CC BY
221
ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
П.А. Борисов, А.В. Драницын
Рассмотрены структура импульсного источника вторичного электропитания с коррекцией коэффициента мощности и особенности выбора элементной базы микроконтроллерной системы управления. Приведена модель импульсного источника в пакете МАТЬЛБ\81шиИпк и подтверждена ее адекватность путем сравнения результатов моделирования и экспериментальных данных.
Введение
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) широко применяются в электротехнических и электромеханических комплексах и системах различного типа и назначения. Применение импульсных способов управления полупроводниковыми преобразователями, на базе которых строятся ИВЭП, весьма эффективно с точки зрения уменьшения габаритов, веса и увеличения к.п.д. оборудования. Отмечается устойчивый рост спроса на импульсные источники вторичного электропитания, ужесточаются требования к их статическим, динамическим характеристикам и энергетическим показателям, что требует развития методов анализа и синтеза преобразователей, позволяющих в сжатые сроки получать устройства с высокими качественными показателями [1]. С точки зрения теории автоматического регулирования импульсный стабилизатор напряжения представляет собой нелинейную систему, что значительно затрудняет его анализ и синтез. Требуется совершенствование методов синтеза, учитывающих импульсный характер протекающих в преобразователе процессов, особенности функционирования как силовой части, так и схемы управления. Кроме того, в связи с быстрым развитием вычислительной техники все более актуальными становятся методы анализа и синтеза импульсных стабилизаторов напряжения, ориентированные на применение ЭВМ. Поэтому анализ и синтез рассмотренного в статье импульсного источника осуществлен в современном пакете МАТЬАБ.
В статье рассмотрены структура импульсного источника вторичного электропитания с коррекцией коэффициента мощности и особенности выбора элементной базы микроконтроллерной системы управления (МК СУ). Приведена модель импульсного источника в пакете МАТЬЛБ\81шиНпк, подтверждена ее адекватность путем сравнения результатов моделирования и экспериментальных данных.
Показатели качества энергопотребления энергетических подсистем ИВЭП
Современные электротехнические комплексы и системы на базе полупроводниковых преобразователей электрической энергии разделяются на две подсистемы: энергетическую и информационную. Основная структура, на базе которой строятся все известные схемы энергоподсистем постоянного и переменного токов, состоит из источника питания - полупроводникового преобразователя - нагрузки. Существенную роль при выборе структуры энергоподсистемы играет как тип источника питания, так и характер нагрузки.
Все источники электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным обычно относят такие источники, которые преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую. Непосредственное использование первичных источников электропитания затруднено тем, что их выходное напряжение не регулируется и обладает невысокой стабильностью, а для питания электротехнических установок в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение с заданным значением, для формирования которого и предназначены источники вторичного электропитания [1].
Определение энергетических характеристик электромагнитных процессов в электрических устройствах состоит из двух процедур - расчета полной мощности и всех ее характерных для данного устройства составляющих и нахождения определенных относительных значений соответствующих мощностей, выступающих в роли показателей (коэффициентов) качества энергопроцессов.
В общем случае полная мощность связана со своими составляющими известным выражением вида [2]
S = Urms-IRMS =V P2 + б2 + T 2 + H2, (1)
где U RMS , IRMS - действующие значения напряжения и тока источника питания, P -активная мощность, Q - реактивная мощность, T - мощность искажения, H - мощность несимметрии. В симметричном преобразователе в квазиустановившемся режиме работы полная мощность связана со своими составляющими соотношением [2]
S = VP2 + Q2 + T2 , (2)
Определив полную мощность энергоподсистемы s и ее составляющие P , Q и
T, можно найти основные показатели качества энергопотребления [2]:
V2 2
P + Q - коэффициент
V 2 2/2 2 2
P 2+Q2/VP2 + Q + T - коэффициент искажения,
V2 2
P + Q - коэффициент гармоник или интегральный показатель гармонического состава тока (Total Harmonic Distortion).
На сегодняшний день международные стандарты качества энергопотребления и электромагнитной совместимости технических средств, такие как IEEE 519 и МЭК 61000-3-4-98, предъявляют жесткие требования к значениям гармонических составляющих потребляемого электротехническим устройством тока вплоть до 49 гармоники, отечественный ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95) - до 40-й. При известном спектральном составе тока источника питания коэффициент гармоник определяется согласно выражению
K ГАРМОНИК
1
N
^ (1 kRMS ) / I1RMS , (3)
к=2
где 1\кмз - действующие значения первой (основной) гармоники тока источника питания, 1кшз - действующие значения к-ой гармоники тока источника питания.
