Разработка компьютерных средств анализа устройств силовой электроники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Скипина, Людмила Николаевна

• Скипина, Людмила Николаевна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скипина, Людмила Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4 Глава 1. Система автоматизированного моделирования и исследования

устройств силовой электроники Electron 1.0

1.1. Обзор автоматизированных комплексов

1.2. Состав и структура комплекса Electron 1.0

1.3. Принципы построения БД электронных приборов

1.4. Выводы

Глава 2. Формирование уравнений переменных состояния электронных

устройств на ЭВМ

2.1. Постановка задачи

2.2. Обобщенная математическая модель электронного устройства

2.3. Алгоритм формирования уравнений переменных состояния

2.4. Граф, таблицы соответствия и структурная матрица электронного устройства

2.5. Построение дерева графа и матрицы главных сечений

2.6. Алгоритм формирования матрицы главных сечений

2.7. Формирование структурно-параметрических матриц

2.8. Реализация алгоритма формирования математической модели

2.9. Выводы

Глава 3. Алгоритмы анализа устройств силовой электроники

3.1. Характеристика численных методов анализа

3.2. Выбор метода анализа математической модели преобразователя

3.3. Реализация метода ускоренного расчета установившегося режима

3.4. Аналитический метод

3.4.1. Метод проекторов

3.4.2. Метод Галеркина с конечно- элементной моделью

3.5. Выводы

Глава 4. Моделирование полупроводниковых преобразователей

частоты

4.1.Исследование тириеторных преобразователей

4.1.1. Характеристика макромодели тиристора

4.1.2. Нерегулируемый тиристорный преобразователь

4.1.3. Регулируемый тиристорный преобразователь 98 4.2.Исследование транзисторных преобразователей

4.2.1 Силовые цепи устройства

4.2.2 Цепи управления устройства

4.3. Выводы

«

Глава 5. Примеры компьютерного моделирования устройств

силовой электроники

5.1. Моделирование резонансного ППН с замкнутой системой

управления

5.2. Исследование тиристорного преобразователя постоянного напряжения 116 5.2.1. Моделирование системы управления

5.3. Сравнение моделей импульсных стабилизаторов

Заключение

Литература

Материалы о внедрении результатов работы

Приложение 1. Программы и результаты расчетов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка компьютерных средств анализа устройств силовой электроники»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной электронной техники сопровождается значительным расширением сферы применения вычислительной техники и ростом интереса к теории и методам машинного проектирования. Внедрение автоматизированного проектирования повышает технологический уровень радиоэлектронных комплексов и надежность их функционирования, дает возможность решать сложные задачи за счет использования современных машинных методов анализа и синтеза.

В частности, на сегодняшнем этапе актуальна разработка компьютерных средств анализа устройств силовой электроники (управляемые выпрямители, ведомые сетью и автономные инверторы, преобразователи частоты), являющихся дискретными нелинейными системами.

Усложнение функций полупроводниковых преобразователей электроэнергии (ППЭ), ужесточение требований к их статике и динамике приводят к увеличению объема и трудоемкости проектных работ. Ускорить и удешевить проектирование возможно, разрабатывая более прогрессивные методы на основе достижений теоретических знаний и современных средств вычислительной техники.

Развитие машинных методов анализа и синтеза идет по пути максимальной формализации и оптимизации [1-5].

Как показывает опыт разработок автоматизированного проектирования в отечественной и зарубежной литературе (работы Дижура Д.П., Плахты -ны Е.П, Л.О. Чуа, Пен - Мин Лина, В.П.Сигорского, А.Б. Шеина и др.), методы и алгоритмы классической теории [1-12] малопригодны для устройств силовой электроники с переменной структурой, когда в процессе переключений возможны вырожденные конфигурации [14].

Несмотря на интенсивные работы в области автоматизации схемотехнического проектирования [14-17], эффективность САПР все еще недостаточна. Большинство существующих комплексов САПР не пригодно для анализа и синтеза нелинейных дискретных систем силовой электроники с замкнутыми контурами управления, отличающихся ключевым режимом работы полупроводниковых приборов и переменной структурой силовой части. При этом состояние полупроводниковых приборов и структура силовой части определяются значениями переменных состояния.

Характер поставленной исследовательской задачи позволяет уже на первой стадии в общей структуре модели выделить существенные и второстепенные части и связи. Общепринятым является представление силовой части преобразователя в виде электрической и магнитной цепей с сосредоточенными параметрами. При моделировании системы управления ППЭ возможны два подхода: 1) поэлементное моделирование (так же как и силовой части), 2) моделирование на функциональном уровне, когда конкретная схемная реализация блока управления не играет существенной роли, если он выполняет свои функции строго в соответствии с заданным законом управления.

Таким образом, модель ППЭ может включать подмодели различных видов: схемотехническую - электрической и магнитной цепей, описанную системой обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), функциональную - системы управления и нагрузки, которая в зависимости от задач исследования может иметь самое разное математическое описание -от простой информационной модели до сложной системы уравнений в частных производных.

Взаимодействие этих подмоделей должно быть таким, чтобы адекватно учитывалось взаимное влияние силовой части (СЧ) и системы управления (СУ). Функциональные блоки СУ преобразуют сигналы, поступающие на входные выводы в соответствии с запрограммированными в них алгоритмами, и выдают результирующие сигналы на выходные выводы.

Процессы в СЧ должны рассчитываться со значительно большей разрешающей способностью по времени, чем в СУ, так как элементы системы управления обычно имеют большие постоянные времени. Это позволяет организовать взаимодействие моделей путем последовательного решения и обмена информацией на каждом временном шаге решения схемотехнической модели без итераций (рис.В.1).

Входная информация СУ

Рис.Б.1. Обмен информацией на одном временном шаге

Входная информация СУ, полученная после расчета СЧ на каждом временном шаге, может включать в себя напряжения и токи ветвей силовой части и параметры ее элементов. Выходная информация СУ передается в СЧ перед ее расчетом на следующем временном шаге и может содержать новые значения величин, характеризующих текущее состояние управляемых вентильных элементов.

Основными элементами силовой схемы ППЭ являются полупроводниковые вентили - тиристоры и диоды, силовые биполярные и полевые транзисторы. Кроме этих активных (преобразующих) элементов используются резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы и трансформаторы.

Для разработки модели преобразователя необходимо создать модели всех элементов именно как компонентов электрической или магнитной цепи, по возможности абстрагируясь от физической природы процессов в них. Полупроводниковые диоды и тиристоры по своей физической природе являются ключевыми (вентильными) элементами. Транзисторы не являются ключевыми элементам, однако в преобразователях используются в ключевом режиме и могут рассматриваться как вентильные элементы.

Процессы в СЧ должны рассчитываться со значительно большей разрешающей способностью по времени, чем в СУ, так как элементы системы управления обычно имеют большие постоянные времени. Это позволяет организовать взаимодействие моделей путем последовательного решения и обмена информацией на каждом временном шаге решения схемотехнической модели без итераций (рис.В.1).

Входная информация СУ

Рис.В.1.

Входная информация СУ, полученная после расчета СЧ на каждом временном шаге, может включать в себя напряжения и токи ветвей силовой части и параметры ее элементов. Выходная информация СУ передается в СЧ перед ее расчетом на следующем временном шаге и может содержать новые значения величин, характеризующих текущее состояние управляемых вентильных элементов.

Основными элементами силовой схемы ППЭ являются полупроводниковые вентили - тиристоры и диоды, силовые биполярные и полевые транзисторы. Кроме этих активных (преобразующих) элементов используются резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы и трансформаторы.

Для разработки модели преобразователя необходимо создать модели всех элементов именно как компонентов электрической или магнитной цепи, по возможности абстрагируясь от физической природы процессов в них. Полупроводниковые диоды и тиристоры по своей физической природе являются ключевыми (вентильными) элементами. Транзисторы не являются ключевыми элементам, однако в преобразователях используются в ключевом режиме и могут рассматриваться как вентильные элементы.

Принцип действия ППЭ основан на возможности быстрого перехода ключевых элементов из выключенного состояния во включенное и наоборот. Применение «идеальных» вентилей - приборов с мгновенной коммутацией, нулевой проводимостью в выключенном состоянии и нулевым сопротивлением во включенном - позволило бы в полной мере реализовать этот принцип. На самом деле реальные коммутирующие приборы имеют отличную от идеальной вольт - амперную характеристику (ВАХ) и конечное время переключения.

