Системы управления мощных источников тока программируемой формы на основе транзисторных шип (принципы построения, анализ, синтез)

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ПРОГРАММИРУЕМОЙ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ШИП

В.А. Толмачев

Освещены проблемы совершенствования технических характеристик мощных источников тока программируемой формы. Приведены методики анализа и синтеза систем управления источников, разработанные на кафедре ЭТ и ПЭМС СПбГУИТМО в рамках госбюджетных НИР. Перечислены основные публикации по указанным вопросам.

Введение

Транзисторные широтно-импульсные преобразователи постоянного тока (ШИП) нашли широкое распространение в системах управления электроприводов, стабилизированных источников электропитания и других устройствах в силу ряда их известных преимуществ (высокого КПД, быстродействия, широкого диапазона регулирования выходного напряжения и т.п.). Особую область их применения составляют устройства, статические и динамические свойства которых в конечном итоге определяются свойствами ШИП. К числу таких устройств относятся мощные источники электропитания с программируемой формой выходного параметра (напряжения или тока) для установок нестационарного электролиза. Основной функцией таких источников, используемых как непосредственно в производственных установках, так и в качестве универсального инструмента для исследований и отработки новых технологических процессов нанесения покрытий, является формирование в нагрузке (гальванованне) тока или напряжения произвольной формы с возможностью управления их параметрами как с пульта оператора, так и от ЭВМ верхнего уровня.

Анализ принципов построения источников тока программируемой формы и технических требований к ним, содержащийся в работах [1-4], показал, что к числу наиболее перспективных следует отнести «следящий» принцип формирования выходного параметра, при котором выходной сигнал усилительно-преобразовательного устройства (УПУ) отслеживает заданное значение сигнала, формируемое контрольно-задающим устройством (КЗУ). Точность воспроизведения заданного переменного во времени сигнала зависит от динамических качеств УПУ. Принципы построения КЗУ и вопросы их технической реализации освещены в работах [5, 6].

Рис.1. Структурная схема источника

Структурно источник содержит энергетическую и информационную подсистемы (рис.1). Энергетическая подсистема, определяющая энергетические, массогабаритные и предельные динамические характеристики источника, строится на базе реверсивных транзисторных ШИП [7, 8] и содержит, кроме того, силовой фильтр (СФ), предназначенный для сглаживания пульсаций тока нагрузки, обусловленных импульсным характером выходного напряжения ШИП. Назначение информационной подсистемы, содержащей датчик тока (ДТ) и регулятор (РТ), - формирование сигналов управления на входах ШИП в соответствии с принятым алгоритмом. Последний должен обеспечить требуемую статическую и динамическую точность воспроизведения в нагрузке задан-

ной кривой 1зад тока при условии, что это эта точность реализуема при выбранных параметрах энергетической подсистемы.

К числу наиболее жестких и противоречащих друг другу требований относятся низкий уровень пульсаций тока в нагрузке, обусловленных импульсным характером выходного напряжения ШИП, высокое быстродействие в большом и в малом и широкий диапазон регулирования тока в нагрузке.

Проектирование универсального источника питания, генерирующего любую форму импульсного тока с широким диапазоном изменения его параметров, является многоплановой задачей, решение которой требует инженерных методик синтеза УПУ. Последние должны содержать выбор целесообразных структур энергетической и информационной подсистем, расчет параметров силовых фильтров и выбор коммутирующих элементов энергетической подсистемы из условия обеспечения заданных предельных динамических возможностей источника и допустимого уровня пульсаций тока в нагрузке, выбор целесообразных алгоритмов управления и определение их параметров (настроек регуляторов) из условия приближения статических и динамических характеристик источника к заданным (эталонным). Разработка таких методик является актуальной задачей.

