Силовая электроника №2'2011

Макромоделирование устройств на мощных MOSFET в SimPowerSystems

Дьяконов Владимир


Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) в настоящее время основные из силовых приборов. По энергетическим параметрам они незначительно уступают тиристорам и IGBT, но заметно превосходят их по динамическим характеристикам. Области применения MOSFET простираются от маломощных инверторов для сотовых телефонов и мобильных компьютеров до мощных промышленных энергетических устройств и систем. В статье описаны средства макромоделирования силовых устройств на мощных MOSFET с помощью новейших реализаций матричной лаборатории MATLAB R2010a,b с обновленными пакетами расширения Simulink и SimPowerSystem. Автор благодарит корпорацию MathWorks за предоставленные программные продукты и лицензию на них.

Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) в настоящее время основные из силовых приборов [17]. По энергетическим параметрам они незначительно уступают тиристорам и IGBT, но заметно превосходят их по динамическим характеристикам. Области применения MOSFET простираются от маломощных инверторов для сотовых телефонов и мобильных компьютеров до мощных промышленных энергетических устройств и систем. В статье описаны средства макромоделирования силовых устройств на мощных MOSFET с помощью новейших реализаций матричной лаборатории MATLAB R2010a,b с обновленными пакетами расширения Simulink и SimPowerSystem [89]. Автор благодарит корпорацию MathWorks за предоставленные программные продукты и лицензию на них.

Интерфейс пользователя системы MATLAB

В последнее время наболее перспективной среди систем математического моделирования силовых устройств считается матричная система MATLAB с пакетом визуально-ориентированного блочного имитационного моделирования различных систем и устройств Simulink. Интерфейс пользователя этих инструментов прост и интуитивно понятен (рис. 1), детально он описан в [810]. Читателю рекомендуется также ознакомиться с материалами, опубликованными в цикле статей «Школа MATLAB» журнала «Силовая электроника», относящимися к более ранним версиям системы.

 Интерфейс MATLAB+Simulink R2010a

Рис. 1. Интерфейс MATLAB+Simulink R2010a

Пакет расширения SimPowerSystems для макромоделирования мощных систем

В новейшие реализации системы, например 2010 г. выпуска, вошли существенно обновленные и дополненные пакеты расширения SimPowerSystems V5.2.1 и SimElectronics V.1.4, библиотеки блоков силовых устройств различного назначения, в том числе мощных MOSFET и модулей на их основе, ориентированные на физико-математическое моделирование, в том числе с применением SPICE-моделей активных и пассивных устройств. Однако моделирование сложных силовых устройств даже на персональных компьютерах с многоядерными процессорами, поддерживаемых системой MATLAB, требует значительных затрат времени как на само моделирование, так и на определение множества параметров моделей, которые часто пользователям просто не известны.

Во многих случаях этих проблем можно избежать, применяя макромоделирование, при проведении которого используются упрощенные модели компонентов силовых устройств, например, идеальные ключи вместо полных физико-математических и топологических моделей, упрощенные выражения для вольт-амперных характеристик (ВАХ) и т. д. Число параметров, характеризующих модели, при этом уменьшается в несколько раз, и сами они имеют вполне внятный смысл.

С первого взгляда может показаться, что это неизбежно ведет к снижению точности моделирования. На самом деле это не так! Во-первых, свойства большинства современных полевых силовых приборов, в частности, мощных MOSFET, на практике уже приближаются к свойствам почти идеальных ключей. Они имеют малое и практически линейное сопротивление во включенном состоянии (доли единиц Ом), а в выключенном состоянии оно близко к бесконечности. Входное омическое сопротивление MОSFET очень велико. Во-вторых, время включения и даже выключения их намного меньше времен переключения ключевых схем в реальных силовых устройствах, что позволяет считать его пренебрежимо малым. Учитывающая это упрощенная модель MOSFET принята в пакете расширения SimPowerSystems, включенном в новые реализации системы MATLAB и Simulink. В-третьих, многочисленные физико-топологические параметры MOSFET точно неизвестны, а применение усредненных справочных [6] параметров приводит к не меньшим погрешностям моделирования, чем при упрощении моделей ключевых приборов.

