Математическое моделирование динамики импульсного преобразователя напряжения повышающего типа

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Современные системы преобразования параметров электрической энергии обеспечивают достаточно высокую совместимость преобразователя с нагрузкой благодаря применению высокочастотных импульсных способов регулирования потоков энергии, что обусловливает заданное качество выходного сигнала. Однако основной проблемой при использовании любого преобразовательного устройства является обеспечение электромагнитной совместимости с питающей сетью для исключения помех, распространяемых по сети, и минимизации потерь мощности. Современные нормы, регламентируемые ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95), определяют требуемое качество потребляемого тока с целью минимизации как генерируемой реактивной мощности, потребляемой из сети, так и мощности искажений.

Основные подходы к решению задачи электромагнитной совместимости с питающей сетью связаны с применением компенсаторов реактивной мощности, построенных на базе систем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В литературе описываются разные способы построения подобных систем, однако наибольшее распространение получили корректоры коэффициента мощности, выполненные на базе повышающего преобразователя, рассматриваемого в данной статье.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования в области построения систем энергетической электроники показывают, что любая замкнутая система с ШИМ представляет собой динамическую систему, склонную к возникновению устойчивых периодических колебаний токов и напряжений, а также хаотизации. Упомянутые режимы являются достаточно опасными и отрицательно сказываются на качестве работы преобразователя. Бифуркационный подход к проектированию подобных устройств, базирующийся на математическом моделировании, позволяет делать научно обоснованный выбор параметров систем автоматического управления (САУ) с целью обеспечения проектного режима работы с высокими показателями качества входного тока и выходного напряжения преобразователя.

Системы автоматического управления с ШИМ описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с разрывными правыми частями, что затрудняет задачу выделения траекторий, существующих в фазовом пространстве, и определения их областей притяжения. Несмотря на сложность, существует ряд методов, с помощью которых поставленная задача может быть решена. К ним относятся метод установления, метод уравнений периодов, метод неподвижной точки. Последние два метода достаточно сложны, но являются перспективными, так как позволяют определить с заранее заданной точностью границы областей существования периодических режимов.

На сегодняшний день накоплен достаточно большой практический и теоретический материал в области математического моделирования замкнутых систем с ШИМ, однако полностью универсальных подходов к моделированию различных по структуре преобразователей напряжения не существует, что требует создания новых математических моделей и алгоритмической базы для отдельно взятых преобразователей или их классов.

Математические модели преобразователей с ШИМ различаются по признакам:

- число коммутаций ключей на тактовом интервале;

- число поверхностей сшивания участков гладкости [3];

- принципы формирования топологии преобразователя на каждом участке;

- тип применяемого корректирующего устройства.

Первые два пункта в наибольшей степени определяют объем вычислений, необходимых при моделировании замкнутых систем с ШИМ, и, собственно говоря, весь спектр типов бифуркационных переходов [5], реализующихся в преобразователе.

Математическому описанию повышающего преобразователя и устройств на его основе посвящены работы.

Особого внимания заслуживают работы Ч.К. Це (C.K. Tse), который исследовал возможность применения бифуркационного подхода при проектировании замкнутых систем на базе повышающего преобразователя.

В его работах определяются границы нормального функционирования системы в пространстве параметров и сравнениваются полученные результаты с экспериментальными данными. К недостаткам указанных работ можно отнести прежде всего допущения при построении математических моделей, связанные с игнорированием поверхностей сшивания, пересекаемых траекторией достаточно редко, но влияющих на динамику преобразователя в отдельных параметрических диапазонах, а также отсутствие точного определения границ рассматриваемых поверхностей и моментов коммутации ключа. Авторы данной статьи создали математическую модель, устраняющую указанные недостатки и позволяющую с более высокой точностью исследовать процессы нелинейной динамики в замкнутых системах с ШИМ.

Рассмотрим математическую модель замкнутой системы управления с преобразователем напряжения повышающего типа с ШИМ-II.

