Embed Size (px)
Citation preview
ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ ФИЛИАЛ ПЛОВДИВ
ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОНИКА И АВТОМАТИКА КАТЕДРА ЕЛЕКТРОНИКА
инж. Васил Димитров Михов
КЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ
АВТОРЕФЕРАТ
НА ДИСЕРТАЦИЯ ЗА ПРИСЪЖДАНЕ НА ОБРАЗОВАТЕЛНА И НАУЧНА СТЕПЕН “ДОКТОР”
ПРОФЕСИОНАЛНО НАПРАВЛЕНИЕ: 5.2 ЕЛЕКТРОТЕХНИКА, ЕЛЕКТРОНИКА И АВТОМАТИКА
НАУЧНА СПЕЦИАЛНОСТ: ИНДУСТРИАЛНА ЕЛЕКТРОНИКА
ПЛОВДИВ
2011
2
Маг. инж. Васил Димитров Михов е редовен докторант към катедра „Електроника” при Факултет по електроника и автоматика на ТУ-София – филиал гр. Пловдив.
Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита от катедра «Електроника» при
Факултет по електроника и автоматика на ТУ-София – филиал гр. Пловдив на заседание, проведено на 20.06.2011г. (Протокол No. 6/20.06.2011г.).
Защитата на дисертацията ще се състои на 02.11.2011г. от 14:00 часа в ТУ-София, филиал гр. Пловдив, корпус 4 – Аула. Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията на ФЕА на ТУ-София – филиал гр. Пловдив. Авторефератът, рецензиите и становищата на членовете на научното жури са публикувани на Интернет-страницата на Технически Университет – София.
Научен ръководител: доц. д-р инж. Емил Иванов Динков
Рецензенти: проф. дтн инж. Тодор Стайков Тодоров доц. д-р инж. Цаню Тодоров Цанев
Автор: инж. Васил Димитров Михов Заглавие: КЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ Тираж: 30 броя Печатна база: ТУ-София
3
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Актуалност на проблема В областта на електронните устройства тенденцията в последните години е свързана главно
с подобряване на техните характеристики по отношение на ефективност, надеждност и т.н. Ключовите преобразуватели намират приложение в почти всички области на съвременната електроника и електротехника. С развитието на технологиите се разширява използването на нови полупроводникови елементи с подобрени работни характеристики, използват се специализирани драйверни схеми за ключове с двустранна проводимост, усъвършенствани методи за управление и т.н. като целта е да се постигнат максимално добри енергийни показатели на силовите електронни устройства.
Ключовите преобразуватели с двустранно предаване на енергия използват ключови елементи с двустранна проводимост, както и специализирани схеми за управление. Този тип силови устройства намират приложение в различни области – регулиране и стабилизиране на напрежение, електрозадвижване, преобразуване, пренос и съхранение на електрическа енергия, добивана както от конвенционални, така и от алтернативни източници.
Особеностите на посочените приложения поставят специални изисквания към ключовите преобразуватели – те трябва да имат добри енергийни показатели по отношение на хармоничен състав, малки собствени загуби, да не оказват влияние върху параметрите на електрическата мрежа, да осигуряват необходимите работни условия според изискванията на товара, към който са свързани.
Постигането на тези изисквания при приложението на ключови преобразуватели с двустранно предаване на енергия става чрез използването на подходящи методи и алгоритми за управление или чрез създаването на усъвършенствани силови преобразуватели и драйверни схеми.
Цел на дисертацията Изследване на качествените показатели и подобряване на характеристиките на
постояннотокови и променливотокови ключови преобразуватели с двустранно предаване на енергия, с приложение в устройства за изравняване заряда на последователно свързани акумулаторни батерии и в устройства за регулиране на интензитета на газоразрядни източници на светлина.
Основни задачи 1.Анализ на конкретните схеми, които ще бъдат предмет на дисертацията, въз основа на
качествени показатели и характеристики като функционалност, ефективност, собствени загуби, хармоничен състав на входни и изходни велични.
2.Симулационно и експериментално изследване на постояннотоков ключов преобразувател с двустранно предаване на енергия, с приложение в устройство за изравняване заряда на последователно свързани акумулаторни батерии.
3.Симулационно и експериментално изследване на променливотоков ключов преобразувател с двустранно предаване на енергия, с приложение в системите за управление на осветлението с газоразрядни източници.
4.Симулационно и експериментално изследване на драйверни схеми с приложение за управление на двустранни ключове със синхронно управление.
5.Предлагане на нови или подобрение на съществуващи решения по отношение на усъвършенствани схеми за управление на ключови преобразуватели с двустранно предаване на енергия.
4
Методологична основа Основните задачи на дисертацията са решени чрез използване на съвременни методи за
анализ на преобразувателни схеми, използване на програмни продукти за симулиране и моделиране на електронни схеми, разработване на експериментални макети и провеждане на лабораторни изследвания.
Научни приноси 1.Извършен е анализ на постояннотоков ключов преобразувател с двустранно предаване на
енергия, в приложение като устройство за изравняване на заряда на последователно свързани акумулаторни батерии и ултра-кондензатори. Дадените симулационни изследвания показават резултатите за два различни вида управление – с ШИМ и с делта модулация.
2.Направено е сравнение между видовете управление по отношение на качествени показатели – активни загуби вследствие работата на схемата при изравняване на напреженията, коефициент на пулсации на изходни величини, ефективност. Постигнатите резултати са обобщени за два от основните типове елементи, използвани за съхранение на енергия – акумулатори и ултра-кондензатори, и доказват положителния ефект от използването на схеми за изравняване на заряда по отношение подобряването на параметрите при експлоатация.
3.Създаден е експериментален прототип и са направени практически изследвания на изравняващо устройство за две последователно свързани акумулаторни батерии, потвърждаващи резулатите, получени при симулационите изследвания. Експерименталният прототип е с приложна насоченост и се използва за обучение на студенти като лабораторен макет.
4.Извършен е анализ на променливотоков ключов преобразувател с двустранно предаване на енергия в приложение за регулиране интензитета на газоразрядни лампи. Симулационните изследвания за различни топологии на силова схема (с тиристори и с транзистори) и за различни видове управление - фазово и с ШИМ, показват постигане на поставената цел по подобряване на параметрите по отношение на качествени показатели на регулирането, хармоничен състав на входни и изходни величини.
5.Създаден е експериментален прототип и са дадени обобщени резултати от практическите изследвания на различните схеми за регулиране, чрез които се постига подобрение на характеристиките по отношение на консумирана мощност и собствени загуби. Чрез предложения начин за подобряване на хармоничния състав и на фактора на мощността при регулиране на интензитета на газоразрядни лампи, с използването на схема за активна корекция, се достига повишение на качествените показатели на използваните преобразуватели при различните видове управление.
6.Създадена и изследвана е усъвършенствана драйверна схема за двустранни ключове и синхронно управление, с динамично определяне на времето на пауза между работните тактове. Направена е съпоставка на получените резултати с тези, получени при управление с фиксирано време на пауза, които доказват положителния ефект от нейното използване по отношение намаляване на загубите при превключване и подобряване на параметри като коефициент на пулсации и хармоничен състав на величините.
Внедрявания и практическа приложимост Разработените и изследваните схеми и методи за управление на постояннотокови и
променливотокови ключови преобразуватели с двустранно предаване на енергия, както и на усъвършенствани драйверни схеми за синхронни и двустранни ключове, са използвани в учебния процес по дисциплините “Специализирани захранващи устройства”, “Приложни електронни схеми и устройства” и “Електронни енергийни преобразуватели”. Част от изследванията върху ключовите преобразуватели са свъзани с договор 08227-пд17 за проект по подпомагане на докторанти към ТУ-София.
5
Публикации Основните теоретични, симулационни и експериментални резултати от дисертационния
труд са представени в седем публикации, от които две в сп. “Инженерни науки” кн.1 и кн.2 за 2010г., една на международен семинар по ВЕИ през 2008г. в гр. Патра, Гърция, и четири доклада на специализирани научни конференции с международно участие - “Електроника ЕТ2007 и ЕТ2008”, Созопол и “Електроника 2008”, София.
Обем и структура на дисертацията Дисертацията е разработена в обем от 150 страници. Състои се от увод, четири глави и
библиографска справка от 124 заглавия. Съдържа 112 фигури и 19 таблици.
КРАТКО СЪДЪРЖАНИЕ НА РАБОТАТА
ГЛАВА ПЪРВА ЛИТЕРАТУРЕН ОБЗОР
УСТРОЙСТВО, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИЛОЖЕНИЕ НА КЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ
1.1.ПОЛУПРОВОДНИКОВИ КЛЮЧОВИ ЕЛЕМЕНТИ С ДВУСТРАННА
ПРОВОДИМОСТ В много съвременни електронни устройства основна роля играят полупроводниковите
ключови елементи. Освен чисто електротехническите изисквания по отношение на максимално допустими стойности на работните величини, към тях се предявяват и функционални изисквания. Поради липсата на полупроводникови елементи с двустранна проводимост е необходимо те да се синтезират от други съществуващи елементи. Тук са показани някои от схемите на тяхното изпълнение.
