В.С.ТОМАСОВ, В.А.ТОЛМАЧЕВ, В.А.СИНИЦЫН.

Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)

 

ИМПУЛЬСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРНЫХ КОМПЛЕКСОВ

В настоящее время более 40% всей вырабатываемой электрической энергии, обладающей определенными исходными параметрами (величиной, формой, частотой напряжения и тока), преобразуется в электрическую энергию с другими параметрами, отличными от исходных (3). Электроэнергия, производимая для широких потребительских целей, в основном вырабатывается и передается переменным 3-х фазным током промышленной частоты ( f=50 Гц), вследствии удобства его трансформации.

Однако, господствовавшее на первом этапе развития электротехники использование электроэнергии постоянного тока продолжает играть существенную роль в ряде отраслей науки и техники, таких как электротранспорт, электротехнологии, автоматизация промышленных установок, сварочная и бытовая техника, радиоэлектроника и т.п. В этих же областях появилась потребность в электроэнергии, отличающейся от промышленной по частоте, форме выходного напряжения или тока, числу фаз, возможности регулирования параметров электроэнергии. Эти задачи наиболее часто возникают приразработке регулируемого электропривода постоянного и переменного тока, на долю которого приходится около 60% всего потребления электроэнергии в стране (5).

В преобразовательной технике в 20-х годах прошлого столетия начали разрабатываться статические преобразователи электроэнергии - выпрямители и инверторы с применением газоразрядных электронных приборов - ртутных выпрямителей, тиратронов, газотронов, игнитронов и т.д. Однако их низкий к.п.д., невысокая надежность, существенное влияние на питающую сеть, затрудняли широкое использование этих устройств. Вместе с тем именно с развитием и совершенствованием газоразрядных приборов усилиями ученых В.Шиллинга, М.Демонтивье, М.Мюллер-Любека, И.Л.Каганова, М.А.Чернышева, Д.А.Завалишина, и др. развивалась теория преобразования энергии, ими были разработаны основные схемы выпрямителей, инверторов и исследованы электромагнитные процессы в их силовых цепях.

Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов, в период появления мощных полупроводниковых приборов - диодов, тиристоров, а затем мощных биполярных транзисторов. Эти приборы, разработанные в основном на Ge, Si и AsGa , существенно превосходили газоразрядные приборы, отличались меньшими габаритами и массой, повышенной надежностью, быстродействием, КПД и могли использоваться в достаточно широком температурном диапазоне.

Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковых приборов и их применению для преобразования электрической энергии, были труды академиков В.Ф. Миткевича, И.Д. Папалекси, А.И. Ларионова и др.

Последующее развитие полупроводниковой преобразовательной техники характеризовалось появлением новых схемотехнических и конструктивных решений, расширением номенклатуры устройств, созданием и разработкой теории новых схем, использующих различные виды модуляции, формированием самостоятельных научных школ - Московской, Ленинградской, Украинской, Белорусской, Уральской и Сибирской.

Развитие Ленинградской школы полупроводниковых преобразователей электрической энергии началось с исследований коммутаторов вентильных двигателей и преобразователей частоты в лаборатории привода переменного тока Института Электромеханики (1). Руководили этими работами действительный член Академии наук СССР Михаил Полиевктович Костенко и член-корреспондент АН СССР Дмитрий Александрович Завалишин.

В 80-е годы прошлого столетия Ленинградскую школу возглавила профессор нашего университета Глазенко Татьяна Анатольевна, действительный член Электротехнической Академии РФ, разработавшая теорию полупроводниковых преобразователей для систем приборного электропривода постоянного и переменного тока. Высокий уровень теоретических работ и практических разработок, проводимых в ИТМО позволил открыть в 1970 году первый в СССР специализированный совет К 053.26.06 по защите диссертаций по специальности 05.09.12 “Электрические полупроводниковые преобразователи электрической энергии” и объединить в начале 80-х годов усилия специалистов более 45 вузов страны, многих НИИ и предприятий по решению проблемы создания высокоэффективных полупроводниковых преобразователей для систем электропривода и электротехнологий в рамках программы Минвуза СССР “Оптимум”.