Чем ближе свойства реального прибора к свойствам идеального вентиля, тем выше КПД и другие технико - экономические показатели установки и меньше влияние свойств реальных вентилей на выходные параметры. Поэтому область наибольшего распространения преобразователей на полупроводниковых вентилях определяется диапазоном частот, напряжений и мощностей, при которых отличие их характеристик от идеальных не приводит к существенному ухудшению технико - экономических показателей преобразователей.

Близость свойств реальных вентилей к идеальным в указанной области позволяет выделить вентильные преобразователи из класса нелинейных систем общего вида в класс систем с ключевыми нелинейностями и делает целесообразным при анализе допущение о безынерционности вентилей и введение кусочно - линейной аппроксимации.

Кусочно - линейная аппроксимация ВАХ вентилей позволяет свести задачу анализа ППЭ с существенными нелинейными элементами к последовательности задач расчета процессов в эквивалентных схемах, возникающих при коммутациях вентилей, которые содержат линейные элементы и элементы с гладкими нелинейными ВАХ.

Наиболее распространенными являются два вида ключевых моделей: модель «идеальный ключ»(рис. В.2) и К - модель вентиля (рис.В.З). Модель состоит из функционального блока (ФБ), управляющего состоянием ключа. Логическое условие переключения для диодов: включение - при увеличении

Внешнее

ФБ

Внешнее

ФБ

управление

управление

Рис. В.2

Рис.В.З.

отрицательного напряжения до нуля; выключение - при уменьшении положительного тока до нуля. Логическое условие переключения для тиристоров: включение - при поступлении логического управляющего сигнала, если на выключенном ключе напряжение положительно, или при увеличении положительного напряжения на ключе до уровня напряжения переключения тиристора; выключение - при уменьшении положительного тока ключа до нуля.

Использование модели «идеальный ключ» приводит к изменению структуры расчетной схемы при каждой коммутации, что требует дополнительных затрат времени при моделировании на переформирозание системы уравнений модели преобразователя. К - модель лишена этого недостатка, но имеет свои отрицательные свойства. Для достижения точности представления ВАХ отношение ЯВыкл/ЯВкл должно быть достаточно большим, что составляет проблемы при интегрировании системы ОДУ, которая приобретает свойство жесткости [1-3].

Для создания более совершенных ППЭ, главным образом на частотах выше 20 кГц, стали использоваться мощные МОП - и биполярные транзисторы (в диапазоне до 400 кГц), позволяющие повысить КПД. Транзисторные преобразователи не могут рассматриваться как кусочно -линейные системы не только из-за существенной доли интервала переключения транзистора по сравнению с периодом выходной частоты, но и из - за определяющего влияния процессов в цепи управления мощного транзистора на время его переключения и, следовательно, на КПД. В связи с этим необходимо разрабатывать алгоритмы формирования математической

модели, справедливые как для линейных, так и для нелинейных электронных устройств.

Для моделирования ППЭ используются различные методы [1-4, 12,18, 32]. Наибольшее признание благодаря высокой эффективности получил метод переменных состояния, в котором математическая 'модель формируется в виде системы ОДУ [1, 2, 18]:

X = АХ + В V, (В.1)

и системы алгебраических уравнений (АУ)

У= СХ+БУ, (В.2)

где X - вектор переменных состояния; А, В, С, Б - матрицы коэффициентов; V- вектор независимых источников; У- вектор выходных переменных.

При моделировании этим методом тиристорного преобразователя с ключевым представлением вентилей системы (В.1) и (В.2) изменяются в моменты переключений вентилей, причем меняются не только элементы матриц, но и их размерность из - за изменения размерности переменных. Так как размерность вектора переменных изменяется в моменты коммутации вентилей, то для расчета переходного процесса во времени необходимо в каждой точке коммутации определять вектор переменных, используя свойство непрерывности переменных состояния.

Таким образом, расчет переходного процесса в полупроводниковом преобразователе как кусочно - линейной системе состоит из последовательного решения начальных задач Коши для систем вида (В.1) на интервалах между соседними коммутациями вентилей.

Алгоритм метода переменных состояния применительно к кусочно -линейной системе включает в себя:

1. Определение состояния вентилей (включено или выключено) в начальный момент в соответствии с заданными начальными значениями переменных состояния.

2. Формирование системы ОДУ для линейной эквивалентной схемы.

3. Решение системы ОДУ численным методом на заданном интервале времени.

4. Определение токов и напряжений вентилей.

5. Проверку условий переключения вентилей. Если условие не выполняется внутри шага, то переход к п. 3 для получения решения на следующем шаге.

6. Определение вектора переменных состояния слева от точки коммутации.

7. Определение нового состояния вентилей.

8. Вычисление вектора переменных состояния справа от точки коммутации на основании закона о непрерывности потокосцеплений в контурах и зарядов в узлах. Переход к п.2.

Многократно выполнив эти расчеты, можно получить совокупность векторов переменных состояния для различных моментов времени I -I , + А

п я+!

Достоинство метода - минимальная из возможных размерностей системы ОДУ на каждом межкоммутационном интервале [1], непосредственное использование эффективных методов и алгоритмов численного интегрирования систем ОДУ.

Недостатком метода является необходимость заново формировать матрицу системы уравнений при каждой коммутации вентилей.

Таким образом, эффективность метода переменных состояния при расчете тиристорных преобразователей зависит от эффективности алгоритма формирования системы ОДУ при каждой коммутации.

Для численного решения сформированной системы уравнений используются различные методы [21-22], в том числе сочетание метода Галеркина с конечно - элементной моделью [9], что дает возможность анализировать «жесткие» цепи, экономить память ЭВМ и разрабатывать быстродействующие алгоритмы.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка эффективных алгоритмов автоматизированного формирования математической модели (ММ) полупроводниковых преобразователей. Для . этого предлагается процедура формирования УПС с помощью структурно -параметрических матриц [13], которая, в отличие от известных процедур их формирования в неоднородном и сокращенном координатных базисах [1417], сводится к элементарным операциям над блочными матрицами исходной системы уравнений, требует значительно меньше преобразований, проста и удобна в реализации на ЭВМ.

Для достижения поставленной цели в работе решаются в основном следующие задачи:

1) разработка более эффективных, чем известные, алгоритмов автоматического формирования уравнений переменных состояния (ФУПС);

2) усовершенствование алгоритмов построения нормального дерева -разбиение всех ветвей на дерево и дополнение;

3) формирование топологической матрицы главных сечений для хорд и определение границ блоков однотипных элементов матрицы главных сечений;

4) разработка алгоритмов анализа статики и динамики ППЭ на основе предложенных способов составления математической модели ППЭ.

Результаты исследований изложены в пяти главах диссертационной работы.

В первой главе дан обзор существующих комплексов САПР электронных устройств. Представлены структура и состав программного комплекса Electron 1.0, включающего в себя:

1) разработанные алгоритмы автоматического формирования уравнений переменных состояния (ФУПС);

2) алгоритмы численно - аналитического решения УПС, анализа динамики и статики ППЭ;

3) алгоритм псевдографики;

4) разработанную программу управления базами данных (БД) электронных приборов, позволяющую автоматизировать получение информации о номиналах моделей компонентов устройств силовой электроники;

5) алгоритмы оценки интегральных параметров исследуемой схемы.

Во второй главе дан обзор методов математического моделирования

электронного устройства. Приводится общая постановка задачи построения математической модели электронных устройств. Обоснован метод построения модели ППЭ с помощью структурно - параметрических матриц.

Третья глава посвящена выбору метода численного анализа уравнений переменных состояния. В качестве основного метода численного решения выбран системный метод [44] как оптимальный при решении жестких уравнений. Для представления решения в информативно -компактном виде возможно использование проекторов [45]. Кроме того, приведен алгоритм ускоренного расчета установившегося режима тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ), обеспечивающий высокую точность результата и устойчивую работу при анализе жестких схем.

Четвертая глава посвящена исследованию полупроводниковых преобразователей частоты. Выполнено сравнение расчета ТПЧ при помощи Electron 1.0 и пакета SPICE.

В пятой главе рассматривается применение комплекса Electron 1.0 для исследования полупроводниковых преобразователей постоянного напряжения.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международной научно - технической конференции «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1991), научно -технической конференции «Высшая школа - народному хозяйству Чувашии" (Чебоксары, 1992), научно - технической конференции «Проблемы преобразования электроэнергии» (Москва, 1993), первой международной конференции по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-94) (Суздаль, 1994), всероссийских научно - технических конференциях "Динамика

нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (ДНДС)" (Чебоксары, 1995, 1997), второй международной конференции по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-96)(Ялта, 1996), всероссийской научно - технической конференции "Цифровая обработка многомерных сигналов" (Йошкар - Ола, 1996), всероссийской научно -технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ-96) "(Чебоксары, 1996), на научно - технической конференции, посвященной 30 - летию ЧГУ (Чебоксары, 1997), а также на республиканских и университетских научно-технических конференциях в г. Чебоксары (1991 - 1998 гг.).