1.2.ПОСТОЯННОТОКОВИ КЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ – ОСОБЕНОСТИ
През последните години в практиката широко навлизат схеми от типа на синхронните ключови преобразуватели. В този случай обратният диод в схема на ключов преобразувател с някоя от известните топологии е заменен с втори MOSFET транзистор. По този начин се получава преобразувател с подобрени характеристики. Естествено освен предимства на използване на втори транзистор, този тип схеми имат и недостатъци. Освен по-високата цена на транзисторите е необходимо и съгласувано управление от драйверната част с всички произтичащи от това особености, една от които е необходимостта от пауза между работните тактове на двата транзистора.
1.3.ПРИЛОЖЕНИЕ НА ПОСТОЯННОТОКОВИТЕ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ В УСТРОЙСТВА ЗА ИЗРАВНЯВАНЕ НА ЗАРЯДА НА ПОСЛЕДОВАТЕЛНО СВЪРЗАНИ АКУМУЛАТОРНИ БАТЕРИИ И КОНДЕНЗАТОРИ С ГОЛЯМ КАПАЦИТЕТ
Много често в практиката се използват пакети от последователно свързани акумулаторни клетки и батерии с цел осигуряване на зададено напрежение и ток. Освен това често се комбинират пакети от акумулатори в допълнение с ултра-кондензатори, като по този начин се осигурява баланс между техните специфични динамични характеристики. Както всички останали електронни елементи те също имат толеранс в работните параметри между отделните клетки, дори и от един и същ тип. Основната задача на този тип преобразуватели е чрез подходящ алгоритъм на комутация да прехвърлят част от заряда между отделните клетки в процеса на конвенционалното им зареждане от общ външен източник. По този начин се постига много по–прецизно изравняване на потенциалите, без самите клетки да се натоварват с допълнителен ток или да се включват разрядни вериги, в които да се губи енергия.
6
1.4.ПРОМЕНЛИВОТОКОВИ КЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ – ОСОБЕНОСТИ
В литературата и практиката като класически пример за еднофазни променливотокови ключови преобразуватели с двустранно предаване на енергия са посочени схеми, изпълнени с един или повече двустранни ключове – полу или пълноуправляеми, в различна топология – тиристорни, транзисторни. Като основен недостатък на тиристорните ключови преобразуватели се изтъква лошият хармоничен състав на величините, лошият фактор на мощността дори при прилагане на усъвършенствани методи за комутация, както и някои ограничения в начините на управление, породени от особеностите на тиристорната структура. С развитието на полупроводниковата техника и навлизането на нови елементи като IGBT и MOSFET транзисторите те получават голямо приложение в променливотоковите ключови преобразуватели. Главните им предимства са тяхната пълноуправляемост, много по-добрата им шумоустойчивост, повишена гъвкавост при прилагане на различни методи за управление и модулация, малки собствени загуби и т.н.
1.5.ПРИЛОЖЕНИЕ НА ПРОМЕНЛИВОТОКОВИТЕ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ В СИСТЕМИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА ОСВЕТЛЕНИЕТО С ГАЗОРАЗРЯДНИ ИЗТОЧНИЦИ
Предимствата на този вид източници на светлина пред обикновените лампи с нажежаема жичка и луминесцентните тръби са различни - много по-голямо съотношение интензитет / консумирана мощност, дълъг работен цикъл(живот), фиксиран диапазон на излъчване, който може да се определя в зависимост от вложените активни материали при конструирането на лампата и др. Характерните особености на газоразрядните източници на светлина изискват специални схеми и принципи на управление, които разширяват и правят по-универсално и икономично тяхното приложение без да влошават техните безспорни предимства посочени по-горе. Като такива може да се използват променливотокови преобразуватели с двустранно предаване на енергия в някои от посочените видове - с тиристори или с транзистори.
1.6. ДРАЙВЕРНИ СХЕМИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА КЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ В разгледжданите схеми на управление за различни видове полупроводникови ключове
основно място заемат използваните в силовата верига ключови елементи. Схемите за управление трябва да бъдат изцяло съобразени с техните изисквания по отношение форма, големина, продължителност на сигналите, съгласуване между драйверна и силова част, товароспособност и т.н. В реалните схеми и в случаите на управление на двустранни ключове възникват и други особености, произтичащи най-вече от конкретната схемна реализация и приложение.
ОБОБЩЕНИЯ И ИЗВОДИ В обобщение на казаното дотук относно схемотехниката на различните типове ключови
преобразуватели с двустранно предаване на енергия и особеностите на приложението им като устройства за изравняване на заряда/разряда на последователно свързани акумулаторни батерии (ултра-кондензатори) може да се каже, че съществуват следните особености:
-Необходимо е приложението на подходяща топология на силовата схема с оглед намаляването на собствените загуби, повишаване ефективността и точността на контролиране на зареждането на акумулаторите - може да се постигне чрез използване на елементи с малки собствени загуби, правилно организиране на веригата на обратна връзка и т.н. Използването на някоя от показаните по-горе топологии на непосредствено или трансформаторно свързване трябва да се определя с оглед на конкретния случай, изискванията за галванично разделяне, модулност на устройството и т.н., както и постигането на предварително зададените параметри на регулиране.
-Необходимо е да има възможност за промяна посоката на тока в схемата във всеки един момент под въздействие на системата за управление - за изпълнението на това условие могат да се използват еднотактни ключови преобразуватели от инвертиращ тип или с кондензаторно разделяне. Те могат да работят както в повишаващ, така и в понижаващ режим, в зависимост от коефициента на запълване на управляващите импулси.
7
-Изборът на конкретна схема в практическите приложения трябва да се ръководи и от изискванията за минимална собствена консумация в статичен режим, наличието на допълнителни функции и защити по минимално напрежение, по максимално допустим ток и т.н.
Изпълнението на тези изисквания може да осигури добри качествени показатели на конкретното устройство имайки предвид, че в областта на акумулаторните захранващи системи много важни фактори са тези като висока ефективност, дълъг експлоатационен цикъл без необходимост от подмяна на елементи и др.
По отношение особеностите и характеристиките на променливотоковите преобразуватели с двустранно предаване на енергия, с приложение в системи за управление на осветлението, се налагат следните изводи:
-За регулиране на осветеността в различните системи се използват предимно електронни устройства, които притежават редица предимства в сравнение с механичните методи за регулиране.
-Приложението на конкретна топология на ключов преобразувател трябва да удовлетворява изискванията по отношение експлоатация на лампата, които са предписани от производителя.
-Използването на различните схемни решения се ръководи от изискванията за ефективност на регулирането и допустими отклонения на качествените параметри, посочени при свързване на преобразувател – електрическа мрежа.
-В съвременните практически приложения се използват по-често транзисторни регулатори, заради техните безспорни предимства пред класическите тиристорни регулатори по отношение на пълноуправляемост, малки собствени загуби, повишена работна честота и по-добър хармоничен състав.
Изпълнението на тези изисквания може да осигури добри качествени показатели на конкретното устройство като се има предвид завишените критерии по отношение на енергийната ефективност на преобразувателите.
ГЛАВА ВТОРА
КЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ, ИЗПОЛЗВАНИ В УСТРОЙСТВА ЗА ИЗРАВНЯВАНЕ НА ЗАРЯДА НА ПОСЛЕДОВАТЕЛНО СВЪРЗАНИ АКУМУЛАТОРНИ
БАТЕРИИ
2.1.ПОСТОЯННОТОКОВ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ ОТ ИНВЕРТИРАЩ ТИП С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ – АНАЛИЗ, ОСНОВНИ ЗАВИСИМОСТИ И ОСОБЕНОСТИ
При анализа на електромагнитните процеси в схемата на постояннотоков преобразувател с двустранно предаване на енергия може да се използва еквивалентната заместваща схема от фиг.2.1, описваща двата основни интервала на работа - натрупване (интервал 1) и разсейване (интервал 2) на енергия в индуктивността L:
интервал 1 интервал 2
фиг.2.1
8
Във всеки един интервал се променят състоянията на елементите R, L, C под въздействие на превключване на ключовете. За описание на процесите на превключване се въвежда комутационна функция К, която обикновено приема стойности 0 или 1 за различнте интервали:
(2.1)
−<<
<<=
ττ
Ttt
K00
01
Уравненията, описващи двата интервала на линейност, имат вида вида :
(2.2) dt
tuBtYAtdY )(.)(.)( 11 +=, τ<< t0
dt
tuBtYAtdY )(.)(.)( 22 +=, τ−<< Tt0
където Y(t)=[Y1,Y2, …. Yn] – вектор на фазовите координати, в качеството на които са избрани напреженията върху кондезаторите и токовете през индуктивностите. А1, А2, B1, B2 са квадрантни матрици, чийто елементи се явяват елементите в еквивалентната заместваща схема, която ще бъде анализирана.
