МОДЕЛЬ БЕСПРОВОДНОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА, РАЗРАБОТАННАЯ В ПРОГРАММЕ SIMINTECH

Технология беспроводного заряда применима для многих видов электрооборудования, начиная от маломощных бытовых приборов до промышленных потребителей

Наиболее широкое распространение получили БЗУ, построенные на принципе индуктивной и магнитно-резонансной связи благодаря большей безопасности по сравнению с использованием электромагнитного излучения радиочастотного или микроволнового диапазона

Рисунок 1 - Функциональная схема системы беспроводной передачи энергии

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.1

Цель данного исследования — повысить эффективность проектирования БЗУ путем разработки в SimInTech динамической модели, реалистично отражающей переходные процессы и потери в системе. 

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 

- создание базовой модели в SimInTech для упрощенного представления БЗУ; 

- верификация модели путем сопоставления с опубликованными экспериментальными данными;

- анализ влияния рабочей частоты на коэффициент полезного действия (КПД) БЗУ;

- разработка усовершенствованной модели, включающей характеристики транзисторных ключей (ВАХ);

- оценка воздействия характеристик транзисторных ключей на общий КПД БЗУ.

Рост потребности в различных БЗУ актуализирует работы по их проектированию. В процессе эксплуатации БЗУ часто требуется анализ возможностей их применения в конкретных условиях. Для решения таких задач целесообразно развивать компьютерное моделирование БЗУ. Моделирование в программных комплексах получило широкое распространение при разработке электротехнических устройств

Работа БЗУ строится на принципе индуктивной и магнитно-резонансной связи между стационарно размещаемой передающей катушкой и подвижной приемной катушкой. Передающая и приемная катушки входят в индуктивно-емкостную компенсационную цепь резонансного контура, на который подается напряжение с помощью специального высокочастотного инвертора. Создаваемое передающей катушкой высокочастотное магнитное поле наводит напряжение в приемной катушке, которое через силовой преобразователь постоянного тока передается в цепь заряда аккумулятора

Эквивалентная схема замещения моделируемого БЗУ представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Эквивалентная схема замещения БЗУ

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.2

На рисунке 3 представлена упрощенная модель БЗУ, разработанная в программе SimInTech.

Рисунок 3 - Упрощенная модель БЗУ в SimInTech:

а – динамическая модель силовой части; б – окно настройки свойств блока ЩИМ; в – субмодель блока ШИМ

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.3

Полупроводниковые элементы инвертора представлены идеальными ключами. Выпрямитель в модели является идеальным, поэтому напряжение цепи постоянного тока будет неизменным. Однако разработанная модель учитывает высокочастотный инвертор и выпрямитель в цепи заряда. Управление процессом беспроводной передачи энергии выполняется с заданной частотой и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Реализация ШИМ представлена в виде субмодели (рисунок 3б), в качестве параметров которой выступает частота и скважность сигнала.

С целью повышения КПД установки из-за пульсаций напряжения в схему был добавлен сглаживающий фильтр. Сглаживание напряжения в цепи заряда приводит к увеличению действующего значения напряжения, и, следовательно, к росту полезной мощности. При моделировании сглаживающий фильтр был представлен емкостью

где 

Коэффициент сглаживания пульсаций рассчитывается по формуле 2: 

где 

Сопротивление нагрузки рассчитывается как отношение напряжение заряда к току заряда.

Представленная упрощенная модель не учитывает форму ВАХ транзисторов инвертора, а именно падение напряжения в прямом направлении, сопротивление транзисторов, ток утечки закрытого транзистора и аналогичные характеристики обратных диодов. Перечисленные факторы могут оказать влияние на потери мощности в системе и снизить ее КПД. Для учета влияния характеристик транзисторов на работу беспроводного зарядного устройства собрана модель инвертора на базе элементов «полупроводниковый безынерционный элемент» с типом ВАХ IGBT+диод. Модель инвертора реализована в виде субмодели «инвертор ВЧ», приведенной на рисунке 4.

Рисунок 4 - Субмодель «инвертор_ВЧ»:

а – субмодель блока «инвертор_ВЧ»; б – окно настройки параметров блока «инвертор_ВЧ»

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.4

Для удобства параметры транзисторов (падения напряжения и сопротивление) в прямом направлении и аналогичные параметры диодов задаются через свойства субмодели.

Для проверки адекватности разработанной модели сравнивались результаты моделирования с результатами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторном образце и представленных в работе

Рисунок 5 - Экспериментальные осциллограммы напряжений:

а – uL1 и uC1; б – uL2 и uC2; в – uC1 и uC2

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.5

Моделирование средствами SimInTech проводилось для схемы замещения с теми же параметрами и при той же частоте и скважности сигналов. Осциллограммы напряжений, полученных в результате моделирования, показаны на рисунке 6. Обозначения напряжений аналогичны рисунку 5.

