Моделирование зарядных устройств для фотоэлектрических станций

,

,

.

Из полученного результата анализа схемы, представленной на рис. 4.5, видно, что действительно на одном из вентилей анодной группы (VD2) напряжение положительно. В то же время напряжение на вентиле катодной группы (VD3) отрицательно, как показано в эквивалентной схеме с вентилями на рис. 4.6. Таким образом, нет проводящей пары вентилей, и условия для протекания прямого тока через вентильный мост отсутствуют.

Применив второй закон Кирхгофа к контуру, изображенному на рис. 4.6, вычисляем общее напряжение последовательно соединенных вентилей VD2, VD3

,

где , взятые из (4.7) при .

Аналогичный результат можно получить путем алгебраического сложения напряжений рассматриваемых вентилей, используя их значения из (4.11). Отсюда следует вывод, что при совместном рассмотрении пары вентилей VD2, VD3 на интервале особого режима общее напряжение на них отрицательно, и условия для протекания тока в контуре отсутствуют. Когда конденсатор частично разрядится до уровня, при котором условие (4.10) уже не будет соблюдаться, общее напряжение указанной пары вентилей станет положительным, и вентильный мост перейдет в проводящее состояние.

Однако в дискретной модели вентильной цепи, в которой вентили моста рассматриваются в отдельности, на интервале особого режима имеет место срыв коммутации. Контроль состояния разомкнутого вентиля проводится по напряжению. Единственный вентиль (VD2), на котором в результате расчета, выполненного в рамках кусочно-линейного подхода, получается положительное напряжение, включается. С этого момента контроль состояния включенного вентиля проводится по току. На следующем шаге численного расчета вентильной цепи выясняется, что ток контролируемого вентиля равен нулю, и вентиль выключается. Срыв коммутации заключается в многочисленных колебаниях состояния единственного («висящего») вентиля. Вычислительный процесс развивается мелкими шагами и сопровождается ложными переключениями вентиля в течение интервала, на котором выполняется условие (4.10).

Таким образом, особый режим возникает в эквивалентной линеаризованной схеме трехфазного мостового выпрямителя, который, благодаря использованию активного фильтра, приобретает свойства преобразователя напряжения повышающего типа. В таком преобразователе в течение определенных интервалов напряжение нагрузки превышает амплитуду линейной ЭДС, и режим характеризуется полным запиранием вентильного моста.

Для гарантированного получения верных результатов анализа электрической цепи с вентилями произвольной структуры необходимо использовать непрерывную нелинейную аппроксимацию характеристик вентилей или дополнять концепцию кусочно-линейного подхода.

В библиотеке полупроводниковых компонентов электронных схем программного комплекса VULTISIM10 диоды представлены моделью «виртуальный диод», с многоугольной кусочно-линейной аппроксимацией характеристики и многочисленными моделями с видом характеристики реального вентиля, непрерывной нелинейной моделью [19]. Поскольку в данной работе потребовалось сформировать кусочно-линейную модель трехфазного мостового выпрямителя, диоды заменены электронными ключами, управляемыми напряжением [22]. Схема с управляемыми ключами вместо диодов изображена на рис. 4.7. Управляемый ключ состоит из датчика напряжения и собственно ключа. Датчик предназначен для контроля напряжения на участке цепи с вентилем. В момент, когда контролируемое напряжение превысит заданный порог срабатывания, ключ замыкается. Когда контролируемое напряжение опускается ниже порога выключения, ключ размыкается. Таким образом реализована кусочно-линейная модель диода в EWB. Порог напряжения, при котором ключ замыкается, задан величиной 1 В. В процессе работы виртуальной модели путем изменения сопротивления потенциометра имеется возможность моделирования схемы в следующих режимах работы: 1) когда вентили проводят ток парами (временные диаграммы изображены на рис. 4.8); 2) когда вентильный мост полностью заперт, то есть на всех вентилях напряжение отрицательно. При переходе схемы в третий, особый режим, кусочно-линейная модель не работает и программа EWB выдает сообщение об ошибке. Полученный результат косвенно подтверждает, что проблема кусочно-линейного подхода существует.

