Рубрики
Силовые разъемы

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V Юрий Болотовский Жора Таназлы В данной статье, продолжающей цикла статей, размещенных в журнальчике «Силовая

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V Юрий Болотовский Жора Таназлы

В данной статье, продолжающей цикла статей, размещенных в журнальчике «Силовая электроника» № 1, 2’2004; 2, 4’2005, рассматриваются вопросы, связанные с ограничениями, которые накладываются на модель в среде OrCAD в связи с одновременным учетом «быстрых» и «медленных» процессов и точностью задания временных интервалов и отображения осциллограмм, также описывается ряд источников питания из библиотеки Source.lib и приемы их использования.

Неувязка неизменных времени в среде OrCAD 9.2

Одна из обстоятельств, которая в ряде всевозможных случаев может препятствовать получению результатов моделирования в среде OrCAD 9.2, определяется так именуемой неувязкой неизменных времени. Сущность этой трудности сводится к последующему: если в анализируемой схеме находятся очень «быстрые» и очень «медленные» процессы, другими словами процессы, протекающие с малой неизменной времени и с большой неизменной времени, то очень допустимая величина шага интегрирования ограничена малой неизменной времени, а продолжительность переходного процесса определяется большой неизменной времени. В случае если эти неизменные времени значительно различаются, то объем вычислительной работы, нужной для анализа всего переходного процесса, может стать неприемлемым из-за нереально огромного расхода машинного времени.

Проиллюстрируем это на примере. На рис. 1 приведена схема заряда емкостей С1, С2 через резисторы R1, R2 с разными неизменными времени T1 =R1xC1 и Т2 =R2xC2. При всем этом неизменная времени Т1 была постоянной и при R1 = 103 Ом и С1 = 10-9 Ф равнялась 10-6 с. Неизменная времени Т2 за счет конфигурации сопротивления R2 и при неизменной величине емкости С2 = 10-6 Ф изменялась в границах от 10-3 с до 0,9×107 c. При всем этом отношение Т2/Т1 изменялось от 103 до 0,9×1013. Продолжительность переходного процесса принималась равной 5xT2. Анализ переходных процессов выполнялся при значениях управляющих опций OrCAD по дефлоту. При всем этом фиксировалось общее время моделирования (Total Job Time — TjT). Результаты опыта приведены в таблице 1 и на графике (рис. 2).

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Таблица 1. Общее время моделирования схемы (TjT) зависимо от дела неизменных времени Т2/Т1
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая делему
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 2. Общее время моделирования схемы (TjT) зависимо от дела неизменных времени Т2/Т1 неизменных времени при моделировании

Примерами очень «быстрых» и очень «медленных» процессов могут быть колебания, частоты которых значительно различаются, долгий импульс с очень маленьким фронтом и т. д. Для предотвращения заморочек, связанных с невыполнимостью окончить процесс моделирования, нужно проанализировать моделируемую схему и методом исключения соответственных частей схемы либо конфигурации их характеристик уменьшить отношение соответственных неизменных времени.

Точность задания временных интервалов при моделировании в среде OrCAD 9.2

В ряде всевозможных случаев точность, а время от времени и достоверность моделирования в среде OrCAD 9.2 определяется точностью задания временных интервалов в модели. В особенности кропотливо определение точности задания временных интервалов нужно проводить при моделировании повторяющихся процессов. В данном случае предпосылкой понижения точности и достоверности в OrCAD 9.2 может служить скопление временной погрешности, которое происходит от периода к периоду анализируемого процесса.

Разглядим утрату адекватности модели из-за низкой точности задания временных интервалов на примере моделирования схемы трехфазного управляемого тиристорного выпрямителя (схема Ларионова) с активно-индуктивной нагрузкой. Схема приведена на рис. 3.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 3. Модель схемы трехфазного управляемого тиристорного выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой

В схеме применена модель тиристора ТБ143-630-14 [1]. Система управления моделируется шестью источниками типа VPULSE с надлежащими сдвигами по времени TD. Трехфазная сеть моделируется при помощи источников VSIN, фазы которых для V1 = 0, для V2 = -120 эл. градусов, для V3 = 120 эл. градусов. Другие характеристики частей ясны из рисунка.

