автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Повышение эффективности моделирования схем силовой электроники на основеадаптивных алгоритмов численного интегрирования

На правах рукописи

-

ТАНАЗЛЫ Георгий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СХЕМ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ЧИСЛЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ

Специальность 0S.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2005

Работа выполнена на кафедре технической кибернетики в Уфимском государственном авиационном техническом университете

Научный руководитель

д-р техн. наук, доц. МУНАСЫПОВ Рустэм Анварович

Официальные оппоненты

д-р физ.-мат. наук, проф. ЖИТНИКОВ Владимир Павлович канд. техн. наук, доц. МУХОРТОВА Елена Ивановна

Ведущая организация ГУЛ Инновационный

научно-технологический центр «Искра» РБ

Защита диссертации состоится «_»_2005 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д 212.288.03 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу. 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «_»

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

В.В. Миронов

гоое

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время устройства силовой электроники широко используются в системах энергообеспечения и для реализации различных технологических процессов. При этом перечень систем энергообеспечения и технологических процессов непрерывно расширяется. Кроме этого идет непрерывная разработка новых силовых электронных элементов, позволяющих улучшать функциональные характеристики систем преобразования.

Известно большое количество универсальных средств моделирования, позволяющих провести анализ электромагнитных процессов в схемах силовой электроники (ОгСАО, МаИлЬ, МкгоСар, \VEWB и т.д.). Однако, из-за своей универсальности, эффективность их применения для узкого класса анализируемых схем в ряде случаев недостаточна. Из-за этого актуальной является задача повышения эффективности моделирования при анализе конкретного класса схем силовой электроники.

Моделированием электронных схем в России и за рубежом занимается широкий круг исследователей. Среди них - А.Я. Архангельский, А.О. Афанасьев, С.А. Кузнецова, А.В. Нестеренко, О.М. Петраков, В.Д. Разевиг, Д.К. Джиле, Д.Л. Атертон, В.Р. Кертис, Г. Штатц и др. Анализ литературных источников показал, однако, что в работах перечисленных авторов не рассматривались вопросы, связанные с моделированием в области конкретного класса схем силовой электроники.

Решение этих вопросов затруднено многообразием элементов, применяемых в системах силовой электроники и сложностью средств моделирования, функциональные возможности которых в имеющейся литературе освещены не полностью. Поэтому до настоящего времени не удавалось создать адекватные модели и практическую реализацию ряда схем силовой электроники. Попытки применения существующих методик и моделей для исследования данных схем силовой электроники себя не оправдали. Использование стандартных процедур Настройки численных методов интегрирования зачастую приводит к численной неустойчивости процесса моделирования. Также стандартные пакеты не обладают полной базой элементов, применяемых в схемах силовой электроники. Анализ схемы силовой электроники требует получения уточненных моделей таких элементов. Кроме этого, необходимо учитывать специфику работы схемы силовой электроники.

Таким образом, создание методики анализа схем силовой электроники и моделей ряда элементов является актуальной задачей, и это определило цель настоящей работы - повышение эффективности моделирования схем силовой электроники за счет применения адаптивных алгоритмов численного интегрирования, создания новой методики моделирования и использования уточненных моделей элементов.

Цель и задачи работы

Цель настоящей работы - повышение эффективности моделирования схем силовой электроники за счет применения адаптивных алгоритмов численного интегрирования, создания новой методики моде шя уточненных моделей элементов.

Основными задачами работы являются:

1. На основе оценки погрешностей существующих методов численного интегрирования разработать алгоритм моделирования схем силовой электроники, обеспечивающий устойчивость процесса моделирования в исследуемом временном диапазоне за счет адаптивной настройки шага интегрирования по критериям быстродействия и точности.

2. С учетом особенностей, характерных для схем силовой электроники, разработать методику моделирования, повышающую эффективность анализа исследуемых схем.

3. Разработать алгоритм повышения быстродействия процесса моделирования схем силовой электроники на основе метода постоянно-переменной структуры.

4. Разработать на языке Рвргсе уточненные модели базовых элементов, позволяющих автоматизировать процесс моделирования схем силовой электроники с использованием стандартных пакетов моделирования.

5. Провести анализ эффективности предложенных алгоритмов и методик путем их тестирования на примерах моделирования реально существующих схем силовой электроники.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм моделирования схем силовой электроники, основанный на адаптивной настройке управляющих опций с учетом сходимости численных методов интегрирования по критериям быстродействия и точности и позволяющий обеспечить эффективный анализ исследуемых схем за счет достижения устойчивости процесса моделирования во всем исследуемом временном диапазоне.

2. Методика моделирования, учитывающая особенности, характерные для схем силовой электроники, накладываемые топологические ограничения и позволяющая осуществлять анализ как штатных, так и аварийных режимов работы исследуемой схемы.

3. Алгоритм повышения быстродействия процесса моделирования схем силовой электроники на основе метода постоянно-переменной структуры, позволяющего сократить количество элементов исследуемой схемы за счет исключения на время между коммутациями закрытых вентилей.

4. Уточненные модели быстродействующего таблеточного диода ДЧ143-80-20, псевдоидеального диода, быстродействующего тиристора ТБ143-630-14, тороидального ферритового сердечника ТММ2000-32-16-8, высоковольтного высокочастотного трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей, разработанные на языке РБрке и позволяющие автоматизировать процесс анализа схем силовой электроники с использованием стандартных пакетов моделирования.

5. Результаты экспериментальных исследований предложенных алгоритмов и методик на примерах моделирования работы схем зарядного устройства емкостного накопителя энергии на базе двухтактного преобразователя напряжения, источника питания на базе мостового инвертора частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту для индукционного нагрева металлов и генератора с переменной длительностью и частотой следования выходных импульсов.

' Л»,' ! '

Научная новизна работы:

1. Разработан алгоритм моделирования схем силовой электроники, повышающий эффективность их анализа за счет обеспечения устойчивости процесса моделирования во всем исследуемом временном диапазоне. Алгоритм основан на адаптивной настройке на каждом шаге итераций управляющих опций численных методов интегрирования с учетом обеспечения гарантированной сходимости выбранного метода и критериев быстродействия и точности.

2. Разработана методика моделирования схем силовой электроники, повышающая эффективность анализа исследуемых схем за счет учета особенностей, характерных для функционирования схем силовой электроники и топологических ограничений. Методика позволяет анализировать как штатные, так и аварийные режимы работы схем.

3. Разработан алгоритм повышения быстродействия моделирования схем силовой электроники. Алгоритм основан на использовании метода постоянно-переменной структуры, упрощающего процесс анализа за счет исключения из схемы на время между коммутациями закрытых вентилей.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Разработаны модели силового тиристора (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610933) и тороидального ферритового сердечника (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611837), псевдоидеального диода, быстровосстанавливакицегося таблеточного диода ДЧ143-80-20, высокочастотного высоковольтного трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей. Вышеперечисленные уточненные модели базовых элементов разработаны на языке Р8рюе и могут быть использованы при работе со стандартными пакетами моделирования.