Чтобы разобраться в причинах данной проблемы, заменим управляемые ключи резисторами с одинаково большим сопротивлением, как показано на рис. 4.9. Цель такой замены - получить диаграммы распределения напряжений на запертых вентилях и определить, какая пара вентилей должна включиться при выходе из особого режима. Диаграммы приведены на рис. 4.10. Каждая диаграмма отображает состояние трёх вентилей, образующих между собой пары проводимости тока. Результат получается несколько неожиданный. На диаграммах видны интервалы, когда положительное напряжение существует только на одном из вентилей моста, в то время как на всех других вентилях напряжение отрицательно.

В этом и заключается проблема кусочно-линейного подхода. Возникает противоречие: вентиль, на котором появилось положительное напряжение, должен быть включен, но ни один из других вентилей не может составить ему пару, и пути для протекания тока нет. При нулевом токе вентиль должен быть выключен. Это означает, что в данной модели вентиль, не успев включиться, вновь должен выключиться.

Отсюда следует вывод: особый режим, возникающий в виртуальной модели трёхфазного мостового выпрямителя, порождается именно кусочно-линейным подходом и приводит к неправильному результату. Для получения достоверного результата необходимо использовать другой подход.

Другим подходом в данной работе применена модель «виртуальный диод» c многоугольной аппроксимацией характеристики (рис. 4.11), содержащийся в библиотеке MULTISIM10. Результаты представлены на рис. 4.12.

При моделировании режима запертого вентильного моста, когда аккумулятор заряжен, на диаграммах напряжений не видны участки с положительным напряжением. Однако при детальном рассмотрении процесса удаётся обнаружить незначительные положительные напряжения на непроводящем вентиле. Хотя это и противоречит физическим представлениям о работе схемы, модель даёт качественно верный результат в последовательности переключения вентилей.

Вывод: модель вентиля с многоугольной аппроксимацией характеристики можно считать условно адекватной процессам в реальной схеме.И только третий вариант модели с применением в ней характеристики реального вентиля позволил получить полностью достоверный результат [22, 23].

Вывод. В автоматизированном моделировании наиболее оптимальной следует считать модель, характеристика которой максимально приближена к реальному вентилю. Другие модели могут привести к результатам, противоречащим физическим представлениям о работе реального исследуемого объекта.

Рис. 4.7 Кусочно-линейная виртуальная модель трёхфазного мостового выпрямителя

Напряжение на выходе вентильного моста и на нагрузке

Рис. 4.8 Временные диаграммы в кусочно-линейной модели трёхфазного мостового выпрямителя в номинальном режиме

Рис. 4.9 Линеаризованная виртуальная модель трёхфазного мостового выпрямителя в особом режиме

Рис. 4.10 Распределение напряжений на вентилях запертого моста в линеаризованной виртуальной модели трёхфазного мостового выпрямителя в особом режиме

Рис. 4.11 Модель вентиля с многоугольной характеристикой («виртуальный диод»)

Рис. 4.12 Результаты моделирования с моделью «виртуальный диод»

4.2 Моделирование импульсного преобразователя постоянного напряжения

Рассмотрим схему инвертирующего преобразователя, изображенную на рис. 4.13, в. Данный тип преобразователя отличается от других тем, что он может работать как в режиме повышения, так и понижения напряжения. Введём параметры элементов, используемые в реальной схеме физического макета, в программу MULTISIM10, соединим их, как на рис. 4.13, в, и получим на рабочем поле программы образ виртуальной модели инвертирующего преобразователя [19]. Как показано на рис. 4.13, схема состоит из последовательно включённого регулирующего транзистора Q1, накопительного дросселя L1, высокочастотного диода D1, конденсатора фильтра С1 и нагрузки R1. Рассмотрим принцип работы схемы. Регулирующий транзистор Q1 работает в ключевом режиме. Во временном интервале, когда от системы управления на базу транзистора приходит импульс, Q1 находится в состоянии насыщения, через него течёт ток, и практически всё напряжение источника питания прикладывается к дросселю L1. Чем больше длительность управляющего импульса, тем больше магнитной энергии накапливается в дросселе. В интервале, когда управляющий импульс не подаётся, транзистор находится в состоянии отсечки, ток через него не течёт. В это время в дросселе возникает ЭДС (электродвижущая сила) самоиндукции с полярностью, противоположной напряжению источника, в результате открывается диод D1 и накопленная в дросселе энергия передаётся в нагрузку R1.

