Перевод справки пакета SimPowerSystems программы Matlab / powersysSmall
.pdf
с Ron>0 и Lon=0, и для Universal Bridge (универсального моста) с ключами принудительной коммутации.
Если вентиль содержитпоследовательную индуктивность (диод и тиристор с Lon>0, IGBT, MOSFET, или GTO), он моделируется как источник тока, который управляетнапряжением на его выходах. Нелинейный элемент(с входом - напряжением и выходом - током) соединяется с помощью обратной связи с линейной схемой, как показано на рисунке 3-2.
Поэтому Вы имеете выбор, моделировать диоды и тиристоры без или с Lon - внутренней индуктивностью. Вбольшинстве случаев, определять индуктивность - Lon не надо. Однако, для топологии схемы, заканчивающейся нулевой коммутацией или углом перекрытия Вы должны определить индуктивность вентиля - Lon, чтобы помочь коммутации.
Давайте рассмотрим схему, представленную на рисунке 3-3. Эта схема доступна в psbrectifier_ideal.mdl файле. Тиристорный мостпитается отбесконечного источника (полное сопротивление равно нулю) так, чтобы коммутация между тиристорами была квази мгновенная.
Рисунок 3-3: Трехфазный тиристорный выпрямитель, питаемый отисточника бесконечной мощности
Если Вы моделируете эту схему без внутренней индуктивности (Lon=0) тиристора, Вы будете наблюдать большие пики тока, протекающие в этих трех линиях. Это случается, потому что в течение коммутации два тиристора, соединенные с одним положительным или отрицательным выводом моста, проводятток в течение короткого периода времени, вместе, вызывая межфазное короткое замыкание источника (см. рисунок 3-4). Втечение коммутации, ток ограничен только внутренним сопротивлением тиристоров (с Ron=
171
0.01 Ом, ток достигает208·sqrt (2)·sin (30) / (2·0.01) = 7.35 кАили 245 номи-
нальных токов в 30 А). Эти короткие замыкания можно избежать, используя небольшое Lon = 1 мГн в модели тиристора. Если Вы повторите моделирование, Вы получите «идеально», квадратные кривые тока с пиковым значением 30 A.
Если Вы измените масштаб изображения на графике тока линии для процесса коммутации, Вы обнаружите, что коммутация не мгновенна. Время коммутации зависитотзначения Lon и постоянного ТОКА.
172
Рисунок 3-4: Токи источника и постоянное напряжение нагрузки с
Lon =0 и Lon =1 μГн
173
Моделирование дискретизированных электрических систем
Дискретизация начинается с перемещения блока Discrete System block (блок дискретной системы) в вашу схему. Sample time (типовое время) определяется в диалоговом окне блока. Вследующий раз, когда Вы запустите моделирование, электрическая система, будетдискретизирована с использованием Tustin метода, который является эквивалентом метода интегрирования с фиксированным шагом с помощью трапеций. Чтобы избежать algebraic loops (алгебраических петель), электрические машины дискретизированы используя передовой метод Euler (Эйлера).
Когда Вы дискретизируете вашу систему, шаг будетконтролировать точность моделирования. Если Вы используете слишком большое sample time (типовое время), точность можетбыть не достаточной. Единственный способ узнать, является ли точность приемлемой, состоитв том, чтобы повторить моделирование с различными sample times (типовыми временами) или сравнить с непрерывным методом и найти компромисс в выборе наибольшего приемлемого типового времени. Обычно типовое время от20 мс до 50 мс даетхорошие результаты для моделирования переходных процессов коммутации силовых систем на 60 Гц или 50 Гц или систем с использованием силовых коммутирующих электронных устройств типа диодов и тиристоров. Однако, для использования силовых электронных приборов с принудительной коммутацией, Вы должны будете уменьшить шаг. Эти устройства: биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), полевой транзистор (FET), и запираемый тиристор (GTO), которые обычно работаютс высокими частотами переключения. Например, модель инвертора с широтноимпульсной модуляцией (PWM), работающая на частоте 8 кГц, требуетшаг 1 мс или меньше.
