CC BY
34
Разработка схемотехнической модели импульсного регулятора напряжения питания двигателя постоянного тока
Соловьев В.А., Соловьева В.В., Волченсков В.И. МГТУ имени Н.Э. Баумана solovjevva@bk.ru, soloveyev@mail.ru, volchens@yandex.ru
Аннотация
Работа посвящена разработке схемотехнической модели понижающего импульсного регулятора постоянного напряжения, предназначенного для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока. Обоснован выбор компьютерной среды моделирования. Представлена в составе виртуального испытательного стенда и описана схемотехническая модель понижающего импульсного регулятора постоянного напряжения, нагруженного двигателем постоянного тока. Приведены результаты моделирования статических характеристик понижающего импульсного регулятора постоянного напряжения с идеальными и реальными силовыми элементами.
1 Введение
В электроприводах, питаемых от контактной сети постоянного тока, аккумуляторных батарей, выпрямителей переменного тока и других источников постоянного тока с нестабильным напряжением, для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока (ДПТ) и бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ) с трапецеидальной ЭДС в настоящее время преимущественно используют транзисторные понижающие импульсные регуляторы постоянного напряжения (ИРПН) [1-3].
Проектирование ИРПН для регулирования напряжения питания ДПТ и БДПТ представляет собой довольно сложную многокритериальную оптимизационную задачу с ограничениями. Данная задача усложняется тем, что частота вращения электродвигателя может регулироваться от нуля до номинального значения, а его ток изменяться от пускового до тока холостого хода. Необходимо также учитывать, что в зависимости от соотношения частоты коммутации, параметров силовых элементов и нагрузки ИРПН может работать в режимах непрерывного и прерывистого тока дросселя фильтра, оказывающих существенное влияние на его статические характеристики [4-9].
Разработанные методы расчета статических характеристик ИРПН основаны на идеализации его силовых элементов или учитывают неидеальность только некоторых из них [4-9], что приводит к недостоверному представлению этих характеристик, особенно внешних и энергетических. Получить приближенные к реальным статические характеристики ИРПН, учитывающие влияние на них параметров реальных силовых элементов, позволяет его компьютерная модель. созданная в одной из разработанной для этих целей программных сред.
2 Выбор программной среды для моделирования ИРПН
Для моделирования электротехнических устройств, в том числе и ИРПН, чаще используют среду MATLAB с пакетами расширения Sim Power Systems и Simulink, позволяющую создавать имитационные структурно-функциональные модели электротехнических устройств [10-12]. Однако MATLAB содержит сравнительно небольшую библиотеку моделей компонентов электронных элементов и устройств, причем количество SPICE-моделей полупроводниковых приборов в ней ограничено из-за значительного возрастания времени моделирования при их использовании [11,12].
Значительно проще и удобнее в использовании среда схемотехнического моделирования NI Multisim. Она содержит большую и постоянно расширяющуюся библиотеку моделей компонентов электронных элементов и интегральных схем, в том числе и их промышленных аналогов, и позволяет моделировать как силовую часть, так и систему управления транзисторных преобразователей. Среда NI Multisim укомплектована широким спектром контрольно-измерительных приборов, соответствующих по выполняемым функциям, способу подключения и в большинстве своем по виду лицевых панелей их реальным аналогам. Это наделяет ее не менее широкими, чем у MATLAB, возможностями исследования статических и динамических характеристик моделируемых электротехнических
устройств, а сама методика их проведения практически не отличается от методики подобных исследований реальных устройств [13,14]. Поэтому, учитывая поставленные цели исследования, для создания модели понижающего ИРПН с неидеальными силовыми элементами и нагрузкой в виде якорной цепи ДПТ выбрана среда NI Multisim.
3 Схемотехнические модели ИРПН и ДПТ
При создании схемотехнической модели ИРПН в среде NI Multisim учтено, что в разделе Miscellaneous Components содержится компонент Buck Converter. Он представлен как уже готовая модель силовой части понижающего ИРПН. В диалоговом окне этого компонента задаются индуктивность и активное сопротивление дросселя ИРПН и частота коммутации. Сведений о наличии в этом модуле других силовых элементов и их параметрах не имеется.
Результаты проведенных исследований статических характеристик компонента Buck Converter показывают, что он, по сути, является не импульсным устройством, а управляемым элементом постоянного тока с коэффициентом передачи напряжения, зависящим как от значения напряжения управления, так и от значения условия, определяющего границу перехода моделируемого ИРПН от непрерывного к прерывистому режиму тока дросселя [15]. Соотношение указанных параметров компонента Buck Converter и сопротивления его нагрузки, соответствующее граничному условию, и получаемые в обоих режимах регулировочные характеристики определяются выражениями, приведенными в [5,6]. Но при использовании этого компонента в качестве модели ИРПН ухудшение его статических характеристик, обусловленное падением напряжения в его полупроводниковых приборах и импульсным характером токов в его силовых элементах, не будет отражено. Учесть влияние этих факторов позволяет схемотехническая модель понижающего ИРПН, созданная с использованием дискретных элементов.
Первым этапом моделирования понижающего ИРПН является выбор силовых полупроводниковых приборов и, в первую очередь, типа силового транзистора, от которого зависит выбираемая частота коммутации. От ее значения зависят необходимые параметры дросселя и конденсатора фильтра ИРПН.
При напряжении питания менее 400 В мощности нагрузки до 1 кВт в ИРПН применяют преимущественно мощные полевые МОП-транзисторы. Они обладают очень малым, порядка 10.. .100 мОм, сопротивлением канала в открытом состоянии и позволяют коммутировать силовые цепи с частотой до 100 кГц [8,9]. Использование этих транзисторов целесообразно в ИРПН, предназначенных для регулирования напряжения питания низковольтных исполнительных ДПТ и БДПТ с магнитоэлектрическим возбуждением. Электрическая схема моделируемого понижающего ИРПН с таким силовым транзистором и разомкнутыми контурами регулирования изображена на рис.1.
"тр
Рис. 1. Электрическая схема понижающего ИРПН с неидеальными силовыми элементами
ИРПН содержит силовой МОП-транзистор УТ, обратный диод УО, дроссель с индуктивностью Ьф и сопротивлением обмотки Лф, конденсатор с емкостью Сф и эквивалентным сопротивлением потерь Лс. Электропитание ИРПН осуществляется от источника Еп, а нагрузкой является обмотка якоря ДПТ, представленная на рис.1 последовательным соединением ее сопротивления Ля и ЭДС Е. Коммутацией транзистора УТ управляет схема управления СУ, формирующая импульсы напряжения с заданной частотойи длительностью Т\, прямо пропорциональной напряжению %, подаваемому на вход СУ.
Созданная на основе электрической схемы ИРПН (рис.1) его схемотехническая модель представлена на рис.2. Она дополнена включенными в ее цепи виртуальными датчиками, электроизмерительными и регистрирующими приборами и фактически представляет собой виртуальный испытательный стенд для исследования как коммутационных процессов в ИРПН, так и его статических характеристик при резистивной нагрузке и нагрузке в виде якорной цепи ДПТ.
Силовой МОП-транзистор в схемотехнической модели ИРПН представлен идеальным ключом Л ^ВЯЕАК) с сопротивлением во включенном состоянии Я^, = 20 мОм, установленным в окне настройки этого компонента.
Все другие силовые элементы в модели ИРПН соответствуют их обозначениям, принятым на рис.1
Рис.2. Схемотехническая модель понижающего ИПРН с электроизмерительными приборами и датчиками
Функцию СУ ключом Л выполняет генератор XFG1. Он генерирует напряжение прямоугольной формы в соответствии с установленным в окне его настройки видом этого напряжения, частотой, коэффициентом заполнения импульсов в процентах, амплитудой и напряжением смещения.
Для измерения средних значений напряжения питания ИРПН ип, потребляемого им тока 1п и мощности Рп в его входную цепь включены вольтметр Ш, амперметр А1 и ваттметр XWM1. Кроме электроизмерительных приборов в эту цепь еще включен измерительный зонд Пробник1, показывающий дополнительно действующее значение потребляемого тока 1п.д и частоту коммутации /к ИРПН. В выходную цепь ИРПН включены вольтметр и2, амперметр А2 и ваттметр XWM2, измеряющие напряжение на нагрузке ин, потребляемый ею ток /н и мощность Рн. Достоверность показаний перечисленных электроизмерительных приборов при импульсном потреблении постоянного тока обоснована в [14].
С целью визуализации коммутационных процессов и определения режима работы дросселя в схемотехническую модель ИРПН введены датчики тока ХСР1, ХСР2 и ХСР3, используемые для наблюдения и измерения
параметров формы потребляемого им тока /п, тока дросселя ^ и тока конденсатора /с. Выходные напряжения этих датчиков тока, а также напряжение на входе фильтра ИРПН Нф поступают на входы осциллографов XSC1, XSC2 и графически изображаются на их экранах.
