СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
METHOD FOR IDENTIFICATION OF EMERGENCY MODES OF FUNCTIONING OF WIDTH-PULSE ENERGY CONVERTERS IN REAL-TIME MODE

Предложенный способ относится к электротехнике, а именно к способам управления импульсными преобразователями постоянного напряжения, которые широко применяются как источники вторичного электропитания различных устройств, способ может быть использован для идентификации аварийных режимов в ходе функционирования указанных устройств.
Известен способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией предельного тока, согласно которому выходной ШИМ-сигнал управления регулирующим элементом преобразователя получают в результате конъюнкции двух ШИМ-сигналов, первый из которых формируют на основе сигнала рассогласования по напряжению, а второй - на основе сигнала рассогласования по току. При этом уровень сигнала рассогласования по току корректируется в зависимости от значения демодулированного выходного ШИМ-сигнала управления регулирующим элементом [1].
Недостатком способа является то, что он позволяет идентифицировать только среднее значение стабилизируемого тока, которое является одной из составляющих, характеризующих аварийный режим работы преобразователя, соответственно, основанная на этой идентификации стабилизация не может полностью гарантировать исключение этих режимов.
Известен способ управления импульсным стабилизатором тока, согласно которому измеряют текущее значение стабилизируемого тока, сравнивают его с заданным значением, формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, трансформируют переменное напряжение с выхода инвертора, выпрямляют и сглаживают выходной ток [2].
Недостатком способа является то, что он позволяет перед трансформацией тока идентифицировать только его амплитуду, которая является одной из составляющих, характеризующих аварийный режим работы преобразователя, соответственно, основанная на этой идентификации стабилизация не может полностью гарантировать исключение аварийных режимов.
Существуют аварийные режимы работы импульсного преобразователя, когда происходит изменение как частотных, так и пульсационных характеристик эксплуатационного режима, что приводит к наиболее существенным негативным последствиям как для преобразователя, так и для сопряженных с ним систем. Источником данных аварийных режимов являются нелинейные явления [3], в результате которых после т.н. бифуркации реализовываются различные сценарии эволюции динамики. Анализ недостатков обоих способов позволяет сделать заключение, что их основная причина связана с использованием традиционной усредненной модели импульсного преобразователя [4], в которой отображение нелинейных явлений в принципе исключено из рассмотрения.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является фрактальный метод идентификации динамики [5], согласно которому динамический процесс представляется в форме ансамбля гармоник, каждая из которых является временным рядом, отображающим в символической форме динамику соответствующей частотной составляющей, затем на стадии стационарного процесса по сочетанию символических характеристик всех гармоник вычисляется тип стационарного процесса в рамках сценария кратного увеличения периода.
<m>
В частности, для ШИМ-преобразователей наиболее характерным является сценарий эволюции динамики, связанный с переходом к хаосу через удвоение периода 1-2-4-… [3]. Вариант реализации метода [5] для распознания первых трех периодических процессов в рамках сценария 1-2-4… предложен в полезной модели [6]. В этой модели динамический процесс (как временной ряд по току) представляется в форме ансамбля трех гармоник. Гармоника обозначается w, где m - кратность периода гармоники периоду ШИМ (периоду эксплуатационного процесса) и ее k-й элемент вычисляется по выражению:
где
- значение переменной состояния по току в момент изменения импульсной функции с «0» на «1» (момент начала переднего фронта импульсной функции). На стадии стационарного процесса по сочетанию символических характеристик всех трех гармоник вычисляется тип стационарного процесса в рамках сценария удвоения периода 1-2-4-… по следующей формуле:
где r - число гармоник в ансамбле, значения элементов которых постоянны и отличны от нуля. Этот способ идентификации принимается за прототип.
