Машинное моделирование высокочастотных преобразователей с учетом динамических характеристик тиристоров

Одной из актуальных задач современной преобразовательной техники можно считать создание мощных полупроводниковых (вентильных) преобразователей повышенной и высокой частоты, обладающих оптимальными технико-экономическими показателями.

Однако темпы разработки и внедрения таких преобразователей в народное хозяйство в значительной мере сдерживаются трудностями теоретического и экспериментального характера, возникающими главным образом ввиду необходимости совместного учета множества разнородных и достаточно сложных физических явлений, имеющих место в нелинейных компонентах электрической схемы преобразователя, таких как полупроводниковые приборы и дроссели с ферромагнитным сердечником, как в стационарном, так и в переходных режимах.

Большой интерес, вызванный у инженеров-разработчиков преобразовательных устройств различного назначения, к «внутренним» физическим процессам в нелинейных элементах преобразователя является далеко не новым и в частности объясняется тесной связью упомянутых процессов как о конструктивно-технологическими, так и с «внешними», электрическими, параметрами этих элементов, определяющими в свою очередь не только массо-габаритные и стоимостные характеристики всего устройства в целом, но и выбор схемы преобразования.

Вместе с тем такие факторы, как сложность и относительно высокая стоимость технологических процессов разработки и производства полупроводниковых преобразователей, наличие паразитных связей между различными элементами преобразователя, естественный разброс параметров этих элементов, а также трудности, связанные с экспериментальной доработкой готовых образцов как преобразователей, так и составляющих их компонентов, приводят к чрезвычайно малой эффективности традиционных экспериментально-аналитических методов проектирования, объединяемых под общим названием «ручных» .

В таких условиях создание автоматизированных систем проектирования устройств преобразовательной техники, предполагающих широкое использование как аналоговых (АВМ), так и цифровых (ЦВМ) вычислительных машин, приобретает особое значение.

Благодаря ряду преимуществ, таких как высокие значения допустимых токов и напряжений, сравнительно малые габариты и вес на единицу мощности, высокие КПД и механическая прочность и т. д., в сочетании с управляемостью и принципиальной способностью к работе в ключевом режиме, широкое применение во всех областях сильноточной электротехники получили силовые тиристоры.

При проектировании преобразовательных установок высокой частоты большое значение приобретает правильный учет динамических параметров тиристора.

Однако большое разнообразие требований, предъявляемых к прибору со стороны каждой конкретной схемы, а также — множества возможных режимов работы проектируемого преобразователя, приводит к заметному снижению, а в некоторых случаях даже к неприменимости [i] значений параметров, приводимых в справочных материалах и замеренных для определенных ГОСТ-ом стандартных режимов функционирования тиристора.

В то же время определение динамических параметров тиристора с помощью измерительных стендов /[2], [3] и др./ для каждого конкретного случая применения прибора является малоэффективным ввиду больших затрат сил, средств и времени.

Что касается улучшения указанных параметров исключительно технологическими методами, то оно, как правило, приводит к ухудшению статических параметров, а также — другой группы динамических.

Наиболее важной проблемой, связанной с эксплуатацией вентиля в преобразовательных установках высокой частоты и плохо поддающейся решению технологическим путем, является снижение уровня коммутационных потерь, доля которых, возрастая с увеличением рабочей частоты, прямым образом влияет на энергетические показатели преобразователя.

Однако ограничения, налагаемые на использование тиристоров в динамических режимах, можно в значительной мере устранять схемными методами, применяя для этой цели элементы, внешние по отношению к прибору — насыщающиеся реакторы, &С-цепочки различной топологии и т. д.

Не останавливаясь подробно на преимуществах и недостатках каждого из методов защиты прибора, заметим, что все элементы защитной цепи тиристора совместно с самим прибором можно рассматривать как одну самостоятельную ячейку преобразователя, выполняющую единую задачу обеспечения всех других ячеек схемы преобразования потребными для их нормального функционирования временными и энергетическими параметрами.

При таком подходе, называемом системным, весь преобразователь в целом представляется в виде некой большой системы, состоящей из взаимодействующих ячеек — блоков, основными из которых являются указанные выше ячейки «Тиристор — Защитная цепь», в дальнейшем условно определяемые как подсхемы Т-ЗЦ.

Заметим, что введение понятия подсхемы Т-ЗЦ позволяет не только установить количественную связь между номиналами ее компонентов, но и комплексно оценить временные и энергетические показатели данной подсхемы в их органичеокой взаимосвязи.

Более того, наличие соответствующих машинных моделей нелинейных элементов подсхемы, таких например, как тиристор и насыщающийся реактор (БР) позволяет установить количественные зависимости внешних параметров нелинейного элемента (токи и напряжения) от внутренних (электрофизических и конструктивных), что в свою очередь создает предпосылки для решения оптимизационных задач по самым различным критериям, как в отношении собственно подсхемы Т-ЗЦ, так и всего преобразователя в целом.

