Компютърно симулиране на електрически системи

ТУ – София

ИПФ Сливен

 

Тема по

 

Компютърно симулиране на електрически системи

 

 

Преподавател : доц. д-р А. Червенков

Изработил : инж. М. Никифоров     ф.н. 04024006

 

Дата:                          

Оценка:

Подпис:

I. Програмна среда PSpice. Съставяне на модели за: анализ на линейни електрически системи; честотен анализ на стационарни режими и определяне на преходни характеристики.

 

С програмният продукт PSpice могат да се изследват постояннотокови и променливотокови характеристики на линейни и нелинейни вериги, преходни процеси, както и да се извършва Фурие-анализ, параметричен анализ, анализ на чувствителността и др. Той се състои от няколко основни модула. Това са редакторът Schematics служещ за въвеждане на схемата подлежаща на симулация, симулаторът PSpice A/D изпълняващ различните видове анализ на аналогови схеми и преходен анализ на цифровите схеми.  Последният основен модул е Probe който служи за визуализация на получените резултати от PSpice A/D, като може да изчислява и различни изходни величини. Съдържат се и няколко помощни модула който не са задължителни за използвани във всеки проект, но улесняват проектирането в някои случаи. Това са PSpice Optimizer, PSpice Model Editor и PSpice Stimulus Editor. Те служат съответно за оптимизация на схеми, за създаване или редактиране на вече готови елементи и последният модул е за създаване на уникални времеви характеристики които могат да се ползват например в VSTIM. 

Ползват се следните основни стъпки при симулацията дадена верига. Първо тя се въвежда графично с помощта на редактора Schematics. Позиционират се първо нужните елементи и се свързват с проводници по желаният начин. Като на всеки елемент се избират работните характеристики (стойност на елемента, начални условия и др.). Като последният етап от изработването на схемата включва поставянето на маркери с което се нарежда на постпроцесора кои величини да бъдат изобразени графично или числено. Вторият етап е свързан с настройка на анализа в зависимост от схемата и търсените характеристики. Това се извършва с функцията Setup Analysis. След което се стартира и самата симулация със Simulate. Тя извършва численото моделиране на веригата – съставянето и решаването на системата уравнения. Третият етап е визуализацията на численото решение с помощта на графичния постпроцесор Probe.

При въвеждането на схемата има няколко правила които трябва да се спазват. Във всяка схема трябва да има поне един базисен възел EGND, като всеки възел трябва да има постояннотокова връзка към него. Ако липсва такава то тя може да се добави с резистор с много голяма стойност. Не се допуска успоредно свързване на бобини или на постояннотокови източници. За да се избегне това към тях се свързват последователно съпротивления с много малко съпротивление. При използването на активни компоненти не трябва да се забравя поставянето на постояннотоково захранване. При въвеждането на мащабните суфикси трябва да се знае че програмата не прави разлика между главни и малки букви което налага използването на означението “MEG”  за стойността мега (10⁹). При записване “М” което е равносилно на “м” стойностна ще се интерпретира като мили.

            За анализ на постояннотоковата характеристика се използва DC Sweep от настройките Setup Analysis. В този случай се изчисляват постоянните токове или напрежения в зависимост от стойностите на източник, параметър или температура, които могат да се изменят в зададени граници.

            За изчисляване на работна точка по постоянен се избира Bias Point Detail. Това е анализът по подразбиране за PSpice. За този режим подходящи за измерването на тока и напрежението са елементите Viewpoint и Iprobe  или функциите Enable Bias Voltage (Current)  Display.

            Честотния анализ се избира с AC Sweep. В този случай се изчислява честотната характеристика на веригата при малък входен сигнал, като веригата се линеаризира около работната точка. Честотата на един или няколко източника може да се изменя в зададен диапазон от честоти. Изчисляват се стойностите на токовете и напреженията във веригата, включително амплитудите и фазите. Настройките за този режим са свързани с начина и границите на изменение на честотата. Това са AC Sweep Type –Linear, Octave и Decade (линейно, логаритмично на октава и съответно на декада) и Sweep Parameters Total Pts, Start Freq. и End Freq (брой точки, начална и крайна честота).

            Анализ на преходния процес се избира с Transient. По този метод се изследва веригата във времето при изменение на дадена входна величина зависима от времето. При този режим са необходими начални условия за бобините и кондензаторите във веригата – съответно ток и напрежение. Ако не са зададени от потребителя програмата прави анализ по постоянен ток за да ги определи след което се извършва анализът на преходния процес. Анализът на преходен процес е по-подробно разгледан при симулацията на заданието в глава III.