В случая се приема, че основната честота на веригата на ключовия преобразувател е много по-малка от ключовата честота. Това се прави с цел премахване на високочестотните хармоници при цялостния анализ. В допълнение величините се линеаризират и могат да се представят като постоянноткови стойности в допълнение с малки високочестотни пулсации:
(2.3) )(*)()(*)()(*)(
tttuUtutyYty
γγγ +=+=+=
при условие, че:
(2.4)
)(*
)(*
)(*
t
tuU
tyY
γγ >>
>>
>>
Тогава цялостният модел на състоянието на преобразувателя може да се опише посредством следните равенства:
(2.5) 21 ).1(.
..0AAA
UBYAγγ −+=
+=
За удобство на анализа тук се въвежда нормиращ вектор, който удовлетворява решението на горните две уравнения. По този начин за изходните уравнения, които ще се използват за анализа на установения режим, може да се запише:
(2.6) dt
UcktYAtdY ..)(.)( 11 += ∗∗
, τ<< t0
dt
UcktYAtdY ..)(.)( 22 += ∗∗
, τ−<< Tt0
Системата диференциални уравнения, описваща работата на схемата в първия интервал е следната:
9
(2.7)
0..
0.
0.
..
0.
0.
..
1
22
222
222
2222222
11
111
111
1111111
=−+
=−+
=+
=−−+
=−+
=+−
=+++
uirdtdiL
iR
UdtduC
idtduC
EuuirdtdiL
iRu
dtduC
iidtduC
EuuirdtdiL
LL
p
cpcpp
cp
p
pcpcp
L
cp
, τ<< t0
Системата диференциални уравнения, описваща работата на схемата във втория интервал е следната:
(2.8)
0..
0.
0.
..
0.
0.
..
2
22
222
222
2222222
11
111
111
1111111
=−+
=++
=−+
=−−+
=++
=−
=+++
uirdtdiL
iru
dtduCp
iidtduC
EuuirdtdiL
iru
dtduC
idtduC
EuuirdtdiL
LL
p
cpcp
L
cp
p
cpcpp
cp
, τ−<< Tt0
С обозначаването на фазовите координати се получава матрицата от вектори и коефициенти на уравненията:
(2.9) 252431211 ;;;; iYuYiYuYiY L =====
Заместването на коефициентите, съответстващи на двата основни интервала на работа на схемата, в началните уравнения за вектора на фазовите координати дава вида на уравненията, описващи установеният режим на работа:
( )( ) ( )[ ]EZZZZZZY CloadCloadCL ...1.. 22
212
1 γγ −=++=∗ Q
( ) ( )[ ]EZZZZZZY CloadCloadLC ...1. 22
212 γ−++=∗ Q
(2.10) [ ]EZZZY CloadC )..(. 213 +=∗ γ Q
10
EZZZY CloadC ...).1.( 214 γγ −−=∗ Q
[ ]loadZYY /45∗∗ =
където:
(2.11)
[ ] ).(....)1().().(
./1./1
./1,./1
2112
22
211
22
11
2211
CloadCCloadCloadLC
C
C
EEload
ZZZZZZZZZZZQ
CjZCjZ
CjRCjRZ
++−+++=
==
++=
γγ
ωω
ωω
При настоящият анализ водещи са изискванията за минимална собствена консумация и загуби в схемата, стойности на максимален ток и допустим коефициент на пулсации на входни и изходни величини, съобразно изискванията за отделните акумулаторни батерии. Ето защо за определянето на базовите коефициенти отразяващи величините, имащи отношение към настоящето изследване, се използват следните безразмерни параметри:
-коефициент на загубите във входната верига Q1:
(2.12) LQ sw .1 ω=
1r
-коефициент на загубите в изходната верига Q2:
(2.13) LQ sw .2 ω=
2r
-коефициент на корекция на входната верига B1:
(2.14) LB .21 π=
1C
-коефициент на корекция на изходната верига B2:
(2.15) LB .22 π=
2C -коефициент на натоварване β:
(2.16) loadsw ZT
L..2
=β
където Zload е големината на импеданса на товара, в случая акумулаторна батерия с нейните характеристики – капацитет, вътрешно съпротивление и т.н.
-коефициент на динамична реакция KD:
(2.17) )1.(
.SOCKt
CRK PP
D −=
При анализа на постояннотоковия ключов преобразувател се използват решенията нa СДУ като се изследва влиянието на въведените коефициенти върху работата на схемата. Резултатите от изчисленията са изведени в графичен вид:
-влияние на коефициента на загубите във входната верига Q1 – фиг.2.3 -влияние на коефициента на загубите в изходната верига Q2 – фиг.2.4 -влияние на коефициента на корекция на входната верига В1 - фиг.2.5 -влияние на коефициента на корекция на изходната верига В2 – фиг.2.6 -влияние на коефициента на натоварване β – фиг.2.7 -влияние на коефициента на динамична реакция KD – фиг.2.8
11
фиг.2.3 фиг.2.4
фиг.2.5 фиг.2.6
фиг.2.7 фиг.2.8
12
2.2.СИМУЛАЦИОННО ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПОСТОЯННОТОКОВ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ ЗА ИЗРАВНЯВАНЕ ЗАРЯДА НА ПОСЛЕДОВАТЕЛНО СВЪРЗАНИ АКУМУЛАТОРНИ БАТЕРИИ
Използваният опростен симулационен модел се състои от постояннотоков източник на напрежение със стойност, равна на номиналното напрежение на съответната акумулаторна батерия. Елементите C, Rp u Rs описват характеристиките на акумулатора в процеса на зареждане и разреждане, при работата на постояннотоковия ключов преобразувател (фиг.2.9)
фиг.2.9
Съпротивлението Rp представя апроксимираната стойност на съпротивлението на основната верига на акумулаторната батерия. Неговата стойност варира според дълбочината на заряда на батерията. Стойността на Rp нараства по експоненциален закон, когато батерията е изтощена вследствие разреждане, и се определя по формулата:
(2.18) )ln(. DOCKpRp −=
където Кр е константа на съпротивлението в Ω, а DOC е дълбочината на заряда на батерията.
Кондензаторът С представя пълния капацитет на основната верига на акумулатора. Той представлява и константа, която описва закъснението на реакцията на напрежението на акумулатора при промяна на протичащия ток. Стойността на тази константа може да се определи по формулата:
(2.19) RpC /1τ=
където τ1 е времеконстанта на основната верига. Съпротивлението Rs най-често се използва като опростено описание на характеристиките
на акумулатора. То представлява т.нар. последователно или вътрешно съпротивление на акумулатора и неговата стойност нараства по експоненциален закон с промяната на състоянието на заряда на акумулатора (SOC). То играе главна роля при зареждането на акумулатора и се отразява като активни загуби в клетката. Неговата стойност варира при промяната на протичащия ток. Големината на съпротивлението Rs може да се определи по формулата:
(2.20) [ ])1.(exp. 1 SOCKKsRs −= ).exp(1 02 IK+
където Ks е константа на съпротивлението в Ω, К1 и К2 са константи.
Уравненията за коефициентите SOC и DOC са следните:
(2.21) QeSOC −= 1 / ),0( θC ; QeDOC −= 1 / ),( 0 θIC
където Qe е заряда на акумулаторната батерия в ампер-секунди, С е капацитета на батерията в ампер-секунди, θ е температурата на електролита, а Io e сумарната стойност на разрядния ток в ампери.
13
Блокова схема на изследвания постояннотоков ключов регулатор от инвертиращ тип е показана на фиг.2.10.
фиг.2.10
Величините като големина и форма на тока и напрежението се представят директно в графичен вид като изходни данни, получени при симулациите. Част от тези данни се използват за изчисление на общите загуби във всяка една от схемите и коефициента на полезно действие. Като база за изчисление могат да се използват уравнения, отразяващи загубите в силовата схема както и тези, причинени от неидеалните характеристики на всеки един от акумулаторите.
Характеристиките на двустранният ключов преобразувател, използван като изравняващо устройство, при управление с ШИМ са показани на фиг.2.11. На нея се виждат управляващите сигнали, формата и големината на тока и напрежението в силовата част на схемата, както и пулсациите върху товара, породени от работата на ключовата схема за разпределение. При симулационните изследвания са използвани стойности на основните величини и коефициенти, отговарящи за приложение с ултра-капацитет 150F и такова с акумулаторна батерия 75Аh, при номинално напрежение на батерията / кондензатора 12V и стойност на L=1,2mH. Изчислените стойности на собствени загуби в схемата и коефициента на нейната ефективност са посочени в таблица 2.1.
При същите условия на изследване на фиг.2.12 са показани характеристиките на изравняващо устройство, при което се прилага т. нар. модулация-грешка или делта модулация. Стойностите на общите загуби и ефективността на схемата при този тип управление са показани в таблица 2.2. И тук получените резултати се отнасят до два случая на приложение - с ултра-капацитет 150F и с акумулаторна батерия 75Аh.