С целью обеспечения возможности стыковки подпрограмм анализа ее линейной части, а также возможности применения единого алгоритма вычислений, математическое описание отмеченных выше моделей желательно получить в виде обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), представленных в форме Коши.

Итак, основными требованиями к моделям нелинейных элементов (НЭ) с позиций машинного представления подсхемы Т-ЗЦ — базового элемента большой системы «Преобразователь», являются «физичность» моделей НЭ, под которой подразумевается способность связывания внешних параметров с внутренними физическими явлениями на основе учета конструктивно-технологических особенностей, и «стандартность» математического описания рассматриваемых моделей в указанном выше смысле.

Отметим, что актуальность поставленной задачи увеличивается в связи с тем, что в большинстве из разработанных в нашей стране я за рубежом программ анализа и расчета вентильных преобразователей принимается, что все элементы силовой схемы преобразователя линейны, а вентили являются идеальными ключами с мгновенной коммутацией.

Очевидно, что при этом широкий класс задач, связанных с достаточно корректным электрическим и временным согласованием компонентов схемы преобразователя, остается вне поля зрения разработчика.

Таким образом, существующая в настоящее время настоятельная необходимость в совершенствовании имеющихся и в создании новых устройств повышенной и высокой частоты стимулирует развитие машинных методов моделирования преобразовательных установок.

Последнее в данном случае заключается в рассмотрении преобразователя в качестве большой системы, состоящей из множества самостоятельных блоков, основными из которых являются подсхемы Т-ЗЦ.

При этом, ввиду сравнительного разнообразия элементной базы и топологических особенностей указанных подсхем, необходимым представляется разработка единой методики их анализа и расчета, основанной на применении средств вычислительной техники, и главным образом — ЦВМ.

Из-за отмеченных выше трудностей, связанных с отображением множества физических явлений, характерных как для самой подсхемы, так и ее компонентов, практическое применение указанной методики может быть обеспечено лишь при наличии стандартных подпрограмм машинного анализа, комплексным образом и в достаточно общем виде отображающих взаимодействие всех компонентов подсхемы в ходе вырабатывания ее интегральных внешних характеристик, и в дальнейшем называемых макромоделями Т-ЗЦ.

На основании всего сказанного требования, предъявляемые к макромодели Т-ЗЦ, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Наличие в ее составе моделей нелинейных компонентов, допускающих отображение взаимосвязей между их внешними и внутренними характеристиками и параметрами на основе учета внутренних физических явлений.

2. Стандартность математического описания указанных в п. 1 моделей, обеспечивающая их стыковку с математическим описанием линейной части подсхемы и создающая широкую возможность применения существующих алгоритмов анализа электрических цепей.

3. Удобство и простота использования макромодели для инженера-схемотехника.

Итак, основной целью настоящей диссертации является разработка единой методики автоматизированного (машинного) проектирования подсхем «Тиристор — Защитная цепь», обеспечивающей корректный учет динамических свойств всех элементов, входящих в подсхему, и разработка рекомендаций по повышению технико-экономических показателей высокочастотных преобразователей.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции по разработке и промышленному применению полупроводниковых преобразователей частоты в машиностроении (Уфа, 1977 г.) — на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1979 г.) — на научных семинарах и конференциях В2И имени В. И. Ленина (Москва, 1975 — 1978 г. г.) — Ленинградского института точной механики и оптики (ЛИТМО) — Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики (ВНИИЗЛ, г. Москва) — на ХУ — XX научно-технических конференциях профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов ЕрПи имени К. Маркса (г.Ереван, 1978 — 1982 г.г.) и изложены в следующих работах:

1.Кузьмин В"А., Мустафа Г. М, .Минасян В. Л. Моделирование переходного процесса выключения тиристора на АЕМ. -Электротехническая промышленность"Преобразовательная техника. 1978,#3(98), с.7−9.

2.Кузьмин В. А., Минасян В. Л. Высокочастотная аналоговая модель процесса выключения тиристора.-Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1978,№ 5(100), с.7−10.

3.Минасян В. Л. Цифровое моделирование переходных процессов в подсхемах «Тиристор-Защитная цепь». Известия АН Арм. ССР, серия техническая, т.33,№ 1,1980,с.13−20.

4.Мустафа Г. М., Минасян В. Л., Рудицкий Р. Ш. Моделирование тиристоров и насыщающихся реакторов при анализе процессов переключения. Электротехника, НО, 1982, с. 40−43.

