Моделирование сетевого инвертора

Вопросы моделирования сетевого инвертора достаточно подробно рассмотрены в [9]. Схема модели сетевого инвертора показана на рис. 5.53. Основным элементом является транзисторный импульсный преобразователь АИН — автономный инвертор напряжения Universal Bridge. Как отмечалось выше, он должен стабилизировать напряжение Ш на конденсаторе С, управляя током преобразователя. Для этого необходимо спроектировать контур тока. Ток задаётся в векторной форме в виде пространственного вектора — по оси х ток /ц = 0, исключая потребление преобразователем реактивной энергии и обеспечивая работу в выпрямительном и инверторном режимах с коэффициентом мощности, равном единичному значению.

Рис. 5.53. Схема модели сетевого инвертора (активного выпрямителя и инвертора) (Fig5₅₃)

По оси у действует выходной сигнал регулятора напряжения Ш, знак которого определяет направление движения активной энергии: положительное — выпрямительный режим (энергия потребляется из сети в нагрузку), отрицательное — инверторный (энергия от нагрузки передаётся в сеть). Величина выходного напряжения регулятора напряжения Ud задаёт величину тока сетевого инвертора. Задание формируется в синхронной системе координат. Синхронное движение пространственного вектора сетевого источника Three Phase Source и координатной системы х, у обеспечивается интегратором Integrator, на входе которого действует константа, равная частоте сетевого напряжения. Согласование положений вращающейся координатной системы х, у с пространственным вектором сетевого источника осуществляется установкой начального выходного напряжения интегратора, равного т (3,14). Далее осуществляется преобразование заданного пространственного вектора тока в двухфазную неподвижную систему координат (/_л^. heia) ^{и в} неподвижную трёхфазную (см. пункт 1.2.1). На выходе мультиплексора Мих действует задание на ток в обычной трёхфазной системе, которое подаётся на релейный регулятор, который непрерывно ведёт сравнение заданного значения тока с текущим и вырабатывает сигналы управления g сетевым инвертором, обеспечивая непрерывную, практически безинерциоииую, отработку заданного тока. Структура релейного регулятора показана на рис. 5.54.

Рис. 5.54. Структура репейного регулятора

Заданное значение тока сравнивается с текущим. Если положительная ошибка достигает установленного предела, то вырабатывается релейным элементом команда на отключение. Если отрицательная ошибка сравнения достигает установленного уровня релейный элемент подаёт команду на включение. Это зафиксировано в настройках релейных элементов. Настройка одного из них показана на рис. 5.55.

Сигналы сравнения в виде нулей и единиц, а также их инверсии, объединяются мультиплексором в общую шину и подаются на управление g. Первый сигнал управляет верхним транзистором первого плеча (фаза А), второй сигнал управляет нижним транзистором первого плеча и так далее. Единица включает силовой ключ (транзистор), ноль выключает.

Рис. 5.55. Релейный элемент Рис. 5.56. ПИД-регулятор

Ширина петли гистерезиса релейного элемента h установлена 0,2 А.

Внешний контур (контур управления Ud) выполнен на основе ПИДрегулятора. Параметры настройки регулятора показаны на рис. 5.56.

Выполним моделирование работы сетевого инвертора при отработки возмущения нагрузки в виде линейно нарастающего значения ЭДС Е от минус 200 В до плюс 1800 В за 0,1 с. Результаты моделирования представлены на рис. 5.57 в виде трёх диаграмм. На первой диаграмме показан процесс отработки и стабилизации напряжения на конденсаторе Ud. На второй представлен процесс отработки возмущения по переменному току. До момента времени 0,04 с, сетевой инвертор работал в режиме активного выпрямителя и обеспечивал напряжение на конденсаторе напряжение, близкое к 600 В. В момент времени 0,04 с Ud = 608,9 В. Начиная с этого момента времени сетевой инвертор перешёл на работу в режим инвертора и стал отдавать энергию от привода в сеть.