Поэтому постановку данного доклада на юбилейной научно – технической конференции, посвященной 300-летию Санкт – Петербурга, именно в стенах нашего университета следует считать своевременной и вполне оправданной.


 

Последнее десятилетие прошлого столетия характеризовалось дальнейшим расширением номенклатуры систем с полупроводниковыми преобразователями для самых различных отраслей техники [1].

Характерными особенностями этих систем являются:

- использование современной полупроводниковой техники – полевых транзисторов и транзисторов IGBT и программируемых контроллеров в системе управления;

- электромагнитная совместимость с питающей сетью и высокие показатели качества потребляемой из сети энергии;

- малые удельные значения массы и объема на единицу мощности;

- возможность сопряжения с различными системами автоматизации и управления на базе персональных компьютеров;

- встроенная самодиагностика, сводящая к минимуму техническое обслуживание и простой технологического оборудования.

Следует отметить тесную взаимосвязь первых двух особенностей современных систем с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии, т.к. только с появлением мощных, полностью управляемых приборов появилась возможность, с помощью самих же преобразователей, работающих на стороне переменного тока с импульсной модуляцией на высоких частотах, активно влиять на показатели качества потребляемой ими электроэнергии [2,3,4].

Несмотря на эти преимущества силовой электроники уровень преобразования электрической энергии в России систематически снижается и оценивается величиной в 20% против 38% в 1978 году. Особенно резкое отставание имеется в области вентильного электропривода переменного тока. При доле электропривода переменного тока в энергопотреблении по стране в 45% , доля регулируемого электропривода переменного тока не превышает 2% существующего парка электроприводов. Использование полупроводниковых преобразователей только для систем регулируемого электропривода позволило бы снижать потребление электроэнергии в России от 10 до 25%.

В то же время в США доля регулируемого электропривода составляет более 50%, что дает экономию электрической энергии в промышленности 190 млрд.квт.час., в быту 100 млрд.квт.час. в год. Важнейшее направление энергосбережения в Германии - применение вентильного электропривода: в 1983 году доля регулируемого электропривода была лишь 5%, а к 2000 году должна вырасти до 60%.

Наше отставание по промышленному использованию полупроводниковых преобразователей объясняется взаимосвязанными причинами: относительной дешевизной электрической энергии, а также относительной сложностью и дороговизной энергосберегающих мероприятий.


 

Структурные схемы импульсных полупроводниковых преобразователей и виды модуляции.

Особенность большинства преобразователей приборных систем - силовое импульсное воздействие с прерывистой посылкой отдельных порций энергии к объекту регулирования посредством модуляции того или иного вида. Такой способ подвода энергии позволяет за счет дозировки длительности и интенсивности воздействия существенно повысить плотность подводимой к нагрузке энергии и реализовать оптимальные способы управления нестационарными и стационарными процессами в электромеханических, электронно-оптических, электротехнологических и других устройствах приборных комплексов.

Электротехнические комплексы и системы на базе полупроводниковых импульсных преобразователей электрической энергии разделяются на две подсистемы: энергетическую и информационную. Энергетическая подсистема включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового и электромеханического преобразователей и осуществляет двухсторонний обмен энергией между первичным источником питания и электрической машиной посредством коммутации силовых ключей. Информационная подсистема включает в себя систему управления полупроводниковым преобразователем с информационно-измерительной частью и осуществляет реализацию заданного алгоритма регулирования координат.

Требования, предъявляемые к энергоподсистемам импульсных полупроводниковых преобразователей приборных систем весьма различны, что предопределяет использование большого числатипов преобразовательных устройств, классификация которых приведена на рис.1,а.

