Рубрики
Составляющие силовой электроники

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV Леонид Добрусин Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV Леонид Добрусин

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice.

3.6. Графические знаки и макромодели фильтрокомпенсирующих устройств

Фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) созданы для компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник тока и напряжения на входе и выходе силовых полупроводниковых преобразователей (СПП). ФКУ являются неотъемлемой частью электротехнических комплексов и систем, содержащих СПП, потому что процесс преобразования характеристик электронной энергии беспристрастно сопровождается потреблением реактивной мощности из питающей сети, искажением формы кривых тока и напряжения на входе и выходе преобразователя.

Технические требования к входным ФКУ определяют, в главном, два документа:

  1. ГОСТ 13109-97 «Нормы свойства электронной энергии в системах электроснабжения общего назначения». Этот документ устанавливает характеристики и нормы свойства электронной энергии в электронных сетях систем электроснабжения переменного трехфазного и однофазового тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электронные сети, находящиеся в принадлежности разных потребителей электронной энергии, либо приемники электронной энергии.
  2. Технические условия на присоединение потребителей электронной энергии в части требований электроснабжающей организации по компенсации реактивной мощности.

Технические требования к выходным ФКУ должны устанавливаться в технических критериях на преобразователь.

Как в первом, так и во 2-м случае выбор схемы и характеристик ФКУ должен проводиться на базе результатов анализа электрических процессов в электротехнической системе, содержащей СПП, и гармонического анализа формы кривых тока и напряжения на входе и выходе СПП. Потому при разработке универсальных моделей, созданных для решения таких задач, нужно в комплекте библиотеки компонент преобразователя иметь модели схем ФКУ.

В истинной работе рассмотрены графический знак и макромодель ФКУ, входящие в библиотеку компонент универсальной модели для исследования свойства электроэнергии в цепях с преобразователями [16, 17].

Основная схема ФКУ, которая применяется в силовой преобразовательной технике, представляет собой комбинацию резонансных цепей — фильтров, настроенных на частоты гармоник тока преобразователя. Различают узкополосные и широкополосные фильтры. При всем этом узкополосный фильтр можно представить как личный случай широкополосного [18]. Потому в качестве базисной схемы для модели ФКУ принят широкополосный фильтр (рис. 41).

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV
Рис. 41. Базисная схема фильтра для модели ФКУ

Базисная макромодель ФКУ — однофазовый широкополосный фильтр второго порядка — построена на базе интегрированных моделей одной из штатных библиотек системы Design: резистора, конденсатора и индуктивности.

Методом варианты характеристик базисной макромодели ФКУ можно настраивать эту схему на всякую частоту, задавать всякую реактивную мощность на основной частоте, превращать широкополосный фильтр в узкополосный фильтр.

Для моделирования трехфазных ФКУ можно использовать один из 2-ух приемов:

  1. Моделирование нужной схемы ФКУ в среде графического редактора — программки Schematics — при помощи графического знака однофазовой базисной макромодели ФКУ.
  2. Составление текстового описания макромодели трехфазной схемы ФКУ на языке программки PSpice с следующим созданием графического знака данной схемы, который поддерживается обозначенным текстовым описанием.

2-ой вариант более целесообразен, потому что содействует повышению скорости решения задачки.

Текстовое описание макромодели трехфазной схемы ФКУ выполнено на базе текстового описания однофазовой схемы.

Текстовое описание макромодели однофазовой схемы ФКУ, соответственной рис. 41, на языке программки PSpice имеет последующий вид:

.SUBCKT              RCL_D             1                 2

+ PARAMS:         R=37.5             C=6u          L=0.627m

  1. .SUBCKT — директива начала описания макромодели;
  2. RCL_D — имя макромодели;
  3. 1, 2 — маркировки выводов схемы;
  4. PARAMS: — ключевое слово, после которого приводится список характеристик макромодели по дефлоту: R = 37,5 Ом, C = 6 мкФ, L = 0,627 мГи.

R_RCL            1                      p                      {R}

C_RCL          p                      2                      {C}

L_RCL          1                      p                      {L}

*  Три предложения, описывающие включение компонент в схему по рис. 1 и их характеристики:

  1. R_RCL, C_RCL, L_RCL — имена компонент;
  2. 1, p, 2 — маркировки узлов, меж которыми включены надлежащие составляющие;
  3. {R}, {C}, {L} — идентификаторы характеристик R, C, L, созданные для конфигурации характеристик в режиме диалога с экрана монитора.

.ENDS           RCL_D

  1. .ENDS — директива окончания описания макромодели;
  2. RCL_D — имя макромодели. Трехфазная схема ФКУ представляет собой

три однофазовые схемы ФКУ, соединенные в «треугольник».

Текстовое описание макромодели трехфазной схемы ФКУ на языке программки PSpice имеет последующий вид:

.SUBCKT                    F1 A B C PARAMS:

+ VALUE_CF=6u       VALUE_RF=15     VALUE_LF=0.1m

  1. .SUBCKT — директива начала описания макромодели;
  2. F1 — имя макромодели;
  3. A B C — маркировки выводов схемы;
  4. VALUE_CF=6u; VALUE_RF=15; VALUE_LF=0.1m — значения характеристик схемы, данные по дефлоту.

X_RCL1 A B RCL_D           PARAMS:

+ C={VALUE_CF} R={VALUE_RF} L={VALUE_LF}

X_RCL2 B C RCL_D           PARAMS:

+ C={VALUE_CF} R={VALUE_RF} L={VALUE_LF}

X_RCL3 C A RCL_D           PARAMS:

+ C={VALUE_CF} R={VALUE_RF} L={VALUE_LF}

*  Три предложения, описывающие соединение 3-х однофазовых схем ФКУ в одну трехфазную схему:

  1. X_RCL1, X_RCL2, X_RCL3 — имена компонент трехфазной схемы, представленных в форме макромоделей однофазовой схемы, о чем свидетельствует 1-ый знак в имени компонента (Х);
  2. A, B, C — маркировки узлов, меж которыми включены надлежащие составляющие;
  3. RCL_D — имя макромодели однофазовой схемы.

*  {VALUE_RF}, {VALUE_CF}, {VALUE_LF} — идентификаторы значений характеристик RF, CF, LF, созданные для конфигурации характеристик в режиме диалога с экрана монитора.

.ENDS           F1

  1. .ENDS — директива окончания описания макромодели;
  2. F1 — имя макромодели.

Описание перечня атрибутов графического знака трехфазной схемы ФКУ имеет последующий вид:

PART = F_1

  1. PART — шаблон имени знака компонента, под которым он заносится в библиотеку знаков;
  2. F_1 — имя знака компонента.

PKGREF = F_1

  1. PKGREF — шаблон позиционного обозначения компонента;
  2. 1 — позиционное обозначение компонента на чертеже схемы, сделанной в программке Schematics;
  3. F_1 — имя компонента.

REFDES = F_1

  1. REFDES — шаблон префикса условного обозначения компонента;
  2. F — префикс условного обозначения компонента на чертеже схемы, сделанной в программке Schematics;
  3. F_1 — имя компонента.

TEMPLATE=X ^ @ REFDES     %A %B %C%     @MODEL

+               PARAMS: VALUE_CF = {CF1}

+                            VALUE_RF = {RF1}     VALUE_LF = {LF1}

  1. TEMPLATE — шаблон для предназначения соответствий графических выводов компонента с их реальным физическим смыслом и задания характеристик компонента;
  2. X — знак имени компонента, соответственный макромодели;
  3. ^ — символ, который в процессе работы системы Design заменяется указанием полного пути доступа к компоненту;
  4. @ — символ, указывающий на то, что последующий за ним шаблон в процессе работы системы Design заменяется его именованием;
  5. % — символ, предваряющий имя вывода компонента;
  1. MODEL — шаблон, обозначающий наличие описания модели либо макромодели компонента;
  2. PARAMS: VALUE_CF = {CF1} VALUE_RF = {RF1} VALUE_LF = {LF1} — шаблон, c помощью которого вводятся характеристики в режиме диалога.

MODEL= F_1

*  MODEL — шаблон имени модели либо макромодели компонента;

*  F_1 — имя макромодели компонента. Разработка диалога для редактирования характеристик компонент схемы ФКУ — резистора, конденсатора и индуктивности — реализована методом внедрения идентификаторов, которые введены в текст макромодели ФКУ и в атрибуты шаблона TEMPLATE ее графического знака на шаге их сотворения. Вариация значений характеристик, представленных идентификаторами, делается в среде программки Schematics при помощи атрибутов графического знака PARAM.

Чертеж графического знака фильтроком-пенсирующего устройства и вид панели его атрибутов показаны на рис. 42. В окне редактирования видна часть шаблона TEMPLATE, начиная с ключевика PARAMS.

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV
Рис. 42. Чертеж графического знака фильтрокомпенсирующего устройства и вид панели его атрибутов

Пример 6. Моделирование воздействия на питающую сеть тиристорного выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме.

Разглядим пример моделирования воздействия на питающую сеть тиристорного выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме с целью выбора характеристик ФКУ. Многофункциональная схема модели, сделанная в среде программки Schematics на базе рассмотренных выше графических знаков, показана на рис. 43. Условные обозначения: ALFHA — угол управления, градусы; T_puls — продолжительность импульса управления; FREQ — частота, Гц; Ls — индуктивность сети, мГн; Lk — индуктивность рассеяния трансформатора, мГн; TENS — действующее значение фазного напряжения источника питания, В; K — коэффициент трансформации.

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV
Рис. 43. Многофункциональная схема модели для анализа воздействия на питающую сеть тиристорного выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме

Характеристики схемы выбраны таким макаром, чтоб обеспечить существенное искажение формы кривой питающего напряжения сети (коэффициент преломления синусоидальности кривой напряжения U(La:2) — 22,7%), если не использовать ФКУ (рис. 44).

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV
Рис. 44. Эпюры кривых тока и напряжения сети без ФКУ

ФКУ на рис. 43 исполнено в виде иерархического знака — блока ФКУ, многофункциональная схема блока ФКУ показана на рис. 45. В данном случае модель ФКУ представляет собой 6 графических знаков трехфазной схемы ФКУ, соединенных параллельно.

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV
Рис. 45. Многофункциональная схема блока ФКУ

Характеристики фильтров ФКУ, обозначенные на рис. 45, реализуют схему ФКУ, состоящую из 4 узкополосных фильтров с добротностью 30, настроенных на пятую, седьмую, одиннадцатую, тринадцатую гармоники (F1–F4 — соответственно) и широкополосного фильтра с добротностью 1 (F5).

Форма кривых тока и напряжения сети для схемы, показанной на рис. 43, при присоединенном ФКУ приведена на рис. 46. При всем этом производится норма ГОСТ 13109-97 по несинусоидальности напряжения сети (коэффициент преломления синусоидальности кривой напряжения U(La:2) — 4,87%) и обеспечивается значение коэффициента сдвига основной гармоники тока относительно основной гармоники напряжения на входе преобразователя равное единице.

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV
Рис. 46. Эпюры кривых тока и напряжения сети при присоединенном ФКУ