НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ, ПРОВОДИМЫХ НА КАФЕДРЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ПРЕЦИЗИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СПБГИТМО (ТУ).
Техническое перевооружение промышленности и выход на новые высокие технологии предполагает автоматизацию технологических комплексов, которая начиная с 60-х годов прошлого столетия неразрывно связана с внедрением в новые системы управления полупроводниковых преобразователей электрической энергии.
В материалах международных научно-технических конференций по полупроводниковой преобразовательной технике, автоматизированному электроприводу неоднократно подчеркивалось актуальность вопросов, связанных с умощнением, совершенствованием технических характеристик и объектной ориентацией полупроводниковых импульсных усилительно - преобразовательных устройств. В достигнутые в этом направлении успехи существенный вклад внесен научной школой, сформированной на базе кафедры электротехники заслуженным деятелем науки РФ, профессором Т.А. Глазенко, разработавшей теорию полупроводниковых преобразователей для систем электропривода постоянного и переменного тока
. Высокий уровень теоретических работ и практических разработок, проводимых в ИТМО позволил профессору Глазенко Т.А. открыть в 1970 году первый в СССР специализированный совет К 053.26.06 по защите кандидатских диссертаций по специальности 05.09.12 “Электрические полупроводниковые преобразователи электрической энергии” и объединить в начале 80-х годов прошлого столетия усилия специалистов более 45 вузов страны, многих НИИ и предприятий по решению проблемы создания высокоэффективных полупроводниковых преобразователей для систем электропривода в рамках программы Минвуза СССР “Оптимум”.В 1993 году Государственный комитет РФ по высшему образованию в связи с возрастающим использованием в оптическом приборостроении прецизионных электромеханических систем и эффективностью работ научно-педагогической школы профессора Глазенко Т.А. в этом направлении, дополнил перечень направлений базового высшего образования нашего университета направлением 551300 - “Электротехника, электромеханика и электротехнологии” с дальнейшим продолжением выпуска инженеров по специальности 180100 "Электромеханика" и 180400 “Электропривод и автоматика”.
В связи с этим на нашу кафедру с кафедры Автоматики и Телемеханики нашего университета в 1995 году перешел профессор Сабинин Юрий Алексеевич, которую он возглавлял с 1968 года более 20 лет.
Профессор Сабинин Ю.А. по праву считается одним из основоположников ленинградской школы электромехаников. Еще в начале 60-х годов в соавторстве с В.П.Андреевым он подготовил и опубликовал книгу “Основы электропривода”, являвшуюся долгие годы основным учебным пособием по теории электропривода как у нас в стране, так и за рубежом - книга переиздана в Польше, Венгрии, Китае и Болгарии. В послевоенное время профессор Ю.А.Сабинин руководил работами по проектированию уникальных прецизионных электроприводов для астрофизических объектов, в том числе и для самого крупного в мире телескопа с 6-ти метровым зеркалом. Он является действительным членом Международной Энергетической академии, автором 15 книг и учебников, имеет более 200 научных трудов и изобретений.
Для школ профессоров Глазенко Т.А. и Сабинина Ю.А. всегда был характерен системный подход к исследованию и проектированию электромеханических систем и электротехнических комплексов с высокоэффективными полупроводниковыми преобразователями, когда разработка критериев оценки и методики выбора законов и способов коммутации полупроводниковых коммутаторов, типа коммутирующего прибора, частоты коммутации, вида модуляции, а также расчет электромагнитных нагрузок и синтез параметров элементов проводится с учетом свойств и особенностей всех составляющих энергетической и информационной подсистем.
В этой связи научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы на кафедре ЭТ и ПЭМС СПбГИТМО(ТУ) проводились на протяжении последних 45 лет по следующим направлениям:
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные по этим направлениям в 70-х годах сотрудниками и аспирантами кафедры под руководством проф. Глазенко Т.А., позволили впервые сформулировать концепцию построения унифицированного обратимого ШИП с несимметричным законом и поочередной коммутацией на основе защищенных транзисторных ключей из условия полного использования транзисторов по напряжению и току, с защитами от короткого замыкания цепи нагрузки, от исчезновения питания цепей управления, от выхода из строя датчиков координат замкнутой САР и от перегрева или выхода из строя одного или нескольких силовых ключей и обеспечивающего работу электрической машины во всех четырех квадрантах плоскости механических характеристик
. Все это позволило к концу 80-х годов создать базовый унифицированный транзисторный инвертор напряжения, предназначенный для обеспечения заданных статических и динамических показателей различных по своему назначению САР.Перспективность предложенных и защищенных авторскими свидетельствами решений по построению ШИП и силового транзисторного ключа была впоследствии подтверждена практикой проектирования силовой электроники для систем управления в СССР и за рубежом
.Традиционными для кафедры остаются работы по построению быстродействующих систем управления с широким диапазоном регулирования скорости электроприводов постоянного и переменного тока, систем управления прецизионными комплексами позиционирования и слежения оптических телескопов и лидарных станций.
