Рубрики
Технологии силовой электроники

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

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть I Леонид Добрусин В статье рассмотрена действенная методология анализа воздействия преобразователей

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

В статье рассмотрена действенная методология анализа воздействия преобразователей на качество электроэнергии, которая поддерживается пакетом программ системы Design — PSpice и позволяет корректно проводить гармонический анализ кривых тока и напряжения в электротехнических комплексах и системах, содержащих силовые полупроводниковые преобразователи, также выбирать характеристики фильтрокомпенсирующих устройств.

Все статьи цикла:

  • Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть I
  • Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design — PSpice. Часть II
  • Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design — PSpice. Часть III
  • Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть IV
  • Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design — PSpice. Часть V

Введение

Неувязка свойства электроэнергии является только животрепещущей для электроэнергетики Рф [1].

Соответствие свойства электроэнергии стандартным требованиям нужно для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья людей, имущества физических и юридических лиц, муниципального и городского имущества; по охране среды; для увеличения технико-экономических характеристик производств и свойства выпускаемой ими продукции.

Совместно с тем результаты периодического контроля характеристик свойства электроэнергии в российских системах электроснабжения, приобретенные в последние годы [2], свидетельствуют, что качество электроэнергии, поставляемой энергоснабжающи-ми организациями потребителям электроэнергии, продолжает оставаться низким.

Не дает подабающего эффекта неотклонимая сертификация электронной энергии, потому что она имеет значительные правовые и нормативные ограничения.

Правовое ограничение состоит в том, что неотклонимая сертификация электронной энергии осуществляется в согласовании со статьей 7 Закона Русской Федерации «О защите прав потребителей» и статьей 1 Федерального закона «О внесении конфигураций и дополнений в Закон Русской Федерации «О защите прав потребителей». Согласно этим законам объектом сертификации является электронная энергия в распределительных сетях энергоснаб-жающих организаций, от которых она может подаваться потребителям (гражданам). Таким образом, вне области сертификации остается электронная энергия в системах электроснабжения компаний (юридических лиц), которые, с одной стороны, являются главными источниками электрических помех, а с другой стороны, несут значимый вред от несоответствия свойства электроэнергии стандартным требованиям.

Нормативное ограничение заключается в том, что согласно Постановлению Госстандарта РФ от 14 августа 2001 года № 74 номенклатура характеристик свойства электроэнергии (ПКЭ), подлежащих подтверждению соответствия, ограничена 2-мя позициями: отклонением напряжения и отклонением частоты. Таким образом, важные ПКЭ, посреди которых — коэффициент преломления синусоидальности кривой напряжения, оказались вне зоны неотклонимой сертификации электронной энергии, что противоречит положениям раздела 1 ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергич. Сопоставимость технических средств электрическая. Нормы свойства электронной энергии в системах электроснабжения общего назначения» и статье 542, 2-ой части, Штатского кодекса РФ.

Раздел 1 этого ГОСТа 13109-97 «Область применения» определяет, что нормы, установленные реальным эталоном, являются неотклонимыми во всевозможных режимах работы систем электроснабжения общего предназначения, не считая режимов, обусловленных форс-мажорными ситуациями. Эти нормы подлежат включению в технические условия на присоединение потребителей электронной энергии и в договоры на использование электроэнергии меж энергоснабжающими организациями и потребителями.

Статья 542 2-ой части Штатского кодекса РФ устанавливает, что качество электронной энергии должно соответствовать требованиям, предусмотренным муниципальными эталонами.

Нормы ПКЭ по ГОСТ 13109-97 являются экономически обоснованными, потому их невыполнение наносит значимый вред экономике Рф.

Нужно считать, что отмеченное противоречие меж сложившейся в текущее время практикой неотклонимой сертификации электронной энергии и беспристрастной сутью этого понятия будет устранено в процессе поэтапного внедрения новых принципов правового регулирования в области требований к продукции, процессам производства и оценки соответствия, которые определены Федеральным законом РФ «О техническом регулировании» № 184-Ф3 от 27 декабря 2002 года [3].