14
фиг.2.11 фиг.2.12
Загуби в схема-еквалайзер, W
Загуби в акумулаторна батерия, W
Общи загуби, W Ефективност %
0,544 1,71 2,254 92,4
Таблица 2.1
Загуби в схема-еквалайзер, W
Загуби в акумулаторна батерия, W
Общи загуби, W Ефективност %
1,232 2,91 4,142 86,2
Таблица 2.2
Обобщените резултати от изследванията по отношение на качествени показатели и активни загуби са показани на диаграмата на фиг.2.13 за двата основни типа на управление:
фиг.2.13
15
2.3. ИЗВОДИ От сравнителните изследвания на схемата за разпределение заряда на последователно
свързани акумулатори или ултра-кондензатори може да се направят следните изводи: 1.Акумулаторите и ултра-кондензаторите като товар с променливи характеристики оказват
влияние върху динамичния обхват на работа на ключовия преобразувател. Схемата на изравняващото устройство трябва да работи стабилно в по-голям динамичен обхват на разлика в напреженията на акумулаторите, за да може да посрещне изискванията по отношение изменение на товарния ток и коефициент на пулсации характерно при първоначално включване.
2.Различията в характеристиките на двата основни вида елементи –акумулатори и ултра-кондензатори, водят и до разлики в резултатите, получени при изследването. Като цяло акумулаторните батерии се отличават с по-малко влияние при процесите на разпределение на заряда, както и с по-бавна реакция на динамичните изменения на тока и напрежението.
3.Управлението на силовата схема влияе върху общите резултати по отношение на пулсации на напрежението, общи активни загуби и др. при еднакви други условия на изследване, еднакви параметри на силовата схема и на използваните елементи. В случая на управление с ШИМ и отклонение от 1V между напреженията на отделните батерии пулсациите са в границите на 10% от номинално напрежение и ефективността на изравняващото устройство е над 90%. При управление с делта модулация пулсациите достигат до 20% и ефективността е по-ниска – 82-85%.
4.Като показатели, поведение и характеристики при различните изследвани видове товар - акумулатори и ултра-кондензатори, схемата на управление с ШИМ показва по-добри резултати и по-малко влияние към измененията на товара. Това е свързано и с посочените по-горе изисквания за голям коефициент на усилване на регулиращата верига, динамичния диапазон на работа и т.н. Спецификата на приложението на делта модулация като регулиране обуславя съществуването на подчинен регулатор на ток, контролиращ работата на силовата схема. Това в конкретният случай води до по-големи отклонения поради променливите характеристики на товара. Ето защо управлението с ШИМ може да бъде предпочетено като решение в приложенията, свързани с устройства за разпределение на заряда на две или повече акумулаторни батерии и банки от ултра-кондензатори, особено ако се използва в случай на по-голям брой звена, по-голяма стойност на товарния ток, голям толеранс в характеристиките на акумулаторите и др.
5.В следствие от изследванията може да се направи извода, че използването на изравняващо зарядите устройство подобрява динамичните характеристики и използваемостта на акумулаторните батерии, тъй като поддържането на еднаквост на техните потенциали в процеса на зареждане и разреждане води до по-голяма твърдост на характеристиките им при различните условия.
ГЛАВА ТРЕТА
KЛЮЧОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ, ИЗПОЛЗВАНИ В СИСТЕМИТЕ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА
ОСВЕТЛЕНИЕТО С ГАЗОРАЗРЯДНИ ИЗТОЧНИЦИ
3.1. ПРОМЕНЛИВОТОКОВ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ ОТ ПОНИЖАВАЩ ТИП С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ - АНАЛИЗ, ОСНОВНИ ЗАВИСИМОСТИ И ОСОБЕНОСТИ
На фиг.3.1 е показана еквивалентната заместваща схема на понижаващ ключов преобразувател с двустранно предаване, който се използва като регулатор на интензитета на газоразрядна лампа. Товара има комплексен характер в разглеждания случай, тъй като самата лампа има поведение на нелинейно съпротивление, което променя параметрите си в процеса на работа. Освен това в изходната верига е включен дросел с голяма индуктивност L с цел
16
поддържане на непрекъснат ток, необходим за устойчиви условия на работа на лампата. Ето защо в случая изследванията засягат главно работа на преобразувателя при RL-товар. Най-общо работата на схемата се разделя на два основни интервала:
-включен последователен ключ, изключен паралелен ключ, натрупване на енергия в индуктвността L, протичане на ток към товара (лампата) (интервал 1)
-изключен последователен ключ, включен паралелен ключ, прехвърляне на енергията натрупана в L към товара (лампата) (интервал 2)
интервал 1 интервал 2
фиг.3.1
Във всеки един интервал се променят състоянията на елементите R, L, C под въздействие на превключване на ключовете. За описание на процесите на превключване се въвежда комутационна функция К която обикновено приема стойности 0 или 1 за различнте интервали.
(3.1)
−<<
<<=
ττ
Ttt
K00
01
Уравненията, описващи различните интервали на линейност, имат вида вида:
(3.2) dt
tnTUmhtYAtdY )sin(..)(.)( 11 +== ω, τ<< t0
dt
tnTUmhtYAtdY )sin(..)(.)( 22 +++= τω, τ−<< Tt0
където Y(t)=[Y1,Y2, …. Yn] – вектор на фазовите координати, в качеството на които са избрани напреженията върху кондезаторите и токовете през индуктивностите. А1 и А2 са квадрантни матрици, чийто елементи се явяват елементите в еквивалентната заместваща схема, която ще бъде анализирана. Um и ω са съответно амлитуда и честота на входното напрежение, а h e m-мерен вектор.
За удобство на анализа тук е въведен комплексен вектор, имагинерната част на който удовлетворява решението на горните две уравнения, а реалната отразява уравненията, на които се използва трансформация на синусоидалната функция на входното напрежение в косинусоидална с еднакви амплитуда и фаза.
Уравнението на комплексния вектор може да бъде изразено както следва:
(3.3) ∗∗∗ += YjYY ImRe
Тогава за изходните уравнения, които ще се използват за анализа на установения режим, може да се запише:
(3.4) dt
eUcktYAtdY tnTj )(11 ...)(.)( +∗∗ += ω
, τ<< t0
dt
eUmcktYAtdY tnTj )(...2)(.2)( ++∗∗ += τω
, τ−<< Tt0
17
В резулатат на математическия анализ на схемите на ключовите регулатори е установено, че при пренебрежимо малък период на комутация К комплексният вектор на фазовите координати се изменя по закона:
(3.5) tjeUmjYtY ωωγ .).()( ∗∗ = или: (3.6) ( )[ ] ( )[ ]ckkAAEjjY ..1...1.)( 21
121 γγγγωωγ −+−−−= −∗
където Е е единична матрица, а с –1 е означена обратната матрица, γ – коефициент на запълване на управляващите импулси.
Системата диференциални уравнения, описваща работата на схемата в първия интервал, е следната:
(3.7)
dt
uirdiLdt
iiduCdt
uuirdiLdt
iiduCdt
euirdiL
lloadl
l
0..
0.
0..
0.
..
2
222
212222
2111
111111
=−+
=+−
=+−+
=+−
=++
, τ<< t0
Системата диференциални уравнения, описваща работата на схемата във втория интервал, е следната:
(3.8)
dt
irudiLdt
iiduCdt
irudiLdt
iduCdt
euirdiL
lloadl
l
0..
0.
0..
0.
..
2
222
22222
111
111111
=+−
=+−
=++
=−
=++
, τ−<< Tt0
Заместването на коефициентите, съответстващи на двата основни интервала на работа на схемата, в началните уравнения за вектора на фазовите координати дава вида на уравненията, описващи установения режим на работа:
[ ] tjmCloadCCloadCloadL eEZZZZZZZZY ωγ ..).(..)( 21221 ++++=∗
Q [ ]tj
mCloadLC eEZZZZY ωγ .).(.. 212 +=∗ Q
(3.9) [ ]tjmCloadC eEZZZY ωγ .)..(. 213 +=∗
Q
18
[ ]tjmCloadC eEZZZY ωγ ..... 214 =∗
Q [ ]loadZYY /4.5
∗∗ = където:
(3.10)
[ ] ).(...).().(
./1./1
.
2112
2211
22
11
CloadCCloadCloadLC
C
C
Lloadloadload
ZZZrZZZZZZrQ
CjZCjZ
ZLjRZ
+++++=
==
+=
γ
ωω
ω
В случая на приложението, което се разглежда, а именно регулиране на интензитета на газоразрядни източници, определянето на базовите коефициенти е свързано с определянето на параметрите, които са важни и които ще бъдат обект на настоящето изследване. Част от тях са допустимите отклонения от стандартните параметрите на мрежата, пулсации, загуби, хармонични изкривявания и др. В тази връзка при определянето на базовите коефициенти се използват следните безразмерни параметри и величини:
-коефициент на индуктивността на товарната верига LR:
(3.11) 2L
LLR =
-коефициент на загубите във входната верига Q1:
(3.12) 11 .LQ swω=
1r
-коефициент на загубите в изходната верига Q2:
(3.13) 22 .LQ swω=
2r -коефициент на натоварване на схемата β:
(3.14) loadsw ZT
L..2 2=β
-фактор на мощността на товарната верига cos φТ:
(3.15) 2
02 ).(
cosLr
r
load
loadT
ωϕ
+=
При анализа на променливотоковия ключов преобразувател се използват решенията нa СДУ като се изследва влиянието на въведените коефициенти върху работата на схемата. Резултатите от изчисленията са изведени в графичен вид:
-влияние на коефициента на индуктивността на товарната верига LR: - фиг.3.2 -влияние на коефициента на загубите във входната верига Q1 – фиг.3.3 -влияние на коефициента на загубите в изходната верига Q2 – фиг.3.4 -влияние на коефициента на натоварване β – фиг.3.5 -влияние на коефициента на запълване γ и на фактора на мощността на товара cos φТ –
фиг.3.6 и фиг.3.7
19
фиг.3.2 фиг.3.3
фиг.3.4 фиг.3.5
фиг.3.6 фиг.3.7
20
3.2.СИМУЛАЦИОННО ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПРОМЕНЛИВОТОКОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ ЗА РЕГУЛИРАНЕ ИНТЕНЗИТЕТА НА ГАЗОРАЗРЯДНИ ИЗТОЧНИЦИ НА СВЕТЛИНА
Симулационният анализ прави сравнение между два основни типа схеми за електронно регулиране, показани на фиг.3.8 – класическия променливотоков пробразувател с тиристори и променливотоков преобразувател от понижаващ тип, изпълнен с транзистори. Използвани са два от основните методи за управление - фазово управление и управление с ШИМ. Направено е сравнение на база хармоничен състав на входните и изходните величини – ток и напрежение. Изследванията се фокусират върху предимствата и недостатъците на различните видове управление като целта е намери най-подходящия от тях за конкретното приложение. Той трябва да удовлетворява изискванията както към лампата като товар (изход), така и към мрежовите показатели – големина и форма на консумирания ток, хармонични изкривявания, загуби и т.н.
фиг.3.8
При симулациите се използват източици на променливо напрежение с фиксирана стойност 220V/50Hz, като се разглежда единствено влиянието на схемата за регулиране. По отношение на характеристиките на товара, симулационните условия са идентични по стойност на тези при система, използваща 400W лампа и изходен дросел с индуктивност L=165mH.
Първият показан пример за тиристорен променливотоков регулатор с фазово управление (ъгъл на регулиране α). Това е най-простият и класически метод за регулиране на напрежението, но той страда от редица недостатъци. Част от тях са лош фактор на мощността, лош хармоничен състав, прекъсната форма на тока, консумиран от мрежата. Резулатите, постигнати при симулационните изследвания на този тип силова схема и управление са показани на фиг.3.9 и таблица 3.1. Вторият пример е за транзисторен IGBT регулатор с усъвършенствано фазово управление. При него работният цикъл започва в началото на всеки период и завършва при ъгъл на регулиране π-α. По този начин се подобрява фактора на мощността, тъй като консумирания ток от мрежата е с по-малко дефазиране, зависещо в случая от характера на товара. Независимо от това хармоничния състав на регулираните величини е недостатъчно добър. (фиг.3.10, таблица 3.2).
Останалата част от резулатите засяга изследването на транзисторен променливотоков регулатор от понижаващ тип. Използвани са два независими метода на управление с ШИМ, широко разпространени в практиката - при еднакви други условия резултатите от изследванията за управление с линейна шим (LPWM) са показани на фиг. 3.11 и таблица 3.3, за синусоидална ШИМ (SPWM) на фиг. 3.12 и таблица 3.4.
Предимствата на транзисторното регулиране се изразяват в по-добри качествени показатели, хармоничен състав и т.н. - в схеми с управление с линейна ШИМ (LPWM) коефициентът на хармонични изкривявания на консумирания и изходния ток е около 1-2 %, което е много добър резултат. В схемите с управление със синусоидална ШИМ (SPWM) той се движи в границите на 10-15%. За сравнение в тиристорните варианти този процент е над 30%.
21
Time
40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms- I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0A
SEL>>
V(Vsin:+)- V(Vsin:-)-400V
0V
400VV(th1:G)- V(th1:K)
-4.0V
0V
4.0V
Time
40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms- I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0A
SEL>>
V(Vsin:+) - V(Vsin:-)-400V
0V
400VV(M4:g)- V(M4:s)
-20V
0V
20VV(M1:g)- V(M1:s)
-20V
0V
20V
Time
40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms- I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0A
SEL>>
V(Vsin:+) - V(Vsin:-)-400V
0V
400VV(th1:G)- V(th1:K)
-4.0V
0V
4.0V
Time
40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms- I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0A
SEL>>
V(Vsin:+)- V(Vsin:-)-400V
0V
400VV(M4:g)- V(M4:s)
-20V
0V
20VV(M1:g)- V(M1:s)
-20V
0V
20V
фиг.3.9 фиг.3.10
a , deg 0 18 36 54 72 90 I(Vsin) ,A 3,23 2,83 2,67 2,45 1,74 1,56
I(Vsin) , THD% 0,18 0,18 4,4 15,1 26,6 39,6
Таблица 3.1
π-a , deg 180 162 144 126 108 90
I(Vsin) ,A 3,22 2,9 2,6 2,42 1,72 1,62 I(Vsin) , THD% 10,2 17,1 28,9 42,9 58,1 74
Таблица 3.2
22
Time
40ms 42ms 44ms 46ms 48ms 50ms 52ms 54ms 56ms 58ms 60ms- I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0AV(Vsin:+)- V(Vsin:-)
-400V
0V
400VV(S4:1)- V(S4:2)
0V
0.5V
1.0V
SEL>>
V(S1:1)- V(S1:2)0V
0.5V
1.0V
V(Vin:+) V(Vtr:+)0V
5V
10V
Time
40ms 42ms 44ms 46ms 48ms 50ms 52ms 54ms 56ms 58ms 60msI(Rt)
-2.0A
0A
2.0A- I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0AV(Vsin:+)- V(Vsin:-)
-400V
0V
400VV(S1:1)- V(S1:2)
0V
0.5V
1.0V
SEL>>
V(Vtr:+) V(Vs:+)-10V
0V
10V
Time
40ms 42ms 44ms 46ms 48ms 50ms 52ms 54ms 56ms 58ms 60msI(Rt)
-2.0A
0A
2.0A-I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0AV(Vsin:+)- V(Vsin:-)
-400V
0V
400VV(S1:1)- V(S1:2)
0V
0.5V
1.0V
SEL>>
V(Vin:+) V(Vtr:+)0V
5V
10V
Time
60ms 62ms 64ms 66ms 68ms 70ms 72ms 74ms 76ms 78ms 80ms- I(Vsin)
-4.0A
0A
4.0A
SEL>>
V(Vsin:+)- V(Vsin:-)-400V
0V
400VV(S4:1)- V(S4:2)
0V
0.5V
1.0V
V(S1:1)- V(S1:2)0V
0.5V
1.0V
V(Vtr:+) V(Vs:+)-20V
0V
20V
фиг.3.11 фиг.3.12
γ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 I(Vsin) ,A 3,22 2,9 2,42 1,91 1,74
I(Vsin) , THD% 0,54 0,81 0,94 0,97 1,1 I(out) , THD% 0,36 0,37 0,54 0,63 0,93
Таблица 3.3
M 1,5 1,2 0,9 0,7 0,5
I(Vsin) ,A 3,24 2,87 2,51 1,93 1,62 I(Vsin),THD% 11,9 15,4 18,4 28,2 38,9 I(out), THD% 5,2 8,2 10,7 11,6 12,8
Таблица 3.4
23
3.3.ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПРОМЕНЛИВОТОКОВИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ ЗА РЕГУЛИРАНЕ ИНТЕНЗИТЕТА НА ГАЗОРАЗРЯДНИ ИЗТОЧНИЦИ НА СВЕТЛИНА
С цел потвърждаване на получените симулационни резултати са направени серия от експериментални изследвания на двата основни вида схеми за регулиране, използвани досега. За измерването на основните параметри е използван специализиран прибор на ABB Metrawat, който представлява прецизен аналайзер – измерител на хармонични изкривявания, активни и реактивни съставки на токове и напрежения, мощност. Използван е и ватметър за измерване на активните загуби в изходния дросел при различните схеми и методи за регулиране.
Показaните стойности са получени от експериментален макет, състоящ се от автотрансформатор (източник на входно напрежение с големина 220V/50Hz), променливотоков регулатор от посочените по-горе две топологии, който е свързан към товар – газоразрядна лампа с номинална мощност 400W и изходен дросел с L=165mH. Резултатите от хармоничния анализ на схема с тиристори и фазово управление (α=45 и α=90) са показани на фиг.3.13. Те показват големината и формата на консумирания ток, напрежение и стойности на хармониците. За схема от понижаващ тип с транзистори, управление със синусоидална ШИМ (γ=0,9 и γ=0,5) резултатите са показани на фиг.3.14.
фиг.3.13 фиг.3.14
Съобразно посочените в изложението изисквания за правилна експлоатация на газоразрядните лампи са направени и серия от експериментални изследвания за определяне на ефективния динамичен диапазон на работа, промяната в нивата на осветеността и консумираната енергия в зависимост от използването на устройства за електронно регулиране на интензитета. Следващите резултати в тази част от изследванията са представени на база сравнение на отношение осветеност/консумирана мощност за двата вида схеми за регулиране – тиристорна и транзисторна (фиг.3.15). Там са дадени резулатите за три типа газоразрядни лампи: 250W натриева, 250W метал-халогенна и 125W живачна. Това са зависимости, отразяващи промяната на осветеността в зависимост от консумираната мощност.
Направените относителни измервания показват, че най-голям процент икономия на енергия може да се реализира при живачните лампи - достига до 20-22%. При другите две най-разпространени технологии (метал-халогенни и натриеви) този процент по-нисък (10-15%). Освен това изследванията показват запазване на по-висока осветеност в случая на използване на регулатор с MOSFET транзистори, особено при по-дълбоки нива на регулиране и при еднакви други условия.
24
фиг.3.15
На фиг.3.16 са представени измерванията на спектралното разпределение на излъчването на някои от изследваните видове лампи в условията на намаляване на номиналната им мощност вследствие регулиране - намаляване на работното напрежение. Резултатите показват, че регулирането на интензитета в граници до около 70 % от номиналната мощност не води до забележими отклонения в спектралния състав на излъчваната светлина, което също е благоприятен фактор за използването на схеми за регулиране.
фиг.3.16
Освен по отношение на хармоничен състав и осветеност, икономията на енергия може да се разглежда и като намаляване на общия процент активни загуби, съществуващи във всяка една система, в случая за регулиране на интензитета. Много важен фактор, който често се подценява в реалните системи за регулиране на интензитета и който оказва значително влияние по отношение на цялостната работа на силовата схема за регулиране, е изходния дросел на лампата.
Измерванията за големината на загубите в изходния дросел показват, че вида на схемата и начина на регулиране оказват пряко влияние върху тях, като и в този случай предимство има схемата за регулиране от транзисторен тип (фиг.3.17).
фиг.3.17
25
3.4. ПОДОБРЯВАНЕ НА ХАРМОНИЧНИЯ СЪСТАВ ПРИ ПРОМЕНЛИВОТОКОВИТЕ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ И УПРАВЛЕНИЕ С ШИМ
Един от възможните начини за подобряване на характеристиките на преобразувателя, който се предлага в настоящата дисертация, комбинира управлението с ШИМ и т.нар. активен контрол на фактора на мощността – подобряване на хармоничния състав на консумирания ток посредством допълнителен ключов регулатор и LC филтър, свързани към входа на регулиращото устройство.
Към схемата на преобразувателя, върху който се простират направените дотук изследвания, е добавена т.нар. активна корекция на фактора на мощността (активен силов филтър). Този метод намира приложение в практиката като самостоятелно устройство или част от по-голям брой преобразуватели, включени към общ активен коректор (фиг.3.18). По този начин консумираният ток има форма много близка до синусоидалната и коефициента на хармонични изкривявания е минимален. Управлението на схемата за корекция се осъществява зависимо и в допълнение на работата на схемата за регулиране, а неговият вид и времедиаграмите на напреженията в управляващата схема са показани на фиг.3.19.
фиг.3.18 фиг.3.19
Обобщените резултати от изследванията са показани на фиг.3.20. От направените изследвания се вижда, че използването на схема за активна корекция на фактора на мощността, в комбинация със схема за управление с транзистори и синусоидална ШИМ, дава много добри резултати по отношение на качество на хармоничния състав на величините. С прилагане на метода за активна корекция може да се намалят общите хармонични съставки под 1% при стандарт на мрежата приблизително 5%.
фиг.3.20
26
3.5. ИЗВОДИ От резултатите, получени от симулационните и експерименталните изследвания могат да се
направят следните изводи: 1.Резултатите от симулационните изследвания показват, че използването на двустранни
транзисторни ключове в топология на понижаващ преобразувател има много добри качествени показатели - в схеми с управление с линейна ШИМ (LPWM) коефициентът на хармонични изкривявания на консумирания и изходния ток е 1-2 %. В схемите с управление със синусоидална ШИМ (SPWM) той се движи в границите на 10-15%. За сравнение в тиристорният вариант на регулиране този процент е над 30%.
2.Експерименталните резултати от изследванията на двата основни типа силови схеми (с транзистори и с тиристори) потвърждават получените резултати от симулациите по отношение големина и форма на токовете и напреженията, както и на хармоничния им състав. Отклонението между данните, получени при симулациите и при експерименталните изследвания, не надвишава 5-10% и се дължи главно на приближенията, използвани за описание на процесите в използвания специализиран софтуер и приближенията, с които той изчислява крайните резултати от анализа.
3.Използването на променливотокови преобразуватели като устройства за регулиране на интензитета на газоразрядни лампи може да подобри ефективността на осветлението в различните приложения и може да доведе до икономия на енергия. Процентът на икономия на енергия е най-висок при живачните лампи и достига до 20-22%, а при останалите два най-разпространени вида лампи, които са изследвани (метал-халогенни и натриеви), този процент е в рамките на 10-15%.
4.Направените измервания на спектралния състав на различни видове източнци при регулиране на интензитета не открива съществени изменения в излъчвания спектър при зададен диапазон на регулиране до 70% от номиналната мощност. Това е целесъобразното ниво на регулиране при запазване на достатъчна осветеност и поддържане на експлоатационни условия в рамките на предвидените от производителя.
5.Измерванията за големината на загубите в изходния дросел показват, че вида на схемата и начина на регулиране оказват пряко влияние върху тях, като и в този случай предимство има схемата за регулиране от транзисторен тип (загубите са с до 20% по-малки).
6.Използваният метод за подобряване на хармоничния състав на ключовите преобразуватели в системите за управление на осветлението дава най-добри резултати в сравнение с всички останали изследвани методи на управление. При него коефициентът на хармонични изкривявания на консумирания ток спада под 1%. Схемата за активна корекция е целесъобразно да се използва като допълнение към транзисторните регулатори с ШИМ, използвани в промишлени и публични осветителни системи с голям брой лампи.
ГЛАВА ЧЕТВЪРТА
ДРАЙВЕРНИ СХЕМИ В КЛЮЧОВИТЕ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С
ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ
4.1.УСЪВЪРШЕНСТВАНА ДРАЙВЕРНА СХЕМА ЗА ДВУСТРАННИ ТРАНЗИСТОРНИ КЛЮЧОВЕ СЪС СИНХРОННО УПРАВЛЕНИЕ
В резултат на проучване на съществуващите схемни решения за изпълнение на горните условия, както и на редица експериментални изследвания, е синтезирана комбинирана сензорна/драйверна схема, намираща приложение за управление на синхронни и двустранни ключове. Тя осигурява динамично определяне на времето на пауза между работните тактове на ключовете, били те с еднопосочна или двупосочна проводимост, в зависимост от състоянието им. Тази схема може да комбинира в себе си сензор на състоянието на всеки двустранен ключ и драйвер за ключовите транзистори, но може и да бъде самостоятелна или в комбинация с управляваща логика (фиг.4.1).
27
фиг.4.1
4.2. ПРИЛОЖЕНИЕ НА УСЪВЪРШЕНСТВАНИТЕ ДРАЙВЕРНИ СХЕМИ В
ПОСТОЯННОТОКОВИТЕ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ
На фигурите по-надолу са показани времедиаграмите на токовете и напреженията на постояннотоков ключов преобразувател, използван като изравняващо заряда устройство на две последователно свързани 12V акумулаторни батерии. В първия случай (фиг.4.2) ключовият преобразувател работи при коефициент на запълване γ=0,65 и изходен ток 2,5А. Дадени са графиките на управляващите импулси на схемата, заедно с тези на напрежението и тока в силовата верига. На фиг.4.3 са времедиаграмите за коефициент на запълване γ=0,8 и изходен ток 4А. Стойностите на изчислените общи активни загуби и ефективността на преобразувателя при тези два работни режима са дадени в таблица 4.1.