Схема замещения преобразователя представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема замещения преобразователя: E - напряжение источника питания; R - сопротивление, характеризующее потери в индуктивности и преобразователе; L - индуктивность; C - емкость; RН - сопротивление нагрузки; ИМ - широтно-импульсный модулятор; 1, 2 _ коэффициенты передачи датчиков обратной связи выходного напряжения и входного тока соответственно; КУ1, КУ2 - корректирующие устройства цепей обратных связей напряжения и тока; UЗ - напряжение задания; IЗ -ток задания; ГРН - генератор развертывающих напряжений; i(X,t) - разностная функция

При построении схемы замещения принимались во внимание следующие допущения:

входной источник питания E является идеальным источником напряжения;

импульсный преобразователь выполнен на идеальных ключах с нулевым временем переключения;

элементы R, L, C линейны; сопротивление R моделирует суммарное сопротивление индуктивности и сопротивление ключа преобразователя в открытом состоянии;

корректирующие устройства выполнены на базе идеальных элементов.

Модели автоматических систем на базе полупроводниковых преобразователей с широтно-импульсной модуляцией относятся к классу систем следующего вида:

импульсный математический дифференциальный уравнение

, (1)

где X - вектор фазовых переменных; G - периодическая векторная функция; A - матрица параметров системы.

Решение системы (1) имеет вид:

.

Схема замещения преобразователя описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений:

(2)

где - ток в индуктивности; - напряжение на емкости фильтра; - функция, описывающая коммутацию диода.

Разностная функция имеет вид:

,

где , - коэффициенты усиления ошибки по выходному напряжению и потребляемому току соответственно; - развертывающее напряжение.

Коммутационная функция принимает два значения - 0 и 1- и представляется выражением:

.

В матричном виде система (1) записывается как:

Рабочий цикл преобразователя разбивается на три участка непрерывности.

при (k-1)a ?t ?tk1

при tk1 ?t ? tk2

при tk2 ? t ? k·a KF=1, iL>0;

KF=0, iL>0;

KF=0, iL=0. (3)

Здесь X - вектор переменных состояния (ток в индуктивности, напряжение на конденсаторе); А - основная матрица системы, которая является разрывной и может иметь три состояния: А1, А2, А3 в зависимости от значения коммутационной функции KF и наличия режима прерывистого тока; B - вектор вынуждающих воздействий, причем в режиме непрерывного тока дросселя В1=В2; а - период следования тактовых импульсов; tk1 -момент коммутации; tk2 - момент снижения тока до нулевого значения.

Если за период следования тактовых импульсов ток не равен нулю, то можно ограничиться первыми двумя выражениями, т.е. tk2 в этом случае равен k·a.

Однако при некоторых условиях возможен и четвертый интервал на периоде квантования. Участок разбивается на два: , аналогичный участку 3 системы (3), и , связанный с уменьшением напряжения на конденсаторе ниже напряжения питания. Наличие четвертого участка возможно в том случае, когда ток через дроссель равен нулю, а конденсатор разряжается на нагрузку, причем напряжение на конденсаторе становится меньше напряжения источника питания.

Система уравнений (1) решается численно-аналитическим методом, при котором тактовый интервал а разбивается в общем случае на четыре участка гладкости, границы которых определяются соответствующими поверхностями сшивания.

Момент коммутации ключа преобразователя.

Момент снижения тока дросселя до нуля.

Момент снижения напряжения на конденсаторе до уровня источника питания.

Конец тактового интервала.

На каждом участке гладкости эволюция вектора переменных состояния описывается аналитически:

, (4)

а вектор начальных условий последующего интервала принимается равным значениям переменных состояний в конце предыдущего интервала.

Представленные временные диаграммы (рис. 2) поясняют положение всех поверхностей сшивания. Участки гладкости на рисунке обозначены римскими цифрами. Граница существования каждого участка справа определяется соответствующей поверхностью сшивания.

Рис. 2. Временные диаграммы работы системы управления: ГРН - генератор развертывающих напряжений; UУ - напряжение управления; iL - ток в дросселе; zk1, zk2, zk3 - относительные длительности участков гладкости

Рис. 3. Схема замещения преобразователя на первом участке

Рассмотрим решение (4) системы (2) для каждого из участков непрерывности.

1. Участок слева от момента коммутации: .

Коммутационная функция на данном участке принимает значение . Эквивалентная схема замещения преобразователя на этом участке представлена на рис. 3.

Основная матрица системы и вектор возмущающих воздействий принимают вид

, .

Решение (4) исходной системы на данном участке

.

Значение вектора переменных состояния X в момент коммутации tk1 имеет вид:

.

Заменим переменную tk1 на переменную , имеющую физическую трактовку относительной длительности интервала и позволяющую исключить в дальнейшем постоянный пересчет моментов изменения топологии цепи:

.

2. Участок справа от момента коммутации: . Коммутационная функция на данном участке принимает значение. Схема замещения преобразователя представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема замещения преобразователя на втором участке

Основная матрица системы и вектор вынуждающих воздействий на этом участке имеют значения

, .

Начальными условиями являются значения вектора переменных состояния в момент коммутации ключа

.

Тогда решение на данном интервале запишется как:

Вектор решений X в точке tk2 имеет вид:

(5)

Если заменить переменную , то выражение (5) записывается:

3. Участок справа от момента коммутации: .

Коммутационная функция на данном участке принимает значение , ток дросселя iL = 0, uC > E.

Схема замещения преобразователя представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема замещения преобразователя на третьем участке

Основная матрица системы и вектор вынуждающих воздействий на этом участке имеют вид

, .

Начальными условиями для этого интервала постоянства являются значения вектора переменных состояния в момент времени tk2

Тогда решение на данном интервале запишется следующим образом:

(6)

С учетом того, что вектор В3 является нулевым, выражение (6) принимает вид:

Вектор X в момент времени tk3 имеет вид

. (7)

Поскольку , то выражение (7) можно записать как

4. Участок справа от момента коммутации: .

Коммутационная функция на данном участке принимает значение , ток дросселя iL = 0, uC < E. Топология преобразователя на этом участке представлена на рис. 4. На этом участке происходит отпирание диода, и ток дросселя начинает возрастать, что ведет к заряду конденсатора. Начальными условиями для этого участка являются значения вектора переменных состояния в момент времени tk3

Решение системы (3) на данном участке имеет вид

На следующем этапе найдем вектор X в момент времени ka

Проведем замену переменной и получим выражение

Для завершения формирования общего алгоритма расчета (4) необходимо аналитическое решение на каждом из интервалов дополнить процедурами точного поиска положения границ всех участков гладкости, длительность которых определяется переменными zk1, zk2, zk3 [3].

Поиск переменных zk1, zk2, zk3 возможен любым из известных численных методов решения нелинейных уравнений. Авторами использовался метод Ньютона, так как он обладает достаточно быстрой сходимостью и приемлемой степенью точности.

Используя изложенный математический аппарат, рассмотрим динамику системы на базе повышающего преобразователя.

Параметры модели:

В результате моделирования получен ряд диаграмм, отражающих динамику импульсного преобразователя напряжения.

На рис. 6 представлена карта динамических режимов работы преобразователя, на которой варьируемыми параметрами по осям являются задающее напряжение Uз и коэффициент усиления ошибки ?1. Каждому оттенку соответствует свой периодический режим (m-цикл), период которого определяется кратностью периода m.

Рис. 6. Карта динамических режимов повышающего преобразователя

Выбор диапазона напряжения задания от единицы связан с тем, что при более низком его значении на выходе преобразователя будет напряжение, равное напряжению источника питания за вычетом падений на активном сопротивлении дросселя и открытом диоде. Из рис. 6 видно, что в диапазоне напряжения задания от 1,25 В до 3 В и диапазоне изменения коэффициента усиления ошибки от 10 до 52 присутствует устойчивый одноцикловый режим. При росте напряжения задания и при увеличении коэффициента усиления ошибки в преобразователе появляются режимы с кратностями периода колебаний 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т.д., а также области хаотических колебаний.

По сравнению с наиболее исследованными системами на базе понижающего преобразователя [3-8] переход к хаотическим колебаниям в преобразователях повышающего типа происходит в основном не через плавное удвоение периода, а жестко.

Рис. 7. Диаграмма размаха колебаний выходного напряжения

На рис. 7 представлена диаграмма эволюции размаха колебаний выходного напряжения преобразователя Uc в пространстве параметров системы Uз и 1. Как видно на рис. 7, при параметрах, соответствующих области одноциклового режима, размах колебаний составляет менее 5 В. При переходе преобразователя из одноциклового режима в любой другой наблюдается быстрый рост Uc, и чем выше m, тем больше увеличивается Uc. Максимальный размах колебаний выходного напряжения в общем случае может достигать очень больших значений (порядка 150 В).

