Дослідження підвищувального DC-DC перетворювача шляхом чисельного екс-перименту
DOI:
https://doi.org/10.33042/2079-424X.2024.63.1.03Ключові слова:
підвищувальний DC-DC перетворювач, комп’ютерна модель, широтно-імпульсна модуляція, Simulink, MatLab, моделювання, операційні періоди, ефективність використанняАнотація
У статті розглянуто фізичні процеси роботи імпульсного підвищувального DC-DC перетворювача електричної енергії. Створено комп'ютерну модель покрокового перетворення енергії: від джерела живлення в енергію магнітного поля, від енергії магнітного поля в енергію електричного поля та її накопичення конденсатором при підвищеній напрузі. Перетворювач працює в режимі широтно-імпульсного регулювання. Процеси перетворення енергії описуються рівняннями, зведеними до форми Коші. Комп'ютерну модель побудовано у програмному пакеті Simulink, MatLab. Моделювання DC-DC перетворювача передбачає розрахунок кожного імпульсу, збереження результатів і їх передачу на початок наступного імпульсу. Описаний алгоритм моделювання, при робочих частотах DC-DC перетворювача, накладає підвищені вимоги до швидкодії комп'ютера та обсягу його пам'яті. Моделювання було проведено для t = 10 с при частоті 100 кГц, і тривало більше шести годин (tm > 6 годин). Використання такої моделі для досліджень не є ефективним. Було знайдено метод моделювання на нижчих частотах з подальшою передачею їх результатів на частоти перетворювачів. Моделювання проводилося при частотах 1 кГц, і була підтверджена адекватність результатів для перетворювачів на вищих частотах. Тривалість експерименту скорочено до 30 секунд, що забезпечує зручні умови для моделювання. Дослідження, проведені за допомогою запропонованої моделі, дозволяють виділити три часові періоди роботи підвищувальних перетворювачів: перехідний, стабілізаційний і стаціонарний. Перехідний період характеризується зростанням вихідної напруги DC-DC вище значення динамічної рівноваги перетворювача, тобто значення, яке перевищує визначене регулювальною характеристикою. При цьому надлишкова енергія накопичується в накопичувальному елементі, а динамічна рівновага процесів заряджання і розряджання зміщується. Починається період стабілізації, під час якого відсутні імпульси струму, енергія не надходить до конденсатора, і він розряджається струмом навантаження. Надлишковий заряд зменшується до значення, яке відповідає стаціонарній роботі. Напруга в цей період зменшується майже за лінійним законом, обернено пропорційним до величини навантаження. Отримано формули для розрахунку часу стабілізації. Період стаціонарної роботи характеризується динамічною рівновагою процесів заряджання конденсатора імпульсами струму і розряджання навантаженням постійного струму. Він триває доти, доки не відбудеться зміна навантаження або напруги на вході перетворювача. Час стабілізаційного періоду може перевищувати кілька хвилин, супроводжуватись повторюваними оновленнями та зупинками імпульсів струму, а в деяких випадках взагалі не встановлюватись. Оскільки DC-DC перетворювачі широко застосовуються в системах керування та мають описані вище робочі періоди, при проєктуванні систем керування та аналізі їх роботи недостатньо враховувати лише рівноважні режими. Необхідно також враховувати зміну робочих періодів. У ряді цитованих робіт ці періоди не описані, що частково знижує надійність їхніх результатів. Динамічна рівновага процесів не може бути встановлена одразу після перемикання режимів DC-DC, і тривалість цього процесу залежить від величини навантаження. Використання DC-DC регуляторів, наприклад, у схемах живлення від акумуляторів, за зміни зовнішнього навантаження може призвести до небажаної зміни режиму роботи DC-DC, що знижує ефективність його використання.
Посилання
Mohan, N., Undeland, T.M., & Robbins, W.P. (2003). Power Electronics: Converters, Applications, and De-sign. John Wiley & Sons.
Pressman, A. (2007). Switching Power Supply Design (3rd ed.). McGraw-Hill, Inc.