фиг.4.2 фиг.4.3
γ 0,5 0,65 0,8 U0, V 12 12 12 I0, A 2 2,5 4
Общи загуби, W 2,254 3,12 4,86 Ефективност % 92,4 89,6 83,8
Таблица 4.1
Показаните примери са за драйверна схема, работеща с фиксирано време на пауза. От изчисленията се вижда, че общите загуби нарастват с увеличаване на коефициента на запълване и натоварването на схемата, като тяхната стойност нараства от около 2W в установен режим (γ=0,5 - равни стойности на заряда на батериите) до 4,86W при γ=0,8.
Изследванията на ключовия регулатор с динамично определяне на времето на пауза се извършват при същите стойности на основните величини спрямо този с фиксирано управление, като времедиаграмите са показани на фиг.4.4, а изчислените стойности на общите активни загуби и ефективността на преобразувателя са в таблица 4.2.
28
фиг.4.4
γ 0,5 0,65 0,8 U0, V 12 12 12 I0, A 2 2,6 4
t(deadtime) 104,25 288,43 487,3 Общи загуби,W 2,084 3,28 4,73 Ефективност % 93 89 83,5
Таблица 4.2
При променливо натоварване може да се получи изменение на необходимото време на пауза между отделните работни тактове. При γ=0,5 и ток 2А то е най-малко, приблизително 100ns, като с увеличаване на коефициента на запълване, респективно тока, то също се увеличава и достига до 500ns при γ=0,8 и ток 4А. По този начин се осигурява време за разсейване на натрупаната индуктивна енергия в схемата, възстановяване на обратни диоди, осигурява се необходимото време за превключване на ключовите транзистори и се избягва презастъпване между тях.
На графиките на фиг.4.5 са показани обобщените резултати от изчисленията на общите загуби и ефективността на схемата на постояннотоковия ключов преобразувател, използван като изравняващо заряда устройство на последователно свързани акумулаторни батерии. От тях се вижда, че като цяло разликата в качествените показатели на схемата при нормалното и модифицираното управление по отношение на получените стойности тук не е голяма (2-3%). В случая изследванията се правят при ниски стойности на тока и напрежението, както и при малко изменение на динамичния обхват на работа – тока се променя в границите 2-4 А, а коефициента на запълване γ от 0,5 до 0,8. В реалните схеми обаче е възможно получаването на по-различни резултати с отчитането и на скорости на нарастване на ток и напрежение, време за възстановяване на полупроводниковите елементи и т.н. Предимствата на динамичното регулиране на времето на пауза се проявяват при по-голям обхват на изменение на регулираните велични, както и на товара.
фиг.4.5
29
4.3.ПРИЛОЖЕНИЕ НА УСЪВЪРШЕНСТВАНИТЕ ДРАЙВЕРНИ СХЕМИ В ПРОМЕНЛИВОТОКОВИТЕ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ С ДВУСТРАННО ПРЕДАВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ
Настоящето разглеждане показва влиянието на усъвършенстваната управляваща схема върху основните характеристики на променливотоков преобразувател, използван в схеми за регулиране на интензитета на газоразрядни лампи. Характеристиките, които са предмет на изследването, са собствени загуби, хармоничен състав, ефективност на регулирането и т.н. при транзисторен IGBT преобразувател от понижаващ тип и различни типове на управление с ШИМ. На фиг.4.6 са показани графиките за управление с линейна ШИМ за различни натоварвания при фиксирано време за пауза и при неизменно входно напрежение 220V/50Hz, а като стойности на товара са използвани еквивалентните на 400W лампа с големина на изходния дросел L=165mH. В таблица 4.3 са дадени изчислените стойности на някои от основните показатели като общи загуби и ефективност.
На фиг.4.7 са показани графиките за управление на променливотоков преобразувател със синусоидална ШИМ за същите входни условия, отново при управление с фиксирано време на пауза. Показани са резултатите за 400W лампа с големина на изходния дросел L=165mH. В таблица 4.4 са дадени изчислените стойности на коефициента на хармонични изкривявания на входния и изходния ток, общи загуби и ефективност.
фиг.4.6 фиг.4.7
γ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 I(Vsin) ,A 3,13 2,87 2,31 1,63 1,26
I(Vsin) , THD% 0,52 0,73 0,84 0,97 1,2 I(out) , THD% 0,26 0,32 0,41 0,53 0,83 Общи загуби, W 84,6 83,3 76,4 72,2 63,9 Ефективност, % 81,22 81,48 83,02 83,95 85,8
Таблица 4.3
γ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 I(Vsin) ,A 3,24 2,78 2,26 1,53 1,24
I(Vsin) ,THD% 17,2 19,3 26,2 30,1 35,9 I(out) ,THD% 9,8 10,67 10,93 11,69 12,2 Общи загуби, W 84,34 81,73 75,4 68,2 62,9 Ефективност, % 81,25 81,83 83,25 84,84 86,02
Таблица 4.4
Обобщението на резултатите, получени от първия етап на изследването - симулациите и изчисленията за драйверна схема с фиксирано време на пауза - показва, че общите загуби нарастват при увеличаване на натоварването на схемата. Освен това с нарастване на изходния ток поради фиксираното време на пауза между работните тактове и наличието на голяма индуктивност в изхода, се наблюдава появата на пренапрежения и пикове при преминаване на транзисторите от отпушено в запушено състояние и обратно. Това е нежелателно явление,
30
което нараства с увеличаване на натоварването(тока) и може да доведе до повреди в силовата част на схемата, увеличава загубите и намалява ефективността на регулирането.
Времедиаграмите на токовете и напреженията при управление с линейна ШИМ и усъвършенстваната драйверна схема са показани на фиг.4.8. Стойностите на коефициента на хармонични изкривявания на входния и изходния ток, както и изчислените общи загуби са показани в таблица 4.5. При управление със синусоидална ШИМ и усъвършенстваната драйверна схема графиките са показани на фиг.4.9, а стойностите на коефициента на хармонични изкривявания на входния и изходния ток, както и изчислените общи загуби са показани в таблица 4.6
фиг.4.8 фиг.4.9
γ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 I(Vsin) ,A 3,3 2,82 2,3 1,61 1,22
I(Vsin) , THD% 0,52 0,73 0,84 0,97 1,2 I(out) , THD% 0,26 0,32 0,41 0,53 0,83 Общи загуби, W 77,4 75,3 69,4 63,1 59,9 Ефективност, % 82,8 83,26 84,57 85,97 86,68
Таблица 4.5
γ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 I(Vsin) ,A 3,32 2,91 2,34 1,68 1,3
I(Vsin) ,THD% 18,4 20,3 28,2 30,6 36,8 I(out) ,THD% 11,8 13,7 15,3 16,9 18,3 Общи загуби, W 80,4 74,3 70,2 64,2 61,2 Ефективност, % 82,1 83,48 84,4 85,73 86,4
Таблица 4.6 Обобщението на резултатите, получени при използването на усъвършенстваната драйверна
схема с динамично определяне на времето на пауза, показва по-добри показатели по отношение на собствени загуби, в сравнение с тези, получени при управление с фиксирано време на пауза. Общите загуби намаляват средно с 5-8% и съответно нараства ефективността на самата силова схема при регулиране, като достига до 85-90%, докато при фиксирано време на пауза тя е около 80%. Подобрението на тези показатели е вследствие намаляване на пренапреженията и комутацията при по-ниски стойности на токовете и напреженията. Забелязва се леко нарастване на коефициента на хармонични изкривявания на изходния ток (с около 2-5%), дължащо се на увеличаване на времето на пауза между работните тактове.
Като заключение на фиг.4.10 и фиг.4.11 са показани сравнителните характеристики при управление с линейна ШИМ и управление със синусоидална ШИМ при използване на обикновена драйверна схема с фиксирано време на пауза, в сравнение с използването на усъвършенствана драйверна схема. Резултатите се отнасят за качествените показатели като коефициент на хармонични изкривявания на входни и изходни величини, големина на собствените загуби, ефективност и т.н.
31
фиг.4.10 фиг.4.11
4.4.ИЗВОДИ От обобщения анализ на изследванията върху синтезираната усъвършенствана драйверна
схема с динамично определяне на времето на пауза, в сравнение с управление с фиксирано време на пауза, може да се направят следните изводи:
1.Начинът на определяне на времето на пауза между работните тактове, както и големината му, оказват влияние върху работата на силовата схема по отношение на пренапрежения, активни загуби, хармоничен състав на величините и др. При фиксирано време на пауза, най-широко разпространено в практиката, и променливо натоварване има влошаване на качествените показатели и ефективността на преобразувателите.
2.Разликата в качествените показатели на схемата при нормалното и усъвършенстваното управление по отношение на получените стойности за схемата на постояннотоковия ключов преобразувател, използван като изравняващо заряда устройство на последователно свързани акумулаторни батерии, не е голяма (2-3%). В случая изследванията се правят при ниски стойности на тока и напрежението, малки стойности на индуктивностите, както и малко изменение на динамичния обхват на работа – токът се променя в границите 2-4 А, а коефициентът на запълване γ от 0,5 до 0,8.
