Обобщенная непрерывная модель безмостового корректора коэффициента мощности
Аннотация
Рассмотрено построение непрерывной модели новой топологии преобразовательного устройства — безмостового корректора коэффициента мощности (безмостового ККМ) на основе понижающе-повышающего преобразователя напряжения.
Показаны причины необходимости разработки новых топологий преобразователей напряжения, пригодных для использования в качестве корректоров коэффициента мощности.
Представлен общий подход к созданию математических моделей импульсных преобразователей напряжения и обоснован переход от ключевых моделей этих устройств к непрерывным. Сформулирован круг задач, которые можно решить при помощи непрерывных моделей, а также ограничения, присущие моделям данного типа.
Проведено поэтапное построение непрерывной модели безмостового ККМ с использованием метода усреднения в пространстве состояний. Показано, что решение этой задачи приводит к созданию двух моделей: одной для режима непрерывных токов, а второй — для режима прерывистых токов дросселя понижающе-повышающего регулятора. Рассмотрен способ, позволяющий создать универсальную модель, пригодную для использования в любом из этих режимов.
Приведен пример создания такой универсальной модели для использования в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap. Проведено сравнение результатов, полученных с использованием полной ключевой модели, и с использованием разработанной непрерывной. Показана высокая точность совпадения этих результатов как в режиме непрерывных, так и в режиме прерывистых токов дросселя. Проиллюстрирована возможность используемой топологии преобразователя напряжения работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении питания. Продемонстрировано одно из важных свойств безмостового ККМ на основе понижающе-повышающего преобразователя напряжения — синусоидальный ток потребления в режиме разрывных токов дросселя при подаче на вход переменного напряжения сети.
Достигнутые результаты подтверждают адекватность разработанной модели и возможность ее использования для построения статических характеристик безмостового ККМ. Кроме того, разработанную нелинейную непрерывную модель можно использовать для получения частотных характеристик преобразователя. Линеаризация модели происходит автоматически средствами программ схемотехнического моделирования, поэтому представленную модель можно использовать для анализа и обеспечения устойчивости замкнутых систем управления, в состав которых будет входить рассмотренный преобразователь напряжения.
Литература
2. Ben-Yaakov S. Generalized Switched Inductor Model (GSIM): Accounting for Conduction Losses // IEEE Trans. Aerospace and Electronic Syst. 2002. V. 38. No. 2. Pp. 681—687.
3. Davoudi A., Jatskevich J., Rybel T. Numerical State-space Average value Modeling of PWM DC-DC Converters Operating in DCM and CCM // IEEE Trans. Power Electronics. 2006. V. 21. No. 4. Pp. 1003—1012.
4. Giesselmann M.G. Averaged and Cycle by Cycle Switching Models for Buck, Boost, Buck-boost and Cuk Converters with Common Average Switch Model // Proc. Thirty-Second Intersociety Energy Conversion Eng. Conf. 1997. V. 1. Pp. 337—341.
5. Амелина М.А., Амелин С.А., Фролков О.А. Усовершенствование непрерывной модели импульсного регулятора напряжения // Вестник МЭИ. 2016. № 2. С. 70—74.
6. Поликарпов А.Г. Метод создания новых структур импульсных регуляторов напряжения // Электропитание. 1993. Вып. 2. С. 63—67.
7. Поликарпов А.Г., Третьякова М.А. Анализ динамических характеристик однотактного магнитносвязанного преобразователя напряжения // Электросвязь. 1996. № 2. C. 40—43.
8. Chen J., Maksimovic D., Erickson R. Analysis and Design of a Low-Stress Buck-boost Converter in Universal-input PFC Applications // IEEE Trans. Power Electronics. 2006. V. 21. No. 2. Pp. 320—329.
9. Yang J.-W., Do H.-L. Bridgeless SEPIC Converter with a Ripple-free Input Current // IEEE Trans. Power Electronics. 2013. V. 28. No. 7. Pp. 3388—3394.
10. Evzelman M., Ben-Yaakov S. Simulation of Hybrid Converters by Average Models // IEEE Trans. Industry Applications. 2014. V. 50. No. 2. Pp. 1106—1113.
11. Winter M., Moser S., Schoenewolf S., Taube J., Herzog H.-G. Average Model of a Synchronous Half- bridge DC/DC Converter Considering Losses and Dynamics // Proc. 11th Intern. Modelica Conf. Versailles, 2015. Pp. 479—484.
12. Азаренкова Е.Г., Морунов Д.Н., Амелин С.А., Амелина М.А. Коммутируемый однотактный преобразователь напряжения и анализ его динамических характеристик // Информационные технологии, энергетика и экономика: Сборник трудов XII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. 2015. Т. 2. С. 3—7.
13. Murthy A., Badawy M. State Space Averaging Model of a Dual Stage Converter in Discontinuous Conduction Mode // IEEE 18th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics. 2017. Pp. 1—7.
14. Пат. № 2541910 РФ. Однофазный безмостовой корректор коэффициента мощности / С.В. Дроздецкий, И.А. Кругликов, А.О. Ширяев, И.В. Якименко // Бюл. изобрет. 2015. № 5.
