Power Electronics
http://valvol.ru/

Устойчивость ИБП
http://valvol.ru/topic64.html		 Страница 10 из 17
Автор:  главный колбасист [ 23-05, 10:09 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Цитата:
Indeed this is the basis for measuring leakage inductance, measure the primary input inductance with the secondary shorted, and you get Lpleak.

Хлопцы говорят,что если измерять индуктивность первичной с закороченной вторичной,то получим индуктивность рассеяния. Хм. Правда чё ли ?
Автор:  Driba [ 23-05, 15:04 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Доброго времени суток уважаемые форумчане!
Данные по преобразователю в виде списка:
1. Входное напряжение питания
Vin = 200-240 V напряжение в сети.
Соответственно после выпрямителя Vin = 282-340 V.
2. Выходное напряжение
Vout = 1-30 V
3. Выходная нагрузка или мощность.
Мощность Pout =< 200 W.
Ток нагрузки Iout= 0.1-10A при соблюдении указанной мощности.
4. Топология преобразователя -
полумост.
5. Топология выпрямителя -
двухполупериодный.
6. Тип используемого ШИМ контроллера -
TL494.
7. Данные силового трансформатора -
первичная обмотка
170 V- амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора.
вторичная обмотка со средней точкой
Vtrans = 32,4 V – амплитуда вторичного напряжения силового трансформатора (на одной половине обмотки).
Ktr = N_S/N_P = V_trans/V_IN = 32,4/170 = 0.1906. - коэффициент трансформации.
8. Данные выходного фильтра -
LC фильтр.
L=173 µГн, R=35 mOhm
C=1000 µF, Resr= 52 mOhm
9. Данные выходного делителя напряжения
Rf11= 100k - верхнее плече.
Rf21= 47k - нижнее плече.
10. Если используется гальваническая развязка, то данные этой развязки
Трансформатор гальванической развязки:
Ktr = N_S/N_P = V_trans/V_IN = 12/12 = 1 - коэффициент трансформации.

Vramp = 3,2 V; 62,89 кГц - амплитуда пилообразного напряжения. Вывод 5 CT
Fsw = 31,65 кГц - частота переключения.= 32 кГц

С уважением Driba.
Автор:  valvol [ 23-05, 16:12 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Driba писал(а):
1. Входное напряжение питания
Vin = 200-240 V напряжение в сети.
Соответственно после выпрямителя Vin = 282-340 V.
2. Выходное напряжение
Vout = 1-30 V
3. Выходная нагрузка или мощность.
Мощность Pout =< 200 W.
Ток нагрузки Iout= 0.1-10A при соблюдении указанной мощности.

Задача усложняется.
Дело в том, что передаточная функция преобразователя зависит от режима в котором он работает: CCM (режим непрерывного тока) или DCM (режим разрывного тока). Ток граничного режима (лежащего на границе между непрерывным м разрывным) можно определить по формуле:
Ibm=(Vin-Vout)*Vout/(2*Vin*L*Fsw) (1)
Из формулы (1) видно, что ток граничного режима зависит практически от всех параметров преобразователя.
Ниже приводятся графики зависимости Ibm от входного Vin и выходного Vin напряжений:

Изображение

Из графика видно, что по крайней мере в 87% случаев преобразователь будет работать в режиме непрерывного тока. Поэтому выберем этот режим как основной. Для него будут проводится все расчеты компенсации. Но затем надо будет убедиться, что, при переходе в режим DCM, система управления сохранит устойчивость.