Основные результаты работы

В результате анализа требований к статическим и динамическим качествам источников тока программируемой формы для установок нестационарного электролиза установлена целесообразность синтеза их систем управления из условия воспроизведения в следящем режиме импульса тока с заданной амплитудой 1з тах, временами фронта Ц и допустимым размахом пульсаций 2А/н доп, обусловленных импульсным характером выходного напряжения УПУ (рис. 2). Частота коммутации силовых ключей ШИП ограничена сверху как потерями мощности на переключение силовых транзисторов вы-

а) б)

Рис. 2. К синтезу систем управления источников тока программируемой формы

В работах [11-13] проведен анализ и предложены методики параметрического синтеза одноконтурных систем управления с индуктивным и однозвенным индуктивно-емкостным фильтрами в нагрузке (рис.3).

Реверсивный ШИП содержит силовой каскад мостового типа на четырех транзисторных ключах СК1-СК4 с напряжением питания ^ и широтно-импульсный модулятор (ТТТИМ), осуществляющий коммутацию силовых ключей с постоянным периодом Тк по несимметричному закону и обеспечивающий род модуляции ШИМ2 и глубину модуляции М. Выходное напряжение ШИП ^ип имеет вид импульсов с амплитудой

относительной длительностью у, пропорциональной величине входного выходного сигнала % регулятора тока РТ и полярностью, определяемой полярностью последнего. В представленной структуре сглаживание пульсаций тока нагрузки осуществляется од-нозвенным фильтром, содержащим дроссель с индуктивностью LF и конденсатор с емкостью Ср\ При низкоомной нагрузке последний может отсутствовать.

Рис. 3. К синтезу одноконтурных систем управления с индуктивным и однозвенным индуктивно-емкостным фильтрами в нагрузке

Алгоритмы синтеза предполагают выбор параметров силового фильтра из условия обеспечения заданного уровня пульсаций тока при заданной частоте коммутации силовых ключей и далее расчет параметров регуляторов (ПИ или ПИД) из условия обеспечения заданного или минимально возможного времени фронта прямоугольного импульса тока. Если минимально возможное время фронта больше заданного, то система с нужными параметрами не может быть реализована, и следует принимать решение по пересмотру требований задания. Минимально возможное время фронта при заданном его характере (экспоненциальном или слабоколебательном, в зависимости от типа сглаживающего фильтра) определяется, в конечном итоге, условиями устойчивости замкнутой системы управления к возникновению скользящего режима или автоколебаний на субгармонических частотах. Это значение связано только с параметрами ШИП (частотой коммутации силовых ключей, родом и глубиной широтно-импульсной модуляции) и не зависит от параметров нагрузки и заданного допустимого коэффициента пульсаций тока. Последние определяют граничное значение амплитуды тока задания, при котором обеспечивается минимальное время переходного процесса (предельное быстродействие системы в большом). С уменьшением допустимого значения коэффициента пульсаций при неизменной частоте коммутации силовых ключей ШИП растет требуемое значение индуктивности сглаживающего дросселя и падает граничное значение амплитуды тока задания.

Выбор параметров САР с ШИП из условия обеспечения заданных технических требований связан также с решением задачи анализа устойчивости САР к возникновению автоколебаний на субгармонических частотах и скользящему режиму, заключающейся в определении границ областей устойчивости в пространстве параметров САР, в которых такие колебания не возникают. Наиболее эффективным методом решения этой задачи является метод точечных отображений. Недостатком существующих алгоритмов анализа устойчивости САР с ШИП, основанных на этом методе, является их ориентация на ШИП с модуляцией только одного фронта выходного импульса. Более широкие возможности имеет унифицированный алгоритм, предложенный в работе [15].

Он включает в себя формирование математической модели системы управления в виде точечного отображения, вычисление координат однократной неподвижной точки отображения, вычисление собственных чисел матрицы Якоби и построение границ областей устойчивости. Этот алгоритм положен в основу программного комплекса, реализованного в среде MatLab и позволяющего строить границы областей устойчивости в пространстве параметров системы при любом роде и глубине широтно-импульсной модуляции [16]. В работах [17-19] приведены результаты анализа особых режимов в системах управления с различными типами регуляторов (аналоговыми и цифровыми), сглаживающих фильтров и видами широтно-импульсной модуляции, полученные с использованием программного комплекса.

Расширение предельных динамических возможностей системы возможно при построении УПУ на основе нескольких однотипных реверсивных транзисторных ШИП с многофазным принципом синхронизации их работы, работающих на общую нагрузку (рис.4). На основе такого подхода эффективно решается проблема наращивания мощности в нагрузке путем организации параллельной работы идентичных источников меньшей мощности.

Рис. 4. УПУ на основе нескольких однотипных реверсивных транзисторных ШИП с многофазной синхронизацией их работы

Среди весьма ограниченного числа публикаций, посвященных теории замкнутых систем управления с многофазными ШИП, практически отсутствуют работы, посвященные методам синтеза систем. С позиции ТАУ система управления источника тока с таким УПУ является многосвязной, поскольку электромагнитные процессы в каналах взаимосвязаны через нагрузку. Трудности анализа таких систем обусловлены высоким порядком системы дифференциальных уравнений, пропорциональным числа каналов N и наличием в каждом из них нелинейного импульсного звена - ШИП При синтезе многосвязных систем с ШИП в каналах наиболее целесообразен двухэтапный подход, при котором предварительно осуществляется расчет параметров энергетической и информационной подсистем УПУ с использованием приближенных непрерывных моделей (линейных или нелинейных), а окончательный анализ с уточнением результатов предварительного синтеза проводится на ПЭВМ с использованием имитационных моделей, достаточно точно отражающих электромагнитные процессы в силовой цепи УПУ. Реализация такого подхода требует выбора или разработки рациональных структур систем управления, разработки математических моделей, учитывающих особенности построения энергетических и информационных подсистем и специфику протекающих там электромагнитных и информационных процессов, разработки методик параметрического синтеза систем управления.

В работах [19-23] дается математическое описание и анализ электромагнитных процессов в силовых цепях многомодульных источников с транзисторными ШИП и различными типами сглаживающих фильтров, получены поинтервальные уравнения состояния и их аналитические решения в виде суммы относительных и усредненных составляющих, каждая из которых содержит в свою очередь принужденную и свободную составляющие. Характер свободных составляющих усредненного движения может быть апериодическим или колебательным в зависимости от типа сглаживающего фильтра, параметров его элементов и числа модулей УПУ. Свободная составляющая относительного движения всегда является экспо-нентой с постоянной времени, прямо пропорциональной величине индуктивности разделительного дросселя канала и обратно пропорциональной суммарному омическому сопротивлению его силовой цепи. Время затухания свободной составляющей относительного движения на порядки может превышать время затухания усредненных составляющих. Принужденные составляющие относительного движения отличны от нуля при наличии разброса напряжений силовых источников питания ШИП каналов. По этой причине мгновенные значения токов, коммутируемые силовыми ключами ШИП каналов, могут разниться в десятки и сотни раз, и выравнивание их требует усложнения структурных решений систем управления. Указанные аналитические решения послужили основой для исследования квазиустано-вившихся и переходных режимов работы многомодульных источников и позволили разработать быстродействующие алгоритмы расчета параметров электромагнитных процессов в силовых цепях на ПЭВМ, не содержащие процедуры численного интегрирования системы уравнений состояния на межкоммутационных интервалах [24].

В работах [25, 26] излагаются результаты анализа квазиустановившегося режима работы источника тока, построенного на основе нескольких идентичных реверсивных транзисторных ШИП с многофазным принципом их синхронизации, работающих параллельно на общую резистивную нагрузку с различными типами сглаживающих фильтров. Приводятся аналитические соотношения для расчета коэффициентов пульсаций токов нагрузки и каналов и зависимости последних от числа модулей и параметров разделительных дросселей каналов. Анализ этих соотношений и математическое моделирование электромагнитных процессов в силовой цепи ^-модульного УПУ показал, что при изменении относительной длительности импульса напряжения на выходе ШИП канала в диапазоне от 0 до 1 амплитуда пульсации тока в нагрузке N+1 раз обращается в 0 и N раз достигает максимального значения, практически в N раз меньшего максимального значения амплитуды пульсаций тока одномодульного источника с теми же параметрами силовой цепи. Это обстоятельство при одинаковых требованиях к уровню пульсаций тока в нагрузке позволяет снизить индуктивности сглаживающих дросселей токов каналов и емкости конденсаторов фильтра и в значительной степени повысить предельные динамические возможности УПУ.

В работах [27, 28] на основе анализа электромагнитных процессов предложены структурные решения систем управления источников с многомодульными УПУ, позволяющие обеспечить равномерное распределение тока нагрузки между каналами в установившихся и переходных режимах работы источников тока. При идентичных параметрах каналов целесообразны одноконтурные структуры с одной обратной связью по току нагрузки. Если возможен разброс параметров силовых цепей модулей, то необходимо использовать либо многоконтурные структуры с местными обратными связями по токам сглаживающих дросселей каналов, либо структуры с дополнительными обратными связями по отклонению токов дросселей от усредненного значения их суммарного тока.

В работах [29-32] предложены методики синтеза одноконтурных (замкнутых только по току нагрузки 1н) и многоконтурных (замкнутых и по току нагрузки, и по токам каналов 1п) систем управления источников тока программируемой формы с N модульными УПУ для случаев индуктивного и однозвенного индуктивно-емкостного сглаживающих фильтров.

При синтезе, как и ранее, полагаются заданными частота коммутации силовых ключей ШИП, время фронта прямоугольного импульса тока в нагрузке и допустимая амплитуда его пульсаций, характер кривой эталонного переходного процесса. Кроме того, задается требуемая максимальная амплитуда прямоугольного импульса тока в нагрузке. Определению подлежат число модулей УПУ, параметры элементов силового фильтра и регуляторов. Расчет указанных параметров производится на основе совместного решения двух уравнений. Первое из них связывает параметры фильтра с числом модулей УПУ и амплитудой пульсаций тока нагрузки, второе - параметры фильтра с предельным значением амплитуды импульса тока задания, при котором длительность импульсов напряжения на выходе ШИП в процессе его отработки системой управления не превышает периода коммутации силовых ключей. При этом полагается, что параметры регулятора импульсной системы выбраны из условия обеспечения эталонного переходного процесса в эквивалентной непрерывной модели, составленной относительно гладких составляющих координат импульсной системы. Такие модели для энергетических подсистем N модульных источников строятся на основе усредненных составляющих аналитических решений поинтервальных уравнений состояния, полученных в работах [19-23]. Наличие быстродействующих программ расчета на ПЭВМ электромагнитных процессов в N модульных силовых цепях, основанных на аналитических решениях системы уравнений состояния на межкоммутационных интервалах, позволили реализовать двухэтапные методики автоматизированного синтеза систем управления, при которых после приближенного определения параметров элементов энергетической и информационной подсистем источника производится математическое моделирование процессов изменения токов каналов и нагрузки при реакции системы на скачкообразное изменение задающего воздействия. Результаты математического моделирования подтверждают корректность подходов и расчетных соотношений, на которых базируются методики.

Заключение

Методики синтеза систем управления источников тока с ^-модульными УПУ на основе транзисторных ШИП, описанные в работах [6, 7, 12-15, 28-33], предполагают постоянство параметров энергетических подсистем. Однако актуальными остаются задачи как сохранения «эталонных» характеристик источника при изменении в процессе электролиза проводимости нагрузки и напряжения питающей сети, так и обеспечения равенства токов, коммутируемых силовыми транзисторными ключами ячеек (модулей) в статических и динамических режимах работы источников при наличии технологического разброса параметров элементов энергетической подсистемы. Реализация этих функций в полной мере возможна в структурах с адаптивными алгоритмами управления.

Перечень публикаций по результатам работы

1. Толмачев В.А., Кротенко В.В., Синицын В.А. Мощные источники тока программируемой формы на основе транзисторных ШИП.// Силовая полупроводниковая техника в народном хозяйстве: Тез. докл. к 8 всесоюзной научно-технической конференции, Челябинск, Миасс, 1989. С. 89-90.

2. Синицын В.А., Толмачев В.А., Томасов В.С., Поспелов Е.П. Мощные источники электропитания с программируемыми выходными параметрами.// Проблемы техники и технологий XXI века: Тез. докл. научно-технической конф. с международным участием. Красноярск, 1994. С.9.

3. Синицын В.А., Толмачев В.А., Томасов В.С. Принципы построения и пути совершенствования технических характеристик мощных источников электропитания с

программируемой формой выходного параметра.// Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т.39. №4. С. 46-54.

4. Толмачев В.А., Томасов В.С. Электрические комплексы и системы с полупроводниковыми преобразователями.// Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т.43. № 1-2. С.70-74.

5. Денисов К.М., Гурьянов В.А. Контрольно-задающее устройство на базе однокристальной микро-ЭВМ.// Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т.39. №3. С.67-71.

6. Толмачев В.А., Денисов К.М. Проблемы реализации микропроцессорных систем управления источников тока программируемой формы.// Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т.43. № 1-2. С.75-80.

7. Кротенко В.В., Синицын В.А., Толмачев В. А., Томасов В.С. Широтно-импульсный преобразователь на защищенных транзисторных ключах.// Сер. Механизация и автоматизация производственных процессов, Ленинград, ЛДНТП, 1988.

8. В.А. Рудский, В.А. Синицын. Силовые полевые транзисторы с изолированным затвором и ЮВТ-транзисторы.// Тез. докл. семинара «Электронные элементы, компоненты, технологии и оборудование». В кн. "Универсальная электротехническая выставка иКЕЬ-96, семинары, тезисы докладов, Санкт-Петербург, 1996. С. 39-42.

9. Глазенко Т.А., Синицын В. А., Толмачев В.А. Сравнительный анализ динамических характеристик транзисторных широтно-импульсных преобразователей.// Электротехника. 1988. №3. С.70-74.

10. Глазенко Т.А., Синицын В.А., Толмачев В.А. Выбор частоты коммутации силовых ключей замкнутых систем автоматического регулирования с транзисторными ши-ротно-импульсными преобразователями.// Электротехника. 1988. №10. С. 40-46.

11. Толмачев В. А., Кротенко В.В. Параметрический синтез системы управления программируемого источника тока, построенного на основе транзисторного ШИП.// Изв. вузов. Приборостроение. 1999. Т.42. № 9. С.49-54.

12. Толмачев В. А. Синтез системы управления регулируемого источника тока с индуктивно-емкостным фильтром.// Изв. вузов. Приборостроение. 2001. Т.44. №5. С.32-39.

13. Гурьянов В.А., Кротенко В.В. Цифровая система управления источника тока, построенного на основе транзисторного ШИП. // Научно-технический вестник СПбГИТ-МО(ТУ). Выпуск 3. Физические процессы, системы и технологии точной механики. Главный редактор В Н. Васильев. СПб: СПБГИТМО (ТУ), 2001. С.120-125.

14. Осипов Д.В., Толмачев В.А. . Исследование особых режимов работы систем управления источников тока с транзисторными широтно-импульсными преобразователями. // ХХХ Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. Ч.У11: Материалы межвузовской научной конференции. СПпб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. С. 67-69.

15. Толмачев В.А., Осипов Д.В. Анализ устойчивости к автоколебаниям на субгармонических частотах импульсных источников тока программируемой формы.// Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Выпуск 3. Физические процессы, системы и технологии точной механики. Гл. ред. В.Н. Васильев. СПб: СПБГИТМО (ТУ), 2001. С.132-136.

16. Осипов Д.В. Программный комплекс для анализа устойчивости систем автоматического регулирования тока с широтно-импульсными преобразователями.// Современные технологии: Сборник научных статей. Под ред. С.А. Козлова и В.О. Никифорова. СПбГИТМО (ТУ), 2002. С.267-76.

17. Толмачев В.А., Осипов Д.В. Алгоритм анализа устойчивости системы автоматического регулирования тока с широтно-импульсным модулятором первого рода.// Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45. №8. С.57-62

18. Осипов Д. В. , Толмачев В. А. К анализу устойчивости цифровой системы управления источника тока с транзисторным широтно-импульсным преобразователем // ХХ1 Неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. СПб: Изд-во СПбГТУ, 2002. С. 135-137.

19. Осипов Д.В., Толмачев В.А. Влияние частоты дискретизации на устойчивость цифровой системы автоматического регулирования тока с широтно-импульсным преобразователем // Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Вып.10. Информация и управление в технических системах. СПб.: СПбГИТМО (ту), 2003. С.205-211.

20. Толмачев В. А. Математические модели источников тока с многоканальным питанием нагрузки от транзисторных ШИП // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Труды второй международной научно-технической конференции, т.7; «Преобразовательная техника», Новосибирск, 1994. С. 51-52.

21. Толмачев В. А. Уравнения электромагнитных процессов в силовой цепи источника тока с многоканальным питанием нагрузки. // Изв. вузов. Приборостроение. 1994. Т.37. №11-12. С. 53-59.

22. Толмачев В.А. Аналитический расчет электромагнитных процессов в источнике тока с многоканальным питанием нагрузки.// Изв. вузов. Приборостроение. 1995. Т.38. № 7-8. С. 44-47.

23. Толмачев В. А. Электромагнитные процессы в силовой цепи программируемого источника электропитания с нагрузкой резистивного характера.// Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т.39. №3. С.55-60.

24. Толмачев В. А. Уравнения электромагнитных процессов в силовой цепи электропривода постоянного тока с многомодульным усилительно-преобразовательным устройством. // Труды III Международной (XIV Всероссийской) конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП-2001» (Н. Новгород 12-14 сентября 2001). Под ред. С.В. Хватова. Н. Новгород: «Вектор-ТиС», 2001. С. 75-77.

25. Толмачев В.А., Никитина М.В.. Моделирование электромагнитных процессов в силовых цепях п-модульных источников тока программируемой формы.// Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Выпуск 10. Информация и управление в технических системах. СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2003. С.212-218.

26. Толмачев В. А., Никитина М.В. Расчет параметров квазиустановившегося режима в источнике тока с импульсным усилительно-преобразовательным устройством и индуктивным сглаживающим фильтром.// Научно-технический вестник СПбГИТ-МО(ТУ). Выпуск 3. Физические процессы, системы и технологии точной механики. Главный редактор В Н. Васильев. СПб: СПБ ГИТМО (ТУ), 2001. С.120-126.

27. Толмачев В.А.Никитина М.В. Анализ квазиустановившегося режима в источнике тока с многомодульным импульсным усилительно-преобразовательным устройством и индуктивно-емкостным сглаживающим фильтром.// Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45. №8. С.50-57.

28. Толмачев В. А. Вопросы синтеза мощных источников электропитания на основе ряда однотипных ШИП.// Проблемы техники и технологий XXI века: Тез. докладов научно-технической конф. с международным участием. Красноярск, 1994. С.36.

29. Толмачев В. А. Синтез системы управления источника тока с многоканальным питанием нагрузки. // Изв. вузов. Приборостроение. 1995. Т.38. №11-12. С.37-40.

30. Толмачев В.А.. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивным фильтром.// Изв. вузов. Приборостроение. 2001. Т.44. №3. С.16-22.

31. Толмачев В.А.. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивно-емкостным фильтром.// Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т.45. №4. С.33-39.

32. Толмачев В.А., Осипов Д.В. Параметрический синтез многоконтурной системы управления многомодульного источника тока.// Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы IV Всерос. Науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. Ун-та, 2001. С.66-68.

33. Никитина М.В. К синтезу системы управления многомодульного источника тока./ Современные технологии: Сборник научных статей.// Под ред. С.А. Козлова и В.О. Никифорова. СПбГИТМО (ТУ), 2002. С.276-286.