Теоретические вопросы автоматизированного формирования математической модели цепи, разработанные в диссертационной работе, используются в учебном процессе по курсам «Вычислительная математика», «Проектирование СУБД электронных проборов» при подготовке инженеров по специальности 200400 «Промышленная электроника» и бакалавров по направлению 550700 «Электроника и микроэлектроника» в Чувашском государственном университете.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР по теме «Проблемы управления современными высокоэффективными полупроводниковыми

преобразователями электроэнергии» (регистрационный N0 01950001919) по единому заказу - наряду Министерства общего и профессионального образования РФ, по хоздоговорным темам: «Комплексная защита генератора», «Противоаварийная защита сложных систем».

В диссертации отражены результаты работ, выполненных автором в течение ряда лет в Чувашском государственном университете в сотрудничестве и по заданию НПП «Бреслер», ОАО «Контур», ОАО ЧПЗ «ЭЛАРА».

1 .СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Electron 1.0

В главе даны обзор автоматизированных комплексов, описание состава и структуры комплекса Electron 1.0. Показаны примеры разработки СУБД электронных приборов, которые являются неотъемлемой частью современного программного комплекса.

Изложение материала главы ведется на основе работ автора [28 - 31].

1.1. ОБЗОР АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ

До недавнего времени при исследовании и проектировании электронных схем и энергетических систем успешно применялись универсальные программы анализа АРОПС, ПАУМ-2, СПАРС, СПРОС, ЭЛАИС, ПА-6, КОМПРОМИСС [14] и другие. Большинство этих программ реализовано для ЭВМ серии ЕС на языке ФОРТРАН (требуемая память 128 - 200 кБайт и более). Эти программы обладают широкими функциональными возможностями. Но в связи с переходом на новую элементную базу, -персональные ЭВМ, развитием матрично-топологической теории, теории графов возникла необходимость разработки новых методов автоматизированного проектирования. Известен ряд универсальных программных систем анализа преобразовательных схем [33 - 43]. К ним относятся программные системы SACSO [36], ELTRAN [37], SPICE и PSPICE [33 - 35, 39].

В настоящее время в связи с быстрым развитием вычислительной техники появились новые возможности для проектирования преобразовательных устройств силовой электроники. Мощные программные комплексы аналога - цифрового моделирования электронных схем с богатым набором библиотек элементов и удобным пользовательским

интерфейсом (Micro - CAP [38], Design Center [40]), автоматизированного конструкторского проектирования и разводки печатных плат (,AutoCAD, Р -CAD[41]) позволяют сократить сроки проектирования, исключив макетирование. При помощи специализированных программных комплексов (Matlab [42], Matead [43]) удобно выполнять математические расчеты и графические построения при исследованиях частотных и передаточных характеристик преобразовательных устройств. Однако при всей универсальности моделирование с помощью данных программ требует больших затрат машинного времени.

Предлагается к рассмотрению специализированный программный комплекс Electron 1.0.

Автоматизация исследований моделируемой схемы обеспечивается развитыми алгоритмами формирования уравнений, сменными блоками численного и аналитического решения в установившейся области. Базируясь на временном решении преобразовательной схемы, программа Electron 1.0 за счет внутренней организации позволяет решать такие задачи, как ускоренное определение стационарного режима работы ключевой схемы, расчет статических характеристик схемы, исследование аварийных и пусковых параметров схемы, согласование преобразовательной схемы с технологической нагрузкой и в плане оптимизации параметров согласующих элементов, и в плане разработки оптимальных законов управления.

Комплекс ориентирован на анализ кусочно - линейных систем методами численного интегрирования дифференциальных уравнений, сформированных в гибридном координатном базисе переменных состояния, с «припасовыванием» вектора решений в точках переключения вентилей. В соответствии с этим вентили моделируются безынерционными ключевыми элементами.

Программный комплекс выдает результаты расчета в виде таблиц мгновенных значений переменных и параметров режима или в виде графиков. Программа реализована на персональных наиболее распространенных ЭВМ IBM PC/AT.

Автоматизация процессов формирования математической модели электронного устройства и системы управления, а также широкие возможности системы Electron 1.0 по автоматизации исследований делают ее доступной для разработчиков устройств силовой электроники.

1.2. СОСТАВ И СТРУКТУРА КОМПЛЕКСА Electron 1.0

Структура системы Electron 1.0 (рис. 1.1) представляет собой комплекс программных модулей, реализованных различными языками программирования, но объединенных общей задачей автоматического расчета схем различной степени сложности во временной области.

В состав системы входит несколько логически законченных модулей, назначение которых имеет следующий смысл:

1) VVOD - блок ввода и интерпретации данных;

2) МATMET - автоматическое формирование модели электрической схемы;

3) блоки решения уравнений цепи (проекторов, матричной экспоненты, метод Галеркина с конечно - элементной моделью);

4) блок обработки выходных данных и вывод результатов;

5) база данных(БД) электронных приборов, являющихся современной элементной базой устройств силовой электроники.

Блок VVOD обеспечивает ввод данных, подготовленных в соответствии с правилами входного языка, и выполняет печать заголовка расчета. Основными группами входных данных системы являются: топология и параметры расчетных электрической и функциональной схем, описание их входных и выходных связей, вектор начального состояния, параметры режима работы программы, данные, необходимые для продолжения расчета после завершения заданного ранее этапа исследования. В блоке VVOD предусмотрены средства диагностики с выдачей сообщений об ошибках в данных.

Рис. 1.1. Структура программного комплекса Electron 1.0

Функции блока МАТМЕТ: формирование уравнений математической модели электрической схемы в базисе переменных состояния в начале расчета и при коммутациях вентилей. Элементную базу МАТМЕТ составляют независимые источники напряжения и тока, линейные емкости, индуктивности и резисторы, а также ключевые элементы с логикой переключения диода и тиристора.

Блок СУМ обеспечивает: моделирование на функциональном уровне различных типов систем управления электрической схемой (цепи обратных связей по управлению); организацию вычислительных экспериментов (программируемые изменения топологии и параметров элементов схемы либо в заданные моменты времени, либо при выполнении определенных условий); расширение элементной базы МАТМЕТ путем моделирования зависимых источников и элементов с кусочно - линейными статическими характеристиками; измерения параметров режима (интегральные, экстремальные и мгновенные значения переменных, измерение временных интервалов).

Блок OB решения дифференциальных уравнений математической модели устройства силовой электроники выполняется с помощью различных численных методов (явных, неявных, комбинированных, системных) с адаптацией к изменениям вентильного режима. Блок позволяет выполнять

обработку решения на трех уровнях: пошаговую, за период и за весь процесс. Блок позволяет выводить в виде таблиц мгновенные, экстремальные и действующие значения переменных состояния устройств силовой электроники.

В состав комплекса входят базы данных (БД) наиболее востребованных электронных приборов, позволяющие сократить время доступа к нужной информации и найти аналог прибора. Программа управления БД построена по принципу многооконного меню с выбором критерия поиска.

Центральным блоком системы является МАТМЕТ (рис.1.2). В структуре можно выделить два основных цикла, соответствующих разным этапам выполнения программы: получению решения во времени и коммутации вентилей.

Первый цикл, включающий в себя блоки 3, 7, 9, 11, 14, 17, 21 .реализуется при отсутствии коммутаций ключевых элементов. Однократное выполнение этого цикла приводит к расчету решения на одном временном шаге и подготовке к следующему шагу для математической модели схемы (ММС), сформированной в блоке 1 в начале расчета или при коммутации вентилей. Выход из этого цикла происходит тогда, когда в блоке 11 на соответствующем шаге выявлена коммутация хотя бы одного ключевого элемента.

При этом однократно происходит обращение к блокам 12, 16, 19, 22, которые коммутируют нужные ключевые элементы в нужный момент, затем циклически - к блокам 1, 2, 3, 6, 7, 10, 13, в которых выявляются и реализуются зависимые коммутации ключевых элементов, наведенные уже выполненными коммутациями других ключевых элементов в тот же момент времени.

Выход из цикла коммутаций происходит по окончании зависимых коммутаций через блок 13, а возврат в цикл решения осуществляется через блок 14.

Выход — „.,

Рис. 1.2.

