Исследование устройств силовой электроники с помощью имитационного моделирования

ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ

УДК 621.314

Гельман М.В., Брылина О.Г.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Аннотация. Данная статья посвящена применению виртуального моделирования в математическом пакете MatLab + Simulink, используемого при изучении курса «Силовая электроника». Рассмотрены особенности и преимущества виртуального моделирования. На примере одной лабораторной работы «Исследование однокомплектного рекуперирующего преобразователя» показаны некоторые возможности математического пакета. Сочетание виртуальных лабораторных работ и лабораторных работ, выполняемых на физических стендах, позволяет повысить качество обучения, а также развить интерес у учащихся высших учебных заведений.

Ключевые слова: силовая электроника, MatLab + Simulink, имитационное моделирование, однокомплектный рекуперирующий преобразователь.

Силовая электроника приобретает все большее значение при подготовке специалистов в области электротехники. На кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок ЮжноУральского государственного университета при изучении курса «Силовая электроника», как и в других вузах, уже много лет используется не только физическое, но и виртуальное моделирование в среде Matlab+Simulink [1-6].

Разработанные модели непрерывно совершенствуются и развиваются в соответствии с новыми версиями пакета Matlab+Simulink.

Виртуальное (имитационное) моделирование позволяет дополнить возможности физического моделирования.

Достоинства виртуального моделирования:

1) возможность исследования преобразователей с параметрами, соответствующими любой мощности, что обеспечивает возможность получения реальных характеристик;

2) возможность изменения параметров исследуемых систем в широких пределах, включая аварийные режимы работы;

3) доступность измерения параметров режима практически любого узла схемы;

4) возможность реализации любых сложных измерений (спектрального состава, составляющих мощности, коэффициентов несинусоидальности, гармоник, КПД и т.п.);

5) гибкая, легко изменяемая структура; возможность использования изученных моделей звеньев в многозвенных структурах;

6) возможность индивидуализации обучения (большое число вариантов любой сложности);

7) возможность обучения на одних и тех же моделях бакалавров и магистров путем изменения глубины исследования;

8) простота и дешевизна развития лабораторных работ после начальных вложений.

Наличие физических моделей позволяет легко проверить адекватность виртуальных.

Лабораторный комплекс включает в себя работы, посвященные исследованию: однофазных и трехфазных управляемых и неуправляемых выпрямителей, ведомых инверторов, реверсивных преобразователей, преобразователей постоянного напряжения, автономных инверторов напряжения, преобразователей частоты, обратимых преобразователей напряжения (активных выпрямителей).

Особое внимание в работах уделяется энергетическим показателям и путям их улучшения.

Проведение виртуальной лабораторной работы подразумевает наличие двух этапов:

1. Выполнение предварительного домашнего задания:

а) изучение теоретического материала по соответствующей теме курса;

б) предварительный домашний расчет основных параметров изучаемой системы и построение характеристик (регулировочных, внешних или энергетических) по приближенным формулам, полученным при общепринятых допущениях [6].

2. Экспериментальное исследование на базе виртуальных моделей.

Для примера рассмотрим работу «Исследование однокомплектного рекуперирующего преобразователя», в которой особое внимание уделено вопросам энергообмена и энергетическим показателям:

На рис. 1 приведена принципиальная схема и модель рекуперирующего преобразователя. В блоке BIP производится обработка сигналов, снимаемых с элементов схемы. В блоке EDS система автоматического регулирования ЭДС (противо ЭДС) позволяет либо стабилизировать ток нагрузки, либо изменять его по заданному закону в зависимости от положения ключа Switch 2.

ABC

V4 Л Ь I с , .LlQl,VI

V2 V5

Rd id Ld Е,+ «- ud -

......,............ ...................................... ..................j...................................

r- \ Г\ Г\ Г* v л Г\ Г\ Г\ f\ Г\ f~\ Г\ \ Л А А Л Л

f V V V V VVVVVVVV VVVVVv

Id max : :

I i i i I I

Рис. 1. Схема однокомплектного рекуперирующего преобразователя (а) и его виртуальная модель (б),

предназначенная для исследования

При нижнем положении ключей Switch 1, Switch 3 и верхнем Switch 2 модель обеспечивает изучение перехода от выпрямительного к инверторному режиму и одновременное снятие регулировочной и энергетических характеристик при постоянстве тока нагрузки. Постоянство тока нагрузки обеспечивается за счет нагрузки. При переключении ключей происходит снятие внешних и энергетических характеристик при заданных углах управления, а также снятие и построение ограничительной характеристики.

При некотором изменении модели и учете внутреннего сопротивления сети производится исследование влияния преобразователя на питающую сеть. Определяется спектр гармоник и качество напряжения сети. Исследуется влияние различных факторов на качество напряжения питающей сети.

На рис. 2 приведены осциллограммы, поясняющие работу схемы. При оформлении отчета на осциллограммах рекомендуется отмечать все основные величины и параметры (а, у, Id max, Uamax), характеризующие особенности изучаемой схемы.

На рис. 3 представлены внешние Ud = f(Id), регулировочные Ud = f(a) и энергетические характеристики ц = f(a) и X = f(a), построенные с помощью графопостроителей и осциллографа. На рис. 4 приведен спектральный состав напряжения сети при работе преобразователя.

Рис. 2. Осциллограммы процессов в рекуперирующем преобразователе

Рис. 3. Пример построения регулировочной

рекуперирующего преобразователя

Рис. 4. Панель инструментов (а) и смотровое окно (б) с временной диаграммой напряжения на входе преобразователя и1 и разложение кривой напряжения в спектр

Как показала практика, фронтальное проведение виртуальных лабораторных работ превращает общение преподавателя со студентами в творческий процесс, появляется возможность оперативного обмена мнениями сразу со всеми участниками группы. Виртуальное моделирование позволяет легко изменять ход работы, например, преподаватель или сами студенты ставят вопросы и отвечают на них, проведя эксперименты, если не могут ответить на них на основе ранее полученных знаний.

Сочетание виртуальных лабораторных работ и лабораторных работ, выполняемых на физических стендах, созданных совместными усилиями кафедры и ООО НПП «Учтех-Профи» [3, 4], позволяет повысить качество обучения, а также развить интерес у учащихся.

Список литературы

1. Гельман М.В., Хроменков М.А. Комплекс лабораторных работ по курсу «Преобразовательная техника на основе компьютерного моделирования». Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 6 / под. ред. Сарварова A.C., Одинцова К.Э. Магнитогорск: МГТУ, 2001. С. 221-225.

2. Комплексный автоматизированный стенд для изучения физических основ электроники и преобразовательной техники / Гельман М.В., Ху-саинов Р.З., Дудкин М.М., Терещина О.Г. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2007. Вып. 7. №12(84). С. 19-24.

3. Совместное применение физического и виртуального моделирования при изучении устройств преобразовательной техники / Гельман М.В., Хусаинов Р.З., Дудкин М.М., Терещина О.Г. // Изв. вузов. Электромеханика. 2007. Вып. 5. С. 62-65.

4. Гельман М.В., Брылина О.Г., Дудкин М.М. Комплекс виртуальных лабораторных работ по преобразовательной технике. Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. Вып. 18. под ред. Радионова A.A. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С. 41-49.

5. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, 2007. 300 с.

6. Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование механотрон-ных систем на ПК. СПб.: КОРОНА-Век, 2008. 368 c.

Сведения об авторах

Гельман Морис Владимирович - канд. техн. наук, проф. кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок». Южно-Уральского государственного университета (Национальный исследовательский университет), г.Челябинск. E-mail: mwg@mail.ru.

Брылина Олеся Геннадьевна - канд. техн. наук, доц. кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Южно-Уральского государственного университета (Национальный исследовательский университет), г.Челябинск. E-mail: teolge@mail.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

POWER ELECTRONICS DEVICES RESEARCH USING SIMULATION MODELING

Gelman Moris Vladimirovich - Ph.D. (Eng.), professor, Electric Drive and Automation of Industrial Installations department, South Ural State University (National Research University), Chelyabinsk. E-mail: mwg30@mail.ru.

Brylina Olesya Gennadevna - Ph.D. (Eng.), associate professor, Electric Drive and Automation of Industrial Installations department, South Ural State University (National Research University), Chelyabinsk. E-mail:teolge@mail.ru.

Abstract. The virtual simulation in a technical computing environment MatLab + Simulink is considered in this article. The virtual simulation is used in the course of «Power Electronics». The features and advantages of virtual simulation have been considered. Some features of MatLab have been shown on the example of one laboratory work. It is «The study of one complete regenerating converter». The combination of the virtual laboratory works and the «physical» laboratory works allows to increase the quality of training and to cause student interest at higher educational institutions.

Keywords: power electronics, MatLab + Simulink, simulation modeling, one complete regenerating converter.

References

1. Gelman M.V., Hromenkov M.A. Complex laboratory work by the course of Power Electronics based on the computer modeling. EHlektrotekhniches-kie sistemy i kompleksy: mezhvuz. sb. nauch. trudov. [Electromechanical systems and complexes: Interuniversity collection of scientific papers]. Magnitogorsk, 2001, vol. 6 pp. 221 -225.

Gelman M.V., Husainov R.Z., Dudkin MM., Tereschina O.G. Complex automated stand for studying of the physical basis of electronics and power electronics. Vestnik YUUrGU. Seriya «Energetika» [Bulletin of SUSU. Series «Power engineering»]. 2007, vol 7, no. 12(84), pp. 19-24.

Gelman M.V., Husainov R.Z., Dudkin MM., Tereschina O.G. The combined use of physical and virtual simulation in the study of power electronics. Izv. vuzov. EHlektromekhanika [Izv. High schools. Electromecanics]. 2007, vol. 5, pp.62-65.

Gelman M.V., Brylina O.G., Dudkin MM. Complex virtual laboratory works by the course of Power Electronics. EHlektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Electromechanical systems and complexes: Interuniversity collection of scientific papers]. Magnitogorsk, 2010, vol. 18, pp. 41-49.

German-Galkin S.G. Silovaya ehlektronika: laboratornye raboty na PK. [Power electronics: laboratory works on the PC]. St.Petersburg: Korona print, 2007. 300 p.

German-Galkin S.G. Matlab & Simulink. Proektirovanie mekhanotronnykh sistem na PK [Matlab & Simulink. Designing mechatronic system on PC]. St.Petersburg: Korona-Vek, 2008. 368 p.