Ćwiczenie 6. Analiza przetwornicy dławikowej obniŝającej napięcie PODSTAWY ENERGOELEKTRONIKI LABORATORIUM. Opracowanie: Łukasz Starzak.

Transkrypt

1 Poltechnka Łódzka Katedra Mkroelektronk Technk Informatycznych Łódź, al. Poltechnk 11 tel. (0) faks (0) e-mal: www: PODSTAWY ENERGOEEKTRONIKI ABORATORIUM Ćwczene 6 Analza przetworncy dławkowej obnŝającej napęce Ćwczene pownno zostać wykonane w całośc w laboratorum. Opracowane: Łukasz Starzak Łódź 2006 wer

2 2 Podstawy energoelektronk Sps treśc 1. Wstęp Dzałane przetworncy obnżającej napęce Przetwornca jako układ mpulsowy Idea dzałana układu Układ rzeczywsty podstawowy tryb pracy...6 Zasada dzałana układu... 6 Współczynnk przetwarzana napęca Praca z necągłym prądem dławka Symulacyjne badana układu Przygotowane symulacj Obserwacja pracy przetworncy sprawdzene poprawnośc doboru elementów Wpływ elementów bernych na pracę przetworncy Charakterystyka sterowana Oczekwana zawartość sprawozdana teratura...19

3 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 3 1. Wstęp Celem ćwczena jest poznane zasady dzałana przetworncy dławkowej obnżającej napęce. Dokonuje sę tego na drodze badań symulacyjnych w symulatorze PSpce, dzęk czemu możlwe jest swobodne dokonywane zman w układze w dużo wększym zakrese, nż małoby to mejsce w układze rzeczywstym. Elmnacja zjawsk pasożytnczych pozwala skupć sę na zasadnczych cechach przetworncy. Symulacja pozwala dobrać wartośc parametrów układu odpowedne dla spełnena podanych założeń oraz wyznaczyć przewdywaną charakterystykę sterowana.

4 4 Podstawy energoelektronk 2. Dzałane przetworncy obnŝającej napęce 2.1. Przetwornca jako układ mpulsowy Badana przetwornca obnżająca napęce (ang. step-down converter lub buck converter) jest przekształtnkem DC/DC należącym do klasy układów elektroncznych zwanych układam mpulsowym mocy (ang. swtched-mode power crcuts). Ich cechą charakterystyczną jest praca elementów aktywnych (tranzystorów, tyrystorów, dod) jako dwustanowych kluczy, cyklczne przełączanych mędzy skrajnym stanam: załączena (przewodzena prądu) wyłączena (neprzewodzena prądu). Czas, jak upływa mędzy kolejnym załączenam, nazywany jest okresem mpulsowana będzemy go oznaczać T; natomast czas, przez który klucz jest załączony, nazywany jest czasem trwana mpulsu będze przez nas oznaczany t (zob. rys. 1). Rys. 1. Zasada sterowana mpulsowego przykładowy przebeg sterujący kluczem tranzystorowym Układy mpulsowe posadają lczne zalety w stosunku do wcześnejszych rozwązań przekształtnków; najważnejsze z nch to łatwość sterowana przy pomocy układów cyfrowych oraz możlwość uzyskana lepszych parametrów energetycznych (jak np. współczynnk mocy). Częstotlwość pracy tych układów, zwana też częstotlwoścą mpulsowana równa odwrotnośc okresu mpulsowana T, jest rzędu od pojedynczych kloherców do setek kloherców. Jest węc ona dużo wększa od częstotlwośc sec, z którą układy przekształtnkowe często współpracują od strony wejśca lub wyjśca. Oprócz przetwornc, jako układy ze sterowanem mpulsowym realzuje sę równeż falownk napęca prądu, kompensatory mocy bernej, sterownk napęca przemennk częstotlwośc. Przetwornce obnżające napęce są jednym z najczęścej spotykanych przekształtnków DC/DC. Znajdują one zastosowane w zaslaczach mpulsowych (ang. swtched-mode power supples, SMPS), które spotkać można w urządzenach elektroncznych powszechnego użytku, jak równeż w układach sterowana slnków prądu stałego Idea dzałana układu Idea przetworncy obnżającej napęce została zobrazowana na rys. 2. Klucz K jest cyklczne przełączany w pozycję 1 na czas t, a następne w pozycję 2 na czas T t. Załóżmy, że wszystke elementy układu są dealne pomńmy na początek obecność fltru (rys. 2a). Wówczas w czase, gdy klucz jest w pozycj 1, napęce wejścowe Uwe jest w całośc podane na obcążene; natomast gdy klucz jest w pozycj 2, obcążene jest zwarte, a węc napęce wyjścowe wynos 0 (zob. rys. 2c):