В прототипе принимаются во внимание нелинейные свойства импульсного способа преобразования энергии. Специальная форма представления динамического процесса наглядно отображает происходящие качественные изменения в ходе этого процесса, в частности такие свойства, как стационарность, частотные характеристики и т.д. Процесс распознания является понятным для использования при визуальном анализе человеком. Однако при этом отсутствует логически обоснованное формальное правило распознания понятий «переходный процесс» и «стационарный процесс». Указанный недостаток затрудняет алгоритмизацию процесса идентификации и препятствует повышению эффективности управления, соответственно, снижает надежность и безопасность функционирования ШИМ-преобразователей.
Технической задачей изобретения является повышение степени алгоритмизации процесса идентификации аварийных режимов широтно-импульсных преобразователей энергии, направленное на практическое применение для повышения надежности и безопасности их функционирования.
<1>
Для иллюстрации решения задачи рассмотрим пример, наиболее актуальный с практической точки зрения. Поскольку в рамках сценария 1-2-4-… эксплуатационный режим после первой бифуркации уже становится аварийным, то достаточно определить: реализовалась ли именно эта первая бифуркация или нет. Иными словами, достаточно различать: после переходного процесса (фиг.1а) установился эксплуатационный режим с периодом ШИМ (далее, 1-процесс, фиг.1б) или аварийный режим с удвоенным периодом (далее, 2-процесс, фиг.1в). В рамках метода идентификации [5] это означает: если после переходного процесса установился 1-процесс, то его символическая характеристика «0»«0» (фиг.2а), если после переходного процесса установился 2-процесс, то его символическая характеристика «w»«0» (фиг.2б). При этом на фиг.2а,б сходимость гармоник к нулю распознается визуально.
уст
уст
уст
Однако традиционно используемое определение момента завершения переходного процесса согласно теории управления (момент, начиная с которого сигнал на выходе преобразователя не покидает «коридор» значений, ограниченных х±Δ, где х - среднее установившееся значение сигнала, Δ - допустимая величина пульсаций в % относительно х) не может быть использовано для идентификации рассматриваемых аварийных процессов вследствие двух формальных соображений. Первое, это определение формулируется для случая, когда начальными условиями являются нулевые, однако большую часть времени преобразователь функционирует при начальных условиях, существенно отличных от нулевых. Второе, это определение формулируется для сигнала на выходе преобразователя, а не для преобразованного временного ряда тока дросселя - как это требуется согласно методу идентификации
[5]. В частности, для ШИМ-преобразователя, стабилизирующего напряжение, получается, что длительность переходного процесса по теории управления должна оцениваться по временному ряду значений напряжения на выходе, а не по временному ряду тока в силовом контуре.
<1>
В заявленном способе для решения этой задачи предлагается следующая модель. Заметим, что в практическом приложении полностью определены все возможные в стационарном процессе значения только для первой гармоники - она может быть и нулевой («0») и ненулевой («w»). При этом в ненулевом случае ее максимальное значение ограничивается максимальными пульсациями 2-процесса (
, фиг.1в), и может быть определено предварительно. В то же время вторая гармоника и для 1-процесса, и для 2-процесса остается только нулевой. Будем считать, что переходный процесс вносит некоторую неопределенность в состояние системы, и далее такое состояние будем рассматривать как «стационарный процесс с долей вероятности» (фиг.3а). Величину этой вероятности примем из практики равной 95% (округление 94,45%). Эта вероятность традиционно используется в статистике применительно к техническим системам как вероятность нормального распределения для случая попадания в диапазон «2 сигма». Тогда формулируется следующее правило определения момента завершения переходного процесса: состояние системы считается установившимся стационарным процессом с момента, когда 5% элементов временного ряда первой гармоники попадают вне интервала [0,
], a 95% этих элементов находятся внутри указанного интервала (фиг.3г).