2. Проведен анализ эффективности предложенных алгоритмов и методик путем их тестирования на примерах моделирования ряда схем силовой электроники:

- зарядных устройств емкостных накопителей энергии на базе мостовой схемы, мостовой схемы с индуктивно-емкостным преобразователем, схем однотактного и двухтактного преобразователей напряжения, обеспечивающих в системах резонансный подъем напряжения в 103... 104 раз;

- источников питания для индукционного нагрева металлов, выполненных на базе мостового инвертора частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту и на базе мостового инвертора с обратными диодами и включением нагрузки в цепь разделительного конденсатора.

Адекватность разработанных моделей подтверждена экспериментальными исследованиями, проведенными во ФГУП НКТБ «Вихрь» при выполнении хоздоговорных работ по заказам СПП МО при Президиуме РАН и ФГУП ПО «Севмаш», что подтверждается 2 актами о внедрении.

Методы исследования

Для решения поставленных в диссертационной работе задач были применены методы моделирования схем силовой электроники, численные методы, применяемые при моделировании, экспериментальные исследования, подтверждающие кор-

ректность разработанной методики моделирования и достоверность полученных моделей и результатов.

Связь исследований с научными программами Исследования в данном направлении проводились в рамках:

- НИР «Поисковые исследования по созданию новых систем энергетического обеспечения объектов ВВТ космического и других видов базирования на основе использования силовых электронных преобразователей электрической энергии» (шифр «Автовышка»), проводимых Федеральным государственным унитарным предприятием «Научное конструкторско-технологическое бюро «Вихрь» Министерства образования Российской Федерации по заказу Секции прикладных проблем Министерства обороны при Президиуме РАН (Постановление Правительства Российской Федерации от 01 февраля 2001 г. № 75-4);

- выполнения хоздоговорных работ, проводимых по заказу ФГУП «ПО «Северное машиностроительное предприятие» (г. Северодвинск).

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих научно-технических конференциях:

- Международная молодежная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы управления и обработки информации», Уфа, УГАТУ, 2001;

- VIH международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», М., МЭИ, 2002;

- VII симпозиум «Электротехника 2010 год», Московская область, Май 27-29, 2003;

- Международная конференция по компьютерным наукам и информационным технологиям. (CSIT 2003), Уфа, УГАТУ, 2003.

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах.

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 161 странице текста, иллюстрирована 54 рисунками, 20 таблицами, состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 105 наименований и приложения на 42 страницах.

Автор выражает глубокую благодарность старшему научному сотруднику ФГУП НКТБ «Вихрь» Минобразования РФ канд. техн. наук Ю.И. Болотовскому за обстоятельные консультации по вопросам моделирования схем силовой электроники.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность задач исследований, их цель, новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов.

В первой главе проводится анализ проблемы моделирования схем силовой электроники. Рассматриваются особенности проектирования схем силовой электроники.

1) Нелинейности большинства элементов имеют ключевой характер.

2) Длительность переходных процессов может быть достаточно большой (сотни - тысячи периодов выходной частоты).

3) Возможно возникновение различного типа биений, которые могут быть низкочастотными, что требует увеличения времени анализа переходного процесса.

4) При рассмотрении реальных процессов выключения силовых вентилей необходимо рассматривать переходный процесс их выключения, когда токи могут быть достаточно малыми (до единиц ампер), а скорости изменения этих токов -очень большими (порядка тысячи ампер в микросекунду).

5) Поведение схемы во время переходного процесса может существенным образом отличаться от такового в установившихся режимах и требует детального рассмотрения для избежания аварийных ситуаций (перенапряжения, экстратоки, сокращения времени восстановления запирающих свойств для тиристоров и т.д.).

6) Токи и напряжения на элементах схемы могут изменяться достаточно быстро (микросекунды - десятые доли микросекунд).

7) Токи и напряжения в схемах могут достигать больших значений (десятки тысяч вольт и ампер).

8) Переход сердечника из ненасыщенного состояния в насыщенное может приводить к изменению токов с крутизной порядка Ю10 А/с.

9) Схемы силовой электроники в большинстве случаев требуют для своего функционирования совместной работы с системой управления, автоматики, защиты, то есть с системой слаботочной электроники. В зависимости от степени детализации при моделировании может возникнуть необходимость рассмотрения в рамках одной модели цифровых и аналоговых микросхем и силовых высоковольтных высокочастотных вентилей.

10) В схемах силовой электроники может применяться параллельное и/или последовательное соединение вентилей.

11) Разработка схем силовой электроники может потребовать анализа аварийных режимов.

12) Достаточно часто в схемах силовой электроники используются их резонансные свойства. При этом в случае, если резонанс является острым, вопросы настройки таких схем и их анализа осложняются.

13) В случае питания схем силовой электроники от стандартных электрических сетей необходимо учитывать возможность их влияния на сеть (высокочастотные помехи, коэффициент мощности, перекос фаз и т.д.).

14) Даже при высоком КПД схем силовой электроники, выделяемая в них мощность потерь достигает достаточно больших величин, что требует по возможности точного учета тепловых потерь и их минимизации.

15) Схемы силовой электроники часто обеспечивают повышенный уровень помех, минимизацию которых необходимо учитывать при проектировании в целях повышения устойчивости работы систем управления, автоматики, аварийной защиты и т.д.

16) Элементы схем силовой электроники могут иметь существенный разброс параметров и их температурный уход, что должно учитываться при проектировании.

17) Существенные ограничения, которые могут накладываться при моделировании на схемы силовой электроники и, в ряде случаев, делать моделирование вообще невозможным, связаны с задачей неустойчивости численных методов, применяемых в конкретном программном продукте или с проблемой трудности настройки этих численных методов.

Описывается традиционный подход к моделированию схем силовой электроники. Перечислены его характерные особенности.

Проводится анализ существующих методов моделирования схем силовой электроники. Рассматриваются причины, вызывающие численную неустойчивость при моделировании. Приведены условия достижения гарантированной сходимости моделирования переходных процессов. Описывается влияние начального приближения параметров модели схемы на сходимость метода моделирования.

Проводится сопоставительный анализ систем моделирования и проектирования электронных схем. По его результатам наиболее предпочтительной выбирается САПР ОгСАБ.

Формулируются цели и задачи работы.

Во второй главе решается задача обеспечения устойчивости процесса моделирования схем силовой электроники на основе разработки алгоритма адаптации численных методов интегрирования.

