Symulacja komputerowa przetwornic flyback i forward

Transkrypt

1 Laboratorium Konwertery Mocy Ćwiczenie 6 Symulacja komputerowa przetwornic flyback i forward Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego Katedra Systemów Mikroelektronicznych Wydział Elektroniki Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej

2 Ogólne informacje o symulatorze komputerowym Do komputerowej symulacji konwerterów mocy w laboratorium jest używany symulator o nazwie LTSpice, który charakteryzuje się dużą wygodą obsługi. Funkcje tego programu zostały dostosowane do potrzeb symulacji konwerterów mocy. Obsługa programu LTSpice, jest podobna do obsługi innych programów pracujących w systemie operacyjnym Windows, a mianowicie schematy układów elektrycznych i wykresy przebiegów sygnałów uzyskane w wyniku symulacji są pokazywane w odrębnych oknach. Aby rozpocząć pracę z symulatorem należy uruchomić program, korzystając ze skrótu LTSpice umieszczonego na pulpicie komputera. Następnie należy otworzyć plik z definicją schematu układu. Plik ze schematem układu można otworzyć za pomocą klawiszy <Ctrl> O. Symulacje rozpoczyna się wybierając opcję z menu Symulate Run. Po chwili, gdy obliczenia zostaną zakończone zostanie automatycznie otworzone puste okno z osiami współrzędnych, które służy do rysowania wykresów reprezentujących wyniki symulacji. Aby wykreślić przebieg napięcia na wybranym przewodzie ze schematu, należy wskaźnik myszy przesunąć na okno ze schematem i kliknąć lewym przyciskiem myszy na wybrany przewód. Kolejne kliknięcia na inne przewody schematu dodają następne krzywe w oknie wykresów. Aby wykreślić przebieg prądu płynącego przez element schematu (np. cewkę) należy ustawić wskaźnik myszy na wybrany element i kliknąć lewym przyciskiem myszy. Wartości parametrów elementów schematu można zmieniać. Aby to zrobić należy ustawić wskaźnik myszy na wybrany element i kliknąć prawym przyciskiem myszy. Zostanie pokazane okno edycyjne z listą parametrów danego elementu. Można stosować następujące przedrostki (wielkość liter nie ma znaczenia): Nazwa przedrostka Mnożnik liczbowy Symbol LTSpice kilo 10 3 k mega 10 6 meg mili 10-3 m mikro 10-6 u itd... UWAGA: nie należy używać polskich liter w programie LTSpice, co oznacza, że również nazwy plików dyskowych (np. ze schematami, wykresami, itp.), które są otwierane i zapisywane przez program LTSpice nie mogą zawierać polskich liter. W pewnych sytuacjach konieczne jest powiększenie fragmentu wykresu. Należy wybrać narzędzie lupka + i zakreślić pole do powiększenia na oknie z wykresem. Powrót do poprzedniego rozmiaru wykresu uzyskuje się za pomocą lupka przekreślona. Aby dokładnie odczytać wartości z wykresu można użyć kursorów, aby to zrobić trzeba na wykresie ustawić wskaźnik myszy na symbol wykreślonego sygnału, tak jak przykładowo pokazano na rys. 1. Następnie należy kliknąć prawym przyciskiem myszy. Zostanie pokazane okno z parametrami krzywej. W tym oknie należy zmienić ustawienie opcji Attached Cursor na wartość: 1st aby uzyskać pierwszy kursor, 2nd aby uzyskać drugi kursor lub 1st & 2nd aby uzyskać dwa kursory. Wygląd okna pokazano na rys. 2. Na wykresie pojawią się kursory, które można przesuwać po krzywej. Dwa kursory umożliwiają dodatkowo wyznaczenie różnicy współrzędnych, tak jak to pokazano na rys. 3. Określenie różnicy współrzędnych jest szczególnie przydatne przy wyznaczaniu tętnień napięcia wyjściowego konwerterów lub tętnień prądu cewki. 2

3 Rys. 1 Ustawienie wskaźnika myszy w celu włączenia kursorów. Rys. 2. Okno do edytowania parametrów krzywej wykreślonej na wykresie. Rys. 3. Okno pokazujące współrzędne kursorów na wykresie. Wszystkie schematy i wykresy przebiegów sygnałów uzyskanych w wyniku symulacji można wyeksportować z programu LTSpice. Eksportowanie danych w postaci graficznej można wykonać używając opcji menu: Tools Write plot to a.mwf file. Grafika zostanie zapamiętana w pliku dyskowym w formacie windows metafile, który później można wstawić do dowolnego programu MS Office, np. Word. Można też skorzystać z opcji Tools Copy bitmap to Clipboard. Tym razem konieczne jest uruchomienie innego programu typu office, np. WordPad i za pomocą klawiszy <Ctrl> V wklejenie grafiki do nowo otwartego dokumentu. 3