Сущность заявленного способа идентификации аварийных режимов функционирования широтно-импульсных преобразователей энергии в режиме реального времени заключается в том, что после пуска преобразователя в каждый момент открытия силового ключа преобразователя измеряется мгновенное значение тока в его силовом контуре, измеренное значение запоминается, на основании результатов измерений определяются символические характеристики первой и второй гармоник токового сигнала посредством выполнения двух последовательностей операций: определяется разность между последним измерением мгновенного значения тока и измерением мгновенного значения тока, предшествующим предыдущему измерению, после чего первой гармонике присваивается символическое значение «0» или «1» путем сравнения абсолютного значения полученной разности с предварительно заданным уровнем помехи в токовом сигнале; определяется разность между последним и предыдущим измерениями тока, после чего второй гармонике присваивается символическое значение «0» или «1» путем сравнения абсолютного значения полученной разности с предварительно заданным уровнем помехи в токовом сигнале, согласно изобретению дополнительно путем предварительных исследований с использованием нелинейной модели широтно-импульсного преобразователя энергии определяется предельно допустимое количество символических значений «0» второй гармоники в общем объеме измерений мгновенного значения тока, соответствующее завершению переходного процесса, считается общее количество измерений мгновенного значения тока и считается общее количество символических значений «0» второй гармоники, определяется количество символических значений «0» второй гармоники в общем объеме измерений мгновенного значения тока, на основе сравнения полученного результата с его предельно допустимым значением делается заключение о текущем состоянии преобразователя: если предельно допустимое значение не превышено, то переходный процесс продолжается, продолжаются измерение и обработка мгновенных значений тока; если предельно допустимое значение превышено, то проверяется текущее символическое значение первой гармоники, в случае «1» идентифицируется аварийный режим, в случае «0» идентифицируется эксплуатационный режим, после чего измерение и обработка мгновенных значений тока прекращаются и идентификация завершается.
На фиг.1 приведены схемы, поясняющие различие между переходным процессом (а), эксплуатационным процессом (б) и аварийным процессом (в).
На фиг.2. проиллюстрированы примеры для визуального определения сходимости переходного процесса к эксплуатационному режиму (а) и аварийному режиму (б).
На фиг.3 приводится пример вычислительного эксперимента, иллюстрирующего реализацию заявленного способа идентификации для случая установления эксплуатационного режима (1-процесса). Для иллюстрации используются синхронизированные временные ряды по напряжению (U) с выхода преобразователя напряжения (а), временной ряд тока дросселя (б), включая увеличенный фрагмент эксплуатационного режима (в), временной ряд первой гармоники (г) и второй гармоники (д).
На фиг.4 приведен пример структурной схемы устройства, реализующего заявленный способ идентификации аварийных режимов. Устройство содержит последовательно соединенные задающее устройство 1, устройство сравнения 2, ШИМ-регулятор 3, силовую подсистему 4, подсистему идентификации 5, дисплей 6, при этом второй выход силовой подсистемы 4 соединен со вторым входом устройства сравнения 2, второй выход ШИМ-регулятора 3 соединен со вторым входом подсистемы идентификации 5.
На фиг.5 приводится пример вычислительного эксперимента, иллюстрирующего реализацию заявленного способа идентификации для случая установления аварийного режима (2-процесса). Для иллюстрации используются синхронизированные временные ряды по напряжению (U) с выхода преобразователя напряжения (а), временной ряд тока дросселя (б), включая увеличенный фрагмент аварийного режима (в), временной ряд первой гармоники (г) и второй гармоники (д).
ВЫХ
У
F
ШИМ
<1>
<2>
<1>
<2>
Для реализации заявленного способа может быть использовано устройство, представленное на фиг.4. Устройство работает следующим образом. Значение выходного напряжения (U) из силовой подсистемы (фиг.4, поз.4) с помощью устройства сравнения (фиг.4, поз.2) вычитается из значения уставки (U), заданного задающим устройством (фиг.4, поз.1), сформированный сигнал ошибки (δ) поступает в ШИМ-регулятор (фиг.4, поз.3), где в соответствии с алгоритмом ШИМ формируется управляющий сигнал, который после усиления (K) воздействует на ключевой элемент силовой подсистемы (фиг.4, поз.4). Подсистема идентификации выполняет измерения тока дросселя (I) в моменты возникновения переднего фронта сигнала ШИМ (U). Выполненное k-e измерение тока дросселя буферизируется по принципу очереди FIFO и вычисляются значения первой w и второй w гармоник согласно (1). Далее определяется момент завершения переходного процесса в соответствии с правилом заявленного способа. После идентификации начала стационарного процесса вычисляется его тип по сочетанию символических характеристик первой w и второй w гармоник в соответствии с (2). Результаты идентификации представляются на дисплее (фиг.4, поз.6) как протокол распознания трех событий: «переходный процесс», «эксплуатационный режим» или «аварийный режим».