Предпосылкой утраты точности при моделировании в рассматриваемом случае будет то, что отношение периода промышленной частоты (50 Гц — период 20 мс) и периода включения тиристоров — 3,(3) мс выражается иррациональным числом.

На рис. 4 приведена осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления (характеристики TD и PER) заданы с точностью до 1-го знака после запятой (табл. 2).

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 4. Осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления заданы с точностью до 1-го знака после запятой при TSTOP = 100 мс
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Таблица 2. Характеристики TD и PER, данные с точностью до 1-го знака после запятой

Соответствующим для данной осциллограммы будет то, что режим работы схемы изменяется после периода промышленной частоты — 20 мс. Разумеется, это происходит из-за того, что осуществляется скопление погрешности в моменты включения тиристоров из-за низкой точности задания характеристик TD и PER.

На рис. 5 приведена осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления (характеристики TD и PER) заданы с точностью до 2-ух символов после запятой (табл. 3).

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 5. Осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления заданы с точностью до 2-ух символов после запятой при TSTOP = 100 мс
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Таблица 3. Характеристики TD и PER, данные с точностью до 2-ух символов после запятой

Осциллограмма на рис. 5 соответствует штатному режиму работы выпрямителя.

Соответствующим будет то, что штатный режим работы, приведенный на рис. 5, получен для времени окончания счета TSTOP = 100 мс. То, что для этого значения TSTOP удалось получить штатный режим работы, гласит только о том, что скопление погрешности на временном интервале (0-100 мс) не вызывает конфигураций в режиме, получаемом при моделировании. Это не дает основания возлагать на то, что модель, приобретенная при значениях характеристик TD и PER, соответственных таблице 3, будет адекватна для огромных значений TSTOP, так как с повышением TSTOP идет процесс скопления погрешностей для характеристик импульсов управления.

Для демонстрации этого на рис. 6 приведена осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления заданы с точностью до 2-ух символов после запятой (табл. 3) для TSTOP = 200 мс.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 6. Осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления заданы с точностью до 2-ух символов после запятой при TSTOP = 200 мс

Из рис. 6 следует, что скопление погрешностей характеристик импульсов управления, приводящее к недостоверным результатам моделирования, в рассматриваемом случае вышло в момент времени около 117 мс.

Для того чтоб обеспечить адекватную работу модели для TSTOP = 200 мс, нужно задание характеристик TD и PER с точностью до 3-х символов после запятой (табл. 4).

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Таблица 4. Характеристики TD и PER, данные с точностью до 3-х символов после запятой

На рис. 7 приведена осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления заданы с точностью до 3-х символов после запятой (табл. 4) для TSTOP = 200 мс.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 7. Осциллограмма напряжения на выходе выпрямителя в случае, если временные характеристики импульсов управления заданы с точностью до 3-х символов после запятой при TSTOP = 200 мс

Приведенный пример иллюстрирует необходимость кропотливого определения задания точности для временных характеристик модели и соответственного значения TSTOP для получения адекватных результатов.

О точности отображения осциллограмм в среде OrCAD 9.2

Отметим, что управляющие функции моделирования [2] определяют не только лишь точность получения результатов моделирования в среде OrCAD 9.2, да и точность изображения осциллограмм. Покажем это на примере.

На рис. 8 приведена простая схема, в какой источник VSIN с амплитудой 10 В и частотой 1 кГц нагружен на сопротивление 1 Ом. Неизменная составляющая VOFF равна нулю.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 8. Схема для демонстрации точности изображения осциллограмм в среде OrCAD 9.2

Управляющие функции для данной схемы были приняты по дефлоту. Схема просчитывалась для TSTOP 20, 10, 5 и 1 мс. Надлежащие осциллограммы приведены на рис. 9-12. В таблице 5 приведены надлежащие значения TSTOP, Maximum Step Size (hmax), значение напряжения на резисторе в точке 0,3 мс (четкое значение этого напряжения в точке 0,3 мс принято равным 9,51351) и погрешность вычисления изображения синусоидального напряжения, приобретенного при моделировании.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Таблица 5. Таблица, демонстрирующая погрешности вычисления и изображения на осциллограмме результатов моделирования зависимо от величины hmax
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 9. Осциллограмма напряжения на резисторе (схема на рис. 8) для TSTOP = 20 мс
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 10. Осциллограмма напряжения на резисторе (схема на рис. 8) для TSTOP = 10 мс
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 11. Осциллограмма напряжения на резисторе (схема на рис. 8) для TSTOP = 5 мс
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 12. Осциллограмма напряжения на резисторе (схема на рис. 8) для TSTOP = 1 мс

Таким макаром, для сигналов известной формы вид их изображения на осциллограмме может служить напоминанием о точности проводимых вычислений.

Источники питания и сигналов в среде OrCAD 9.2

Для моделирования источников питания и сигналов в библиотеке SOURCE в OrCAD 9.2 представлены последующие источники:

1) DIG CLOCK — цифровой источник со последующими качествами:

  • OFFTIME — время перехода из состояния 1 в состояние 0;
  • ONTIME — время перехода из состояния 0 в состояние 1;
  • DELAY — время задержки;
  • STARTVAL — изначальное значение (0, 1);
  • OPPVAL — конечное значение (0, 1).

На рис. 13 приведена цифровая осциллограмма работы источника DIG CLOCK со последующими качествами: OFFTIME = 0,2 мкс, ONTIME = 0,3 мкс, DELAY = 0,1 мкс, STARTVAL = 0, OPPVAL = 1.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 13. Цифровая осциллограмма работы источника DIG CLOCK

В библиотеке source.lib имеются модификации цифрового источника DIG CLOCK, которые также имеют обозначение DSTM? и представляют собой личные случаи источника DIG CLOCK, которые получаются при фиксации неких из вышеперечисленных параметров. Описание этих источников и их функционирование последующих пояснений не просит.

2) IAC — источник синусоидального переменного тока, применяемый только для анализа по переменному току (AC Sweep). Имеет 2 характеристики:

  • Aac — амплитуда синусоиды тока;
  • Adc — неизменная составляющая тока.

Не считая этого, источник IAC имеет скрытое свойство ACPHASE. Данному свойству нужно присвоить значение исходной фазы синусоиды источника. По дефлоту значение этого характеристики равно нулю. Свойство становится легкодоступным после щелчка правой кнопкой мыши по графическому изображению источника IAC и выбора пт Edit Properties.

3) IDC — источник неизменного тока. Имеет одно свойство:

  • Adc — значение неизменного тока.

4) IEXP — источник экспоненциального тока [3]. Имеет 6 параметров:

  • I1 — изначальное значение тока;
  • I2 — наибольшее значение тока;
  • TD1 — задержка момента нарастания тока;
  • TC1 — неизменная времени нарастания тока;
  • TD2 — задержка момента спада тока;
  • TC2 — неизменная времени спада тока.

На рис. 14 приведена осциллограмма работы

источника IEXP со последующими качествами: I1 = 1, I2 = 5, TD1 = 1, TC1 = 0, TD2 = 2, TC2 = 0,5.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 14. Осциллограмма работы источника IEXP

5) IPULSE — источник импульсного тока. Имеет семь параметров:

  • I1 — изначальное значение тока;
  • I2 — конечное значение тока;
  • TD — время задержки;
  • TR — время фронтального фронта;
  • TF — время заднего фронта;
  • PW — продолжительность импульса;
  • PER — период повторения.

Источник типа IPULSE зависимо от значений перечисленных параметров дает возможность формирования довольно огромного количества сигналов. Часть из этих сигналов и соответственных им параметров приведена в таблице 6.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Таблица 6. Однополярные сигналы и надлежащие им характеристики источника IPULSE

Данные сигналы могут быть изменены при значениях I1 = a, I2 = Ъ, при этом могут быть рассмотрены случаи как a>b, так и a<Ъ. Если a<Ъ, то сигнал заместо спектра [0, 100] будет лежать в спектре [a, Ь] по оси ординат. В случае a>Ъ сигнал будет лежать в том же спектре по оси ординат, но двинется на право до наиблежайшего значения Ъ по оси абсцисс.

