CC BY
7
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19, № 2. С. 90-97. ISSN 1999-5458 (print) Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023. Vol. 19. No. 2. P. 90-97. ISSN 1999-5458 (print)
Научная статья УДК 621.3
doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-2-90-97
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫМ ИНВЕРТОРОМ
Фанис Фанилович Сираев Fanis Е Siraev
студент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva
кандидат технических наук, доцент,
доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Актуальность
В связи с необходимостью регулирования выходных параметров в резонансных инверторах широко применяются различные способы управления, одним из которых является широтно-импульсная модуляция. Данный способ свое распространение получил из-за возможности точного контроля путем изменения ширины импульсов для эффективного управления процессом преобразования энергии.
Для исследования процесса управления выходными параметрами и улучшения параметров электрической энергии переменного тока производится моделирование в системе Matlab/Simulink с использованием библиотеки Power System, которое позволяет уточнить режимы работы и исследуемые параметры.
Цель исследования
В данной работе выполнено исследование способа управления резонансным инвертором с многофункциональным интегрированным электромагнитным компонентом (МИЭК), позволяющего улучшить выходные параметры и эффективность преобразования электрической энергии.
Основной задачей является получение результатов компьютерного моделирования и их исследование.
Ключевые слова
резонансный инвертор,
многофункциональный
интегрированный
электромагнитный
компонент (МИЭК),
широтно-импульсная
модуляция (ШИМ)
© Сираев Ф. Ф., Хазиева Р. Т., 2023
9G -
Методы исследования
Основными в данной работе являются анализ научных публикаций и создание компьютерной модели при помощи программного комплекса Matlab.
Результаты
Авторами разработана компьютерная модель в Matlab и реализована ШИМ-модуляция для регулирования выходных параметров резонансного инвертора на основе МИЭК, произведена оценка эффективности применения данного способа управления преобразователем.
Для цитирования: Сираев Ф. Ф., Хазиева Р. Т. Использование широтно-импульсной модуляции для управления резонансным инвертором // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. № 2. Т. 19. С. 90-97. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-2-90-97.
Original article
USING PULSE WIDTH MODULATION TO CONTROL THE RESONANT INVERTER
Relevance
In connection with the need to regulate the output parameters in resonant inverters, various control methods are widely used, one of which is pulse-width modulation. This method is widespread because of the possibility of precise control by changing the pulse width for effective control of energy conversion.
In order to study the process of controlling the output parameters and improving the parameters of electrical energy alternating current simulation is done in a system Matlab/Simulink, using the library Power System, which allows you to clarify the modes of operation and study parameters.
Aim of research
In this paper the research of the control method of the resonant inverter with a multifunctional integrated electromagnetic component (MIEC), which allows to improve the output parameters and the efficiency of the transformation of electrical energy is carried out.
The main task is to obtain the results of computer simulation and study them.
Research methods
The basis of research in this work is the analysis of scientific publications and the creation of a computer model using the software package Matlab.
Results
The authors have developed a computer model in Matlab and implemented PWM modulation to control the output parameters of the resonant inverter on the basis of MIEC and evaluated the effectiveness of this method of inverter control.
For citation: Siraev F. F., Khazieva R. T. Ispol'zovaniye shirotno-impul'snoy modulyatsii dlya upravleniya rezonansnym invertorom [Using Pulse Width Modulation to Control the Resonant Inverter]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy— Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2023, No. 2, Vol. 19, pp. 90-97. [in Russian]. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-2-90-97.
- 91
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 19, 2023
Keywords
resonant inverter, multifunctional integrated electromagnetic component (MIEC), pulse-width modulation (PWM)
Резонансный инвертор может быть предложен для использования в качестве источника питания для потребителей переменного тока. Одним из примеров является применение таких типов преобразователей в солнечной электростанции. Особенностью рассматриваемого инвертора является наличие многофункционального интегрированного электромагнитного компонента (МИЭК), который осуществляет роль колебательного контура. Применение МИЭК обосновывается способностью улучшения характеристик инвертора и повышения эффективности преобразования электрической энергии [1-4].
Использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения резонансного преобразователя позволяет изменять «мёртвое время», когда все коммутационные ключи находятся в закрытом состоянии, в связи с чем увеличивается диапазон регулировки и достигается требуемый уровень выходного напряжения [5-9].
На рисунке 1 представлена модель резонансного инвертора, собранного из полевых транзисторов в мостовую схему с обратными диодами, с ШИМ регулированием выходных параметров. Обратные
диоды в мостовой схеме используются для предотвращения обратной полярности на нагрузке при изменении направления тока через мостовую схему.
