CC BY
52
УДК 62-83: 621.314.632 ББК З291.074:З852.3
Г.П. ОХОТКИН, СВ. УГАРИН
МОДЕЛИРОВАНИЕ НА МиЬТШМ РЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ КОММУТАЦИИ КЛЮЧЕЙ ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Ключевые слова: моделирование, релейная система автоматического регулирования тока, законы коммутации транзисторных ключей, вентильный преобразователь.
Разработаны модели на Multisim релейных систем автоматического регулирования тока при классической несимметричной и поочередной несимметричной коммутациях ключей мостовой схемы вентильного преобразователя. Схемы моделей систем автоматического регулирования тока имеют сходство со структурными схемами систем и интуитивно понятны разработчикам систем силовой электроники. Модели имитируют работу реальных систем и позволяют легко и быстро тестировать их. Моделирование на Multisim подтверждает достоверность полученных в ходе структурного синтеза результатов.
Моделирование осуществляется с целью проверки достоверности полученных в ходе синтеза результатов. После проведения синтеза релейных систем автоматического регулирования (САР) тока появляется математическая модель в виде структурной схемы, интуитивно понятная разработчику электронных схем и систем. Существует множество пакетов программ для моделирования электронных схем и систем. Одной из таких программ является программа схемотехнического моделирования МыШзШ, отличающаяся простым и легко осваиваемым пользовательским интерфейсом. Multisim имитирует работу системы в реальном масштабе времени и позволяет тестировать ее за минимальное время.
Проверка достоверности полученных в ходе синтеза релейных регуляторов САР тока при симметричной и диагональной коммутациях ключей вентильного преобразователя (ВП) проведена в работе [1], а в [2] проведена проверка достоверности работы схем логических устройств в составе САР тока.
В доступной литературе вопросы моделирования релейных САР тока при несимметричной коммутации ключей ВП не рассмотрены, поэтому моделирование наMultisim САР тока является актуальной задачей.
Целью данной работы являются разработка на Multisim моделей релейных САР тока при классической несимметричной коммутации и поочередной несимметричной коммутации ключей ВП и оценка достоверности полученных в ходе синтеза результатов.
Схема модели на Multisim релейной САР тока при классической несимметричной коммутации ключей ВП представлена на рис. 1. Релейный регулятор САР тока, состоящий из трех релейных элементов РЭ1-РЭ3, реализован на виртуальных компараторах с идеальными релейными характеристиками. Для формирования нижнего и верхнего порогов переключения транзисторов релейные характеристики элементов РЭ1 и РЭ3 сдвигаются по оси абсцисс влево и вправо от начала координат. Величины смещения характеристик задаются значениями напряжений исм1 и исм2.
к»
4-
Рис. 1. Схема САР тока при классической несимметричной коммутации ключей ВП
Рис. 2. Схема САР тока при поочередной несимметричной коммутации ключей ВП
Ьв
I
а к х
Л
а
г
£
г
N
г
а к
Л §
к»
»
& и»
Релейный элемент РЭ4 служит для задания направления вращения двигателя постоянного тока (ДПТ).
Логическое устройство (ЛУ) САР тока состоит из инверторов INV1-INV3, ДО-триггеров RS1 и RS2, пяти логических элементов «И» AND1 - AND5 и двух логических элементов «ИЛИ» OR1 и OR2.
Модель схемы ВП реализована на виртуальных полупроводниковых приборах, представленных идеальными транзисторами VT1-VT4 и диодами VD1-VD4, соединенными в мостовую схему. Питание мостовой схемы ВП осуществляется от источника постоянного напряжения ивх.
Гальваническая развязка цепей управления и силовых транзисторов моста выполнена на четырех драйверах, содержащих четыре оптотранзистора VT5-VT8 и три источника питания U1-U3.
Объединение эмиттеров транзисторов VT3 и VT4 в одну точку позволяет управлять ими от одного источника питания U3.