<1>
На фиг.3, 5 проиллюстрированы примеры применения заявленного способа для идентификации эксплуатационного (1-процесса) и аварийного (2-процесса) режимов соответственно. В частности, на фиг.3а,б на временных рядах по току и напряжению иллюстрируется сходимость переходного процесса к 1-процессу при старте с нулевых начальных условий. Условие завершения переходного процесса выполняется через 2,43 мкс после старта, и по сочетанию символических характеристик («0»«0») вычисляется его тип - 1-процесс. Аналогично, на фиг.5а,б на временных рядах по току и напряжению иллюстрируется сходимость переходного процесса к 2-процессу при старте с нулевых начальных условий. Условие завершения переходного процесса выполняется через 2,48 мкс после старта, и по сочетанию символических характеристик («0»«w») вычисляется его тип - 2-процесс.
Таким образом, в отличие от прототипа, идентификация стационарного процесса в заявленном способе выполняется в два этапа. На первом этапе вычисляется момент установления стационарного процесса исходя из анализа одной гармоники, а на втором этапе по сочетанию символических характеристик обоих гармоник вычисляется тип установившегося стационарного процесса. Введение правила для вычисления момента завершения переходного процесса позволяет полностью алгоритмизировать процесс идентификации аварийного режима широтно-импульсных преобразователей энергии. В практическом приложении это позволяет его реализацию в режиме реального времени на элементной базе типовых микроконтроллеров, поскольку используются простые математические операции. При этом необходимо отметить, что символическое описание динамических процессов в заявленном способе означает отсутствие его чувствительности к неопределенности параметров широтно-импульсных преобразователей энергия, которая имеет место в ходе функционирования систем данного класса. Таким образом, способ предоставляет возможность в автоматическом режиме распознать аварийные режимы и, тем самым, повысить надежность и безопасность функционирования широтно-импульсных преобразователей энергии.
Источники информации
1. Способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией предельного тока [Текст]: пат. на способ №2249842, Рос. Федерация: МПК G05F 1/10, G05F 1/66 С.П.Черданцев, К.Г.Гордеев, Ю.А.Шиняков, К.В.Тараканов; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр "Полюс": - №2003114596/09; заявл. 05.16.2003; опубл. 04.10.2005.
2. Способ управления импульсным стабилизатором тока [Текст]: пат. на способ №2366067, Рос. Федерация: МПК H02M 3/335 В.Е.Балахонцев, А.И.Заико, В.Н.Зелепукин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие Уфимское научно-производственное предприятие "Молния": - 2008114539/09; заявл. 14.04.2008; опубл. 27.08.2009.
3. Banerjee S. Nonlinear phenomena in power electronics: attractors, bifurcations, chaos and nonlinear control / S.Banerjee, G.Verghese. - New York: IEEE Press, 2001. - 441 p.
4. Мелешин В.И. Получение непрерывной линейной модели силовой части импульсного преобразователя как начальный этап проектирования его динамических свойств // Электричество. 2002. №10. С.38-43.
5. Колоколов Ю.В., Моновская А.В. Превентивное диагностирование сценариев кратного изменения периода в динамике импульсных преобразователей энергии. Автоматика и телемеханика, 2009, №7, с.151-167.
6. Система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения [Текст]: пат. на полезную модель №88869, Рос. Федерация: МПК H02M 3/02 Ю.В.Колоколов, А.В.Моновская, А.С.Кузьмин; заявитель и патентообладатель Югорский государственный университет: - №2009128147/22; заявл. 21.07.09; опубл. 20.11.2009 (прототип).