С этой целью проводится оценка погрешностей методов численного интегрирования и области устойчивости методов Эйлера, Эйлера-Коши и Рунге-Кутта.

Отмечается, что для повышения производительности численных методов интегрирования систем дифференциальных уравнений практически всегда применяются алгоритмы с переменной величиной шага интегрирования. При этом ее контроль осуществляется по одному из выбранных критериев точности, и алгоритм стремится обеспечить максимально возможный шаг интегрирования при соблюдении условия сохранения точности в заданных пределах.

Процессы формирования и преобразования систем уравнений, описывающих схемы силовой электроники поддаются алгоритмизации, что позволяет полностью формализовать задачу построения соответствующей системы уравнений и их численного интегрирования.

В связи с этим различают четыре уровня анализа расчетов схем силовой электроники:

1) Производится полное аналитическое исследование схемы. ЭВМ применяется только для счета по полученным формулам. Такому анализу поддаются простейшие схемы. Сложные схемы удается анализировать только при большом количестве допущений, зачастую вносящих в результаты существенные погрешности.

2) Производится аналитическое исследование схемы. ЭВМ применяется для получения аналитических выражений токов и напряжений схемы в случаях, когда это не удается сделать вручную.

3) Составляется так называемая обобщенная система дифференциальных уравнений или совокупность систем таких уравнений, описывающих все возможные состояния анализируемой схемы (возможно получение аналитических решений составленных систем уравнений). В моменты коммутации происходит или присваивание определенных значений специальным коэффициентам в обобщенной системе дифференциальных уравнений, что приводит ее к виду, описывающему состояние схемы после коммутации, или просто переход к определенной, заранее написанной системе дифференциальных уравнений. ЭВМ применяется только для решения составленных уравнений и перехода от одной системы к другой в случае коммутации.

Характерным для вышеперечисленных уровней анализа расчетов схем силовой электроники при использовании метода переменной структуры является необходимость тщательного и кропотливого анализа возможных состояний схемы. Для сложных схем с большим количеством вентилей запись возможных состояний схемы представляется затруднительной, во-первых, из-за их большого количества, во-вторых, из-за сложности определения факта возможности или невозможности пребывания схемы в данном состоянии. Кроме этого, вышеприведенные уровни практически исключают возможность построения совместной модели, описывающей электромагнитные процессы в силовой схеме и системе управления.

4) В программе для ЭВМ предусмотрено автоматическое выполнение всей последовательности действий, которые необходимо провести при анализе схемы силовой электроники, включая этап автоматического формирования систем уравнений, описывающих анализируемую схему с требуемым для пользователя уровнем детализации и решение этой системы уравнений.

Приводятся управляющие опции численных методов интегрирования (на языке РЗрюе):

1) КЕ1/ГОЬ - относительная погрешность вычисления токов и напряжений;

2) УЫТОЬ - абсолютная погрешность вычисления напряжения;

3) АВБТОЬ - абсолютная погрешность вычисления тока;

4) СНОТОЬ - абсолютная погрешность вычисления заряда;

5) ОМП4! - минимальная проводимость ветви электрической цепи;

6) 1Т1А - максимальное количество итераций на одном временном шаге;

7) ЗТЕРОМПЧ - включение алгоритма расчета режима по постоянному току вариацией проводимости.

8) Т8ТОР - время окончания счета.

Приводятся общепринятые формулы для вычисления максимального и минимального шагов интегрирования с учетом заданной погрешности вычислений:

ТБТОР

ъ-=-яГ (1)

Т8ТОР 10'

_

тп 1 Л^-В (2)

В показатели степени 15-В, В определяется числом знаков после запятой в управляющей опции RELTOL, а число 15 - двойной точностью разрядной сетки.

Данная формула является приближенной, поскольку исключает возможность использования значения RELTOL не кратного степеням числа 10. Это существенно сужает возможность нахождения набора опций, обеспечивающего устойчивую работу во всем временном диапазоне.

Предлагается уточненный вариант формулы для нахождения минимального шага Ami„:

h TSTOP

mra " 10"* RELTOL (3)

Действительно, при RELTOL=10"B, из формулы (2), как частный случай получается формула (3).

Формула (3) позволяет определять hmm при произвольном значении RELTOL. Достоверность формулы (3) подтверждается многочисленными экспериментами, проведенными при моделировании различных схем силовой электроники.

Вводится допущение, о том, что величина минимального шага может быть сформирована из величины максимального шага методом деления отрезка пополам.

hSSL = 2m.» (4)

h*.

С учетом последнего выводятся формулы, позволяющие вычислить значение параметров ITL4 и RELTOL следующего вида:

h *RFTTOT

ITL4 = log2 ^ ™jgjQp )+ 49,828921 (5)

RELTOL = (6)

Количество значащих цифр после запятой в формулах (5), (6) ограничивается шестью, что определяется точностью представления опции RELTOL в САПР Ог-CAD - шесть знаков после запятой.

Экспериментально устанавливается следующее. В случае возникновения неустойчивости, вызванной несоответствием между hmn и минимально допустимым размером шага hmm* (обеспечивающим устойчивость вычислительного процесса), попытка устранить это несоответствие путем уменьшения величины hmn за счет уменьшения TSTOP или увеличения RELTOL приводит к одновременному уменьшению hmm*, что не позволяет избежать неустойчивости.

Для устранения неустойчивости моделируемого процесса предлагается следующий алгоритм согласованного вычисления набора управляющих опций Атах, RELTOL, ITL4. Исходным данным для предлагаемого алгоритма является TSTOP.

ШАГ 1. Анализ рассматриваемой модели производится при значениях управляющих опций по умолчанию и заданном пользователем значении TSTOP.

ШАГ 2. Для заданного значения TSTOP экспериментально подбирается начальное приближение RELTOLBp, обеспечивающее сходимость процесса нахождения RELTOL и ITL4, реализующих численную устойчивость анализа (принцип, исходя из которого, осуществляется подбор, будет описан ниже).

ШАГ 3. Для RELTOLbp, hm% (по умолчанию) по формуле (5) вычисляется значение ITL4.

ШАГ 4. Полученное значение ITL4 округляется до ближайшего целого.

ШАГ 5. По полученному целому значению ITL4 вычисляется уточненное значение RELTOL по формуле (6).

ШАГ 6. Используя полученные значения ITL4 (шаг 5) и RELTOL (шаг 6) осуществляется попытка анализа рассматриваемой модели. Если попытка успешна (удалось произвести анализ до времени TSTOP без останова из-за неустойчивости (Convergence Problem)), то считается, что найден беспроблемный набор и задача решена. В противном случае переходим к шагу 7.