Широтно-импульсная модуляция осуществляется с помощью блоков «Comparator» и «Monostable», которые соединяются через логический элемент НЕ — блок «Logical Operator» для обеспечения правильной работы инвертора и защиты от короткого замыкания [10].
Логический элемент НЕ может быть использован после ШИМ-модуля в мостовой схеме инвертора для того, чтобы инвертировать сигнал ШИМ перед его передачей на базу транзистора.
ШИМ-модуль выдает сигнал со скважностью, то есть с отношением времени, в течение которого сигнал имеет высокий уровень, ко времени, в течение которого сигнал имеет низкий уровень. Но в мостовой схеме инвертора транзистор должен быть открыт в течение времени сигнала ШИМ с высоким уровнем, а закрыт в течение времени сигнала ШИМ с низким уровнем.
Если сигнал ШИМ не инвертирован перед подачей на базу транзистора, то в момент, когда ШИМ-сигнал имеет высокий уровень, транзистор будет закрыт, а
Рисунок 1. Компьютерная модель резонансного инвертора с ШИМ Figure 1. Computer model of resonant inverter with PWM
в момент, когда ШИМ-сигнал имеет низкий уровень, транзистор будет открыт. Это приведет к неправильной работе инвертора и возможному повреждению устройства.
Чтобы избежать этой проблемы, сигнал ШИМ инвертируется с помощью логического элемента НЕ перед его передачей на базу транзистора. Это позволяет обеспечить правильную работу инвертора, так как транзистор будет открыт в течение времени сигнала ШИМ с высоким уровнем, а закрыт в течение времени сигнала ШИМ с низким уровнем.
В блоке «Comparator» обеспечивается непосредственно ШИМ модуляция, которая записывается с помощью кода. Блок «Monostable» используется при реализации ШИМ-регулирования для формирования импульсов с заданной длительностью и частотой повторения.
Рассмотрим, как работает данная модель. В один момент времени подаются отпирающие импульсы на полевые транзисторы VT1 и VT4, далее через определенную паузу, наоборот, отпираются транзисторы VT2 и VT3, а VT1 и VT4 в это время замкнуты. Далее опять пауза, и процесс повторяется. При этом длительность синхронного включения ключей меняется, регулируя выходную мощность.
В качестве последовательного колебательного контура используется двухсекционный МИЭК последовательным соединением секций и диагональным подключением источника питания и нагрузки с выводом в середине вторичной обмотки для обеспечения условий резонанса в инверторе. Это позволяет улучшить эффективность преобразования электрической энергии из постоянного напряжения источника питания в переменное напряжение на выходе инвертора. Для рассматриваемого гибридного электромагнитного элемента значение добротности равно Q = 10 [11].
Электротехнические и информационные комплексы
Математическая модель МИЭК [11]: ' ^вх. = UL1 + иС1;
ua = j ■ Хси ■ Oi ~ Uc2 = j ' %С22 ' Он. ~ кУ> VuL1 = (y?i + j ■ XL1 + j ■ ХМ12) ■ (/вх. + IJ,
где ивх. — напряжение источника питания, В;
UL1 — напряжение на индуктивном элементе, В;
UC1 — напряжение на емкостном элементе, В;
R1 — активное сопротивление, Ом; Хеш Xc22, Xm2 — индуктивные сопротивления, Ом;
/вх. — входной ток, А; 1н. — ток нагрузки, А. Напряжение источника питания принимается равным ивх. = 24 В.
Резонансная частота в рассматриваемом инверторе равна частоте, при которой колебательная система совершает колебания с наибольшей амплитудой при заданных параметрах, тем самым выделяется наибольшее количество энергии на нагрузку. Диапазон изменения данной частоты определяется параметрами колебательного контура. Поэтому использование МИЭК обеспечит регулирование резонансной частоты в широких пределах. Значение данной величины принимается равным f = 50 кГЦ.
Рассмотрим осциллограммы, осуществляющие ШИМ.
Как видно из первой осциллограммы (рисунок 2), опорное напряжение имеет пилообразную форму, а модулирующее напряжение имеет форму синусоиды. Более качественным считается инвертор, если частота опорного напряжения во много раз превышает частоту модулирующего напряжения, но при этом следует учесть, что данная частота не должна быть ниже времени, которым управляют с помощью ШИМ для того, чтобы не было сильных пульсации выходного параметра. Кроме того, изменение данной частоты влияет также на «мертвое время».