5 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 5 U we dla 0 < t < t u wy = (1) 0 dla t < t < T Zdefnujmy nową welkość współczynnk wypełnena mpulsów sterujących D jako stosunek czasu trwana mpulsu do okresu mpulsowana: oblczmy średną wartość napęca wyjścowego: t D= (2) T T 1 1 t T 1 u = u dt = U d t + 0d t = U t = DU. (3) wy wy we we we T 0 T 0 t T Okazuje sę węc, że średną wartość napęca wyjścowego napęce wejścowe łączy bardzo prosta zależność. Wobec tego zmenając współczynnk wypełnena D od 0 do 1 (co odpowada zmane czasu trwana mpulsu t od 0 do T), można sterować średnm napęcem na wyjścu, zmenając je w grancach od 0 do Uwe. a) 1 K b) 1 K 2 2 U we Obc u wy U we Fltr Obc u wy c) Rys. 2. Idea przetworncy obnżającej napęce: a) schemat układu bez fltru; b) schemat układu z fltrem; c) przebeg przy obcążenu rezystancyjnym: uwy(a) napęce wyjścowe w układze bez fltru, uwy(b) napęce wyjścowe w układze z fltrem dealnym Tylko krok dzel nas już od zbudowana przekształtnka DC/DC wystarczy włączyć w obwód fltr dolnoprzepustowy, zgodne z rys. 2b. Jeżel założymy, że fltr ten jest dealny o neskończene małej częstotlwośc grancznej, odetne on składową zmenną napęca wyjścowego, pozostawając jedyne składową stałą, której wartość Uwy jak wadomo z teor przebegów nesnusodalne zmennych jest równa średnemu napęcu przed odfltrowanem, a węc DUwe (patrz rys. 2c). W ten sposób otrzymalśmy równane opsujące dzałane rozważanego przekształtnka: U wy= DU we. (4)

6 6 Podstawy energoelektronk Należy pamętać, że wynk ten uzyskalśmy przy założenu dealnośc klucza (brak spadku napęca w czase przewodzena, brak prądu upływu w czase blokowana) oraz dealnośc fltru (przepuszczana wyłączne składowa stała) Układ rzeczywsty podstawowy tryb pracy Zasada dzałana układu Na de przedstawonej w poprzednm punkce operają sę rzeczywste układy przetwornc. Jednym z nch jest układ przetworncy dławkowej, przedstawony na rys. 3. Rolę klucza spełna tu tranzystor polowy Q w połączenu z dodą D, natomast fltrację przebegu wyjścowego zapewna fltr C w układze Γ. Przeanalzujmy dzałane tego układu, podtrzymując następujące założena: 1) klucz jest dealny tzn. brak spadku napęca na przewodzących tranzystorze dodze oraz brak prądów upływu w tych elementach; 2) fltr jest dealny tzn. do obcążena trafa tylko składowa stała, zaś cała składowa zmenna (prądu) wpływa do kondensatora C o neskończonej pojemnośc; w zwązku z tym napęce uwy jest stałe możemy je oznaczyć przez Uwy; 3) obcążene jest czysto rezystancyjne. Czas T podzelmy na dwa takty, o długoścach t T t (zob. rys. 4). Perwszy takt rozpoczyna sę z chwlą podana na bramkę tranzystora Q napęca o ampltudze wększej od napęca progowego, w wynku czego następuje załączene tranzystora. Prąd płyne z wejśca przez dławk do kondensatora C obcążena Ro. Napęce ud jest równe Uwe, gdyż doda D zostaje zwarta do wejśca przez przewodzący tranzystor; w zwązku z tym doda jest spolaryzowana w kerunku zaporowym ne przewodz prądu, czyl = Q. Układ redukuje sę węc do postac z rys. 3b. Trzeba zauważyć, że prąd dławka ne jest stały; narasta on zgodne ze znanym wzorem Jak wdać na rys. 3b, d u = dt. (5) u = U U. (6) we wy Przyjęlśmy, że fltracja jest dealna napęce wyjścowe jest stałe. Z porównana wzorów (5) (6) wynka, że pochodna prądu dławka jest równeż stała, co śwadczy, że prąd ten narasta lnowo. Pochodną można węc zastąpć lorazem przyrostów przekształcć (5) do postac skąd wzrost prądu dławka w czase perwszego taktu u = t, (7) U we U wy + = t. (8)

7 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 7 Z chwlą zdjęca mpulsu sterującego z bramk tranzystora Q, rozpoczyna sę drug takt pracy układu. Tranzystor wówczas ne przewodz, lecz przepływ prądu w obwodze mus być podtrzymany z powodu obecnośc dławka. Jest to ważne, gdyż śwadczy o tym, że dławk pełn ne tylko rolę składnka fltru C, ale równeż stanow magazyn energ dla obwodu na czas braku śceżk prądowej mędzy wejścem a wyjścem. Wyłączene tranzystora powoduje otwarce dotychczasowego obwodu prądowego; w konsekwencj w dławku gwałtowne ndukuje sę coraz wększe napęce ujemne, aż do momentu, gdy przekroczy ono (co do modułu) wartość Uwy o napęce progowe dody. Następuje wówczas spolaryzowane dody w kerunku przewodzena jej załączene (gdyż ud = Uwy + u, należy zwrócć uwagę na strzałkowane tego napęca na schemace od anody do katody). W konsekwencj prąd dławka zamyka sę przez dodę, a napęce u utrzymuje sę na stałym pozome u Uwy (przypomnjmy, że przyjęlśmy założene o dealnym kluczu, a węc zanedbujemy spadek napęca na przewodzącej dodze). Układ redukuje sę do postac z rys. 3c. a) u Q Q Q o u GS D u C U we D u D C R o U wy b) Q = o u C U we u D C R o U wy c) u Q o u C U we D = C R o U wy Rys. 3. Układ dławkowej przetworncy obnżającej napęce: a) schemat ogólny; b) schemat zredukowany w perwszym takce pracy; c) schemat zredukowany w drugm takce pracy

8 8 Podstawy energoelektronk Podobne jak poprzedno, można podać przyblżony wzór określający zmanę prądu dławka w drugm takce pracy układu: U wy = ( T t ). (9) Określene spadku napęca na ne przewodzącym tranzystorze jest łatwe; jest on równy Uwe, gdyż źródło tranzystora jest zwarte przez dodę do masy. Rys. 4. Dławkowa przetwornca obnżająca napęce uproszczone przebeg w charakterystycznych punktach układu

9 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 9 Borąc pod uwagę, że po ustalenu sę pracy przetworncy, spadek prądu w drugm takce mus być równy jego wzrostow w perwszym takce (w przecwnym raze prąd ten rósłby do neskończonośc), można wyznaczyć charakterystykę sterowana układu: U U we t U we U wy + wy U t t wy = = U wy we ( T t ) t T = U wy = = U T U t wy skąd U wy= DU we. (10) Współczynnk przetwarzana napęca Podstawową welkoścą charakteryzującą pracę przetworncy jest współczynnk przetwarzana napęca KU, defnowany jako stosunek średnego (w naszym uproszczenu stałego) napęca wyjścowego do stałego napęca wejścowego: U wy K U =. (11) U Zgodne ze wzorem (10), dla przetworncy obnżającej napęce wynos on we K U = D. (12) Zależność współczynnka przetwarzana napęca od współczynnka wypełnena mpulsów sterujących nazywana jest charakterystyką sterowana przetworncy. Została ona wykreślona na rys. 5 (lna cągła). Składowa stała (wartość średna) prądu dławka, wokół której mają mejsca tętnena o ampltudze Δ, jest równa prądow obcążena o. Przyjęlśmy bowem założene, że cała składowa zmenna prądu dławka płyne przez kondensator. Prąd obcążena można oblczyć z prawa Ohma (zgodne ze wspomnanym założenem ma on stałą wartość, którą oznaczymy przez Io): natomast prąd kondensatora będze wynosł U wy o = Io =, (13) R C o = I (14) będze mał w zwązku z tym postać tętneń o ampltudze Δ bez składowej stałej. Trzeba pamętać, że w układze rzeczywstym przyjęte powyżej założena upraszczające ne będą spełnone charakterystyk przetworncy będą odbegały od dealnych. Przede wszystkm rezystancje pasożytncze zwązane ze wszystkm elementam układu powodują o

10 10 Podstawy energoelektronk zmnejszene wartośc prądów oraz powstane dodatkowych spadków napęć, w wynku czego napęce wyjścowe jest mnejsze od oczekwanego. Typowy kształt charakterystyk przetwarzana w układze rzeczywstym przedstawono na rys. 5 lną przerywaną. 1 0,8 0,6 KU 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 D Rys. 5. Charakterystyka sterowana przetworncy obnżającej napęce: lna cągła układ dealny; lna przerywana typowy przebeg po uwzględnenu stratnośc elementów bernych aktywnych 2.4. Praca z necągłym prądem dławka W przypadku rozpatrzonym w punkce 2.1 w każdej chwl przez dławk płynął nezerowy prąd, co nazywa sę trybem pracy z cągłym prądem dławka (ang. contnuous conducton mode, CCM). Zwróćmy jednak uwagę, że ze wzoru (13) wynka, ż przy zwększanu rezystancj obcążena, prąd obcążena Io będze malał, a prąd ten stanow składową stałą prądu dławka. Jak wdać na rys. 4, prąd dławka zmena sę o 1/2 Δ w górę w dół względem wartośc średnej Io, pulsuje węc mędzy wartoścam: Io 1/2 Δ Io + 1/2 Δ. Rysunek ten przedstawa sytuację, gdy Io > 1/2 Δ. Gdy odcążymy przetworncę do tego stopna, że wartość Io stane sę równa 1/2 Δ, prąd dławka będze sę zmenać mędzy wartoścam 0 2Io. Dolne werzchołk pły znajdą sę węc na os. Powstaje pytane, co stane sę, gdy zmnejszymy obcążene jeszcze bardzej. Gdyby było to możlwe, pła przesunęłaby sę jeszcze nżej, a jej dolne werzchołk znalazłyby sę ponżej os. W rozpatrywanym układze ne ma jednak takej możlwośc. Prąd cewk w tym takce pracy jest przewodzony przez dodę; może ona przewodzć prąd tylko w jednym kerunku, a węc w momence osągnęca przezeń wartośc 0, doda wyłączy sę. Tranzystor ne może przejąć prądu, gdyż w tej chwl jego bramka ne jest wysterowana. Poneważ w obwodze ne ma drog dla prądu dławka, prąd ten po prostu przestaje płynąć. Powstaje w ten sposób dodatkowy, trzec takt pracy, w którym prąd ne płyne an przez tranzystor, an przez dodę (zob. rys. 6). Przypadek ten nazywa sę trybem pracy z necągłym prądem dławka (ang. dscontnuous conducton mode, DCM). Zmana kształtu prądu wpływa oczywśce na zmanę przebegów Q D, gdyż = Q + D. Z drugej strony zmane ulega równeż przebeg prądu C, będącego składową zmenną prądu. Przebeg napęć na elementach u, uq ud pozostają bez zman w perwszych dwóch taktach pracy; zmana następuje natomast w takce trzecm. Prąd

11 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 11 dławka ne zmena sę, a węc spadek napęca na nm wynos 0. W zwązku z tym całe napęce wyjścowe odkłada sę na dodze (ud = Uwy). Jest oczywste, że w tej sytuacj spadek napęca na tranzystorze wynos Uwe Uwy. Charakterystyk sterowana w układze dealnym w zależnośc od średnego prądu obcążena Io zostały przedstawone na rys. 7. Wdać wyraźne, że w obszarze względne dużych prądów obowązuje wcześnej wyprowadzona lnowa zależność (12). Natomast po obnżenu średnego prądu obcążena ponżej pewnej wartośc krytycznej, współczynnk przetwarzana napęca staje sę wększy od D rośne do 1. Jest to zwązane z wejścem Rys. 6. Uproszczone przebeg w przetworncy pracującej z necągłym prądem dławka

12 12 Podstawy energoelektronk przetworncy w tryb pracy z necągłym prądem dławka. Dokonując podobnej analzy jak w punkce 2.1, można wyprowadzć wzór określający współczynnk przetwarzana napęca dla trybu DCM: gdze 2 K U =, (15) 4A D 2 A=. (16) R T Natomast wartość krytyczną średnego prądu obcążena Io(crt), określającą grancę trybów CCM DCM, można wyznaczyć ze wzoru (9), borąc pod uwagę, że zgodne z wcześnejszym rozważanam granczny prąd średn jest równy połowe ampltudy tętneń dla trybu CCM: I o(crt) 1 U = = 2 2 U wet = D 2 wy o we ( T t ) = ( T DT ) DT ( 1 D) = ( U U ) 2 DU 2 we wy =. (17) 1 D=1 0,8 KU 0,6 D=0,5 0,4 DCM CCM 0,2 D=0 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Io/Iref Rys. 7. Przykładowe charakterystyk sterowana dealnej przetworncy obnżającej napęce w zależnośc od średnego prądu obcążena (znormalzowanego względem pewnej wartośc odnesena); lną przerywaną oznaczono grancę trybów pracy z cągłym (CCM) necągłym (DCM) prądem dławka, zgodne ze wzorem (17) Ogólne rzecz borąc, tryb DCM ne jest korzystny, gdyż znaczne utrudna sterowane układu przez zmanę współczynnka wypełnena mpulsów D. Ne tylko bowem zależność współczynnka przetwarzana napęca od D staje sę nelnowa, ale równeż współczynnk zaczyna zależeć od parametrów obwodu zewnętrznego (Ro), fltru () częstotlwośc pracy układu (T), które to welkośc we wzorze (15) zostały ukryte we współczynnku A.

13 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 13 Zazwyczaj tak dobera sę wartość ndukcyjnośc, aby zapewnć pracę z cągłym prądem dławka dla założonych wartośc Uwe, Uwy T oraz przy założenu, że średn prąd obcążena ne spadne ponżej pewnej wartośc Io(mn) z reguły 5 10% maksymalnego obcążena (na jake projektowany jest układ). W tym celu ze wzoru (17) można wyprowadzć wzór na mnmalną ndukcyjność w postac mn DT ( U U ) = we wy. (18) 2Io(mn) W przypadku, gdy z założeń projektowych wynka, że Uwe = const, zaś regulować będzemy napęce wyjścowe przez zmanę współczynnka D, powyższy wzór daje DT U wet mn = ( U we DU we ) = D( 1 D). (19) I 2I 2 o(mn) o(mn) Mnmalna ndukcyjność zależy węc od współczynnka wypełnena. Aby zapewnć pracę w trybe CCM dla każdego D, należy z możlwych mn wybrać najwększą taką wstawć do obwodu wówczas dla żadnego przypadku ne będze ona zbyt mała ne wejdzemy w tryb DCM. Jak można łatwo stwerdzć, wyrażene D(1 D) osąga maksmum dla D = 0,5. Stąd unwersalna mnmalna ndukcyjność (przy której dla dowolnego D przetwornca będze pracować w trybe CCM) wynos U T we mn=. (20) 8Io(mn)

14 14 Podstawy energoelektronk 3. Symulacyjne badana układu 3.1. Przygotowane symulacj 1. Korzystając z programu McroSm Schematcs, należy zbudować obwód zgodne z rys. 8. a) Należy wykorzystać modele: tranzystora VDMOS IRF630 (V(BR)DSS = 200 V; ID(AV) = 9,3 A) oraz dody mocy MUR820 (VBR = 200 V; IF(AV) = 8 A) o nazwach IRF630_PEE MUR820_PEE znajdujące sę w bblotece PEE_CW6. Oba te elementy są orygnalne przewdzane przez producenta do zastosowana (mędzy nnym) właśne jako klucze w układach przetwornc. Q1 IRF630 1 VIN RG2 RG D1 VG C1 RO MUR820 Rys. 8. Schemat układu przetworncy do badań symulacyjnych b) Do nazwy rezystora obcążena (RO) należy dodać numer zespołu (konta), np. RO14. c) Przyjąć wstępne pojemność kondensatora C1 = 0,1 µf. d) VIN jest źródłem stałego napęca wejścowego o wartośc podanej przez prowadzącego (element VDC). e) Źródło VG stanow model układu IR2125 sterującego bramką tranzystora. Pownno ono zapewnać prostokątne mpulsy sterujące (w programe Schematcs element VPUSE). Czas narastana (rse tme) na wyjścu sterownka wynos 43 ns, zaś czas opadana (fall tme) 26 ns. Ampltuda mpulsów pownna wynosć 15 V. Pozostałe parametry tego źródła zostaną uzupełnone późnej. 2. Dokonać oblczeń brakujących elementów schematu. a) Oblczyć wartość współczynnka wypełnena D koneczną do uzyskana napęca wyjścowego podanego przez prowadzącego. Na podstawe oblczonej wartośc oraz częstotlwośc pracy podanej przez prowadzącego, uzupełnć okres (ang. perod) czas trwana mpulsu (pulse wdth) dla źródła VG. b) Oblczyć wpsać na schemat rezystancję obcążena Ro odpowadającą maksymalnemu prądow obcążena podanemu przez prowadzącego. c) Oblczyć wpsać na schemat ndukcyjność dławka 1 zapewnającą pracę z cągłym prądem dławka przy założenu, że mnmalny prąd może wyneść 20%

15 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 15 maksymalnego oraz że napęce wejścowe będze stałe, a współczynnk wypełnena mpulsów zmenny Obserwacja pracy przetworncy sprawdzene poprawnośc doboru elementów 3. Proszę dokonać analzy czasowej (transent) obwodu w czase zapewnającym ustalene sę pracy przetworncy. Należy wymusć w układze zerowe warunk początkowe przez zaznaczene opcj Skp ntal transent soluton (pomń oblczene warunków początkowych) w okne Analyss Setup Transent. Sprawdzć spełnene założeń projektowych częstotlwośc pracy, napęca wyjścowego (maksymalnego) prądu obcążena. Zapsać odpowedne przebeg. Poneważ fltracja na wyjścu układu ne jest dealna, przebeg wyjścowe ne są stałe. Należy węc wząć pod uwagę ch wartośc średne za okres pracy układu, oblczone za pomocą odpowednej funkcj programu Probe. 4. Proszę sprawdzć poprawność doboru ndukcyjnośc dławka. (Zapsać wykresy nezbędne do wykonana ponższych podpunktów.) a) Stwerdzć, czy przetwornca pracuje w trybe CCM. b) Zmenć współczynnk wypełnena mpulsów D na 0,5 (wartość, dla której najwcześnej może nastąpć wejśce w tryb DCM patrz punkt 0). Stwerdzć, czy przetwornca nadal pracuje w trybe CCM. c) Zmenając odpowedno rezystancję obcążena, zmnejszyć obcążene do mnmalnej wartośc założonej w punkce 2 c) sprawdzć, czy przetwornca pracuje zgodne z postawonym wymaganam. Sprawdzć wartość napęca wyjścowego. d) Zmnejszyć obcążene jeszcze bardzej, tak, aby przetwornca weszła w tryb DCM. Sprawdzć wartość napęca wyjścowego porównać z poprzedną, odnosząc sę do charakterystyk podanych w punkce 0. W celu elmnacj oscylacj w obwodze po wyłączenu dody, można równolegle do nej włączyć tłumk RC o wartoścach elementów 1 kω 1 nf. e) Powrócć do perwotnych wartośc współczynnka wypełnena mpulsów rezystancj obcążena. 5. Wykreślć prądy dławka, tranzystora dody, przebeg sterujący bramką tranzystora oraz napęce uds tranzystora (na jednym rysunku, który może zawerać 2 wykresy). Przeanalzować dzałane układu przede wszystkm rolę tranzystora dody jako kluczy oraz cewk jako elementu magazynującego energę. Wskazać poszczególne takty pracy układu. Analzy proszę dokonać dla dwóch przypadków: a) tryb CCM obcążene maksymalne; b) tryb DCM dowolne obcążene Wpływ elementów bernych na pracę przetworncy 6. Z punktu wdzena jakośc przetwarzana napęca, bardzo ważnym parametrem jest ampltuda tętnena napęca wyjścowego. Jak już zaobserwowalśmy, w rzeczywstym

16 16 Podstawy energoelektronk układze napęce to ne jest stałe (w przecweństwe do założena, które przyjęto w punkce 2.1), ale wykazuje okresowe wahana wokół pewnej wartośc średnej, co jest zwązane z mpulsowym dzałanem układu nedealnoścą fltru. Zbadamy teraz, jak wpływ na tętnene mają wartośc elementów fltru C. a) Proszę zdefnować dwa parametry globalne przypsać m obecne wartośc ndukcyjnośc dławka pojemnośc kondensatora. Parametry globalne defnuje sę przez dodane do schematu (w dowolnym mejscu) wrtualnego elementu PARAM, co odpowada wstawenu do plku CIR nstrukcj o tej samej nazwe. Każdy element tego typu (może ch być w obwodze dowolne wele) pozwala na zdefnowane trzech nazw parametrów NAME1 NAME3 przypsane m wartośc odpowedno VAUE1 VAUE3. b) Dotychczasowe, sztywne wartośc elementów 1 C1 zamenć na zmenne, równe zdefnowanym wyżej parametrom. W tym celu zamast lczby należy wpsać nazwę odpowednego parametru ujętą w nawasy klamrowe. Przypomnjmy, że nawasy klamrowe pozwalają skorzystać z opcj modelowana behaworalnego, a węc wprowadzć dowolne formuły określające parametry elementów. W tym przypadku formuła jest bardzo prosta, gdyż składa sę z samej tylko nazwy jednej zmennej. c) Włączyć analzę parametryczną (w plku CIR odpowada jej nstrukcja STEP) przez zaznaczene odpowednej opcj w okne Analyss Setup oraz ustawć jej parametry. W okne Parametrc wyberamy Swept Var. Type: Global Parameter, w polu Name wpsujemy nazwę zmennej określającej wartość elementu C1 lub 1, a w dolnej częśc okna wyberamy tryb zmennośc jej parametry. Należy zacząć od uzmennena pojemnośc kondensatora C1 w zakrese 100 nf 100 µf. W programe PSPICE dostępne są następujące tryby zmennośc parametrów: lnear zmana lnowa od wartośc Start Value do End Value ze stałym krokem Increment; np. wpsane do kolejnych pól lczb 1, 10, 2 spowoduje wykonane symulacj dla pęcu wartośc parametru: 1, 3=1+2, 5=3+2, 7 9; octave zmana wykładncza od wartośc Start Value do End Value przy lczbe punktów na oktawę (2-krotną zmanę wartośc parametru) równej wartośc z pola Pts/Octave; np. wpsane lczb 2, 50, 1 spowoduje wykonane symulacj dla sześcu wartośc parametru: 2, 4=2 2 1, 8=4 2 1, 16, 32, 64; natomast wpsane lczb 2, 50, 2 spowoduje wykonane symulacj dla jedenastu wartośc parametru (mędzy każde dwe poprzedne zostane wstawona jeszcze jedna): 2, 2,828=2 2 1/2, 4=2, /2, 5,657=4 2 1/2, 8, 11,31, 16, 22,63, 32, 45,26 64; decade jak poprzedno, lecz przy lczbe punktów na dekadę (10-krotną zmanę wartośc parametru) równej wartośc z pola Pts/Decade; np. wpsane lczb 1, 100, 4 spowoduje wykonane symulacj dla dzewęcu wartośc parametru: 1, 1,778=1 10 1/4, 3,162=1, /4, 5,623=3, /4, 10=5, /4, 17,78, 31,62, 56,23 100; value lst analza zostane wykonana dla wartośc wpsanych w pole Value (rozdzelonych spacjam);

17 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) 17 np. wpsane spowoduje wykonane symulacj dla czterech wartośc parametru: 1, 5, d) Uruchomć symulację. Po wykonanu analzy pownnśmy uzyskać serę wynków dla klku wartośc C1. W raze potrzeby należy wydłużyć czas symulacj tak, aby dla każdej wartośc C1 napęce wyjścowe ustalło sę. Zapsać wykres. Jeżel na wykrese wdocznych jest klka krzywych dla różnych wartośc parametrów, wartość parametru odpowadającą danej krzywej można odczytać klkając dwukrotne na symbolu znacznka tej krzywej w legendze pod wykresem. 7. Użyjemy teraz funkcj analzy charakterystyk (performance analyss) do wykreślena zależnośc ampltudy tętnena napęca wyjścowego od pojemnośc C1. Analza charakterystyk polega na wykreślenu wybranej funkcj celu (goal functon) w funkcj parametru uzmennonego nstrukcją STEP. Funkcja celu to funkcja, która podany przebeg (będący zwykle funkcją czasu jak w naszym przypadku lub częstotlwośc) charakteryzuje za pomocą jednej lczby. Może to być np. wartość maksymalna, okres, pasmo przepuszczana tp. Funkcję celu można oblczyć dla pojedynczego przebegu wyberając Trace Goal Functons Eval lub Trace Eval Goal Functon. a) Na początek, korzystając z nstrukcj do programu Probe, proszę wybrać funkcję celu, która nadaje sę do określena ampltudy tętnena napęca. Następne proszę przetestować jej dzałane na pojedynczym przebegu napęca wyjścowego (dla dowolne wybranej wartośc C1). Potrzebny będze do tego rozsądne wybrany zakres danych (na os czasu), dla którego oblczymy funkcję celu. Aby wybrać jeden przebeg z ser, należy za jego nazwą dodać numer kolejny przebegu w ser. Np. jeżel analza parametryczna została wykonana dla wartośc C1 zmenającej sę lnowo od 50 µf do 500 µf z krokem 100 µf, to przebeg dla 50 µf nos numer 1, dla 150 µf numer 2 td.; w tym przypadku, jeżel napęce na obcążenu jest oznaczone V(ROBC:1), to przebeg dla 250 µf oznaczymy jako V(ROBC:1)@3. Otrzymany wynk pownen być ampltudą tętneń napęca wyjścowego należy sprawdzć z wykresem (np. przy użycu kursorów) czy tak rzeczywśce jest. b) Powyższe czynnośc można by powtórzyć dla pozostałych przebegów z ser (pozostałych wartośc C1), zebrać dane w tabel wykreślć otrzymaną zależność. Jednak program Probe może wykonać to za nas, gdyż dokładne w ten sposób dzała funkcja Trace Performance Analyss. Po jej uruchomenu otwera sę okno, które pozwala na wybór przebegów, które mają być poddane analze (przycsk Select Sectons); w naszym przypadku wyberamy wszystke przebeg. Następne: klkamy Wzard Next; zaznaczamy wybraną wcześnej funkcję celu klkamy Next; w pole Name of trace to search wpsujemy oznaczene napęca wyjścowego (tym razem oczywśce bez wyberana pojedynczego przebegu z ser); w pola Begnnng of X range End of X range wpsujemy ustalone wcześnej grance zakresu na os czasu; klkamy Next;

