Регулируемые преобразователи систем импульсного электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Регулируемые преобразователи систем импульсного электропитания

Кириенко Владимир Петрович

Чебоксары - 2008



Работа выполнена на кафедрах «Промышленная электроника» и «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович

доктор технических наук, профессор Дмитриев Борис Федорович

доктор технических наук, профессор Иванов Александр Григорьевич

Ведущая организация - ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск)

Защита состоится 17 октября 2008 г. в 15 часов в аудитории В-310 на заседании диссертационного Совета Д 212.301.02 при ФГОУ «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЧГУ им. И.Н. Ульянова.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Чувашская республика, 428015, г. Чебоксары, Московский просп., 15.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета д.т.н., профессор Г.П. Охоткин



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

импульсный электропитание преобразователь радиолокационный

Актуальность проблемы. Системы импульсного электропитания (СИП) широко используются в различных областях современной науки и техники благодаря преимуществам импульсного способа подачи энергии в нагрузку перед непрерывным. Это современные технологии обработки материалов, установки экспериментальной физики, радиолокационные станции, промышленные озонаторы, установки с использованием электрогидравлического эффекта для генерирования ударных волн, измельчения различных материалов и ряд других устройств.

СИП преобразуют поток энергии первичного источника электропитания (ИП) в электрические импульсы с заданными параметрами в нагрузке, мощность которых может значительно превышать мощность ИП. Обязательным элементом СИП являются накопители энергии (НЭ), в качестве которых чаще всего применяют емкостные накопители.

С целью повышения эффективности накопления энергии и уровня электромагнитной совместимости (ЭМС) СИП с сетью в его структуре имеется зарядный преобразователь (ЗП), который включают между ИП и НЭ. Для преобразования и передачи в нагрузку накопленной в НЭ энергии в состав СИП вводят разрядный преобразователь (РП), который позволяет получить в нагрузке импульсы тока и напряжения с заданными параметрами.

Топология и схемотехника ЗП и РП определяются различными факторами и, прежде всего, областью применения и функциональным назначением СИП.

Одна из этих областей - радиолокационные станции (РЛС), где СИП используются для питания передающих устройств антенны (ПУ). Для РЛС, работающих в диапазоне субмиллиметровых волн, предложены и разработаны СИП на базе регуляторов переменного напряжения и формирующих линий. Они нашли широкое применение в серийно выпускаемых устройствах, используемых сегодня в комплексах ПВО. Переход РЛС на новые принципы построения и более высокие частотные диапазоны, создание антенн с активной фазированной решеткой позволяют повысить эффективность средств ПВО. Вместе с этим возникает задача разработки СИП иных мощностей и схемных вариантов и, как следствие, поиск новых подходов к построению ЗП и РП.

Другим направлением применения СИП являются системы генерирования озона, применяемого в качестве сильного окислителя в различных областях промышленности, станциях водоочистки сточных и питьевых вод. Особенно актуальной становится задача разработки и совершенствования СИП повышенной частоты, что позволяет увеличить производительность озонаторных установок и снизить удельные энергозатраты на производство озона.

Широкое использование в различных отраслях промышленности находят электротехнологии с применением методов воздействия на вещество электрическими импульсами. Интенсивное развитие нашли электроэрозионная, магнитно-импульсная, электрогидравлическая, светолучевая и другие технологии обработки материалов. Применение их позволяет получить недостижимые другими способами виды и точность обработки. Исследования проводятся как в направлении расширения областей применения методов, так и поиска новых способов оперативного регулирования параметров импульсов энергии, вводимой СИП в рабочую зону технологической установки.

Решение ряда фундаментальных задач экспериментальной физики, энергетики, разработки ускорительных систем, стендовых установок термоядерного синтеза требует непрерывного совершенствования импульсных систем электрофизической аппаратуры.

Структура и схемные решения СИП в каждом из перечисленных случаях применения определяются также средним значением мощности в цикле зарядки НЭ, характером и видом нагрузки, диапазоном регулирования параметров выходных импульсов, требованиями ЭМС, массой и габаритами, используемой элементной базой и другими требованиями. Вместе с тем, общность сущности решаемых задач обусловливает часто идентичность подходов в построении и схемотехнике узлов СИП различного функционального назначения, значительно отличающихся по уровню выходных параметров.

Основными направлениями разработки и совершенствования СИП, в части ЗП и РП, остаются вопросы повышения КПД, снижения массы и габаритов, повышения уровня ЭМС с ИП, надежности и стабильности выходных параметров. В последнее время все большее внимание уделяется вопросам расширения функциональных возможностей СИП за счет оперативного регулирования параметров энергии импульса в нагрузке.

Разработке СИП различного назначения посвящено значительное число научных исследований таких организаций нашей страны, как ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», ОАО «ВНИИЭТО», АО «Электротермосварка», концерн ПВО «Алмаз-Антей» (г. Москва), Институт проблем электрофизики РАН (г. Санкт-Петербург), Институты ядерной физики и сильноточной электроники СО РАН (г. Томск), Институт прикладной физики (ИПФ) РАН (г. Н.Новгород), ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров), ООО НПП «ТЕХОЗОН» (г. Дзержинск) и др. Среди вузов отметим МЭИ, ЛЭТИ, государственные технические университеты г.г. Санкт-Петербург, Томск, Н.Новгород и др.

Общее признание в области управляемых преобразователей для СИП получили работы Булатова О.Г., Васильева А.С., Волкова И.В., Грехова И.В., Закревского С.И., Ивашина В.В., Кныша В.А., Короткова С.В., Кофмана Д.Б., Месяца Г.А., Опре В.М., Пентегова И.В., Розанова Ю.К., Рубцова В.П., Тугова Н.М. и ряда других ученых.