ШАГ 7. Фиксируются значения:

- Время наработки до конвергенции JconvJ

- Минимальный шаг интегрирования hmn;

- Требуемый для сохранения устойчивости минимальный шаг ЛпшД

- Вычисляется разность AJHlmm-ftmm*.

ШАГ 8. Задаем новое значение А™* меньшее предыдущего.

ШАГ 9. Используя текущее значение RELTOL и значение An**, полученное при шаге 8 по формуле вычисляем новое значение ITL4, которое округляем до ближайшего целого.

ШАГ 10. Используя полученное ITL4 и значение /i„iax> полученное при шаге 8 по формуле вычисляем новое значение RELTOL.

ШАГ 11. Используя полученные значения ITL4 (шаг 9) и RELTOL (шаг 10) осуществляется попытка анализа рассматриваемой модели. Если попытка успешна (удалось произвести анализ до времени TSTOP без останова из-за неустойчивости (Convergence Problem)), то считается, что найден беспроблемный набор и задача решена. В противном случае переходим к шагу 12.

ШАГ 12. Фиксируются значения:

- Время наработки до конвергенции tcow;

• Минимальный шаг интегрирования Amn;

- Требуемый для сохранения устойчивости минимальный шаг hm„*.

- Вычисляется разность M=Amm-AmiI)*.

ШАГ 13. В случае если полученное Tconv больше предыдущего, то, вне зависимости от разности между полученным и предыдущим ДА, возвращаемся к шагу 8. В случае если полученное Tconv меньше предыдущего, переходим к шагу 2. В случае если полученное значение Тсonv равно предыдущему, анализируется разность между полученным и предыдущим значением ДА. В случае, если полученное значение ДА меньше или равно предыдущему, переходим к шагу 8. В противном случае, переходим к шагу 2.

Разработанный алгоритм позволяет адаптировать методы численного интегрирования к особенностям конкретной моделируемой схемы силовой электроники, вне зависимости от используемого метода интегрирования, обеспечивая численную устойчивость процесса моделирования.

Приводится тестирование алгоритма на примере анализа схемы тиристорного двухполупериодного выпрямителя. По его результатам беспроблемный набор управляющих опций, обеспечивающий устойчивость процесса моделирования во всем исследуемом временном диапазоне, находится уже на четвертом шаге итераций.

В третьей главе предлагается подход к методике моделирования схем силовой электроники. Под методикой моделирования схем силовой электроники понимается совокупность моделей, алгоритмов, методов, приемов работы, обеспечивающая эффективное моделирование. Предлагаемая методика моделирования включает в себя следующие элементы:

1) Разработку моделей;

2) Способы устранения топологических ограничений;

3) Идентификацию и коррекцию моделей при аварийных режимах работы элементов;

4) Реализацию упрощенных моделей блоков;

5) Использование алгоритма моделирования схем силовой электроники на основе настройки численных методов интегрирования;

6) Определение токовой загрузки вентилей;

7) Вычисление средних и действующих значений;

8) Сопоставление двух схем или одной и той же схемы, работающей в различных режимах.

Далее предлагается алгоритм повышения быстродействия процесса моделирования схем силовой электроники. Алгоритм базируется на методе постоянно-переменной структуры, заключающемся в исключении из схемы закрытых вентилей на момент времени между коммутациями.

Алгоритм включает в себя следующие шаги:

ШАГ 1. Вводится время, работу схемы, в течение которого необходимо проанализировать (<к);

ШАГ 2. В схеме выделяются расчетные узлы (узлы с одинаковыми потенциалами, но изображенные на схеме как разные, могут восприниматься как разные и далее называются расчетными узлами);

ШАГ 3. Формируется исходная матрица структурных чисел, несущая информацию об элементах схемы;

ШАГ 4. Строится орграф сигналов и состояний схемы;

ШАГ 5. Проводится несколько временных шагов интегрирования (число задается пользователем), для идентификации состояния схемы, определяемого конкретным набором включенных и выключенных вентилей;

ШАГ б. Пока время меньше заданного на шаге 5, схема анализируется в основном режиме работы САПР, все изменения заносятся в матрицу;

ШАГ 7. Схема анализируется для выяснения наличия в ней закрытых вентилей;

ШАГ 8. Орграф переформировывается в соответствии со схемой, при этом информация о закрытых на данный момент вентилях не отбрасывается, а блокируется;

ШАГ 9. Орграф анализируется для определения висящих вершин, при наличии они исключаются, затем проводится шаг интегрирования;

ШАГ 10. Проводится анализ наличия условий коммутации, при его выполнении осуществляется переход к шагу 8, в противном случае схема анализируется, орграф переформировывается, проводится анализ времени, если оно равно то конец алгоритма, иначе переход к шагу 10.

Тестирование алгоритма проводилось на примере моделирования схемы зарядного устройства емкостного накопителя энергии. По результатам тестирования алгоритма были сделаны следующие выводы:

1) Применение алгоритма дает выигрыш во времени в среднем в 2,8 раза на 25 мкс работы по сравнению с анализом полной схемы (здесь и далее: для комбинированной схемы зарядного устройства емкостного накопителя энергии), что существенно сокращает общее время моделирования, составляющее тысячи периодов выходной частоты;

2) Анализ переходного процесса (который занимает наибольшее время от общего) с применением алгоритма в среднем выполняется быстрее в 3,4 раза, а число итераций уменьшается в 2,4 раза;

3) Применение алгоритма увеличивает погрешность расчетов при работе с полной схемой с 0,1 мкА (мкВ) до 1 мА (мВ), что не является критичным.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод о целесообразности применения разработанного алгоритма при анализе электромагнитных процессов в схемах силовой электроники.

С целью расширения элементной базы библиотек стандартных пакетов моделирования разработаны (на языке РБрке) и протестированы ряд базовых элементов схем силовой электроники: модель быстровосстанавливающегося таблеточного диода ДЧ143-80-20, модель псевдоидеального диода, модель быстродействующего тиристора ТБ143-630-14 (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003610933), модель тороидального ферритового сердечника ТММ2000-32x16x8 (Свидетельство об официальной регистрации №2004611837).

Разработан упрощенный метод тестирования диодов и тиристоров с использованием возможностей САПР ОгСАГ), который дает достоверные результаты.

Показано, что построение Р8рке модели силового диода ДЧ143-800-20 по неполной входной информации (18, ЯБ, 1КР, СТО, VI, ВУ, 1ВУ, ТТ, ЙВУ, ЫВ\Ъ) с использованием значений неизвестных параметров по умолчанию дает достоверные результаты по параметрам импульсного прямого напряжения, повторяющегося импульсного обратного тока и удовлетворительный результат по времени обратного восстановления, что необходимо учитывать при использовании данного типа диодов в моделях схем силовой электроники. Установлено, что построение Р8р1се модели

силового тиристора ТБ143-630-14 по паспортным данным дает по электрическим параметрам достоверные результаты, соответствующие технической документации завода-изготовителя в полном объеме.