В исходных данных желательно указать возможный разброс последовательного сопротивления Resr и ёмкости C конденсатора выходного фильтра. Эти параметры оказывают существенное влияние на частотную характеристику преобразователя.
Автор:  Driba [ 23-05, 22:54 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Цитата:
Линеаризованный понижающий преобразователь можно имитировать при помощи обычного ИНУН

Если я правильно понял идею, то должно получиться примерно так.
https://drive.google.com/file/d/1fXc3DIEM3FjHhcMuQXrQJWM6ziTSCOG-/view?usp=sharing
https://drive.google.com/file/d/1_Z5rewBo40ebV-hE6M0vPbRdssOpkIvD/view?usp=sharing
Автор:  valvol [ 23-05, 23:14 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Не надо пытаться имитировать диоды на выходе операционников. Эти диоды выполняют роль развязки между усилителями ошибки и, в случае активности соответствующего усилителя, не оказывают какого-то влияния на АЧХ активного канала.
Кроме этого, создавать систему управления стоит начать с канала регулировки тока.
Автор:  valvol [ 24-05, 13:09 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
В режиме CCM ШИМ модулятор имеет линейную регулировочную характеристику и равномерную частотную характеристику в интересуемом нас диапазоне: от 0 до Fs/5. Fs/5 потому, что после выпрямителя частота пульсаций удваивается.
Можно считать, что в этом диапазоне ШИМ модулятор ведет себя как линейное звено и может моделироваться ИНУН (источник напряжения, управляемый напряжением). Коэффициент передачи ШИМ модулятора Kpwm, для случая полумостового преобразователя, находится по формуле:
Kpwm = 0.5 * Vin * Ktr / Vramp (2)
Так как нас интересует самая высокая ЛАЧХ (несет наибольший риск неустойчивости), то найдем максимальный коэффициент передачи Kpwm.max, соответствующий максимальному напряжению питания Vin.max = 340 В:
Kpwm.max = 0.5 * Vin.max * Ktr / Vramp = 0.5 * 340 * 0.1906 / 3.2 = 8.33875
Модель преобразователя для случая регулировка тока:

Изображение

Здесь приведены малосигнальные модели преобразователя (в рамке Converter) и усилителя ошибки микросхемы TL494 (в рамке Error Amplifier).
Именно такие модели используются в процессе синтеза линейной системы автоматического управления!
Почему малосигнальные? Потому, что испытательный сигнал с бесконечно маленькой амплитудой позволяет измерить характеристику объекта управления (ОУ), исключив возможную нелинейность ОУ.
В случае преобразователя, нас интересует его наиболее высокая ЛАЧХ для режима управления по среднему току. Эта характеристика соответствует случаю, когда сопротивление нагрузки Rload преобразователя равно нулю (режим КЗ на выходе). Выходной сигнал снимается с сопротивления шунта Rshunt. Моделирование показывает, что в этом случае, преобразователь представляет из себя фильтр низкой частоты первого порядка. В области низких частот (ниже частоты единственного полюса) этот фильтр имеет коэффициент передачи -15.384 дБ. Частота полюса:
Fp = (Rshunt + R)/ (2 * pi * L) = (0.01 + 0.035)/ (2 * pi * 0.000178) = 40 Гц (3)
Ниже частоты полюса, ЛАЧХ имеет наклон -20 дБ/окт.
Driba писал(а):
2. Выходное напряжение
Vout = 1-30 V
...
7. Данные силового трансформатора -
первичная обмотка
170 V- амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора.
вторичная обмотка со средней точкой
Vtrans = 32,4 V – амплитуда вторичного напряжения силового трансформатора (на одной половине обмотки).
Ktr = N_S/N_P = V_trans/V_IN = 32,4/170 = 0.1906. - коэффициент трансформации.

Не хватает напряжения на вторичной обмотке трансформатора! Нужно учитывать множество факторов. Напряжение сети может снизится до 200 Vrms. Также необходимо учесть снижение напряжения за счет 10% пульсации на конденсаторах фильтра. Кроме этого, надо учесть влияние индуктивности рассеяния, а также снижение заполнения импульса из-за мертвого времени (максимальное заполнение цикла для TL494 45% на канал). В результате, влияния индуктивности рассеяния заполнение снизится до 40% (ориентировочно). Рассчитаем минимально необходимое амплитудное напряжение на вторичной обмотке трансформатора:
V2min = (Vout.max + R * Pout / Vout.max) / (2 * (Dmax - 5) * 0.01 * 0.9) = (30 + 0.035 * 200 / 30) / (2 * (45 - 5) * 0.01 * 0.9 = 42 В
И это при минимально входном напряжении сети. При номинальном будет 46.2В, а при максимальном 50.8 В!
Надо перематывать трансформатор!

Про моделирование усилителя ошибки TL494 можно почитать в статье Пополнение библиотеки схемных элементов симулятора LTspice. Создание модели ШИМ-контроллера TL494, опубликованной в журнале Компоненты и технологии №4 за 2009 год.

Примечание: Компоненты L и C в LTspice содержат в себе паразитные составляющие. Использование этих составляющих ускоряет процесс моделирования, а также разгружает внешний вид схемы.
Автор:  valvol [ 24-05, 21:44 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
На предполагаемой единичной частоте F1 = Fsw / 5 = 32000 / 5 = 6400 Гц завал ЛАЧХ преобразователя составляет порядка - 40 Дб. Чтобы коэффициент передачи стал единичным (0 дБ), компенсатор на этой частоте должен обеспечить усиление 40 дБ. Однако, судя по ЛАЧХ усилителя ошибки, тот даже немного не дотягивает до требуемых 40 дБ. Хотя, по-хорошему, должен иметь некоторый запас по усилению.

Изображение

Это означает, что сигнал с датчика тока надо как-то увеличить (по крайней мере на 20 дБ). Существует несколько способов увеличения этого сигнала.
1. Использовать дроссель с меньшим сопротивлением обмотки;
2. Использовать дополнительный усилитель. Существуют специализированные усилители сигнала шунта. Например, MAX4372. Можно также использовать обычные операционники, но такие, которые и по входу и по выходу rail-to-rail. Или использовать обычный оп. усилитель, но обеспечить ему двухполярное питание;
3. Использовать другой датчик тока. Например, шунт с большим сопротивлением (будет больше греться). А лучше датчик постоянного тока, использующий эффект Холла.
...
Автор:  Driba [ 25-05, 15:06 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Цитата:
Не слишком ли высокое внутреннее сопротивление дросселя (0.48 Ом)? При токе нагрузки 10 А, на нем будет выделяться почти 50 Вт тепловой мощности!

Согласен. Измерю сопротивление дросселя более тщательно.

Цитата:
Kpwm.max = 0.5 * Vin.max * Ktr / Vramp = 0.5 * 340 * 0.1906 / 3.2 = 8.33875

А почему 8.33875? У меня получается 10.1256.

Относительно датчика тока:
Измерительная цепь ОС по току подсмотрена в "Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies. A Tutorial Guide"
Christophe Basso
Параграф
5.5.10 Optocoupler and Op Amp: A Dual-Loop Approach in CC-CV Applications
стр. 359
Выкладываю мой частичный перевод:
https://docs.google.com/document/d/1s5fMoMC7n_cZv94qQs2R2NAAuFqwGY1l/edit?usp=sharing&ouid=110906668235468957572&rtpof=true&sd=true
Возможно такой вариант измерительной цепь ОС по току подойдет в моем случае?
Попытаюсь моделировать.

valvol писал(а):
Надо перематывать трансформатор!

А если отключить среднюю точку вторички трансформатора и испольовать мостовой выпрямитель?
А пока, можно снизить требования к максимальному выходному напряжению. Это не принципиально.
Для меня сейчас важно понять теорию и научиться моделировать.

Огромное спасибо Вам за указание моих ошибок и их разъяснение! Это дает мне направление для дальнейшего продвижения.
Двигаюсь, конечно, медленно, но понемногу разбираюсь.

С уважением Driba.
Автор:  valvol [ 25-05, 17:28 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Driba писал(а):
А пока, можно снизить требования к максимальному выходному напряжению. Это не принципиально.

Нет, принципиально! Если железо позволяет, то надо делать. Зачем идти на какие-то компромиссы, если сразу можно сделать то, что надо?!
Driba писал(а):
А почему 8.33875? У меня получается 10.1256.

Я создаю концепцию по ходу и могут быть опечатки. Поэтому расчеты и смысл стоит внимательно изучать. Если что не ясно, спрашивайте.
Driba писал(а):
Измерительная цепь ОС по току подсмотрена в "Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies. A Tutorial Guide"

Очень может быть. Но я достаточно ясно указал проблему. В данном случае усилителю ошибки не хватает усиления! И даже в случае исправления замеченной ошибки в расчетах.
Driba писал(а):
А если отключить среднюю точку вторички трансформатора и испольовать мостовой выпрямитель?

Если есть место для дополнительных диодов, то в принципе можно. Плохо конечно, что при этом напряжение будет несколько выше необходимого.
А перемотка полезна тем, что можно оптимизировать обмотку, убрать лишний параллельный провод в 5-ти вольтовой секции и точно посчитать и указать количество витков. Эта информация важна для дальнейшего моделирования источника питания. Также желательно указать размеры сердечника и измерить индуктивность рассеяния, приведенную к первичной обмотке.
Судя по всему, вы уже достаточно давно возитесь с этим проектом. Поэтому не стоит экономить на нюансах и оставлять белые пятна. Это все важно и лучше все рассмотреть воочию и сделать так как нужно.
Автор:  valvol [ 25-05, 17:48 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Сейчас стало модно делать различные электронные проекты хором, когда одни делают силовуху, другие проектируют систему управления, а третьи делают программное обеспечение. С точки зрения исполнителей очень удобно - никто не отвечает за конечный результат и всегда можно перевести стрелки на других. Для траты времени и средств очень хорошая схема. Однако, когда нужен результат, работу должен делать один человек (или группа людей), достаточно хорошо ориентирующийся во всех трех областях!
Автор:  Driba [ 25-05, 18:09 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Прошу прощения за ошибку. Измерил активное сопротивление дросселя методом амперметра-вольтметра. Путем усреднения результатов 7-ми измерений получил величину R=35 мОм.
Впредь постараюсь быть более аккуратным.
Автор:  valvol [ 25-05, 20:11 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Driba писал(а):
Путем усреднения результатов 7-ми измерений получил величину R=35 мОм.

Поправил исходные данные. Теперь желательно навести порядок с трансформатором.
Автор:  valvol [ 26-05, 16:47 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Посмотрел в сети обмоточные данные силового трансформатора блока ATX. Обычно первичная обмотка имеет N1 = 40 витков.
Рассчитаем требуемый коэффициент трансформации:
Ktr = 2 * V2min / Vin.min = 2 * 42 / 282 = 0.2979 (4)
А теперь количество витков вторичной обмотки:
N2 = N1 * Ktr = 40 * 0.2979 = 12 (5)
По формуле (2) рассчитаем коэффициент передачи ШИМ для максимального входного напряжения:
Kpwm.max = 0.5 * Vin.max * Ktr / Vramp = 0.5 * 340 * 0.2979 / 3.2 = 15.826
Создадим модель разомкнутой системы регулирования. Архив модели можно взять здесь.

Изображение

В этой модели, в отличие от предыдущей, появился усилитель сигнала с шунта, выполненный на недорогом оп. усилителе типа TL071. Усилитель сигнала шунта построен по дифференциальной схеме и содержит резисторы R7 ... R10. Модель этого усилителя выполнена на ИНУН E3 и имитирует его частотную характеристику. Конечно, для этой же цели можно использовать модель от производителя. Однако подобные модели обычно предназначены для моделирования переходных процессов. Поэтому для частотного анализа они явно избыточны, а зачастую не позволяют имитировать частотную характеристику. Поэтому, проще создать требуемую модель по справочным данным. Оп. усилитель TL071 имеет частоту единичного усиления 3 Мгц. Коэффициент передачи в низкочастотном диапазоне достигает 120 дБ (K = 1000000).
Измеряем уровень сигнала на его выходе усилителя V(n003) в районе предполагаемой частоты единичного усиления F1 = 6.4 кГц. Этот уровень составляет -12.89 дБ. Кроме этого, ЛАЧХ преобразователя имеет полюс Fp = 40 Гц. Чтобы выровнять ЛАЧХ и придать ей наклон в низкочастотной области -20 дБ, придется использовать пропорционально-интегральное (ПИ) корректирующее звено. Частоту нуля ПИ регулятора Fz примем равной частоте полюса Fp преобразователя. Обычно такое совпадение не требуется, но в данном случае это важно. Ранее, когда я говорил о критериях устойчивости я не упомянул ещё одного важного условия.

Дополнительное условие: ЛАЧХ разомкнутой системы должна пересекать уровень 0 дБ с наклоном -20 дБ/дек.

В данном случае, мы рассматривает самую высокую ЛАЧХ. Во всех остальных случаях ЛАЧХ системы будет ниже, а частота единичного усиления будет смещенной в более низкочастотную область. Именно поэтому ЛАЧХ должна иметь монотонный наклон -20 дБ в диапазоне от 0 Гц до F1. Дополнительным бонусом является то, что интегральная составляющая компенсатора позволяет исключить статическую ошибку регулирования. Т.е., в установившемся режиме, выходной ток источника питания будет практически точно равен заданному.
Усилитель компенсатора выполнен на ИНУН E2, резисторах R3, R4 и конденсаторе C3. Усилитель компенсатора должен поднять этот ЛАЧХ на те же 12.89 дБ (Kk = 4.41). При известной величине входного резистора усилителя ошибки R1 = 10k можно рассчитать величину резистора обратной связи:
R3 = R4 * Kk = 10 * 4.41 = 44.1 кОм
Выберем стандартную величину сопротивления R3 = 47 кОм.
Величину конденсатора C3 можно рассчитать по формуле:
C3 = 1/ (2 * pi * 40 * 47000) = 0.0846 мкФ
Выберем стандартную величину ёмкости C3 = 0.1 мкФ.
Автор:  valvol [ 26-05, 18:05 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
Встроим компенсатор в модель источника питания.
Архив с предварительной версией модели источника питания, на основе компьютерного БП ATX.

Изображение

В данном случае источник работает на короткое замыкание (R12 = 1 мОм). Величина выходного тока задается управляющим напряжением Vc, которое формируется источником V4, напряжение которого изменяется от 0В (0А) до 4.6В (10А). В реальности, роль этого источника может выполнять ЦАП или движок переменного резистора, крайние выводы которого подключены между +5В и "землей". На графике показаны форма управляющего напряжения V(vc) и форма выходного тока I(R12).
Узел R27,R28,R29,C12,C13,D15,D16,D17 служит для генерации отрицательного напряжения -5В, используемого для питания усилителя сигнала шунта R14,R15,R16,R17,U9.
Узел R13,R19,C9,D14 служит для ограничения максимального тока и ограничения выходной мощности, в случае если задан максимальный выходной ток.
Сам компенсатор собран на одном из усилителей ошибки микросхемы U10 TL494, а также на элементах R21,R22,R23,R24,R25,R26,C11.
Остальная часть схемы стандартная и позаимствована от компьютерного БП ATX.
Автор:  valvol [ 27-05, 21:53 ]
Заголовок сообщения:  Re: Устойчивость ИБП
А вот так может выглядеть полный вариант источника питания:
Изображение
Здесь управляющее напряжение V(vcv) определяет выходное напряжение V(out) источника питания. При изменении V(vcv) от 0 до 2.5 вольт, выходное напряжение V(out) меняется от 0 до 30 вольт.
Страница 10 из 17 Часовой пояс: UTC + 4 часа
Powered by phpBB® Forum Software © phpBB Group
http://www.phpbb.com/