Силовая электроника №1'2010

Школа MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде MATLAB-Simulink. Урок 11. Виртуальные лаборатории импульсных источников питания

Сергей Герман-Галкин

Данная статья открывает новый цикл в разделе «ШКОЛА МATLAB» — «Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде MATLAB Simulink». Содержание лабораторных работ и методика их проведения аналогичны тем, которые используются в реальных учебных лабораториях. Результаты моделирования реализуются программными и инструментальными средствами MATLAB. Для моделирования используются блоки библиотек Simulink и SimPowerSystems.

Все статьи цикла:

Введение

В технических устройствах встречается множество первичных источников электроэнергии, которые вырабатывают ее в виде постоянного напряжения. К ним относятся солнечные батареи, работающие на основе фотоэффекта, термоэлектрогенераторы и магнитогидродинамические (МГД) генераторы, топливные элементы, использующие энергию химических реакций, аккумуляторы как источники запасенной электроэнергии, электромашинные генераторы постоянного напряжения и т. д. Для приведения постоянных напряжений этих источников к требуемому уровню, его стабилизации или (и) регулирования требуются преобразователи постоянного напряжения в постоянное. Мощность таких преобразователей может достигать десятков и даже сотен киловатт. При таких мощностях целесообразно применение однокаскадных преобразователей.

В первом разделе цикла «Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде MATLAB Simulink» рассмотрен ряд базовых схем преобразователей, осуществляющих прямое (однокаскадное) преобразование постоянного напряжения в постоянное без использования какого-либо промежуточного преобразования, например постоянного напряжения в переменное с последующим преобразованием переменного напряжения в постоянное. Изучение и исследование этих преобразователей осуществляется с использованием виртуальных лабораторных установок. Они позволяют получать основные характеристики рассматриваемых преобразователей двумя способами:

  1. «обычным» способом, изменяя выбранный параметр и регистрируя значения исследуемых величин при каждой симуляции с последующим построением требуемых характеристик;
  2. программным способом, в котором снятие и построение основных характеристик осуществляется автоматически.

Виртуальная лабораторная работа №1. «Исследование импульсного понижающего регулятора постоянного напряжения»

Теоретические положения к выполнению работы

Теоретические положения к виртуальной лабораторной работе по исследованию импульсного понижающего регулятора постоянного напряжения базируются на литературных источниках [1, 4-6]. Схема импульсного понижающего регулятора постоянного напряжения показана на рис. 1а. Расчетные схемы замещения регулятора на коммутационных интервалах представлены на рис. 1б, в. В течение периода несущей частоты (Т) последовательно образуются два коммутационных интервала.

На первом интервале при включенном транзисторе VT (рис. 1б) источник постоянного напряжения Ud подключен к нагрузке через накопительный дроссель L. При этом энергия, отбираемая от источника, запасается в дросселе L, в конденсаторе С и расходуется в сопротивлении нагрузки R.

При выключенном транзисторе VT на втором интервале (рис. 1в) ток дросселя L через диод VD и ток конденсатора С протекают на выход преобразователя в нагрузку R.

Идеализированные электромагнитные процессы в квазиустановившемся режиме показаны на рис. 2.

При расчете характеристик преобразователя необходим учет активного сопротивления обмотки дросселя L, активных сопротивлений диода и транзистора в прямом направлении. Так как дроссель L включается в контур с проводящим транзистором VT или диодом VD, то, пренебрегая разницей их прямых сопротивлений, можно добавить их прямые сопротивления к сопротивлению дросселя L. Это суммарное сопротивление в расчетной схеме замещения преобразователя (рис. 1а) обозначено через г. Среднее напряжение на выходе преобразователя (в нагрузке) вычисляется из условия нулевого среднего напряжения на дросселе на периоде несущей частоты [1].

где относительные величины (p. u — рег units) определяются из выражений:

По уравнениям (1, 2) рассчитываются регулировочные (U(p.u) = f(ϒ), Β = const) характеристики импульсного понижающего регулятора постоянного напряжения. Эти характеристики представлены на рис. 3.

Зависимость тока питания от тока нагрузки можно получить из условия баланса мощности.

Нагрузочные (внешние) (U(p.u) = f(I(p.u)), ϒ = const) характеристики понижающего реггу-лятора постоянного напряжения рассчитываются по уравнению

В уравнениях (3, 4) I(p.u) = Ir/Ud, Id(p.u) = Idr/Ud.

Энергетические характеристики, к которым отнесем мощность в цепи питания, мощность в нагрузке и КПД регулятора, рассчитываются по выражениям:

Графики нагрузочных и энергетических характеристик приведены на рис. 4.

Основные характеристики импульсного понижающего регулятора показывают, что при рассмотренном управлении он представляет собой источник напряжения с линейной регулировочной характеристикой и достаточно «жесткой» нагрузочной характеристикой, такой преобразователь можно использовать как регулятор или стабилизатор напряжения.

Зависимости КПД преобразователя от тока нагрузки для различных у показаны на рис. 4б. Эти зависимости, рассчитанные как отношение мощности в нагрузке к мощности источника, показывают, что для получения хороших энергетических свойств диапазон относительного тока нагрузки не должен превышать значения 0,01-0,04.

Рассмотренный способ управления импульсным регулятором реализуется путем сравнения пилообразного (несущего) сигнала и входного постоянного сигнала [4, 5]. Этот способ управления здесь и в дальнейшем называется независимым от переменных состояния схемы.

Виртуальная лабораторная установка и ее характеристики

Виртуальная лабораторная установка для исследований импульсного понижающего регулятора постоянного напряжения показана на рис. 5.

Разработка модели регулятора с независимым управлением осуществлялась при использовании структурно-функциональных (пакет Simulink) и виртуальных (пакет расширения Sim Power System) моделей. Представление результатов моделирования реализуется программными и инструментальными средствами среды MATLAB Simulink [2].

Модель импульсного понижающего регулятора содержит силовую, управляющую и измерительную части. Каждый блок модели имеет окно настройки основных параметров. Библиотеки и пиктограммы блоков, их назначение в модели, а также параметры блоков, составляющих модель, ниже помещены в таблицу 1. Время моделирования (Stop time) — 0,7 c, шаг дискретизации при моделировании (Max Step Size) — 10-5.

Мгновенные значения тока и напряжения на транзисторе и диоде, напряжения и тога нагрузки можно наблюдать на экране осциллоскопа (рис. 5).

Эти же значения в относительных единицах, а также мгновенные относительные мощности потерь в транзисторе и диоде строятся после проведения моделирования при выполнении программы, представленной в листинге 1.

 

На рис. 6 показаны электромагнитные процессы в относительных величинах для Е = 0 В и ϒ = 0,8* (*Во всехрасчетах базовые значения переменных равны: Ub = Ud = 150 B; Ib = Ub/r = 375 А. Относительные значения переменных вычисляются путем деления абсолютных значений этих переменных на базовые значения.).

Снятие и построение внешней, электромагнитной и энергетических характеристик можно реализовать программным способом. Для этого следует перевести переключатель (Manual switch) в нижнее положение и после симуляции выполнить программу, представленную в листинге 2.

Все эти характеристики в относительных величинах показаны на рис. 7.

Спектральные характеристики тока в цепи питания и напряжения на выходе импульсного регулятора строятся по проведению симуляции с использованием блока Powergui и соответствующей настройки осциллографа.

Для того чтобы блок Scope «видел» исследуемый сигнал, необходимо в выпадающем меню, которое открывается щелчком правой кнопкой мыши на линии сигнала, выбрать команду Signal Properties и в открывшемся окне в поле Signal Name обозначить сигнал (в данном примере это signal1, signal2, signal3).

После проведения симуляции вкладка FFT Analysis блока Powergui открывает окно графического редактора для получения спектральной характеристики. В правой части окна находятся поля, с помощью которых можно просмотреть исследуемый сигнал и осуществить его спектральный анализ. В верхнем поле выбирается переменная, имя которой с помощью блока Scope занесено в рабочее пространство. В поле Input из открывающегося списка выбирается конкретный анализируемый сигнал. Следующие три поля позволяют задать участок анализированного сигнала, который должен соответствовать квазиустановившемуся режиму работы схемы, и просмотреть этот участок в верхнем левом поле окна.

В поле Fundamental frequence (Гц) задается основная частота исследуемого сигнала. В поле Max frequence (Гц) задается максимальная частота спектра. Выбор этой частоты определяется задачами анализа. Поле Frequence axis позволяет по оси абсцисс откладывать частоту или номер гармоники. В раскрывающемся списке поля Display style можно выбрать способ представления спектра (графически или в табличном, цифровом виде) в левом нижнем поле окна. Спектральные характеристики тока в цепи питания и напряжения на выходе импульсного регулятора показаны на рис. 8.

Основные характеристики импульсного понижающего регулятора постоянного напряжения можно получить и «обычным» способом. Для этого ручной переключатель (Manual Switch) устанавливается в верхнее положение.

При снятии регулировочной характеристики параметры нагрузки остаются без изменений, значение противоЭДС в блоке (Constant 1) устанавливается равным нулю. Изменяется напряжение управления (блок Constant) от 0 до 0,9 В каждые 0,1 В. При этом моделирование проводится для каждого значения напряжения управления. Результаты моделирования заносятся в таблицу, по данным которой строится регулировочная характеристика U = f(uу).

При снятии нагрузочной (внешней), электромагнитных и энергетических характеристик параметры нагрузки R, С остаются без изменений, изменяется противоЭДС от Ud до 0 В каждые Ud/10 В. При этом напряжение управления остается максимальным (0,9 В) и постоянным.

Моделирование проводится для каждого значения противоЭДС. Результаты моделирования заносятся в таблицу, по данным которой строятся перечисленные характеристики. B блоке Display (рис. 5) измеряемые величины представлены в следующей последовательности: 1 — средний ток питания; 2 — среднее напряжение на нагрузке; 3 — средний ток в нагрузке.

Характеристики преобразователя с рассмотренным независимым способом управления, в котором период Т задается тактовым генератором в схеме управления, а относительная длительность включенного состояния транзистора ϒ зависит от входного сигнала, определяют пределы регулирования преобразователя. Однако значения Т и ϒ можно задавать и иными способами.

Возможные алгоритмы управления, реализуемые в системе с рассматриваемым преобразователем, представлены в таблице 2 где n = 0, 1, 2..., U — заданное выходное напряжение, ΔU* — заданная пульсация выходного напряжения, τ = rC — постоянная времени нагрузки.

Как видно из таблицы 2, при алгоритмах управления T_U* и U*_U* ϒ зависит от переменных состояния. Модели схем управления с алгоритмами T_U* и U*_U* приведены на рис. 9. В первом случае транзистор VT в модели (рис. 5) включается от тактового импульса генератора (Pulse Generator, рис. 9), а выключается в момент, когда напряжение на нагрузке U достигнет заданного значения U*.

Во втором случае в схеме реализуется скользящий режим относительно заданного напряжения на нагрузке. Электромагнитные и энергетические характеристики преобразователя, полученные на модели, приведены на рис. 10.

При рассмотренном способе управления преобразователь представляет собой стабилизатор напряжения с достаточно хорошими электромагнитными и энергетическими свойствами, что позволяет считать такой способ управления наиболее рациональным при построении стабилизированного источника питания постоянного тока.

Основные характеристики импульсного понижающего регулятора постоянного напряжения с рассмотренными алгоритмами управления можно получить и «обычным» способом — так, как это описано выше.

Литература

  1. Бирзниекс Л. В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М.: Энергия. 1974.
  2. Герман-Галкин С. Г. Школа MATLAB. Урок 6. Программные и инструментальные средства представления результатов моделирования // Силовая электроника. 2007. № 4.
  3. Герман-Галкин С. Г. MATLAB & SIMULINK. Проектирование мехатронных системна ПК. Учебное пособие для вузов. СПб: Корона-Век. 2008.
  4. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники, Ч. 2. Новосибирск. 2000.
  5. Розанов Ю. К. Силовая электроника. М.: Издательский дом МЭИ. 2007.
  6. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс. 2005.
  7. Худяков В. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 1. Основные инструменты Simulink // Силовая электроника. 2005. № 1.
  8. Худяков В. Школа MATLAB. Урок 2. Библиотека SimPower System // Силовая электроника. 2005. № 2.
  9. Худяков В. Школа MATLAB. Урок 3. Построение SPS-моделей с полупроводниковыми элементами // Силовая электроника. 2005. № 3.
  10. Худяков В. Школа MATLAB. Урок 4. Анализ динамических свойств устройств силовой электроники во временной области // Силовая электроника. 2005. № 4.
  11. Худяков В. Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 5. Анализ устройств силовой электроники в частотной области // Силовая электроника. 2006. № 1.
  12. Черных И. В. Simulink: среда создания инженерных приложений. М.: ДИАЛОГ-МИФИ. 2004.
  13. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB Sim Power System Simulink. СПб: ПИТЕР. 2008.

Продолжение: Школа MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде МATLAB-Simulink. Урок 12. Исследование импульсного повышающего регулятора постоянного напряжения

*  *  *

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо