Математическая модель однофазного корректора коэффициента мощности

УДК621.37/39.001.5

Г.Я. Михальченко, А.А. Малаханов

Математическая модель однофазного корректора коэффициента мощности

Приведена численно-аналитическая модель однофазного корректора коэффициента мощности, выполненного на базе однотактного преобразователя напряжения повышающего типа. Показана возможность исследования динамики замкнутой системы регулирования.

Ключевые слова: корректор коэффициента мощности, широтно-импульсная модуляция,

кусочно-гладкие дифференциальные уравнения, бифуркационный анализ.

Введение

Благодаря использованию высокочастотных импульсных способов регулирования потоков энергии, современные системы преобразования электрической энергии обеспечивают достаточно высокую совместимость преобразователя с нагрузкой, что обусловливает требуемое качество выходного сигнала. Однако основной проблемой при использовании любого преобразовательного устройства является обеспечение электромагнитной совместимости с питающей сетью для исключения помех, распространяемых по сети, и минимизации потерь мощности.

Применение корректоров коэффициента мощности (ККМ), построенных на базе систем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), позволяет решить задачу электромагнитной совместимости с питающей сетью, уменьшив уровень эмиссии высших гармонических составляющих в потребляемый преобразователем из сети ток. В литературе [1, 2] описываются варианты построения систем с ККМ, однако наибольшее распространение получили корректоры, построенные на базе повышающего преобразователя напряжения, рассматриваемого в данной статье.

Существующие работы, рассматривающие ККМ с позиций теории нелинейной динамики [3—6], лишь частично решают проблему построения точных моделей из-за существенных допущений. Например, входное напряжение преобразователя на тактовом интервале считается постоянным, а расчет длинных рядов численными методами сопровождается накоплением ошибки округления, что в моделях замкнутых систем воспринимается как отклонение и приводит к реализации иных режимов функционирования.

Данная работа является развитием существующих работ [6]. Основная задача, которая ставилась авторами, состоит, прежде всего, в выполнении более жестких требований к процессу моделирования ККМ, что в полной мере позволяет реализовывать бифуркационный подход к проектированию.

Математическая модель ККМ

На рис. 1 представлена схема замещения ККМ, построенная на базе повышающего преобразователя напряжения, в системе управления которого в качестве модулятора информационных сигналов используется умножитель.

В схеме замещения обозначения имеют следующий смысл: u — выпрямленное сетевое переменное напряжение u = Um|sin(rat)|; R — сопротивление, характеризующее потери в индуктивности фильтра и преобразователе; L — индуктивность; C — емкость; RH — сопротивление нагрузки; ИМ — широтно-импульсный модулятор; ßl, ß2 — коэффициенты передачи датчиков обратной связи выходного напряжения и тока дросселя соответственно; ß3 — коэффициент передачи датчика входного напряжения; КУ1, КУ2 — корректирующие устройства контуров напряжения и тока соответственно; Ua — напряжение задания; X — блок перемножения сигналов; ГРН — генератор развертывающего напряжения; t) — разностная функция.

При построении схемы замещения принимались во внимание следующие допущения:

1) входной источник питания является идеальным источником напряжения;

2) импульсный преобразователь выполнен на идеальных ключах с нулевым временем переключения;

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

3) элементы R, L, С линейны; сопротивление R моделирует суммарное сопротивление индуктивности и сопротивление преобразователя;

4) корректирующие устройства выполнены на базе идеальных элементов.

Umsinat

©

-и-

L

Р2

Р3

ИМ

ГРН

VD -й-

^ Q

UX, t)

Лш i I,

КУ2

J *

Умн.

X

Uy

КУ1

U„,

U

Uo

ГГ\

pi

U.

Рис. 1. Схема замещения преобразователя напряжения с ККМ

Схема замещения преобразователя описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений с разрывной правой частью

L • = ~R • L - Kfd (S(t)) • uc + u,

C

dUc = iL • KFD (S(t))-UC- ,

dt RH

где iL — ток в индуктивности; uc — напряжение на емкости фильтра; Kfd (=(t)) — функция, описывающая коммутацию диода VD.

Разностная функция |(t) принимает вид

|(t) = a2(ai(U3-Pi • uc) •Рз • u-P2 • iL) - Up (t), где a1, a2 — коэффициенты усиления ошибки по выходному напряжению и потребляемому току соответственно; UP(t) - развертывающее напряжение.

Коммутационная функция Kf (|(t)) = 1 - Kfd (§(t)) характеризует состояние ключей преобразователя на участках постоянства структуры на каждом периоде ШИМ. С учетом этого коммутационная функция представляется выражением

Kf(S(t)) =1 [1 + sign(£(t))] . 2

и, как видно из него, принимает два значения — 0 и 1. Систему (1) можно представить в матричном виде

dx _ _

dX = A(Kf (S(t)) • X + B(iL),

dt

где А — основная матрица системы, которая является разрывной и может иметь три состояния: Ах, А2, А3 — в зависимости от значения коммутационной функции Кг и

наличия режима прерывистого тока; X =

X= X1 = iL

X2 ] uc ]

— вектор переменных состояния; B

вектор вынуждающих воздействий, который также имеет различные значения в зависимости от наличия (отсутствия) режима прерывистого тока дросселя.

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

I

I

Ток может снизиться до нуля только в момент закрытого ключа. Таким образом, разбив рабочий цикл по времени, на три участка непрерывности, выражение (2) преобразуется к виду

A1 • X + Bl, ^ - 1)а < t < tk1, Кр = 1, ^ > 0,

^2 • X + Б2, tkl < t < tk2, Кр = 0, ^ > 0,

Aз • X + Бз, < t < ^а, Кр = 0, ^ = 0.

dX

dt

Здесь а — период следования тактовых импульсов; ^ — момент коммутации; — момент снижения тока индуктивности до нулевого значения при работе в режиме прерывистого тока. Если за период следования тактовых импульсов реализуется режим непрерывного тока, то при поиске решения системы можно ограничиться первыми двумя выражениями, т.е. при этом будет равен ka.

Система уравнений (1) решается численно-аналитическим методом, при котором тактовый интервал а разбивается в общем случае на три участка гладкости, границы которых определяются соответствующими поверхностями сшивания:

1. Момент коммутации ключа преобразователя.

2. Момент снижения тока дросселя до нуля.

3. Конец тактового интервала.

Решение задачи Коши (1) в общем виде представляется выражением

____г

Х(г) = еА(^0) • Х0 + еА(г-г0) | е-А(х-*0) • Б • 8т(ют^т .

*0

Раскрыв интеграл, получим решение в виде

Х(г) = еА(г-г°) • Х0 + [еА(г-г°) {А • sm(юг0) + Е • ю • ^(юг0)} -

-{А • sin

которое описывает поведение вектора переменных на каждом участке гладкости. Вектор начальных условий последующего интервала принимается равным значениям переменных состояний в конце предыдущего интервала.

На рис. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие положение моментов коммутации. Участки гладкости на рисунке обозначены римскими цифрами. Граница существования каждого участка справа определяется соответствующей поверхностью сшивания. На рис. 3 представлены схемы замещения силовой части преобразователя на этих участках.

Рассмотрим решение (4) системы (1) для каждого из участков непрерывности (3). Согласно принципам формирования импульса [3] функция Кр может изменить свое значение только один раз в течение каждого временного интервала [^ - 1)а, kа] в точке которую будем называть, как в [4], первым моментом коммутации.

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

Рис. 2. Временные диаграммы работы системы управления: ГРН - генератор развертывающих напряжений; - сигнал управления; 1Ь - ток в дросселе; гН1, гк2 - относительные длительности участков гладкости

т Г ©^

KF = 1, iL > 0

= = \Г ©и

KF = 0, iL > 0

№

KF = 0, iL = 0

а б в

Рис. 3. Схемы замещения силовой части ККМ на участках непрерывности

Момент пересечения током нулевого значения назовем вторым моментом коммутации (^2). Тогда решение (4) необходимо рассматривать на трех участках постоянства структуры: когда ключ открыт (Кр = 1), ключ закрыт (Кр = 0), ключ закрыт и ток дросселя равен нулю (Кр = 0, Ьь = 0).

1. Участок слева от момента коммутации: (к -1)а < t < tkl. Коммутационная функция на данном участке принимает значение Кр = 1. Эквивалентная схема замещения

преобразо-вателя на этом участке представлена на рис. 3, а.

Основная матрица системы и вектор возмущающих воздействий принимают вид

Ai =

R 0

L

1

0

C • R

B

Um/L 0

"Зд.

где ит - амплитуда входного напряжения.

