The research of uninterruptible power supplies with parallel connection of inverters and equivalent control

Full Text

Электропитание оборудования телекоммуникаций, в том числе систем и устройств телевидения, должно обладать высокими показателями надежности, которые достигаются применением источников бесперебойного питания переменного тока и инверторов [1]. Модульное исполнение устройств бесперебойного питания и параллельное соединение модулей позволяет осуществить резервирование без коммутаций и повысить надежность систем бесперебойного питания, которое можно оценить с помощью коэффициента готовности для обслуживаемых систем. Повышение коэффициента готовности осуществляется путем сокращения времени восстановления. Одновременно модульное исполнение устройств электропитания позволяет добиться нового качества - масштабирования, которое дает возможность путем подбора числа параллельных устройств получить необходимую мощность системы и степень ее резервирования. Рисунок 1. Преобразователь на основе параллельно соединенных инверторов с равнозначным управлением Уравнения состояния инвертора Для электропитания оборудования радиотехнических и телевизионных систем целесообразно применение устройств бесперебойного питания на основе преобразователей с параллельно соединенными инверторами и «равнозначным» принципом управления, в котором выравнивание выходных токов модулей осуществляется по их среднему значению на высокой несущей частоте преобразования [2]. Равенство выходных токов является обязательным условием функционирования параллельно соединенных инверторов - преобразователей напряжения. Формирование напряжения квазисинусоидальной формы осуществляется путем широтно-импульсной модуляции второго рода на несущей частоте, значительно превышающей частоту огибающей. На рисунке 1 приведена функциональная схема преобразователя на основе параллельно соединенных широтно-импульсных (ШИ) инверторов с равнозначным управлением. Преобразователь содержит несколько параллельно включенных выходами и входами идентичных инверторов напряжения (инвертор 1 - инвертор N). Входные, задающие напряжения инверторов, равны: 1 Âõu = 1 ... . Âõ ÂõN uu = = Силовая часть инверторов построена по мостовой схеме и состоит из четырех транзисторных ключей на основе полевых транзисторов и диодов рекуперации. Управление ключами осуществляется с помощью ШИ-модулятора в составе блока управления инвертора. Обязательным узлом параллельно соединяемых инверторов (стабилизированных преобразователей напряжения) является система выравнивания выходных токов. С помощью такой системы (блок) 1 /N sn i i N =∑ осуществляется суммирование выходных токов n i всех инверторов и деление на число N инверторов. Измерение токов производится с помощью соответствующих датчиков тока ДТ1-ДТN. В каждом инверторе осуществляется сравнение собственного выходного тока n i и среднего значения , si которое является задающим по току сигналом управления. Разностный сигнал sn ii - увеличивается, фильтруется () nH с целью подавления высокочастотных помех и подается на вход инвертора. Исследования ШИ-преобразователя с равнозначным управлением можно проводить посредством линеаризации его передаточной функции [3; 4]. Для этого используется метод фазовых переменных по усредненным параметрам преобразователя. Даже при значительных упрощениях основные соотношения для выходного напряжения Âûõ u и выходных токов n i оказываются весьма сложными для анализа. Метод усреднения и линеаризации является приближенным методом. Линеаризация передаточной функции преобразователя не позволяет осуществить учет нелинейности ШИ-модуляции, исследование импульсных внешних деструктивных воздействий, а также отклонений внутренних параметров инверторов [3]. С целью повышения достоверности результатов исследований разработана дискретно-нелинейная модель преобразователя, обладающая более высокой адекватностью и одновременно расширяющая число исследуемых параметров. Основой преобразователя можно считать ШИ-инвертор с многоконтурной обратной связью. Структурная схема инвертора приведена на рисунке 2. В схеме приняты следующие обозначения: MS - мультиплексор; RG - регистр; G - генератор задающего сигнала (синусоидального); ГЛИН - генератор линейно изменяющегося напряжения uГ с периодом ТГ; УПТ - усилитель постоянного тока; ( ), Âõ ut () Âûõ ut - входное (задающее) и выходное напряжения широтно-импульсного