При ключевых моделях вентилей моменты включения и выключения диода совпадают с моментами перехода напряжения диода через нуль, а момент включения тиристора - с моментом подачи управляющего сигнала при положительном напряжении на аноде. При расчете процесса в ключевой схеме численным методом значения переменных, в том числе токов и

напряжений вентилей получаются лишь в дискретные моменты, решение определяется на сетке. Можно сформулировать условия переключения вентилей внутри интервала (/„_,,гя), пользуясь полученными значениями их

токов и напряжений в узлах п-\ и п. Эти условия уже не определяют момента коммутации. Их значение позволяет только зарегистрировать сам факт необходимости переключить вентили где - то на интервале (/„_,, /„).

Запишем условие включения диода

и , < 0 л и >0.

Д,л-1 Д,и

Условие включения тиристора:

[ит п_, > 0 л иг п > 0 л < 1у < /„] V [мТЛ_, < 0 л иг п > > 0 л (г.т < 1у < гл V 1Х - Гвыкл < О! V > 0 л ит п <

< о А Гя_, < 1у < гх ] V [ит п_, < ипер А ит п > ипер ],

где л , V - знаки логического умножения и сложения; гВЬ1КЛ - момент последнего выключения тиристора;

и.

Т , л - 1

и —и ,

т , п т , п - I

Оп -

где 1Х - момент смены знака напряжения на тиристоре, рассчитанный с помощью линейной интерполяции функции ит на отрезке [?„_,,/„].

Это сложное условие можно прочитать следующим образом: тиристор должен быть включен внутри интервала [г „_,,/„], если напряжение на нем в начале и в конце этого интервала положительно и момент подачи импульса управления /у также находится в этом интервале; или анодное напряжение

меняет знак на интервале с минуса на плюс и либо момент подачи импульса приходится на ту часть интервала, где напряжение положительно, либо время восстановления, предоставляемое схемой, меньше времени выключения тиристора /в; или напряжение внутри интервала меняет знак с плюса на минус, но импульс управления подан до того момента, как анодное

напряжение стало отрицательным; или, наконец, когда напряжение на аноде превысило напряжение переключения мпер внутри интервала.

Условия выключения диода и тиристора совпадают: /„_, > 0 л /я з 0.

Чтобы определить моменты коммутации вентилей, для которых выполнялись условия переключения на шаге решения, можно воспользоваться интерполяционными формулами первого и второго порядка, либо попытаться найти решение на интервале [*„_,,*„] на сетке с

малым шагом, который обеспечивает необходимую точность определения момента коммутации.

Наибольшее распространение нашел метод линейной интерполяции, который во многих случаях дает хорошую точность при низких вычислительных затратах.

Из - за возможного вырождения параболы квадратичная интерполяция требует вычислений с двойной точностью для уменьшения машинных ошибок, связанных с конечной разрядной сеткой ЭВМ.

Нахождение решения на сетке с малым шагом приводит к большим вычислительным затратам и применяется редко.

Точное нахождение момента коммутации вентиля, а также вектора переменных состояния слева от него необходимо для доопределения задачи начальными условиями для следующего межкоммутационного интервала в соответствии с законами непрерывности суммарного потокосцепления индуктивных элементов в любом замкнутом контуре и суммарного заряда на емкостных элементах, присоединенных к общему узлу:

I = £ 4^(0+) или £ ьк /к(0_) = Е V* <0+>; (1.1)

Е = X <2к(0+) или I сИк(0-) = £ сЛ(0+)-

Если коммутация не приводит к образованию топологических вырождений вида индуктивных звезд и емкостных контуров, то эти законы гарантируют непрерывность переменных состояния:

Ис/(0-) = «с,(0 + ) " iLJ{ О- ) = /1У(0 + ),

V i = 1,. . . tf с м у = 1,. . . , N L ,

где Nc и iV¿ -число конденсаторов и катушек индуктивности в схеме.

В противном случае (при наличии вырождений) переменные состояния в моменты коммутации могут претерпевать скачок, определяемый из уравнений (1.1). Интегрирование межкоммутационного интервала стараются начинать от точки коммутации с теми начальными условиями, которые «припасованы» слева от нее. Вычисление решения слева от точки коммутации производится либо повторным интегрированием от предыдущего узла до определенного ранее момента коммутации, либо интегрированием каждой составляющей вектора переменных состояния. Последний способ сокращает объем вычислений, но требует, по крайней мере, квадратичной интерполяции для обеспечения точности.

Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений(СДУ) с припасовыванием полученного решения от конца предыдущего к началу следующего межкоммутационного интервала продолжается до тех пор, пока не будет рассчитан процесс на всем интересующем нас временном интервале.

Таким образом, описанный подход позволяет анализировать как динамические, так и периодические стационарные режимы в вентильных схемах.

Таковы особенности организации блока ОВ численного решения СДУ.

В состав комплекса Electron 1.0 включено несколько сервисных программ (рис. 1.1). Рассмотрим эти программы подробнее.

1.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ БД ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Программный комплекс Electron 1.0 включает в себя базу данных (БД) полупроводниковых приборов. Создание информационного обеспечения в виде БД описания моделей полупроводниковых приборов, численные значения параметров этих моделей и их оценка для широкого круга типов

полупроводниковых приборов являются важной задачей практического внедрения САПР. Наиболее рационально создавать диалоговые информационные системы, способные взаимодействовать как с человеком, так и с другими подсистемами САПР [5, 14, 31].

Диалоговая справочная система по параметрам моделей полупроводниковых приборов должна обеспечивать режимы считывания, записи и коррекции информации, форматирование и выдачу каталогов. В режиме считывания основные функции следующие: получение одного или группы параметров заданной модели прибора определенного типа.

Система управления базой данных (СУБД) - это пакет программ, позволяющих обеспечить:

1) прикладные программы языковыми средствами описания и манипулирования;

2) поддержку логических моделей данных;

3) операции создания и манипулирования логическими данными;

4) защиту и целостность данных.

Первые СУБД были разработаны для больших и мини-ЭВМ и сформировались как раздел большой науки теории баз данных.

СУБД персональных ЭВМ удовлетворяют всем требованиям теории баз данных, но отличаются более простой архитектурой, существенно проще для освоения и использования, чем для больших ЭВМ. Сегодня на рынке программного обеспечения СУБД можно встретить более 200 разновидностей СУБД для ПЭВМ.

Преимущества использования БД в автоматизированных информационных системах по сравнению с позадачным методом автоматизации следующие: централизованное управление информационными ресурсами; отсутствие проблемы контроля избыточности данных вследствие их интеграции; унификация средств организации данных и независимость прикладных программ от организации данных.

Большинство СУБД для ПЭВМ ориентировано на реляционные базы данных, в которых информация представлена в виде таблиц. Строка такой

таблицы эквивалентна записи файла БД, а колонка -полю записи. Доступ к элементу данных осуществляется посредством связи требуемой строки (записи) с требуемой колонкой (полем). Наиболее развитые СУБД имеют следующие преимущества и характерные особенности перед СУБД для больших ЭВМ:

1) "дружественный" интерфейс пользователя;

2) средства автоматизированного создания, использования и модификации БД без необходимости программирования;

3) развитые языки программирования БД.

Среди многообразия СУБД следует выделить: dBASE3+ (фирма ASHTON-TATE); R:BASE (фирма MICRORIM); PARADOX (фирма ANSA SOFTWARE), FOXPRO 2.5.

Наибольшее распространение получила СУБД dBASE3+, которая функционирует на любой ПЭВМ типа IBM PC XT/AT в среде операционной системы DOS 2.0 и выше.

Для создания персональных баз данных широко используются интегрированные пакеты. Интегрированный пакет объединяет в себе пять функций ПЭВМ: обработка текстов; работа с электронными таблицами; работа с БД; работа с графикой; работа в сети.

Одним из преимуществ такой интеграции является совместное использование текстовой, табличной и графической информации.

Программы .На базе известного пакета FOXPRO 2.5 была разработана

t

прикладная программа управления БД электронных приборов, являющихся элементной базой силовой части и систем управления устройств силовой электроники.

Отличительной особенностью данной СУБД является мощный интерфейс пользователя, управляемый меню. В состав этого интерфейса входят средства создания экранных форм ввода и вывода информации, удобная система формирования запросов на поиск и отбор данных с помощью специальных шаблонов(запрос по ключу), которые упрощают эту работу.

Прикладная программа реализации сервисных функций ведения баз данных позволяет выполнять:

- редактирование введенных данных и добавление записей;

- просмотр файлов БД и удаление записей;

- поиск, отбор, и сортировку данных;

- вывод данных на экран, принтер или в файл.

Программа управления БД МИКРОСХЕМ(файл ВЮ.ргд).

