових праць Східноукраїнського державного університету. Під. ред. В.А. Слащова.- Луганськ: Видання Східноукр. держ. ун-ту, 2000.- С. 66 - 68.

Баранов А.Н., Кобец Д.В. Скользящие режимы в преобразователях с переменной структурой // Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. - Одесса, 2001.-Вып. 3(15).- С. 67-69.

Кобец Д.В. Оптимизация динамических режимов стабилизирующего импульсного преобразователя напряжения понижающего типа//Техн. електродинаміка. - 2002. - №2. - С. 24-29

Баранов А.Н., Кобец Д.В. Скользящие режимы в импульсных преобразователях постоянного напряжения // Матеріали Міжнародної конференції з управління "Автоматика-2001", 10-14 вересня 2001, Одеса, Україна: в 2-х т. - Одеса, 2001. - Т. 1. - С. 12-13.

Кобец Д.В. Оптимизация скользящих режимов в преобразователях с переменной структурой // Збірник наукових праць I Всеукраїнської науково-техн. конф. аспірантів і студентів “Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих.” 15-16 травня 2001. - Донецьк, ДонГТУ, 2001. - С. 110-112.

анотації

Кобець Д.В. Стабілізуючі імпульсні перетворювачі постійної напруги зі змінною структурою та слідкуючим управлінням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена розвитку теорії та практики перетворення параметрів електроенергії. У роботі представлені теоретичні дослідження і результати чисельних і фізичних експериментів в області перетворювальних пристроїв електроенергії, що характеризуються змінною структурою силової частини.

Визначено умови існування ковзних режимів регуляторів вихідної напруги і струму дроселя в підвищуючому та інвертуючому перетворювачах з фільтрами різних порядків. Отримано алгоритм оптимального за швидкодією управління імпульсними перетворювачами з урахуванням обмеження струму дроселя. Доведено ефективність застосування отриманого алгоритму в підвищуючому та інвертуючому перетворювачах.

Ключові слова: слідкуючий перетворювач, змінна структура, ковзний режим, оптимальне управління.

Кобец Д.В. Стабилизирующие импульсные преобразователи постоянного напряжения с переменной структурой и следящим управлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена развитию теории и практики преобразования параметров электроэнергии. В работе представлены теоретические исследования и результаты численных и физических экспериментов в области преобразовательных устройств электроэнергии, которые характеризуются переменной структурой силовой части.

Показано, что одним из перспективных направлений развития преобразовательной техники и повышения эффективности ее использования является совершенствование способов и алгоритмов управления, основанных на принципе переменности структуры.

В системе управления преобразователями, построенной по принципу подчиненного регулирования координат, в качестве регуляторов тока дросселя и выходного напряжения, предложено использовать асинхронные релейные регуляторы, работающие в скользящем режиме.

Определены условия существования скользящих режимов регуляторов выходного напряжения и тока дросселя в повышающем и инвертирующем преобразователях с фильтрами различных порядков.

Показано, что если в системе подчиненного управления преобразователем с переменной структурой регулятор тока дросселя работает в скользящем режиме, то для упрощения синтеза регулятора выходного напряжения контур регулирования тока можно представить апериодическим звеном первого порядка.

Разработана методика определения алгоритма оптимального по быстродействию управления стабилизирующими преобразователями с учетом ограничения тока дросселя.

Указанная методика разделена на два этапа. На первом этапе преобразователь рассматривается как разомкнутая система, на вход которой подается кусочно-непрерывное входное воздействие, и решается задача определения моментов переключения этого воздействия. В состав разомкнутой системы входят контур регулирования тока дросселя, фильтр и нагрузка. Для определения моментов переключения, обеспечивающих оптимальные динамические характеристики преобразователя по критерию максимального быстродействия, применен дискретный метод динамического программирования.

На втором этапе, руководствуясь тем, что в регуляторе выходного напряжения создается скользящий режим, определяются коэффициенты обратных связей, которые обеспечивают необходимую поверхность переключений.

Разработана методика, и проведен анализ влияния коэффициентов обратных связей на динамические свойства преобразователей. При сравнении линеаризованных моделей с аппроксимацией контура регулирования тока и моделей без аппроксимации показано, что полученные коэффициенты близки к оптимальным. Проведен анализ влияния сопротивления нагрузки на динамические свойства преобразователей с переменной структурой и фильтрами различного порядка. В результате чего показано, что регулятор выходного напряжения обеспечивает статическую ошибку не превышающую единиц процентов, а при бросках нагрузки обеспечивает динамическую ошибку менее 10%.

Приведены примеры практической реализации стабилизирующих преобразователей повышающего и инвертирующего типов с оптимальным по быстродействию управлением и ограничением тока дросселя. Выработаны практические рекомендации по разработке и использованию преобразователей с переменной структурой и следящим управлением.

Ключевые слова: следящий преобразователь, переменная структура, скользящий режим, оптимальное управление.

Kobets D.W. Stabilising pulse converters of constant voltage with variable pattern and following control. - Тhe manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.09.12 - semiconducting converters of the electric energy. - Institute of electrodynamics NAS of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis is dedicated to development of the theory and practice of conversion of parameters of the electric energy. In activity the analytical investigations and outcomes of numerical and physical experiments are submitted in the field of converting devices of the electric energy, which one are characterised by variable pattern.

The conditions of existence of sliding modes of regulators of voltage output and current of the throttle in boosting and inverting converters with filters of the different orders are determined. The algorithm optimal on response of control of pulse converters is obtained in view of limitation of a current of the throttle. The operational effectiveness of the obtained algorithm in boosting and inverting converters is demonstrated.

Keywords: the following converter, variable structure sliding mode, optimum control.

Размещено на Allbest.ru

...