18 18 Podstawy energoelektronk pojawa sę przykładowy wynk oblczena dla perwszego przebegu z ser; jeżel odpowada on temu, co chcelśmy uzyskać, klkamy Next, w wynku czego pownna sę pojawć pożądana charakterystyka. c) Włączyć skalę logarytmczną na obu osach. Zapsać uzyskany wykres. 8. Na podstawe wykreślonej zależnośc wybrać wartość C1, która zapewn tętnene napęca wyjścowego ne wększe nż 1%, wpsać ją na schemat. 9. Dla stałej, nowej wartośc C1, uzmennć ndukcyjność cewk 1, dokonując symulacj dla ndukcyjnośc beżącej oraz np. 2 razy mnejszej wększej. W jak sposób ndukcyjność wpływa na stałość napęca wyjścowego? Zapsać odpowedn wykres. Zastanowć sę, dlaczego w praktyce raczej ne korzysta sę z tej zależnośc Charakterystyka sterowana 10. Uzmennć współczynnk wypełnena mpulsów sterujących D. a) Zdefnować nowy parametr globalny przypsać mu dotychczasową wartość współczynnka D. b) Parametr lub parametry źródła sterującego, które zależą od D, zdefnować za pomocą wzorów w nawasach klamrowych, zastępując dotychczasowe wartośc lczbowe. c) Sprawdzć poprawność wprowadzonych zman dokonać symulacj układu sprawdzć, czy jego dzałane pozostało nezmenone. d) Dokonać symulacj układu ze zmenającym sę współczynnkem D. Ze względu na to, że ne da sę zdefnować źródła sterującego o wypełnenu mpulsów dokładne 0 an dokładne 1, a także dlatego, że w rzeczywstych układach take wartośc D ne są stosowane, symulacje należy przeprowadzć dla przedzału 0,1 0,9. Wykreślć zapsać przebeg napęca wyjścowego. 11. Wyznaczyć charakterystykę sterowana badanej przetworncy. Poneważ napęce wyjścowe w rzeczywstym układze wykazuje tętnena, do oblczena współczynnka przetwarzana napęca należy użyć jego wartośc średnej. a) Dodać do uzyskanego poprzedno wykresu przebeg wartośc średnej za okres napęca wyjścowego (wykorzystać odpowedną funkcję programu Probe). b) Wybrać funkcję celu, która zwróc wartość średnego napęca wyjścowego w stane ustalonym. Proszę sprawdzć poprawność dzałana wybranej funkcj celu. c) Jeżel test wypadł pomyślne, należy wykorzystać wybraną funkcję w analze charakterystyk (Trace Performance Analyss). d) Zmenć wyśwetlany przebeg tak, aby zamast średnego napęca wyjścowego wykreślł sę współczynnk przetwarzana napęca wpsać wyrażene odpowadające wzorow defncyjnemu (z uwzględnenem konecznośc uśrednena uwy). Zapsać uzyskaną charakterystykę. 12. Proszę porównać otrzymaną charakterystykę z teoretyczną spróbować wyjaśnć ewentualne rozbeżnośc.

19 Ćwczene 6. Analza przetworncy dławkowej obnżającej napęce ( ) Oczekwana zawartość sprawozdana Sprawozdane pownno zawerać: parametry źródła VG (pkt 1, 2, 4, 10); wyznaczone parametry elementów układu wraz z wykorzystanym wzorem lub wykresem (pkt 2, 8); zmenone wartośc elementów obwodu, dla których wykonane zostały symulacje (pkt 4, 6, 9); uzasadnene wyboru funkcj celu ch parametrów (pkt 7, 11); uzyskane przebeg zależnośc oraz ch analzę wnosk, zgodne z polecenam w poszczególnych punktach. 5. teratura [1] Nowak M., Barlk R.: Poradnk nżynera energoelektronka. Wydawnctwa Naukowo-Technczne, Warszawa 1998.