ОПТИМИЗАЦИЯ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПИД –РЕГУЛЯТОРА

OPTIMIZATION OF POWER FACTOR CORRECTORS USING PID CONTROLLERS

Shipunov MaximAlekseevich

Master’s student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

Lobanova Valentina Andreevna

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Engineering, associate professor, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена анализу принципов совместной работы ПИД – регулятора с корректорами коэффициента мощности в источниках питания. Приведены способы настройки ПИД – систем, критерии обоснования выбора коэффициентов, а также распространенные ошибки. Подтверждена практическая целесообразность применения ПИД – регуляторов совместно с корректорами коэффициента мощности.

ABSTRACT

This article analyzes the combined operation of a PID controller and power factor correctors in power supplies. When entering PID system settings and justifying coefficient selection criteria, common errors arise. The practical feasibility of using PID controllers in conjunction with power factor correctors is confirmed.

Ключевые слова: ПИД – регулятор, PFC, ККМ, источник питания, стабилизация.

Keywords: PID controller, PFC, PFC, power supply, stabilization.

В современном мире, нынешние импульсные источники питания, применяемые в различных сферах, будь то бытовая или же промышленная, предъявляют высокие стандарты качества к потребляемой электроэнергии. Ключевым аспектом выступает коэффициент мощности. Наличие низкого коэффициента мощности приводит к увеличению реактивной составляющей, а так же искажению формы тока, что в свою очередь приводит к ненужным потерям. В целях предотвращения данного вопроса, в конструкции источников интегрируются корректоры коэффициента мощности. Корректоры редактируют форму тока, так, чтобы она близко совпадала с формой синусоиды, совпадающей по фазе с напряжением. Эффективность корректора определяется качеством системы, управляющей им. Наиболее востребованными системами управления для корректоров выступают системы с применением ПИД – регуляторов (пропорционально – интегрально – дифференциальный).ПИД – регулирование позволяет независимо управлять статической и динамической точностью поддержания выходного напряжения.

Основной задачей активного корректора коэффициента мощности является стабилизация выходного напряжения, при одновременном формировании синусоидального тока. ПИД – регулятор сравнивает значение выходного напряжения с заданным и генерирует управляющий сигнал ШИМ.

Расчет коэффициентов ПИД – регулятора для систем с ККМ является сложным процессом. Поэтому перед интеграцией необходимо оценить целесообразность его применения. Необходимо обратить внимание на такие факторы как требования к стабилизации, характеристики системы, а так же динамику процессов. Например, для относительно маломощных систем 100 – 150 Вт мощности интеграция полноценного ПИД – регулятора считается излишней и будет достаточно ПИ – регулятора, так как на таких мощностях не требуется быстрое регулирование и множество аппаратных защит.

Первоначально при построении ПИД – регулятора необходимо отроить пропорциональный коэффициент (P). Данная составляющая определяет быстроту реакции системы на ошибку. При первоначальной настройке пропорционального коэффициента следуетза точку отсчета брать наименьшее значение и постепенно увеличивать его, пока система не начнет реагировать.

После настройки пропорционального коэффициента, необходимо настроить интегральный коэффициент (I). Данный коэффициент устраняет статическую ошибку, возникающую из – за нелинейности и падений напряжения на компонентах. Иными словами, без интегральной составляющей, выходное напряжение никогда не достигнет заданного значения. При первичной настройке интегральной составляющей точку отсчета следует брать от нуля и следить, чтобы значение интегральной составляющей не было слишком большим, так как слишком большое значение замедляет реакцию системы.

Как было сказано ранее, для устройств мощностью 100 – 150 Вт достаточно отстройки пропорционального и интегрального коэффициентов. Но если устройство мощнее, необходима настройка дополнительного коэффициента – дифференциального (D). Дифференциальная составляющая демпфирует колебания, а также уменьшает перерегулирование за счет учета скорости. Данная составляющая являет крайне помехочувствительной, этот фактор стоит учитывать, при проектировании.

После первичной настройки всех трех коэффициентов происходит их итеративная оптимизация, путем реального прогона рабочего цикла устройства. Важно внимательно подходить к финальному выбору коэффициентов, так как их большое значение может приводить к нестабильности и перегрузки. В целях предотвращения выхода за допустимый порог значений, стоит не пренебрегать использованиемПО для симуляции и мониторинга процессов, возникающих в системе, а также надежной обратной связью.

С применением ПИД – регулирования получается следующая осциллограмма (рисунок 1):

Рисунок 1. Осциллограмма с применением регулятора

Без использования ПИД – регулирования (рисунок 2):

Рисунок 2. Осциллограмма без применения регулятора

На рисунках 1 и 2 представлены два сигнала: желтый – сеть 220В, зеленый – заряд конденсатора на выпрямителе.

Без регулирования корректор работает хуже, безусловно, в контексте работы устройства срез составляет всего лишь пару вольт, однако если в одной точке расположить много подобных одновременно работающих устройств, происходит превращение синусоиды в “равнобедренную трапецию”.

На осциллограмме же с работающим регулятором отчетливо, видна разница, конденсатор заряжается более линейно. При правильном подборе коэффициентов возможно добиться максимально приближенного сглаживания.

Применение ПИД – регулятора особенно полезно, если электрическая система имеет сложную динамику, высокие требования к коэффициенту мощности, а также высокую динамику нагрузки.

Резюмируя итог, стоит отметить, что главная причина применения корректоров коэффициента мощности является оптимизация электроэнергии. Применение ПИД – регулятора в свою очередь позволяет реализовать точное и быстрое управление корректором, обеспечивая высокую стабильность выходного напряжения и близкой к идеальной форму потребляемого тока.

Правильная настройка ПИД-регулятора требует итеративного подхода, моделирования и экспериментальной проверки, но результат оправдывает затраты: повышение коэффициента мощности до 0,98–0,99, снижение гармоник, уменьшение нагрузки на сеть и экономия ресурсов. Таким образом, использование ПИД-регулятора в системах корректора коэффициента мощности блоков питания является обоснованным и эффективным решением для широкого круга задач — от бытовых устройств до промышленных систем.

Список литературы:

1. Рюмик, С. М. Заземление и экранирование в многомодульных системах/ С. М. Рюмик, П. Д. Антонов– М.: Техносфера, 2022.
2. Поздняков, В.Г. Механизмы генерации электромагнитных помех в печатном монтаже/ В.Г. Поздняков, К.С. Поливанов– М.: Электросвязь, 2020.
3. Яковлев, А.В. Резонансные явления в многослойных печатных платах/ А.В. Яковлев– М.: Техносфера, 2019.