Новые принципы правового и технического регулирования в электроэнергетике установлены Федеральным законом РФ «Об электроэнергетике» № 35-ФЗ от 26 марта 2003 года. [4].

В согласовании со статьей 28 обозначенного Закона качество электронной энергии относится к номенклатуре вопросов, по которым должны приниматься технические регламенты, также осуществляться муниципальный надзор за их соблюдением согласно федеральному закону «О техническом регулировании» № 184-Ф3 от 27 декабря 2002 года.

Данный Закон устанавливает, что требования в части электрической сопоставимости технических средств с окружающей средой являются неотклонимыми и подлежат подтверждению соответствия на шаге подготовки продукции к выпуску на рынок. Обозначенное положение полностью распространяется на требования к электроэнергии, так как электронная энергия является продукцией [5], другими словами объектом технического регулирования.

Неувязка увеличения свойства электроэнергии в электронных сетях Рф приобретает главное значение в связи с грядущим вступлением нашей страны во Всемирную торговую компанию (ВТО). Чтоб повысить конкурентоспособность российскей продукции на русском и международном рынках в критериях интеграции Рф в ВТО, будет нужно пересмотреть отношение к вопросам электрической сопоставимости технических средств и, а именно, к увеличению свойства электроэнергии с позиции их соответствия интернациональным эталонам. Потому документ Госстандарта РФ «Межведомственная программка мер по обеспечению выполнения в полном объеме требований Соглашения по техническим барьерам в торговле и Соглашения по применению санитарных и фитосанитарных мер Глобальной торговой организации на 2002-2005 годы» устанавливает, что разработка проекта технического регламента «Об электрической совместимости» относится к числу первоочередных проектов законодательных и нормативных правовых актов, обеспечивающих реализацию положений обозначенного соглашения.

Более массовым источником помех, влияющих на качество электроэнергии, являются силовые полупроводниковые преобразователи. Совместно с тем при разработке электротехнических комплексов и систем на базе преобразовательной техники вопросы электрической сопоставимости преобразователей с питающей сетью нередко рассматриваются как второстепенные, что приводит почти всегда к невыполнению стандартных требований по качеству электроэнергии в питающих сетях.

Чтоб интенсифицировать продвижение трудности увеличения свойства электроэнергии в системах электроснабжения Рф, нужно рассматривать вопросы электрической сопоставимости преобразователей с питающей сетью на шаге проектирования электротехнических комплексов и систем и предугадывать в проектах средства, обеспечивающие соответствие свойства электроэнергии стандартным требованиям. Для решения этой задачки целенаправлено использовать компьютерные способы расчета электрических схем.

В истинной работе рассмотрена действенная методология анализа воздействия преобразователей на качество электроэнергии, которая поддерживается пакетом программ системы Design и позволяет корректно проводить гармонический анализ кривых тока и напряжения в электротехнических комплексах и системах, содержащих силовые полупроводниковые преобразователи, также выбирать характеристики фильтрокомпенси-рующих устройств.

Материал работы базируется на исследовательских работах создателя в области электрической сопоставимости преобразователей с питающей сетью.

Данная работа может стать полезным методическим пособием для инженеров, занимающихся проектированием электронных сетей, питающих силовые полупроводниковые преобразователи.

Подразумевается, что читатель истинной работы знаком с операционной системой Windows и системой схемотехнического моделирования Design — PSpice.

Создатель благодарит Шитова В. А. за роль в разработке элементной базы универсальной модели, созданной для исследования свойства электроэнергии в цепях с преобразователями.

1. Общая черта методологии анализа воздействия преобразователей на качество электроэнергии

Схемотехническое моделирование является современным инвентарем для исследования электрических процессов в электротехнических комплексах и системах.

Силовые полупроводниковые преобразователи относятся к классу электрических устройств, потому для исследования преобразователей обширно используются разные программки машинного анализа электрических схем.

Система Design разработана компанией MicroSim (модификации — Design Center [6], Design Lab [7]) и создана для проектирования печатных плат. Базу этой системы составляет сделанная в Калифорнийском институте программка PSpice, которая в текущее время считается эталонной программкой схемотехнического моделирования электрических схем.

