Моделювання динамічних режимів і оптимізація комбінованих фільтрів з послідовною компенсацією гармонік

Abstract

У роботі досліджено моделювання динамічних режимів та оптимізацію комбінованих енергетичних фільтрів, що базуються на принципі послідовної компенсації вищих гармонік. Розглядається структура, що поєднує пасивний (L1, C1) та активний фільтри, останній з яких використовує компенсуючий трансформатор та підсилювач. Основна увага приділена аналізу перехідних процесів при вмиканні, коливаннях напруги живлення та комутації навантаження. Доведено, що для забезпечення високої точності в прецизійних блоках живлення необхідно застосовувати активні засоби стабілізації напруги, зокрема ПІД-регулятори. Мета. Метою дослідження є оцінка ступеня впливу зовнішніх завад (коливань напруги та комутації навантаження) на якісні показники напруги живлення електронної апаратури, а також розробка заходів щодо їх зниження до допустимих рівнів через моделювання та оптимізацію параметрів фільтра. Методика. Для дослідження динамічних режимів використано комп’ютерне моделювання в середовищах Multisim та MATLAB/Simulink. Методика включала: аналіз відгуку системи на ступінчасту зміну вхідної напруги, метод варіювання параметрів для визначення впливу контурного коефіцієнта підсилення, індуктивності, ємності та опору навантаження на тривалість перехідних процесів, синтез та налаштування ПІД-регулятора для забезпечення балансу між швидкістю відгуку та стійкістю системи. Результати. Встановлено, що загальна тривалість перехідного процесу фільтруючого пристрою становить близько 10 секунд, причому основна затримка (6–8 сек) обумовлена саме активним фільтром, тоді як вплив пасивного фільтра завершується протягом 1 секунди. З’ясовано, що зростання контурного коефіцієнта підсилення (КК) призводить до суттєвого збільшення тривалості перехідного процесу (від 2 до 10 сек при зміні КК від 10 до 50). Зафіксовано, що при різкій комутації навантаження виникають короткотривалі провали (до 1.5 В) та сплески (до 3 В) напруги тривалістю до 40 мс. Доведено, що впровадження ПІД-регулятора дозволяє автоматично коригувати вихідну напругу, компенсуючи вхідні збурення та забезпечуючи високу точність підтримки заданого значення. Наукова новизна. Полягає у комплексному аналізі динамічних характеристик комбінованих фільтрів з послідовною компенсацією, що дозволило ідентифікувати асимптотичний характер процесу вмикання та відсутність внутрішніх засобів самоприскорення цього процесу в базових схемах. Вперше продемонстровано ефективність інтеграції негативного зворотного зв’язку з ПІД-регулюванням саме для цього типу фільтрів з метою нівелювання впливу зовнішніх завад. Практична значимість. Результати роботи можуть бути використані при проектуванні прецизійних блоків живлення та лабораторних стендів, до яких пред’являються високі вимоги до стабільності (пульсації не більше 0.001–0.01% від номіналу). Запропонована модель зі зворотним зв'язком за напругою дозволяє значно підвищити надійність роботи електронної апаратури в умовах нестабільної мережі живлення.