В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, последовательно включены активно-индуктивная нагрузка (Ья - R¡) с противо-ЭДС, моделирующая работу якорной цепи ДПТ, и датчик тока ДТ (ХСР1) с гальванической развязкой. Датчик тока выполнен на основе токового пробника, размещенного в библиотеке инструментов Multisim. Чувствительность ДТ соответствует 1 mv/mA, для сглаживания высокочастотных помех, снимаемых с датчика тока, используется RC-фильтр, выполненный на R1 и С1.
Задающее воздействие изт формируется генератором XFG1, контроль переменных в схеме САР тока осуществляется осциллографом XSC1.
На рис. 2 приведена схема модели на Multisim релейной САР тока при поочередной несимметричной коммутации ключей ВП. Схема модели отличается от схемы САР тока, приведенной на рис. 1, дополнительно введенной схемой, обеспечивающей смены очередности переключения ключей ВП. Дополнительная схема введена между драйверами ключей VT1-VT4 мостовой схемы ВП и схемой логического устройства, формирующей импульсы управления транзисторами и6э1 - ибэ4.
Схема смены очередности переключения ключей ВП, состоящая из двух че-тырехканальных ключей K1 и K2, четырехканальной схемы «ИЛИ» и схемы управления (СУ) ключами, выполнена на 8 логических элементах «И» (AND6-AND13), 5 логических элементах «ИЛИ» (OR3-OR7) и T-триггере (TFF).
Вначале рассмотрим процессы в релейной САР тока (рис. 1) при классической несимметричной коммутации ключей ВП.
Силовая схема САР тока может работать в режиме как непрерывного, так и знакопеременного тока. Тестирование работы схемы САР тока необходимо проводить в обоих токовых режимах при различных режимах работы ДПТ: в режиме разгона и работы электродвигателя «Вперед», режиме торможения вращающегося «Вперед» двигателя, режиме разгона и работы ДПТ «Назад» и режиме торможения вращающегося «Назад» электродвигателя.
На рис. 3 представлены временные диаграммы работы модели релейной САР тока в режиме непрерывного тока (РНТ) при противо-ЭДС е = 0 и подаче на вход синусоидального сигнала задания тока с амплитудой изт = 10 В и частотой/^ 200 Гц.
и„
Цэ2
Цбэ3
Цбэ4
Рис. 3. Временные диаграммы работы схемы в РНТ при классической несимметричной коммутации ключей ВП
Также на рис. 3 приведены импульсы управления - ибэ4 транзисторами УТ1 и УТ4 моста. На интервале изт > 0 транзистор УТ4 постоянно открыт Цбэ4=1, а транзисторы УТ1 и УТ3 переключаются в противофазе, т.е. при Цбэ1=1 импульс ибэ3=0 и наоборот. На интервале изт < 0 транзистор УТ3 постоянно открыт, а транзисторы УТ2 и УТ4 переключаются в противофазе.
Теперь рассмотрим процессы в САР тока при поочередной несимметричной коммутации ключей ВП. Временные диаграммы работы модели САР тока (рис. 2) в режиме непрерывного тока при противо-ЭДС е = 0 и подаче на вход синусоидального сигнала задания тока с амплитудой Цт = 10 В и частотой f= 200 Гц представлены на рис. 4.
и*
Ш
и*
и„
t
0
0
0
0
0
Рис. 4. Временные диаграммы работы схемы в РНТ при поочередной несимметричной коммутации ключей ВП
Импульсы управления Т/бэ\ — ТТбэ4 иллюстрируют смену очередности переключения ключей ВП. При нечетных импульсах ибэ\ (ибэ2) короткозамкнутая цепь в силовой схеме формируется путем включения нижних транзисторов УТ3 и УТ4 моста, а при четных импульсах ибэ\ (ибэ2) - включением верхних транзисторов УТ\ и УТ2.
При принятых в модели значениях задающего воздействия и противо-ЭДС ток в цепи якоря (сигнал нот) не отличается от кривой, приведенной на рис. 3. Это означает, что тип коммутации ключей ВП не влияет на статические и динамические показатели САР тока. Энергетические показатели САР тока при поочередной несимметричной коммутации ключей ВП выше из-за равномерного распределения между транзисторами суммарных потерь мощности, возникающих при переключении транзисторов. Кроме того, частота переключения ключей в два раза ниже, чем при классической коммутации.