Для анализа схем силовых полупроводниковых преобразователей употребляются три программки из комплекта системы Design:

  • Schematics — графический редактор, созданный для ввода начальных данных в виде принципной схемы электрического устройства и управления 2-мя другими программками;
  • PSpice — модуль моделирования, созданный для анализа схемы электрического устройства и вывода результатов анализа в текстовой форме;
  • Probe   —   графический   постпроцессор, созданный для вывода и обработки результатов анализа в графической форме.

К пакету системы Design прилагаются библиотеки графических знаков и математических моделей компонент, которые также употребляются при моделировании преобразователей.

Методология анализа воздействия преобразователей на качество электроэнергии состоит из последующих основных шагов:

  • Графический ввод схемы электронной цепи в среде программки Schematics.
  • Задание характеристик компонент схемы в среде программки Schematics.
  • Задание спецификации библиотек и текстовых файлов, просматриваемых при составлении перечня соединений компонент схемы в среде программки Schematics.
  • Задание директив моделирования в среде программки Schematics.
  • Вызов из программки Schematics программки PSpice для расчета схемы.
  • Автоматический вызов из программки Schematics программки Probe для вывода результатов расчета.

Разглядим более тщательно базы технологии каждого шага на примере схемы, показанной на рис. 1, не вдаваясь в детали, изложенные в учебниках [6, 7].

Моделирование воздействия преобразователей на сеть в среде системы Design – PSpice. Часть I
Рис. 1. Чертеж принципной схемы сети с присоединенным тиристорным выпрямителем, сделанный в среде программки Schematics, Еа, ЕЬ, Ее — графические знаки источников Э. Д. С, фазы А, В, С; La, Lb, Lc — графические знаки индуктивностей питающей сети, фазы А, В, С; W—графический знак трансформатора; LA1, LA2; LB1, LB2; LC1. LC2 — графические знаки индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, фазы А, В, С; последняя цифра соответствует номеру обмотки; М1 — графический знак трехфазной мостовой схемы; Ld, Rd — графические знаки индуктивности и активного сопротивления нагрузки.

Графический ввод схемы производится с помощью команд меню DRAW программки Schematics приблизительно в последующей последовательности. Сначала по команде DRAW/GET NEW PART на поле экрана из библиотек поочередно вводятся графические знаки компонент схемы. А именно, на схеме рис. 1 все графические знаки, не считая знаков трансформатора (TV) и трехфазной мостовой схемы (M1), взяты из штатных библиотек. Знаки TV и M1 за ранее сделаны [8, 9] и помещены в специальную библиотеку юзера, откуда и перенесены на чертеж схемы. Условные обозначения знаков назначаются автоматом, но могут редактироваться в режиме диалога.

После размещения всех компонент схемы на поле экрана делается их соединение проводниками по команде DRAW/WIRE либо шинами по команде DRAW/BUS. На рис. 1 применены только соединения проводниками. На этом шаг ввода схемы завершается.

В отличие от чертежей схем, сделанных в обыденных графических редакторах, схема, сделанная в среде программки Schematics, не считая собственного утилитарного предназначения является носителем полного комплекта начальных данных для расчета ее черт. Данная информация закодирована в виде набора характеристик компонент — атрибутов, при помощи которых при вызове программки PSpice осуществляется передача всей инфы, нужной для моделирования схемы, из программки Schematics в программку Pspice, а именно указывается полный путь доступа к библиотекам моделей компонент.

Простой метод задания численных значений характеристик схемы заключается в редактировании атрибутов за ранее выделенных компонент по команде ATTRIBUTE меню EDIT. Другие методы подвергнутся рассмотрению ниже.

Задание спецификации библиотек и текстовых файлов, просматриваемых при составлении перечня соединений компонент схемы, производится по команде LIBRARY AND INCLUDE FILES меню ANALYSIS.

Задание директив моделирования, другими словами выбор вида и характеристик анализа цепи, делается по команде SETAP меню ANALYSIS. При всем этом раскрывается меню ANALYSIS SETAP, в котором в графе ENABLED выбирается директива вида анализа. В рассматриваемой задачке следует избрать директиву TRANSIENT, которая соответствует расчету переходных процессов во временной области. Потом вызывается меню TRANSIENT, состоящее из 2-ух меню: TRANSIENT ANALYSIS и FOURIER ANALYSIS. В меню TRANSIENT ANALYSIS инсталлируются численные значения временных характеристик расчета переходного процесса: конечное время расчета и шаг вывода результатов расчета. В меню FOURIER ANALYSIS инсталлируются численные значения характеристик спектрального анализа: частота основной гармоники и количество гармоник. Не считая того, в этом меню указываются координаты напряжения либо тока, подлежащего спектральному анализу.

Спектральный анализ делается на интервале, равном периоду основной частоты. Данный интервал автоматом выбирается в конце интервала расчета переходного процесса.

Вызов из программки Schematics программки PSpice для расчета схемы делается по команде SIMULATE меню ANALYSIS.

После расчета переходного процесса автоматом вызывается программка Probe, которая выводит на экран графики напряжений и токов в точках схемы, помеченных маркерами на чертеже схемы. Не считая того, результаты гармонического анализа избранной кривой напряжения либо тока заносятся в виде таблицы в файл результатов расчета схемы с расширением .OUT, который вызывается для просмотра по команде EXAMINE OUTPUT меню ANALYSIS. В этой таблице указываются абсолютные и относительные значения амплитуд гармонических составляющих данных кривых напряжения либо тока и коэффициент преломления синусоидальности соответственных кривых.

Так в общих чертах смотрится методология анализа воздействия преобразователей на качество электроэнергии, основанная на применении системы Design.

Особенности моделирования силовых полупроводниковых преобразователей в системе Design обоснованы последующими обстоятельствами.

В системе Design предметом автоматического проектирования является слаботочное электрическое устройство — радиотехническая интегральная схема в комплекте с активными и пассивными компонентами схемы этого устройства. При разработке реальной конструкции печатной платы нужно оценивать воздействие дестабилизирующих причин на многофункциональные свойства проектируемого устройства. Потому библиотечные модели компонент в системе Design содержат огромное количество характеристик. К примеру, модели диодов учитывают около 30 характеристик, модели транзисторов — около пятидесяти характеристик, что определяет высочайший порядок систем уравнений, описывающих данные составляющие. Отсюда появляются трудности при расчете схемы, потому что решение нередко не сходится, если устройство содержит много полупроводниковых устройств.

Чтоб ослабить воздействие трудности сходимости решения на функцию анализа электрических процессов в электронных цепях, содержащих силовые полупроводниковые преобразователи, целенаправлено использовать более обыкновенные модели силовых полупроводниковых устройств. При всем этом уровень идеализации моделей должен соответствовать техническим требованиям к результатам решаемой задачки. Так, для рассматриваемой задачки довольно представить полупроводниковый прибор в виде нелинейного сопротивления, характеристики которого меняются по определенному логическому закону. К примеру, биполярный транзистор можно имитировать нелинейным сопротивлением, величина которого близка к нулю при положительном значении напряжения меж эмиттером и коллектором и одновременном   наличии   управляющего   импульса.

При отсутствии управляющего импульса значение этого сопротивления велико независимо от полярности напряжения меж эмиттером и коллектором.

Подобные методы, отражающие главные характеристики полупроводниковых устройств, можно предложить для всех устройств.

Другим фактором, ограничивающим прямое применение системы Design для анализа преобразователей, является отсутствие в штатной библиотеке системы Design знаков типовых компонент, используемых в преобразовательной технике: многообмоточных трансформаторов, мостов, систем управления и т. д. Последнее ограничение можно преодолеть, применяя технологию разработки новых графических знаков и макромоделей.

В данной работе вместе с наибольшим внедрением универсальной технологии системы Design, позволяющей моделировать всякую электрическую схему на базе собственных штатных библиотек компонент, основное внимание было уделено разработке особых графических знаков и макромоделей многофункциональных блоков, отражающих особенные характеристики главных компонент средств силовой преобразовательной техники. Обозначенное событие понижает возможность ошибок при разработке схем сложных электротехнических комплексов на базе преобразователей в сопоставлении с методикой, основанной на прямом применении моделей из штатных библиотек системы Design, и увеличивает продуктивность работы юзера за счет сокращения машинного времени на вычисления.