Преимущественное распространение в них получили выпрямители (В), широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного напряжения (тока), автономные инверторы напряжения (тока) на основе полумостовых и мостовых однофазных и трехфазных транзисторных схем, импульсные преобразователи постоянного напряженияс реактивными накопителями энергии [1]. Ужесточение требований к качеству выходной электрической энергии и диапазону ее регулированияприводит к необходимости использования схем как с однократным, так и смногократным преобразованием энергии, в которых с помощью системы управления реализуются различные виды линейной (ЛМ) и импульсной (ИМ) модуляции: амплитудная (АМ), фазовая (ФМ), частотно-импульсная (ЧИМ), широтно-импульсная (ШИМ), амплитудно-импульсная (АИМ), многозонная импульсная

(МИМ), комбинированная (КМ) и др.

Модуляционные ИВЭ с однократным преобразованием энергии, питаемые от одного источника напряжения (одноступенчатые), выполняются, какправило, одноячейковыми, содержат минимальное число полупроводниковых ключей, весьма экономичны и надежны. Однако в них могутприменяться лишь простейшие виды модуляции. Питание отнескольких изолированных источников напряжения (многоступенчатыймногоячейковый ИВЭ) позволяет реализовать МИМ - сочетание амплитудной и непрерывно-импульсной модуляции в одной ступени питающего напряжения.

В преобразователях с МИМ диапазон изменения выходной величины U вых (t) разделен на ряд ступеней - зон. Модулируемый параметр в каждой зоне изменяется по полному циклу. Окончание цикла является условием перехода из зоны в зону.

Сравнение трех видов модуляции (рис.1,б ) при линейно возрастающем входном сигнале (штриховая линия) показывает, что амплитудная (поступенчатая) модуляция с ограниченным числе зон (n) дает наибольшее отклонение формы выходного напряжения отзаданной, а частота включения ступенейзависит от скорости изменения входного сигнала.

Многозонная модуляция обеспечивает наименьшую погрешность воспроизведенияэнергетическим каналом преобразователя заданной формы управляющего напряжения на входе информационного канала преобразователя и наименьшие коммутационные потери мощности (так как высокочастотная ШИМ имеет место лишь в одной ступени), а также улучшает спектр выходного напряжения, чем облегчаются условия ЭМС.

Кроме того МИМ наиболее органично сочетается с прямым цифровым управлением, и такой МИВЭ может использоваться как силовой цифро-аналоговый преобразователь [11].

В зависимости от типа источника первичного питания ячейки (постоянное или переменное), ячейки выполняются на транзисторных ключах либо на одно- или двухкратных трансформаторно-ключевых структурах [12].

Большими функциональными возможностями и гибкостью управления при сравнительно высоких технико-экономических показателяхобладают ИВЭ с многократным преобразованием, построенные по схеме цепочечного или комбинированного включенияэлементарных преобразователей (В, ШИП, АИ), фильтров и трансформаторов.

Варианты цепочечных структур со звеном повышенной частоты, в последние годы получившие распространение в приборных системах электропривода, источниках бесперебойного питания и в электротехнологических установках, приведены на рис.2.

В преобразователях со звеном повышенной частоты (ЗПЧ), которое представляет собой промежуточный вентильный преобразователь, при бестрансформаторном входе (рис.2, а)существенно улучшаются массо-габаритные показатели трансформаторов ЗПЧ и фильтров по сравнению с их аналогами, работающими на частоте 50 Гц. Такие преобразователи выполняют также функции регулирования или стабилизации, подавляют низкочастотные пульсации. Цепочечные схемы с ЗПЧ менее чувствительны к характерным дляэлектротехнологических устройств и приборных электроприводов резким изменениям нагрузки, которые могут компенсироваться с помощью регулятора напряжения звена постоянного тока.

В преобразователях-регуляторах постоянного напряжения, ЗПЧ может быть реализовано в виде АИ с ШИМ и выходным трансформатором, выпрямителем и высокочастотным фильтром (рис.2,б).

Структурные схемы цепочечных инвертирующих преобразователей с ЗПЧ (рис.2,в), обычно содержат высокочастотный АИ с выходным трансформатором, совмещающим процессы преобразования на основной и повышенной частоте посредством гармонической модуляции выходного напряжения на высокой (несущей) частоте.

