Високочастотні коректори коефіцієнта потужності в джерелах електроживлення з безтрансформаторним входом
| Jazyk: | ukrajinština |
|---|---|
| Rok vydání: | 2019 |
| Předmět: |
корректор коэффициента мощности
control method электромагнитная совместимость загальний коефіцієнт гармонік коректор коефіцієнта потужності power factor corrector показники якості струму метод управления 621.314(043.3) current quality rate електромагнітна сумісність метод керування напівпровідниковий перетворювач система управления полупроводниковый преобразователь система керування total harmonic distortion control system показатели качества тока semiconductor converter общий коэффициент гармоник electromagnetic compatibility |
| Popis: | Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі удосконалення існуючих методів керування активними високочастотними коректорами коефіцієнта потужності в джерелах електроживлення з безтрансформаторним входом для підвищення рівня електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів електроенергії з мережею живлення. У роботі проведено детальний аналіз трьох поширених методів активної високочастотної корекції коефіцієнта потужності: методу граничного керування, методу керування за піковим струмом та методу керування за середнім струмом. Досліджено аналогові та цифрові системи керування коректорами. Розроблено схему додаткової комутації транзистора, що усуває спотворення вхідного струму та розширює діапазон роботи коректора. Для покращення спектра вхідного струму коректора з піковим методом керування запропоновано вводити в систему керування додатковий корегуючий вплив. Запропоновано метод керування з фільтрацією третьої гармоніки, що дозволяє зменшити величину даної гармоніки. Розроблено цифрове керування коректором за піковим струмом з корегуванням еталонного сигналу по похідній, що дозволяє досягнути спрощення структури системи керування. Розроблена цифрова система, що реалізує адаптивне керування коректором коефіцієнта потужності та забезпечує потрібний нахил компенсуючої пилкоподібної напруги в усьому діапазоні зміни вхідної та вихідної напруг коректора. The dissertation is devoted to solving the scientific and technical problem of improving the existing control methods of active high-frequency power factor correctors in power supplies with transformerless input for increasing the level of electromagnetic compatibility of semiconductor power converters with the power supply network. The dissertation analyzes the literary sources devoted to the methods of increasing the power factor of semiconductor power converters, methods of active high frequency power factor correction and existing digital control systems of power supplies. The research of the switch-on process of the active high frequency power factor corrector was carried out. A significant inrush current was detected. This is due to the fact that at the initial moment the output capacitor is discharged and as a result the corrector choke is directly connected to the input voltage on both switching intervals. The largest jump of the input current occurs when the corrector is switched on in the moment of maximum network voltage. In order to eliminate this shortcoming a corrector startup algorithm is proposed, the main idea is to first charge the output capacitor with an additional charger, while the load is disconnected from the corrector. After the voltage on the capacitor has risen to a certain level the corrector is turned on. At the same time the load is also connected. By choosing the voltage level to which the capacitor is charged it is possible to significantly reduce the inrush current or even to get rid of it. Investigation of the corrector without voltage feedback showed that the output voltage drops below the amplitude value of the supply voltage in the case of a noticeable increase of the load, which leads to the distortion of the input current. To eliminate the distortion of the input current and extend the operating range of the corrector the scheme of additional transistor switching was developed. This scheme opens the power transistor, thus the choke of the corrector accumulates the energy that will be transferred into the capacitor after closing of the transistor, raising the output voltage. This approach allows to substantially improve the input current shape. An expression for calculating the average input current of the corrector with a peak control method was obtained. It is obvious from the expression that the average current of the choke, which is the rectified input current, in addition to the sinusoidal component also has a sine square component and constant component, which significantly worsens the spectrum of current. To improve the spectrum it is proposed to introduce an additional corrective influence into the control system. A part of the rectified input voltage of the corrector is applied to the differentiating circuit. The absolute output signal of the circuit is added to the output multiplier signal. This control method allows to eliminating current distortion by increasing the reference signal in a zero-crossing area of a supply voltage. Further improvement of the input current spectrum is achieved by introducing a signal that contains the constant component and the square of the sinusoid. The distortion of the input current of the corrector with a peak control method is mainly due to the presence of the third harmonic. The developed third-harmonic filtering control method allows to reduce the magnitude of third harmonic and greatly improves the input current spectrum. Also the development of digital control methods for the correctors was investigated in the dissertation. The digital control system of active high-frequency power factor correctors with average current control method was created. The synthesis process consists of determining the coefficients of the differential equation by finding a discrete transfer function of an analog prototype. Bilateral transform is applied to convert continuous transfer functions into discrete. The expressions for the digital current and voltage regulators are obtained. Digital peak current control with the correction of a derivative reference signal is developed, which allows to simplify the structure of the control system. In the digital form only two mathematical operations are needed to calculate the derivative – subtraction and multiplication. Thus digital implementation of the corrector allows to achieve a significant simplification of the control system structure. Another feature of such corrector is absence of a sawtooth voltage, its presence is mathematically reproduced when calculating the moment of the corrector's power key closing. A well-known feature of the peak current control method is the appearance of subharmonic oscillations in the case of duty cycle higher than 50%. To eliminate these oscillations an additional compensating sawtooth voltage with a slope se is introduced into the control system. The smallest duration of the transient process can be achieved if the slope se is equal to the falling slope of the choke current s2. However the corrector input voltage varies in time as well as the current falling slope. Therefore to ensure the condition se=s2 the slope of the compensating sawtooth voltage has to be adjustable. An analog controller can achieve this, but such approach leads to a significant complication and cost increase of the control system. The paper presents a digital system that implements the adaptive control of the power factor corrector and provides the required compensating sawtooth voltage slope over the entire range of input and output voltage. Digital signal processor or microcontroller can be used to implement this control system. A digital corrector with a simplified feedback is developed. The corrector eliminates input current distortion caused by significant load increase and provides a preliminary stabilization of the corrector output voltage. The amount of calculations for the proposed algorithm decreased almost twice compared to a classical control. The validity of the given theoretical material is confirmed by the results of computer modeling in Simulink environment. The developed computer models allow to investigate the static and dynamic characteristics of active high-frequency power factor correctors. Диссертация посвящена решению научно-технической задачи совершенствования существующих методов управления активными высокочастотными корректорами коэффициента мощности в источниках электропитания с бестрансформаторным входом для повышения уровня электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей электроэнергии с питающей сетью. В работе проанализированы три распространенные методы активной высокочастотной коррекции коэффициента мощности: метод предельного управления, метод управления по пиковому току и метод управления по среднему току. Исследованы аналоговые и цифровые системы управления корректорами. Разработана схема дополнительной коммутации транзистора, которая устраняет искажения входного тока и расширяет диапазон работы корректора. Для улучшения спектра входного тока корректора с пиковым методом управления предложено вводить в систему управления дополнительный корректирующий сигнал. Предложен метод управления с фильтрацией третьей гармоники, что позволяет уменьшить величину данной гармоники. Разработано цифровое управление корректором по пиковому току с корректировкой эталонного сигнала по производной, что позволяет достичь упрощения структуры системы управления. Разработана цифровая система, реализующая адаптивное управление корректором коэффициента мощности и обеспечивающая нужный наклон компенсирующего пилообразного напряжения во всем диапазоне изменения входного и выходного напряжений корректора. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
|