2. Понятие о технологии макромоделирования в среде системы Design

2.1. Общие сведения о технологии макромоделирования

Графические знаки компонент в системе Design имеют три составляющие:

  • чертеж графического знака;
  • список характеристик либо атрибутов — по терминологии, принятой в описаниях системы Design;
  • текстовое описание модели компонента.

Чертеж графического знака является

формализованным обозначением компонента электронной схемы, который выводится на экран монитора в среде программки Schematics при его выборе из библиотеки графических знаков.

Список атрибутов графического знака производит вывод инфы о компоненте на чертеж схемы в среде программки Schematics и передачу инфы о компоненте в программку PSpice. Вывод атрибутов графического знака на экран монитора для просмотра и частичного редактирования производится в среде программки Schematics по команде ATTRIBUTE меню EDIT либо двойным щелчком мышкой по графическому символу.

Текстовое описание модели компонента

(дальше — модель) на языке программки PSpice является математическим описанием черт компонента.

Библиотеки графических знаков компонент и их моделей входят в набор системы Design. Тексты библиотечных моделей большей частью не доступны для редактирования. Потому нельзя получить облегченную модель компонента, к примеру, полупроводникового прибора, методом прямого редактирования текстового описания модели.

Совместно с тем предусмотренная в системе Design разработка описания схемы на языке программки PSpice в купе с процедурами редактирования чертежа графического знака и его атрибутов позволяет решать обозначенную задачку методом сотворения новых графических знаков. Новые графические знаки обычно располагают в отдельных библиотеках, создаваемых юзером.

Макромоделью по терминологии системы Design именуется текстовое описание электронной цепи на языке программки PSpice, которое базируется на штатных моделях системы Design и составляется по определенным правилам.

При разработке нового графического знака целенаправлено сначала создать его макромодель, другими словами метод и математическое описание физических функций компонента, которому будет соответствовать данный графический знак, а потом создавать его чертеж и перечень атрибутов, потому что эти процедуры являются чисто формальными. Макромодель большей частью употребляется в качестве модели нового графического знака, но может также заходить в состав более сложной макромодели. Примеры реализации обоих вариантов показаны ниже.

2.2. Структура макромодели

Структура, либо описание, макромодели на языке программки PSpice составляется в любом редакторе текста и состоит из предложений.

Предложением именуется описание директивы моделирования либо компонента.

Каждое предложение располагается на отдельной строке. Если знаки предложения не помещаются на одной строке, разрешается процедура переноса либо продолжения строчки. Строчка продолжения начинается с знака «+» в первой позиции.

В структуре макромодели разрешены также строчки текстовых комментариев, которые начинаются с знака «*».

Директива моделирования есть предложение, которое начинается с знака «.» в первой позиции.

Описание макромодели начинается с директивы «.SUBCKT» и завершается директивой «.ENDS». Меж этими директивами располагаются предложения, надлежащие описаниям компонент макромодели на языке программки PSpice.

Синтаксис директивы «.SUBCKT» имеет вид:

.SUBCKT . Данная синтаксическая форма директивы «.SUBCKT» включает только неотклонимые элементы описания, заключенные в скобки . После неотклонимых частей описания допускается вводить другие элементы, к примеру описание характеристик схемы, как будет показано ниже на примерах.

Синтаксис директивы «.ENDS» имеет вид:

«.ENDS» [имя макромодели]. Имя макромодели не является неотклонимым элементом синтаксиса данной директивы, что условно показано квадратными скобками. Но обычно применяется полная форма данной директивы, потому что текстовые описания макромоделей различных компонент помещаются в один файл с расширением .txt, к примеру user_model.txt, который создается юзером. С течением времени в этом файле скапливается огромное количество текстов, потому для удобства просмотра текстов рекомендуется каждое описание заканчивать директивой с именованием макромодели.