3.Предложената усъвършенствана драйвена схема с динамично определяне на времето на пауза, с приложение при променливотоковите преобразуватели, използвани за регулиране интензитета на газоразрядни източници на светлина, намалява общите активни загуби в силовата част, породени от презастъпване между отделните тактове и свързаните с това импулсни пренапрежения и токове. При така установените условия на изследване те могат да намалеят с 3-8 %.
4.Хармоничният състав на регулираните величини се влошава в известна степен при управлението с динамично определяне на паузата, като в някои случаи може да достигне до 5% повече от тези при управление с фиксирано време на пауза. Това е предизвикано от увеличаването на времето на пауза, като фактор за промяна на формата на тока и появата на допълнителни хармонични съставки.
5.Предимствата на драйверните схеми с динамично определяне на времето на пауза пред тези с фиксирано време на пауза се проявяват най-вече в приложения с променлива големина и характер на товара и при по-голямо натоварване на силовата схема. Там се избягва презастъпването в работните тактове и се формира необходимото по големина време за обмен на реактивната енергия.
6.С използването на подходяща елементна база – по-бързодействащи елементи, имащи малки собствени загуби, може да се реализира практически предложеното динамично регулиране, като по този начин се използват на практика предимствата, демонстрирани като резултат от симулационните изследвания. Възможно е да се повиши ефективността на преобразуване, както и да се подобри хармоничният състав.
32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В съответствие с поставените задачи и целта на дисертационния труд, в настоящата работа са постигнати следните резултати, притежаващи научни и научно-приложни приноси:
1.Извършен е анализ на постояннотоков ключов преобразувател с двустранно предаване на енергия, в приложение като устройство за изравняване на заряда на последователно свързани акумулаторни батерии и ултра-кондензатори. Дадените симулационни изследвания показават резултатите за два различни вида управление – с ШИМ и с делта модулация.
2.Направено е сравнение между видовете управление по отношение на качествени показатели – активни загуби вследствие работата на схемата при изравняване на напреженията, коефициент на пулсации на изходни величини, ефективност. Постигнатите резултати са обобщени за два от основните типове елементи, използвани за съхранение на енергия – акумулатори и ултра-кондензатори, и доказват положителния ефект от използването на схеми за изравняване на заряда по отношение подобряването на параметрите при експлоатация.
3.Създаден е експериментален прототип и са направени практически изследвания на изравняващо устройство за две последователно свързани акумулаторни батерии, потвърждаващи резулатите, получени при симулационите изследвания. Експерименталният прототип е с приложна насоченост и се използва за обучение на студенти като лабораторен макет.
4.Извършен е анализ на променливотоков ключов преобразувател с двустранно предаване на енергия в приложение за регулиране интензитета на газоразрядни лампи. Симулационните изследвания за различни топологии на силова схема (с тиристори и с транзистори) и за различни видове управление - фазово и с ШИМ, показват постигане на поставената цел по подобряване на параметрите по отношение на качествени показатели на регулирането, хармоничен състав на входни и изходни величини.
5.Създаден е експериментален прототип и са дадени обобщени резултати от практическите изследвания на различните схеми за регулиране, чрез които се постига подобрение на характеристиките по отношение на консумирана мощност и собствени загуби. Чрез предложения начин за подобряване на хармоничния състав и на фактора на мощността при регулиране на интензитета на газоразрядни лампи, с използването на схема за активна корекция, се достига повишение на качествените показатели на използваните преобразуватели при различните видове управление.
6.Създадена и изследвана е усъвършенствана драйверна схема за двустранни ключове и синхронно управление, с динамично определяне на времето на пауза между работните тактове. Направена е съпоставка на получените резултати с тези, получени при управление с фиксирано време на пауза, които доказват положителния ефект от нейното използване по отношение намаляване на загубите при превключване и подобряване на параметри като коефициент на пулсации и хармоничен състав на величините.
33
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМАТА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
1. Mihov V.,E. Dinkov “DYNAMIC NON-OVERLAP COMMUTATION CONTROL IN SWITCHING REGULATORS”, Proceedings of the Sixteenth international scientific and applied science conference “Electronics ET 2007”, September 19-21 Sozopol, Book 2, p.116-121
2. Mihov V.,E. Dinkov, “AC-AC POWER CONVERTERS – OVERVIEW AND APPLICATION”, Proceedings of the Sixteenth international scientific and applied science conference “Electronics ET 2007”, September 19-21 Sozopol, Book 2, p.121-126
3. Михов В. и Емил Динков “РЕГУЛИРАНЕ ИНТЕНЗИТЕТА НА СВЕТЛИННИ ИЗТОЧНИЦИ ОТ ГАЗОРАЗРЯДЕН ТИП” Национална конференция с международно участие “Електроника 2008”, 29-30 май, София ; стр. 252-258
4. Stoev M., I. Shapkov, V. Mihov, G. Stoyanov “DESIGN OF GRID-CONNECTED 5 KWP PHOTOVOLTAIC POWER SYSTEM” e-Technologies on Renewable Energy Systems (R.E.S.) 29 June-12 July 2008, T.E.I. Patra, Greece.
5. Mihov V., Iv. Neychev “SWITCHING CONVERTERS FOR LINE VOLTAGE REGULATION IN HID-LAMP LIGHTING SYSTEMS” Proceedings of the Seventeenth international scientific and applied science conference “Electronics ET 2008”, 24-26 September, Sozopol, Book 1, p.123-128
6. Михов В. “ХАРАКТЕРИСТИКИ НА КЛЮЧОВ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ В СХЕМА ЗА ИЗРАВНЯВАНЕ ЗАРЯДА НА ПОСЛЕДОВАТЕЛНО СВЪРЗАНИ АКУМУЛАТОРИ ПРИ РАЗЛИЧНИ МЕТОДИ НА УПРАВЛЕНИЕ” сп. Инженерни Науки, кн.1 / 2010г.
7. Михов В., Е. Динков “НАМАЛЯВАНЕ НА ЗАГУБИТЕ И ПОДОБРЯВАНЕ НА ХАРМОНИЧНИЯ СЪСТАВ ПРИ РЕГУЛАТОРИТЕ НА ОСВЕТЕНОСТТА С ГАЗОРАЗРЯДНИ ИЗТОЧНИЦИ” сп. Инженерни Науки, кн.2 / 2010г.
34
SWITCHING POWER CONVERTERS WITH BI-DIRECTIONAL ENERGY TRANSFER
The proposed dissertation is devoted to issues related to research and applications of power
electronic converters with capability of bi-directional energy transfer. Different topologies of these converters are described. Basic schematic configurations of bi-directional switches are shown in First Chapter, along with description of their characteristics related to DC-DC and AC-AC applications. A numbers of industrial applications for the bi-directional power converters are given in the text. An overview on their topology and different control strategies is shown. First chapter also shows the basic requirements for each one of the bi-directional power converters, used in applications such as battery chargers and equalizers, two-quadrant operation in distribution and energy storage systems, light dimming circuits for energy saving in industrial and public lighting systems. The requirements, principle of operation, control and power circuit topology and basic characteristics are described and compared for every application. The fundamentals of driver circuits and signals, gate drive requirements for basic types of semiconductor switches are also shown. A comparison between the proposed schemes and their functional parts is given.
Chapter Two is related to analysis, simulations and experimental tests of DC-DC bi-directional power converter, used in battery equalizer applications. The necessary expressions of the analysis for the proposed topology are derived, along with the graphics for the basic differential equations solutions. The PSpice model for battery characteristics is shown. Basic characteristics of the converter, used as a battery equalizer, for two different control methods – Pulse-Width Modulation (PWM) and Sigma-delta Modulation are given. The PSpice simulation results and calculation results for efficiency, ripple voltage and active power losses at different control methods are shown in the text, for two basic load configurations – an ultra-capacitors and batteries. The described control methods attempt to increase the efficiency of the converters and to reduce total power losses in a long field of operation, independently from the load variations.
Chapter Three shows the analysis, simulations and experimental tests of AC-AC bi-directional power converter, used as light dimmer circuit for HID-Lamps. The expressions of the analysis for the proposed topology are derived. Comparison between two basic configurations of power circuits is given. The harmonics of the input and output voltages and total harmonic distortion at phase angle control and different types of PWM control are compared. The experimental results show the relation between energy consumption and light emission levels, light spectrum at energy saving mode, active power losses in the output inductor etc. A method for improvement the THD and decreasing the harmonics of the output voltage in power converters is proposed. The results from the harmonics analysis and PSpice simulations are given.
Chapter Four is related to driver circuits for bi-directional power switches. An improved drive circuit with dynamic setting of dead-time and non-overlap control is proposed. The circuit configurations of the researched driver are examined with simulations and experimental tests. The transient peaks, output harmonic content and power losses, when the MOSFET is controlled with proposed drive circuit and standard driver, are compared in the two main applications, described in dissertation – in case of DC-DC and AC-AC bi-directional power converters with proper control strategies.