Конденсатор фильтра С1 подзаряжается энергией, накопленной в дросселе. Он предназначен для сглаживания пульсаций напряжения в нагрузке.

Особенностью данной схемы является возможность обеспечения напряжения нагрузки как ниже уровня источника питания, так и превышающего его. Поэтому данная схема относится к понижающе-повышающему типу преобразователей. Кроме того, благодаря накопительному дросселю, полярность напряжения в нагрузке противоположна полярности источника питания. В иностранной литературе инвертирующие импульсные стабилизаторы называют “buck-boost converter”.

Величина напряжения и тока в характерных точках схемы определяется с помощью виртуальных измерительных приборов, а форма сигналов наблюдается на экранах виртуальных осциллографов.

Роль системы управления исполняет её имитатор, состоящий из набора генераторов импульсов, настроенных на частоту широтно-импульсной модуляции 10 кГц. Начальная фаза импульсов каждого генератора сдвинута на 10 мкс (десятую часть периода) относительно предыдущего.

Временные диаграммы виртуальной модели инвертирующего ИППН при разных коэффициентах заполнения импульсов приведены на рис. 4.14-4.16. Рассмотрим схему понижающего преобразователя, изображенную на рис. 3.6. Данный тип преобразователя отличается от других тем, что он может работать только в режиме понижения напряжения. За рубежом понижающие стабилизаторы называют “chopper”.

Введём параметры элементов, используемые в реальной схеме физического макета, в программу MULTISIM10, соединим их, как на рис. 3.6, и получим на рабочем поле программы образ виртуальной модели инвертирующего преобразователя [19], как показано на рис. 4.17.

Временные диаграммы виртуальной модели понижающего ИППН приведены на рис. 4.18.

Рис. 4.13. Схема виртуальной модели инвертирующего преобразователя

Рис. 4.14 Временные диаграммы сигнала управления и выходного напряжения инвертирующего преобразователя при коэффициенте заполнения импульсов D = 0,1

Рис. 4.15 Временные диаграммы сигнала управления и выходного напряжения инвертирующего преобразователя при коэффициенте заполнения импульсов D = 0,5

Рис. 4.16 Временные диаграммы сигнала управления и выходного напряжения инвертирующего преобразователя при коэффициенте заполнения импульсов D = 0,8

Рис. 4.17. Схема виртуальной модели понижающего преобразователя

Рис. 4.18 Временные диаграммы сигнала управления и выходного напряжения понижающего преобразователя при коэффициенте заполнения импульсов D = 0,5

Особый интерес представляет результат, полученный при моделировании повышающего преобразователя (рис. 3.6). На диаграммах, показанных на рис. 4.19, видно, что при превышении величины коэффициента заполнения D=г=0,7 имеет место изменение режима преобразования. Выходное напряжение его резко падает, и он становится понижающим. Данный опыт был поставлен на модели с учётом активного сопротивления обмотки дросселя r_L. В результате моделирования выявлено, что при оптимальном отношении R_Н / r_L > 3ч5 с увеличением коэффициента D=г преобразователь остается повышающим во всем диапазоне его изменения.