На базе модели тороидального ферритового сердечника построена модель высоковольтного высокочастотного трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей. Для экспериментальной проверки работы математической модели были разработаны и изготовлены три физические модели высоковольтного высокочастотного трансформатора. Установлено, что результаты математического и физического моделирования различаются при определении резонансных частот на величину порядка 10 Гц (при рабочей частоте 25 кГц). Различие математического и физического моделирования по амплитуде объясняется тем, что математическая модель не учитывает потери в сердечнике.

Четвертая глава посвящена прикладным аспектам моделирования схем силовой электроники с использованием САПР ОгСАЕ).

С применением описываемых в данной работе алгоритмов и методики проведен анализ электромагнитных процессов в схемах источников питания на базе двухтактного преобразователя напряжения. Получена резонансная зависимость выходного напряжения от периода импульсов управления. Найдена зависимость изменения выходного напряжения от рассогласования длительности импульсов управления. Приведены кривые зависимостей изменения выходного напряжения от рассогласования значений динамических емкостей и изменения выходного напряжения от рассогласования значений индуктивностей рассеяния.

На основании результатов полученных при моделировании была разработана и изготовлена физическая модель зарядного устройства емкостных накопителей энергии на основе двухтактного преобразователя напряжения. Получен коэффициент раскачки по напряжению - 3,23*103, что соответствует указанному в тактико-техническом задании диапазону - 103... 104.

Экспериментальное исследование подтвердило адекватность физических и имитационных моделей во всем исследуемом диапазоне. Использование моделирования существенно сократило сроки проектирования физической модели и ее изготовления, что подтверждает эффективность разработанной методики моделирования.

Приведено описание экспериментальной установки физической модели.

Проведен анализ электромагнитных процессов в схеме источника питания для индукционного нагрева металлов на базе мостового преобразователя частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту.

Приведены характерные особенности данной схемы:

1) Питание от сети: 3 фазы, 380 вольт.

2) Из-за больших обратных напряжений, прикладываемых к мосту, в схеме используются вместо одного обратного диода два.

3) Аналогично, по той же причине, в каждое плечо моста включено последовательно по 2 тиристора.

4) Отмечается неустойчивость работы при некоторых сочетаниях параметров элементов и частоты управления.

По результатам моделирования построен график зависимости выходной мощности от частоты. Выявлены режимы естественной коммутации тиристоров, сопровождающейся прерывистым входным током (низкие частоты). Выданы рекомендации для увеличения области устойчивой работы схемы.

Построены модели генераторов с переменной длительностью и частотой следования выходных импульсов, которые используются для моделирования систем управления к схемам силовой электроники.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан алгоритм моделирования схем силовой электроники, основанный на адаптивной настройке управляющих опций численных методов интегрирования на каждом шаге итераций с учетом обеспечения гарантированной сходимости выбранного метода и критериев быстродействия и точности. Алгоритм обеспечивает устойчивость процесса моделирования во всем исследуемом временном диапазоне вне зависимости от выбранного метода численного интегрирования и, соответственно, повышает эффективность анализа схем силовой электроники.

2. Разработана методика моделирования схем силовой электроники, обеспечивающая эффективный анализ исследуемых схем за счет учета особенностей, характерных для функционирования схем силовой электроники и накладываемых топологических ограничений на соединение элементов схемы. Методика позволяет анализировать как штатные, так и аварийные режимы работы схем, а также проводить сравнительный анализ режимов работы нескольких схем в одном временном диапазоне.

3. Разработан алгоритм повышения быстродействия процесса моделирования схем силовой электроники, основанный на использовании метода постоянно-переменной структуры для упрощения процесса анализа исследуемой схемы. Алгоритм позволяет сократить общее время моделирования схем силовой электроники за счет исключения из схемы на время между коммутациями закрытых вентилей в среднем в 2,8 раза по сравнению с анализом полной схемы, при этом анализ переходного процесса (который занимает наибольшее время от общего) с применением алгоритма в среднем выполняется быстрее в 3,4 раза, а число итераций уменьшается в 2,4 раза.

4. На языке РБрке разработаны модели силового тиристора (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610933), тороидального ферритового сердечника (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611837), псевдоидеального диода, быстровосстанавливающегося таблеточного диода ДЧ143-80-20, высокочастотного высоковольтного трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей. Вышеперечисленные уточненные модели базовых элементов могут быть использованы при работе со стандартными пакетами моделирования.

Разработан упрощенный метод тестирования диодов и тиристоров с использованием возможностей САПР ОгСАХ), который дает достоверные результаты.

Показано, что построение PSpice модели силового диода ДЧ143-800-20 по неполной входной информации с использованием значений неизвестных параметров по умолчанию дает достоверные результаты по параметрам импульсного прямого напряжения, повторяющегося импульсного обратного тока и удовлетворительный результат по времени обратного восстановления, что необходимо учитывать при использовании данного типа диодов в моделях схем силовой электроники. Результаты тестирования модели диода ДЧ143-800-20 показывают: UFm=1,48 В (паспортное значение 1,4 В), время обратного восстановления - 0,5 мкс (паспортное значение -около 1 микросекунды), повторяющийся импульсный обратный ток при 25°С - 3,9 мА, при 140°С - 2,7 мА (паспортное значение при напряжении 2200 В - 2 - 3 мА).

Установлено, что построение PSpice модели силового тиристора ТБ143-630-14 по паспортным данным дает по электрическим параметрам достоверные результаты, соответствующие технической документации завода-изготовителя в полном объеме.

По сравнению с экспериментальными результатами модели высоковольтных высокочастотных трансформаторов с учет межвитковых и межобмоточных емкостей, обеспечивают хорошее совпадение (порядка десятков герц на резонансной частоте 25 кГц) амплитудно-частотных характеристик по резонансной частоте. Особенностью амплитудных характеристик, полученных при моделировании является то, что они располагаются выше характеристик, полученных экспериментально. Это объясняется тем, что в модели сердечника не учитываются потери.

5. Проведен сравнительный анализ эффективности предложенных алгоритмов и методик путем их тестирования на примерах моделирования ряда схем силовой электроники:

- зарядных устройств емкостных накопителей энергии на базе мостовой схемы, мостовой схемы с индуктивно-емкостным преобразователем, схем однотактного и двухтактного преобразователей напряжения, обеспечивающих в системах резонансный подъем напряжения в I О3... 10 раз;

- источников питания для индукционного нагрева металлов, выполненных на базе мостового инвертора частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту и на базе мостового инвертора с обратными диодами и включением нагрузки в цепь разделительного конденсатора.