- 93
и системы. № 2, т. 19, 2023
А1 — амплитуды опорного и модулирующего напряжений; А2 — амплитуда сигнала компаратора; А3 — амплитуда сигнала ШИМ; А4 — амплитуда сигнала ШИМ через логический элемент НЕ
A1 — reference and modulating voltage amplitudes; A2 — comparator signal amplitude; A3 — PWM signal amplitude; A4 — PWM signal amplitude through the logical element NOT
Рисунок 2. Осциллограммы ШИМ
Figure 2. PWM
В случае, когда модулирующее напряжение превышает опорное напряжение, происходит срабатывание «Comparator», поочередное открытие диагонально противоположных транзисторов и, соответственно, происходит модуляция выходного напряжения.
Из рисунка 3 видно, что осциллограмма выходного напряжения имеет прямоугольную форму, которая наглядно показывает правильность работы резонансного инвертора на основе МИЭК.
Коэффициент полезного действия в резонансном инверторе определяется как
Г] =
Рвых+ЛР'
где Рвых — выходная мощность, Вт; АР — потери мощности в инверторе, Вт.
oscillograms
На рисунке 4 приведена зависимость КПД резонансного инвертора от выходной мощности, из которой наглядно видно, что при малых значениях входных параметров достаточно низкое значение КПД, это связано с коммутационными потерями, что обусловлено большими токами на входе.
Кроме того, при увеличении выходной мощности также наблюдается небольшого снижения КПД из-за увеличения потерь на сопротивление проводов и элементов.
Выводы
По результатам исследования при реализации ШИМ в резонансном инверторе
иЕЫ:С1 В
250 -
200 -150 -
юо -
50 -
о ■
-50 --100 " -150 ■ -200 " -250 "
Г, мс
0 2 4 6 В 10 12 14 16
Рисунок 3. Осциллограмма выходного напряжения инвертора Figure 3. Oscillogram of the inverter output voltage
Рисунок 4. Зависимость КПД инвертора от выходной мощности Figure 4. Dependence of efficiency on output power
с МИЭК можно сделать следующие выводы.
1. Проведен анализ широтно-импульс-ного моделирования и способа управления резонансным инвертором. Моделирование выполнялось в системе Matlab, результаты показали, что ШИМ-моду-ляция является эффективным способом регулирования выходных параметров резонансного инвертора, достигающегося за счет модуляции сигнала по ширине импульса с постоянной амплитудой в течение всего процесса.
2. Использование МИЭК в резонансном инверторе позволяет улучшить стабилизационные свойства в преобразователе и обеспечить более точную настройку параметров и стабильную работу устройства.
3. Анализ данного способа управления преобразователем показывает эффективность применения его в различных областях энергетики, в том числе на солнечной электростанции за счет высокой точности регулирования выходных параметров резонансного инвертора.
Electrical facilities and systems
Список источников
1. Гельман М.В., Дудкин М.М., Преображенский К.А. Преобразовательная техника: учеб. пособие. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. 425 с.
2. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т., Кириллов Р.В. Исследование частотных характеристик двухсекционных многофункциональных интегрированных электромагнитных компонентов // Вестник УГАТУ. 2015. Т. 19. № 4 (70). С. 66-71.
3. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. Оценка стабилизационных свойств индуктивно-емкостных преобразователей // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. № 2. С. 13-20. EDN: YSAXPF.
4. Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Силовые преобразователи в электроснабжении: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. 144 с.
5. Ворох Д.А., Махов А.И. Резонансный преобразователь с широтно-импульсной регулировкой выходного напряжения // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2016. Т. 15. № 3. С.143-152.
6. Николаев А.А., Гилемов И.Г., Денисе-вич А.С. Анализ влияния различных алгоритмов ШИМ активных выпрямителей многоуровневых ПЧ на устойчивость работы при провалах напряжения // Электротехнические системы и комплексы. 2018. №3 (40). С. 55-62.
7. Осипов А.В., Рулевский В.М. Резонансный LCL-преобразователь с частотно-широтно-импульсным регулированием // Доклады ТУСУР. 2021. Т. 24, № 2. С. 77-83.
8. Осипов А.В., Школьный В.Н., Шиня-ков Ю.А., Ярославцев Е.В., Шемолин И.С. Последовательный резонансный преобразователь для систем электропитания от аккумуляторов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2017. Т. 20. № 2. С. 103-110.
9. Светлов М.Д. Исследование индуктивно-емкостного преобразователя // Academy. 2016. № 8 (11). С. 10-14.
10. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPower Systems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
11. Хазиева Р.Т., Васильев П.И., Купцов Д.В. Исследование стабилизационных свойств двухсекционного многофункционального интегрированного электромагнитного компонента // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2020. Т. 16. № 3. С. 36-42. EDN: TBHXIQ.