Учитывая, что начальные условия являются значениями вектора переменных

состояний в конце предыдущего участка гладкости Хо = Хй-1 = Х((к - 1)а), решение (4) исходной системы (1) на данном участке непрерывности записывается в виде Х(0 = еА1(Нк-1)а) • Хо + [вА1('-(к-1)а){Л1 • вт(Ю(к - 1)а) + +Е•ю • сов(ю(к- 1)а)}-{А1 • sm(юt) + Е•ю • cos(|t)}]х х(А2 + ю2 • Е)-1 • В • sign(sin[юt]). Значение вектора решений X в момент коммутации th1:

Хк1 = X(гк1) = еАу2к1 'а • Xо + [еЛу2к1 'а {А1 • sin(ю(k - 1)а) + + Е • ю • cos(ю(k - 1)а)} - {А1 • sin(ю(k -1 + г^ )а) + + Е • ю • cos(ю(k -1 + гк1 )а)}] х х (Л2 + ю2 • Е)-1 • В • sign(sin[ю(k -1 + гк1 )а]). 2. Участок справа от момента коммутации: tkl < t < tk2 . Коммутационная функция на данном участке принимает значение Кр = 0. Схема замещения преобразователя представлена на рис. 3, б.

Основная матрица системы и вектор вынуждающих воздействий на этом участке имеют значения

Ao =

R 1 "

L L , B = Um/L

1 1 _ 0 _

C C • RH _

Начальными условиями являются значения вектора переменных состояний в момент коммутации ключа tk1

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

Х0 = Х*м = Х (tkl).

Решение системы (1) на данном интервале непрерывности запишется как Х(г) = еА2(г-ги) • Х^ + [еА2(г-ги){А2 • sin(юtk1) + Е• ю • ^(юг^)} -{А2 • вт(юг) + Е• ю • cos(юг)}]

+ |e 2V {А2 • sin(rotki) + E• ю • cos(rotfe1)} -{А2 • sin(rot) + ] х (A2 +ю2 • E)-1 • B • slgn(sln[rot]).

k2

Значение вектора переменных состояний в момент снижения тока до нуля г,

Х(^2,*и) = еА2(^2-ги)а • Xfk1 + [еА^2-г^)а х х {А2 • sin(ю(k -1 + )а) + Е • ю • cos(ю(k -1 + )а)} --{А2 • sin(ю(k -1 + Zk2 )а) + Е^ ю • cos(ю(k -1 + ^2 )а)}] х х(А2 +ю2 • Е)-1 • Б• sign(sin[ю(k-1 + г^)а]). 3. Участок справа от момента коммутации: tk2 < г < k • а . Коммутационная функция на данном участке принимает значение Кр = 0, а ток дросселя iL = 0. Схема замещения

преобразователя на этом участке представлена на рис. 3, в.

Основная матрица системы и вектор вынуждающих воздействий на этом участке имеют вид

Аз =

0 0 0 - 1

C • R

H

Вз=

Начальными условиями для этого интервала гладкости являются значения вектора переменных состояния в момент времени

Х0 = Xk2 = Х (^2 ) .

Решение системы (1) на данном интервале имеет вид

Х(г) = еА3(г-^2) • + [еА3(г-^2){А3 • sin(юtk2) + Е• ю • cos(юtk2)}-

2 2 -1

-{А3 • sin(юt) + Е • ю • cos(юt)}]• (А2 +ю • Е) • Б3 • sign(sin[юt]).

Учитывая, что вектор вынуждающих воздействий В3 является нулевым, (6) сведется к виду

X (г) = е**^ Х*2.

В конце такта вектор переменных состояний определяется из выражения

X(г) = еА3(1"^)а • Х^2 .

Для поиска решения системы (1) необходимо решение на каждом из участков гладкости дополнить алгоритмом поиска моментов коммутации (определение и г^). Поиск и возможен любым из известных численных методов.

Результаты математического моделирования

Моделирование проводилось при следующих исходных данных.

Параметры силовой части: действующее напряжение сети — ис = 220 В; напряжение на выходе — ивых = 400 В; частота коммутации силового ключа — fk = 40 кГц; индуктивность — L = 2,4 мГн; емкость — С = 1000 мкФ; сопротивление, учитывающее потери в преобразователе, — R = 1 Ом; эквивалентное сопротивление нагрузки — RН = 160 Ом.

Параметры системы управления: делитель выходного напряжения — рх = 0,01; напряжение задания — из = 4 В; делитель тока дросселя — р2 = 1; делитель входного выпрямленного напряжения — р3 = 0,0032; коэффициент усиления регулятора напряжения — ах = 20; коэффициент усиления регулятора тока — а2 = 10; амплитудное значение генератора развертывающих напряжений — и0П = 10 В.