 

Задание:

 

            E = 300 V

            R = 2 Ω

            P = 2000 W

            f = 20000 Hz

 

Да се определят токовете и всички реактивни и активни елементи в схемата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Аналитично решение

 

1. Анализ на схемата и нейното действие

 

Схемата работи на 20кHz поради което ще бъде разгледано подробно нейното действие в рамките на един период след който процесите се повтарят. Един период е 50ms, съответно полупериода 25ms. За да не съществува момент в който ще бъдат отпушени и двата транзистора (късо съединение за източника Е) всеки един от тях ще бъде отпушен с 1ms по малко или точно 24ms. Основните процеси в схемата могат да се разделят главно на 6 времеви интервала.

            1. Първият интервал е от t₀ до t₁

Началните условия са C₁ е зареден и има напрежение равно на захранващото 300V, C₂ е напълно разреден. Не протичат токове в схемата, Т₁ преминава от не проводящо в проводящо състояние при което започват да текат токовете i_T i₁ i₂ с посока показана на схемата. Това трае до времето t₁ при което C₁ се е разредил C₂ се е заредил и токовете в съответните клонове са равни нула, а i_T започва да преминава през диода D₁. Заместващата схема за този интервал е показана по-долу.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Втория интервал от t₁ до t₂ 24-та ms

В този интервал токът преминава през L, R, D₁ и T₁. В края на интервала T₁ се запушва и прекъсва тока в този клон. Заместващата схема е показана на следващата фигура.

 

 

 

 

 

 

 

3.Третия интервал е от 24-та до 25-та ms. Втози случай са запушени и двата транзистора и токовете не протичат в схемата.

4. Четвъртия интервал е от t₃ (25-та ms) до t₄ . В началото на този интервал C₁ е разреден, а  C₂ зареден до захранващото напрежение 300V. Тук вече е отпушен Т₂ ,а  Т₁ запушен. Действителната посока на токовете е обратна от показаната на схемата. Вижда се че тази заместваща схема е аналогична на тази от първия интервал и че токът ще се изменя по същия закон но ще тече в обратна посока. Затова изследването му не е необходимо.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Пети интервал е от t₄ до 49-та ms. Той е аналогичен на втория интервал като товарният ток е с отрицателен знак. Поради тази причина изследването му е излишно. Заместващата схема е показана на следващата фигура.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Шести интервал от 49-та ms до 50-та ms. Т₂ се запушва, а Т₁ остава запушен и не протичат токове в схемата.

 

 

2. Изследване на (t)

 

2.1.Изследване на (t)  в интервала от t₀ до t₁

 

 

 

                       

 

                       

 

 

 

 

+

 

 

C1=C2=C

 

 

/  :2

 

 

 

	2C1=2C2=2C=Ce

 

 

 

 

/

           

 

           

 

           

 

 

/  : p

           

 

           

 

           

 

           

 

           

 

           

 

           

2.2. Определяне на максимума на i_T(t) - t_m

i_T^’(t)=0

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Определяне на t₁

 

           

 

           

 

           

 

           

 

           

 

            При U_C1=0    

 

           

 

           

 

                      

 

 

2.4. Изследване на i_T(t) при t₁ <t< t₂

 

           

 

           

 

           

 

                                                     

 

           

3.Избор на елементите от схемата.

3.1. Изчисляване на кондензаторите C₁ и C₂

                Кондензаторите се избират на база мощността която съхраняват и съответно отдават на консуматора.

               

               

 

                 

 

Кондензаторите C₁ и C₂ са със стойност 1,1mF и реактивна мощност 10kVAr .

 

3.2. Изчисляване на бобината L

Изчисляване примерна стойност на L при f=20kHz при не отчитане на затихването.

     

 

Затихването и ъгловата скорост с отчитането му:

 

           

 

Ъгълът при който токът достига максималната си стойност:

                 

Времето за което токът достига максимума си:

 

Ъгълът при който C₁  е напълно разреден:

 

 

 

Токът  i_T при t=24μs:

 

 

 

С така подбраната бобина токът при запушването на транзистора е недопустимо висок. Поради тази причина намалям стойността на бобината докато се получат стойности на тока удовлетворяващи проекта.

 

-за L=20 μH

 

 

           

 

                 

 

 

 

 

Токът  i_T при t=24μs:

 

 

 

-за L=10 μH

 

 

           

 

                 

 

 

 

 

 

Токът  i_T при t=24μs:

 

 

-за L=6 μH

 

 

           

 

                 

 

 

 

 

 

 

Токът  i_T при t=24μs:

 

 

Стойностна на тока при t=24μs е достатъчно малък поради което избирам за стойност на бобината L=6μH.

Проверка на условието за резонанс:

R<2r

При тези стойности на реактивните елементи изменението на тока във времето за един период е дадено на следващата фигура.

