У цій роботі ми фундаментально представляємо використання PSIM® як інструменту моделювання енергетичних електронних систем; Зокрема, здійснюється реалізація та моделювання системи корекції коефіцієнта потужності (PFC) на основі перетворювача підсилення (Boost), яка використовує схему управління в поточному режимі та в режимі напруги.

psim

Змагання:

PSIM® розроблений для проектування та аналізу силових електронних систем, управління двигуном та моделювання динамічних систем. Імітаційні моделі, створені за допомогою PSIM®, забезпечують простий у використанні інтерфейс і швидке моделювання з дуже невеликою кількістю проблем конвергенції, вони можуть містити схеми з різними фізичними доменами, силову електроніку, аналогове та цифрове управління, магнітні схеми, джерела живлення, управління двигунами, системи перетворення енергії та системи управління. PSIM® охоплює моделювання на рівні схеми та моделювання на рівні системи.

Його користувальницький інтерфейс складається з трьох програм: схематичної (SIMCAD), самого симулятора (PSIM) та програми візуалізації сигналу (SIMVIEW).

PSIM® ділить схему для імітації на чотири блоки: блок живлення, блок управління, датчики та контролери комутації. Блок живлення складається з комутаційних пристроїв, відгалужень RLC, трансформаторів та індуктивних з'єднань. Блок управління містить компоненти в домені s і z, логічні компоненти (такі як логічні ворота та триггери) та нелінійні компоненти (такі як множники та дільники). Датчики використовуються для вимірювання електричних змінних та як інтерфейс для блоків управління. Сигнали приводу генеруються блоками управління і надсилаються в блоки живлення через комутаційні контролери.

Оціночну версію PSIM® можна завантажити за веб-адресою: http://www.powersimtech.com.

Корекція коефіцієнта потужності

Погана поведінка проти мережі електронних систем та споживання гармонік струму спричинює погіршення коефіцієнта потужності.

На основі однофазного мостового випрямляча з резистивним навантаженням та ємнісним фільтром ми виконаємо корекцію коефіцієнта потужності на цьому простому прикладі нелінійного навантаження. Випрямляч разом з ємнісним фільтром має типово нелінійну поведінку по відношенню до мережі, хоча це використовується не в останню чергу, оскільки він використовується в будь-якому застосуванні, де необхідне перетворення змінного та постійного струму, наприклад, при живленні Двигуни постійного струму. Та джерела живлення (лінійні та комутаційні).

Для поліпшення зазначеного коефіцієнта потужності приєднання навантаження до випрямляча здійснюється за допомогою підсилювального перетворювача постійного струму (Boost), як показано на малюнку 1.

Високий коефіцієнт потужності досягається, якщо MOSFET перемкнути таким чином, щоб вхідний струм був практично синусоїдальним і знаходився у фазі з напругою мережі. Регулятор в поточному режимі робить опорний сигнал інтенсивності індуктивністю випрямленим синусом, оскільки він отримується із добутку сигналу з формою синусоїди і постійного сигналу, що представляє похибку вихідної напруги, як це можна бачити на малюнку 2. Це також дозволяє пропорційному струму бути пропорційним похибці вихідної напруги.

Що стосується значень пасивних компонентів перетворювача, то вони залежать від потужності, яку вони обробляють, і пульсацій струму або напруги в них [2-3]. Значення індуктивності задається рівнянням 1 для найбільш несприятливих умов вхідного струму, тобто для найнижчої ефективної вхідної напруги:

У цьому рівнянні Vin - ефективна вхідна напруга, Vin - робочий цикл, ∆I - пульсація струму, ∫s - частота перемикання. У додатках із синусоїдальними вхідними напругами значення робочого циклу задається рівнянням 2.

Необхідне значення конденсатора можна розрахувати з рівняння 3.

У цьому рівнянні Po - вихідна потужність системи, ∆t - час витримування навантаження, Vo - вихідна напруга і Vo, min - мінімальна напруга, дозволена на виході, яка збігається з максимальною напругою, присутньою на вході перетворювача, оскільки ця топологія не допускає вихідної напруги нижче, ніж вхідна напруга.