Эффективность применения данных алгоритмов и методик подтверждена сопоставлением результатов моделирования с результатами, полученными на физической модели источников питания на базе двухтактного преобразователя напряжения. Получен коэффициент раскачки по напряжению 3,23*10 , что соответствует полученному при расчете диапазону 103... Ю4.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Таназлы Г.И., Мунасыпов P.A., Алгоритм исключения вершин для синтеза структур модального управления методом структурных функций // Интеллектуальные системы управления и обработки информации: Тез. док, междунар. молодежи. науч.-техн. конф. Уфа: УГАТУ, 2001. С. 93.

2. Таназлы Г.И., Об эффективных режимах работы IGBT транзисторов в схе-

мах автономных инверторов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. док. восьмой междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.: МЭИ, 2002. Т. 2. С. 120.

3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2002611210. Среда визуального проектирования «Структурный синтез» / Р.А. Мунасыпов, Г.И. Таназлы, И.Н. Яговцев. М.: Роспатент, 2002.

4. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. РБрке-модели силовых тиристоров // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2002. С. 88-90.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610933. Имитационная модель «Быстродействующий тиристор ТБ143-630-14» / Ю.И. Болотовский, Г.И. Таназлы. М.: Роспатент, 2003.

6. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Анализ устройств преобразовательной техники с помощью САПР, расширяющей функциональные характеристики стандартных средств моделирования // Электротехника 2010 год: VII симп. Сб. док. Моск. обл., 2003. Т. IV. С. 62 - 67.

7. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Расширение функциональных возможностей стандартных сред моделирования схем силовой электроники // Компьютерная наука и информационные технологии: Сб. док. 5-й междунар. конф. Уфа: УГАТУ, 2003. Т. 2. С. 104 - 109. (статья на англ. яз.).

8. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2003129250/09. Автономный инвертор / Л.И. Гутин, Ф.Ш. Абсалямов, А.К. Белкин, Ю.И. Болотовский, Г.И. Таназлы, Р.А. Закиров, Р.Г. Юнусов. М.: Роспатент, 2003.

9. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611837. Имитационная модель «Тороидальный ферритовый сердечник таМ2000-32х16x8» / Ю.И. Болотовский, Г.И. Таназлы. М.: Роспатент, 2004.

10. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде ОгСАВ 9.2 // Силовая электроника. 2004. №1. С. 90-95.

11. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде ОгСАО 9.2. Часть 2 // Силовая электроника. 2004. №2. С. 96102.

12. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. ОгСАО. Моделирование., М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 200 с.

13. Болотовский Ю.И., Гутин Л.И., Таназлы Г.И., Шуляк А.А., Измерение параметров индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным // Силовая электроника. 2005. №1. С. 104-106.

Диссертант

Г.И. Таназлы

ТАНАЗЛЫ Георгий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СХЕМ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ЧИСЛЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 05.05.2005. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ №188.

Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

I

,1

i

*s

IM 004 9

РНБ Русский фонд

2006-4 15848

Введение

Глава 1. Анализ проблемы моделирования схем силовой электроники.

1.1. Особенности проектирования схем силовой электроники.

1.2. Анализ существующих методов моделирования 22 схем силовой электроники.

1.3. Анализ систем моделирования и проектирования 33 электронных схем.

1.4. Цель и задачи работы. 40 Выводы и результаты главы 1.

Глава 2. Решение задачи устойчивости процесса моделирования 43 схем силовой электроники на основе разработки алгоритма адаптации численных методов интегрирования.

2.1. Оценка погрешности методов численного интегрирования.

2.2. Разработка алгоритма моделирования схем силовой 49 электроники на основе настройки численных методов интегрирования.

2.3. Тестирование алгоритма моделирования схем силовой 56 электроники на примере анализа схемы тиристорного двухполупериодного выпрямителя.

Выводы и результаты главы 2.

Глава 3. Разработка методики моделирования схем силовой электроники.

3.1. Методика анализа схем силовой электроники.

3.2. Алгоритм повышения быстродействия моделирования 73 схем силовой электроники.

3.3. Разработка и тестирование моделей элементов схем 81 силовой электроники.

3.3.1. Модели диодов.

3.3.2. Модели тиристоров.

3.3.3. Модель высоковольтного высокочастотного 99 трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей. Выводы и результаты главы 3.

Глава 4. Прикладные аспекты моделирования схем силовой электроники с использованием САПР OrCAD.

4.1. Анализ электромагнитных процессов в схемах 111 источников питания на базе двухтактного преобразователя напряжения.

4.2. Подтверждение эффективности методики моделирования 123 схем силовой электроники с помощью САПР OrCAD на примере физической модели системы заряда емкостных накопителей энергии.

4.3. Анализ электромагнитных процессов в схеме источника 131 питания на базе мостового инвертора частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту для индукционного нагрева металлов.

4.4. Модели генераторов с переменной длительностью и 141 частотой следования выходных импульсов.

Выводы и результаты главы 4.

Выводы и результаты работы.

В настоящее время устройства силовой электроники широко используются в системах энергообеспечения и для реализации различных технологических процессов. При этом перечень систем энергообеспечения и технологических процессов непрерывно расширяется. Кроме этого идет непрерывная разработка новых силовых электронных элементов, позволяющих улучшать функциональные характеристики систем преобразования.

Известно большое количество универсальных средств моделирования, позволяющих провести анализ электромагнитных процессов в схемах силовой электроники (OrCAD, MatLab, MicroCap, WEWB и т.д.). Однако, из-за своей универсальности, эффективность их применения для узкого класса анализируемых схем в ряде случаев недостаточна. Из-за этого актуальной является задача повышения эффективности моделирования при анализе конкретного класса схем силовой электроники.

Моделированием электронных схем в России и за рубежом занимается широкий круг исследователей. Среди них - Архангельский А.Я., Афанасьев А.О., Кузнецова С.А., Нестеренко А.В., Петраков О., Разевиг В.Д., Джиле Д.К., Атертон Д.Л., Кертис В.Р., Штатц Г. и др. Анализ литературных источников показал, однако, что в работах перечисленных авторов не рассматривались вопросы, связанные с моделированием в области конкретного класса схем силовой электроники.

Решение этих вопросов затруднено многообразием элементов, применяемых в системах силовой электроники и сложностью средств моделирования, функциональные возможности которых в имеющейся литературе освещены не полностью. Поэтому до настоящего времени не удавалось создать адекватные модели и практическую реализацию ряда схем силовой электроники. Попытки применения существующих методик и моделей [23, 34, 44, 54] для исследования данных схем силовой электроники себя не оправдали. Использование стандартных процедур настройки численных методов интегрирования зачастую приводит к численной неустойчивости процесса моделирования. Также стандартные пакеты не обладают полной базой элементов, применяемых в схемах силовой электроники. Анализ схемы силовой электроники требует получения уточненных моделей таких элементов. Кроме этого, необходимо учитывать специфику работы схемы силовой электроники.