Таким образом, применение упрощенных моделей силовых приборов в SimPowerSystems вполне оправданно и эффективно для большого числа примеров макромоделирования силовых устройств и систем с построением их моделей на основе идеальных ключей, диодов, биполярных транзисторов, тиристоров (обычных и полностью управляемых) и IGBT. Далее это будет проиллюстрировано примерами с применением мощных MOSFET.

Макромодель мощного полевого транзистора

В окне браузера библиотек слева видно дерево библиотек с перечислением имен пакетов расширения и их разделов, а справа — окно с графическим обозначением блоков того раздела библиотеки, который выбран. В нашем случае представлены блоки силовой электроники SimPowerSystems, среди которых виден и блок MOSFET макромодели мощного полевого транзистора с изолированным затвором. Эта же макромодель MOSFET используется в многоэлементных мостах (bridges).

Для детального знакомства с тем или иным блоком можно вызвать (например из контекстного меню, открывающегося по щелчку правой кнопкой мыши) окно справки. Для макромодели мощного полевого транзистора оно показано на рис. 2. В окне приведены обозначение макромодели (в виде MOSFET с шунтирующим диодом) и идеализированная модель прибора.

 Окно справки пакета расширения SimPowerSystems

Рис. 2. Окно справки пакета расширения SimPowerSystems с данными макромодели мощного полевого транзистора

Включенный прибор представлен идеальным ключом с сопротивлением Ron во включенном состоянии. Напряжение на стоке может быть любой полярности. MOSFET включен, если напряжение на затворе положительно относительно истока, а при нулевом напряжении на затворе транзистор выключен. Таким образом, блок управляется логическим сигналом. Диод представлен идеальным диодом, последовательно с которым включено сопротивление диода Rd и индуктивность Lon. Блок имеет измерительный вывод, создающий векторы напряжения сток-исток и тока стока MOSFET.

Здесь уместно отметить, что модель мощного MOSFET в последних реализациях пакета расширения SimPowerSystems изменилась по сравнению с ранними версиями [820]. Прежде индуктивность включалась последовательно с сопротивлением Ron и входила в цепь стока. Теперь же она включена последовательно с диодом (рис. 2). Если нужно учитывать индуктивность в цепи стока полевого транзистора, ее можно задать как внешний блок.

Диаграмма модели устройства создается переносом мышью в соответствующее окно нужных блоков и их соединением (также с помощью мыши). Подробно процесс создания моделей описан в книгах по пакету расширения Simulink, например [810].

Для задания параметров блоков моделей служат специальные окна. Они вызываются двойным щелчком левой кнопки мыши по ним. На рис. 3 представлено окно параметров блока MOSFET. Обратите внимание на то, что кроме уже указанных параметров задаются параметры внешней снабберной RC-цепи, подключаемой между стоком (drain) и истоком (source) MOSFET. При назначении бесконечной емкости эта цепь позволяет задавать сопротивление цепи сток-исток выключенного полевого транзистора. Но чаще цепь используется для ослабления колебаний напряжения на стоке при переключении полевого транзистора.

 Окно параметров блока MOSFET

Рис. 3. Окно параметров блока MOSFET

В приведенных ниже примерах показанные в окне на рис. 3 параметры MOSFET приняты как исходные. Обратите внимание, что они отличаются от параметров, принятых по умолчанию в примерах справки по пакету расширения SimPowerSystems.

Макромодель ключа на MOSFET

На рис. 4 показана достаточно простая макромодель ключа на MOSFET с индуктивно-емкостной нагрузкой и источником тока на выходе. Такая макромодель описывается хорошо известным решением дифференциального уравнения второго порядка. Для построения фазового портрета, наглядно описывающего это решение в прямоугольной системе координат, строится зависимость напряжения на конденсаторе от тока стока MOSFET.

 Диаграмма макромодели MOSFET-инвертора

Рис. 4. Диаграмма макромодели MOSFET-инвертора и график фазового портрета его работы

Осциллограммы работы макромодели MOSFET-инвертора представлены на рис. 5. Несмотря на простоту макромодели, они имеют довольно сложный вид. График фазового портрета позволяет сделать вывод, что при включении инвертора развивается колебательный процесс, который действует на время, равное длительности импульса импульсного генератора (его установки показаны на золотистой вкладке возле правого нижнего угла блока генератора).