Предварительно созданы индексные файлы по 7 полям. Фрагменты

работы программы представлены (рис.1.3, 1.4). В базу данных входят счетчики, шифраторы, дешифраторы, коммутаторы, регистры. После того, как создана структура БД и введена информация (файл В^ЕЧ.сНэО, требуется отбирать и выводить на экран или печать данные, которые отвечают определенному признаку. Выборка представляет собой данные из одной или нескольких БД, которые не существуют в виде самостоятельного файла, а только высвечивается на экране как результат выполнения запроса (рис. 1.4). Различные режимы работы отражают рис. 1.5 и 1.6.

Обновление данных с помощью запросов позволяет сократить время на этот процесс за счет автоматического отбора только тех записей, которые действительно требуется обновить, а также автоматизации других операций, например, по замене одних данных другими. Общий объем памяти 105671 Байт.

БД МОЩНЫХ ДИОДОВ (РОУУЕРОЮ.сМ - файл базы). Фрагменты программы РО\ЛМЭЮО.ргд (файл системы управления мощных диодов) представлены на рис.1.7 режим поиска, рис.1.8. - режим подсказки.

Предварительно созданы индексные файлы по 10 полям (названию, напряжению, прямому току, по дифференциальному сопротивлению и т. д.). Общий объем требуемой памяти 94241 Байт.

БД ДИОДОВ ШОТКИ. Принцип управления базами аналогичен. Поэтому рассмотрим подробно систему управления БД диодов Шотки.

ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ РЮОЗН.РРО (прил. П1). Данная программа обрабатывает файл базы данных диодов Шотки (ОЮОв.сПй), который

Е

Mfcroooft FoiPro

- ic|

Ф^йл Пpacr,a fj Программа П&о£1<клгр jjr~no 2

Поноиь Ипоряд поиск добавить адзпить начало конец Печать выход.

|Ин И F7 Ь 41 »PgUp «PoDn Ар *Q mm : j J

тнл пгисора un. в I ПОТ,НА IKBX,нкл I1DX,ККП иввык, itjuinux. в t з*, t H

5. по 89, 00 -1600,00 40. 00 0,40 2,40 s

| К133НЕ78 S, 00 120,00 -1600,00 40, 00 о,40 : г, in я z\

err

тг

. : нтттгтт вщжг^а ^ÊÊÈÈÊÈÈÊÈÊÈËÉ

налрюкенме питания 7в> "ТОМ потребления . ' '

■ енодно» wisasaüJt -НИЙ -«мпяпн

я!м1Ш1Цм1Н1ян1т^и«н«скоог в .е .

Выко дн aeir nffii-MSsnic««!* ч в смой 1 . в ;?*.Среднее' время задержки распространения сигнала .не

■;.., . . ¡«-(Л.; ■ . IhiuHHUii» ; . г-'-1 ■ 'г ; v.

Рис.'-З, Фрагмент работы СУБД микросхем. Режим упорядочения

СЗМкгомКГокРго ■-■■ • ■■:■'■■ . . ... ■■■■■ i;--. . - ■■■ . ■■.;■■■■■ ИИ

файл Qpawta ПОМОЦЬ УПОРЯй

, . I Программа Запуск Просмотр Qkho J

поиск добавить ада пить начало конец печать

m

*Т -Pom» 4P Ц

тин прибора

HCl н! T П Г

к133ие8

Iirr"

•»«'"« митамй пив«» по казвани»

UUt^DKüi-LIJUt^HMLJjJIBIIX . BlUlBUH , B[t3A.K<*

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Скипина, Людмила Николаевна

4.3. ВЫВОДЫ

1. Исследование ряда макромоделей тиристора, в частности, для расчета высокочастотных тиристорных преобразователей позволило обосновать оптимальную по быстродействию и точности модель тиристора (рис. 4.1).

2. Разработанная сервисная программа адаптации макромодели тиристора к расчету отличается универсальностью и быстродействием.

3. Исследование схем нерегулируемого (рис.4.3) и регулируемого (рис.4.8) тиристорных преобразователей с помощью пакета программ Electron 1.0 подтвердило его преимущества (быстродействие, минимальный объем занимаемой памяти).

4. Исследование схемы транзисторного преобразователя частоты (рис.4.19) с помощью пакета программ Electron 1.0 показало его универсальность, поскольку позволяет анализировать схемы с замкнутыми контурами управления.

5. Проведенный вычислительный эксперимент на SPICE и Electron 1.0 показал, что характер кривых токов и напряжений совпадает. Время расчета для схемы (рис.4.19) составляет для SPICE - 32, для Electron 1.0-21 мин (для 386 - го процессора) при одинаковой точности.

6. Разработанные машинные модели исследованных преобразователей могут быть использованы на этапе пусконаладочных работ и при эксплуатации для выбора оптимальных режимов.

5. ПРИМЕРЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В главе изложены результаты моделирования реальных устройств силовой электроники в системе Electron 1.0. Проведен сравнительный анализ результатов по точности и времени для различных сред моделирования. Обозначены возможные области применения результатов моделирования.

Изложение материала главы ведется на основе работ автора [77, 78, 81, 83-85].

5.1.МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ

Благодаря своей универсальности пакет Electron 1.0 позволяет моделировать преобразователи различной степени сложности, в том числе и замкнутые системы. При этом можно получить адекватную информацию о динамике процессов в любой точке схемы при аварийных, установившихся и переходных режимах.

Схема моделируемого преобразователя с последовательным резонансным инвертором [78] представлена на рис.5.1. Система регулирования содержит два контура: по напряжению нагрузки и интегралу тока коммутирующего конденсатора.

В цифровой модели импульсы на отпирание очередной пары транзисторов VT1-VT4 формируются с помощью задающих источников Е1-Е4, напряжение которых зависит от напряжения на выходах элементов DD2A и DD2B. Интегратор собран на операционном усилителе DA4. На вход интегратора через выпрямитель подается сигнал, пропорциональный току |/с|. В момент равенства напряжений Uy и Un компаратор DA3 переключается, триггер DDI А, установленный ранее тактовым импульсом в единичное состояние,

Рис. 5.1. Компьютерная модель моделируемого преобразователя с последовательным резонансным инвертором. сбрасывается, в результате чего ранее открытые транзисторы инвертора закрываются. Одновременно замыкается ключ и интегрирующий конденсатор С/ быстро разряжается. Временные диаграммы токов и напряжений переходного процесса представлены на рис. 5.2 при следующих исходных данных: Е=100В, частота коммутации f=8 кГц. По диаграммам переходный процесс * установления выходного напряжения ин при подключении преобразователя к источнику входного напряжения заканчивается примерно за шесть периодов, а установившиеся процессы устойчивые. Поскольку среднее значение тока в конденсаторе Ск равно среднему значению тока нагрузки, регулирование по интегралу за половину периода тока /с эквивалентно регулированию по току нагрузки. и ж и, и. комп и Ж и, ск

ИнЖ иС1 А

Рис. 5.2. Временные диаграммы токов и напряжений резонансного преобразователя с двумя контурами управления.

При создании компьютерной модели резонансного преобразователя с замкнутой двухконтурной системой управления разработана библиотека цифровых устройств [77], входящих в систему управления: триггера, интегратора, логических элементов "И", "ИЛИ", "НЕ", одновибратора. Например, текст подпрограммы одновибратора 004 имеет вид ,8иВСКТО\Л/ВЮ 5 4 ЕХХ1 0 10 0 1 т гз юо

С1 2 0 1Е-8 d1 3 2 d2d522a s1 5 0 3 0 sw1 rs5 4 100 rii г о 1м ri2 1 0 1м ri3 3 4 100

511 0 15 1 0 sw

512 15 3 2 0 sw model sw vswitch (von=2.5 voff=2.0 ron=.01 roff=1m) .model d2d522a d(is=48.25p rs=.4715 ikf=0 n=1 eg=1.11 cjo=2.658p + m=.154 vj=.75 fc=.5 isr=2.612u nr=2 bv=50.19 ibv=258.6u + tt=2.232n model sw1 vswitch (von=1.0 voff = 5 ron=.01 roff =1m) .ends

Работа машинной модели достаточно точно отражает реальные процессы в преобразователе. При моделировании инвертора выяснилось, что если пользователю не требуется высокая точность воспроизведения переходных процессов в элементах схемы (транзисторах, операционных усилителях, диодах), то для увеличения быстродействия оправдано применение упрощенных моделей компонентов. Эффективность применения Electron 1.0 возрастает при создании библиотеки макромоделей отдельных функциональных узлов схемы, что само по себе является отдельной задачей. Результаты моделирования на комплексе SPICE совпадают с результатами, представленными на рис. 5.2. Время расчета модели для IBM - 386 для SPICE составляет 39, для Electron 1.0-27 мин.