Таким образом, создание методики анализа схем силовой электроники и моделей ряда элементов является актуальной задачей, и это определило цель настоящей работы - повышение эффективности моделирования схем силовой электроники за счет применения адаптивных алгоритмов численного интегрирования, создания новой методики моделирования и использования уточненных моделей элементов.

Основные задачи работы

1. На основе оценки погрешностей существующих методов численного интегрирования разработать алгоритм моделирования схем силовой электроники, обеспечивающий устойчивость процесса моделирования в исследуемом временном диапазоне за счет адаптивной настройки шага интегрирования по критериям быстродействия и точности.

2. С учетом особенностей, характерных для схем силовой электроники, разработать методику моделирования, повышающую эффективность анализа исследуемых схем.

3. Разработать алгоритм повышения быстродействия процесса моделирования схем силовой электроники на основе метода постоянно-переменной структуры.

4. Разработать на языке PSpice уточненные модели базовых элементов, позволяющих автоматизировать процесс моделирования схем силовой электроники с использованием стандартных пакетов моделирования.

5. Провести анализ эффективности предложенных алгоритмов и методик путем их тестирования на примерах моделирования реально существующих схем силовой электроники.

На защиту выносятся

1. Алгоритм моделирования схем силовой электроники, основанный на адаптивной настройке управляющих опций с учетом сходимости численных методов интегрирования по критериям быстродействия и точности и позволяющий обеспечить эффективный анализ исследуемых схем за счет достижения устойчивости процесса моделирования во всем исследуемом временном диапазоне.

2. Методика моделирования, учитывающую особенности, характерные для схем силовой электроники, накладываемые топологические ограничения и позволяющую осуществлять анализ как штатных, так и аварийных режимов работы исследуемой схемы.

3. Алгоритм повышения быстродействия процесса моделирования схем силовой электроники на основе метода постоянно-переменной структуры, позволяющего сократить количество элементов исследуемой схемы за счет исключения на время между коммутациями закрытых вентилей.

4. Уточненные модели быстродействующего таблеточного диода ДЧ143-80-20, псевдоидеального диода, быстродействующего тиристора ТБ143-630-14, тороидального ферритового сердечника TNM2000-32-16-8, высоковольтного высокочастотного трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей, разработанные на языке PSpice и позволяющие автоматизировать процесс анализа схем силовой электроники с использованием стандартных пакетов моделирования.

5. Результаты экспериментальных исследований предложенных алгоритмов и методик на примерах моделирования работы схем зарядного устройства емкостного накопителя энергии на базе двухтактного преобразователя напряжения, источника питания на базе мостового инвертора частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту для индукционного нагрева металлов и генератора с переменной длительностью и частотой следования выходных импульсов.

Научная новизна работы

1. Разработан алгоритм моделирования схем силовой электроники, повышающий эффективность их анализа за счет обеспечения устойчивости процесса моделирования во всем исследуемом временном диапазоне. Алгоритм основан на адаптивной настройке на каждом шаге итераций управляющих опций численных методов интегрирования с учетом обеспечения гарантированной сходимости выбранного метода и критериев быстродействия и точности.

2. Разработана методика моделирования схем силовой электроники, повышающая эффективность анализа исследуемых схем за счет учета особенностей, характерных для функционирования схем силовой электроники и топологических ограничений. Методика позволяет анализировать как штатные, так и аварийные режимы работы схем.

3. Разработан алгоритм повышения быстродействия моделирования схем силовой электроники. Алгоритм основан на использовании метода постоянно-переменной структуры, упрощающего процесс анализа за счет исключения из схемы на время между коммутациями закрытых вентилей.

Практическая ценность

1. Разработаны модели силового тиристора (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610933) и тороидального ферритового сердечника (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611837), псевдоидеального диода, быстровосстанавливающегося таблеточного диода ДЧ143-80-20, высокочастотного высоковольтного трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей. Вышеперечисленные уточненные модели базовых элементов разработаны на языке PSpice и могут быть использованы при работе со стандартными пакетами моделирования.

2. Проведен анализ эффективности предложенных алгоритмов и методик путем их тестирования на примерах моделирования ряда схем силовой электроники:

- зарядных устройств емкостных накопителей энергии на базе мостовой схемы, мостовой схемы с индуктивно-емкостным преобразователем, схем однотактного и двухтактного преобразователей напряжения, обеспечивающих в системах резонансный подъем напряжения в 103104 раз; источников питания для индукционного нагрева металлов, выполненных на базе мостового инвертора частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту и на базе мостового инвертора с обратными диодами и включением нагрузки в цепь разделительного конденсатора.

Объем работы

Диссертационная работа изложена на 161 странице текста, иллюстрирована 54 рисунками, 20 таблицами состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из 105 наименований и приложения на 42 страницах.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан алгоритм моделирования схем силовой электроники, основанный на адаптивной настройке управляющих опций численных методов интегрирования на каждом шаге итераций с учетом обеспечения гарантированной сходимости выбранного метода и критериев быстродействия и точности. Алгоритм обеспечивает устойчивость процесса моделирования во всем исследуемом временном диапазоне вне зависимости от выбранного метода численного интегрирования и, соответственно, повышает эффективность анализа схем силовой электроники.

2. Разработана методика моделирования схем силовой электроники, обеспечивающая эффективный анализ исследуемых схем за счет учета особенностей, характерных для функционирования схем силовой электроники и накладываемых топологических ограничений на соединение элементов схемы. Методика позволяет анализировать как штатные, так и аварийные режимы работы схем, а также проводить сравнительный анализ режимов работы нескольких схем в одном временном диапазоне.

3. Разработан алгоритм повышения быстродействия процесса моделирования схем силовой электроники, основанный на использовании метода постоянно-переменной структуры для упрощения процесса анализа исследуемой схемы. Алгоритм позволяет сократить общее время моделирования схем силовой электроники за счет исключения из схемы на время между коммутациями закрытых вентилей в среднем в 2,8 раза по сравнению с анализом полной схемы, при этом анализ переходного процесса (который занимает наибольшее время от общего) с применением алгоритма в среднем выполняется быстрее в 3,4 раза, а число итераций уменьшается в 2,4 раза.

4. На языке PSpice разработаны модели силового тиристора (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №

2003610933), тороидального ферритового сердечника (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611837), псевдоидеального диода, быстровосстанавливающегося таблеточного диода ДЧ143-80-20, высокочастотного высоковольтного трансформатора с учетом межвитковых и межобмоточных емкостей. Вышеперечисленные уточненные модели базовых элементов могут быть использованы при работе со стандартными пакетами моделирования.