Forouzesh, M., Siwakoti, Y.P., Gorji, S.A., Blaabjerg, F., & Lehman, B. (2017). Step-up DC–DC converters: A comprehensive review of voltage-boosting techniques, typologies, and applications. IEEE Transactions on Power Electronics, 32(12), 9143–9178. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2652318
Kharchenko, V., Kostenko, I., Liubarskyi, B., Shai-da, V., Kuravskyi, M., & Petrenko, О. (2020). Simulating the traction electric drive operation of a trolleybus equipped with mixed excitation motors and a DC-DC converter. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (9), 46–54. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205288
Ronanki, D., Singh, S.A., & Williamson, S.S. (2017). Comprehensive topological overview of rolling stock architectures and recent trends in electric railway traction systems. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 3(3), 724–738. https://doi.org/10.1109/TTE.2017.2703583
Kharchenko, V.F., Daleka, V.K., Andriichenko, V.P., & Kostenko, I.O. (2010). Method for field reduction of traction electric motor of compound excitation type. (UA Pat. No. 60109)
Andreychenko, V., Zakurday, S., & Kostenko, I. (2014). Improvement of the method used for control of starting direct-current rail way motor. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (8), 31–35. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.20123
Dianov, A. (2023). Comparison of feedback field-weakening techniques for synchronous machines with permanent magnets. Vehicles, 5(4), 1671–1691. https://doi.org/10.3390/vehicles5040091
Su, J., Gao, R., & Husain, I. (2017). Model predictive control based field-weakening strategy for traction EV used induction motor. IEEE Transactions on Industry Applications, 54(3), 2295–2305. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2787994
Chang, N., Al Faruque, M., Shao, Z., Xue, C. J., Chen, Y., & Baek, D. (2018). Survey of low-power electric vehicles: A design automation perspective. IEEE Design & Test, 35(6), 44–70. https://doi.org/10.1109/MDAT.2018.2873475
Agamloh, E., Von Jouanne, A., & Yokochi, A. (2020). An overview of electric machine trends in modern electric vehicles. Machines, 8(2), 20. https://doi.org/10.3390/machines8020020
Vilberger, M.E., Vislogusov, D.P., Kotin, D.A., & Kulekina, A.V. (2017). Bidirectional DC-DC conversion device use at system of urban electric transport. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 87, 032053. https://doi.org/10.1088/1755-1315/87/3/032053
Grygar, D., Koháni, M., Štefún, R., & Drgoňa, P. (2019). Analysis of limiting factors of battery assisted trolleybuses. Transportation Research Procedia, 40, 229–235. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2019.07.035
Manjesh, Manjunatha, K.C., Bhoi, A.K., & Sherpa, K.S. (2017). Design and development of buck-boost regulator for dc motor used in electric vehicle for the application of renewable energy. In Advances in Smart Grid and Renewable Energy (pp. 33–37). https://doi.org/10.1007/978-981-10-4286-7_4
Rajabi, A., Shahir, F.M., Rajaei, A., & Sedaghati, R. (2022). A non-isolated high step-up DC-DC converter for electric vehicles (EV): Analysis and design. In CIRED Porto Workshop 2022: E-mobility and Power Distribution Systems (Vol. 2022, pp. 419–423). IET. https://doi.org/10.1049/icp.2022.0740
Nadermohammadi, A., Maalandish, M., Seifi, A., Abolhassani, P., Hosseini, S.H., & Farsadi, M. (2024). A non‐isolated single‐switch ultra‐high step‐up DC–DC converter with coupled inductor and low‐voltage stress on switch. IET Power Electronics, 17(2), 251–265. https://doi.org/10.1049/pel2.12633
Kisacanin, B., & Agarwal, G.C. (2012). Linear Control Systems: With Solved Problems and MATLAB Examples. Springer Science & Business Media.
Campbell, S.L. (2011). Modeling and Simulation in Scilab/Xcos with XcosLab 4.4. Springer-Verlag New York Inc.
Parasuraman, R., & Mouloua, M. (Eds.). (2018). Automation and Human Performance: Theory and Applications. Routledge.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Світлотехніка та Електроенергетика
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
@LepeJournal