 Осциллограммы работы макромодели MOSFET-инвертора

Рис. 5. Осциллограммы работы макромодели MOSFET-инвертора

Макромодель ключевого преобразователя DC/DC

Диаграмма простейшего преобразователя типа DC/DC (рис. 6) обеспечивает преобразование напряжения постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока другого (меньшего) [9]. В данном случае напряжение Vdc = 100 В преобразуется в удвоенное напряжение 200 В на нагрузке 50 Ом. Осциллограммы виртуального осциллографа, иллюстрирующие работу этой схемы, показаны на рис. 6. Выходное напряжение такого преобразователя Vload = Vdc/(1–m), где m — коэффициент заполнения импульсов управления ключом. В нашем случае m = 0,5 и Vload = 2Vdc. Это подтверждает средняя осциллограмма на рис. 6. Высокочастотные пульсации, связанные с работой ШИМ, хорошо заметны в начале переходного процесса роста выходного напряжения на нагрузке Vload и хорошо сглаживаются в установившемся режиме работы индуктивностью.

 Диаграмма модели преобразователя постоянного напряжения в повышенное

Рис. 6. Диаграмма модели преобразователя постоянного напряжения в повышенное и осциллограммы его работы

Интересно отметить, что вид осциллограмм преобразователя на MOSFET (рис. 6) ничем не отличается от вида осциллограмм преобразователя на IGBT, описанного в [7] и в разделе Demos справки по пакету расширения SimPowerSystems. Это говорит о том, что порою одни и те же характеристики силовых устройств могут быть получены путем их реализации на разных ключевых приборах.

Одновременное макромоделирование трех MOSFET-конвертеров

Применение макромоделей позволяет моделировать одновременно несколько устройств на одной диаграмме Simulink. Пример этого показан на рис. 7. Здесь во всех моделируемых схемах используется универсальный модуль (блок Universal bridge), в котором задан выбор MOSFET с шунтирующим диодом. Параметры MOSFET соответствуют представленным на рис. 3. Выбор MOSFET с диодом задан параметром Power Electronic Device. Тут можно выбрать и другой прибор, например для сравнения различных вариантов моделируемых схем.

 Три макромодели конвертеров

Рис. 7. Три макромодели конвертеров на одном MOSFET, работающие в ключевом режиме

Макромодель, приведенная на рис. 7 сверху, представляет простейший конвертер типа DC/DC. Ключ на MOSFET управляется от ШИМ с коэффициентом заполнения m = 0,8. Преобразователь создает ток заряда около 160 А для 200-В аккумулятора. Результаты моделирования представлены на рис. 8. Двухимпульсный генератор создает двухуровневую модуляцию.

 Осциллограммы работы простейшего конвертера DC/DC

Рис. 8. Осциллограммы работы простейшего конвертера DC/DC

Средняя диаграмма на рис. 7 демонстрирует модель двухтактного преобразователя типа DC/AC (напряжения постоянного тока в однофазное напряжение переменного) на основе полумоста, выполненного на MOSFET. Питание преобразователь получает от двух источников — один с положительной, а другой отрицательной полярностью. Благодаря ШИМ напряжение каждого из них преобразуется в полуволну почти синусоидального выходного сигнала. Высокочастотные пульсации последнего хорошо заметны (см. осциллограммы работы преобразователя, представленные на рис. 9).

 Осциллограммы работы конвертера DC/AC на основе полумоста

Рис. 9. Осциллограммы работы конвертера DC/AC на основе полумоста

Значительно улучшить форму выходного переменного напряжения позволяет конвертер DC/AC на основе полного моста. Он запускается четырехимпульсным генератором. Диаграмма его модели показана на рис. 7 внизу. Такой конвертер питается от одного источника постоянного напряжения. Осциллограммы работы конвертера показаны на рис. 10. Они демонстрируют значительное снижение уровня высокочастотных пульсаций.

 Осциллограммы работы конвертера DC/AC на основе полного моста

Рис. 10. Осциллограммы работы конвертера DC/AC на основе полного моста

Спектральный анализ сигналов преобразователей на MOSFET

Судить о качестве выходного напряжения данных устройств можно, исследуя спектр их выходных напряжений или токов. Для этого в SimPowerSystems имеется специальный инструмент, анализирующий диаграмму модели, — Power GUI. Его блок рекомендуется вставлять в каждую созданную диаграмму, даже если возможности инструмента не предполагается использовать.

