Схемотехническая Micro-Cap-модель полирезонансного ТПЧ в режиме второй гармоники

Введение

Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ), как и многие другие статические устройства силовой электроники, разрабатывались с середины прошлого столетия, когда они заменяли широко распространенные в технологиях индукционного нагрева металлов электромашинные генераторы частоты. С 50-х годов прошлого столетия ТПЧ, как и многие другие устройства силовой электроники, разрабатывались «вручную на бумаге» с применением классического, операторного и спектрального методов расчета электрических цепей. При этом получали совершенные в техническом отношении изделия, но время и людские ресурсы использовались неэффективно. Расчеты были трудоемкими и производились со значительными допущениями, основным из которых была линеаризация характеристик компонентов, составляющих схему устройства. В 60 г. широкое распространение получило аналоговое моделирование процессов в электрических схемах, но аналоговые ЭВМ были громоздки и не предназначались для персонального использования.

В настоящее время эти проблемы решаются с использованием пакетов прикладных программ (ППП) для моделирования и оптимизации расчетов — цифровых симуляторов PSpice, Design Lab, Micro-Cap, LabView, Circuit Maker, Electronics Workbench, Multisim, Microwawe Office и др. В инженерной и научной практике используются также Microsim DesignLab, OrCad, Proteus, P-cad, LTspice/SwitcherCAD и многие другие специализированные пакеты. Графические интерфейсы современных ППП, используемых в инженерной практике, разработаны на основе многооконного Windows-интерфейса. Поэтому, освоив один из пакетов, пользователь может легко перейти к использованию других.

Пакеты программ схемотехнического проектирования и моделирования семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) фирмы Spectrum Software (США) относятся к весьма распространенным средствам автоматизированного проектирования силовых электронных устройств, где не требуется «разводка» проектируемых плат.

Далее кратко рассмотрим Micro-Cap — программу моделирования и анализа электронных схем, совместимую с ППП, использующими Spice-модели (HSpice, LTSpice и др.).

Первый симулятор и встроенный редактор электрических цепей для персональных компьютеров Macintosh был разработан в 1980 г. На его основе для Apple в 1982 г. был создан первый пакет Micro-Cap, а в 1984–87 г. Spectrum разработала 1–4 версии пакета Micro-Cap II для Macintosh и IBM.

Micro-Cap III была выпущена в 1988 г, она основана на Spice-описаниях моделей различных уровней для полупроводников, нелинейных магнитных сердечников, операционных усилителей. В 1992 г. Spectrum разработала пакет Micro-Cap IV. В нем улучшен редактор принципиальных схем и симулятор для анализа непосредственно Spice-файлов.

Первая версия Micro-Cap V для Windows была выпущена в 1995 г., пользовательский интерфейс в ней был похож на Micro-Cap IV, но обновился, чтобы соответствовать стандартному для Windows. В 1997 г. была разработана вторая версия Micro-Cap 5.2.0.

Анализ электромагнитных процессов в силовых устройствах сегодня эффективен с применением PSpice-технологии, которая реализована с 1999 г. в Micro-Cap 6, с 2001 г. в Micro-Cap 7 и с 2004 г. в Micro-Cap 8, куда были добавлены новые инструменты моделирования.

В 2007 г. был разработан Micro-Cap 9. Расширены основные и появились дополнительные возможности программы, в частности добавлены интегрированная модель IGBT и MOSFET-модели, а также RLC-модели с паразитными параметрами.

В 2010 г. разработан Spice-симулятор Micro-Cap 10.0.1. Для пользователей предыдущих версий или новых пользователей в Интернете сегодня доступна последняя редакция десятого поколения Micro-Cap 10.0.9.2 [1]. По возможностям схемотехнического моделирования Micro-Cap 10 сегодня приближается к профессиональным ППП, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.

За тридцать лет развития пакет Micro-Cap стал удобнее для индивидуальных пользователей и в настоящее время для установки требует Pentium II или более поздней версии компьютера и жесткий диск со 100 Мбайт свободного пространства, SVGA-монитор. Начиная с Micro-Cap 10.0.1 пакет совместим с ОС Windows XP/Vista/7.

Таким образом, в настоящее время Micro-Cap представляет собой универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач при моделировании и исследовании устройств электроники средней степени сложности. Стоимость Micro-Cap составляет несколько тысяч долларов, однако на сайте Spectrum Software можно скачать свободно распространяемую демо-версию (Evaluation Version), которая обладает многими возможностями профессиональной версии. Особенность пакета Micro-Cap — наличие удобного интерфейса, что делает его особенно привлекательным для специалистов, которым доступна оригинальная, учебная и справочная литература [2–4].