Преобразователь с инвертированием на повышенной частоте и модуляцией выходного напряжения на основной частоте наиболее прост по структуре ( содержит минимальное число звеньев), имеет хорошие энергетические характеристики и позволяет улучшить массо-габаритные и динамические характеристики системы. Выходной согласующий трансформатор, работающий на основной частоте выходного напряжения, несколько ухудшает общие массогабаритные показатели цепочечного преобразователя в целом.

При значительной разнице в величинах входного и выходного напряжений рационально использовать цепочечную схему (рис.2,г); здесь трансформаторная развязка осуществляется в высокочастотном звене вентильного блока ЗПЧ1, на который возлагаются и функции регулирования выходного напряжения. Выпрямленное и сглаженное высокочастотным фильтром напряжение затем вновь инвертируется блоком ЗПЧ2, работающем также на повышенной частоте с модуляцией по заданному закону, после чего высокочастотная составляющая выходного напряжения отфильтровывается. Разделение функций регулирования и модуляции между блоками ЗПЧ улучшает технико-экономические показателицепочечного преобразователя, так как все звенья работают на повышенной частоте.

В качестве основных элементов ЗПЧ используются чаще всего транзисторные ШИП, в том числе с индуктивными накопителями энергии [13-15], тиристорно-конденсаторные ключи с дозированной передачей энергии [1, 7, 13], резонансные инверторы различных типов. Регулирование выходного напряжения в ЗПЧ может осуществляться ключевыми элементами посредством разных видов модуляций, преимущественно ШИМ, ЧИМ, ВИМ и т.д. Преимущественно используется ШИМ, обеспечивающая, как правило, лучшие технико-экономические показатели.

Уменьшить помехи, создаваемые цепочечными преобразователями, и облегчить условия коммутации транзисторов, можно используя высокочастотные резонансные инверторы (с обратными диодами и без них), в которых транзисторы переключаются в моменты времени, соответствующие нулевому значению тока в колебательном контуре [1,4,13].

Информационная подсистема современных электроприводов строится на базе микроконтроллеров(3,6), разрабатываемых такими ведущими фирмами как ABB, INTEL, MOTOROLA, TEXAS INSTRUMENTS, SIЕMENS AG, ANALOG DEVICES, ядром которых является процессор с мощной системой команд, имеющих в своем составе большой набор периферийных устройств: порты ввода-вывода, таймеры-счетчики, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и так далее, что позволяет обрабатывать сигналы с датчиков обратной связи, реализовывать сложные законы управления в режиме реального времени и вырабатывать управляющие сигналы для силового блока преобразователя. На микроконтроллер возлагаются также функции контроля, защиты и диагностики отдельных элементов и всей системы в целом.

В случае проектирования прецизионных систем с большим диапазоном регулирования и высоким быстродействием целесообразно использовать микроконтроллер ADMC300фирмы ANALOG DEVICES и TMS320F240 фирмы TEXAS INSTRUMENTS. Это представители последнего поколения вычислительных управляющих устройств, обладающих повышенной вычислительной производительностью и специально адаптированных для задач управления системами электропривода с полупроводниковыми преобразователями. Оба этих микроконтроллера являются представителями новых развивающихся семейств, что обеспечивает надежность вложений и перспективу дальнейшего усовершенствования разрабатываемых изделий при минимальных затратах.

В таблице 1 (4) представлены основные характеристики нескольких типов контроллеров различных фирм-производителей, организация которых наиболее адаптирована для реализации частотно-регулируемых электроприводов различного назначения.


Для школы профессора Т.А.Глазенко всегда был характерен системный подход к исследованию и проектированию электромеханических и электротехнологических комплексов и систем с высокоэффективными полупроводниковыми преобразователями, когда разработка критериев оценки и методики выбора законов и способов коммутации полупроводниковых коммутаторов, типа коммутирующего прибора, частоты коммутации, вида модуляции, а также расчет электромагнитных нагрузок и синтез параметров элементов проводится с учетом свойств и особенностей всех составляющих энергетической и информационной подсистем.