Блок "Система управління" - це маскована система, яка реалізує контур управління, показаний на фіг.2.

Впровадження DC-DC перетворювача з PSIM®

Реалізація, виконана за допомогою PSIM® на фіг.3, в основному складається з етапів потужності та управління, показаних на фіг.2.

Два перемикача дозволяють нам змоделювати схему для двох найбільш несприятливих умов частоти та напруги однофазної мережі, так що в принципі ступінь живлення забезпечується синусоїдальним джерелом 240 Врмс та 65 Гц, а через 2 секунди до кінця моделювання (4 секунди) живлення буде 100Врм і 47Гц. Етап випрямлення складається з моста та фільтра.

Каскад управління MOSFET складається з автоматичної системи управління зворотним зв'язком і спроектований за допомогою двох мереж ПІД, одна для регулювання напруги, а інша для інтенсивності.

Вхід опорного синуса Vin береться від ізольованого лічильника, Vref - постійний сигнал 400 В, VR - напруга на резисторі навантаження, а IL - струм на індукторі.

H (s) - це блоки ПІД-передавальних функцій напруги, струму та блоку фільтра відповідно.

Впровадження системи управління

Щодо параметрів, з яких складаються компенсатори, значення пропорційного підсилення струмового контуру має відповідати рівнянню 4.

Де Vosc - максимальне значення стабілізуючої рампи. Завдяки цьому досягається, що максимальний нахил донизу інтенсивності індуктивності стає рівним нахилу стабілізуючої рампи, що є необхідною умовою стабільності системи.

З іншого боку, значення інтегрального коефіцієнта підсилення струмового контуру обчислюється таким чином, що воно викликає достатній запас фази. Для цього можна вважати, що передавальна функція системи, що підлягає компенсації, має вигляд, наведений у рівнянні 5.

З іншого боку, фільтр низьких частот компенсатора струму струму повинен вводити полюс на частоті трохи вищій від частоти комутації, щоб фільтрувати високочастотні сигнали.

Значення компенсатора петлі напруги повинні змусити пульсації напруги, що знаходяться у вихідному конденсаторі, дуже низькими в контурі управління, вибравши для цього невелике пропорційне значення коефіцієнта підсилення, інакше це спотворило б опорний сигнал інтенсивності в індуктивність.

У значення інтегрального коефіцієнта підсилення необхідно ввести нуль на низьких частотах (порядку Гц), таким чином досягаючи прийнятного запасу фаз.

Специфікації параметрів PFC та моделювання

Система корекції коефіцієнта потужності моделюється з такими характеристиками: вихідна потужність 300 Вт, мережева частота від 47 до 65 Гц, частота перемикання 50 кГц та пульсації струму від 20 до 30%.

Для цього потрібен перетворювач з індуктивністю 1mH та конденсатор 470 мкФ. Умови моделювання будуть найбільш несприятливими. Це:

1º - напруга мережі 100 Врм, частота 47 Гц, опір навантаженню 300 Вт, що спричиняє максимальну пульсацію напруги на виході та найбільше споживання струму.

2º - Напруга мережі 240 Врм, частота мережі 65 Гц, опір навантаженню 300 Вт, що спричиняє мінімальну пульсацію інтенсивності в котушці та гірший коефіцієнт потужності.

Буде проведено перехідний аналіз з кінцевим часом 4 секунди, що дозволяє спостерігати за еволюцією вихідної напруги з урахуванням змін, що виникають у вхідних умовах. Параметри моделювання показані на малюнку 4.

Результати моделювання

На наступних рисунках показані результати моделювання, отримані від системи PFC.

Висновки

Використання PSIM® для моделювання силових ланцюгів забезпечує правильні результати та дозволяє нам взаємодію між електронними схемами, блоками управління та датчиками дуже простим та інтуїтивно зрозумілим способом, тому цей тренажер дуже підходить як для початку проектування, так і для моделювання електронних схем для реалізації проектів на промисловому рівні.

Ви можете переглянути повний зміст цієї статті, завантаживши журнал у форматі PDF з бібліотеки газет.