На рис. 4 показаны временные диаграммы работы ККМ для перечисленного набора параметров. Как видно, при пуске системы формируется бросок тока, до уровня 102 А, что обусловлено разряженной емкостью и прямым пуском модели. В реальных преобразователях необходимо избегать прямого пуска и использовать плавный запуск устройства с

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

X

целью исключения чрезмерно больших пусковых токов, способных вывести преобразователь из строя.

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Время, с Рис. 4. Мгновенные значения токов и напряжений ККМ

На рис. 5 для примера представлено влияние коэффициента усиления регулятора тока а2 на быструю динамику потребляемого из сети тока. Для наглядности диаграммы приведены в укрупненном масштабе.

4

3 •

' * •

2 . - 4

1 * * * *

- , •' *

0

4

3

2

7600 7620

7640 7660 7680 7700 Номер такта

7600 7620

7640 7660 7680 7700 Номер такта

0

0,19 0,1905 0,191 0,1915 0,192 0,1925 Время,с а

0,19 0,1905 0,191 0,1915 0,192 0,1925 Время,с б

2

Рис. 5. Бифуркационные и временные диаграммы потребляемого тока: а - а2 = 20; б — а2 = 50

Из диаграмм видно, что работа преобразователя в течение полупериода сетевого напряжения может осуществляться не только в одноцикловом режиме, но и в режимах с более высокими порядками циклов, в которых наблюдаются колебания тока с увеличен-

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

ным размахом. Эти явления также имеют влияние на показатели качества функционирования преобразователя и предъявляют более жесткие требования к выбору активных и пассивных элементов схемы.

Выводы

1. Разработана численно-аналитическая модель однофазного ККМ, учитывающая наличие синусоидального входного воздействия и режима прерывистого тока дросселя.

2. Используемый авторами подход позволяет исследовать как медленные, так и быстрые динамические процессы в ККМ, а также проводить оптимизацию параметров системы.

Литература

1. Tse C.K. Theoretical Study of Switching Power Converters with Power Factor Correction and Output Regulation / C.K. Tse, M.H.L. Chow // IEEE Transactions on Circuits and Systems - I: Fundamental Theory and Applications. - 2000. - Vol. 47, № 7 (July). -P. 1147-1155.

2. Статические компенсаторы реактивной мощности в электрических системах: пер. тематического сб. рабочей группы исслед. ком. N39 СИГРЭ / Под ред. И.И. Карташева. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 174 с. - (Энергетика за рубежом).

3. Andriyanov A.I. A Comparative Characteristic of Different Kinds of Pulse-Width Respect to the Topology of Regions of Existence of Periodic Operating Conditions / A.I. Andriyanov, G.Ya. Mikhalchenko // Electrical Technology. - 2004. - № 4. - P. 166181.

4. Баушев В.С. О недетерминированных режимах функционирования стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием / В.С. Баушев, Ж.Т. Жусубалиев // Электричество. - 1992. - № 8. - C. 47-53.

5. Алейников О.А. Исследование локальной устойчивости периодических режимов в нелинейных импульсных системах / О.А. Алейников, В.С. Баушев, А.В. Кобзев, Г.Я. Михальченко // Электричество. - 1991. - № 4. - C. 16-21.

6. Iu H.H.C. Fast-scale instability in a PFC boost converter under average current mode control / H.H.C. Iu, Y. Zhou, C.K. Tse // Int. J. Circuit Theory Appl. - 2003. - Vol. 31, № 6. - P. 611-624.

Михальченко Геннадий Яковлевич

Д-р техн. наук, проф. кафедры промышленной электроники ТУСУРа

Тел.: (382-2) 41-32-32

Эл. почта: mail@comprel.ru

Малаханов Алексей Алексеевич

Канд. техн. наук, доцент кафедры электронных, радиоэлектронных и электротехнических систем

Брянского гос. тех. университета

Тел.: (483-2) 56-36-02

Эл. почта: aep@bitmcnit.bryansk.ru

G.Ya. Mikhalchenko, A.A. Malakhanov

Mathematical model of single-phase power factor corrector

A numerically-analytical model of the single-phase power factor corrector, which is based on the single-cycle voltage increasing type converter, is presented. The possibility of dynamics research of the closed loop regulation system is analyzed. Tendencies in changes of the energy characteristics of a converter are evaluated for sorting choice of passive components parameters.

Key words: corrector of a power factor, pulse-width modulation, partially-linear differential equations, bifurcation analysis, power indicators.

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008