Поэтому научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы проводились на кафедре по следующим направлениям:


Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные по второму и третьему направлениям в 70-х годах 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 [3], [4]. 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 [5].

Решение проблемы построения транзисторного силового ключа и базового ШИП позволило впоследствии сосредоточить усилия ученых кафедры на решении вопросов анализа, синтеза и практической реализации систем управления, статические и динамические характеристики которых определяются в конечном итоге и ограничиваются спецификой и быстродействием транзисторных и тиристорных инверторов напряжения и тока. Были сформулированы основные требования к законам и способам коммутации как тиристорных, так, позднее, и транзисторных ШИП, из условия обеспечения устойчивости систем автоматического регулирования, построенных на базе этих преобразователей и достижения такими системами максимальных динамических показателей [5], [6].


 

Полупроводниковые преобразователи как элемент замкнутой системы регулирования приборных систем, методика их расчета и проектирования.


В приборных системах к качеству выходной ЭЭ преобразователя предъявляются достаточно жесткие требования. Преобразователь должен обеспечивать:

- высокую точность стабилизации и низкий уровень пульсаций при широком диапазоне регулирования;

- высокую точность системы многофазных гармонических напряжений (токов), создающих равномерно вращающиеся магнитные поля;

- заданную форму импульсов выходного напряжения (тока), в некоторых случаях с достаточно крутым фронтом и срезом;

- возможность согласования внешней характеристики ИВЭ с нелинейной и изменяющейся в зависимости от режима работы характеристикой нагрузки.

Поэтому полупроводниковые преобразователи в приборных комплексах работают в составе замкнутых систем автоматического управления (САУ), содержащих энергетический и информационный каналы (рис.3). На САУ приборных систем могут быть возложены следующие функции: подавление автоколебательных режимовна субгармонических частотах, повышение быстродействия и обеспечение устойчивости системы, а также решение некоторых проблем ЭМС преобразователя с питающей сетью [1,3,12].

Приборные комплексы с полупроводниковыми преобразователями представляют собой нелинейные импульсные системы, статические и динамические свойства которых в значительной степени определяются электромагнитными процессами в энергетическом канале преобразователя и режимами работы нагрузки [16].

Проектирование преобразователей состоит обычно из нескольких этапов, на которых в зависимости от решаемой задачи используются различные электрические модели силовой цепи [9,15].

1. Расчет электромагнитных процессов в энергетическом канале при разных режимах работы исполнительного устройства - с целью выявления наиболее тяжелого режима, для которого следует проектировать силовую цепь преобразователя. На этом и последующих этапах используются ключевые модели полупроводниковых приборов и простейшие электрические схемы замещения реактивных элементов.

2. Выявление структуры силовой цепи при выбранном алгоритме переключения вентилей, определяющих класс электрической модели преобразователя и методы ее расчета.

Класс I. Силовая цепь с неизменной структурой и параметрами, электромагнитные процессы в которой описываются линейным дифференциальным уравнением и характеризуются эквивалентным дискретно-изменяющимся периодическим возмущением.

Класс II. Силовая цепь с переменной структурой и фиксированными моментами ее изменения на периоде коммутации; процессы в цепи описываются системами линейных дифференциальных уравнений с дискретно изменяющимися в фиксированные моменты времени коэффициентами.

Класс III. Силовая цепь с переменной структурой, изменяющейся в моменты времени, зависящие от напряжений или токов в ветвях с вентилями.

3. Исследование нестационарных и квазистационарных процессов в силовой цепи преобразователя.

Преобразователи I класса (с неизменной структурой) исследуются применением аналитических или численно-аналитических методов расчета линейных электрических цепей.

При расчете реакции на сложные и знакопеременные возмущения целесообразно использовать принцип наложения.

Анализ устойчивости в малом приборных САУ с преобразователями I класса может быть выполнен линейными методами теории автоматического регулирования.

Области устойчивости САР с преобразователем исследуются далее на ПЭВМ с применением численного интегрирования при различных законах изменения входного сигнала во времени (линейный, гармонический или ступенчатый) и типах регуляторов. Вычислительные процедуры могут быть выполнены в аппарате символьных преобразований и матричных представлений.

