Методика моделирования переходных процессов стабилизированного однофазного параллельного инвертора тока в режиме прерывистого входного тока

АННОТАЦИЯ

В статье изложена методика моделирования стабилизированных источников питания на базе однофазного параллельного инвертора тока, работающего в режиме непрерывного и прерывистого входного тока. Получены рекуррентные соотношения для искомых токов и напряжений, позволяющие проводить расчет переходных процессов. Представлены результаты расчета переходных процессов в виде временных диаграмм.

ABSTRACT

The article describes a method of modeling stabilized power supplies based on a single-phase parallel current inverter operating in the mode of continuous and intermittent input current. The recurrent relations for the required currents and voltages, allowing the calculation of transients, are obtained. The results of calculation of transients in the form of time diagrams are presented.

Ключевые слова: методика моделирования, переходные процессы, источник бесперебойного питания, параллельный инвертор тока.

Keywords: modeling methods, transients, uninterruptible power supply, parallel current inverter.

В настоящее время значительное внимание уделяется вопросам разработки вентильных преобразователей в качестве преобразователей постоянного напряжения в переменное со стабилизированным выходным напряжением, которые широко используются при разработке различных видов источников бесперебойного гарантированного питания [1, с. 40-42].

Учитывая, что стабилизированные преобразователи обычно имеют большие пределы изменения как нагрузок, так и входных напряжений, то их рабочая область может включать непрерывные и прерывистые режимы одновременно. Поэтому при проектировании таких преобразователей целесообразно учитывать возможность возникновения прерывистого входного тока. В статье представлены математическая модель и алгоритма для расчета переходных процессов стабилизированного источника питания, выполненного на основе однофазного параллельного инвертора тока с компенсирующим устройством. Регулирование выходного напряжения и, следовательно, стабилизация осуществляется изменением частоты подаваемых импульсов на силовые тиристоры инвертора.

Алгоритм составлен по математической модели, разработанной на основе операторного метода, которая позволяет провести необходимые расчеты параметров схемы в широких пределах и осуществить в результате соответствующий выбор элементов [2, с. 228-230].

Методика моделирования включает следующие этапы:

а) составляются возможные структуры силовой схемы;

б) составляются операторные схемы замещения (ОСЗ), для каждой из них выводятся рекуррентные формулы изображений и оригиналов, необходимых при расчете токов и напряжений;

в) учитывая выбранный способ возбуждения составляется очередность смены схем замещения на интервалах тактирования, а также составляется соответствующий алгоритм расчета.

В отличие от алгоритмов расчета при непрерывном входном токе, где каждый этап рассчитывался по двум ОСЗ, отличающихся между собой состоянием КУ, в рассматриваемом алгоритме участвуют четыре ОСЗ (I, II, III, IV), отличающиеся между собой как рабочим состоянием КУ, так и наличием или отсутствием входного тока.

Для ОСЗ I, которая эквивалентна структуре при наличии входного тока инвертора и отключенном КУ (, были приняты следующие начальные условия

t = 0;  ; 

Для ОСЗ II, которая эквивалентна структуре при наличии входного тока инвертора и включенном КУ(, были приняты следующие начальные условия

t = 0;  ;   .

Для ОСЗ III, которая эквивалентна структуре при отсутствии входного тока инвертора и включенном КУ(, были приняты следующие начальные условия

t = 0;  ;   .

Для ОСЗ IV, которая эквивалентна структуре при отсутствии входного тока инвертора и отключенном КУ(, были приняты следующие начальные условия

t = 0;  ; 

Таким образом, в переходном процессе участвуют четыре структуры силовой схемы с соответствующими ОСЗ. Для каждой ОСЗ на основании законов Кирхгофа были составлены уравнения для искомых токов и напряжений, получены формулы их изображений, а затем получены их оригиналы. Ниже представлены формулы оригиналов токов и напряжений для ОСЗ I

На основании полученных формул для мгновенных значений токов и напряжений была разработана структурная схема алгоритма расчета переходного процесса составленная на основе выполнения граничных условий этапов развития процесса и выявления последовательности смены типов схем замещения на интервалах тактирования (Рис.1).

Следует отметить, что при составлении структурной схемы алгоритма расчета были учтены не только интервалы существования эквивалентных операторных схем замещения, но и требуемый способ возбуждения, так как в зависимости от вида способа возбуждения развитие переходного процесса, тем самым, и динамические характеристики преобразователя могут существенно отличаться [3, с. 370-372].

Анализ переходных процессов и, соответственно, алгоритм расчета от момента пуска и до достижения номинального значения выходного напряжения производится в три этапа.

На первом этапе рассматриваются процессы с момента пуска инвертора до подачи отпирающих импульсов на вентили компенсирующего устройства (КУ). Затем исследуются процессы второго этапа, который длится до установления номинального значения выходного напряжения Uном т.е. до установившегося режима при неизменной величине входного напряжения Ed. Третьему этапу соответствует расчет переходного процесса с момента изменения величины Ed или параметров нагрузки до установления Uном.

Рисунок 1. Структурная схема алгоритм расчета переходных процессов в СИП на базе однофазного параллельного инвертора тока в режиме прерывистого тока

С помощью математической модели и алгоритма был произведен расчет переходных процессов, временные эпюры искомых токов и напряжений преобразователя показаны на рис. 2 и 3.

Рисунок 2. Пусковые диаграммы токов и напряжений

Рисунок 3. Временные диаграммы токов и напряжений при сбросе нагрузки

а) независимое возбуждение инвертора; б) комбинированное возбуждение инвертора

На основании вышеизложенного можно сказать, что представленная математическая модель и алгоритм позволяют:

- произвести расчет переходных процессов при изменении входного напряжения инвертора или нагрузки, а также при их одновременном изменении;

- изучить влияние параметров схемы на протекание переходных процессов;

- выбрать способ управления, обеспечивающий требуемый уровень стабилизации выходного напряжения.

Список литературы:
1. Макаров Д.М., Макаров А.М. Инверторы в источниках бесперебойного питания // Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований: сб. ст. по матер. II междунар. науч.-практ. конф. № 2(2). – Новосибирск: СибАК, 2018. – С. 40-45.
2. Умаров Ш.Б. Абдуллабеков И.А. Алгоритм расчета переходных процессов стабилизированного источника питания на базе однофазного последовательного автономного инвертора тока при частотном регулировании. Международный научный журнал. "Молодой учёный", 2016 № 21, стр. 228-232.
3. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника.- Киев: Вища школа, 1978.-424 с.