Схемотехническая модель ТПЧ

Пользователь Micro-Cap составляет расчетную схемотехническую модель электрической схемы устройства в графическом редакторе (Circuit editor) и задает параметры всех элементов и моделей. Затем следует этап проверки модели на работоспособность и ее исследование. На странице графического редактора расчетная схемотехническая модель (файл типа Schematic, *.cir) имеет вид принципиальной электрической схемы устройства с общепринятыми условными графическими обозначениями компонентов.

На рис. 1 приведена схемотехническая модель полирезонансного ТПЧ, в которую входят трехфазная сеть промышленной частоты, выпрямитель, дроссель, автономный инвертор и резонансная нагрузка.

Рис. 1. Схемотехническая модель полирезонансного ТПЧ с автономным инвертором и резонансной нагрузкой

«Расшифровка» изображений компонентов схемы ТПЧ имеет свои особенности, обусловленные применением их в силовой электротехнике. Так, тривиальные проводники — это медные шины с пондеромоторным (силовым) воздействием между собой, элементами конструкции и т. д. Силовые катушки индуктивности и электротермические конденсаторы — громоздкие устройства, требующие специального охлаждения, они имеют естественные ограничения по частоте и др. Тиристоры и диоды — полупроводники значительной стоимости, со встроенными элементами контроля от перегрева и т. д. Почти все компоненты силовых схем ТПЧ производятся в специальном исполнении, учитывающем специфику их применения в мощных и высокочастотных устройствах.

На схемотехнической модели ТПЧ представлена трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты, которая изображается тремя синусоидальными источниками напряжения с различной начальной фазой и нулевым внутренним сопротивлением.

Spice-модели источников напряжения следующие:

*** 0 Phase Leg
.MODEL 3PHASEA SIN (F=50 А=310 RS=0),
*** 120 Phase Leg
.MODEL 3PHASEB SIN (F=50 А=310 PH=2.0944 RS=0),
*** 240 Phase Leg
.MODEL 3PHASEC SIN (F=50 А=310 PH=4.1888 RS=0).

Падение напряжения на подводящих проводах учитывается внешними сопротивлениями R1–R3. Экспертная оценка индуктивностей и сопротивлений подводящих кабелей от сети к выпрямителю необходима для учета особенностей коммутации вентилей выпрямителя и эффекта уменьшения выпрямленного напряжения, что всегда имеет место при подключении мощных нагрузок к источнику питания ограниченной мощности.

Мостовая схема трехфазного выпрямителя выполнена с использованием неуправляемых диодов со Spice-параметрами:

.MODEL $GENERIC D (IS=8N N=2 ВV=1000 RS=4M TT=1000P CJO=2.5P VJ=5M M=100M RL=5G).

На выходе неуправляемого выпрямителя при указанных параметрах использованных моделей получаем среднюю величину выпрямленного напряжения, равную 520 В.

Как для многих преобразовательных устройств, схемотехническая модель полирезонансного ТПЧ имеет несложную принципиальную схему, но исследование ее электрических режимов выполняется не просто. Традиционно основным фактором, учитывающим особенности работы ТПЧ, является значительный диапазон изменения эквивалентной нагрузки. При пуске ТПЧ, загрузке индукционной печи металлом, фазовых превращениях при плавке металла либо выгрузке плавильной печи происходит изменение индуктивности катушки (индуктора) плавильной печи и активного сопротивления.

Общий вид индукционной плавильной печи показан на рис. 2. Индукционная плавильная печь, подключаемая к ТПЧ, — конструктивно самостоятельное изделие. Схемотехническая модель индуктора представляет собой катушку с изменяемой величиной индуктивности L и активным сопротивлением R. Эти параметры определяются резонансной частотой и затуханием колебательного контура нагрузки при стендовых испытаниях плавильного комплекса.

Рис. 2. Индукционная электропечь для плавки металлов (индуктор с эквивалентным сопротивлением загрузки печи)

При создании схемотехнической модели устройства силовой электроники, к которому относится полирезонансный преобразователь частоты для индукционного нагрева металлов, целесообразно указать цель ее разработки. Назначение ТПЧ — формирование высокочастотной последовательности импульсов тока, которые протекают через колебательный контур нагрузки, настроенный на частоту первой, второй или третьей гармоники. Задача исследований — создать схемотехническую модель для выявления спектрального состава гармоник для выходного тока ТПЧ и в колебательном контуре нагрузки, на основании которой обосновать выбор рабочей гармоники выходного тока.

Ниже рассматривается несимметричный инвертор, который работает в режиме инвертора тока и поэтому требует на входе дросселя постоянного тока. В отличие от традиционных мостовых или полумостовых схем автономных инверторов, нагрузка этого инвертора включается последовательно с коммутирующими элементами — конденсатором и катушкой индуктивности. Нагрузкой в электротермических устройствах для индукционного нагрева металлов служит резонансный контур, образованный индуктором и компенсирующим его низкий коэффициент мощности параллельным конденсатором.

Через нагрузку инвертора протекает полуволна тока тиристора, затем обратная полуволна тока диода, и затем, перед очередным включением тиристора, формируется интервал паузы. Изменением интервала паузы производится регулирование выходной мощности тиристорного преобразователя либо при первоначальной настройке выбор основной гармоники, на которой происходит отдача мощности в колебательную нагрузку. Для исключения влияния колебательной нагрузки на протекание электромагнитных процессов в автономном инверторе на первом этапе создания схемотехнической модели комплексную нагрузку можно заменить активным сопротивлением.

На рис. 3 показаны элементы схемотехнической модели ТПЧ, имитирующие функцию его системы управления. На панели Pulse Source установлены параметры Spice-модели высокочастотного импульсного источника напряжения специфичной формы MODEL IMPULSE, характерной для управления высокочастотными тиристорами SCR. Так как тиристор включается импульсами тока, последовательно с Pulse Source включены резисторы, ограничивающие величину тока управляющего электрода двух тиристоров, включенных последовательно. Кстати, распределение прикладываемых к тиристорам напряжений в статике и динамике на схемотехнической модели не может служить критерием выбора параметров демпфирующих RC-цепочек, как это имеет место на практике, поскольку для обоих тиристоров используется одна PSpice-модель SCR — кремниевого управляемого вентиля.

Рис. 3. Моделирование системы управления автономным инвертором

Параметры Spice-модели генератора управляющих импульсов:

.MODEL IMPULSE PUL (VONE=20 P1=0U P2=1U P3=10U P4=20U P5=800U)

Такое представление системы управления ТПЧ является оправданным и позволяет независимо регулировать период управляющих импульсов — основное управляющее воздействие на работу автономного инвертора. Параметры модели Impulse соответствуют требованиям к управляющим импульсам для тиристоров VS1 и VS2, например типа ТБ143-400-11-433. Паспортное значение времени восстановления равно 40 мкс. Тиристоры в схемотехнической модели представлены макросом из библиотеки программы Micro-Cap 10 — MC10DEMOlibrarySCR.MAC.

Частотный анализ схемотехнической модели ТПЧ

На рис. 4 показана панель задания параметров частотного анализа схемотехнической модели полирезонансного ТПЧ в режиме второй гармоники. Автономный последовательный инвертор, показанный на схеме рис. 1, является полирезонансным, так как он способен работать на нагрузку, настроенную на первую, вторую или третью гармонику выходного тока. Определение резонансной частоты нагрузочного контура производится в режиме частотного анализа схемотехнической модели автономного инвертора.

Рис. 4. Панель задания параметров частотного анализа схемотехнической модели полирезонансного ТПЧ в режиме второй гармоники

На рис. 5 представлена АЧХ индуктора, рассчитанная в режиме частотного анализа схемотехнической модели при пошаговом изменении параметров. Режим Stepping дискретно изменяет индуктивность L9 от 10 до 22 мкГн, при этом резонансная частота нагрузочного контура меняется от 2 до 3 кГц при номинальной рабочей (стандартной) частоте ТПЧ 2,4 кГц. Устанавливаем в схемотехнической модели период включения тиристоров 0,8 мс, что соответствует рабочей частоте низкочастотного тиристора 1,25 кГц [5, 6]. Автономный инвертор работает в колебательном режиме с естественной коммутацией, при которой ток и напряжение тиристоров имеют ограниченную скорость изменения.

Рис. 5. АЧХ индуктивности нагрузки схемотехнической модели ТПЧ

На рис. 6 выделен элемент схемотехнической модели — нелинейный дроссель небольшой величины, обеспечивающий временную задержку изменения тока при возрастании или убывании протекающего тока через нулевое значение. Основная функция этого дросселя и его особенности подробно рассмотрены в [6]. PSpice-параметры модели сердечника нелинейного дросселя показаны на правой панели. Индуктивность L6, связанная с этим сердечником (К1), задается числом его витков, что весьма удобно для проверки соответствия результатов моделирования схемотехнической модели экспериментам на автономном инверторе полной мощности.