15. Дроздецкий С.В., Кругликов И.А., Ширяев А.О., Якименко И.В. Безмостовой корректор коэффициента мощности для автономных энергосистем // Практическая силовая электроника. 2017. № 2 (66). С. 32—37.
16. Миддлбрук Р.Д. Малосигнальное моделирование ключевых преобразователей мощности с широтно-импульсным регулированием // ТИИЭР. 1988. Т. 76. № 4. С. 46—59.
17. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. М.: Радио и связь, 1989.
---
Для цитирования: Амелина М.А., Амелин С.А., Дроздецкий С.В. Обобщенная непрерывная модель безмостового корректора коэффициента мощности // Вестник МЭИ. 2019. № 6. С. 91—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-91-100.
---
Работа выполнена при поддержке: РФФИ (проект № 19-07-00343 А)
#
1. Vorperian V. Simplified Analysis of PWM Converters Using Model of PWM Switch: Pt. I and II. IEEE Trans. Aerospace and Electronic Syst. 1990;26;3: 490—505.
2. Ben-Yaakov S. Generalized Switched Inductor Model (GSIM): Accounting for Conduction Losses. IEEE Trans. Aerospace and Electronic Syst. 2002;38;2:681—687.
3. Davoudi A., Jatskevich J., Rybel T. Numerical State-space Average value Modeling of PWM DC-DC Converters Operating in DCM and CCM. IEEE Trans. Power Electronics. 2006;21;4:1003—1012.
4. Giesselmann M.G. Averaged and Cycle by Cycle Switching Models for Buck, Boost, Buck-boost and Cuk Converters with Common Average Switch Model. Proc. Thirty-Second Intersociety Energy Conversion Eng. Conf. 1997;1:337—341.
5. Amelina M.A., Amelin S.A., Frolkov O.A. Usovershenstvovanie Nepreryvnoy Modeli Impul'snogo Regulyatora Napryazheniya. Vestnik MEI. 2016;2:70—74. (in Russian).
6. Polikarpov A.G. Metod Sozdaniya Novykh Struktur Impul'snykh Regulyatorov Napryazheniya. Elektropitanie. 1993;2:63—67. (in Russian).
7. Polikarpov A.G., Tret'yakova M.A. Analiz Dinamicheskikh Kharakteristik Odnotaktnogo Magnitnosvyazannogo Preobrazovatelya Napryazheniya. Elektrosvyaz'. 1996;2:40—43. (in Russian).
8. Chen J., Maksimovic D., Erickson R. Analysis and Design of a Low-Stress Buck-boost Converter in Universal-input PFC Applications. IEEE Trans. Power Electronics. 2006;21;2:320—329.
9. Yang J.-W., Do H.-L. Bridgeless SEPIC Converter with a Ripple-free Input Current. IEEE Trans. Power Electronics. 2013;28;7:3388—3394.
10. Evzelman M., Ben-Yaakov S. Simulation of Hybrid Converters by Average Models. IEEE Trans. Industry Applications. 2014;50;2:1106—1113.
11. Winter M., Moser S., Schoenewolf S., Taube J., Herzog H.-G. Average Model of a Synchronous Half- bridge DC/DC Converter Considering Losses and Dynamics. Proc. 11th Intern. Modelica Conf. Versailles, 2015:
479—484.
12. Azarenkova E.G., Morunov D.N., Amelin S.A., Amelina M.A. Kommutiruemyy Odnotaktnyy Preobrazovatel' Napryazheniya i Analiz Ego Dinamicheskikh Kharakteristik. Informatsionnye Tekhnologii, Energetika i Ekonomika: Sbornik Trudov XII Mezhdunar. Nauch.tekhn. Konf. Studentov i Aspirantov. 2015; 2:3—7. (in Russian).
13. Murthy A., Badawy M. State Space Averaging Model of a Dual Stage Converter in Discontinuous Conduction Mode. IEEE 18th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics. 2017:1—7.
14. Pat. № 2541910 RF. Odnofaznyy Bezmostovoy Korrektor Koeffitsienta Moshchnosti / S.V. Drozdetskiy, I.A. Kruglikov, A.O. SHiryaev, I.V. Yakimenko. Byul. Izobret. 2015;5. (in Russian).
15. Drozdetskiy S.V., Kruglikov I.A., Shiryaev A.O., Yakimenko I.V. Bezmostovoy Korrektor Koeffitsienta Moshchnosti dlya Avtonomnykh Energosistem. Prakticheskaya Silovaya Elektronika. 2017;2 (66):32—37. (in Russian).
16. Middlbruk R.D. Malosignal'noe Modelirovanie Klyuchevykh Preobrazovateley Moshchnosti s Shirotnoimpul'snym Regulirovaniem. TIIER. 1988;76;4:46—59. (in Russian).
17. Polikarpov A.G., Sergienko E.F. Odnotaktnye Preobrazovateli Napryazheniya v Ustroystvakh Elektropitaniya REA. M.: Radio i svyaz', 1989. (in Russian).
---
For citation: Amelina M.A., Amelin S.A., Drozdetsky S.V. The Generalized Continuous Model of a Bridgeless Power Factor Corrector. Bulletin of MPEI. 2019;6:91—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-91-100.
---
The work is executed at support: RFBR (project No. 19-07-00343 А)
