Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В МС И/ИЛИ MATLAB
Монография
Архангельск
ИД САФУ
2014
1
Стр.1
УДК 621.314: 621.319: 629.12
ББК 31.2
И88
Авторы: М.М. Музыка, Е.В. Лимонникова, С.В. Платоненков, А.И. Черевко,
И.А. Сакович, И.Ю. Кузьмин
Рецензенты: П.О. Потего, главный инженер ОАО «СПО Арктика»;
Б.Ф. Дмитриев, доктор технических наук, профессор кафедры
«Электротехника и электрооборудование судов» СПбГМТУ
Исследование эффективности работы управляемых выпрямителей меИ88
тодами
математического моделирования в MC и/или Matlab: монография /
[М.М. Музыка и др.]; под ред. А.И. Черевко; Сев. (Арктич.) федер. ун-т. –
Архангельск: ИД САФУ, 2014. – 107 с.
ISBN 978-5-261-00931-3
Приведены результаты исследования разработанных авторами схемотехнических
и математических моделей полупроводниковых преобразователей,
содержащих согласующие трансформаторы с пульсирующими и
вращающимися магнитными полями. Схемотехнические модели выпрямителей
и инверторов, построенные на базе трансформаторов с вращающимися
магнитными полями, разработаны в программной среде Micro-Cap и
Matlab. Выполнены исследования спектральных составов питающих и выходных
токов и напряжений преобразователей и установлены связи между
качеством выходных токов и напряжений и числом пар силовых ключей
коммутаторов, сделаны выводы об эффективности преобразователей с
разным числом пар силовых ключей.
Математическая модель выпрямителя на базе трансформатора с вращающимся
магнитным полем разработана в программной среде MatLabSimulink
и предназначена для исследования динамических режимов работы
преобразователя нового типа.
Для научных и инженерно-технических работников, а также аспирантов
и студентов электротехнических специальностей.
ISBN 978-5-261-00931-3
© Северный (Арктический) федеральный
университет им. М.В. Ломоносова, 2014
2
Стр.2
ВВЕДЕНИЕ
На этапе проектирования управляемых выпрямителей (УВ), как и другого
сложного электрооборудования, возникает необходимость в ориентировочной
оценке эффективности его работы. При этом показателями эффективности
могут быть как параметры, рассчитать которые возможно с помощью
существующих или выведенных аналитических зависимостей, так и параметры,
которые с достаточной достоверностью можно вычислить лишь по
результатам работы самого устройства, поскольку они включают в себя характеристики
совместной работы многих составляющих с разбросом собственных
параметров функционирования. Кроме того, при расчете качественных
показателей функционирования по известным аналитическим зависимостям
могут возникать неточности как раз из-за неучета параметров
реальных элементов, входящих в схему устройства.
Еще до этапа создания лабораторного образца прибора существует возможность
оценить многие показатели эффективности работы устройств на
математической модели, которая осуществляет имитацию работы реального
устройства с большей степенью точности, чем возможно описать аналитическими
зависимостями.
В пользу использования математического моделирования говорят еще
меньшие затраты на получение результатов исследования работы устройства
в аварийных режимах по сравнению с подобными исследованиями на лабораторных
или опытных образцах.
В данной работе рассмотрены два подхода к изучению функционирования
технических объектов с помощью моделирования. В первом разделе – непосредственно
математическое моделирование, для реализации которого необходимо
досконально представлять себе физику происходящих в объекте
процессов. Реализуются посторонние математической модели в среде визуальной
математики Simulink математического пакета Matlab. Во втором разделе
рассмотрено построение математической модели исследуемого объекта
в среде схемотехнического (имитационного) моделирования Micrо-Cap
(МС), которая позволяет без составления дифференциальных уравнений объекта
строить его модель в виде принципиальной электрической схемы из моделей
элементов, входящих в библиотеку или разработанных пользователем.
3
Стр.3
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Черевко А.И., Музыка М.М., Лимонникова Е.В. Схемотехническое и математическое
моделирование полупроводниковых преобразователей, содержащих согласующие
трансформаторы с вращающимися магнитными полями. Архангельск:
АГТУ, 2005. 179 с.
2. Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых
преобразователей и судовых электроустановок. Л.: Судостроение, 1990.
3. Полупроводниковые выпрямители / под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой.
М.; Л.: Энергия, 1978. 448 с.
4. Правила классификации и постройки морских судов / Российский морской регистр
судоходства. СПб., 1999. Т. 2. 505 с.
5. Амелина М., Амелин С. Программа схемотехнического моделирования MicroCap
8. М., 2007. 464 с.
6. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. М.,
2003. 368 с.
7. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника. M.:
Издат. дом МЭИ, 2009. 632 с.
8. Иванов В.А., Иванова Н.А., Шукалов В.Ф. Многофазные выпрямители на базе
трансформаторов с вращающимся магнитным полем // Межвузовский сборник
ЛЭТИ. Л., 1980. № 144. С. 120–123.
9. Сингаевский, Н.А Многофазный сварочный выпрямитель на основе ТВП //
Научно-техн. сб. КубГАУ. Краснодар, 2005. С. 71–74.
10. Анисимов Я.Ф., Жук А.К. Сетевые фильтры в автономных электроэнергетических
системах с тиристорными преобразователями // Проблемы преобразования
параметров электрической энергии. Киев: Наукова думка, 1979. С. 134–141.
11. Гордеев Б. Н., Анисимов Я. Ф. Анализ энергетических показателей автономных
электроэнергосистем с полупроводниковыми преобразователями // Техн. электродинамика.
Киев, 1987. № 4. С. 44–46.
12. Черевко А.И., Музыка М.М. Исследование влияния управляемых выпрямителей
с трансформаторами вращающегося магнитного поля на питающую сеть //
Электротехника. 2008. № 10. С. 28–35.
13. Добрусин Л.А., Павлович А.Г. Компенсация воздействия вентильной
нагрузки на питающую сеть // Проблемы технической электродинамики. 1974.
Вып. 45. С. 161–187.
14. Иванов В.С., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии
систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987.
336 с.
15. Агунов М.В. Энергетические процессы в электрических цепях с несинусоидальными
режимами и их эффективность. Кишинев; Тольятти: МолдНИИТЭИ,
1997. 84 с.
105
Стр.105
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..........................................................................................................
1. Оценка эффективности работы управляемого выпрямителя с
транзисторным коммутатором на 8 пар силовых ключей на базе
ТВМП в Matlab/Simulink ...........................................................................
1.1. Аналитическое описание управляемого выпрямителя с транзисторным
коммутатором на 8 пар силовых ключей ........................
1.2. Модель управляемого выпрямителя на 8 пар силовых ключей
в среде MatLab/Simulink .......................................................................
1.3. Качество выходного напряжения и тока УВ с ТВМП ...............
2. Оценка эффективности работы управляемых выпрямителей с помощью
моделей, разработанных в среде схемотехнического моделирования
Мicro-Cap .....................................................................................
2.1. Создание моделей в системе схемотехнического моделирования
Мicro-Cap ...................................................................................
2.1.1. Краткое описание среды моделирования .............................
2.1.4. Обработка данных, полученных при анализе переходных
процессов ..........................................................................................
3
4
4
23
46
49
49
2.1.2. Построение принципиальной схемы .................................... 51
2.1.3. Анализ переходных процессов .............................................
49
55
59
2.2. Разработка моделей классических схем управляемых выпрямителей...................................................................................................
63
2.2.1. Модель однофазного мостового выпрямителя ....................
2.2.2. Модель трехфазного мостового выпрямителя ....................
63
67
2.3. Модели управляемых выпрямителей с согласующим трансформатором
с вращающимся магнитным полем ...............................
2.3.1. Модели ТВМП ........................................................................
2.3.2. Модели силовой части УВ с ТВМП .....................................
2.3.3. Модели системы управления тиристорным коммутатором
в составе УВ с ТВМП ...............................................................
2.3.4. Модель нагрузки УВ с ТВМП ...............................................
2.4. Результаты анализа характеристик выпрямителей в среде
имитационного моделирования ...........................................................
2.4.1. Исследование качества выпрямленного напряжения УВ с
ТВМП в схемотехнических моделях ..............................................
75
76
81
83
84
2.4.2. Исследование влияния УВ с ТВМП и классических УВ
на качество питающего напряжения ..............................................
2.4.3. Анализ энергетических характеристик УВ с ТВМП .......... 101
84
85
92
Заключение .................................................................................................. 104
Список использованной литературы ............................................................ 105
106
Стр.106
Научное издание
Музыка Михаил Михайлович, Лимонникова Елена Владимировна,
Платоненков Сергей Владимирович и др.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В МС И/ИЛИ MATLAB
Монография
Редактор Е.А. Зажигина
Оригинал-макет и дизайн обложки Е.А. Банниковой
Подписано в печать 03.06.2014. Формат 70×100/16.
Усл. печ. л. 9,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2288.
Издательский дом ФГАОУ ВПО САФУ
163060, г. Архангельск, ул. Урицкого д. 56
107
Стр.107