Анализ программных средств для разработки и исследования статических преобразователей

Для моделирования и последующего анализа статических преобразователей существует ряд программных сред, отличающихся друг от друга конкретным назначением и методики решения поставленной задачи.

ANSYS® универсальная программа конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет. Она является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (CAE, ComputerAided Engineering) и решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных, пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций, задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей). Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование — изготовление и испытания» [4].

В настоящее время программа ANSYS® представляет собой многоцелевой пакет проектирования и анализа, признанный во всем мире. Первая реализация программы значительно отличалась от последних ее версий и касалась только решения задач теплопередачи и прочности в линейной постановке. Как и большинство других программ того времени, она работала в пакетном режиме и лишь на мощных компьютерах [5].

Многоцелевая направленность программы (т.е. реализация в ней средств для описания отклика системы на воздействия различной физической природы) позволяет использовать одну и ту же модель для решения таких связанных задач, как прочность при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Модель, созданная на персональном компьютере, может также использоваться на суперкомпьютере. Это обеспечивает всем пользователям программы удобные возможности для решения широкого круга инженерных задач [5].

Множество различных программных инструментов и программных обеспечений существует для численного моделирования электромагнитных и тепловых процессов. Необходимо понимать разницу между различными продуктами, чтобы получить максимальную эффективность численного моделирования [7].

Для моделирования и исследования преобразователей хорошо подходит программный пакет ANSYS Simplorer, который подходит для моделирования электромеханических систем, в которых требуется проведение междисциплинарных расчетов и создающее полноценную электромеханическую лабораторию на рабочем столе компьютера [6].

Разработка мультидоменной системы является сложной задачей, требующей больших усилий. В такую систему входит множество нелинейных компонентов из различных областей физики: электрической, механической, тепловой и из области управления. Взаимодействие между областями делает однодоменные системы неэффективными [6].

ANSYS Simplorer — системный инструмент, позволяющий параллельно использовать несколько стандартных техник моделирования (включает программы моделирования электрических цепей, блоксхем, VHDLAMS, конечный автомат, структурная схема, С/С++). Программа позволяет моделировать взаимодействие компонентов в разных инженерных областях [6].

Компонентами проектов ANSYS Simplorer могут быть модели, созданные в ANSYS Maxwell, ANSYS Q3D Extractor, ANSYS RMxprt, ANSYS PExprt. Модели, созданные в этих программах, конвертируются в формат ANSYS Simplorer. В сконвертированном виде эти модели представляют собой схемы замещения. Входы и выходы схемы замещения — это концы обмоток и виртуальные концы с механическими параметрами (например, моментом, скоростью). К концам обмотки в ANSYS Simplorer подключается электрическая схема. К виртуальному выходу модели двигателя можно, например, подключить виртуальный источник момента нагрузки, который создает момент, изменяющийся во времени. В подобной схеме возможно, к примеру, смоделировать процесс пуска двигателя и получить его пусковую характеристику. Также могут быть использованы и другие приложения для решения поставленной задачи [5].

Программа Simulink — это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы.

Интерактивная среда Simulink, позволяет использовать уже готовые библиотеки блоков для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени.

Дополнительные пакеты расширения Simulink позволяют решать весь спектр задач от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. Simulink интегрирован в среду MATLAB, что позволят использовать встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и научную графику [8].

Однако для решения поставленной задачи лучшим решением будет использование программной среды ANSYS Simplorer.

В настоящее время существует проблема взаимосвязи электрического двигателя и статического преобразователя в системе электропривода, т. е. проблема максимально эффективного использования преобразователя для выбранного электрического двигателя, уменьшение электрических потерь за счет правильного подбора преобразователя и т. д. Для решения данных проблем необходимо провести моделирование и анализ преобразователя в совместной системе с электрическим двигателем. Именно на решение этой проблемы направлена данная работа, т. е. моделирование преобразователя и его исследование, а также анализ влияния параметров электрических компонентов преобразователя (коммутирующих ключей, питающего напряжения и других параметров) на электрический двигатель и его характеристики.

Для моделирования и анализа статического преобразователя в системе электропривода был выбран программный пакет ANSYS Simplorer, который является программным продуктом, обеспечивающим гибкие и надежные способы для конечно элементного анализа. Особенностью выбранного продукта является файловая совместимость всех групп ANSYS®, что дает возможность сделать полный анализ всех внутренних процессов для создания максимальной эффективности работы.

В качестве статического преобразователя был выбран автономный инвертор напряжения для регулирования тяговым электроприводом трамвайного вагона.