7.3 Особенности моделирования схем силовой электроники

Для моделирования устройств силовой электроники используются два метода:

• Если внутренне сопротивление ключа имеет только активный характер (Ron > 0), а внутренняя индуктивность отсутствует (Lon = 0), то модель ключа рассматривается как часть линейной схемы. В процессе расчета, при изменении состояния ключей производится пересмотр топологии схемы и переопределение ее модели пространства-состояния. Этот метод всегда используется при наличии в схеме блоков Breaker и Ideal Switch, поскольку они не имеют внутренней индуктивности. Этот метод применяется также для блоков Diode и Thyristor, если для них задано Ron > 0 и Lon = 0, а также для блока Universal Bridge в том случае, если в качестве приборов моста выбраны GTO, MOSFET, IGBT или Ideal Switches (для этих устройств в составе моста - Lon = 0).

• Если ключ содержит индуктивность (Diode и Thyristor с Lon > 0, IGBT, MOSFET или GTO), то он моделируется как нелинейный элемент на базе источника тока в цепи обратной связи линейной схемы, как показано на рис. 7.2.

Пример:

Для многих задач внутреннюю индуктивность ключей можно задать равной нулю. Однако, для ряда задач необходимо задавать ненулевое значение индуктивности. На рис. 7.3 показана схема трехфазного тиристорного преобразователя работающего на активно-индуктивную нагрузку. Если индуктивность Lon = 0, то в процессе коммутации, который происходит квазимгновенно, два тиристора моста шунтируют источник питания. Ток в таком контуре ограничивается только активными сопротивлениями самих тиристоров и сопротивлением источника. Поскольку эти сопротивления весьма малы (Ron = 0.01 Ом), ток в короткозамкнутом контуре достигает очень больших значений (более 7 кА).

Рис. 7.3

Для исключения этого явления следует задавать конечное значение Lon. На рис. 7.4 показаны осциллограммы для той же самой схемы, но при Lon = 1 мкГн. Как видно из осциллограмм броски тока отсутствуют.

Рис. 7.4

Советы пользователям SimPowerSystems от ведущего раздела

1. RLC "по-русски"

Условные графические обозначения элементов на пиктограммах блоков в библиотеке SimPowerSystems не полностью соответствуют принятым в России. Это существенно затрудняет восприятие и анализ моделей. Особенно сильно отличается от принятого в России изображение резистора. Также имеются отличия в изображениях индуктивности, конденсатора и других элементов. Однако пользователь может сам достаточно легко изменить пиктограмму блока. Это возможно, поскольку графическая часть пиктограммы создается с помощью обычной команды plot пакета MATLAB, а векторы, использующиеся в качестве аргументов этой функции, хранятся в файле blocicon.m (папка …MATLAB6p5\toolbox\powersys\powersys\private). Для того, чтобы изменить график необходимо просто заменить значения соответствующих векторов новыми. Ниже приводится фрагмент файла blocicon.m с новыми значениями векторов, обеспечивающих построение условного изображения последовательной RLC-цепи (строки 31-38 и 144-151 для версии MATLAB 6.5):

rx=[0 30 30 120 120 150 120 120 30 30]; ;

ry=[0 0 -14 -14 0 0 0 14 14 0 ];

lx = [0 25 25 25.15 25.45 26.1 26.8 28 29 30.5 32 33.5 35.5 37.5 39.5

41.5 43 44.5 46 47.1 48.2 49 49.45 49.85 50 50 50.15 50.45 51.1 51.8

53 54 55.5 57 58.5 60.5 62.5 64.5 66.5 68 69.5 71 72.1 73.2 74 74.45

74.85 75 75 75.15 75.45 76.1 76.8 78 79 80.5 82 83.5 85.5 87.5 89.5

91.5 93 94.5 96 97.1 98.2 99 99.45 99.85 100 100 100.2 100.5 101.1

101.8 103 104 105.5 107 108.5 110.5 112.5 114.5 116.5 118 119.5 121

122.1 123.2 124 124.5 124.8 125 125 150];