За время роста ЭДС Е 0,1 с наибольшее значение напряжения на конденсаторе составило 625 В. При этом напряжение превысило заданное на 25 В на величину динамической ошибки, так как за время действия неизменного значения ЭДС Е = 1800 В напряжение на конденсаторе установилось 600 В за время 0,1 с. Увеличение времени упреждения приводит к значительному повышению пульсаций переменного тока, потребляемого сетевым инвертором. На третьей диаграмме показан ток, протекающий по цепи нагрузки от плюс ВО до минус 120 А. Диаграммы, представленные на рис. 5.58, подтверждают указанные режимы работы сетевого инвертора. До момента времени 0,04 с фаза тока совпадала с фазой напряжения, показанных для фазы А. Этот факт свидетельствует о работе инвертора в режиме выпрямителя с коэффициентом мощности, равном единице. После указанного времени сетевой инвертор переходит в режим инвертирования энергии из нагрузки в сеть при коэффициенте мощности, равном единице.

Рис. 5.57.

Рассмотрим случай скачкообразного воздействия ЭДС Е на нагрузку. На рис. 5.59 представлено диалоговое окно блока, с помощью которого в момент времени 0,1 с задаётся скачок ЭДС Е от 0 до 1200 В.

Результаты моделирования реакции сетевого инвертора на данный вид возмущения представлены на рис. 5.60. На первой диаграмме показан процесс изменения напряжения Ud. Процесс отработки заданного напряжения 600 В характеризуется достаточно значительным перерегулированием — (689,2−600)100%/600 = 14,9 %. Однако время регулирования имеет приемлемое значение — нс более 0,1 с. На второй диаграмме показан ток по выходу на переменном токе. Следует отметить высокое быстродействие внутреннего контура тока.

Рис. 5.58. Напряжение и ток фазы, А в течение моделирования

Задержка, обусловленная работой коммутирующих средств (драйверов), не нарушила процесс смены режима работы сетевого инвертора с выпрямительного на инверторный, что подтверждается третьей диаграммой. Ток мгновенно меняет полярность и с указанным быстродействием (0,1 с) достигает установившегося значения минус59,78 А.

На рис. 5.61 показан процесс смены фазового угла тока при указанной смене режима работы сетевого инвертора. Отметим, что напряжение и ток сохраняют равенство фазовых углов, то есть работа в любом режиме выполняется с коэффициентом мощности, равном единице и из сети не потребляется реактивная энергия.

Рис. 5.59. Окно ввода параметров возмущения поЭДС Е

Рис. 5.60. Результаты отработки ступенчатого возмущения 0−1200 В

В заключение построим векторную диаграмму, приведённую на рис. 5.52, средствами моделирования при отработке возмущения, заданного линейным изменением значения ЭДС Е в диапазоне 600−1800 В за время 0,4 с.

С помощью разработанного прибора, схема которого показана на рис. 5.50, фиксировался конец вектора (годограф) пространственного.

—ГГ

вектора А oi при изменении тока в цепи постоянного тока от 120 до минус 120 А. Положение годографа чётко соответствует рассмотренным теоретическим положениям. Точка 1 — начало координат; точка 2 — процессы запуска активного выпрямителя закончились, ток в нагрузке 120 А, переменный ток амплитудный в фазах сетевого инвертора //= V2 0.815? Id = 1,41 0,815? 120 = 137,9 А; точка 3 — пространственные векторы сети и сетевого инвертора совпали, ток в сети и сетевом инверторе равен нулю; точка 4 — пространственный вектор соответствует инверторному режиму с током 120 А.

Рис. 5.61. Ток и напряжение фазы, А при работе в выпрямительном и инверторном режимах

Рис. 5.62. Расположение пространственного вектора при построении векторной диаграммы

Составляющая вектора А о/ по оси Y численно не изменяется и имеет значение 311 В, соответствующее значению пространственного вектора сети.