Блок построен на основе графического инструмента пользователя Graphics User Instruments (GUI), и его окно (рис. 11) можно вызвать, активизировав блок Power GUI. Он может называться Continue, если решатель дифференциальных уравнений работает с переменным шагом решения, или Discrete, если шаг решения постоянный.

 Окно Power GUI

Рис. 11. Окно Power GUI

Инструмент Power GUI позволяет на основе данных (массивов), расположенных в рабочем пространстве MATLAB, вычислять параметры стационарного режима моделируемых схем, задавать параметры инициализации, оценивать импеданс цепи и т. д. Здесь нас интересует только применение инструмента для проведения спектрального анализа методом быстрого преобразования Фурье (БПФ или Fourier Transform) — кнопка FFT Analysis.

По щелчку мышью на кнопке FFT Analysis открывается окно спектрального анализа (рис. 12). В этом окне можно выбрать анализируемую кривую напряжения или тока (в области Available signals), параметры окна спектрального анализа (область FFT Windows) и установки спектрального анализа (область FFT Setting). Для окна спектрального анализа задаются начальное время, число циклов анализа и основная частота. В области установок спектрального анализа задается тип отображения его результатов, единица измерения по частотной оси и максимальная частота. Вид окна спектрального анализа на рис. 12 приведен для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полного моста. Красным цветом выделен участок кривой, который подвергается БПФ и размещается в его окне.

 Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полумоста

Рис. 12. Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полумоста

Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полного моста показано на рис. 13. Сравнение его с рис. 12 показывает, что частота высокочастотных составляющих спектра возросла вдвое, а сам уровень их значительно снизился. В результате коэффициент общих гармонических искажений упал до 2,11%, что говорит о существенном повышении чистоты кривой выходного тока.

 Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC

Рис. 13. Окно спектрального анализа для тока нагрузки конвертера DC/AC на основе полного моста

Макромоделирование преобразователей постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение

В ряде областей применения электроэнергетики, например в промышленности, широкое распространение получили устройства и системы трехфазного переменного тока. Их использование значительно улучшает характеристики таких систем. В связи с этим часто возникает необходимость в конвертерах постоянного напряжения, например от аккумуляторных батарей, в трехфазное переменное напряжение или ток. Такие конвертеры широко применяются в промышленности и на транспортных средствах, например в электрооборудовании судов и электротранспорта.

Синусоидальная форма выходного напряжения или тока у таких конвертеров обеспечивается за счет соответствующих законов широтно-импульсного управления силовыми ключами. Они обеспечиваются блоком многоимпульсного генератора. В качестве силовых ключей, наряду с тиристорами, мощными биполярными транзисторами и IGBT, весьма перспективны мощные полевые транзисторы. Их высокая скорость переключения не только уменьшает один из главных видов потерь — динамические потери, но и позволяет повысить частоту коммутации и значительно уменьшить габариты реактивных компонентов конвертеров, инверторов и преобразователей.

Это нетрудно пояснить на примере двух диаграмм моделей преобразователей постоянного напряжения в трехфазное (рис. 14). На верхней диаграмме модель соответствует преобразователю на одном мосте, содержащем три MOSFET (или три группы MOSFET), а на нижней модель использует два источника входного напряжения разной полярности и два моста на MOSFET. Для улучшения формы выходного напряжения используется двухуровневая широтно-импульсная модуляция с помощью шестиимпульсного ШИМ в верхней схеме и, соответственно, 12-импульсного в нижней. Их блоки генераторов входят в пакет расширения SimPowerSystems.

 Две диаграммы моделей преобразователя напряжения постоянного тока

Рис. 14. Две диаграммы моделей преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с одним мостом

Преобразователь формирует каждую полуволну выходного переменного напряжения из половины входного постоянного напряжения. Осциллограммы диаграммы модели преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного с одним мостом на MOSFET показаны на рис. 15. Нетрудно заметить, что осциллограмма выходного напряжения напоминает синусоиду со значительными высокочастотными импульсными помехами, связанными с ключевым методом управления полевыми транзисторами в силовом мосте.

 Осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока с одним мостом

Рис. 15. Осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с одним мостом

На рис. 16 показаны осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с двумя мостами. В данном случае каждая полуволна выходного напряжения получается преобразованием напряжения от отдельного входного источника постоянного напряжения. При этом частота преобразования удваивается, и выходное напряжение имеет форму, очень близкую к синусоидальной. Высокочастотные пульсации в этом случае едва заметны.

 Осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока с двумя мостами

Рис. 16. Осциллограммы работы преобразователя напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока с двумя мостами

На рис. 17 представлено окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение с одним мостом. Уровень высших гармоник вполне умеренный, коэффициент гармоник достигает 4,02%.

 Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения с одним мостом

Рис. 17. Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение с одним мостом

Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки двухмостового преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение показано на рис. 18. Высших гармоник, по сравнению с примером на рис. 17, стало заметно меньше. Коэффициент гармоник, в сравнении с первой схемой рис. 14, упал с 4 до 2 %.

 Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения с двумя мостами

Рис. 18. Окно спектрального анализа для напряжения нагрузки преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение с двумя мостами

Модель clamp-инвертора постоянного напряжения в трехфазное напряжение с нейтралью и мертвой зоной показана на рис. 19. Модель содержит, по существу, две схемы инверторов, вырабатывающих два выходных трехфазных напряжения. Оба инвертора управляются от одного дискретного ШИМ трехфазного генератора (нижний прямо, а верхний — через устройство задержи).

 Диаграмма модели преобразователя с нейтральной точкой и «мертвым» временем

Рис. 19. Диаграмма модели преобразователя с нейтральной точкой и «мертвым» временем

Контроль за работой модели этого инвертора обеспечивается двумя виртуальными осциллографами. Их осциллограммы представлены на рис. 20 и 21. Можно отметить довольно сложный характер наблюдаемых процессов. Вид кривых выходного напряжения (осциллограммы на рис. 21 внизу) очень близок к синусоидальным зависимостям.

 Осциллограммы виртуального осциллографа Scope1 диаграммы с рис. 19

Рис. 20. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope1 диаграммы с рис. 19

 Осциллограммы виртуального осциллографа Scope2 диаграммы с рис. 19

Рис. 21. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope2 диаграммы с рис. 19

Макромоделирование мощного конвертера AC/DC/AC

Конвертеры класса AC/DC/AC обычно применяются для преобразования напряжения переменного тока одной частоты в напряжение переменного тока другой частоты. Обычно это необходимо при питании оборудования с одной частотой от сети с другой частотой (например, 60 и 50 Гц). Возможно также построение на их основе источников бесперебойного питания — в них AC/DC-конвертер используется для заряда мощной буферной аккумуляторной батареи, которая затем с помощью конвертера DC/AC обеспечивает получение на выходе напряжения переменного тока с заданными параметрами. Это возможно, даже если питающая источник сеть переменного тока временно отключается и преобразователь DC/AC получает питание от ранее заряженной аккумуляторной батареи.

На рис. 22 представлена диаграмма модели одного из таких конвертеров трехфазного напряжения с мощностью до 50 кВт и частотой 60 Гц в трехфазное напряжение почти той же мощности, но с частотой 50 Гц. Трехфазный выпрямитель напряжения сети с частотой 60 Гц и инвертор с ШИМ и частотой выходного трехфазного напряжения с частотой 50 Гц построены на мостах с MOSFET.

 Диаграмма модели мощного конвертера класса AC/DC/AC

Рис. 22. Диаграмма модели мощного конвертера класса AC/DC/AC

Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы с рис. 22 представлены на рис. 23. Осциллограммы хорошо иллюстрируют достаточно длительный (более одного периода выходного напряжения) переходный процесс выхода на стационарный режим работы. Он задан, в основном, переходным процессом в цепи LC-фильтра на выходе трехфазного выпрямителя Rectifier.

 Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы с рис. 22

Рис. 23. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы с рис. 22

Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки для преобразователя с рис. 22 показано на рис. 24.

 Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки для преобразователя с рис. 22

Рис. 24. Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки для преобразователя с рис. 22

Помимо спектрального анализа, окно инструмента Power GUI позволяет выполнить анализ стационарного режима работы моделируемой схемы. Для этого в окне Power GUI (рис. 11) надо активизировать кнопку Steady-State Voltages and Currents. Окно анализа стационарных напряжений и токов показано на рис. 25.

