Entegre güç ayırma devresine sahip PFC AC / DC dönüştürücü
Enerji konuları, günümüz dünya gelişiminde ana konulardan biri haline gelmiştir Ekonominin sürekli gelişmesiyle birlikte elektrikli araçlar, ekonomik ve çevresel korumaları nedeniyle araştırma noktaları haline gelmiştir. Araç şarj cihazının ön aşaması bir PFC AC / DC konvertörden oluşmaktadır.Birim güç faktörü altında, DC yan çıkış gücü bir DC bileşeni ve bir çift güç frekansı titreşimli bileşeni içerir.Atışım gücü, konvertörün performansını ve sistem kararlılığını doğrudan etkiler; ayrıca, Titreşimli güç, PFC AC / DC dönüştürücünün DC tarafındaki çıkış voltajının ve çıkış akımının sürekli salınımına kolayca neden olabilir ve sürekli akım salınımı, pilin içinde aşırı ısınma, pil ömrünün kısalması ve sistemin güvenli ve güvenilir çalışmasını doğrudan etkilemesi gibi sorunlara neden olur. PFC AC / DC dönüştürücünün DC tarafındaki çıkış voltajının ve çıkış akımının sürekli salınımını önlemek için, büyük kapasiteli bir elektrolitik kondansatör, güç frekansı darbeli gücünün iki katını absorbe etmek için bir filtre devresi oluşturmak üzere dönüştürücü çıkışı DC bara tarafına paralel olarak bağlanır, böylece yük gerekli olanı elde edebilir. DC gücü. Bununla birlikte, şarj cihazındaki diğer elektronik cihazlarla karşılaştırıldığında, elektrolitik kapasitör, özellikle yüksek sıcaklık gibi ağır çalışma koşulları altında daha kısa bir hizmet ömrüne sahiptir, hizmet ömrü daha da kısalacak ve PFC AC / DC dönüştürücünün arızalanmasıyla sonuçlanacaktır.
Konvertörün güvenilirliğini artırmak için, literatür elektrolitik kapasitörler yerine film kapasitörler kullanan bir çözüm önermektedir. Bununla birlikte, aynı hacim altında, film kapasitörünün kapasitesi elektrolitik kapasitörün kapasitesinden çok daha küçüktür, bu nedenle dönüştürücü çıkış voltajının ikincil dalgalanması artacaktır. Film kapasitörler kullanılırken DC tarafındaki ikincil voltaj dalgalanmasını azaltmak için literatür ek bir devre yöntemi önermektedir.
Ek olarak, tek fazlı PFC AC / DC dönüştürücünün kendisinin doğrusal olmayan özellikleri ve pratik uygulamalardaki sistem parametrelerinin dahili ve harici bozuklukları, sistemin gerçek zamanlı olarak doğru bir matematiksel model oluşturamamasına neden olur.Lebiyat, kontrolden kurtulmak için model içermeyen doğrusal olmayan bir güç kontrol yöntemi önermektedir. Konvertörün konvertörün parametrelerine bağımlılığı, sistemin iç ve dış parazit ve ölçüm gürültüsünün üstesinden gelirken, sistemin dinamik ve statik özelliklerini ve sağlamlığını artırır.
Bu nedenle, bu makale öncelikle entegre güç dekuplaj devresine sahip PFC AC / DC dönüştürücünün ana topolojisini sunar ve çalışma prensibini analiz eder, anahtar bileşen parametrelerinin tasarımını ve seçimini tamamlar ve ardından PFC AC / DC dönüştürücü için model tasarlamaz. Güç kontrolörü, aynı zamanda, entegre bir sistem çözümü sağlamayı, çıkış voltajının ikincil dalgalanmasını bastırmayı ve sistem kontrol performansının ve sağlam performansın etkili bir şekilde iyileştirilmesini hesaba katmayı amaçlayan güç ayırma devresi için gelişmiş bir PR kontrolörü tasarladı. Ve sistemin güvenli ve güvenilir çalışması. Sistem çözüm analizi araştırması ve simülasyon doğrulaması temelinde, entegre güç ayırma devresine sahip 700 W güç seviyeli bir PFC AC / DC dönüştürücü deneysel prototip tasarlanmış ve üretilmiştir.Önerileni doğrulamak için dSPACE 1007'ye dayalı bir prototip test sistemi oluşturulmuştur. Sistem çözümünün fizibilitesi ve etkinliği.
1 PFC AC / DC dönüştürücü topolojisi ve entegre güç dekuplaj devresinin çalışma prensibi analizi
Entegre güç ayırma devresinin PFC AC / DC dönüştürücü topolojisi Şekil 1'de gösterilmektedir. Ana gövde olarak BOOST devresine sahip bir PFC AC / DC dönüştürücü ve çift yönlü tam köprü yapısından oluşan bir güç ayırma devresinden oluşur.