Нагрузкой ИРПН в его модели (рис.2) является оформленная в виде субмодели схемотехническая модель ДПТ с магнитоэлектрическим возбуждением. Она изображена на рис.3.
Рис.3. Схемотехническая модель ДПТ
Цепь якоря ДПТ представлена в ней последовательным соединением его сопротивления Яя = 0,2 Ом и управляемого напряжением источника напряжения Е, являющимся эквивалентом ЭДС якоря. Выводы 103, 104 этой цепи присоединены к выходу ИРПН.
Проходящий по ней ток якоря ДПТЕ=Е показывает амперметр А2. Его значение задается потенциометром И2 (рис.2), которым на выводах 101, 102 субмодели ДПТ устанавливают контролируемое по вольтметру и4 напряжение
= Ля ^я .
Тем самым задают соответствующий моменту сопротивления Мс электромагнитный момент ДПТ
и Кя
M = Cm Ф1 я = См Ф
где См - конструктивная постоянная ДПТ ; Ф - магнитный поток.
ЭДС якоря субмодели ДПТ формирует сумматор SUM, выполняющий операцию E = Uн -Uкя.
Ее значение измеряет подключенный к выводам I01, I05 вольтметр U3. Показания этого вольтметра могут быть использованы для определения частоты вращения ДПТ E
n =-
С E Ф
и его электромагнитного КПД
E
Л = —, ин
где се = (2л/60)-см.
Для сопоставления статических характеристик ИРПН при идеальных силовых элементах, рассчитанных для резистивной нагрузки [4-9], и его статических характеристик с реальными силовыми элементами и нагрузкой в виде ДПТ они были приведены к эквивалентной резистивной нагрузке. Ее сопротивление в соответствии с теоремой компенсации будет равно
r = E + R1 я = ин (1)
н 1 1
ян
Используя (1), определяется нормированная постоянная времени дросселя ИРПН
х l*=^, (2)
ЛнТ
где Т = 1// - период коммутации ИРПН.
Ее значение, необходимое для обеспечения режима непрерывного тока дросселя ИРПН с идеальными силовыми элементами, должно удовлетворять неравенству [4-9]
CL* - х Ьк* = "
1 - M
2
(3)
где тьк* - критическое значение нормированной постоянной времени дросселя; М = ин /
Еп - статический коэффициент передачи ИРПН.
Определение на схемотехнической модели ИРПН зависимости хЬк* = fM) выполнялось в следующей последовательности. Вначале в окне настройки функционального генератора XFG1 (рис.2) устанавливался коэффициент заполнения импульсов напряжения управления силовым транзистором D = M. Потом потенциометром R2 изменялся ток нагрузки ИРПН 1н до момента возникновения прерывистого тока дросселя 'l, определяемого по характерному для этого режима виду осциллограммы этого тока, а также по осциллограммам потребляемого тока 'п и напряжения на входе фильтра ИРПН Мф. Используя измеренные в этом режиме UH и 1н, по (1) определяется Дн, а затем по (2) значение хьк*, которое проверялось на соответствие неравенству (3).
Регулировочная характеристика ИРПН с идеализированными силовыми элементами M = f(D) при xl* = const рассчитывалась по выражению [5]
M =
D
2 (
4х
L*
1 + -
8х
Л
L*
D2
-1
при D < Dк
D при D - De
где Ок = 1 - 2 ть* - коэффициент заполнения импульсов напряжения управления силовым транзистором ИРПН при возникновении режима непрерывного тока дросселя.
Расчеты и снятие зависимостей М = / (О) на схемотехнической модели ИРПН выполнены при эквивалентных сопротивлениях нагрузки Лн, соответствующих заданным значениям ть*. Внешние ин = /Е) и энергетические ^ = ДЕ) характеристики ИПРН определены по методике, применяемой при исследовании подобных характеристик транзисторных преобразователей.
4 Анализ полученных результатов
Результаты исследования влияния параметров реальных силовых элементов ИРПН на его статические характеристики, полученные с использованием схемотехнической модели (рис.2), отражены на рис.4 - 6. Сплошными линиями на рис.4 - 6 показаны статические характеристики ИРПН с идеальными силовыми элементами, а штриховыми линиями статические характеристики
Методика заполнения базы данных по характеристикам надежности ЭКБ
с реальными силовыми элементами, параметры которых указаны на рис.2.