Работы по исследованию и разработке СИП ведутся и за рубежом. Хорошо известны полупроводниковые преобразователи для СИП различного назначения Института электродинамики (Украина), фирм Siemens и Jessler und Gsell (Германия), Schneider Electric (Франция), ABB (Швейцария), Mitsubishi Electric (Япония), Spellmann (США), Union Pumps (Канада), Water Corporation (Австралия) и ряда других фирм.

Анализ существующей ситуации в исследовании и разработке СИП позволяет сделать вывод о несомненной актуальности продолжения работ в направлениях, связанных с появлением новых устройств импульсного потребления энергии, развитием элементной базы, повышением требований к ЭМС СИП с ИП, надежности и поиска новых подходов к управлению. Эти вопросы исследованы недостаточно.

В диссертации автор обобщает результаты проведенных им многолетних исследований СИП для различных типов устройств, разрабатываемых и находящихся в эксплуатации в ряде организаций г. Н.Новгорода и региона: РЛС, промышленных озонаторов, технологических лазеров, установок физического эксперимента, которые создали предпосылки для решения задач оптимизации СИП, ориентированных на указанные классы нагрузок, и создания на этой основе новых управляемых преобразователей параметров электроэнергии. Решение этих задач возможно лишь при обобщении и развитии теории, алгоритмов, специализированных методов расчета и проектирования, позволяющих с единых позиций проанализировать работу СИП с учетом элементов, входящих в систему преобразования и регулирования параметров электроэнергии, а также электромагнитных, тепловых процессов в СИП и физических и электрохимических - в нагрузке. Поэтому обобщение и дальнейшее развитие теории высокоэффективных СИП, разработка новых устройств с расширенными функциональными, улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями и методов управлениями ими являются актуальной научной проблемой.

Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы - обобщение и развитие теории систем импульсного электропитания многофункционального назначения на базе регулируемых преобразователей и создание новой техники для РЛС, озонных, лазерных технологий и физических установок.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ режимов работы импульсных электропотребителей и определение требований к СИП.

2. Разработка специализированного матрично-топологического математического описания многовариантных СИП.

3. Совершенствование управляемых преобразовательных устройств СИП с целью расширения их функциональных возможностей и повышения технико-экономических показателей.

4. Математическое моделирование стационарных и динамических режимов комплексов «ИП - СИП - нагрузка» для определения устойчивой работы комплекса, анализа взаимного влияния преобразовательных устройств СИП и создания алгоритмов обеспечения автоматизированного проектирования СИП.

5. Разработка новых устройств повышения электромагнитной совместимости СИП с сетью, в том числе и для автономных объектов.

6. Разработка систем управления СИП по оперативному регулированию формы генерируемых импульсов с использованием нейросетевых методов, а также систем управления устройствами повышения ЭМС СИП с ИП.

Методы исследования

В работе использовались метод кусочно-линейной аппроксимации при описании вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов, резистивных и реактивных элементов, представление СИП электрическими схемами с переменной и постоянной структурами. Методы сопряжения интервалов, классический, операторный, переменных состояния применялись при расчете переходных процессов, нахождении схемных функций для мгновенных значений токов и напряжений, интегральных характеристик укрупненных блоков СИП, оптимизации трансформаторных модулей, расчете режимов полупроводниковых приборов и конденсаторов. Матрично-топологические методы использовались при описании электромагнитных процессов в системах управляемого каскадного преобразования параметров электроэнергии для импульсных нагрузок. Методы численного интегрирования дифференциальных уравнений взяты за основу нахождения динамических процессов в кусочно-линейных системах СИП. При исследовании электромагнитных, электрохимических и тепловых процессов высокоуровневые системы дифференциальных уравнений СИП формировались и решались с использованием среды компьютерной математики MATLAB, пакетов ее расширения - визуального моделирования (Simulink) и символьной математики (Symbolic Math). Методы спектрального анализа, подсистема имитационного моделирования в реальном масштабе времени (Real Тime Windows) положены в основу нахождения условий ЭМС СИП с ИП, разработки САУ корректором коэффициента мощности (ККМ).

Экспериментальные исследования проводились на опытных и промышленных образцах СИП с использованием современных методов проведения автоматизированных измерений и анализа полученных данных, в том числе программной среды LabView.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата, совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами, а также подтверждением многочисленными экспериментами на лабораторных, опытно-промышленных образцах и серийных установках.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами

Работа выполнялась в рамках следующих программ:

1) ведомственной научно-технической программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005-2010 г.г. (Подпрограмма 2 «Прикладные исследования и разработка по приоритетным направлениям науки и техники». Раздел 2.1 «Прикладные исследования». Направление «Энергетика». Проект «Разработка нового поколения полупроводниковых преобразователей и автоматизированных систем управления для повышения энергетической эффективности специальных электротехнологических и электромеханических комплексов»);

2) программы фундаментальных научных исследований ИПФ РАН (г. Н.Новгород) по направлению «Разработка источников электропитания физических установок», в том числе в рамках ОКР «Разработка и изготовление системы заряда, управления и диагностики для стенда «Силовой усилитель» установки ИСКРА-6» для Российского Федерального ядерного центра «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров);

3) программы новых разработок концерна ПВО «Алмаз-Антей» (г. Москва), проводимых НГТУ совместно с ФНПЦ «Нижегородский НИИ радиотехники» в рамках создания серийно-выпускаемых РЛС («НЕБО-СВ», «НЕБО-У», «НЕБО») с пассивной фазированной антенной решеткой (ПАР) и РЛС «НЕБО-СВУ» с активной фазированной антенной решеткой (АФАР);

4) программы фундаментальных научных исследований отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (ОИТВС РАН, г. Москва) «Новые физические и структурные решения в инфотелекоммуникациях» по направлению № 2 «Нейро-оптические принципы и системы обработки информации», а также совместных исследований, проводимых НГТУ и Институтом оптико-нейронных технологий РАН на тему «Разработка генератора обучающей выборки адаптивной нейросетевой системы управления» (2005 г.); НГТУ и ИПФ РАН на тему «Разработка имитационной модели зарядного устройства емкостного накопителя энергии» (2006 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структуры и схемы построения силовой части и систем импульсного электропитания для ПУ РЛС, генераторов озона (ГО), технологических лазеров (ЛТУ), электрофизических установок (ЭФУ) с улучшенными статическими, динамическими, массогабаритными, функциональными и технико-экономическими показателями, отвечающие повышенным требованиям к электромагнитной совместимости СИП с первичным источником электропитания.