На рис. 5 приведены временные диаграммы работы САР тока (рис. \) при торможении вращающегося «Вперед» двигателя в режиме знакопеременного тока при е = 20 В и прямоугольной формы сигнала задания тока изт = \,5 В.
Тбэ1 ,
Тбэ2 , Цбэ3°
ибэ'
" 1-1 1- г
—1
1
г
г
тт
\ г
у иот У
Рис. 5. Временные диаграммы торможения при классической несимметричной коммутации ключей ВП
Аналогичные временные диаграммы работы САР при поочередной несимметричной коммутации ключей ВП представлены на рис. 6.
ибэ\
0
ибэ2 / 0
633 / 0
634 / 0
Рис. 6. Временные диаграммы торможения при поочередной несимметричной коммутации ключей ВП
г
г
Схемы управления САР тока формируют такие импульсы управления транзисторами - Uбэ4 моста, которые позволяют достаточно точно отслеживать току якоря ^0,) за задающим сигналом Uзт.
Временные диаграммы работы САР тока, приведенные на рис. 3 - 6, подтверждают достоверность полученных в ходе структурного синтеза результатов. Разработанные модели релейных САР тока сокращают материальные и временные затраты на проектирование систем силовой электроники.
Литература
1. Охоткин Г.П. Моделирование структурных схем релейных систем автоматического регулирования тока на Multisim // Вестник Чувашского университета. 2015. № 3. С. 86-93.
2. Охоткин Г.П. Моделирование релейных систем автоматического регулирования тока на МиШ8гт при симметричной и диагональной коммутациях ключей мостовой схемы вентильного преобразователя // Вестник Чувашского университета. 2015. № 3. С. 94-103.
ОХОТКИН ГРИГОРИЙ ПЕТРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, декан факультета радиоэлектроники и автоматики, заведующий кафедрой автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
УГАРИН СТАНИСЛАВ ВАЛЕНТИНОВИЧ - аспирант кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
G. OKHOTKIN, S. UGARIN
MULTISIM SIMULATION OF AUTOMATIC CURRENT CONTROL RELAY SYSTEMS WITH ASYMMETRIC SWITCHING KEYS OF CONVERTER
Key words: simulation, relay system of automatic current control, switching laws of transistor switches, gate converter.
The models are developed at the Multisim relay systems of automatic current control with classical asymmetric and alternating unbalanced switchover of the gate converter bridge circuit. The models schemes of automatic current control systems have some similarity with the systems structural schemes and are intuitively understandable to the developers ofpower electronics systems. The models simulate the operation of real systems and allow them to be easily and quickly tested. Modeling on Multisim confirms the reliability of the results obtained in the course of structural synthesis.
References
1. Okhotkin G.P. Modelirovanie strukturnyh skhem relejnyh sistem avtomaticheskogo reguliro-vaniya toka na Multisim [Multisim simulation of block diagrams of automatic current control relay systems]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 3, pp. 86-93.
2. Okhotkin G.P. Modelirovanie relejnyh sistem avtomaticheskogo regulirovaniya toka na Multisim pri simmetrichnoj i diagonalnoj kommutaciyah klyuchej mostovoj skhemy ventilnogo preobrazo-vatelya [Multisim simulation of automatic current control relay systems with symmetric and diagonal switching of valve inverter bridge keys]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2014, no. 2, pp. 66-74.
OKHOTKIN GRIGORY - Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of Radioelec-tronics and Automatics Faculty, Head of Department of Automation and Management in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
UGARIN STANISLAV - Post-Graduate Student of Industrial Electronics department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Ссылка на статью: Охоткин Г.П., Угарин С.В. Моделирование на Multisim релейных систем автоматического регули-рования тока при несимметричной коммутации ключей вентильного преобразователя // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 3. - С. 245-250.