5.Минасян В. Л., Кузьмин В. А., Мустафа Г. М. Высокочастотная модель тиристора.-Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции по разработке и промышленному применению полупроводниковых преобразователей частоты в машиностроении. Уфа, 1977 г., 4. II, с.99−102.

6. Кузьмин В. А. «Мустафа Г. М., Минасян В. Л. Моделирование коммутационных процессов в цепях с тиристорами и насыщающимися реакторами.-Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники». Киев, 1979 г., ч.1У, с.226−229.

В заключение автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность доктору физико-математических наук, профессору Кузьмину В. А. и кандидату технических наук Мустафе Г. М., а также сотрудникам сектора силовых схем тиристорных преобразователей ВЭИ имени В. И. Ленина, где выполнялась настоящая работа.

— 202 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В настоящей работе получены следующие основные результаты.

1. Разработана кусочно-гладкая многосекционная математическая модель силового тиристора, отображающая существующие физические представления о внутренних процессах в приборе в режиме переключений. Указанная модель предназначена для машинного расчета схем преобразователей и количественно связывает внутренние (электрофизические и конструктивные) параметры тиристора с его внешними (электрическими и временными). Форма представления модели позволяет производить ее стыковку с математическими моделями иных элементов схемы, описываемых алгебраическими и обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОЯУ).

2. Разработана модифицированная зарядовая модель, пригодная для машинного выбора (?/ и С защитных элементов тиристора при его работе в области низких и средних частот.

3. Показано, что наибольшее расхождение между данными моделирования и результатами точного решения, а также с экспериментальными данными, не превышает 10#.

4. Введено понятие коэффициента соответствия модели (КШ), комплексно определяющего качество модели в зависимости от ее точности, экономичности, возможности машинной реализации и частотных свойств. Получены выражения, аналитически связывающие посредством КШ точность модели тиристора с его электрофизическими и конструктивными характеристиками.

5. Разработана методика определения оптимальной структуры модели при заданной ее точности для тиристора с заданными технологическими параметрами.

6. Получена высокочастотная машинная модель насыщающегося реактора (НР), так же как и модели тиристора, представленная в виде системы ОДУ, и учитывающая влияние гистерезиса, вихревых токов, а также магнитной вязкости на характеристики НР.

7. Показано, что разработанные модели тиристора и НР могут быть использованы как самостоятельно (например, для машинного исследования переходных процессов в этих элементах), так и для применения в макромодели «Тиристор-Защитная цепь» (Т-5Ц).

8. Впервые создана обобщенная модель подсхемы «Тиристор-Защитная цепь» — макромодель Т-ЗЦ, обеспечивающая машинное (графическое и табличное) отображение переходных процессов в подсхемах различных конфигураций, в широком диапазоне токов, напряжений и частот.

Макромодель позволяет производить машинный расчет элементов схемы и оптимизацию подсхем Т-ЗЦ.

9. Разработан стенд для испытания высоковольтных и высокочастотных тиристорных модулей, а также — одиночных тиристоров, совместно с линейными и нелинейными цепями. Создана методика расчета номиналов элементов такого стенда.

Проведена серия машинных и стендовых испытаний подсхем Т-ЗЦ определенных классов при различных формах тока выключения.

Выяснено, что показания машинной модели Т-ЗЦ по всем основным параметрам отклоняются от соответствующих результатов стендовых испытаний не более, чем на 10 $.

10. На основании результатов цифрового моделирования конкретной подсхемы Т-ЗЦ выработаны рекомендации по выбору защитных элементов тиристорных модулей, примененных в мощном высокочастотном преобразователе. На основе этих рекомендаций достигнуто снижение уровня потерь в преобразователе на 12#.

11. Разработанные методики и подпрограммы были использованы при проектировании преобразователей повышенной частоты мощностью.

6 и 10 кВт на Московском прожекторном заводе, а также в составе специализированной системы моделирования вентильных преобразователей в НИИ завода «Электровыпрямитель» (г.Саранск). При этом суммарный экономический эффект составляет 60 тысяч рублей в год.

Разработанный испытательный стенд используется в ВЭИ имени В. И. Ленина для снятия динамических характеристик и измерения параметров силовых тиристоров.

Работа выполнялась в рамках комплексной целевой программы 0.Ц.023.

Разработка математических моделей и методик анализа и проектирования проведена по теме П01.6520 — «Разработка методов автоматизированного (машинного) проектирования преобразовательных устройств» (№ Гос. регистрации 76 019 718). Проектирование защитных цепей и экспериментальные исследования производились при разработке мощного высокочастотного преобразователя по теме «Разработка преобразователя типа СПЧС-ЮООО», выполняемой по постановлению ЦК КПСС и СМ СССР от 6.11.1980г. № 1015−344, заказ-наряд ДВ2−4Э0-ЗЕ71¦