 

 

3.3. Избор на транзисторите Т₁ и Т₂

Транзисторите Т₁ и Т₂ избирам по напрежение минимум 300V, колекторен ток мин. 90А и работна честота 20kHz.

На тези условия отговаря IGB транзистора IXGR 120N60B.

HiPerFAST_TM IGBT      IXGR 120N60B

VCES = 600 V

IC25 = 156 A

VCE(sat) = 2.1 V

 

Пълно описание на транзистора на http://www.ixys.com/98744.pdf

 

3.4. Избор на диодите D₁ и D₂

Диодите D₁ и D₂ избирам по обратно напрежение мин. 300V, максимален ток в права посока мин. 34 A и скорост на нарастване на тока. На тези условия отговаря бързодействащия диод DSEI30-06А.

 

Пълно описание на диода на http://www.ixys.com/93019.pdf

 

          III. Компютърна симулация и анализ на резултатите

 

            Компютърната симулация на схемата реализирана с помощта на програмният продукт PSpice  е показана на  следващата фигура. За захранващ източник се ползва елементът VSRC със зададено постоянно напрежение със стойност 300V. Кондензаторите са стандартни елементи C със стойности равни на тези изчислени в точка 3.1 - по 1.1µF и начални стойности както следва C₁=300 V и C₂=0 V. Диодите са Dbreak и товарът със стойност 2 Ω е елемент R. Транзисторите са избрани IXGH40N60 поради липса на алтернативни IGBT който да удовлетворяват изискванията на схемата. Подробна спецификация за тях е дадена малко по-долу. Те се управляват от генератори на напрежение VPULSE със подходяща форма на изходните импулси които да превключват транзисторите със честота 20000 Hz.  Всеки един подава високо ниво на изхода си за 24µs като импулсите на V2 и V3 са изместени на 25µs помежду си. Времената на нарастване и падане на фронта са по 0s с цел максимално подобие с аналитично решената схема. Бобината в резонансния кръг е стандартен елемент L със параметрична стойност с име “bobina”, която стойност ще се изменя в процеса на симулацията от  6µH до 9µH със стъпка на увеличение 1µH. Нейното начално условие е ток със стойност 0А.

Целта на симулацията е намиране на стойността на L и сравняване резултатите получени от аналитичното решение с тези от PSpice.

Транзисторите Z3 и Z4 са IXGH40N60 със следните характеристики :

 

 

 

За правилната симулация на схемата се правият следните настройки в Setup Analysis. Отбелязват се с отметка само Parametric и Transient ( изследване на преходен процес с параметрична стойност на бобината L ). В настройките на Parametric се избира Global Parameter от полето Swept Var. Type и в полето Name  се записва bobina ( желания параметър за вариране с него ). За Sweep Type се избира Linear ( линейно изменение на променливата ). В полетата Start Value, End Value и Increment  се записват следните стойности 6u, 9u и 1u. В настройките на Transient за Final Time се въвежда стойност 50us и се поставя отметка на функцията Skip initial transient solution. 

За тока през товара се получават графиките показани по-долу. Със зелената графика се представя токът при стойност на бобината 6µН, червената отговаря на стойност 7µН, синята - 8µН и синьо-зелената е при 9 µН.

 

 

Както и при аналитичното решение за избор на стойност на L се следи тока през  24-тата микросекунда (времето през което се запушва транзистора). Той трябва да е сравнително малък за да не се получават опасни пренапрежения.

От следващата графика ( увеличена за интервала 22-25 µs ) се вижда че токът при стойности 9µН за L е твърде висок 1.0933 при t=24µs. Но при стойност 8µН е сравнително нисък (0,331) и може да се приеме като окончателна стойност. Забелязва се сравнително разминаване със стойността изчислена в точка 3.2 дължащо се на идеализиране на схемата.

 

 

От следващата графика се наблюдава изменението на тока през диода D₁, като токът през диодът D₂ е аналогичен. Вижда се че за разлика от идеализираната схема при аналитичното решение тук имаме закъснение на отпушването на диода и крайна скорост на нарастване на тока през него. Времето за достигане на максимума е малко повече от 1µs за графиката при стойност 8µН на бобината ( жълтата графика ), което е задоволително като бързодействие на диода. Максималният ток през диода е 34,964 А.

При 6µН се получава максимален ток от 26 А. Разлика от стойността получена при аналитичното решение се дължи на не отчитането на пада на напрежение върху транзисторите и диода.

 

За напрежението на C₂ се получава следващата графика. Като напрежението на C₁ се намира от зависимостта че напрежението на двата кондензатора е равно  на захранващото - 300V.