Наиболее общим методом расчета электромагнитных процессов в силовой цепи преобразователей II и III классов является метод переменных состояний в сочетании с методом сшивания решений на границах расчетных интервалов, соответствующих интервалам постоянства структуры и параметров цепи [14]. Преимущества такого подхода - в возможности формирования системы кусочно-линейных уравнений минимального порядка.

Результатом третьего этапа является расчет мгновенных, средних и действующих значений тока, напряжения и рассеиваемой мощности во всех элементах энергетического канала преобразователя для квазистационарного и типовых переходных режимов.

4. Расчет обобщенных статических (регулировочные, пульсационные и энергетические) и динамических характеристик модуляционных преобразователей, определяющих их регулировочные, нагрузочные, пульсационные, энергетические и инерционные свойства. 

К регулировочным характеристикам автономных преобразователей с ШИМ относятся зависимости относительного среднего входного тока ILср  и выходного напряжения UСср  от относительной продолжительности включения источника питания Uп на периоде коммутации:

; ,

для постоянных силовой цепи b L=T/t L, b C=T/t C, =r/Rн.

Пульсационные характеристики представляют собой относительный размах пульсаций тока и напряжения на входе и выходе преобразователя, как функции регулирующего параметра :

при b L, b C, = Const.

Энергетические характеристики позволяют оценить результирующие относительные потери мощности в энергетическом канале преобразователя, и следовательно, КПД :

при b L, b C, =Const.

Динамические характеристики определяются как совокупность относительных переходных реакций на ступенчатое входное возмущение g (t) =g d (t) [17] и позволяют оценить длительность переходных процессов, максимальные перенапряжения и броски тока, а также скорректировать выбранные параметры силовой цепи.

В конечном итоге совокупность переходных характеристик закладывается в основу приближенного представления преобразователя некоторым типовым звеном САУ (нелинейным или линейным с насыщением, апериодическим с запаздыванием, колебательным и др). Эти семейства характеристик устанавливают связи между основными свойствами преобразователя и параметрами его силовой цепи, что позволяет в дальнейшем перейти к оптимизационным задачам выбора параметров силовой цепи по тому или иному критерию [5,14].

5. Выбор стандартных и проектирование нестандартных магнитных элементов, работающих в специфичных условиях элементов.

Транзисторы выбираются на основании расчета процессов в элементарном переключающем звене преобразователя с использованием уточненных кусочно-линейных схем замещения, учитывающих паразитные параметры [8, 9]. При этом проверяется расположение (внутри или вне области безопасной работы) траектории переключения рабочей точки транзистора и при необходимости применяется демпфирующая цепь.


Практические разработки электрических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями


Несмотря на большой спектр работ на кафедре, традиционными для нее являются работы по построению систем управления прецизионными комплексами позиционирования и слежения телескопов траекторных измерений и лабораторных источников тока программируемой формы для нужд нестационарного электролиза.

Комплексы позиционирования и слежения предназначены для преобразования кодов задания траекторий движения оптической оси станции, поступающих от центральной ЭВМ, в углы поворота следящих осей по двум координатам - углу места a и азимуту b .

Структурно комплексы, как электромеханотронные системы , как было отмечено выше, содержат энергетические и информационные подсистемы, отличающиеся разнообразием как инфраструктур и элементной базы, так и внешних связей. Точность традиционных систем, построенных на базе коллекторных двигателей с согласующими редукторами ограничена и в современных условиях наиболее перспективными являются 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 [8].

Разработка указанных систем управления на кафедре электротехники ИТМО ориентирована на удовлетворение технических требований, сформулированных специалистами таких ведущих фирм СНГ, как НПО "Астрофизика", НИИ Прецизионного Приборостроения (г. Москва) и ЦКБ АН Белоруссии (г. Минск). Разработанные системы обеспечивают движение следящей оси a в диапазоне углов от 0 до 180 град. с угловыми скоростями и ускорениями в диапазонах соответственно от 2"/с до 30 град/с и от 0 до 6 град/с2 и позиционирование с точностью не хуже 1" при статическом моменте нагрузки на оси до 20 Нм и моменте инерции, меняющемся в диапазоне от 250 до 500 кгмс2. Этими электроприводами оснащены лидарные станции, осуществляющие траекторные измерения и проводку спутников на Кавказе и в Подмосковье.


