Рассмотрены общие принципы моделирования схемы инверторного стабилизатора напряжения в среде Simulink, излагаются методики построения модели, приводится пример реализации.
Ключевые слова : моделирование, Simulink, стабилизация напряжения.
The general principles of modeling an inverter voltage stabilizer in the Simulink environment are considered, methods of constructing models are described, and an example of the implementation of a voltage stabilizer is given.
Keywords : modeling, Simulink, voltage stabilization.
Проблема разработки стабилизатора напряжения представляется в достаточной мере актуальной, поскольку готовые приборы зарубежного производства, к сожалению, не всегда справляются с задачами стабилизации, такими, как повышение при необходимости уровня напряжения, а также защиты от аномального повышения напряжения.
При разработке электронных устройств логично начинать процесс создания с этапа моделирования, который позволяет оценить перспективы применения и работоспособность в целом конструируемого прибора. Для этих целей отличным инструментарием является среда Simulink, обладающая всеми необходимыми инструментами для создания компьютерной модели разрабатываемого электронного устройства.
Поставив целью разработку векторного стабилизатора напряжения, мы вынуждены будем отказаться от идеи синхронизации при помощи компаратора и синхронизирующего устройства, либо детектирования какого-то уровня синусоиды и, опять же, синхронизации путем измерения периода с помощью вычисления точек перехода через 0, а также пика синуса. Это все неработающие варианты, поскольку в любом случае у нас будут какие-то небольшие фазовые отклонения, и либо форма сигнала окажется сильно искажена, либо синхронизация будет нарушена. Фактически, нам необходимо постоянно измерять напряжение и, проводя некоторые вычисления, формировать вектор выходного напряжения для того, чтобы у нас было задано только его направление: либо мы берем из сети, либо мы в сеть отдаем.
Ниже рассмотрим нашу модель. Начнем с выходной части. Здесь источником AC Source мы имитируем нашу сеть, мы будем брать из нее энергию, либо отдавать эту энергию в нее. В первой части нашей схемы (рис. 1) присутствуют два датчика: датчик тока и датчик напряжения, тем самым мы производим имитацию АЦП (аналого-цифровое преобразование), так как Simulink не понимает значение аналогового напряжения, соответственно мы переходим к цифровой форме. Далее следуют два блока масштабирования (усилителя), в которых полученные ранее значения умножаются на некоторые коэффициенты (2 и 149) и преобразуются в целочисленный формат 32 бита со знаком. Параметры подобраны таким образом, чтобы ток полностью соответствовал тем шкалам, которые будут нашем в микроконтроллере. Далее на схеме имеются два автомата (прерывателя), при помощи которых мы будем подключать и отключать реактивную составляющую (для имитации). Но это мы рассмотрим в конце.
Рис. 1. Схема инвертора
Синусоидальная диаграмма сигнала на выходе инвестора формируется при помощи Controlled Voltage Source компонента. С его можно симулировать полноценный диодный мост. Будут небольшие различия между теоретическими расчетами в среде Simulink и физическими значениями, полученными на нашем инверторе, связанно это с тем, что идеальных условий достичь практически невозможно.
На второй части (рис. 2) нашей схемы мы видим осциллограф (Scope), на который будем подавать синус сетевой и ток. На экране осциллографа увидим три кривых (рис. 3): входной сигнал — желтая кривая, ток — синяя кривая, выходной сигнал — красная кривая.
Рис. 2. Схема осциллографа
Рис. 3. Осциллограмма трех синусоид, обозначающих входное напряжение, выходное напряжение и ток
На третьей части (Рис. 4) нашей схемы построена математическая модель подключения к сети (grid connector). В первую очередь, мы получаем наш ток от датчика тока, полученный в линейной (аналитической) форме, при помощи передискретизатора (Unit Delay), который имитирует АЦП. Фазовращатель (Shifter90Deg) выполняет операцию косинуса, т. е. сдвигает фазу входного сигнала на 90 градусов. Далее происходит прямое преобразование Парка, после которого, на выходе мы получаем d и q составляющие. При помощи этого преобразования, мы переходим из вращающейся системы координат в координаты именно d и q радиуса вектора постоянного тока эквивалента. С этими компонентами мы уже можем работать как с постоянными величинами, но для того, чтобы это осуществлять, нам необходимо знать фазу входного сигнала (синуса). Эту функцию выполняет у нас синхронизатор (PLL_D). По большому счету, это то же самое преобразование Парка, только пред регулятором мы фазу используем таким образом, чтобы она совпадала с фазой сети, это сложный компонент, он есть в Simulink в аналитической форме, но, к сожалению, он нам не подходит.