Рисунок 6 - Результаты моделирования в SimInTech:

а – uL1 и uC1; б – uL2 и uC2; в – uC1 и uC2

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.6

Сравнение результатов, полученных в работе

[9]

, с результатами моделирования показало не только качественное совпадение результатов, но и незначительное расхождение мгновенных значений. Таким образом, можно сделать вывод об адекватности разработанной динамической модели беспроводного зарядного устройства в SimInTech.

После оценки адекватность модели было исследовано влияние задаваемой скважности на мощность заряда аккумулятора. Сравнивались результаты моделирования с разной скважностью, а также с фильтром и без фильтра. Результаты сравнения приведены в таблице 1.

Как видно из результатов моделирования, изменение скважности влияет на мощность заряда аккумулятора, а, следовательно, и на КПД установки. Максимальный КПД наблюдается при скважности 0,5.

В работе также было проведено сравнение экспериментальных результатов и результатов моделирования в различном частотном диапазоне. Сравнивался полученный на модели КПД системы с данными, приведенными в

По результатам моделирования была построена зависимость КПД от частоты. Зависимость для сравнения была графически совмещена с экспериментальными данными. Совмещенная диаграмма приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость КПД от частоты

Примечание: 1 – идеальная модель; 2 – модель с учетом скин-эффекта; 3 – эксперимент; 4 – эксперимент с коррекцией потерь; 5 – разработанная модель

DOI:10.60797/IRJ.2025.162.122.8

На рисунке 7 кроме экспериментальных данных приведены также данные идеальной модели, модели с учетом скин-эффекта и экспериментальные данные без учета потерь в трансформаторе, транзисторах и диодах.

Как следует из рисунка 7 форма зависимости совпадает с экспериментальными данными, но смещена вправо и вверх. Наибольшее совпадение результатов наблюдается в области 92-100 кГц, что соответствует окрестности резонансной частоты. Следует отметить, что в указанной области результаты обладают соизмеримой точностью с моделью разработанной автором работы

Моделирование также показало, что при частоте инвертора 92 кГц потери в инверторе снижают КПД установки примерно на 1%.

Рассмотренная выше модель не учитывает потери в трансформаторе, диодах выпрямителя, а также пульсации выпрямленного напряжения, однако, учитывая многократную разницу в частотах пульсаций выпрямленного напряжения и инвертора, можно предположить, что пульсации выпрямленного напряжения могут привести к медленным колебаниям напряжения и тока заряда, а, следовательно, и КПД системы. Учет потерь в трансформаторе требует моделирование хотя бы 0,04–0,06 секунды, а учитывая, что инвертор имеет частоту порядка 90–100 кГц, данный интервал соответствует минимум 72–100 тысячам шагов интегрирования.

Ввиду сложности динамической модели расчет занимает порядка 30 минут и возможны нестабильные решения из-за большого количества коммутаций, что эквивалентно разрыву функций. Поэтому составление модели с учетом трансформатора и выпрямительного звена не является рациональным.

В работе представлено решение актуальной инженерной задачи, позволяющей облегчить проектирование беспроводного зарядного устройства, а именно разработка динамической модели, описывающей переходные процессы и позволяющей определить КПД системы.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

– разработана упрощенная модель беспроводного зарядного устройства в SimInTech, учитывающая процессы в инверторе и в выпрямителе находящимся в цепи заряда;

– сравнение результатов моделирования динамических процессов в беспроводном зарядном устройстве уменьшенного макета электровоза с экспериментальными данными, полученными в работах других авторах, показало высокую степень сходимости результатов моделирования с экспериментом. Максимальное расхождение составляет не более 5%;

– зависимость КПД от частоты для разработанной модели имеет форму близкую к полученной по экспериментальным данным, но смещена вправо и вверх. Наибольшее совпадение результатов наблюдается в области 92–100 кГц, что соответствует окрестности резонансной частоты. Стоит отметить, что в указанной области результаты обладают соизмеримой точностью с моделями других авторов;

– построена уточненная модель, учитывающая вольт-амперные характеристики транзисторных ключей инвертора. Модель инвертора реализована в субмодели, а в ее свойствах задаются основные параметры полупроводниковых элементов;

– моделирование беспроводного зарядного устройства с учетом влияния вольт-амперных характеристик транзисторных ключей при различных их параметрах показало увеличение потерь энергии до 1,5%.