Рис. 4.19 Временные диаграммы сигнала управления и выходного напряжения повышающего преобразователя при разных значениях коэффициента заполнения импульсов

Заключение

Итогом данной диссертации являются результаты моделирования зарядных устройств фотоэлектрических станций. В работе рассмотрены и исследованы режимы и электромагнитные процессы в сетевом зарядном устройстве и импульсных преобразователях постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

При моделировании сетевого зарядного устройства выявлены ограничения в применимости модели «идеального вентиля» в виртуальном моделировании вентильных преобразовательных устройств. Определено, какая модель вентиля из испытанных в работе моделей является неадекватной, условно-адекватной, а какая - полностью адекватной и оптимальной. Таким образом, выявлены принципиальные ограничения кусочно-линейного подхода к анализу нелинейных устройств и систем.

При моделировании импульсных преобразователей постоянного напряжения выяснены причины изменения режима преобразователя повышающего типа при высоком значении коэффициента заполнения широтно-модулированных импульсов. Определено оптимальное соотношение между параметрами нагрузки и активного сопротивлении обмотки для увеличения диапазона изменения коэффициента заполнения.

Таким образом, все задачи, поставленные в данной работе, выполнены. Цели диссертации достигнуты.

Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе, а также при проектировании и моделировании зарядных устройств.

Список использованной литературы

1. Доклад Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании Кабинета Министров, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2012 году и важнейшим приоритетным направлениям экономической программы на 2013 год 18.01.2013

2. Лукутин Б.В. Возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие / Б.В. Лукутин. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 187 с.

3. Удалов С.Н. Возобновляемые источники энергии: Учебник/ Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. - 432 с.

4. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии: Справочник-каталог. Виссарионов В.И., Белкина С.В., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. - М.: АО «Новые и возобновляемые источники энергии», 2004. - 448 с.

5. Пост С.С. Математическая модель солнечной батареи / conf.sfu-kras.ru_sites_mn2012_thesis_s012_s012-009.

6. Бекиров Э.А. и др. математическая модель солнечной батареи // Строительство и техногенная безопасность, выпуск 32, 2010, с. 168-179., с. 168-179.

7. Лаврус В.С. Батарейки и аккумуляторы. - К.: Наука и техника, 1995. 48с.

8. Инструкция по эксплуатации (№ 30000-Р) стационарных свинцово-кислотных герметичных необслуживаемых в течение всего срока службы аккумуляторов Sonnenschein.

9. Слюсар В. Схемотехника цифрового диаграммообразования. Модульные решения. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, № 1, с. 46-52.

10. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ - Петербург, 2004. - 528 с.

11. 10-Bit, 1 Giga Samples per Second (GSPS) Analog-to-Digital Converter (ADC) System TC1200. Preliminary Technical Information.

12. TC1410. 14-Bit, 240 MSPS Analog-to-Digital Converter. Preliminary Technical Information.

13. TC2401. 14-Bit, 1GSPS Digital-to-Analog Converter. Preliminary Technical Information. - TelASIC Communications.

14. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник - М.: Радио и связь, 1988.

15. www.electronicsworkbench.com

16. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника. - Киев: Вища школа, 1978. - 424 с.

17. мочалов а.и., сапаев х.б. о существенных ограничениях кусочно-линейного подхода в анализе особого режима трехфазного мостового выпрямителя. Тезисы доклада. - Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития энергетики», в 2 томах. - Ташкент, ТашГТУ им. Беруни, 2011. Т1 - 246 с., с. 45-48.

18. А.И. Мочалов, А.Б. Атабаев. Сравнительное моделирование вентильного зарядного устройства при различных аппроксимациях характеристик вентилей. - Республиканский межвузовский сборник «Актуальные вопросы в области технических и социально-экономических наук».-Ташкент: ТашХТИ, 2012, с. 309-311.

19. А.И. Мочалов, А.Б. Атабаев. Анализ особого режима зарядного устройства при многоугольной аппроксимации характеристики вентиля. - Республиканский межвузовский сборник «Актуальные вопросы в области технических и социально-экономических наук».-Ташкент: ТашХТИ, 2012, с. 311-313.

Размещено на Allbest.ru