4 Uwagi ogólne Przed rozpoczęciem laboratorium należy wydrukować lub przepisać, załączony na końcu instrukcji do tego ćwiczenia, wzór protokołu pomiarowego. W protokole tym należy wyraźnie zaznaczać kolejne numery punktów z programu pomiarowego i podawać nazwy i jednostki zapisywanych parametrów. Protokół pomiarowy musi być wypełniony długopisem lub piórem (nie może to być ołówek). Jeżeli w protokole jest dużo skreśleń i poprawek należy go przepisać, aby był czytelny i jednoznaczny. Protokół pomiarowy, podpisany przez nauczyciela prowadzącego zajęcia, musi być dołączony do opracowania wyników pomiarowych. 3. Program pomiarów 3.1. Badanie konwertera flyback Schemat konwertera flyback, który będzie symulowany pokazano na rysunku poniżej Obserwacja przebiegów czasowych sygnałów w konwerterze flyback W tym zadaniu należy przeprowadzić symulacje i wykreślić przebiegi sygnałów w konwerterze. Uzyskane w ten sposób wykresy należy wyeksportować do plików dyskowych i wydrukować w domu. UWAGA: Wszystkie wykresy, o których jest mowa poniżej, należy powiększyć w taki sposób aby na osi czasu w oknie znajdowały się tylko cztery pełne okresy kluczowania konwertera. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_flyback_wykresy b) Uruchomić symulacje układu. c) Wykonać wykres dwóch napięć we wspólnych współrzędnych (w tym samym oknie) V(VM1) nap. na drenie tranzystora M1 oraz V(V2) nap. na uzwojeniu wtórnym. 4

5 d) Wykonać wykres dwóch napięć we wspólnych współrzędnych (w tym samym oknie) V(Vster) nap. sterującego tranzystor M1 oraz V(VM1) nap. na drenie tranzystora M1. e) Wykonać wykres dwóch napięć we wspólnych współrzędnych (w tym samym oknie) V(V2) nap. na uzwojeniu wtórnym oraz V(Vwyj) nap. wyjściowe konwertera. f) Wykonać wykres dwóch prądów we wspólnych współrzędnych (w tym samym oknie) I(L1) prąd przez uzwojenie pierwotne oraz I(L2) prąd przez uzwojenie wtórne. g) Wykonać wykres trzech prądów we wspólnych współrzędnych (w tym samym oknie) I(D1) prąd przez diodę D1, I(Co) prąd przez kondensator Co oraz I(Ro) prąd przez opornik obciążenia Współczynnik konwersji napięciowej konwertera flyback Zadanie dotyczy wyznaczenia zależności napięcia na wyjściu konwertera flyback w funkcji współczynnika wypełnienia D sygnału sterującego załączaniem klucza. Zależność napięcia na wyjściu konwertera od współczynnika wypełnienia jest wyznaczana dla kilku wartości rezystancji obciążającej wyjście konwertera. Dodatkowo wyznaczana jest wartość maksymalna napięcia na drenie tranzystora przełączającego M1, oznaczonego na schemacie VM1. W tym zadaniu okres przełączania klucza tranzystorowego jest stały i wynosi TS =10 s. Napięcie wejściowe konwertera jest stałe i wynosi Vg = 20 V. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_flyback_wsp_d b) Ustawić zadaną wartość rezystancji obciążającej wyjście, zgodnie z danymi podanymi w tabeli poniżej. Rezystancję obciążającą zmieniać edytując parametry opornika Ro, parametr o nazwie Resistance. c) Wykonać serię symulacji dla kilku wartości czasu załączenia klucza konwertera, zgodnie z danymi podanymi w tabeli poniżej. Czas załączania zmieniać edytując parametry źródła napięciowego Vster, parametr o nazwie Ton. d) Wrócić do punktu (b) i ustawić kolejną zadaną wartość rezystancji obciążenia, powtarzać punkty od (b) do (d) dla wszystkich wymaganych wartości rezystancji obciążenia. e) Uzyskane wyniki zanotować w odpowiedniej tabeli podanej w protokole pomiarowym. UWAGA dane z wykresu należy odczytywać na końcu przedziału czasu symulacji, tam gdzie przebiegi ustabilizowały się i wygasły stany przejściowe Tętnienia napięcia wyjściowego konwertera flyback Zadanie dotyczy wyznaczenia zależności wielkości tętnień napięcia wyjściowego konwertera flyback w funkcji wielkości pojemności kondensatora w filtrze wygładzającym. W tym zadaniu okres przełączania klucza tranzystorowego jest stały i wynosi TS = 10 s, czas załączania klucza jest stały i wynosi Ton = 5 s. Napięcie wejściowe konwertera jest stałe i wynosi Vg = 30 V. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_flyback_tetnienia b) Wykonać serię symulacji dla kilku wartości pojemności zgodnie z danymi podanymi w tabeli w protokole. Pojemność kondensatora zmieniać edytując parametry kondensatora Co, parametr o nazwie Capacitance. 5

6 c) Uzyskane wyniki zanotować w tabeli podanej w protokole. UWAGA dane z wykresu należy odczytywać na końcu przedziału czasu symulacji, tam gdzie przebiegi ustabilizowały się i wygasły stany przejściowe Działanie układu snubber w konwerterze flyback Zadanie dotyczy zbadania działania układu snubber w konwertera flyback. Układ snubber jest często stosowany w konwerterach transformatorowych w celu obniżenia maksymalnego napięcia na tranzystorze przełączającym. Właściwie dobrany układ snubber obniża wartość szczytową napięcia i przyspiesza wyłączanie tranzystora. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_flyback_snubber b) Wykonać serię symulacji dla kilku wartości pojemności w układzie snubber zgodnie z danymi podanymi w tabeli w protokole. Pojemność kondensatora zmieniać edytując parametry kondensatora C1, parametr o nazwie Capacitance. c) Uzyskane wyniki zanotować w tabeli podanej w protokole Badanie konwertera forward Schemat konwertera forward, który będzie symulowany pokazano na rysunku poniżej Obserwacja przebiegów czasowych sygnałów w konwerterze forward W tym zadaniu należy przeprowadzić symulacje i wykreślić przebiegi sygnałów w konwerterze. Uzyskane w ten sposób wykresy należy wyeksportować do plików dyskowych i wydrukować w domu. UWAGA: Wszystkie wykresy, o których jest mowa poniżej, należy powiększyć w taki sposób aby na osi czasu w oknie znajdowały się tylko cztery pełne okresy kluczowania konwertera na samym końcu osi czasu. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_forward_wykresy b) Uruchomić symulacje układu. c) Wykonać wykres trzech napięć we wspólnych współrzędnych (w tym samym oknie) V(VM1) nap. na drenie tranzystora M1, V(VD1) nap. na diodzie D1 oraz V(VL2) nap. na uzwojeniu L2 transformatora. 6