Обратите внимание на то, что, даже если Вы дискретизируете вашу электрическую схему, Вы все ещеможете использовать непрерывную систему управления. Однако скорость моделирования будетулучшена, если вы будете использовать дискретную систему управления.
Ограничения на нелинейные модели
1Дискретизация индивидуальных электронных устройств с принудительной коммутацией не разрешается.
Дискретизация схем, содержащих электронные приборы с принудительной коммутацией (IGBT, GTO или FET) разрешается только в блоке Universal Bridge (универсальный мост). Дискретизация индивидуальных электронных устройств с принудительной коммутацией не разрешается. Например, попытка дискретизации схемы вольтодобавочного преобразователя постоянного тока, сохраненная в файле демонстрации — psbbuckconv.mdl, приведетк предупреждающему сообщению, как показано на рисунке 3-5.
174
Рисунок 3-5: Дискретизация индивидуальных электронных устройств с принудительной коммутацией не разрешается
В этой схеме, открытие GTO тиристора вызовет квази мгновенную проводимость свободного диода. Если бысхема была дискретизированной, диод открылся бы с задержкой на один шаг, а индуктивный ток произвел бы большие перенапряжения. Однако, для обычной схемы преобразователя, как в случае универсального моста, взаимодействия ключей известны заранее. Например, в IGBT/Diode инверторе с шестью ключами (рисунок 3-6), открытие IGBT1 даетмгновенную проводимость диода D2 в той же самой ветви. Поскольку топология схемы предопределена, возможно вызвать включение диода на том же самом шаге, на котором открывается IGBT. Если Вы предпочитаете использовать индивидуальный IGBT и блоки диодов, чтобы моделировать полный инвертор, Вы должны использовать непрерывный метод.
175
Рисунок 3-6: IGBT инвертор, моделируемый универсальным мостом
2Требуется минимальная нагрузка, на выходе машины.
При использовании электрических машин в дискретных системах, Вам, придется использовать маленькую «паразитную» активную нагрузку, на выходе машины, чтобы избежать числовых колебаний. Большее типовое время нуждается в большей нагрузке. Минимальная активная нагрузка пропорциональна типовому времени. Как эмпирическое правило, запомните, что в системах, работающих с частотой 60 Гц при шаге 25 мс, минимальная нагрузка приблизительно равна 2.5 % номинальной мощности машины. Например, синхронная машина мощностью 200 МВАв дискретизированной энергосистеме с шагом 50 мс требуетприблизительно 5 % активной нагрузки или 10 МВТ. Если типовое время уменьшить до 20 мс, будетдостаточно 4 МВТ активной нагрузки.
3Вдискретных схемах для диодов и тиристоров используется Lon=0. Диоды и тиристоры, используемые в дискретизированной схеме должны иметь нулевую внутреннюю индуктивность. Если Вы дискретизируете схему, содержащая диоды или тиристоры с Лоном> 0, Power System Blockset выдастВам предупреждение, о том, что Lon будетустановлен в ноль.
176
Как увеличить скорость моделирования
Как только были выбраны надлежащий метод (непрерывный или дискретный), тип решателя, и параметры, есть еще некоторые способы оптимизировать скорость моделирования:
Дискретизируйте вашу электрическую схему и вашусистему управления. Вы можете даже использовать большее типовое время для системы управления, при условии, что оно кратно одному из наименьших постоянных времени.
Моделирование больших систем или сложных силовых электронных преобразователей можетбыть трудоёмким. Если Вы должны повторить несколько моделирований отспецифической рабочей точки, Вы можете сэкономить время, определив вектор начальных состояний в меню Simulation/Parameters/Workspace IO (моделирование / парамет-
ры / рабочее пространство ввод/вывод). Этотвектор начальных условий, надо было сохранить в предыдущем запуске моделирования.
Сокращение числа открытых scopes (измерителей) и числа сохраняемых переменных в scopes (измерителях) также поможетв сокращении времени моделирования.