Рис. 4. Математическая модель подключения к сети
После того, как мы получили d, q и фазу θ, перейдем непосредственно к обратному преобразованию Парка, а именно, формированию такого вектора выходной синусоиды, чтобы получить заданный вектор тока. Для этого у нас в схеме имеется компонент инверсного преобразования Парка (PL_ig и PL_id), а также два регулятора (регулятор 1 регулятор 2) которые мы называем здесь d и g (рис. 5). Регулятор d формирует активный участок, это наша основная регулировка, на которую мы будем подавать сигнал рассогласования с нашей шиной, то есть, если напряжение на шине меньше 400 вольт, то будем брать его из сети, тем самым формируя вектор тока, совпадающий по фазе с вектором напряжения. Если у нас напряжение, на шине по каким-то причинам вырастает выше 400 вольт, то наоборот будем «выгонять» его в сеть. Регулятор g — это регулятор реактивной мощности, на котором мы можем менять фазу тока относительно фазы синусоиды принудительно, но так как мы делаем стабилизатор напряжения с коэффициентом мощности, близкой к единице, то будем задавать 0, чтобы не портить сеть. После работы этих двух регуляторов мы формируем выходную ставку синусоидальной формы для нашего инвертора, после чего подаем ее на вход модели инвертора Voltage Sours.
Рис. 5. Математическая модель регулятора тока
Запускаем. Красная и желтая линии у нас четко совпадают по фазе, синяя линия, ток, колеблется с амплитудой 30. Зададим ток (250 единиц) на регуляторе d для наглядности. Можем заметить, что ток вырос, соответственно выходная синусоида упала, входная синусоида осталось неизменной. Эта величина ни к чему не привязана, она нужна для удобства регулировки. Если мы попробуем поменять величину тока на отрицательное значение (-250). Мы увидим, что вектор выходной синусоиды стал больше по амплитуде относительно вектора входной синусоиды, а вектор тока поменял свое значение на 180 градусов. Таким образом мы имитируем высокое напряжение на шине. Теперь изменим значение на 100 единиц на регуляторе реактивной мощности (регулятор g). Видим, вектор выходного напряжения относительно вектора входного напряжения немного сдвинут по фазе, а вектор тока сдвинут на 90 градусов относительно вектора входного напряжения. Если поменяем знак (-100), будем видеть все тоже самое, только фаза поменялась на 90 градусов. Так мы имитируем индуктивность. Сымитируем реактивную составляющую. Отключим инвертор и подключим конденсатор, имитируя тем самым реактивную мощность в сети. Можем заметить, что нашел уставка ведет себя непредсказуемо. Она вращается по кругу, мы не можем никак стабилизировать ее, потому что регулятор хочет задать значение d и q для инверсного преобразования парка, а отклика у нас нет, потому что инвертор просто отключен, и мы никак не можем повлиять на вектора тока и напряжения. Если включить наш инвертор, вектор тока станет нулевым, вектор выходного напряжения сдвинется по фазе на некоторую величину. Аналогично можно изменять другие величины, подключая и отключая различные части схемы нашего инвертора и смотреть, что будет происходить с сигналом на выходе.
Литература:
1. Дьяконов В. П. Simulink 5/6/7: Самоучитель. — М.: ДМК-Пресс, 2008. — 784 с.
2. Павлейно М.А, Ромаданов В. М., Сафронова Ю. Ф., Статуя А. А. Моделирование работы электрических схем в Simulink. Применение операционных усилителей для фильтрации, усиления и генерации сигналов. — СПб., 2007.
3. Солдатенко И. С. С65 Основы программирования на языке Си: учеб. пособие. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2017. — 159 с.
