Дослідження підвищувального DC-DC перетворювача шляхом чисельного екс-перименту

Abstract

The physical processes of the operation of a pulse boosting DC-DC converter of electrical energy are considered. A computer model of a step-by-step conversion of energy: a power source into magnetic field energy, magnetic field energy into electric field energy and its accumulation by a capacitor at increased voltage was created. The converter works in the mode of pulse-width regulation. Energy conversion processes are described by equations reduced to the Cauchy form. The computer model is built in the application package Simulink, MatLab. DC-DC modelling involves calculating each pulse, storing the results, and transmitting it to the beginning of the next pulse. The described modelling algorithm, at the operating frequencies of the DC-DC converter, imposes increased requirements on the speed of the computer and the amount of its memory. The modelling program was carried out for t = 10 s at a frequency of 100 kHz, more than six hours tm > 6 hours. Using such a model for research is not effective. A method was found for modelling at lower frequencies and transferring their results to the frequencies of the converters. Modelling was carried out at frequencies of 1 kHz and the adequacy of the results of the converters at higher frequencies was confirmed.The duration of the experiment is reduced to 30 seconds, which provides convenient modelling conditions.У статті розглянуто фізичні процеси роботи імпульсного підвищувального DC-DC перетворювача електричної енергії. Створено комп\u27ютерну 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\u27ютерну 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\u27ютера та обсягу його пам\u27яті. 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