7 d) Wykonać wykres trzech prądów we wspólnych współrzędnych (w tym samym oknie) I(L1) prąd przez uzwojenie pierwotne L1, I(L2) prąd przez uzwojenie wtórne L2 oraz I(L3) prąd przez uzwojenie L Współczynnik konwersji napięciowej konwertera forward Zadanie dotyczy wyznaczenia zależności napięcia na wyjściu konwertera forward w funkcji współczynnika wypełnienia sygnału sterującego załączaniem klucza. Zależność napięcia na wyjściu konwertera od współczynnika wypełnienia jest wyznaczana dla kilku wartości rezystancji obciążającej wyjście konwertera. Dodatkowo wyznaczana jest wartość maksymalna napięcia na drenie tranzystora przełączającego M1, oznaczonego na schemacie VM1. W tym zadaniu okres przełączania klucza tranzystorowego jest stały i wynosi TS =20 s. Napięcie wejściowe konwertera jest stałe i wynosi Vg = 30 V. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_forward_wsp_d b) Ustawić zadaną wartość rezystancji obciążającej wyjście, zgodnie z danymi podanymi w tabeli w protokole. Rezystancję obciążającą zmieniać edytując parametry opornika Ro, parametr o nazwie Resistance. c) Wykonać serię symulacji dla kilku wartości czasu załączenia klucza konwertera, zgodnie z danymi podanymi w tabeli w protokole. Czas załączania zmieniać edytując parametry źródła napięciowego Vster, parametr o nazwie Ton. f) Wrócić do punktu b i ustawić kolejną zadaną wartość rezystancji obciążenia, powtarzać punkty od b do d dla wszystkich wymaganych wartości rezystancji obciążenia. g) Uzyskane wyniki zanotować w tabeli podanej w protokole. UWAGA dane z wykresu należy odczytywać na końcu przedziału czasu symulacji, tam gdzie przebiegi ustabilizowały się i wygasły stany przejściowe Nasycanie się transformatora w konwerterze forward Zadanie dotyczy obserwacji przebiegów sygnałów w konwerterze w sytuacji gdy D > 0,5, co powoduje narastanie gromadzonej energii w transformatorze i wzrost prądu klucza tranzystorowego. UWAGA: Wszystkie wykresy, o których jest mowa poniżej, należy powiększyć w taki sposób aby na osi czasu w oknie znajdowały się tylko cztery pełne okresy kluczowania konwertera na samym końcu osi czasu. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_forward_nasycenie b) Wykonać symulacje. c) Wykreślić przebieg prądu w tranzystorze M1, I(M1). Wykres należy zapamiętać i umieścić w opracowaniu wyników Tętnienia napięcia wyjściowego konwertera forward Zadanie dotyczy wyznaczenia zależności wielkości tętnień napięcia wyjściowego konwertera forward w funkcji wielkości pojemności kondensatora w filtrze wygładzającym. W tym zadaniu okres przełączania klucza tranzystorowego jest stały i wynosi TS = 20 s, czas załączania klucza jest stały i wynosi Ton = 10 s. Napięcie wejściowe konwertera jest stałe i wynosi Vg = 30 V. a) Otworzyć plik ze schematem o nazwie: km_forward_tetnienia 7

8 b) Wykonać serię symulacji dla kilku wartości pojemności zgodnie z danymi podanymi w tabeli w protokole. Pojemność kondensatora zmieniać edytując parametry kondensatora Co, parametr o nazwie Capacitance. c) Uzyskane wyniki zanotować w tabeli podanej w protokole. UWAGA dane z wykresu należy odczytywać na końcu przedziału czasu symulacji, tam gdzie przebiegi ustabilizowały się i wygasły stany przejściowe. 4. Opracowanie wyników pomiarowych Wykonać wykresy do punktów 3.1.1, Wykonać wykresy do punktów 3.1.2, Dla każdego z wymienionych punktów wykonać jeden wspólny wykres, na którym należy umieścić cztery krzywe dla każdej wartości rezystancji obciążenia oraz krzywą wynikającą z zależności teoretycznych gdy rezystancja obciążenia jest duża. Powtórzyć zestawienie z punktu Wyjaśnić która wartość pojemności C1 jest najkorzystniejsza. C1 [nf] Wartość maksymalna napięcia na tranzystorze M1 VM1 [mv] Do punktów 3.1.3, wykonać obliczenia teoretyczne i umieścić je w poniższej tabeli razem z przepisanymi wynikami symulacji. Co [uf] Tętnienia napięcia wyznaczone z symulacji Vwyj [mv] Tętnienia napięcia wyznaczone teoretycznie Vwyj [mv] Wykonać wykres do punktu

9 Protokół pomiarowy do ćwiczenia 6 Symulacja komputerowa przetwornic flyback i forward Imię i nazwisko: Data pomiarów: Data oddania opracowania wyników: Imię i nazwisko: Ocena za ćwiczenie: 3. Zadania do wykonania UWAGA dane z wykresu należy odczytywać na końcu przedziału czasu symulacji, tam gdzie przebiegi ustabilizowały się i wygasły stany przejściowe Badanie konwertera flyback Współczynnik konwersji napięciowej konwertera flyback Ton [us] Współczynnik D [%] Ro = 100 Ro = 200 Ro = Tętnienia napięcia wyjściowego konwertera flyback Co [uf] Tętnienia napięcia Vwyj [mv] Tętnienia prądu cewki IL2 [ma] 9

10 Działanie układu snubber w konwerterze flyback C1 [nf] Wartość maksymalna napięcia na tranzystorze M1 VM1 [V] 3.2. Badanie konwertera forward Współczynnik konwersji napięciowej konwertera forward Ton [us] Współczynnik D [%] Ro = 30 Ro = 100 Ro = Tętnienia napięcia wyjściowego konwertera forward Co [uf] 1 2, Tętnienia napięcia Vwyj [mv] Tętnienia prądu cewki IL4 [ma] 10