Devre giriş gücünün çıkış gücüne eşit olduğu ve giriş akım güç faktörünün 1 olduğu varsayılarak, PFC AC / DC dönüştürücü endüktans Ls'nin çift güç frekansı atım gücü üzerinde çok az etkiye sahip olduğu gerçeği göz önüne alındığında, çıkış gücü iki Çarpılmış frekans darbeli güç bileşeni pripple (t):
Formülde: Vin giriş voltajı genliğidir, Iin giriş akımı genliğidir, giriş voltajı açısal frekansıdır ve herhangi bir faz açısıdır.
İdeal olarak, DC tarafı çıkış voltajı sabit bir DC miktarıdır, ancak gerçek çalışma koşullarında, ayırma devresi titreşimli gücü tam olarak telafi edemez, bu da sabit DC miktarı haricinde dekuplaj devresine dönüştürücü çıkış voltajının eklenmesiyle sonuçlanır. Bazı yüksek dereceli harmonik bileşenler dahil, şu anda çıkış filtresi kapasitör Co'nun ana işlevi yüksek frekanslı dalgalanmayı filtrelemektir.
2 Entegre güç ayırma devresine sahip PFC AC / DC dönüştürücünün kontrolü
Entegre güç ayırma devresine sahip PFC AC / DC dönüştürücünün bağımsız kontrolü iki bölüme ayrılmıştır: PFC AC / DC kontrolü ve güç dekuplaj devresi kontrolü Sistem kontrol yapısı şeması Şekil 2'de gösterilmiştir.
PFC AC / DC dönüştürücü, sistemin dinamik ve statik performansını ve sağlamlığını iyileştirmek için modelden bağımsız doğrusal olmayan güç kontrolü kullanır.
Güç ayırma devresi için, bir PR kontrolörü, kapasitör voltajının referans değerini doğru bir şekilde izlemek ve titreşimli güç ayırma amacına ulaşmak için güç ayırma devresindeki kapasitör Cd terminal voltajını kontrol etmek üzere tasarlanmıştır.
Eşleştirilmiş bir PR kontrolörü tasarlamak için, tam köprü güç dekuplaj devresinin çalışma durumunun analizine dayalı olarak güç ayırma devresinin bir devre modelinin oluşturulması gerekir. Tam köprü güç dekuplaj devresi iki çalışma durumuna bölünebilir, yani kapasitör Cd'nin şarj durumu ve deşarj durumu. Devrenin çalışma süreci iki durumda simetrik olduğundan, analiz için örnek olarak yalnızca şarj durumu alınır. Q1'in görev döngüsünün d olmasına izin verin. Süre boyunca, Q1 ve Q4 anahtarları açılır, çıkış voltajı vo kapasitör Cd'yi şarj eder ve indüktör Ld enerji depolar; bu süre boyunca, Q2 ve Q3 anahtarları açılır ve indüktör Ld, Q2 ve Q3'ün anti-paralel diyotlarından geçer. Kapasitör Cd'yi şarj edin.
Dönem boyunca, tam köprü güç ayırma devresinin dinamik denklemi:
İdeal olarak, güç ayırma devresi DC tarafındaki voltaj dalgalanmasını tamamen ortadan kaldırabilir ve çıkış voltajı sabit bir DC miktarı Vo olarak kabul edilebilir ve yukarıdaki formül şu şekilde yazılabilir:
Formül (8) 'de tasarlanan devre parametrelerinin yerine geçerek, açık döngü transfer fonksiyonunun genlik-faz eğrisi Şekil 3'te gösterildiği gibi elde edilebilir. Analiz, LC rezonans frekansına yakın faz karakteristiğinin -180 °' ye yakın olduğunu ve PR kontrolünün doğrudan kullanıldığını göstermektedir. Yetersiz faz marjı, sistemin dengesiz çalışmasına yol açacaktır.Bu nedenle, geleneksel PR kontrolörü iyileştirilir ve sistemin faz marjı, kontrol cihazına uygun kutuplar ve sıfırlar eklenerek iyileştirilir, gerilime ulaşmak için kapalı döngü sisteminin kararlılığını sağlamak amaçlanır. Döngünün sıfır sabit durum hatası izleme, geliştirilmiş PR kontrolör transfer fonksiyonu ifadesi:
3 Sistem deneyi
DSPACE 1007 platformuna dayalı olarak, 700 W güç seviyeli entegre güç dekuplaj devresi PFC AC / DC dönüştürücü deneysel test sistemi oluşturulmuştur.Deneysel parametreler Tablo 1'de gösterilmiştir.
Şekil 4, güç 700 W olduğunda dönüştürücünün çıkış voltajı dalga biçimini göstermektedir. Tepeden tepeye çıkış voltajı dalgası, çıkış voltajının yalnızca% 4,2'si olan yaklaşık 10 V'tur. Deneysel sonuçlar, entegre güç ayırma devresinin beklendiği gibi DC tarafındaki titreşimli gücün çoğunu emebildiğini doğrulamaktadır.
Şekil 5, 700 W yük altında redresör köprüsünden geçtikten sonra entegre güç dekuplaj devresine sahip PFC AC / DC dönüştürücünün giriş voltajı ve giriş akımı dalga formlarını göstermektedir Giriş akımı giriş voltajını iyi takip edebilir. Güç faktörü düzeltmesinin amacı.