5.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Предметом исследования является тиристорный преобразователь для сварки, при моделировании которого применяется макромодель тиристора [71, 72].

Преобразователь состоит из основного (С1, С2, Т1, VS1, VS2, L1, L2, D1, D2) и вспомогательного (СЗ, С4, S1, L3, L4, VS1, L1,L2,D1, D2) контуров (рис.5.3). Временные диаграммы представлены на рис.5.4.

Основное назначение вспомогательного контура заключается в создании гарантированного обратного тока диодов D1.D2. Это необходимо в режимах, когда с увеличением сопротивления нагрузки, ток через обратный диод становится равным нулю, и тиристоры не закрываются. Собственные частоты основного и вспомогательного колебательного контура должны совпадать. Для устранения влияния основного контура на вспомогательный через общие для обоих контуров дроссели L1 ,L2 в схему введен компенсирующий дроссель L4 с двумя обмотками. На обмотке W2 этого дросселя должно создаваться компенсирующее напряжение, равное напряжению на дросселях L1.L2. При полной компенсации амплитуда и длительность импульсов тока вспомогательного контура не зависят от режима работы преобразователя и определяются собственной частотой и волновым сопротивлением (рис.5.3). Ключ S1, включаемый на интервале проводимости тиристора и диода, обеспечивает режим бестоковой паузы во вспомогательном контуре.

Анализ работы преобразователя был проведен с использованием пакета программ PSPICE и Electron 1.0. Был промоделирован ППН при Евх=100 В, /=9.1 кГц.

Экспериментальные графики внешних характеристик преобразователя и расчетные точки для сравнения результатов эксперимента и моделирования показаны на рис.5.5.

U В н

16 •14 12 10 8 6 4 2 i i i i

Рис.5.5. В АХ тиристорного преобразователя для следующих номиналовэлементов:С7+С2=3,1 мкФ, LI=L2=\8,2 мкГн, С3+С4=0,3 мкФ, Z3+L4=!58 мкГн. экспериментальные данные; •-данные SPICE; #-данные Electron 1.0

1н

0 10 20 30 40 А Длительность импульса основного контура в эксперименте и при расчетах t0 Сн=23,5 мкс, а вспомогательного - ¿всп=25мкс. Хорошо прослеживается близость расчета ВАХ на Electron 1.0 к экспериментальным данным, что объясняется адекватностью модели и реально моделируемой схемы.

5.2.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Рис.5.6. Блок схема системы управления

Преобразователь (рис.5.3) работает под воздействием управляющих импульсов. Сигналы 1/уте1, (Ууу32 подаются на управляющие входы тиристоров, а сигнал Ц, на вход ключа .

Система управления (рис.5.6) включает в себя генератор (Г), счетчик (:2), мультиплексор (М), одновибраторы (ОВ1,ОВ2) и формирователи (Ф1, Ф2, ФЗ) для трех каналов управления.

20В

20В

2оа

OI t г- А'

У- R

10 15

30 35 ткс

20В

20В

20В

20В

Автором проведено моделирование системы управления для преобразователя. Для этого были разработаны макромодели цифровых элементов, которые вошли в состав базы данных [77]. К ним относятся макромодели ЯБ-триггера, О-триггера, интегрального таймера,мультиплексора, построенные по известным схемам [79]. Модели приборов могут использоваться самостоятельно.

Тестирование макромоделей проведено отдельно, и в составе системы управления. При моделировании системы управления преобразователя были использованы методы иерархии подсхем, что выявило ряд особенностей модели схемы. Например, для однозначности работы макромодели ЯБ-триггера

20 25

Рис. 5.7 сч t

OBI f

ОВ2 (

0 100

200 300 400 Рис. 5.8

500 600 ткс необходимо ввести в схему дополнительные ключевые элементы для согласования с нагрузкой. При создании общей модели системы управления получены следующие диаграммы работы (рис.5.7, 5.8), что соответствует заданному алгоритму управления.

Таким образом, создана машинная модель преобразователя для'сварки, включающая две модели силовой части и отдельно системы управления. Моделирование в среде Electron 1.0 требует решения ряда задач:

1) разработки и создания макромоделей отдельных электронных приборов, входящих в состав схемы;

2) привязки макромоделей в систему согласно алгоритму управления;

3) тестирования СУ.

Затраты машинного времени при моделировании в среде SPICE увеличены в среднем на 15-20% по сравнению с моделированием в системе Electron 1.0, где СУ моделируется в виде аналитического выражения.

5.3. СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ

Вопрос точности моделирования остается одним из главных в определении степени достоверности результатов. Предметом данного раздела главы является определение точности моделирования работы импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) понижающего типа с замкнутой двухконтурной системой управления (СУ) (рис.5.9.). Аналитическое описание данного объекта детально разработано Г.А Беловым [82].

Программа моделирования интегральных схем SPICE (Simulation Program with Integreted Circuit Emphasis), разработанная в начале 1970-х годов в Калифорнийском университете, оказалась удачной и стала эталонной программой моделирования аналоговых устройств. Принятые в ней математические модели полупроводниковых приборов используются в других аналогичных программах. Формат входного языка SPICE поддерживается большинством пакетов САПР (P-CAD, ACCEL, EDA, OrCAD).

Предлагается путем сравнения результатов SP/CE-модели с результатами, полученными с помощью точной аналитической модели ИСН [82], провести анализ точности комплексов SPICE и Electron 1.0.

Рис. 5.9

Чтобы получить устойчивую СУ, необходимо определить границу устойчивости ИНС. Известно из [82], что условие устойчивости определяется по формуле г4ьсУ

5.1) яс к, V, [0.5-г (I - у)] + Кт Г, (2Г -1) ■~~ < 2 ч I у где

КсгКфКрК^Щи^

5.2)

Кат~Кф KdU6 Rj/(UnRQ);

Кф=1 - коэффициент передачи фильтра,

Kd=Rai/{Rdi+Rd2) -коэффициент передачи делителя напряжения, включенного между выходом ИСН и входом усилителя рассогласования DA2; K2-R^{Ri5+KdRd'\) - коэффициент усиления суммирующего усилителя DA2 для инвертирующего входа;

Кг коэффициент усиления усилителя DA1 для неинвертирующего входа; и0п=и0П1(К2+1)/К2- опорное напряжение, пересчитанное к инвертирующему входу усилителя DA2;

Ri=Ri(K'i-1)Kr сопротивление передачи датчика тока Я?/ , пересчитанное к неинвертирующему входу DA1; у = 0,5- коэффициент заполнения импульсов на входе фильтра; U6 и R6 - базовые значения сопротивления и напряжения; Vi=UBx-/U6 =1 - относительное входное напряжение; Un- пилообразное напряжение, подаваемое на вход компаратора DA3.

При заданных параметрах (рис.5.9) L=1 мГн, С=5 мкФ, 7=20 мс, Кф=1, Кд-0,08, Ki=1, Ui=8 В, ¿Уб= 100 В находим по формуле (5.1) К0<98. Чтобы система управления имела запас устойчивости, зададимся К0=60. Далее по известным формулам [82] находим параметры элементов системы управления. По формуле (5.2), при прочих заданных коэффициентах, вычисляется коэффициент усиления К2=60. Далее с помощью программы на языке PASCAL7.0 моделируется переходный процесс с замкнутой СУ для понижающего ИСН с определенными выше параметрами. Результаты расчета ИСН по аналитическим формулам представлены на рис.5.10. Как известно из [82] при создании аналитической модели ИСН принят ряд допущений, а именно, взяты идеальные элементы. В пакете SPICE точность моделирования была задана с помощью директивы управления заданием OPTIONS: по току ABSOLT=1E-5, по напряжению VNTOL-1E-3. Время расчета SPICE- модели ИСН для случая К2=60 Трас=20 мин. для 386 процессора. По точности кривые переходных процессов для идеальных элементов различаются примерно на 5 - 7%. Установившиеся режимы отличаются примерно на 2%.