Комплексы позиционирования и слежения предназначены для преобразования кодов задания траекторий движения оптической оси станции, поступающих от центральной ЭВМ, в углы поворота следящих осей по двум координатам - углу места a и азимуту b
.Структурно комплексы, как электромеханотронные системы содер-жат энергетические и информационные подсистемы, отличающиеся разнообразием как инфраструктур и элементной базы, так и внешних связей. Точность традиционных систем,
построенных на базе коллекторных двигателей с согласующими редукторами ограничена и в современных условиях наиболее перспективными являются привода на основе бесколлекторных высокомоментных элетромеханических преобразователей с транзисторными усилительно-преобразовательными устройствами, цифровыми датчиками координат и регуляторами.При построении оптических комплексов слежения возникает широкий круг задач, связанных с необходимостью точного позиционирования и слежения, сопровождающегося вращением следящей оси с инфранизкими скоростями при значительных величинах моментов статического сопротивления и маховых масс на валу и возможном широком диапазоне их изменения. Обычно к таким системам предъявляются высокие требования по статическим, динамическим, энергетическим, надежностным и т.п. показателям
.Разработанные системы обеспечивают движение следящей оси a в диапазоне углов от 0 до 180 град. с угловыми скоростями и ускорениями в диапазонах соответственно от 10"/с до 10 град/с и от 0 до 6 град/с и позиционирование с точностью не хуже 1" при статическом моменте нагрузки на оси до 20 Нм и моменте инерции, меняющемся в диапазоне от 250 до 500 кгмс
2. Этими электроприводами оснащены лидарные станции, осуществляющие траекторные измерения и проводку спутников на Кавказе, в Подмосковье и на Алтае. Учитывая положительный опыт совместных работ по созданию квантово-оптических систем ракетно–космических комплексов СПбГИТМО в лице кафедры ЭТ и ПЭМС определен Российским авиационно–космическим Агенством в качестве головной организации в части создания электросиловых приводов на базе моментных двигателей для систем нового поколения.В 80-х годах на кафедре электротехники начались исследовательские и проектные работы в части применения транзисторных ШИП в источниках электропитания для установок импульсного электролиза - наиболее перспективного и надежного средства простого и эффективного управления структурой и свойствами функциональных покрытий, особенно сплавов.
Для технического обеспечения указанного направления требуются специальные сильноточные (мощные) импульсные источники электропитания, обладающие по сравнению с непрерывными дополнительными регулируемыми параметрами, такими как частота следования импульсов, их амплитуда и длительность, длительности фронтов самих импульсов, а в более общем виде - форма импульсов тока или напряжения. Обеспечение заданных и регулируемых величин этих параметров потребовали использования новых структурных и схемных решений и новой элементной базы.
Применение импульсного регулирования остро поставило проблему сглаживания пульсирующей составляющей тока в нагрузке, которая оказывает негативное влияние на качество покрытий и требует установки сглаживающих фильтров, значительно снижающих предельные динамические свойства источников при ограниченной частоте коммутации силовых ключей и точность воспроизведения в нагрузке тока заданной амплитуды, частоты и формы .
Существенного расширения этих возможностей удалось достичь за счет применения усилительно-преобразовательных устройств многомодульного типа, что потребовало разработки методов синтеза их энергетических и информационных подсистем.
На второй международной выставке “ТЕХНОХИМИЯ - 98” экспо-нировался технологический комплекс для электрохимической обработки металлов, включающий универсальный источник электропитания с микропроцессорной системой управления, позволяющий воспроизвести в гальванической ванне ток или напряжение любой заданной формы, а также осуществить его задание в графическом виде на экране дисплея и визуальный контроль электрохимических процессов в гальванованне с применением современных виртуальных технологий, выполненный по заказу НИИ Ювелирной Промышленности и АО “Русские самоцветы”.
Создание современных методов анализа и синтеза прецизионных электромеханических систем и электротехнических комплексов, основанных на последних достижениях силовой электроники и компьютерной техники, является серьезной научно-технической проблемой в области энергетической электроники. Эта проблема включает такие вопросы как:
1. Разработка математических моделей, способствующих расширению и углублению представлений о характере электромагнитных и информационных процессов в системах управления с усилительно - преобразовательными устройствам на основе транзисторных инверторов.
2. Разработка структур, алгоритмов функционирования и конкрет-ных схем систем управления электроприводов с транзисторными ШИП в контурах управления, на основе однокристальных процессоров DSP, позволяющие реализовать системы с заданными статическими и динамическими характеристиками при сохранении высоких показателей качества потребляемой электроэнергии
.3. Разработка инженерных методик расчета электромагнитных нагрузок на элементы энергоподсистемы и синтеза САУ с ШИП в контурах управления с учетом цикличности и разрядности датчиков координат и микропроцессорных контроллеров.
Зав. кафедрой ЭТ и ПЭМС СПбГИТМО(ТУ) В.С. ТОМАСОВ