References
1. Gel'man M.V., Dudkin M.M., Preobrazhen-skii K.A. Preobrazovatel'naya tekhnika: uchebnoe posobie [Converting Technology: a Tutorial]. Chelyabinsk, Izdatel'skii tsentr YuUrGU, 2009. 425 p. [in Russian].
2. Konesev S.G., Khazieva R.T., Kirillov R.V. Issledovanie chastotnykh kharakteristik dvukh-sektsionnykh mnogofunktsional'nykh integriro-vannykh elektromagnitnykh komponentov [Investigation of the Frequency Characteristics of Two-Section Multifunctional Integrated Electromagnetic Components]. Vestnik UGATU — Bulletin of USATU, 2015, Vol. 19, No. 4 (70), pp. 66-71. [in Russian].
3. Konesev S.G., Khazieva R.T. Otsenka stabili-zatsionnykh svoistv induktivno-emkostnykh preobrazovatelei [Assessment of Inductive-Capa-citive Converters Stabilization Properties]. Elektro-tekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy
— Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2018, No. 2, pp. 13-20. EDN: YSAXPF. [in Russian].
4. Lukutin B.V., Obukhov S.G. Silovye preobra-zovateli v elektrosnabzhenii: uchebnoe posobie [Power Converters in Power Supply: a Tutorial]. Tomsk, Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2007. 144 p. [in Russian].
5. Vorokh D.A., Makhov A.I. Rezonansnyi preobrazovatel' s shirotno-impul'snoi regulirovkoi vykhodnogo napryazheniya [Resonant Converter with Pulse-Width Adjustment of the Output Voltage]. Vestnik Samarskogo universiteta. Aerokos-micheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroenie
— Bulletin of the Samara University. Aerospace Engineering, Technologies and Mechanical Engineering, 2016, Vol. 15, No. 3, pp. 143-152. [in Russian].
6. Nikolaev A.A., Gilemov I.G., Denisevich A.S. Analiz vliyaniya razlichnykh algoritmov ShIM aktivnykh vypryamitelei mnogourovnevykh PCh na ustoichivost' raboty pri provalakh napryazheniya [Analysis of the Influence of Various PWM Algorithms of Active Rectifiers of Multilevel FCs on the Stability of Operation during Voltage Dips]. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy — Electrical Systems and Complexes, 2018, No. 3 (40), pp. 55-62. [in Russian].
7. Osipov A.V., Rulevskii V.M. Rezonansnyi LCL-preobrazovatel' s chastotno-shirotno-impul'snym regulirovaniem [Resonant LCL-Converter with Frequency-Width-Pulse Control]. Doklady TUSUR — Papers ofTUSUR, 2021, Vol. 24, No. 2, pp. 77-83. [in Russian].
8. Osipov A.V., Shkol'nyi V.N., Shinyakov Yu.A., Yaroslavtsev E.V., Shemolin I.S. Posledovatel'nyi
Электротехнические комплексы и системы
rezonansnyi preobrazovatel' dlya sistem elektro-pitaniya ot akkumulyatorov [Serial Resonant Converter for Power Supply Systems from Batteries]. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo univer-siteta sistem upravleniya i radioelektroniki — Papers of Tomsk State University of Control Systems andRadioelectronics, 2017, Vol. 20, No. 2, pp. 103— 110. [in Russian].
9. Svetlov M.D. Issledovanie induktivno-emko-stnogo preobrazovatelya [Investigation of the Inductive-Capacitive Converter]. Academy, 2016, No. 8 (11), pp. 10-14. [in Russian].
10. Chernykh I.V. Modelirovanie elektrotekh-nicheskikh ustroistv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink [Modeling Of Electrical Devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink].
Moscow, DMK Press Publ.; Saint-Petersburg, Piter Publ., 2008. 288 p. [in Russian].
11. Khazieva R.T., Vasil'ev P.I., Kuptsov D.V. Issledovanie stabilizatsionnykh svoistv dvukhsekt-sionnogo mnogofunktsional'nogo integrirovannogo elektromagnitnogo komponenta [Research of the Two-Section Multifunctional Integrated Electromagnetic Component Stabilization Properties]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2020, Vol. 16, No. 3, pp. 36-42. EDN: TBHXIQ. [in Russian].
Статья поступила в редакцию 14.04.2023; одобрена после рецензирования 28.04.2023; принята к публикации 11.05.2023. The article was submitted 14.04.2023; approved after reviewing 28.04.2023; accepted for publication 11.05.2023.
