Исследование устройств бесперебойного питания с параллельным соединением инверторов и равнозначным управлением

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.

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 1ST). Входные, задающие напряжения инверторов, равны: и_Вх1 = и_ЪуЛ =... = u_BxN. 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 преоб-

Рисунок 2. Широтно-импульсный инвертор

разователей напряжения) является система выравнивания выходных токов. С помощью такой системы (блок) i_s = \i_lt /N осуществляется суммирование выходных токов i_n всех инверторов и деление на число N инверторов. Измерение токов производится с помощью соответствующих датчиков тока ДТ1 -ДТМ.

В каждом инверторе осуществляется сравнение собственного выходного тока г_п и среднего значения i_s, которое является задающим по току сигналом управления. Разностный сигнал i_s — i_H увеличивается, фильтруется (//,) 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 п_Вых и выходных токов i_n 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 и_т с периодом 7^; УНТ — усилитель постоянного тока; м_ВхД), z/_Bblx(0 - входное (задающее) и выходное напряжения широтно-импульсного инвертора напряжения соответственно; г_п, г_Г1 — сопротивления потерь в элементах фильтра L_v С,; 7?_Д1, R_p? - делитель напряжения с коэффициентом передачи а= R_p2/(R_№ + /?_Д2) для обеспечения обратной связи по выходному напряжению; и_Ош(0 - сигнал ошибки, равный разности задающего напряжения и суммарного напряжения обратной связи; s(f) — выходной сигнал компаратора (0; 1); J_T — сигнал сброса импульсов ШИ-модулятора; 7?_Ш1 — сопротивление шунта для обеспечения обратной связи по току конденсатора фильтра С_Р Переменные состояния силовой части инвертора: ток в индуктивности х_х = i_n и напряжение на емкости х_э = и_сх 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 x = Alx + Blu, (1) на интервале выключенного (закрытого) состояния ключей уравнением х = А2х + В2и. (2)

Матрицы коэффициентов переменных состояния А] и А, и матрицы коэффициентов вынужденного (внешнего) воздействия В, и В2 для инвертора с однозвенным фильтром имеют вид:

At А2

--(г£, +--5-У-

А R_H+r_CY

RH

^i(Rh + ?|)

Rh Ц^Н ^{+ r}cd 1 C^Rr ^{+ r}ci)

B> =

A

Приведенные выражения (l)-(3) для матричных коэффициентов А,, А₂, В] и В₂ соответствуют режиму непрерывного (или безразрывно-го) 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 А₃, В₃:

На компаратор системы управления инвертора подаются два сигнала: сигнал ошибки и_Ош(/) и сигнал пилообразного напряжения и_т^.

В зависимости от их соотношения для положительных значений сигнала ошибки м_Ош (?) > О на выходе компаратора формируются сигналы управления s^ генерированием импульсов положительного, а для и_Ош ^ < 0 отрицательного напряжения м_{у] У2} = 0; 1:

5(0 = ыОш(0-[+М01 =

— ^у^Вх ^_ [^^У^Вых (О "*" (5)

где к_у — коэффициент усиления усилителя напряжения постоянного тока в цепи обратной связи; к, — коэффициент усиления усилителя постоянного тока в цепи обратной связи; t_modr— остаток от деления длительности импульса на период модуляции t_ttjT_T; U_rmax- 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 л(?) 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 SimPower-Systems 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 In 1 каждого из широтноимпульсных инверторов InvPWMl, 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 (Ic 1 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 7, и действительным значением тока инвертора (для первого инвертора II). Таким образом, сигнал idn обратной связи по разностному току и-го инвертора равен где in — выходной ток и-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-нели-

Gen

Рисунок 3. Структурная схема дискретно-нелинейной модели преобразователя с равнозначным принципом управления

нейных 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-

Таблица. Основные параметры преобразователя

Наименование параметра преобразователя	Значение параметра
Частота модуляции, /г, Гц	3000
Индуктивность дросселя фильтра L1, Гн	0,075
Емкость фильтра С1, мкФ	10
Коэффициент передачи по напряжению прямого тракта инвертора А:,т	1350
Коэффициент передачи ОС по напряжению kv	0,1
Коэффициент петлевого усиления по напряжению инвертора кп.	135
Коэффициент передачи ОС по току конденсатора фильтра инвертора кс	1
Коэффициент передачи цепи обратной связи по разностному току инвертора к,.	8

Рисунок 4. Диаграммы выходных токов инверторов преобразователя с равнозначным управлением при задержке задающего сигнала третьего инвертора

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 I_s — 1_п.

На рисунке 4 показаны диаграммы выходных токов инверторов преобразователя с равнозначным управлением при задержке задающего сигнала третьего инвертора т₃ =0,2 мс (1 % от периода огибающей Т_м = 20 мс). Здесь U_SwX, U_Sw2 и U_Sw3 — выходные напряжения инверторов; U_Gen - задающее напряжение; U_Load - напряжение нагрузки; /_1; Д и /₃ — выходные токи инверторов.

Задержка фазы выходного тока третьего инвертора существенно превышает величину задержки управляющего сигнала и составляет т_3; =0,9 мс (4,5 % от периода огибающей Т_м\ В силу параллельного соединения инверторов задержка выходного напряжения увеличивается в меньшей степени (в данном случае до т₃„ = 0,6 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 /Д =100 Ом (выходная мощность преобразователя Д[р =432 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 ШИ-инверторов 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].