Рис. 6. Модель нелинейного дросселя автономного инвертора

Укажем также на наличие в схемотехнической модели второго сердечника К2, охватывающего индуктивной связью PSpice-модели индуктивностей L4 и L5. Эти индуктивности представляют собой полуобмотки дросселя постоянного тока, необходимого, чтобы превратить источник питания инвертора в источник тока. Секционирование силовых катушек индуктивностей (самостоятельно изготавливаемых силовых компонентов конструкции ТПЧ) применяется для симметрирования выходного напряжения на нагрузке инвертора относительно «земли». Указанные особенности схемотехнической модели позволяют моделировать электромагнитные процессы, происходящие в реальном ТПЧ, с точностью подобия на осциллографе или измерительных приборах.

На рис. 7 показаны осциллограммы переходного процесса автономного инвертора. Кривые переходного режима рассчитаны для интервала 12 мс, но ничто не препятствует увеличению расчетного интервала до необходимой величины, например, при которой выполняются классические известные интегральные соотношения для токов и напряжений [6].

Рис. 7. Осциллограммы переходного процесса автономного инвертора

Скорости нарастания тока и напряжения небольшие и соответствуют быстродействующим тиристорам. В этом автономном инверторе использованы высокочастотные диоды типа ДЧ151-100Х-12-2. Последняя цифра показывает, что время восстановления диода не более 5,0 мкс. В схемотехнической модели параллельно тиристорам включены демпфирующие цепочки, служащие для распределения постоянных напряжений в интервале паузы и уменьшения динамических перенапряжений, вызванных неидентичностью характеристик отдельных диодов и тиристоров. Интервал паузы, определяющий длительность напряжения на тиристоре и диоде, обратно пропорционален величине максимального напряжения на этих элементах.

На рис. 7 показана форма напряжения на индукторе колебательного контура нагрузки автономного инвертора, работающего в режиме отдачи мощности на второй гармонике выходного тока. Такая кривая характерна для резонансных контуров с высокой добротностью, обусловленной незначительной величиной вносимого сопротивления. Этот случай типичен для применения инвертора в установках индукционного нагрева металлов [5].

Результаты исследований электромагнитных процессов в автономном инверторе демонстрируют изменение (с момента пуска до установившегося значения) кривой выходного тока инвертора. Графики показывают, что режим работы инвертора на второй гармонике выходного тока позволяет обеспечить мощность в нагрузке 120 кВт на частоте 2,5 кГц. При этом тиристоры инвертора включаются с частотой 1,25 кГц. Выходная мощность 120 кВт обеспечивает подключение стандартной индукционной плавильной электропечи, показанной на рис. 2.

Разложим кривую тока тиристора на гармоники по Фурье [4, 5]. Для этого выделим один период изменения тока тиристора.

На рис. 8 показан интересующий нас гармонический состав выходного тока несимметричного автономного инвертора. Частота первой гармоники определяет время восстановления управляющих свойств тиристора. Уменьшение интервала паузы приводит к увеличению напряжения на тиристоре, но увеличивает и амплитуду второй гармоники. Совокупное и противоречивое воздействие рассмотренных факторов на характер изменения электромагнитных процессов в автономном инверторе находит отражение в расчетных графиках, полученных исследованием приведенной схемотехнической модели при подключении колебательного контура нагрузки к несимметричному автономному инвертору. Постоянная составляющая в этом токе равна нулю, а амплитуды первой и второй гармоники определяются, в основном, интервалом паузы.

Рис. 8. Гармонический состав выходного тока инвертора

Настройка колебательного контура нагрузки полирезонансного автономного инвертора на вторую гармонику выходного тока повышает выходную частоту преобразователя при сохранении пониженных динамических воздействий на тиристоры (di/dt и du/dt), соответствующих первой гармонике.

Проверка изложенных результатов была произведена на электротермической установке. Она показала, что разработанная схемотехническая модель полирезонансного автономного инвертора позволяет достоверно исследовать гармонический состав выходного тока ТПЧ и определить целесообразность выбора его основной рабочей гармоники. Представленная схемотехническая модель ТПЧ неоднократно проверена на большом числе электротермических плавильных установок различной частоты и правильно отражает изменение гармонического состава резонансного контура нагрузки.