Постоянное совершенствование элементной базы полупроводниковых преобразователей, на основе которых строятся ИВЭП, за счет создания и освоения промышленностью высокоэффективных силовых приборов и вычислительных устройств на базе программируемых микроконтроллеров позволяет в настоящее время существенно расширить функции ИВЭП и активно влиять на показатели качества потребляемой ими электроэнергии.
Структура энергоподсистемы и состав микроконтроллерной системы управления
импульсного ИВЭП
Рассматриваемый импульсный ИВЭП с бестрансформаторным входом предназначен для питания низковольтных установок бытового и промышленного использования (маломощные приборные комплексы и системы электропривода) с преобразованием переменного напряжения однофазной сети в постоянное напряжение регулируемого диапазона. Структурная схема данного импульсного ИВЭП приведена на рис. 1 и включает в себя блоки энергетической подсистемы и информационную подсистему. Энерго-
Энергоподсистема импульсного ИВЭП включает в себя: цепь источника питания, фильтр для электромагнитной совместимости (Г- или Т-образный), однофазный мостовой выпрямитель, импульсный понижающий напряжение преобразователь (ИПНП), транзисторный широтно-импульсный преобразователь (ШИП), высокочастотный трансформатор, высокочастотный мостовой выпрямитель, цепь нагрузки с Г-образным силовым фильтром.
Энергетическая подсистема
Сеть переменного тока Сетевой фильтр для э/м совместимости Выпрямитель ИПНП ШИП БЧ тр анс ф орпатор БЧ Б ылр ямнте ль СНЛОБОН фильтр Нагрузка
Информационная подсистем а
- Управление ШИП
- Управление ИПНП (система
регулирования н стабилизации _
напряжения нагрузки и коррекции сетевого тока)
- Реализация алгоритмов защиты
Рис. 1. Структурная схема импульсного ИВЭП.
Использование ИПНП, состоящего из: силового транзистора в продольной ветви, обратного диода, дросселя и конденсатора Г-образного силового фильтра, совместно с входным силовым фильтром для электромагнитной совместимости позволяют обеспечить улучшение (коррекцию) коэффициента мощности и других энергетических показателей в соответствии с требованиями стандартов и ГОСТ. Блок транзисторного ШИП формирует на выходе переменное прямоугольное напряжение высокой частоты и регулируемым коэффициентом заполнения. Высокочастотный выпрямитель выпрямляет переменное прямоугольное напряжение с выхода высокочастотного трансформатора, обеспечивающего гальваническое разделение цепей нагрузки от питающей силовой сети [1].
Информационная подсистема импульсного ИВЭП включает в себя систему управления полупроводниковыми преобразователями с информационно-измерительной частью. На систему управления, помимо основных задач регулирования и управления, возложены задачи защиты, диагностики и выдачи информации о состоянии энергетической подсистемы. В этом случае систему управления эффективно проектировать на цифровой базе. При построении цифровой системы управления импульсного ИВЭП требуется реализовать цифровые регуляторы, управление ИПНП и ШИП. Все эти задачи требуют достаточно высокого быстродействия вычислителя, а также наличия специальных периферийных устройств, позволяющих освободить вычислитель от часто повторяющихся однообразных действий - например, генерации временных последовательностей для управления ИПНП и ШИП. Кроме того, для организации работы с достаточно большим количеством датчиков необходим многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Для реализации вычислителя современная элементная база предлагает три варианта [3]:
1) использование универсального микропроцессора;
2) использование процессора для цифровой обработки сигналов (в англоязычной литературе они называются «DSP - Digital signal processor»);
3) использование однокристальной микро-ЭВМ, микроконтроллера (МК).
Универсальные микропроцессоры обладают большими вычислительными возможностями, однако встроенной периферии на кристалле не имеют. Особенности процессоров для цифровой обработки сигналов определяют круг решаемых ими задач, к которым относятся задачи вычисления цифровых фильтров, преобразований координат и т.д. Однако для задач управления ИПНП и ШИП процессор для цифровой обработки сигналов приспособлен слабо.
Основное отличие современных микроконтроллеров от универсальных микропроцессоров заключается в наличии, помимо микропроцессорного ядра, развитой встроенной периферии - многоканального АЦП, последовательных и параллельных портов, блоков таймеров общего назначения, сторожевого таймера, многоприоритетной системы прерываний с большим числом их источников, блоков захвата-сравнения, ши-ротно-импульсного модулятора (ШИМ). Генерация различных импульсных последовательностей, необходимых для управления мостовыми схемами, может быть выполнена с использованием специальных блоков захвата-сравнения и блока ШИМ, которые имеются практически в каждом современном 16-ти разрядном МК [3].
Поэтому наиболее оптимальным вариантом оказалось построение цифровой системы управления импульсного ИВЭП на базе МК. Сравнение показывает, что, сочетая в себе развитую встроенную периферию с быстродействием, сравнимым с быстродействием некоторых процессоров для цифровой обработки сигналов, микроконтроллеры семейства С166 (фирмы Siemens AG, Infineon Technologies) опережают по ряду показателей представителей других 16-разрядных семейств микроконтроллеров (MCS-96 фирмы Intel, 68HC16 фирмы Motorola). Поэтому микроконтроллерная система управления импульсного ИВЭП была разработана на основе специализированного 16-битного микроконтроллера SAK-C164CI-8EM семейства С166. Создан набор программ на языке Assembler, реализующих цифровые алгоритмы управления импульсного ИВЭП.
Моделирование ИВЭП в пакете MATLAB\Simulink и экспериментальные исследования
В связи с существенной нелинейностью устройств данного типа разработана модель импульсного ИВЭП с МК СУ (рис. 2) в интегрированном пакете МАТЬАБ с использованием приложения 81шиИпк и библиотеки SimPowerSystems. В модели использованы блок измерителя полной мощности и ее составляющих и вычислитель показателей качества энергопотребления, предложенные в [4].
Рис. 2. Модель импульсного ИВЭП в пакете МАТЬАВ^тиПпк
Созданная в пакете МАТЬАБ^шиНпк модель импульсного ИВЭП с МК СУ позволила определить структуру фильтра для электромагнитной совместимости и пара-
метры его элементов и ИПНП, а также параметры элементов информационной подсистемы, обеспечивающих улучшение (коррекцию) коэффициента мощности и других энергетических показателей импульсного ИВЭП.
По результатам экспериментальных исследований сделано заключение, что разработанная в пакете MATLAB\Simulink модель импульсного ИВЭП с МК СУ адекватна реальной системе и с достаточной для инженерных расчетов точностью отражает процессы в ней (рис. 3 и 4). Данные моделирования и эксперимента характеризуются хорошим совпадением с погрешностью в пределах 15-20 %. Тестирование созданного программного обеспечения подтвердило его работоспособность.
В экспериментальных исследованиях для измерения напряжений и токов использовались датчики производства фирмы LEM. Система регулирования напряжения нагрузки и коррекции сетевого тока импульсного ИВЭП - подчиненная с внешним контуром регулирования напряжения (ПИ-регулятор) и внутренним релейным регулятором тока.
Irs, А .
2,0 1,5 1,0 0,5 0
-0,5 -1,0 "1,5
200 150 100 50 0 -50 -100 -150
в
-2,0 -200
ии.
Л
-
1А/1В
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100, мс
% Jl -/fr А'
а) моделирование б) эксперимент
Рис. 3. Напряжение и ток в цепи источника импульсного ИВЭП в квазиустановившемся режиме (при питании от источника пониженного напряжения)
а) моделирование б) эксперимент
Рис. 4. Отработка системой регулирования и стабилизации напряжения нагрузки импульсного ИВЭП изменения задания на напряжение нагрузки с 25 до 35 (В)
Заключение
В статье рассмотрены структура импульсного ИВЭП с коррекцией коэффициента мощности и особенности выбора элементной базы МК СУ. Приведена модель импульсного ИВЭП с МК СУ в пакете МЛТЬЛВ\81ши1тк и подтверждена ее адекватность путем сравнения результатов моделирования и экспериментальных данных.
Литература
1. Прянишников В.А. Электроника: курс лекций. - СПб.: КОРОНА-принт, 1998. -400 с., ил.
2. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. - М.: Энергия, 1978. - 320 с., ил.
3. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. -ЭКОМ, 1997. - 537 с., ил.
4. Борисов П.А., Томасов В.С. Определение составляющих полной мощности энергоподсистем электротехнических комплексов // Exponenta Pro. Математика в приложениях. 2004. № 1. С. 40 -44.