инвертора напряжения соответственно; 1, Lr 1 Cr - сопротивления потерь в элементах фильтра 1, L 1;C 1, ÄR 2 ÄR - делитель напряжения с коэффициентом передачи α= 212 () ÄÄÄ RRR + для обеспечения обратной связи по выходному напряжению; () Îø ut - сигнал ошибки, равный разности задающего напряжения и суммарного напряжения обратной связи; () st - выходной сигнал компаратора (0; 1); T f - сигнал сброса импульсов ШИ-модулятора; 1 ØR - сопротивление шунта для обеспечения обратной связи по току конденсатора фильтра С1. Переменные состояния силовой части инвертора: ток в индуктивности 11 L xi = и напряжение на емкости 21 C xu = для случая индуктивно-емкостного фильтра с учетом потерь описываются матричными уравнениями и составляются на основании законов Кирхгофа для напряжений и токов. Переменные состояния на интервале проводимости ключей VT3, VT2 (диагонали инвертора) определяются уравнением 11 = + , x A x Bu (1) на интервале выключенного (закрытого) состояния ключей уравнением 22 .= + x A x B u  (2) Матрицы коэффициентов переменных состояния 1 A и 2 A и матрицы коэффициентов вынужденного (внешнего) воздействия 1 B и 2 B для инвертора с однозвенным фильтром имеют вид: Рисунок 2. Широтно-импульсный инвертор AA 1 1 1 , 0 L  =    B 2 0 . 0  =  B (3) Приведенные выражения (1)-(3) для матричных коэффициентов 1, A 2, A 1 B и 2 B соответствуют режиму непрерывного (или безразрывного) тока индуктивности инвертора. В переходных режимах (при запуске инвертора, резком уменьшении тока нагрузки), учет особенностей режима прерывистого тока индуктивности силовая часть инвертора характеризуется матричными коэффициентами 3, A 3: B 3 11 00 ,10 () HC C R r  =  +   A 3 0 . 0  =  B (4) На компаратор системы управления инвертора подаются два сигнала: сигнал ошибки () Îø ut и сигнал пилообразного напряжения ( ). Ã ut В зависимости от их соотношения для положительных значений сигнала ошибки ( ) 0 Îø ut ≥ на выходе компаратора формируются сигналы управления () st генерированием импульсов положительного, а для ( ) 0 Îø ut ≤ отрицательного напряжения 1, 2 0;1 =ÓÓ :u mod 1 max ( ) ( ) [ ( )] [ ( ) ( )] [ ] , Îø Ã Ó Âõ Ó Âûõ Ã Ã T iC s t u t u t k u k u t tki t U T = - + = = - α + + - + (5) где Ó k - коэффициент усиления усилителя напряжения постоянного тока в цепи обратной связи; ik - коэффициент усиления усилителя постоянного тока в цепи обратной связи; modT t - остаток от деления длительности импульса на период модуляции ; ÈÃ tT max ÃU - размах линейно изменяющегося напряжения. Уравнения (1)-(5) представляют собой дискретно-нелинейные уравнения модели инвертора с использованием метода переменных состояния по мгновенным значениям параметров. При применении этого метода переменных состояния на каждом шаге вычислений определяется сигнал () st и в зависимости от его значения решаются уравнения состояния либо для цепи с открытым ключом, либо для цепи с закрытым ключом. Дискретно-нелинейная модель преобразователя С помощью программного модуля SimPowerSystems интерактивной среды Simulink по интерактивной среды Simulink построена дискретно-нелинейная модель преобразователя на основе параллельно соединенных инверторов с равнозначным управлением [5] (см. рисунок 3). Задающий сигнал напряжения преобразователя поступает на вход In1 каждого из широтноимпульсных инверторов InvPWM1, InvPWM2 и InvPWM3. Общий выход инверторов подключен к блоку Load нагрузок (индуктивной, емкостной, нелинейной и других). В каждом инверторе имеется главная обратная связь по напряжению (цепь ULoad). Одновременно в инверторах содержится цепь отрицательной обратной связи по току емкости выходного фильтра (Ic1 в первом инвертоIc1 в первом инверто1 в первом инверторе и так далее). В преобразователе используется генератор BSG пилообразного сигнала несущей частоты (3 кГц) и генератор Gen задающего (в данном случае синусоидального) сигнала. Для выравнивания выходных токов инверторов (ШИ-преобразователей напряжения, соединенных параллельно) используется схема, которая включает отрицательную обратную связь по току, равному разности между задающим средним значением выходного тока Is и действительным значением тока инвертора (для первого инвертора I1). Таким образом, сигнал dn i обратной связи по разностному току n-го инвертора равен 1 ,= - ∑ N dn n n i i N i (6) где n i - выходной ток n-го инвертора; N - число инверторов в преобразователе. В преобразователе