- •Введение
- •Глава 1. Общие понятия математического моделирования
- •Определение математического моделирования
- •На этапе эскизного проектирования
- •1.2. Предметная область и классификация моделирования
- •1.3. Порядок разработки и применения математических моделей
- •Контрольные вопросы
- •2.1. Технологические, физико-топологические и электрические модели силовых полупроводниковых приборов
- •Инжектированных носителей n при высоком уровне инжекции в кремнии:
- •Переходного теплового сопротивления на интервале 0 - 0,1 с
- •И температуры нагрева тиристора т25
- •2.3. Математические модели машин переменного тока
- •2.3.1. Уравнения машины двойного питания
- •2.3.2. Реализация математической модели ад в системе Mathcad
- •Электродвигателя мт-63-10 на 60 кВт, 600 об/мин
- •На основе применения стандартной функции rkfixed
- •Правых частей уравнения состояния ад
- •2.3.3. Применение системы Matlab для математического моделирования электродвигателей переменного тока
- •Состояния асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
- •Состояния синхронного двигателя с постоянным возбуждением
- •Состояния синхронного двигателя с постоянными магнитами
- •2.5. Математическое моделирование электронных схем
- •Компонентов
- •Сигнала низкой частоты на операционных усилителях
- •При симметричных (а) и несимметричных (б) параметрах
- •Глава 3. Математическое моделирование автоматизированного электропривода с полупроводниковыми преобразователями
- •3.1. Анализ переходных процессов в силовых схемах с ключевыми элементами
- •Функционирования силовой вентильной схемы
- •3.2.2. Формирование уравнений состояния для интервала проводимости произвольного сочетания работающих вентилей
- •Трёхфазного мостового преобразователя напряжения
- •3.2.3. Анализ безынерционных распределений токов и напряжений
- •Напряжения
- •3.2.4. Анализ и фиксация переключений силовых ключей
- •И условия проверки устойчивого состояния вентилей
- •Контрольные вопросы
- •4.1. Математическое моделирование замкнутых систем управления
- •И информационной частей системы автоматизированного электропривода
- •Интегральной части регулятора
- •Асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
- •6.2. Анализ нагрузочных режимов тягового электропривода магистрального электровоза
- •Массой 3820 т с электровозом вл80-р
- •6.3. Воспроизведение процесса функционирования системы
- •На базе трёхфазного мостового инвертора напряжения
Состояния синхронного двигателя с постоянными магнитами
Рис..2.30. Расчётная диаграмма пусковых токов и частоты вращения ротора
при плавном увеличении напряжения на статоре до Eωmax=140 B
2.5. Математическое моделирование электронных схем
Электронные схемы представляют собой широкий класс объектов современного электрооборудования. Например, усилители, формирователи и преобразователи аналоговых и цифровых сигналов в системах управления. Моделирование электронных схем нашло самое широкое практическое применение при разработке устройств радиоэлектронной аппаратуры. В рамках настоящего пособия рассмотрение ограничивается представлением общих математических методов моделирования этих объектов.
Моделирование электронных схем осуществляется на основе замещения реальных элементов электрическими цепями из J,E,C,R,L компонентов. Искомыми физическими переменными в схемах замещения являются токи и напряжения. Активные и пассивные элементы схем в общем случае нелинейны, их параметры зависят от времени, а также от токов и напряжений. Причем может иметь место зависимость параметров одного элемента от тока или напряжения другого элемента. Также может иметь место дискретное изменение состояния или структуры цепи замещения в результате быстропротекающих переключений ключевых элементов. Классическими примерами являются модели Эберса-Молла.
Модель Эберса-Молла полупроводникового диода представляется схемой из следующих элементов (рис.2.34) [1]:
• JД – управляемый источник тока,
• RД – сопротивление диода в прямом направлении,
• RУ – сопротивление утечки,
• CД – емкость p-n-перехода.
Рис. 2.34. Модель Эберса-Молла полупроводникового диода
Параметры модели в первом приближении могут быть определены по известным справочным данным с учётом режима работы прибора.
Математическое описание управляемого источника тока и зависимых емкостей
(2.87)
(2.88)
(2.89)
где I0 – тепловой ток и сопротивление p-n-перехода в прямом направлении; m – поправочный коэффициент, учитывающий отклонение реальной характеристики от идеальной теоретической характеристики p-n-перехода; φТ – температурный потенциал; φ – контактная разность потенциалов, определяемая технологией изготовления; СД , СБАР, СДИФ – суммарная, барьерная и диффузионная ёмкости; τ – временной коэффициент, учитывающий предельную частоту работы диода.
Параметры полупроводниковой структуры, входящие в модель, определяются из физических соображений: для нормальной температуры φТ =0,026 В, φ =0,7 - 0,75 В для кремниевых и φ =0,4 - 0,6 В для германиевых p-n-переходов. Значения I0 , m , RД вычисляются с применением, например, метода наименьших квадратов из условия аппроксимации статической характеристики диода выражением
(2.90)
где (Ij,Uj) – координаты (ток и напряжение) на вольт-амперной характеристике диода, соответствующие j-й экспериментальной точке; N – число экспериментальных точек.
Барьерная ёмкость СБАР моделирует приращение пространственного заряда при изменении напряжения на p-n-переходе. Выражение для этой ёмкости из (2.88) применяется только при обратном напряжении на диоде и до некоторого малого значения u. Диффузионная ёмкость СДИФ отражает влияние перераспределения подвижных носителей. Учёт емкостей имеет значение при анализе переходных процессов на частотах более 10 кГц.
Модель Эберса-Молла биполярного транзистора представляется на основе двух встречно включённые схем замещения полупроводниковых переходов (рис. 2.35).
Рис.2.35. Модель Эберса-Молла биполярного транзистора
Схема замещения электронного устройства составляется из набора базисных J,E,C,L,R-компонентов. Предполагается, что в схеме отсутствуют топологические вырождения – контура из источников ЭДС и чистых емкостей, а также узлы из источников тока. При наличии таких вырождений придётся искусственно включать в схему малые сопротивления последовательно с источниками ЭДС и емкостями и малые проводимости параллельно с источниками тока. Компонентные уравнения связывают между собой токи и напряжения ветвей:
(2.91)
где Iv, Uv, Ucv, Jv, Ev – вектора токов и напряжений ветвей, напряжений емкостей, источников тока и источников ЭДС размером, определяемым числом ветвей nv; Сv, Lv, Rv – квадратные матрицы емкостей, индуктивностей и активных сопротивлений ветвей, имеющие размер (nv∙nv). Обычно принимается, что взаимоиндуктивности отсутствуют, поэтому исходные матрицы параметров диагональные.
Например, схема, изображённая на рис. 2.36, будет иметь следующее исходное матричное описание.
Рис. 2.36. Схема из E,J,C.R,L