 Результаты расчета стационарного режима работы преобразователя с рис. 22

Рис. 25. Результаты расчета стационарного режима работы преобразователя с рис. 22

Макромоделирование управляемых трехфазных выпрямителей на MOSFET

Трехфазный выпрямитель (Rectifier) позволяет, даже без применения ключевого режима работы силовых устройств с ШИМ, получить бóльшую мощность и более чистый спектр выходного тока (напряжения). А применение в нем ключевых приборов упрощает регулировку выходной мощности и позволяет уменьшить массо-габаритные показатели фильтров на выходе выпрямителя.

Диаграмма модели типичного трехфазного управляемого выпрямителя с мощностью на выходе около 10 кВт показана на рис. 26. Выпрямитель построен на основе трехплечевого моста, в котором задано применение MOSFET. Он управляется синхронным с сетью шестиимпульсным генератором.

 Управляемый трехфазный выпрямитель на MOSFET

Рис. 26. Управляемый трехфазный выпрямитель на MOSFET

Осциллограммы работы управляемого выпрямителя показаны на рис. 27. Осциллограммы тока трудно назвать тривиальными: они сильно зависят от настройки параметров управляющего генератора, а также от сопротивления сток-исток включенных MOSFET. Однако переходный процесс нарастания выходного напряжения достаточно очевиден: он близок к экспоненциальному и содержит обусловленные ключевым режимом работы MOSFET высокочастотные пульсации (их уровень сильно зависит от номинала индуктивности, включенной на выходе выпрямителя перед нагрузкой).

 Осциллограммы работы управляемого трехфазного выпрямителя на MOSFET

Рис. 27. Осциллограммы работы управляемого трехфазного выпрямителя на MOSFET

В такой выпрямитель можно включить цепи стабилизации выходного напряжения путем изменения длительности импульсов управляющего генератора. Такая реализация диаграммы модели показана на рис. 28. Цепь стабилизации с применением PI-регулятора (с пропорциональным интегрированием) в цепи обратной связи на рис. 28 представлена в нижней части диаграммы.

 Преобразователь трехфазного напряжения для питания однофазного стабилизатора c PI-регулятором тока

Рис. 28. Преобразователь трехфазного напряжения для питания однофазного стабилизатора c PI-регулятором тока

Как видно из осциллограмм работы этого выпрямителя, форма его сигналов довольно сложна, и выходное напряжение (две фазы его показаны на рис. 29 вверху) имеет большие высокочастотные (с частотой управления MOSFET) колебания (выбросы). Ухудшение формы сигнала связано с потерей оптимальности длительности импульсов у генератора, запускающего ключи.

 Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы с рис. 26

Рис. 29. Осциллограммы виртуального осциллографа Scope диаграммы с рис. 26

Спектр выходного тока содержит довольно большое число высших гармоник. Окно спектрального анализа этого выпрямителя показано на рис. 30. Для уменьшения уровня высших гармоник можно использовать трехфазные LC-фильтры.

Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки

Рис. 30. Окно спектрального анализа одной фазы тока нагрузки для преобразователя с рис. 28

Макромоделирование электродвигателей с инверторами на MOSFET

Инверторы на MOSFET часто используются для питания электродвигателей различного типа, например синхронных и асинхронных электрических машин, и управления скоростью вращения. Пакет расширения SimPowerSystems особенно удобен для макромоделирования «мехатронных» систем [9], поскольку имеет обширные библиотеки блоков как мощной электроники, так и электромеханических систем.

Не вторгаясь глубоко в эту обширную тему, рассмотрим пару примеров применения инверторов на MOSFET для управления электродвигателями. На рис. 31 показана диаграмма модели синхронного двигателя с постоянным магнитом. Там же внизу представлены осциллограммы работы диаграммы, полученные четырьмя виртуальными осциллографами. Из них видно, как система реагирует на скачок Step, меняющий нагрузку магнита.

 Диаграмма модели синхронного двигателя с постоянным магнитом

Рис. 31. Диаграмма модели синхронного двигателя с постоянным магнитом

Подробные осциллограммы скорости вращения ротора двигателя и электромагнитного вращающего момента представлены на рис. 32. Нетрудно заметить, что эффективность стабилизации скорости вращения ротора достаточно высокая.

Осциллограммы работы диаграммы с рис. 31

Рис. 32. Осциллограммы работы диаграммы с рис. 31

На рис. 33 представлена диаграмма модели системы питания асинхронного электродвигателя. Такие двигатели имеют простую конструкцию и высокую надежность работы.

Диаграмма модели системы питания асинхронного электродвигателя

Рис. 33. Диаграмма модели системы питания асинхронного электродвигателя

Осциллограммы работы диаграммы, приведенной на рис. 33, показаны на рис. 34. Нетрудно заметить, что выход на стационарную скорость вращения ротора двигателя осуществляется плавно и без малейших колебаний.

Осциллограммы работы диаграммы с рис. 33

Рис. 34. Осциллограммы работы диаграммы с рис. 33

О скорости моделирования в MATLAB+Simulink

Приведенные выше примеры моделирования были апробированы на ПК двух классов: на одноядерном процессоре Intel Pentium 4 HT и четырехъядерном Intel Core 2 Quad. Разница составляла 5–6 раз — меньшее время и большую скорость моделирования, естественно, дал ПК с многоядерным процессором. Выяснить примерное быстродействие используемого ПК и сравнить его с быстродействием ПК типовых конфигураций позволяет команда bench, исполняемая в окне командного режима системы MATLAB. На рис. 35 показан результат выполнения этой команды для ПК с четырехъядерным 32-разрядным микропроцессором, 2 Гбайт ОЗУ и ОС Windows XP Professional. Она незначительно уступает ОС Linux по скорости работы ПК.

Oценка быстродействия ПК командой bench

Рис. 35. Оценка быстродействия ПК командой bench

Следует учитывать, что моделирование (и макромоделирование) в Simulink идет не в реальном времени, а в некотором условном масштабе, зависящем от быстродействия ПК и настроек решателя дифференциальных уравнений. Для описанных задач время макромоделирования составляло единицы секунд для ПК с четырехъядерным процессором и не более десятков секунд для ПК с одноядерным.

Заключение

Мы приведели множество примеров макромоделирования преобразователей (инверторов и конвертеров) на мощных транзисторах МДП (MOSFET) с управлением от ШИМ, обеспечивающих высокий КПД и высокие энергетические показатели устройств. Возможны простые эксперименты с макромоделями, выявляющие многие тонкости их работы задолго до реализации «в железе» без опасности выхода силовых устройств из строя. Огромную ценность представляет возможность сравнения различных вариантов моделируемых устройств, выполненных на обычных диодах, обычных и полностью управляемых тиристорах, биполярных транзисторах и IGBT. Для этого достаточно выбрать нужный тип прибора в окне параметров мостов и инверторов, а иногда сменить блок модели прибора в диаграмме. Все это делается гораздо проще и быстрее, чем при натурных исследованиях. И, разумеется, надо помнить, что макромоделирование — это лишь один из этапов проектирования силовых устройств.

Литература

  1. Бачурин В. В., Дьяконов В. П., Новожилов А. М. Мощные полевые транзисторы во вторичных источниках питания // Электронная промышленность. 1982. № 1.
  2. Дьяконов В. П. Силовые полевые транзисторы в энергетических устройствах // Электричество. 1984. № 4.
  3. Окснер Э. Мощные полевые транзисторы и их применение / Пер. с англ. М.: Радио и связь. 1985.
  4. Бачурин В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. Справочник. М.: Радио и связь. 1994.
  5. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН-Р. 2002.
  6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. Под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь. 1989.
  7. Дьяконов В. П. Побисторы или IGBT и имитационное моделирование устройств на них // Силовая электроника. 2010. № 5.
  8. Дьяконов В. П., Пеньков А. А. MATLAB и SIMULINK в электроэнергетике. Справочник. М.: Горячая линия – Телеком. 2009.
  9. Дьяконов В. П. Simulink 5/6/7. Самоучитель. М.: ДМК-Пресс. 2008.
  10. Герман-Галкин С. Г. MATLAB & SIMULINK. Проектирование мехатронных систем на ПК. Учебное пособие для вузов. СПб. Корона-Век. 2008.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_2_79.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо