6.3 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 рисунке 6.2.

Пример

Для многих задач внутреннюю индуктивность ключей можно задать равной нулю. Однако для ряда задач необходимо задавать ненулевое значение индуктивности. На рисунке 6.3 показана модель 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).

Для исключения этого явления следует задавать конечное значение Lon. На рисунке 6.4 показаны осциллограммы для той же модели, но при Lon = 1 мкГн. Как видно из осциллограмм броски тока отсутствуют.

Пример (psbrectifier_ideal.zip, sys.zip)

Рисунок 6.3 – Модель трехфазного тиристорного преобразователя,

работающего на активно-индуктивную нагрузку

Рисунок 6.4 - Осциллограммы тока и напряжения трехфазного тиристорного преобразователя

7 Особенности блока Breaker

Часто начинающий пользователь для коммутации напряжения в моделях с источниками постоянного напряжения использует блок Breaker. Однако при этом не учитывается тот факт, что Breaker предназначен для коммутации переменного тока. Его особенностью является то, что при снятии управляющего сигнала разрыв цепи происходит лишь при достижении током нулевого уровня. В цепях постоянного тока такого не наблюдается, и ключ остается замкнутым при снятии управляющего сигнала. Рисунок 7.1, а иллюстрирует эту ситуацию. На рисунке показаны электрические цепи, коммутируемые с помощью блока Breaker. При этом в одной из цепей используется источник переменного напряжения, а в другой - постоянного. На рисунке хорошо видно, что в первой цепи отключение нагрузки от источника происходит в момент спадания тока цепи до нуля, в то время как во второй цепи нагрузка остается подключенной к источнику, несмотря на отсутствие управляющего сигнала на ключе.

Пример (Breaker.zip)

Для коммутации в цепях постоянного тока необходимо использовать блок Ideal Switch.

Рисунок 7.1, а - Модель блока Breaker в цепях постоянного и переменного тока

Рисунок 7.1, б - Осциллограммы тока по рисунку 7.1, а

8 Моделирование выбега электродвигателя

В практических задачах моделирования электропривода часто встречается задача моделирования не только пуско-тормозных режимов, но и режима выбега электродвигателя при отключении питания. Для решения этой задачи необходимо после источников фазных напряжений поставить ключи ('Breaker' или 'Ideal Switch') и сформировать напряжения управления ключами (для размыкания ключей нужен нулевой сигнал).

Рисунок 8.1 - Модель расчета гармонического состава сигнала

В параметрах ключей требуется задать очень большое сопротивление искрогасящей цепи (в 100-500 раз большее, чем сопротивление фазы АД), а емкость этой цепи можно задать inf (что соответствует отсутствию конденсатора).

Модель запуска и выбега асинхронного двигателя и графики ее работы показаны на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 - Модель запуска и выбега асинхронного двигателя

Пример (ad_vibeg.zip)