На пятом международном авиасалоне “МАКС- 2001” в августе 2001 года экспонировался оптико-лазерный комплекс траекторных измерений с системой наведения, разработанной на кафедре ЭТ и ПЭМС.

В 80-х годах на кафедре электротехники начались исследовательские и проектные работы в части применения транзисторных ШИП в источниках электропитания для установок импульсного электролиза - наиболее перспективного и надежного средства простого и эффективного управления структурой и свойствами функциональных покрытий, особенно сплавов.

Для технического обеспечения указанного направления требуются специальные сильноточные импульсные источники электропитания, обладающие по сравнению с непрерывными дополнительными регулируемыми параметрами, такими как частота следования импульсов, их амплитуда и длительность, длительности фронтов самих импульсов. Обеспечение заданных и регулируемых величин этих параметров потребовали использования новых структурных и схемных решений и новой элементной базы [9].

К источникам электропитания, обеспечивающим процесс электроосаждения импульсным током предъявляются следующие требования:

- возможность формировать выходной параметр в виде импульсов заданной произвольной формы

- широкий диапазон регулирования среднего напряжения и тока в нагрузке;

- высокая точность стабилизации выходных параметров источника в условиях изменяющихся параметров нагрузки, малые пульсации выходного параметра;

- обеспечение работы источника по программам, определяющим технологические режимы покрытий, контроль и индикация выходного параметра;

- выход на ЭВМ высокого уровня для работы в составе АСУ;

- возможность наращивания выходной мощности за счет организации параллельной работы на общую нагрузку однотипных источников;


Применение импульсного регулирования остро поставило проблему сглаживания пульсирующей составляющей тока в нагрузке, которая оказывает негативное влияние на качество покрытий и требует установки сглаживающих фильтров, значительно снижающих предельные динамические свойства источников при ограниченной частоте коммутации силовых ключей и точность воспроизведения в нагрузке тока заданной амплитуды, частоты и формы.

Существенного расширения этих возможностей удалось достичь за счет применения усилительно-преобразовательных устройств многомодульного типа, что потребовало разработки соответствующих методов синтеза энергетических и информационных подсистем источников [10].

На второй международной выставке “ТЕХНОХИМИЯ - 98” экспонировался технологический комплекс для электрохимической обработки металлов, включающий универсальный источник электропитания с микропроцессорной системой управления, позволяющий воспроизвести в гальванической ванне ток или напряжение любой заданной формы, а также осуществить его задание в графическом виде на экране дисплея и визуальный контроль электрохимических процессов в гальванованне с применением современных виртуальных технологий, выполненный по заказу НИИ Ювелирной Промышленности и АО “Русские самоцветы”.


Перспективы развития полупроводниковой преобразовательной техники и электротехнических комплексов и систем на ее основе.


Создание современных методов анализа и синтеза прецизионных электроприводов и мощных источников электропитания с программируемой формой выходного параметра для электротехнологических установок, основанных на последних достижениях силовой электроники и компьютерной техники, является серьезной научно-технической проблемой в области энергетической электроники. Эта проблема включает такие вопросы как:

1. 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 конкретных схем систем управления электроприводов и источников электропитаиия с программируемой формой выходного параметра с транзисторными ШИП в контурах управления, 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 импульсными преобразователями в контурах управления с учетом цикличности и разрядности датчиков координат и микропроцессорных контроллеров.

4. Разработка принципов реализации алгоритмов прямого цифрового управления силовыми ключами транзисторных инверторов на основе однокристальных процессоров DSP из условия обеспечения заданных статических и динамических характеристик системы управления.