Результаты проведенной работы позволяют сделать следующие выводы:

1. Непосредственный преобразователь повышающего типа в некоторых областях параметров обладает достаточно сложной и опасной динамикой, что требует дополнительных мер для обеспечения безопасности функционирования.

2. Наличие режимов с прерывистым током дросселя и сильными колебаниями напряжения на конденсаторе приводит к появлению двух дополнительных поверхностей сшивания на тактовом интервале по сравнению с системами на базе преобразователя понижающего типа.

3. Предварительный анализ динамики повышающего преобразователя на базе метода установления показал необходимость дальнейшего развития методик поиска и анализа периодических режимов в системах на его основе.

Список литературы

Кобзев, А.В. Модуляционные источники питания РЭА / А.В. Кобзев, Г.Я. Михальченко, Н.М. Музыченко. - Томск: Радио и связь, 1990. - 336 с.

Статические компенсаторы реактивной мощности в электрических системах: пер. тематического сб. рабочей группы исслед. ком. N39 СИГРЭ / под ред. И.И. Карташева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -174с. - (Энергетика за рубежом).

Баушев В.С. О недетерминированных режимах функционирования стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием / В.С. Баушев, Ж.Т. Жусубалиев // Электричество.-1992. - № 8. - C. 47-53.

Жусубалиев Ж.Т. К исследованию хаотических режимов преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией / Ж.Т. Жусубалиев // Электричество.- 1997. - №6. - C. 40-46.

Zhusubaliyev Zh.T Border-collision bifurcations and chaotic oscillations in a piecewise-smooth dynamical system / Zh.T Zhusubaliyev, E.A. Soukhoterin, E. Mosekilde. // International Journal of Bifurcation and Chaos.-2001. - Vol. 11. № 12. -pp. 2977-3001.

Андриянов А.И. Сравнительная характеристика различных видов широтно-импульсной модуляции по топологии областей существования периодических режимов / А.И. Андриянов, Г.Я. Михальченко // Электричество. - 2004. - № 12. - С. 46-54.

Андриянов А.И. Бифуркационные и хаотические явления в замкнутых системах энергетической электроники импульсно-модуляционного типа: отчет по НИР №02.200.406012 / А.И. Андриянов, Г.Я. Михальченко. ? Брянск, 2004.

A.I. Andriyanov, G.Ya.Mikhalchenko A Comparative Characteristic of Different Kinds of Pulse-Width Respect to the Topology of Regions of Existence of Periodic Operating Conditions // Electrical Technology, 2004. № 4. P. 166_181.

Белов Г.А. Динамика импульсных преобразователей. - Чебоксары: Изд-во ЧГУ, 2001.

Белов Г.А. Расчет процессов в широтно-импульсном корректоре коэффициента мощности / Г.А. Белов, А.А. Алексеев, А.В. Нестеров // Электричество.-2004. - №9.

Богданов К.В. Моделирование повышающего импульсного стабилизатора напряжения / К.В.Богданов // Известия томского политехнического университета.-2005. - №2.

Овчинников Д.А. Моделирование повышающего преобразователя в среде Matlab-Simulink / Д.А. Овчинников, Ю.М. Кастров, А.В. Лукин, Г.М. Малышов, А.А. Герасимов // Практическая силовая электроника. - 2002. - №8. - С.17-22.

Овчинников Д.А. Корректоры коэффициента мощности на основе дискретной линейной модели повышающего однотактного преобразователя / Д.А. Овчинников // Практическая силовая электроника. - 2003. - №12. - С. 2-11.

Tse C.K. Flip Bifurcation and Chaos in Three-state Boost Switching Regulators / C.K. Tse // IEEE Transactions on Circuits and Systems I. - January. - 1994. - Vol. 41. - n. 1. - pp. 16-23.

Chan W.C.Y. Study of bifurcations in currentprogrammed dc/dc boost converters: from quasiperiodicity to period-doubling / W.C.Y Chan, C.K. Tse // IEEE Trans. CAS-I. -1997. - 44. - pp. 1120-42.

Iu H.H.C. Study of Low-Frequency Bifurcation of a Parallel-Connected Boost Converter System Via Averaged Models / H.H.C. Iu and C.K. Tse // IEEE Transactions on Circuits and Systems I. -May. -2003. - Vol. 50. - n. 5. - pp. 679-686.

Размещено на Allbest.ru