2. Обобщение и развитие теории СИП применительно к недостаточно исследованной в литературе структуре «питающая сеть - зарядный преобразователь - накопитель энергии - разрядный преобразователь с нагрузкой» и широкому кругу схем, выполненных по этой структуре, на основе агрегатирования и покаскадного синтеза СИП различного назначения в стационарных и динамических режимах работы.

3. Уточненные математические модели ряда вариантов СИП в составе комплекса «питающая сеть - зарядный преобразователь - накопитель энергии - разрядный преобразователь с нагрузкой», и результаты исследований на моделях (проверка результатов аналитического исследования, полученных ранее по упрощенным моделям), описание электромагнитных процессов и основных характеристик.

4. Результаты теоретических исследований и математического моделирования, устанавливающие закономерности взаимовлияния структур и параметров ИП, управляемых преобразователей СИП в совокупности с нагрузкой, в том числе особенностей процессов циркуляции энергии между блоками СИП, а также между СИП и нагрузкой; тепловых процессов в полупроводниковых приборах СИП с ЗП на IGBT и самовозбуждения колебаний в СИП с нелинейным высокочастотным трансформатором.

5. Корректоры коэффициента мощности (ККМ) СИП, состоящие из трансформаторно-вентильного или вентильного корректора коэффициента сдвига (ККС) и транзисторного корректора коэффициента искажения (ККИ), результаты имитационного моделирования трансформаторно-вентильного ККС и транзисторного ККИ, а также определение их параметров.

6. Метод управления СИП для формирования импульсов тока сложной формы, основанной на нейросетевых принципах. Математические модели и микропроцессорные системы управления устройствами повышения электромагнитной совместимости СИП с источником питания (трехфазными трансформаторно-вентильными ККС и транзисторными ККИ). Алгоритм управления электроприемниками системы электропитания радиолокационных станций.

Научная новизна

1. Предложенные и обоснованные в работе структуры и схемы построения силовой части СИП, состоящих из зарядного преобразователя, накопителя энергии и разрядного преобразователя с нагрузкой, отличаются новизной технических решений, реализуемых на современной элементной базе, подтвержденных 7-ю авторскими свидетельствами на изобретения и 7-ю патентами на полезную модель, глубиной теоретической проработки, наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к СИП в основных областях их применения.

2. Новым в обобщении и развитии теории СИП, выполненных в работе, является разработка методов анализа и расчета СИП, отличающихся от известных в силовой электронике в связи со спецификой структур СИП, синтезируемых из каскадно соединяемых функциональных групп, и разнообразием схем основных блоков СИП.

3. Используемые модели отличаются сочетанием в них моделей, взятых из библиотеки MATLAB Simulink, и обоснованных автором специализированных моделей, полученных на базе электрических схем замещения СИП, отсутствием ряда упрощающих допущений, принимаемых при аналитическом расчете электромагнитных процессов и основных характеристик зарядного и разрядного преобразователей. Их новизна подтверждена семью свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ. Моделирование позволило проанализировать ряд интегральных характеристик всего комплекса «питающая сеть - зарядный преобразователь - накопитель энергии - разрядный преобразователь с нагрузкой» (энергетические, регулировочные, динамические), режимы работы компонентов в стационарных и динамических режимах, уточнить требования к параметрам схем и влияние СИП на питающую сеть.

4. Научно обоснована целесообразность расширенного использования энергообмена между отдельными блоками СИП, а также СИП и нагрузкой. Показаны новые области применения нерегулируемого и предложены варианты регулируемого энергообмена, что позволяет повысить технико-экономические показатели СИП. Разработан метод комплексного исследования, отличающийся учетом взаимосвязи одновременно протекающих электромагнитных процессов в силовых цепях СИП и тепловых процессов в полупроводниковых приборах, а также электрохимических процессов в ГО, на основании которого получены соотношения параметров, обеспечивающие повышение эффективности использования оборудования СИП.

5. Предложены новые устройства для повышения электромагнитной совместимости СИП с сетью: трансформаторно-вентильный и вентильный ККС, а также транзисторный ККИ. На вентильный вариант ККМ получен патент на полезную модель.

6. Предложен способ оперативного управления СИП, отличающийся применением нейросетевых методов, позволяющий формировать импульсы заданных сложных форм в нелинейной нагрузке. Выполнено математическое обоснование разработанных принципов управления корректорами коэффициента сдвига и коэффициента искажения, отличающихся высоким быстродействием в динамических режимах и позволяющих обеспечить заданный уровень электромагнитной совместимости СИП с сетью при изменении режима работы СИП.

Практическая ценность работы

1. На основе предложенных принципов построения, новых технических решений, методов управления разработаны СИП для ПУ РЛС, ГО, ЛТУ, ЭФУ с расширенными функциональными и улучшенными технико-экономическими показателями, нашедшие применение в различных научных организациях и промышленности.

2. Предложенная обобщенная теория агрегатирования и покаскадного синтеза СИП, а также комплекс математических моделей и специализированных программ для исследования многовариантных СИП используются при выполнении НИОКР СИП РЛС, ГО, ЛТУ, ЭФУ.

3. Результаты исследований и анализа особенностей протекания физических процессов и циркуляции энергии в системе «ИП - СИП - нагрузка», включающей в себя СИП различных структур, позволяют повысить эффективность и надежность их работы и дают необходимый материал для инженерного выбора топологического и схемного решений.