Научная новизна предполагаемых работ состоит в развитии теории расчета и проектирования систем управления с импульсными полупроводниковыми преобразователями применительно к прецизионным электроприводам постоянного и переменного тока и источникам тока программируемой формы.


В последние годы особый интерес у разработчиков систем электропривода с полупроводниковыми преобразователями приобрел “мехатронный подход” к проектированию. При таком подходе одним из основных требований к полупроводниковым преобразователям становится возможность их встраивания непосредственно в корпус механизма, в связи с чем появляется тенденция к созданию высокоинтегрированных модулей. При этом электропривод и механизм проектируются как единое целое, с учетом специфических свойств друг друга, чем обеспечиваются наилучшие конструктивно-технологические и массо-габаритные показатели. Этот подход оказался эффективен при создании поворотных столов и опорно – поворотных устройств, мотор-колес для транспортных средств, электроинструмента и других механизмов.

Нельзя также не отметить возросший интерес у разработчиков электротехнических комплексов и систем к использованию сетевых технологий для целей дальнейшей автоматизации. С точки зрения, рассмотренных в докладе и разработанных на кафедре систем управления квантово – оптическими комплексами нового поколения, сетевые технологии позволят реализовать централизованное управление всеми телескопами организации или ведомства. При подключении телескопов к единой компьютерной сети и перевода программного обеспечения на технологию “клиент – сервер”, у наблюдателя появляется реальная возможность работать с любым инструментом, независимо от его географического положения. При таком централизованном управлении реализуется целый ряд преимуществ перед традиционными способами:


Набор возможностей, предоставляемых рассмотренной выше технологией клиент-сервер, безусловно, определяется скоростью прохождения сетевого трафика и пропускной способностью канала связи. Чем лучше канал связи, тем больше возможностей для удаленного управления телескопом и тем меньше различий будет замечать в своей работе оператор.


С другой стороны ни в коем случае не надо думать, что для реализации любой из перечисленных выше возможностей, необходимо сверхдорогое оборудование. Даже простое модемное соединение способно расширить возможности существующей системы: при достаточно посредственном качестве связи, по крайней мере, возможно удаленное формирование программы работы телескопа и получение результатов по окончании ее работы.

(Так, например, работают так называемые телескопы "публичного доступа" или "интернет-телескопы", когда программа работы телескопа формируется на основании заявок пользователей со всего мира, получающих результаты по окончании работы). Более того, при использовании технологии клиент-сервер наращивание возможностей по удаленному управлению телескопом при улучшении канала связи будет носить эволюционный характер и не будет требовать коренной переделки всей системы. Так, постепенное улучшение каналов связи может помочь перейти от передачи результатов анализа наблюдений до передачи всех данных, полученных в ходе сеанса работы. Вплоть до удаленного управления телескопом в реальном масштабе времени.




 

Литература:

1. Глазенко Т.А. Импульсные полупроводниковые усилители в электроприводах. - Л.: Энергия, 1965, -188 С.


2. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. - Л.: Энергия, 1973, - 304 С.

3. Глазенко Т.А., Пискарев А.Н., Синицын В.А., Томасов В.С. Полупроводниковые широтно-импульсные преобразователи для быстродействующих следящих электроприводов постоянного тока. -Ленинград.:ЛДНТП, 1974, - 32 С.

4. Глазенко Т.А., Синицын В.А., Томасов В.С. Коммутационные процессы и принципы построения силовых каскадов ШИП и АИН систем электропривода на защищенных транзисторных ключах. - М.:Электротехника , 1983, №3, С.23-39.

5. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении. / Т.А.Глазенко, В.С.Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1996.Т.39, N 3. С.5-12.

6. Глазенко Т.А.,Синицын В.А., Толмачев В.А. Сравнительный анализ динамических характеристик транзисторных широтно-импульсных преобразователей. - М.:Электротехника 1988, №3, С.23-39.

7. Глазенко Т.А.,Синицын В.А., Толмачев В.А. Выбор частоты коммутации силовых ключей замкнутых систем автоматического регулирования с транзисторными ШИП. - М.:Электротехника 1988, №10, С.64-68.