Оптимизация управления силовыми ключами по критерию минимума коммутационных потерь Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

The relevance of the application is substantiated in the work and the main results of the study of the operational parameters of electrical systems based on wind generators and solar panels are presented. The results of computer and simulation modeling of electrical systems powered by wind and photovoltaic installations are presented, the adequacy of the found parameters of the models is checked on real equipment. The obtained energy characteristics of the electrical complex based on solar cells are presented in the absence of the MPPT controller and its presence at various load resistances.

Key words: electrical complex, wind power installation, photovoltaic installation, solar panels, energy characteristic.

Belskii Aleksey Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, abel-skii a gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Kopteva Alexandra Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, kopteva ava pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Dobush Vasiliy Stepanovich, candidate of technical sciences, docent, dobush vsa pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Starshaya Valeriya Vladimirovna, postgraduate, lerastarshayaagmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University

УДК 621.316.72

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА КОММУТАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ

Е.А. Елисеичев

Для установок по производству искусственных монокристаллов лейкосапфира главным критерием энергообеспечения является точность поддержания выходного напряжения на нагрузке. Один из способов регулирования напряжения в нагрузке - это регулирование по изменению времени коммутации или управление временем включения и выключения в силовых ключах источника питания установки. С другой стороны, немаловажным фактором является снижение коммутационных потерь при переключениях силовых ключей. Данный метод может быть применен для оптимальной настройки управления регулятором напряжения на ЮБТ-транзисторах с ШИМ. При этом особое внимание следует уделять выбору весовых коэффициентов.

Ключевые слова: оптимизация, силовые ключи, коммутационные потери, выходное напряжение, монокристалл, МАТЬАБ.

Производство искусственных монокристаллов осуществляется в специальных ростовых установках, представляющих собой вакуумные электропечи. Питание таких установок производиться переменным, либо постоянным током, причем в последнее время наиболее широко используется питание постоянным током, поскольку при этом наблюдается оптимальный спектральный состав мощности.

544

Не менее важным аспектом является снижение коммутационных потерь, которые напрямую зависят от моментов переключения силовых ключей.

В установках «АПЕКС-М» нагрузкой силовой части (источника питания) является нагревательный элемент (НЭ) - вольфрамовый нагреватель [1, 2]. Функциональная блок-схема силовой части данных установок представлена на рис. 1.

© © © ©

Рис. 1. Функциональная блок-схема силовой части установки «АПЕКС-М»: 1 - питающая сеть; 2 - силовой понижающий трансформатор; 3 - регулятор напряжения на ЮБТ-транзисторах с ШИМ; 4 - выпрямитель; 5 - нагрузка (НЭ)

Максимальная электрическая мощность в НЭ составляет порядка 50...60 кВт, при этом его омическое сопротивление может меняться от нескольких до десятка мОм [3].

Чтобы вырастить монокристалл искусственного лейкосапфира с минимальным процентом брака (трещины, блоки, пузыри и их включения), необходимо на НЭ ростовой установки поддерживать линейно уменьшающееся действующее значение напряжения с высокой точностью (до 1 мВ). Необходимость регулирования и стабильного поддержания выходного напряжения (ивых) заключается в том, что главной движущей силой кристаллизации является температурный градиент, напрямую зависящий от точности поддержания ивых в диапазоне ±0,5 мВ [4]. Поэтому разрабатываемый алгоритм оптимизации может быть применен и для рассматриваемого случая, оптимально подбирая моменты коммутации силовых ключей, с учетом обеспечения требуемого уровня ивых.

Таким образом, главным критерием является - оптимальное соотношение между точностью поддержания ивых и коммутационными потерями в силовых ключах регулятора напряжения на /ТС^Т-гранзисторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Добиться снижения потерь мощности при переключениях возможно с помощью оптимизации работы регулятора (3). Вследствие это возникает задача, заключающаяся в разработке математической оптимизационной модели процесса, учитывающей влияние моментов включения и выключения силовых ключей преобразователя на коммутационные потери и действующее значение сформированного Цвых.

Определение потерь мощности при переключениях силовых полупроводниковых ключей в (3) на этапе его проектирования является неотъемлемой частью процесса разработки данного устройства преобразования электрической энергии. Зная величину динамических потерь мощности при переходе ключей из выключенного состояния во включенное и наоборот, появится возможность оптимизации алгоритмов его управления.

Решение данной задачи основано на моделировании динамических процессов, происходящих в силовом ключе. Как показывает проведенный анализ, общепринятая среда моделирования MATLAB Simulink, содержащая блоки имитации силовой электроники, не позволяет провести такого рода исследования, так как силовые ключи представлены здесь идеализированными моделями, с небольшим количеством параметров (рис. 2).

г_

Щ Block Parameters: IGBT/Diode

Рис. 2. Параметры блока имитации силового IGBT-транзистора

в MATLAB Simulink

Более качественно произвести анализ коммутационных потерь позволяет САПР Micro-Cap, так как в ней уже представлены библиотеки с моделями серийно выпускаемых электронных компонентов, например, библиотека силовых IGBT-транзисторов.

На рис. 3 представлены схемы для исследования коммутационных потерь при переключениях силового ключа, а) - с активной нагрузкой, б) -с активно-индуктивной нагрузкой.

Для моделирования был выбран IGBT-транзистор: IRG4MC50F Fast SpeedIGBT Vces=600 V, Ic=30 A.

Добиться уменьшения коммутационных потерь возможно с помощью регулирования параметров импульсов ивых регулятора. На рис. 4 представлен один из возможных вариантов регулирования - регулирование по изменению момента коммутации, т.е. управление моментами времени включения (/вкл) и выключения (^ыкл) в силовых ключах.

546

а б

Рис. 3. Схемы для исследования коммутационных потерь при переключениях силового ключа: а - с активной нагрузкой; б-с активно-индуктивной нагрузкой

1-г

П-г

н-г

-I_¡|_

-и мод

---ивых

-I_

О \ 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

1 Екл 1 Вькл

I. мс

Рис. 4. Регулирование ивыхрегулятора по изменению момента

коммутации

Параметры моделирования были заданы следующие: напряжение питания - синусоидальное ~220 В 50 Гц, с амплитудой 310 В (рис. 5, 6 - верхний график); период следования тактовых импульсов - 200 мкс, меандр (рис. 5, 6 - нижний график); время расчета - 10 мс; нагрузка, 3 случая: активная - 100 Ом, 500 Ом, 1 кОм; активно-индуктивная - 100 Ом и 2 мкГн, 500 Ом и 5 мкГн, 1 кОм и 10 мкГн.

Полученные характеристики переходного процесса для двух типов нагрузки показывают, что график потерь мощности при переключениях силового ключа имеет колоколообразную форму. На рис. 5, 6 (средний график) коммутационные потери рассчитаны при активной нагрузке в 100 Ом и активно-индуктивной соответственно равной 100 Ом, 2 мкГн. Аналогичное моделирование было проведено и для других значений нагрузки. Полученные характеристики имеют схожую форму, но разные уровни. Для дальнейшего анализа выделим усредненные характеристики коммутационных потерь и построим усредненную нормированную характеристику Р(0, по следующему алгоритму:

определим усредненные коммутационные потери мощности Рср; выполним аппроксимацию зависимости Рср от времени моментов коммутации полиномом 4-й степени.

Усредненная нормированная характеристика потерь мощности при переключениях силового ключа от времени Р^) представлена на рис. 7.

480 000

240.000 120.000 0.000 120.000

У(и11 (УоИ5)

32.000 24.000 16.000 8.000 0.000-8.000

Т (тБесопйз)

0.000 2.000 У(и2, иЗ)'1(йп) (\Л/а1К)

20.000 16.000 12.000 8.000 4.000 0.000-

4 ООО

Т (т8есопс|5)

0.000 ЦЫИ) (Уо11з)

4 000 Т (тЗесотаэ)

Рис. 5. Характеристики переходного процесса на силовом ключе

при активной нагрузке

460.000 360.000

120.000

-120.000

У(и1) (Уо11в)

40.000 30.000 20.000 10.000 0.000 -10000

Т (тБесопйз)

_1_1

иЛ

ш.

0 000 2.000 У(и2. иЗ)"1(Кп) (\Л/аИз)

20 000 16.000 12.000 8 000 4.000 0.000

4,000

Т (тЗесспс|2)

иооо

(УоИв)

4.000

Т (тЭесопйз)

Рис. 6. Характеристики переходного процесса на силовом ключе при активно-индуктивной нагрузке

548

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

О 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

I, мс

Рис. 7. Усредненная нормированная характеристика потерь мощности при переключениях силового ключа от времени

1 1-РИ|

Алгоритм оптимизации реализован с помощью встроенной функции MATLAB - fminsearch, которая выполняет поиск минимума скалярной функции нескольких переменных, стартуя с некоторой точки. Описание команды, выполняющей оптимизацию выглядит следующим образом:

[x, fval]=fminsearch (@func_opt, [X1, X2]), где x - оптимальное рассчитанное время начала (/вкл) и конца (^ыкл) коммутации силовых ключей; fval - значение критерия оптимизации Копт, при котором коммутационные потери минимальны; func_opt - разработанная функция оптимизации; [XI, X2] - время коммутации.

Разработанная функция оптимизации выполняет поиск значения критерия оптимизации с условием, что

Рк ® min;

Uд ± 0,5 мВ.

Критерий оптимизации

K = a■ P+ b ■ \Uhom ~Uд, (1)

опт к Т j ' V /

ном

где a, b - весовые коэффициенты; Рк - коммутационные потери; ином и ид - номинальное и действующее значения выходного напряжения.

Для оценки корректности работы, а также эффективности разработанной модели оптимизации проведем моделирование в среде инженерных расчетов MATLAB.

В таблице представлены результаты оптимизации, применительно к технологическим режимам установок выращивания искусственных монокристаллов лейкосапфира - «АПЕКС-М». Условие оптимизации - стабильное поддержание действующего значения выходного напряжения на НЭ на уровне 8 В (режим роста монокристалла), с погрешностью не более ±0,5 мВ. Оптимизация производилась при различных значениях весовых коэффициентов. За 100 % коммутационных потерь принят максимальный

549

уровень потерь, приведенных на рис. 5 и 6. Потери в абсолютном выражении могут быть вычислены как процент от этого числа.

Результаты моделирования

№ п.п. Весовые коэффициенты Оптимальное рассчитанное время начала и конца коммутации силовых ключей, с Значение критерия оптимизации, Копт Относительные коммутационные потери, Рк, % Действующее значение выходного напряжения, ид, В

а Ь ^вкл ^выкл

1 0,0005 0,9995 0,0001 0,0073 0,0314 62,85 8,00

2 0,001 0,999 0,0001 0,0073 0,0628 62,90 8,00

3 0,005 0,995 0,0001 0,1 0,0851 5,05 8,48

4 0,01 0,99 0,043 0,3226 1,0255 5,14 0,13

5 0,1 0,9 0,4816 Х10"4 0,6881 Х10"4 1,3069 4,08 0,01

Разработанная модель оптимизации управления силовыми ключами по критерию минимума коммутационных потерь, показывает эффективность своей работы по результатам моделирования:

наилучший результат получается на итерациях 1, 2 (Рк ~ 63 %, а ид

= 8 В);

наихудший результат - на итерациях 3-5 (требование ид = 8±05 мВ - не выполняется).

Таким образом данный математический аппарат может быть применен для оптимальной настройки управления регулятором напряжения на 1ОБТ-транзисторах с ШИМ. Недостатком разработанного метода оптимизации является сильное влияние весовых коэффициенты а и Ь на результат и необходимость их подбора. В дальнейшем необходимо усовершенствовать метод, реализовав расчет весовых коэффициентов в зависимости от налагаемых условий по точности и уровню потерь.

Список литературы

1. Манин А.В., Юдин А.В., Елисеичев Е.А. Блочно-модульный импульсный источник питания для высокотемпературного нагревателя с функцией контроля паразитных индуктивностей // Вестник РНК СИГРЭ: сборник конкурсных докладов «Энергия-2016». 2016. № 10. С. 41-45.

550

2. Сайт «Лаборатория силовых источников» [Электронный ресурс]. URL: http://www.power2000.ru (дата обращения: 10.01.2020).

3. Пелецкий В.Э., Бельская Э.А. Электрическое сопротивление тугоплавких металлов: справочник. М.: Энергоиздат, 1981. 96 с.

4. Юдин А.В. Оценка искривления фронта кристаллизации в расплаве сапфира по спектральному составу мощности нагревателя // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева: сборник научных трудов. 2011. № 1(19). С. 136-141.

Елисеичев Евгений Александрович, старший преподаватель, eliseichev e aamail.ru, Россия, Рыбинск, Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева

OPTIMIZA TION OF MANAGEMENT OF POWER KEYS BY THE CRITERION OF THE MINIMUM OF SWITCHING LOSSES

E.A. Eliseichev

For plants for the production of artificial single crystals of leucosapphire, the main criterion for power supply is the accuracy of maintaining the output voltage on the load. One way to regulate the voltage in the load is to control the change in the switching time or control the on and off times in the power switches of the power supply of the plant. On the other hand, an important factor is the reduction of switching losses when switching power keys. This method can be used to optimally control the voltage regulator on IGBT transistors with PWM. In this case, special attention should be paid to the choice of weighting factors.

Key words: optimization, power keys, switching losses, output voltage, single crystal, MATLAB.

Eliseichev Evgeny Alexandrovich, senior lecturer, eliseichev e aamail.ru, Russia, Rybinsk, Rybinsk State Aviation Technical University named after P.A. Soloviev