Рис.5.10. Результаты расчета ИСН различными методами (рис.5.9) (параметры : L=1 мГн, С=5 мкФ, т= 20 мс, Кф=1, Кй=0.08, Ki=1,U„=8 В, Ц>=100 В):

1 - аналитический,

2 - SPICE, Electron

0 10 20 30 40

Итак, проведенный сравнительный анализ расчета ИСН с замкнутой системой регулирования показал, что точность порядка 10% является вполне допустимой для инженерной практики, поэтому можно рекомендовать моделирование устройств силовой электроники с замкнутой СУ, особенно когда аналитическое описание затруднено. и н,В 100

80

60

40

20

Г— 1 2

А Г \

V-

I пепиолы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 .Усовершенствована методика машинного составления УПС: показано, что алгоритмы машинного формирования УПС целесообразно строить на основе гибридного базиса переменных состояния, который позволяет минимизировать затраты машинного времени при расчете схемы электронного устройства; при формировании УПС электронного устройства должны быть решены задачи построения дерева графа, матрицы главных сечений, определения границ блочных матриц; предложено задачу построения дерева графа решать согласно определенному приоритету, который обеспечивает автоматическое получение нормального дерева (ребра - элементы с независимыми напряжениями, а хорды - элементы с независимыми токами); разработанные алгоритмы автоматического формирования УПС устройства повышают быстродействие и эффективность расчетов высокочастотных устройств с переменной структурой, включая особые контуры и сечения.

2.Разработана методика автоматизации анализа режимов работы полупроводниковых преобразователей, основанная на сочетании метода проекторов (спектральном разложении матрицы схемы) и метода Галеркина с конечно - элементной моделью, который позволяет реализовать единый алгоритм анализа и параметрического синтеза электронных устройств.

3.Усовершенствован метод ускоренного расчета установившегося режима ТПЧ, интегрирующий в себе новые способы автоматического формирования математической модели устройств на интервалах однородности.

4.Разработаны СУБД полупроводниковых приборов, являющихся элементной базой устройств силовой электроники, что позволяет автоматизировать процесс обработки данных.

5.Исследован ряд макромоделей тиристоров, в частности, для расчета высокочастотных тиристорных преобразователей, что позволило обосновать оптимальную по быстродействию и точности модель тиристора.

6. На основе предложенных в работе алгоритмов автоматизированного формирования УПС устройств силовой электроники, а также эффективных алгоритмов анализа разработан программный комплекс Electron 1.0, который успешно применялся для расчета стационарных и переходных процессов ряда полупроводниковых преобразователей частоты и других устройств силовой электроники. Предложенные в диссертационной работе алгоритмы и способы анализа нашли применение в разработках НПП «Бреслер» г. Чебоксары, ОАО «КИП-Контур», ОАО «ЭЛАРА».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скипина, Людмила Николаевна, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем./ Пер. с англ. - М.: Энергия, 1980.- 640 с.

2. Сигорский В.П., Петренко А.И. Алгоритмы анализа электронных схем. -М.: Сов. Радио, 1976.- 608 с.

3. Дижур Д.П. Метод моделирования на ЦВМ вентильных преобразовательных схем// Сб. трудов НИИПТ. -1970.-N 16.

4. Овчинников И.Е., Плахтына Е.Г., Рябов В.Н. Автоматизированная система моделирования регулируемых бесколлекторных электрических машин.// Электричество.- 1985.- N 3.- С. 30-35.

5. Фидлер Дж. К., Найтингейл К. Машинное проектирование электронных схем: Пер. с англ. Г.Г. Казаннова.- М.: Высш. шк., 1985.- 434 с.

6. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1988.

7. Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем. - М.: Радио и связь, 1982.152 с.

8. Самарский A.A. Теория разностных схем: Учеб. пособие . - М.: Наука. Главная редакция физ. - мат. лит., 1983. - 616 с.

9. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов/ Пер. с англ.; Под ред. Б.Е. Победри. - М.: Мир, 1979.- 392 с.

10. Шеин А.Б. Формирование уравнений системы, описывающей линейные электрические цепи в динамике на ЦВМ// Спец. вопр. электротермии. -Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1980.- С. 100-101.

11. Шеин А.Б. Алгоритм анализа электрических цепей преобразовательных устройств на сочетании метода Галеркина с конечно-элементной моделью//Полупроводниковые устройства преобразовательной техники.-Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1985.- С. 67-74.

12. Мелещкин B.H. Алгоритм определения матриц связи в уравнениях состояния электрических цепей //Электричество.- 1979.- №7.- С. 15-20.

13. Шеин А.Б., Шеин Е.Б., Скипина Л.Н. Анализ и параметрический синтез на сочетании метода Галеркина с конечно-элементной моделью// Информэлектро. -1990.- №176-ЭТ-90. -110 с.

14. Анисимов В.И., Дмитревич Г.Д., Ежов С.Н. и др. Автоматизация схемотехнического проектирования на мини ЭВМ: Учеб. пособие/ Под ред. В.И. Анисимова. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983.- 200 с.

15. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики.- М.: Наука. Главная . редакция физ. - мат. лит., 1980.- 536 с.

16. Катцельсон. AEDNET - система программ для моделирования нелинейных цепей//ТИИЭР. -1966. -Т. 54, №11.

17. Трохименко Я.К., Каширский И.С., Ловкий В.К. Проектирование радиотехнических схем на инженерных ЭЦВМ.-Киев: Техника, 1976.-272с.

18. Деруссо П., Рой Р., Клоуз Ч. Пространство состояний в теории управления/ Пер. с англ.- М.: Наука,- 1970.

19. Шеин А.Б., Скипина Л.Н. Программная реализация алгоритма формирования уравнений переменных состояния// Электромеханика.-1992.- №1.- С.28-33.

20. Шеин А.Б., Скипина Л.Н. Формирование уравнений переменных состояния электрических цепей на ЭВМ// Информэлектро.-1991.-№59 -ЭТ-91.- 48 с.

• 21. Бененсон З.М.,. Елистратов М.Р, Ильин Л.К. и др. Моделирование и оптимизация на ЭВМ радиоэлектронных устройств/ Под ред. З.М. Бененсона.- М.: Радио и связь,-1981.

22. Ермолаев Ю.М. Методы решения нелинейных экстремальных задач// Кибернетика.- 1966.- №4.- С. 1-17.

23. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование/ Пер. с англ.; Под ред. Г.П. Акимова. - М.: Мир, 1967.- 506 с.

24. Лященко И.К., Карагодова Е.А., Черникова Н.В., Шор Н.З. Линейное и нелинейное программирование.- Киев: Выща шк., 1975.- 312 с.

25. Тонкаль В.Е. Проблемы оптимизации преобразователей автономной электроэнергетики //Оптимизация преобразователей электромагнитной энергии.- Киев: Наук, думка, 1976.- С. 3-8.

26. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: Пер. с англ.- М.: Мир, 1975.

27. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений: Пер. с англ. Дж. Холла и Дж. Уатта.- М.: Мир, 1979.-264 с.

28. Шеин А.Б., Шеин Е.Б., Скипина Л.Н.. Синтез параметров силового контура электротехнических установок по результатам осциллографирования // Информэлектро.-1993.- №-20-ЭТ-93.- 45 с.

29. Шеин А.Б., Скипина Л.Н. Расчет электрических цепей на ЭВМ// Высшая школа - народному хозяйству Чувашии: Тез. докл. науч.-техн. конф. -Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1992.-С.50.

30. Скипина Л.Н. Преимущества псевдографики в САПР электронных схем//Электромеханика и электротехнологии: Матер. 1-й междунар. науч.- техн. конф.- Суздаль, -1994.- С. 209.

31. Скипина Л.Н. Принципы построения СУБД полупроводниковых приборов// Проблемы преобразования электроэнергии: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф.- М.: Изд-во МЭИ, 1993 .- С.49.

32. Петренко А.И., Власов А.И., Тимченко А.П. Табличные методы моделирования электронных схем на ЦВМЭ.- Киев: Выща шк., 1977.

33. Tuinenga P.W. SPIKE: A guide to circuit simulation using Pspice.- Prentice Hall, 1988.-200 p.

34. Pspice User's guide. MicroSim Corporation. - La Cadena Drive. Laguna Hills, 1989.-450 p.

35. Banzhaf W. Computer aided circuit analysis using SPICE. - Prentice Hall, 1989.

36. Foch H, Reboulet C., Shonek I. A general digital computer simulation program for thyristor static converter (Program SACSO): Appcation Examples// Control in power electronics and electrical drives. Proc. 2 and IFAC Symposium. 1977.- P. 1 - 5.

37. Мустафа Г.М., Шаранов И.Н., Тингаев B.H. Система программ для моделирования устройств преобразовательной техники //Электротехника.-1978.- № 6.- С. 6-10.

38. Разевиг В.Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на персональных ЭВМ. - М.: Изд-во МЭИ, 1991. - 162 с.

39. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSPICE для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 вып. - М.: Радио и связь, 1992.- 120 с.

40. Разевиг В.Д. Design Center 6.2.( Pspice). Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат. - М.: СК Пресс, 1996. -272 с.

41. Сучков Д.И. Проектирование печатных плат в САПР PCAD 4.5. -Обнинск: Микрос, 1992. - 476 с.