Приведенные выше однополярные сигналы просто преобразуются в двухполярные симметричные относительно оси времени при подмене параметра I1 = 0 на параметр I1 = -I2 и несимметричные двухполярные при подмене этого параметра на I1 = -Ы2, где к>0. В случае I1 = Й2, где fc>0, получаются импульсы, расположенные выше оси времени.

Обилие сформированных сигналов может быть значительно увеличено за счет композиций включения источников. Один из примеров таких композиций приведен на рис. 15. На рис. 16 приведена осциллограмма тока через нагрузку.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 15. Схема параллельной работы источников импульсного тока на общую резистивную нагрузку
Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 16. Осциллограмма тока через нагрузку

Способности получения сигналов методом предназначения разных значений параметров источников явны и тут подробнее не рассматриваются.

6) IPWL — кусочно-линейный источник тока. Имеет вектор параметров {ti; ц}, где (t ; ц) — координаты г-й точки в осях «ток-время», 0

На рис. 17 приведен пример [3] работы кусочно-линейного источника тока на резистивную нагрузку сопротивлением 1 Ом при последующих свойствах: N = 6, t 1 = 0, i 1 = 0, t 2 = 1, i 2 = 0, t3 = 1,2, i3 = 5, t4 = 1,4, i4 = 2, t 5 = 2, i 5 = 4, t6 = 3, i 6 = 1.

Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 Часть V
Рис. 17. Пример работы кусочно-линейного источника тока на резистивную нагрузку

В библиотеке source.lib имеются модификации источника IPWL, которые имеют такое же обозначение и представляют собой личные случаи источника IPWL, которые получаются при определенных значениях вектора параметров. Описание этих источников и их функционирование последующих пояснений не просит.

7) ISIN- источник синусоидального тока, применяемый только для анализа переходных процессов (Transient Analysis). Имеет три характеристики:

  • IOFF — неизменная составляющая тока;
  • IAMPL — амплитуда синусоиды;
  • FREQ — частота.

Не считая этого, источник ISIN имеет два укрытых характеристики PHASE и DF. Свойству PHASE нужно присвоить значение исходной фазы синусоиды источника. Свойству DF нужно присвоить значение коэффициента затухания. По дефлоту значения этих параметров равны нулю. Характеристики становятся доступными после щелчка правой кнопкой мыши по графическому изображению источника ISIN и выбора пункт Edit Properties.

8) ISFFM — источник синусоидального тока с частотной модуляцией, применяемый только для анализа переходных процессов (Transient Analysis). Имеет 5 параметров:

  • IOFF — неизменная составляющая тока;
  • IAMPL — амплитуда синусоиды;
  • FC — частота несущей;
  • MOD — индекс частотной модуляции;
  • FM — частота модуляции.

Изменение тока источника ISFFM осуществляется в согласовании с формулой:

I = IOFF+IAMPLxsin(2πxFCxTime+MODxsin(2πxFMxTime)),

где Time — текущее время.

9) ISRC — источник переменного тока для анализа шумов. Имеет три характеристики:

  • Aac — амплитуда синусоиды тока;
  • Adc — неизменная составляющая тока;
  • TRAN — значение исходного приближения при переходном процессе.

2-ая часть библиотеки source.lib стопроцентно подобна описанным выше источникам тока и отличается только тем, что в ней приведены источники напряжения. Все характеристики этих источников подобны свойствам источников тока и могут быть получены из приведенного описания подменой термина «ток» на термин «напряжение» (в обозначениях делается подмена буковкы I на V).

Следует, но, держать в голове, что одним из главных различий источника безупречного тока от источника безупречного напряжения будет то, что 1-ый имеет внутреннее сопротивление, равное бесконечности, а 2-ой — равное нулю. Потому допустимы только параллельное включение источников безупречного тока и только последовательное включение источников безупречного напряжения.