0.05 saniyede, yük gücü 400W'dan 700W'a değişir.Şekil 6, dönüştürücü giriş voltajı ve giriş akımının dinamiklerini gösterir.Şekil 7, çıkış voltajının dinamiklerini gösterir.Giriş akımı bir döngü içinde sabit bir duruma ulaşır ve çıkış voltajı 0.02 s içinde ulaşır. Kararlı durum ve aşma yok, deneysel sonuçlar, sistemin hala hızlı dinamik performansa ve ani yük değişiklikleri altında güçlü sağlamlığa sahip olduğunu ortaya koymaktadır.
Şekil 8, yük gücü 0,05 saniyede 400 W'dan 700 W'a değiştiğinde ayırma kapasitör voltajı ve referans voltajının dinamiklerini göstermektedir. Deneysel sonuçlar, yük gücü aniden değiştiğinde, ayrıştırıcı kapasitör voltajının referans voltajını doğru bir şekilde izleyebildiğini doğrulayarak, gelişmiş PR denetleyicisinin güç ayırma devresinin iyi dinamik ve statik özelliklere sahip olmasını sağlayabileceğini gösterir.
4. Sonuç
Elektrikli araç yerleşik şarj cihazının ön kademe PFC AC / DC dönüştürücü sisteminin kontrol performansı, sağlamlığın iyileştirilmesi ve güvenli ve güvenilir çalışmasına ilişkin araştırma hedeflerine ulaşmak için, bu makale entegre güç ayırma devresi PFC AC / DC dönüştürücü için entegre bir sistem çözümü önermektedir. Şema, entegre güç ayırma devresine sahip PFC AC / DC dönüştürücünün topoloji seçimi ve anahtar parametre tasarımından, PFC AC / DC dönüştürücünün süper yerel modeline dayalı modelsiz doğrusal olmayan güç kontrolünden ve güç ayırma devresinin matematiksel modelinden oluşur. PR kontrolünün temel bileşenlerini geliştirin. Entegre güç ayırma devresine sahip 700 W güç seviyeli bir PFC AC / DC dönüştürücü tasarladı ve üretti. DSPACE 1007'ye dayalı bir prototip test sistemi oluşturuldu. Sistem deney sonuçları önerilen entegre güç ayırma devresi PFC AC'yi doğruladı. / DC dönüştürücü sistem çözümü, çıkış voltajının ikincil dalgalanmasını etkili bir şekilde bastırabilir, sistem kontrol performansını ve sağlamlığını iyileştirebilir ve sistemin güvenli ve güvenilir çalışmasını gerçekleştirebilir.
Referanslar
Xu Chentian, Liu Junyu. Prospects of China's New Energy Vehicles. Cooperative Economy and Technology, 2017 (16): 80-81.
FONTES G, TURPIN C, ASTIERAND S, et al. Yakıt hücreleri ve güç dönüştürücüler arasındaki etkileşimler: akım harmoniklerinin bir yakıt hücresi yığını üzerindeki etkisi IEEE İşlem ve Güç Elektroniği, 2007, 22 (2): 670678.
LACRESSONNIERE F, CASSORET B, BRUDNY J F. Sinüzoidal pertürbasyon ile şarj akımının kurşun-asit pil performansına etkisi IEEE Proceedings-Electric Power Applications, 2005, 152 (5): 1365-1370.
Cao Lingling, Li Hongmei Araç şarj cihazları için PFC AC / DC dönüştürücülerin doğrusal olmayan güç kontrolü Electric Drive, 2016, 46 (9): 53-56.
HARB S, BALOG R S. Çift hat frekansı dalgalanma iptali için güç ayırma dalgalı portlu tek fazlı PWM doğrultucu Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı ve Sergisi, 2013: 1025-1029.
CAO L L, LI H M, ZHANG H G. Dahili şarj cihazı için ön uç PFC AC / DC dönüştürücünün modelsiz güç kontrolü. 2016 IEEE 8. Uluslararası Güç Elektroniği ve Hareket Kontrol Konferansı, 2016, 2719-2723.
Xu Hailiang, Liao Zili, He Yikang. PWM dönüştürücü uygulamasında orantılı rezonans denetleyicisinin birkaç kilit noktası.Otomasyonu Elektrik Güç Sistemi, 2015 (18): 151-159.
Sun Hongyu. PR kontrolüne dayalı PFC akım harmonik bastırma Power World, 2015 (7): 31-33.
TIAN B, HARB S, BALOG R S. Hızlı dinamik yanıtlı dalgalanma portu entegre PFC doğrultucu IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems. IEEE, 2014: 781-784.
yazar bilgileri:
Zeng Shenjie, Li Hongmei, Zhang Hengguo, Cui Chao
(Elektrik ve Otomasyon Mühendisliği Okulu, Hefei Teknoloji Üniversitesi, Hefei 230009, Anhui)