42. Потемкин В.Г. Система MATLAB: Справ, пособие.- М.: Диалог - МИФИ, 1997.- 350 с.

43. MatCad 6.0. PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. 2 - е изд., стереотипное. - М.: Информ. дом Филинг, 1997.712 с.

44. Ракитский Ю.В., Устинов С.М., Черноруцкий И.Г. Численные методы решения жестких систем. - М.: Наука, 1979.

45. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. - М.: Высш. шк., 1988. - 335 с.

46. Шеин А.Б., Скипина Л.Н. Анализ электрических цепей на ЭВМ// Информэлектро,-1991.- №-58-ЭТ-91.- 48 с.

47. Шеин А.Б., Скипина Л.Н. Алгоритм ускоренного расчета стационарного режима работы преобразователей частоты// Проблемы преоб-

разовательной техники: Тез. докл. 5-ой всесоюзн. науч.-техн. конф.- Ин-т электродинамики АН УССР.- Киев, 1991.- Т.З.- С. 197-199.

48. Шеин А.Б., Шеин Е.Б., Скипина Л.Н. Расчет установившегося режима работы преобразователя частоты// Проблемы преобразования электроэнергии: Тез. докл. междунар. науч.- техн. конф.- М.: Изд-во МЭИ, 1993.- С. 48.

49. Скипина Л.Н. Программная реализация алгоритма ускоренного расчета установившегося режима полупроводниковых преобразователей/ Чуваш, ун-т, 1998. 12 с. Деп. в ВИНИТИ. 24.11.98. № 3443-В98.

50. Шеин А.Б., Скипина Л.Н. Расчет преобразователей частоты по методу сопряженных комплексных амплитуд//Информэлектро.-1991.- №60-ЭТ-91.-90 с.

51. Такеуки Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей: Пер. с англ. - Л.: Энергия, 1973. - 249 с.

52. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. - Л.: Энергия, 1973.

53. Мишин В.М., Собор И.В. Аппроксимация кривых намагничивания кубическими сплайнами //Изв. вузов. Энергетика. - 1978.- № 7.- С. 123126.

54. Кошелев П.А., Смирнов В.В., Ермилин С.А., Ященко Н.М.

Моделирование процессов в сварочном источнике тока с высокочастотным звеном// Электротехника. - 1985.- №3.

55. Справочник по преобразовательной технике /Под ред. И.М. Чиженко.-Киев: Техника, 1978.

56. Васильев А.С,.Дзлиев С.В, и др. Статические преобразователи частоты в системах централизованного питания индукционных нагревателей // Электротехника. - 1982.- №8.- С. 40-42.

57. Беркович Е.И., Ивенский Г.В., Иоффе Ю.С., Матчак А.Т., Моргун В.В.Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок.-Л.: Энергоиздат, 1983.

58. Васильев А.С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева. - М.: Энергия, 1974.

59. Васильев А.С., Слухоцкий А.Е. Перспективы развития вентильных преобразователей частоты для питания установок индукционного нагрева// Электричество. -1980. - №2.- С.56-58.

60. Автоматизация новейших электротехнологических процессов в машиностроении на основе применения полупроводниковых преобразователей частоты с целью экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов// Тез. докл. 5 всесоюз. науч.-техн. конф. - Изд-во УАИ.-Уфа, 1984.

61.Гитгарц Д.А., Пельц Б.Б. Развитие систем управления электротермическими процессами и установками// Электротехника.-1979.-№8.-С. 4-12.

62. Глинтерник С.Р. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.

63. Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1983.

64. Донской А.В., Кулик В.Д. Теория и схемы тиристорных инверторов повышенной частоты с широтным регулированием напряжения. - Л.: Энергия, 1980.

65. Смит Дж. М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров исследователей/ Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1980.

66. Деккер К., Вервер Я. Устойчивость методов Рунге -Кутты для жёстких нелинейных дифференциальных уравнений/ Пер.с англ. - М.: Мир, 1984.

67. Уилкинсон Дж. Алгебраическая проблема собственных значений/ Пер. с англ.- М.: Наука,1970.

68. A SPICE model of the thyristor for use ¡n static power converter studies/ Kennedy Michael A., Imece Ali F// Proc. 19 th Annu. N. Amer. Power Symp. NAP' 87 Edmonton. Oct. 22-23. - New York, 1987.- P.103 -109.

69. Avant R.L., Lee F.C. A Unified SCR model for continuóse topology CADA/ IEEE Trans on Industrial Electronics.- 1984.- Nov. - V. IE-31.

70. Сапегин П.А.,Шелковников Б.Н. Влияние изменения параметров макромодели силового тиристора на выходные характеристики/ Проблемы преобразовательной техники: Тез. докл. 5 всерос. науч.- техн. конф. - Киев: Изд-во Ин-та электродинамики АН УССР, 1991.Т.З.- С.145-148.

71. Шеин А.Б., Скипина Л.Н. Исследование моделей тиристора на PSPICE 4.0.// Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Тез. докл. межвуз. науч.-техн. конф. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1995.- С. 108-109.

72. Скипина Л.Н. Адаптация макромодели тиристора для расчета схем высокочастотных преобразователей// Электроснабжение и автоматизация промышленных предприятий: Межвузов, сб. науч. тр. -Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1997.- С.117-119.

73. Лопухина Е. М., Сомихина Г.С., Расчет асинхронных микродвигателей однофазного и трехфазного тока.- М.: Госэнергоиздат, 1961. - 311 с.

74. Шеин А.Б., Шеин Е.Б., Скипина Л.Н. Адаптивная система управления для двухфазного асинхронного двигателя// Цифровая обработка многомерных сигналов: Тез. докл. всерос. науч.-техн. конф. - Йошкар-Ола: Изд-во Map. гос. техн. ун-та, 1996.- С. 153-155.

75. Шеин А.Б., Шеин Е.Б., Скипина Л.Н. Транзисторное устройство регулирования частоты вращения двухфазного асинхронного двигателя// Электромеханика и электротехнологии: Матер. 2-й междунар. науч.-техн. конф.- Ялта, 1996. - С. 18.

76. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1987.120 с.

77. Белов Г.А., Скипина Л.Н. Создание библиотеки элементов для модели цифровой системы управления резонансным преобразователем //Цифровая обработка многомерных сигналов: Тез. докл. всерос. науч.-техн. конф.- Йошкар-Ола: Изд-во Map. гос. техн. ун-та, 1996.- С.146-148.

78. Белов Г.А., Скипина Л.Н. и др. Моделирование резонансного преобразователя постоянного напряжения с замкнутой системой управления в среде РБРЮЕ/УИнформ. технол. в электротехнике и электроэнергетике: Тез. докл. всерос. межвуз. науч.-техн. конф.-Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1996. - С.142-145.

79. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Радио и связь, 1992. - 336 с.

80. Иванов А.М., Скипина Л.Н. Моделирование тиристорного преобразователя постоянного напряжения с помощью пакета программ PSPICE// Тез. докл. итоговой науч.-техн. конф.- Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1997.- С. 47-48.

81. Иванов A.M., Скипина Л.Н. Система управления для тиристорного преобразователя постоянного напряжения в среде PSPICE///Te3. докл. итоговой науч.-техн. конф. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1997. -С.49-50.

82. Белов Г.А. Полупроводниковые импульсные преобразователи постоянного напряжения: Учеб. пособие. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, унта, 1994.-96 с.

83. Иванов A.M., Скипина Л.Н. Сравнение аналитической модели замкнутой системы управления для ИСН со SPICE- моделью// Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Матер. 2- й всерос. науч.-техн. конф.- Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, -1997.-С.61-65.

84. Скипина Л.Н. Моделирование в SPICE резонансного преобразователя на МОП - транзисторах/ Чуваш, ун-т, 1998. 9 с. Деп. в ВИНИТИ. 30.01.98. № 232Т/В98.

85. Скипина Л.Н. Особенности моделирования импульсных стабилизаторов напряжения средствами SPICE// Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве: Матер, ежегод. науч. техн. - конф. студ. и асп. вузов России. М.: Изд-во МЭИ, 1998.- С. 57-58.

86. Bello V. Computer program adds SPICE to switching - regulator analysis/ Electronic Design. -1981.- Match 5.

87. Аплен Фм Санчес Синенсио Э. Электронные схемы с переключаемыми конденсаторами: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - 576 с.

88. Y. S. Lee. IEEE Trans. Ind. Electron.- 1985.-, Vol. IE-32, № 4, pp. 445-448.

89. S. Cuk and R.D. Middledrook. IEEE Power Electron. Spec. Conf. 1977.-Vol.№ 3. Record.- p. 160 -179.