4. Выявленные функциональные зависимости между параметрами основных элементов преобразователей и их рациональные соотношения являются основой инженерной методики проектирования СИП различного назначения.

5. Результаты разработок новых технических решений СИП, математические модели и специализированные программы используются в учебном процессе.

Реализация результатов работы

Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены в следующих организациях: 1) ФНПЦ «Нижегородский НИИ радиотехники» (г. Н. Новгород) - система импульсно-фазового управления вентильно-электромагнитным регулятором напряжения в трех серийно выпускаемых РЛС с ПАР; высокочастотный преобразователь для СИП передающего устройства и общая система электропитания РЛС в серийно выпускаемых РЛС с АФАР;

2) научно-производственном предприятии «ТЕХОЗОН» (г. Дзержинск, Нижегородской обл.) - системы импульсного питания для двух серий озонаторов ТМ, ТС; 3) ИПФ РАН (г. Н. Новгород) - в высоковольтных зарядных устройствах для ЭФУ, в разрядных устройствах на базе комбинированных накопителей энергии для питания соленоидов импульсных магнитных полей и специализированных лазеров; 4) в учебном процессе в Волжской государственной академии водного транспорта (г. Н. Новгород), в НГТУ им. Р.Е.Алексеева (г. Н.Новгород) в виде учебно-методических пособий «Разрядные устройства силовых импульсных преобразователей с комбинированным накопителем энергии» (4,5 п.л.), «Системы импульсного электропитания озонаторов» (5,0 п.л.), «Математическое моделирование систем импульсного электропитания» (5,5 п.л.), «Зарядные преобразователи систем импульсного электропитания» (7,0 п.л.).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на III, IV, V Всесоюзных конференциях «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1983, 1987, 1991 г.г.); I Всесоюзной конференции «Импульсные источники энергии для физических и термоядерных исследований» (Москва, 1983 г.); межотраслевой конференции «Применение полупроводниковых преобразователей для экономии металлов в машиностроении» (Уфа, 1983 г.); Всесоюзной конференции «Применение преобразовательной техники в энергетике и электротехнологических установках» (Тольятти, 1984 г.); V Всесоюзной конференции «Автоматизация новейших электротехнических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей (Уфа, 1984 г.); III и IV Международных (XIV и XV Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу (Н. Новгород - 2001 г., Магнитогорск - 2004 г.); Всероссийских конференциях с международным участием «Проблемы электроники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2004, 2007 г.г.); VIII, IX, X Всероссийских конференциях по электромагнитной совместимости (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2008 г.г.); Всемирном электротехническом конгрессе ВЭЛК - 2005 (Москва, 2005 г.); конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, 2005, 2007 г.г.); XI Международной конференции «Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2006 г.); Международной конференции «Проблемы автоматизации в технических системах» (Пенза, 2007 г.); I Всероссийской конференции по средствам электропитания (Санкт-Петербург, 2007 г.); VII Международной молодежной конференции «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2008 г.); отраслевой конференции «Радиолокация. Теория и практика» (Н. Новгород, 2008 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 108 работ, в том числе 1 монография, 12 работ в ведущих рецензируемых изданиях, реферируемых ВАК, 23 работы в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций, 7 авторских свидетельств на изобретения, 8 патентов на полезную модель, 7 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ и 4 учебно-методических пособия.

Структура и объем диссертации

Основное содержание диссертации изложено в 6 главах на 397 страницах, в том числе 202 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 233 наименований. Приложение содержит 75 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены особенности режимов работы и сформулированы требования, предъявляемые к СИП, предназначенным для электропитания нагрузок различного вида.

Структура СИП (рис. 1) включает в себя энергетический канал (ЗП, НЭ, РП), отвечающий за преобразование потока электрической энергии и информационный канал, формирующий сигналы управления (uу1, uу2) ЗП и РП на основе информации (uос1…uос4) обратных связей.

Тип применяемого НЭ, структуры РП и ЗП определяются особенностями нагрузок, различающихся по виду вольтамперной характеристики, уровню выходного напряжения и его стабильности, требованиями к изменению параметров импульсов, а также специфичными требованиями РЛС, ГО, ЛТУ, ЭФУ.

СИП радиолокационных станций. РЛС находят широкое применение в средствах воздушно-космической обороны и в навигационных системах. Конструктивно РЛС размещается на наземных передвижных средствах и, с точки зрения электроснабжения, относятся к автономным объектам.



По условиям эксплуатации РЛС в основном используется в дежурном режиме, поэтому основным режимом работы СИП РЛС является стационарный, а одним из важнейших вопросов становится ЭМС всех электротехнических устройств РЛС.

Основными нагрузками электростанции РЛС являются: СИП ПУ, потребляющая в среднем до 35% всей мощности РЛС; система вентиляции - до 30%; системы управления, контроля, приема и обработки информации - до 20% и система электропривода вращения антенны - до 15%, причем мощности нагрузок соизмеримы между собой и с установленной мощностью синхронного генератора (СГ) электростанции РЛС. При работе РЛС около 97…98% потребляемой от СГ мощности рассеивается в электрических цепях, приводя к образованию высокого уровня помех излучения и проводимости широкого спектра частот, оказывающих неблагоприятное влияние на все потребители. Определяющее влияние на ЭМС систем РЛС оказывают узлы СИП ПУ (рис. 2).

В РЛС с ПАР антенна является одним общим излучателем радиосигнала ПУ, а основная функция СИП в этом случае заключается в формировании мощных видеоимпульсов с требуемыми параметрами для работы генераторной лампы (ГЛ) ПУ. Кроме того, для нормального функционирования ГЛ РЛС в различных режимах ЗП должен обеспечить регулирование выходного напряжения в пределах (50…100)% от номинального значения и его стабилизацию с заданной точностью, а также ограничение пусковых токов зарядки конденсатора фильтра, входящего в состав СИП.

