В тази работа ние фундаментално представяме използването на PSIM® като инструмент за симулация на захранващи електронни системи; По-конкретно се извършва внедряването и симулацията на система за корекция на фактора на мощността (PFC), базирана на усилващ преобразувател (Boost), която използва схема за управление в текущ режим и в режим на напрежение.

проектиране

Предизвикателството:

PSIM® е разработен за проектиране и анализ на електронни системи за захранване, управление на двигателя и симулация на динамични системи. Симулационните модели, създадени с PSIM®, осигуряват лесен за използване интерфейс и бърза симулация с много малко проблеми с конвергенцията, те могат да съдържат вериги с различни физически области, силова електроника, аналогово и цифрово управление, магнитни вериги, захранвания, управление на двигатели, системи за преобразуване на енергия и системи за управление. PSIM® обхваща симулация на ниво верига и симулация на ниво система.

Потребителският му интерфейс се състои от три програми: схематична (SIMCAD), самия симулатор (PSIM) и програма за визуализация на формата на вълната (SIMVIEW).

PSIM® разделя веригата, която трябва да се симулира, на четири блока: захранващ блок, контролен блок, сензори и превключващи контролери. Захранващият блок се състои от превключващи устройства, RLC клонове, трансформатори и свързани индуктори. Контролният блок съдържа компоненти в s и z домейна, логически компоненти (като логически порти и тригери) и нелинейни компоненти (като множители и разделители). Сензорите се използват за измерване на електрически променливи и като интерфейс за управляващите блокове. Задвижващите сигнали се генерират от управляващите блокове и се изпращат към захранващите блокове чрез превключващите контролери.

Оценъчна версия на PSIM® може да бъде изтеглена от уеб адреса: http://www.powersimtech.com.

Корекция на фактора на мощността

Лошото поведение срещу мрежата от електронни системи и консумацията на токови хармоници причинява влошаване на фактора на мощността.

Въз основа на еднофазен мостов токоизправител с резистивен товар и капацитивен филтър, ние ще извършим корекция на фактора на мощността на този прост пример за нелинейно натоварване. Изправителят, заедно с капацитивния филтър, има типично нелинейно поведение по отношение на мрежата, въпреки че това не е най-малко използваното, тъй като се използва във всяко приложение, където е необходимо преобразуване AC-DC, например при захранване DC двигатели и захранвания (линейни и комутирани).

За да се подобри споменатият фактор на мощността, свързването на товара към токоизправителя се осъществява посредством усилващ DC-DC преобразувател (Boost), както е показано на фигура 1.

Постига се висок коефициент на мощност, ако MOSFET се превключва по такъв начин, че входният ток да е практически синусоидален и да е във фаза с мрежовото напрежение. Контролът в текущ режим прави референтния сигнал за интензитета от индуктивен ректифициран синус, тъй като той се получава от произведението на сигнал с форма на синусоида и постоянен сигнал, който представлява грешка на изходното напрежение, както може да се види на фигура 2. Това също така позволява референтният ток да бъде пропорционален на грешката на изходното напрежение.

Що се отнася до стойностите на пасивните компоненти на преобразувателя, те зависят от мощността, която те обработват, и пулсациите на тока или напрежението в тях [2-3]. Стойността на индуктивността се дава от уравнение 1 за най-неблагоприятните условия на входния ток, т.е. за най-ниското ефективно входно напрежение:

В това уравнение Vin е ефективното входно напрежение, Vin е работният цикъл, ∆I е пулсацията на тока и ∫s е честотата на превключване. При приложения със синусоидални входни напрежения стойността на работния цикъл се дава от уравнение 2.

Необходимата стойност на кондензатора може да бъде изчислена от уравнение 3.

В това уравнение Po е изходната мощност на системата, ∆t е времето за задържане на товара, Vo е изходното напрежение и Vo, min е минималното допустимо напрежение на изхода, което съвпада с максималното напрежение, налично във входа на преобразувателя, тъй като тази топология не позволява изходно напрежение по-ниско от входното напрежение.

Блокът „Система за управление“ е маскирана система, която изпълнява контролния контур от фигура 2.

Внедряване на DC-DC преобразувателя с PSIM®

Изпълнението, направено с PSIM® на фигура 3, основно се състои от етапите на мощност и управление, показани на фигура 2.

Двата превключвателя ни позволяват да симулираме веригата за двете най-неблагоприятни условия на честота и напрежение на еднофазната мрежа, така че по принцип степента на захранване се захранва със синусоидален източник от 240Vrms и 65Hz, а след 2 секунди захранването ще бъде 100Vrms и 47Hz до края на симулацията (4 секунди). Етапът на коригиране е съставен от мост и филтър.

Управляващият етап на MOSFET е съставен от система за автоматично управление с обратна връзка и е проектиран посредством две PID мрежи, едната за контрол на напрежението, а другата за интензивност.

Входът на референтния синус Vin се взема от изолиран измервателен уред, Vref е постоянен 400V сигнал, VR е напрежението в товарния резистор и IL токът през индуктора.

H (s) са блоковете на PID трансферните функции съответно на напрежение, ток и филтриращ блок.

Внедряване на системата за контрол

Що се отнася до параметрите, които съставляват компенсаторите, стойността на пропорционалното усилване на токовия контур трябва да съответства на уравнение 4.

Където Vosc е максималната стойност на стабилизиращата рампа. С това се постига, че максималният наклон на интензитета надолу в индуктивността става равен на наклона на стабилизиращата рампа, необходимо условие за стабилността на системата.

От друга страна, стойността на интегралния коефициент на усилване на токовия контур се изчислява по такъв начин, че да причини достатъчен фазов запас. За това може да се счита, че трансферната функция на системата, която трябва да бъде компенсирана, има формата, даден в уравнение 5.

От друга страна, нискочестотният филтър на компенсатора на токовия контур трябва да въведе полюс с честота малко по-висока от честотата на превключване, за да филтрира високочестотните сигнали.

Стойностите на компенсатора на напрежението трябва да направят пулсациите на напрежението, присъстващи в изходния кондензатор, много ниски в управляващия контур, като за това се избере малка пропорционална стойност на усилване, в противен случай това би нарушило референтния сигнал за интензивност по индуктивност.

В стойността на интегралното усилване трябва да се въведе нула при ниски честоти (от порядъка на Hz), като по този начин се постига приемлив фазов марж.

Спецификации за PFC и параметри за симулация

Симулира се система за корекция на фактора на мощността със следните спецификации: 300 W изходна мощност, мрежова честота от 47 до 65 Hz, честота на превключване 50KHz и пулсации на тока между 20 и 30%.

Това изисква преобразувател с индуктивност 1mH и кондензатор 470 µF. Условията за симулация ще бъдат най-неблагоприятни. Това са:

1º - Мрежово напрежение 100Vrms, честота 47Hz, съпротивление на натоварване 300 W, което причинява максимално пулсации на напрежението на изхода и най-високата консумация на ток.

2º - Мрежово напрежение от 240Vrms, мрежова честота при 65Hz, устойчивост на натоварване от 300 W, които причиняват минималното пулсиране на интензитета в бобината и по-лош фактор на мощността.

Ще бъде извършен преходен анализ с крайно време от 4 секунди, което позволява да се наблюдава развитието на изходното напрежение, като се вземат предвид промените, произведени във входните условия. Параметрите на симулация са показани на фигура 4.

Резултати от симулация

Следващите фигури показват резултатите от симулацията, получени от PFC системата.

Заключения

Използването на PSIM® за симулация на силови вериги осигурява коректни резултати и ни позволява взаимодействието между електронни схеми, контролни блокове и сензори по много прост и интуитивен начин, така че този симулатор е много подходящ както за стартиране при проектирането, така и за симулация на електронни схеми за изпълнение на проекти на индустриално ниво.

Можете да видите пълното съдържание на тази статия, като изтеглите списанието в PDF формат от библиотеката на вестниците.