ly = [0 0 0 1.93 3.32 5.13 6.46 8.12 9.17 10.4 11.2 11.8 12.3 12.5 12.3 11.8

11.2 10.4 9.17 8.01 6.46 4.9 3.67 1.93 0 0 1.93 3.32 5.13 6.46 8.12

9.17 10.4 11.2 11.8 12.3 12.5 12.3 11.8 11.2 10.4 9.17 8.01 6.46 4.9

3.67 1.93 0 0 1.93 3.32 5.13 6.46 8.12 9.17 10.4 11.2 11.8 12.3 12.5

12.3 11.8 11.2 10.4 9.17 8.01 6.46 4.9 3.67 1.93 0 0 1.93 3.32 5.13

6.46 8.12 9.17 10.4 11.2 11.8 12.3 12.5 12.3 11.8 11.2 10.4 9.17 8.01

6.46 4.9 3.67 1.93 0 0 0];

cx1 = [0 60 60 60];

cy1 = [0 0 -25 25];

cx2 = [90 90 90 150];

cy2 = [25 -25 0 0];

На рис. 1 показаны старое и новое изображение пиктограммы блока Series RLC Branch.

Для того, чтобы изменить изображение резистора и индуктивности на пиктограммах трехфазных источников напряжения необходимо изменить строки 595 - 599 этого же файла:

resistor_x =[0 30 30 120 120 150 120 120 30 30];

resistor_y =[0 0 -14 -14 0 0 0 14 14 0 ];

inductor_x =[0 25 25 25.15 25.45 26.1 26.8 28 29 30.5 32 33.5 35.5 37.5 39.5

41.5 43 44.5 46 47.1 48.2 49 49.45 49.85 50 50 50.15 50.45 51.1

51.8 53 54 55.5 57 58.5 60.5 62.5 64.5 66.5 68 69.5 71 72.1 73.2

74 74.45 74.85 75 75 75.15 75.45 76.1 76.8 78 79 80.5 82 83.5 85.5

87.5 89.5 91.5 93 94.5 96 97.1 98.2 99 99.45 99.85 100 100 100.2

100.5 101.1 101.8 103 104 105.5 107 108.5 110.5 112.5 114.5 116.5

118 119.5 121

122.1 123.2 124 124.5 124.8 125 125 150];

inductor_y =[0 0 0 1.93 3.32 5.13 6.46 8.12 9.17 10.4 11.2 11.8 12.3 12.5 12.3

11.8 11.2 10.4 9.17 8.01 6.46 4.9 3.67 1.93 0 0 1.93 3.32 5.13 6.46

8.12 9.17 10.4 11.2 11.8 12.3 12.5 12.3 11.8 11.2 10.4 9.17 8.01

6.46 4.9 3.67 1.93 0 0 1.93 3.32 5.13 6.46 8.12 9.17 10.4 11.2 11.8

12.3 12.5 12.3 11.8 11.2 10.4 9.17 8.01 6.46 4.9 3.67 1.93 0 0 1.93

3.32 5.13 6.46 8.12 9.17 10.4 11.2 11.8 12.3 12.5 12.3 11.8 11.2

10.4 9.17 8.01 6.46 4.9 3.67 1.93 0 0 0];

Скачать пример (Rlc_icon.zip)

2. Задание начальных условий расчета

При выполнении расчета электрической схемы начинающий пользователь может получить довольно неожиданный результат, обусловленный не заданными специально начальными условиями. Дело в том, что перед началом расчета Simulink выполняет расчет установившегося режима и результаты этого расчета принимает в качестве начальных условий для расчета на заданном интервале времени. На рис. 2 показана схема в которой источник постоянного напряжения подключен к активно индуктивной нагрузке. Как видно из графика, величина тока равна 100 А и не меняется на всем протяжении расчета, что не соответствует представлениям о переходных процессах в цепях содержащих реактивные элементы.

Рис. 2

Скачать пример (init_conditions_1.zip)

Для того, чтобы принудительно задать нулевые начальные условия требуется установить на схему блок Powergui, открыть его (рис. 3), а также нажать кнопку Initial State Setting (Установка начальных состояний).

Рис. 3

В результате на экран компьютера будет выведено окно установки начальных состояний модели, в котором требуется нажать кнопку to zero для установки нулевых начальных условий (рис. 4).

Рис. 4

Таким образом начальные значения переменных модели будут установлены равными равны нулю. Схема модели с блоком Powergui и график тока при нулевых начальных условиях показан на рис. 5.

Рис. 5

Скачать пример (init_conditions_1.zip)

Для установки нулевых начальных условий можно также воспользоваться функцией powerinit:

powerinit('My_model','reset'),

где

My_model - имя файла модели.