применяются блоки задержек Delay для моделирования деструктивных возмущений типа «фазовых отклонений» управляющих сигналов. Кривые напряжений и токов в различных точках преобразователя выводятся с помощью блоков согласования VID1 и VID2 на осциллограф Scope. Вместе с этим на схеме не показаны измерительные устройства действующих значений выходного напряжения и токов инверторов, его коэффициента нелинейных искажений и спектра, измерители активной и реактивной мощности и сервисные устройства (генераторы, таймеры, коммутаторы), используемые для моделирования и исследования различных режимов работы преобразователя. Методика моделирования и исследований преобразователя посредством дискретно-нелинейных моделей включает три основные группы исследований [6; 7] - исследование динамических свойств; - исследование устойчивости к деструктивным внешним воздействиям; - исследование устойчивости к отклонениям внутренних параметров преобразователей. Для исследований и выявления основных свойств и закономерностей функционирования преобразователей равнозначного типа достаточно использовать модель на основе трех параллельно включенных идентичных широтно-импульсных инверторов [5; 6]. В качестве исследуемого объекта использовался преобразователь с параметрами, приведенны ми в таблице. Анализ результатов исследований показал, что наибольшую чувствительность выходные характеристики преобразователя имеют по отношению к фазовым отклонениям выходного тока соединенных параллельно инверторов [8]. При этом существенное значение в снижении влияния фазовых отклонений на энергетическую эффективность преобразователя имеет глубина обратной связи по разностному току -. sn II На рисунке 4 показаны диаграммы выходных токов инверторов преобразователя с равнозначным управлением при задержке задающего сигнала третьего инвертора 0,2 Ç τ= мс (1 % от периода огибающей 20 MT = мс). Здесь 1, SwU 2SwU и 3 SwU - выходные напряжения инверторов; GenU - задающее напряжение; Load U - напряжение нагрузки; 1, I 2 I и 3 I - выходные токи инверторов. Задержка фазы выходного тока третьего инвертора существенно превышает величину задержки управляющего сигнала и составляет 0,9Ç i τ= мс (4,5 % от периода огибающей ). MT В силу параллельного соединения инверторов задержка выходного напряжения увеличивается в меньшей степени (в данном случае до 0,6 Çu τ= мс). При этом реактивная мощность, вносимая третьим инвертором увеличивается и компенсируется реактивной мощностью остальных инверторов (см. рисунок 4). При уменьшении величины нагрузки указанное превышение задержки возрастает, поэтому на рисунке 4 показаны выходные процессы для резистивной нагрузки 100 ÍR = Ом (выходная мощность преобразователя 432 ÏðP = Вт). Увеличение коэффициента передачи обратной связи по разностному току значительно снижает сдвиг фазы выходного тока третьего инвертора Заключение Для построения сложного преобразователя на основе параллельно соединенных ШИинверторов необходимы подробные исследования на основе дискретно-нелинейных моделей высокой адекватности. Параллельное соединение стабилизированных инверторов - непростая задача. Поэтому результаты таких исследований позволяют выделить часто неочевидные особенности таких преобразователей и учесть их на этапе разработок. По результатам исследований разработан и запатентован новый способ управления [9]. Рисунок 3. Структурная схема дискретно-нелинейной модели преобразователя с равнозначным принципом управления Таблица. Основные параметры преобразователя Наименование параметра преобразователя Значение параметра Частота модуляции, , Ãf Гц 3000 Индуктивность дросселя фильтра L1, Гн 0,075 Емкость фильтра C1, мкФ 10 Коэффициент передачи по напряжению прямого тракта инвертора VT k 1350 Коэффициент передачи ОС по напряжению V k 0,1 Коэффициент петлевого усиления по напряжению инвертора VP k 135 Коэффициент передачи ОС по току конденсатора фильтра инвертора C k 1 Коэффициент передачи цепи обратной связи по разностному току инвертора is k 8 Рисунок 4. Диаграммы выходных токов инверторов преобразователя с равнозначным управлением при задержке задающего сигнала третьего инвертора

About the authors

O. V Osipov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: oo@psuti.ru
Samara, Russian Federation

A. E Geitenko

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: oo@psuti.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files