177
Библиотека нелинейных моделей
Стандартные блоки, используемые Simulink для трансляции моделей с нелинейными блоками, сохранены в библиотеке по имени Powerlib_models. Как правило, никто не работаетс библиотекой Powerlib_models. Однако, Вам, вероятно, придется смотреть, как эти модели устроены или изменять их для специфических приложений. Вы можете обратиться к этой библиотеке,
напечатав powerlib_models в окне команд MATLAB.
Рисунок 3-7: Библиотека нелинейных моделей (powerlib_models)
178
Библиотека непрерывных моделей
Библиотека непрерывная моделей содержитдва типа блоков:
Источники тока, моделируемые непрерывными моделями машины, грозозащитный разрядник, трансформатор, учитывающий насыщение, и линии с распределенными параметрами.
Переключающая логика, используемая в электронных устройствах потребляющих чисто активную мощность (выключатель, диод, тиристор, и универсальный мостс приборами принудительной коммутации).
Нелинейные блоки, моделируемые с помощью источника тока
Эти блоки используютвходное напряжение (выход модели state-space (режим-пространство) линейной схемы), ивыходной ток, который подается на вход модели state-space (режим-пространство). Длясложных моделей типа электрических машин, с несколькими входами и выходами, используются векторные сигналы. Все нужные внутренние сигналы передаются большинством моделей в выходной m-вектор измерений.
Например, модель асинхронной машины сохранена в блоке по имени asynchronous_machine. На вход модель подается вектор, состоящий из четырех напряжений: два напряжения ротора (VabR и VbcR) и два напряжения статора (VabS и VbcS). На выходе у неё вектор четырех токов: два тока ротора (IaR иIbR) и два тока статора (IaS и IbS). Модель также выдаетболее 20 измеренных сигналов в выходной вектор. Когда из powerlib используется блок Asynchronous Machine (асинхронной машины), этотвектор выходных измерений доступен через m-выход, отображаемый на значке машины. Вы можете получить подробности относительно входов и выходов модели из доку-
ментации powerlib и значков блока Powerlib_models.
Логика для выключателейи силовых электронных устройств
Блоки выключателей и силовых электронных устройств содержат только логику, возвращаясостояние выключателя (открытый или закрытый). Состояние выключателя передаютв S-функцию, которая повторно вычисляет модель state-space (режим-пространство) линейной схемы каждый раз, когда состояние выключателя изменяется. Выходной m-вектор, выдаетток и напряжение выключателя. Выход i выдает ток устройств с принудительной коммутацией, типа IGBT и GTO. Вся логика выключателя векторная. Это значит, что одна модель — power2sys моделируетвсе устройства, имеющие один и тотже тип.
179
Дискретнаябиблиотека
Дискретная библиотека содержитдискретную версию непрерывных моделей, описанных выше.
Библиотека выключателей смоделированных источником тока
Эта библиотека содержитмодели силовых электронных устройств, которые смоделированы источником тока, внешним к линейной схеме. Эти устройства — диод и тиристор с Lon> 0, и три устройства с принудительной коммутацией: запираемый тиристор (GTO), канальный полевой униполярный МОП– транзистор (MOSFET) и биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Все эти модели непрерывные и содержатвнутреннюю индуктивность, которая позволяетуправлять быстрыми переключениями преобразователей с принудительной коммутацией. Что касается электрических машин, эти блоки используютвходное напряжение (выход модели statespace (режим-пространство) линейной схемы), ивыходной ток, который подается на вход модели state-space (режим-пространство) Все эти модели — векторизованы.
Ограничения нелинейных моделей
Поскольку нелинейные модели моделируются как источники тока, они не могутбыть соединены последовательно с катушками индуктивности, и их выводы нельзя оставлять не замкнутыми.
Если, например, Вы запитали машину через индуктивный источник, power2sys выдастВам сообщение об ошибке. Это можно избежать, подсоединив большое сопротивление параллельно индуктивному источнику или машине.
Для блока Breaker (выключатель) и силовых электронных устройств, последовательная демпфирующая R-C схема включена в модель. У Вас не будетпроблем, если Вы подключите демпфирующие цепочки. Демпфирующее устройство можетбыть чисто активным при Cs=Inf, или реактивным при Rs=0. Чтобы устранить демпфирующее устройство, определите Rs=Inf и Cs=0.
180