^Ln
0.8
0.6
0.4
0.2
\ 1 t
г 1 t \
Ч Ч ч \ ^"Ч»^^ «V
м
0.6
0.8
0.2 0.4 Рис.4. Зависимость tLk* от М
Рис.5. Внешние характеристики понижающего ИРПН
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0 = 0,8 \ 4D=0,5
D - 0,2
10
15
20
25
In 30
Рис.6. Энергетические характеристики понижающего ИРПН
Из рис.4 - 6 видно существенное отличие статических характеристик понижающего ИРПН с идеальными и реальными силовыми элементами. Особенно заметно различие значений при М < 0,2 (рис.4). Оно обусловлено большим уменьшением выходного напряжения ИРПН (рис.5) из-за неидеальности его силовых элементов, причем в значительной мере из-за влияния на него вольт-амперной характеристики обратного диода,
что, как следует из (1), (2), и приводит к возрастанию Tlr*. Можно также отметить, что по тем же причинам при малых значениях коэффициента D в режиме непрерывного тока дросселя ИРПН имеет меньшее значение КПД. Между тем, на первый взгляд, выглядит странным возрастание КПД ИРПН при переходе в режим прерывистого тока дросселя. Это объясняется, во-первых, малым током, потребляемым ИРПН в этом режиме, во-вторых, наличием увеличивающейся с уменьшением коэффициента D бестоковой паузы, во время которой через обратный диод и дроссель не проходит ток нагрузки и, соответственно, не вызывает в них потери мощности.
5 Выводы
Результаты схемотехнического моделирования ИРПН напряжения питания ДПТ позволяют сделать следующие выводы.
1. Среда NI Multisim, как показано на примере моделирования понижающего ИРПН, может быть использована не только для схемотехнического моделирования радиоэлектронных устройств, но и транзисторных преобразователей постоянного напряжения.
2. В этой среде достаточно просто создавать виртуальные испытательные стенды, позволяющие исследовать как коммутационные процессы, так и статические, а в перспективе, и динамические характеристики транзисторных преобразователей.
3. Созданная в среде NI Multisim схемотехническая модель понижающего ИРПН с нагрузкой в виде ДПТ позволяет учесть влияние реальных параметров силовых элементов преобразователя на его статические характеристики, получить их без сложных математических расчетов и, в итоге, сократить время на его проектирование.
Список литературы
[1] Анучин А.С. Системы управления электроприводов. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 373 с.
[2] Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 576 с.
[3] Дюбай Гопал К. Основные принципы устройства электроприводов. М.: Техносфера, 2009. 480 с.
[4] Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986. 376 с.
[5] Севернс С., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания / Пер. с англ. под ред. Л.Е. Смольникова. М.: Энергоатомиздат, 1988. 294 с.
[6] Dearborn S. Power Management in Portable Applications: Understanding the Buck Switchmode Power Converter (AN793). Microchip Technology Inc., 2001. 16 p. Режим доступа: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNo tes/00793a.pdf (дата обращения: 10.01. 2019).
[7] Электротехнический справочник: В 4 т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 2003. 518 с.
[8] Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2006. 632 с.
[9] Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование: пер. с англ. К.: МК-Пресс, 2007. 288 с.
[10] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
[11] Герман-Галкин С.Г. Школа MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде MATLAB Simulink. Урок 11. Виртуальные лаборатории импульсных источников питания // Силовая электроника, 2010. № 1. С. 62 - 67.
[12] Дьяконов В.П. Многовариантное моделирование силовых устройств в MATLAB + Simulink // Силовая электроника, 2011. № 1. С. 84 - 94.
[13] Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Том 1. Моделирование элементов аналоговых систем. М.: С0Л0Н-ПРЕСС,2006. 672 с.
[14] Соловьев В.А., Вьюшин Е.А. Верификация и анализ возможности применения виртуальных электроизмерительных приборов при схемотехническом моделировании электротехнических устройств с импульсным потреблением постоянного тока в среде NI MULTISIM 10.1 // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2015. № 4. С. 311 - 325. URL: http://engineering-science.ru/doc/764109.html. (дата обращения: 10.01. 2019)..
[15] Соловьев В.А. Анализ возможностей применения модуля импульсного регулятора си-
стемы МЦЪТШГМ для моделирования корректоров коэффициента мощности регулируемых электроприводов // Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2010).Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. М.: ГОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2010. С.194.