В новом поколении РЛС с АФАР приемно-передающие модули (ППМ), каждый из которых работает на индивидуальный излучатель радиосигнала (ИИР), расположены на полотне решетки антенно-мачтового устройства. Это обусловливает повышение требований к массогабаритным показателям, КПД и надежности СИП, количество каналов которой определяется числом ППМ и возрастает на 1-2 порядка по сравнению с вариантом ПАР. ИИР представляет для СИП активную линейную низковольтную нагрузку с жесткими требованиями к динамической нестабильности напряжения накопительного конденсатора (НК), ведущей к амплитудно-фазовой нестабильности выходных СВЧ радиоимпульсов канала ПУ и существенно влияющей на селекцию движущихся объектов.

В СИП РЛС с обоими типами антенн одинаковы требования к высокой стабильности параметров генерируемых импульсов, в частности, к их частоте (fвых = 150-200 Гц), соизмеримой с частотой напряжения первичного источника питания (f1 = 50 Гц или 400 Гц), и амплитуде. Оба типа антенн представляют для СИП активную линейную высоковольтную (при ПАР) или низковольтную (при АФАР) нагрузку. Выходные импульсы СИП ПУ у рассматриваемых антенн не требуют оперативного регулирования длительности и формы, а частота их следования неизменна при заданном режиме работы РЛС. В обоих случаях важнейшими требованиями для СИП являются высокие надежность, КПД, малые массы, габариты при заданном уровне ЭМС с другими нагрузками и ИП. Это определяет одинаковые подходы к выбору типов ЗП и РП.

СИП озонаторов. В промышленных масштабах озон получают в специальных технологических устройствах - озонаторах. Производительность озонатора зависит от амплитуды и частоты приложенного к нему напряжения, что дает возможность регулирования ее путем изменения этих параметров. Применение повышенной частоты позволяет снизить напряжение на ГО с (16-18) кВ при промышленной частоте 50 Гц до (8-10) кВ на частотах (400-600) Гц, повысить надежность ГО и сократить затраты на эксплуатацию установки.

ГО с электрической точки зрения является для СИП высоковольтной нелинейной активно-емкостной нагрузкой. Процессы «заряд-разряд» в ГО происходят как в СИП с многозвенным НК, роль которого выполняют емкости газового промежутка. Длительность множественных разрядных импульсов очень мала (несколько наносекунд), а их частота произвольна и значительно превышает как частоту сети, так и частотно-регулируемого СИП. Так как процесс пробоя озоносодержащего газа происходит естественным путем, в схеме нет специальных коммутирующих элементов. Отсутствуют требования по формированию геометрии импульса тока разряда при средних требованиях к стабильности интегральных характеристик за период приложенного напряжения. При этом амплитуда импульсов тока определяется параметрами озоносодержащего газа (влажность, наличие примесей и т.д.), а также величиной зазора между электродами ГО.

В целом, СИП ГО должна обеспечивать:

получение высокого переменного напряжения, необходимого для пробоя озоносодержащего газа при частоте выходного напряжения выше частоты питающей сети с возможностью ее регулирования для изменения производительности озонатора;

высокие энергетические показатели с учетом вентильного характера нагрузки для сети и мощности озонатора.

СИП лазерно-технологических установок. Интенсивное развитие и массовое внедрение лазерных технологий в промышленное производство позволяет реализовать технологические процессы, недостижимые другими способами, и, одновременно, требует повышения эффективности ЛТУ.

ЛТУ, работающие в импульсно-периодическом режиме, применяются в лазерной сварке и резке, лазерном термоупрочнении, моно- и многоимпульсной прошивке отверстий и размерной обработке (раскрое) листовых металлов и диэлектриков. Основными технологическими параметрами при этом являются энергия излучаемых импульсов, их амплитуда, длительность, форма, так как тепловое воздействие лазерного излучения на материалы определяется не только пространственным распределением теплового потока, но и временной структурой излучения.

Идеализированные варианты форм импульсов лазерного излучения q(t), характерные для различных лазерных технологий размерной обработки материалов, даны на рис. 3. В связи с тем, что форма импульса лазерного излучения практически повторяет форму импульса тока в лампе накачки (ЛН), возникает необходимость в СИП с широкими возможностями оперативного регулирования формы, амплитуды и длительности импульсов тока ЛН, при этом глубина модуляции импульсов находится в пределах

,

где Imax, Imin - максимальное и минимальное значения амплитуды импульса тока, соответственно. В этой части требований СИП ЛТУ существенно отличаются от РЛС и озонаторов.

Газоразрядная ЛН (или группа ЛН) твердотельных лазеров представляет для СИП активную и, в общем случае, нелинейную нагрузку со средними, в пределах единиц процентов, требованиями к нестабильности импульсов. По уровню выходного напряжения она может быть низковольтной (до 1 кВ) или средневольтной (до 5 кВ).

Наряду с указанными требованиями к СИП ЛТУ предъявляются такие требования как:

- низкая стоимость, технологичность изготовления, малые масса, габариты и, соответственно, небольшие производственные площади, необходимые для ЛТУ;

- возможность автоматизации управлением СИП и всем технологическим циклом.

СИП электрофизических установок. В решении целого ряда фундаментальных научно-технических задач важная роль принадлежит крупномасштабным ЭФУ, включающим в себя сильноточные СИП. Эти СИП предназначены для формирования импульсных магнитных и электрических полей устройств СВЧ электроники, питания мощных специализированных лазерных систем, исследования электрогидравлического эффекта и других целей.

Несмотря на многообразие не только мелкосерийных, но и уникальных по своим техническим характеристикам ЭФУ, общими требованиями для СИП, как правило, являются:

- высокие уровни накапливаемой в НК энергии (до сотен МДж) и напряжений зарядки (до десятков кВ);

- высокие значения мощности импульсов в нагрузке порядка (1-10) МВт при средней мощности СИП (103-105) Вт;

- наличие нескольких НК с различными значениями емкости и зарядного напряжения;

- многообразие режимов: моноимпульсный - с периодичностью 1-2 единичных разряда в день (рис. 4, а); пачкоимпульсный - с периодичностью 1-2 пачки импульсов в день и частотой импульсов внутри пачки от единиц до сотен Гц (рис. 4, б); длительный импульсно-периодический - с частотой импульсов от единиц до сотен Гц с частичным или полным разрядом НК (рис. 4, в) и ряд других;

- повышенные требования к надежности, энергетическим и массогабаритным показателям, возможность автоматизации управления СИП.

Кроме общих требований есть ряд специфичных, обусловленных особенностями разновидностей ЭФУ, при этом рейтинг общих требований может изменяться. Например, в соленоидах, которыми создается фокусирующее импульсное магнитное поле (ИМП) в СВЧ-приборах, важнейшим для СИП выступает требование обеспечения высокой стабильности импульсов тока заданной формы (квазипрямоугольных, квазитрапецеидальных, квазисинусоидальных) со степенью неравномерности вершины и отклонениями амплитуды импульсов не более 0,1%.

В специализированных твердотельных лазерных ЭФУ эти требования менее жесткие, но более актуально расширение диапазона и оперативности регулирования технологических параметров импульсов (формы, длительности, амплитуды). Это позволяет изменять энергию накачки по заданному закону или сохранять ее неизменной, а также достигать оптимального соотношения между КПД и коэффициентом усиления лазера. В то же время в ряде лазерных установок исследовательских электрофизических стендов, где в течение длительного времени генерируется пачка импульсов, становится актуальным, как и в соленоидах ИМП СВЧ-приборов, требование высокой равномерности вершины импульса накачки.

Соленоиды систем генерирования ИМП представляют для СИП индуктивную нагрузку среднего по уровню напряжения. Газоразрядные лампы накачки прецизионных лазеров ЭФУ - это активная нелинейная нагрузка. По уровню выходного напряжения в зависимости от типа применяемых ламп, их количества и схемы соединения такая нагрузка может быть - от низковольтной до высоковольтной.

В главе рассмотрены и развиты математические методы исследования СИП. Изучение и критический обзор научных работ, посвященных СИП различного назначения, показали многовариантность их структур, схемотехнических решений, многообразие подходов к расчету стационарных и динамических режимов. Исследование электромагнитных процессов выполнено, как правило, отдельно для ЗП или РП, входящих в состав СИП, а работы, посвященные анализу стационарных и динамических режимов полного тракта преобразования параметров электроэнергии в комплексе, состоящем из первичного источника электропитания, ЗП, НЭ, РП, нелинейной нагрузки, достаточно редки и не систематизированы. Построение высокоэффективных СИП выдвигает требования обобщения их схемотехнических решений, разработки уточненных математических моделей и электрических схем замещения, развития системного подхода к анализу многочисленных вариантов СИП.

В работе показано, что развитие и модернизацию теории СИП наиболее рационально вести в направлении сочетания численных, численно-аналитических методов анализа и имитационного моделирования в среде высокоуровневых систем компьютерной математики. Это дает возможность рассчитывать электромагнитные процессы в СИП, имеющих сложную конфигурацию электрических схем замещения, и рассмотреть физические процессы, которые ранее учитывались в неполной мере. Обосновано использование среды моделирования MATLAB при исследовании СИП и комплексов, включающих в себя ИП, СИП и нагрузку с импульсным характером энергопотребления. На основе принципа множественности моделей разработана методика имитационного моделирования, которая позволяет провести совместное исследование электромагнитных процессов и процессов электрохимического преобразования в СИП для озонных технологий, электромагнитных и тепловых процессов в силовых транзисторах СИП ЭФУ.

Для исследования и проектирования СИП предложен способ матрично-топологического описания конфигурации электрических схем замещения. Сформулированы на функциональном физическом уровне принципы синтеза электрических схемы замещения СИП, которые относятся к классу расчетных схем с постоянной или переменной структурой и ориентированы на машинное формирование уравнений переменных состояния в матричной форме.

Показано что, несмотря на разнообразие функционального назначения СИП, их схемотехнические структуры можно рассматривать как каскадное соединение типовых блоков: ЗП, НЭ и РП, причем эти блоки состоят, в общем случае, из нескольких различных функциональных групп. Часть из них является общей для различных СИП (выпрямитель, электрический фильтр, инвертор, трансформатор и др.), остальные - специфичны для одной или нескольких СИП (ГО, размагничивающее устройство трансформатора и др.).

В диссертации научное программирование для ЭВМ базируется на создании электрических схем замещения, математических моделей, алгоритмов расчета типовых электрических и электронных блоков. Сформулированы ограничения на подмножество электронных схем СИП, для которых разрабатывается математическое описание. При построении математических моделей используется кусочно-линейная аппроксимация вольтамперных характеристик силовых полупроводниковых приборов.

Разработано математическое оформление уравнений СИП на основе записи узловых матриц для каждой каскадно-соединенной функциональной группы (подсистемы) АФГ, позволяющее обеспечить последующий синтез на их основе матриц АСИП многовариантных структур СИП. Матричные структуры блоков легко диагностируются, в большинстве случаев подготовлены и проверены на математических моделях СИП. Компьютерная технология синтеза полных узловых матриц СИП оформлена в виде программы в среде MATLAB.

В диссертации разработана модификация приемов и вычислительных алгоритмов машинного преобразования системы алгебраических и интегро-дифференциальных уравнений, описывающих электрические схемы замещения постоянной или переменой структуры СИП, к системе уравнений переменных состояния в матричной (1), (2) или развернутой формах с численными и символьными коэффициентами

. (1)

Здесь

,

H11 = -D24 ZI D14Т,

H12 = -D24 ZI D24Т,

H13 = D24 ZI D34Т Z33 D35 - D25, (2)

H21 = D15Т - D35Т YI D34 Y44 D14Т,

H22 = D25Т - D35Т YI D34 Y44 D24Т,

H23 = -D35Т YI D35,

где D, Z, Y, C, L - матрицы, состав которых определяется конфигурацией и параметрами ветвей электрической схемы замещения СИП.

Предложены стратегия и алгоритмы разработки специализированных программ в среде математического ядра MATLAB для автоматизированного проектирования СИП, позволяющих оптимизировать параметры вычислительного процесса за счет учета особенностей конфигурации схем, режимов, математического описания, алгоритмов машинного формирования и функционирования компьютерных моделей СИП.

Вторая глава посвящена исследованию вариантов ЗП для СИП различного функционального назначения. Выполнен анализ состояния и перспектив их развития на основе классификации по способу регулирования параметров потока энергии, передаваемой от ИП в НЭ.

Все ЗП разделяются на нерегулируемые (НЗП) и регулируемые (РЗП). Для первых характерна простая схемотехника и неравномерный характер потребления мощности в процессе накопления энергии в НЭ. Это обусловило целесообразность применения таких ЗП при частотах разряда НЭ, близких к частоте питающей сети или значительно превышающих ее.

В настоящее время основное внимание специалистов направлено на разработку и исследование РЗП с различными типами модуляции напряжения (тока) в цепи зарядки НЭ: амплитудно-импульсной, широтной и широтно-импульсной, частотно-импульсной и комбинированной. Они обеспечивают высокий уровень ЭМС СИП с ИП при низких частотах следования зарядных циклов НЭ, возможность активного воздействия на ее работу, а также малые массу, габариты при высоких энергетических показателях.

Наибольший интерес среди устройств этого класса вызывают ЗП на основе автономных инверторов (АИ) и нерегулируемой дозой энергии, передаваемой в НЭ за период тактовой частоты АИ, а также ЗП с дозирующими конденсаторами (ДК), для которых характерны простота силовой схемы и алгоритма управления при минимальном воздействии на ИП.

Анализ схемотехнических вариантов ЗП с ДК позволил выявить общие свойства различных по схеме устройств в зависимости от наличия и места расположения согласующего трансформатора в силовой схеме ЗП и области целесообразного применения каждого из них.

Определены и обоснованы топологические варианты, а также схемные решения ЗП для рассматриваемых в диссертации СИП РЛС, ГО, ЛТУ и ЭФУ с учетом требований и особенностей этих областей применения.

СИП радиолокационных станций с пассивной антенной решеткой. Наиболее полно требованиям, сформулированным к РЛС с ПАР, отвечает структура СИП (рис. 5), содержащая СГ, ЗП с широтной модуляцией на базе трехфазного вентильно-электромагнитного регулятора напряжения (ВЭМРН) с магнитной связью обмоток, регулирующего мощность видеоимпульса и зондирующего радиоимпульса РЛС, выпрямительного устройства с трансформатором, выпрямителем и электрического фильтра (Ф). Сформированный импульсным модулятором (ИМ) видеоимпульс подается на ПУ и далее выходной радиоимпульс - на антенну РЛС.

Проведенные исследования электромагнитных процессов на основе разработанных математических моделей ЗП с ВЭМРН позволили определить оптимальное значение коэффициента взаимоиндукции его обмоток k = 0,3...0,4, при котором обеспечивается требуемый диапазон регулирования выходного напряжения при 1,5…2,0 кратном снижении уровня генерируемых высших гармоник и высоком уровне ЭМС СИП с ИП. При этом эффективно (до 65%…70% от номинального значения) ограничены начальные токи зарядки конденсатора С1 и токи короткого замыкания, а масса ВЭМРН не превышает 40%…50% массы трансформатора.

Исследованы процессы в ЗП, обусловленные влиянием на его работу ИМ. Определены рациональные соотношения параметров элементов Ф, обеспечивающие требуемый уровень модуляции напряжения СГ при минимальных массе и габаритах Ф.

СИП радиолокационных станций с активной фазированной антенной решеткой. Переход РЛС на СВЧ диапазон для обнаружения низколетящих высокоскоростных целей привел к существенному изменению конструкции антенн, топологии систем их электропитания и вызвал необходимость разработки высоконадежных модулей СИП относительно небольших значений мощности (200…250) Вт и выходного напряжения (28 В), питающихся от автономного трехфазного СГ частотой 50 Гц или 400 Гц, напряжением 380 В и имеющих малые массу и габариты.

В главе выполнены аналитические исследования и имитационное моделирование разработанного модуля СИП для АФАР на базе ЗП с ШИМ, реализованного по схеме однотактного прямоходового импульсного преобразователя. Выполненный анализ процессов и особенностей работы ЗП позволил получить обобщенные расчетные соотношения для обоснованного выбора его элементов.

СИП озонаторов. Основным элементом озонаторов является ГО, схема замещения которого представляет последовательное соединение конденсаторов газового промежутка Спj и диэлектрического барьера Сбj, а эквивалентная электрическая схема имеет вид (рис. 6).

Процессы в ГО идентичны процессам в СИП с многозвенным НК, роль которых выполняют электрические емкости газового промежутка Сп1…Спn. Индуктивность рассеяния трансформатора исключает высокочастотную модуляцию потребляемого из сети тока, который имеет только гладкую составляющую, определяемую макропараметрами ГО. С учетом специфики ГО как электрической нагрузки и требований, предъявляемых к системам генерирования озона, наиболее целесообразной является структура СИП на базе ЗП с резонансным инвертором (АИР), что позволяет реализовать частотное регулирование производительности озонатора при максимальном коэффициенте мощности СИП, снизить напряжение на ГО, повысить надежность ЗП и сократить затраты на эксплуатацию установки. Разработанные математические модели и выполненные исследования дали возможность получить обобщенные характеристики озонатора и сформировать базу данных, которая использована при разработке СИП озонаторов серий ТМ и ТС.

Предложены усовершенствованные варианты ЗП с регулированием обратного потока энергии, что увеличивает выходное напряжение ЗП и повышает энергетические показатели СИП (рис. 7).

СИП лазерно-технологических установок. С учетом сформулированных требований к СИП ЛТУ, при относительно невысоком уровне напряжения зарядки НК и частоты зарядных циклов, в ЗП целесообразно применять бестрансформаторные тиристорно-конденсаторные преобразователи (ТКП) с каскадным соединением ДК (рис. 8).

Выполненный анализ электромагнитных процессов ЗП выявил неравномерное распределение напряжений ДК в процессе их разряда из-за падения напряжения на тиристорах и диодах цепей зарядки и технологического разброса емкостей ДК. Установлено наличие фазовой задержки отпирания тиристоров звеньев ЗП, наибольшее значение которой растет с увеличением числа звеньев (рис. 9), относительного разброса емкостей и пороговых напряжений вентилей.

Получены интегральные характеристики, позволяющие выполнить электромагнитный расчет ЗП, произвести оценку массогабаритных показателей и сопоставить их различные схемные варианты. Предложена IGBT модификация каскадного ЗП с ДК.

СИП электрофизических установок. С учетом параметров ЭФУ и требований, предъявляемых к СИП, обосновано использование трансформаторных ЗП с ДК.

Исследованы разновидности ЗП на различной элементной базе. Выполнен анализ устойчивости процессов коммутации в тиристорных ЗП с ДК, даны рекомендации, повышающие надежность работы ЗП в режиме прерывистого и непрерывного тока, а также исключающие возможность одностороннего насыщения высоковольтного трансформатора.

Разработаны математические модели и выполнены исследования одновременно протекающих электромагнитных и тепловых процессов IGBT с бестоковой коммутацией в ЗП с ДК (рис. 10), позволившие выявить динамику процессов нагрева структуры IGBT.

В третьей главе рассмотрены принципы построения, схемные решения и электромагнитные процессы в РП СИП. Установлена связь топологии и схемотехники РП с особенностями нагрузок, различающихся по характеру, виду ВАХ, уровню выходного напряжения и стабильности параметров импульсов энергии, требованиям к изменению или оперативному регулированию параметров импульсов. Выполнена классификация РП, согласно которой наиболее перспективны регулируемые РП, как обладающие значительно более широкими функциональными возможностями. Дана характеристика импульсных нагрузок рассматриваемых в работе СИП, позволяющая обоснованно подходить к выбору типа и схемы РП.

Особое внимание уделено РП каскадного типа на основе емкостных НЭ с последовательным и параллельным соединением звеньев.

Разработаны математические модели каскадных РП с последовательным соединением звеньев, позволившие выполнить исследование этих устройств и установить основные закономерности их работы в составе СИП, содержащей IGBT ЗП с ДК. Определены соотношения параметров РП из условия получения наименьшей относительной разности напряжений НК звеньев при их зарядке (рис. 11).

Предложены и исследованы новые варианты РП рассматриваемого типа, обладающие расширенными функциональными возможностями за счет лучших частотных свойств, способности регулирования длительности формируемых импульсов (рис. 12) и исключения перезарядки НК при работе РП на индуктивную нагрузку.



Рис. 12. Модульный вариант РП с последовательным соединением звеньев

Другая разновидность РП каскадного типа - преобразователи с параллельным соединением звеньев, которые подключаются к нагрузке через токоформирующий элемент (ТФЭ), представляющий собой дроссель, соединенный последовательно с нагрузкой, либо реактивный L-C четырехполюсник. Важное достоинство рассматриваемого типа РП - возможность формирования импульсов тока, гладкая составляющая которых при соответствующем управлении ЗП и тиристорами РП изменяется по заданному закону.

В главе впервые исследуются разновидности таких РП с многозвенным индуктивным ТФЭ (рис. 13), характеризующиеся пониженной скоростью нарастания тока в тиристорных коммутаторах и улучшенной формой генерируемых импульсов.

На базе разработанных математических моделей данного типа РП исследовано влияние величины индуктивностей ТФЭ на формирование импульсов тока в нагрузке. Установлена закономерность характера изменения и величины пульсаций вершины генерируемых импульсов тока от параметров силовой цепи РП. Определено оптимальное соотношение параметров, обеспечивающее минимальную энергоемкость, массу и габариты ТФЭ (С - емкость звена РП).

Наряду с РП на основе емкостных НЭ в СИП находят применение преобразователи с комбинированными накопителями энергии (КНЭ), позволяющие формировать в нагрузке высокостабильные выходные импульсы тока квазитрапецеидальной, квазипрямоугольной и квазиполусинусоидальной форм при питании от относительно низковольтных нестабилизированных ЗП. Зарядка высоковольтных конденсаторов в этих РП осуществляется за счет энергии, запасенной в индуктивном элементе КНЭ и индуктивности нагрузки.

РП с КНЭ обладают достаточно широкими возможностями регулирования формы и параметров выходных импульсов при отсутствии осцилляций кривой импульсов тока с произвольным соотношением активной и индуктивной составляющих полного сопротивления нагрузки. Они могут быть выполнены в различных модификациях (рис. 14), причем наиболее применяемы структуры с последовательным и параллельным соединением емкостной и индуктивной компонент КНЭ (далее РП с КНЭ последовательного и параллельного типа).



аб

Рис. 14. Электрические схемы РП с КНЭ последовательного (а) и параллельного (б) типов

Разработанные математические модели РП с КНЭ позволили выполнить исследование электромагнитных процессов в этих РП, выявить их характерные особенности, выработать рекомендации по выбору параметров и определить области предпочтительного применения каждого из вариантов. Установлено, что РП см КНЭ последовательного типа следует применять для питания мощных соленоидов систем формирования ИМП, обладающих увеличенными значениями относительного индуктивного сопротивления цепи нагрузки. Структура параллельного типа наиболее целесообразна при увеличенном значении относительного активного сопротивления (R) цепи нагрузки, что характерно для СИП ЛН твердотельных лазеров ЭФУ.