Разработан упрощенный метод тестирования диодов и тиристоров с использованием возможностей САПР OrCAD, который дает достоверные результаты.

Показано, что построение PSpice модели силового диода ДЧ143-800-20 по неполной входной информации с использованием значений неизвестных параметров по умолчанию дает достоверные результаты по параметрам импульсного прямого напряжения, повторяющегося импульсного обратного тока и удовлетворительный результат по времени обратного восстановления, что необходимо учитывать при использовании данного типа диодов в моделях схем силовой электроники. Результаты тестирования модели диода ДЧ143-800-20 показывают: Ufm=1>48 В (паспортное значение 1,4 В), время обратного восстановления - 0,5 мкс (паспортное значение - около 1 микросекунды), повторяющийся импульсный обратный ток при 25°С - 3,9 мА, при 140°С - 2,7 мА (паспортное значение при напряжении 2200 В - 2 - 3 мА).

Установлено, что построение PSpice модели силового тиристора ТБ143-630-14 по паспортным данным дает по электрическим параметрам достоверные результаты, соответствующие технической документации завода-изготовителя в полном объеме.

По сравнению с экспериментальными результатами модели высоковольтных высокочастотных трансформаторов с учет межвитковых и межобмоточных емкостей, обеспечивают хорошее совпадение (порядка десятков герц на резонансной частоте 25 кГц) амплитудно-частотных характеристик по резонансной частоте. Особенностью амплитудных характеристик, полученных при моделировании является то, что они располагаются выше характеристик, полученных экспериментально. Это объясняется тем, что в модели сердечника не учитываются потери.

5. Проведен сравнительный анализ эффективности предложенных алгоритмов и методик путем их тестирования на примерах моделирования ряда схем силовой электроники:

- зарядных устройств емкостных накопителей энергии на базе мостовой схемы, мостовой схемы с индуктивно-емкостным преобразователем, схем однотактного и двухтактного преобразователей напряжения, обеспечивающих в системах резонансный подъем напряжения в 103104 раз; источников питания для индукционного нагрева металлов, выполненных на базе мостового инвертора частоты с обратным диодом, включенным параллельно мосту и на базе мостового инвертора с обратными диодами и включением нагрузки в цепь разделительного конденсатора.

Эффективность применения данных алгоритмов и методик подтверждена сопоставлением результатов моделирования с результатами, полученными на физической модели источников питания на базе двухтактного преобразователя напряжения. Получен коэффициент раскачки по напряжению 3,23*103, что соответствует полученному при расчете диапазону 103104.

1. Государственный стандарт № 24461-80 «Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний». Введен 01.01.1982.

2. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Под ред. О.В. Алексеева, М.: Высшая школа, 2000.

3. Аксаков А., Богомяков А., Ковалев Ф. Элементная база современной силовой электроники // Радиоэлектроника и управление. 2003. № 4-6.

4. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Отечественные полупроводниковые приборы. Справочное пособие. Издание 3. М.: Солон-Р, 2002. - 540 с.

5. Архангельский А.Я., PSpice и Design Center, Часть1: Схемотехническое моделирование. Модели элементов. Макромоделирование, М.: МИФИ, 1996 г.

6. Архангельский А.Я., PSpice и Design Center, Часть 2: Модели цифровых и аналого-цифровых устройств. Идентификация параметров моделей. Графические редакторы, М.: МИФИ, 1996 г.

7. Афанасьев А.О., Кузнецова С.А., Наше решение проблемы // EDA Express, 2001, №3-с. 19.

8. Афанасьев А.О., Кузнецова С.А., Нестеренко А.В. Проектирование в OrCAD, Киев, Наука и техника, 2001.

9. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. PSpice-модвли силовых тиристоров // Межвузовский научный сборник «Электромеханика, электротехнические комплексы и системы», Уфа, 2002 г, с. 88-90

10. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Имитационная модель «Быстродействующий тиристор ТБ143-630-14», Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003610933, М.: 17 апреля 2003 г.

11. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Имитационная модель «Тороидальный ферритовый сердечник TNM2000-32xl6x8», Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611837, М.:09 августа 2004 г.

12. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2 // Силовая Электроника. 2004. №1 с. 90-95.

13. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2. Часть 2 // Силовая Электроника. 2004. №2.-с. 96-102.

14. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная» книга, М.: COJIOH-Пресс, 2005 200 с.

15. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем. М.: Радио и связь, 1988 - 560 с.

16. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энергия, 1971.

17. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики и применение, М.: Додэка-ХХ1, 2001 380 с.

18. Добрусин JI.A., Шитов В.А. Макромоделирование сложных преобразователей // Электро: электроэнергетика, электротехника, электротехническая промышленность. 2002. № 6. с. 9-15.

19. Житников В.П., Шерыхалина Н.М., Ураков А.Р. Линейные некорректные задачи. Верификация численных результатов. Уфа, УГАТУ, 2002 г. -90 с.

20. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Издание 2., Новосибирск: Издательство НГТУ, 2003 г. 664 с.

21. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 2000. 736 с.

22. Карлов Б., Есин Е. Современные преобразователи частоты. Методы управления и аппаратная реализация // Силовая электроника. 2004. №1. -с. 50-54.

23. Колпаков А. Конденсаторы ELECTRONICON для высоковольтных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии. 2004. № 6. -с. 22-25.

24. Колпаков А. Особенности проектирования частотных преобразователей средней и большой мощности // Электронные компоненты. 2003. № 6.

25. Конструкция сердечника для индукционного нагрева и способ нагревания. Illinois Tool Works Inc.

26. Максимов Д.А., Федотов Ю.А., Федосин С.А. Структура программы моделирования устройств силовой электроники «DIFUR» // Технические и естественные науки: пробл., теория, эксперим. 2002. № 2. с. 146-149.

27. Марков В.Ю., Бобков В.А. Преобразовательная техника, поставляемая Российской электротехнической компанией для алюминиевых заводов // Промышленная энергетика. 1999. № 9.

28. Патент 2106712 (РФ). Дроссель насыщения. В.А. Бобков, О.А. Неуй-мин. Опубл. в Б.И. 1998. № 7.

29. Переверзев А.В., Василенко О.В., Шмалий С.Л. Экономичная макромодель мощного БПТ // Электротехника и электроэнергетика. 2002. № 1. — с. 12-15.

30. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ М.: Высшая школа, 1989 - 367 с.

31. Петраков О., Серия статей в журнале "Схемотехника" за 2001 год.

32. Петраков О., Создание аналоговых PSpice-моделей радиоэлементов, М.: Радиософт, 2002 г.

33. Полищук А. Проблемы выбора ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением. // Силовая электроника. 2004. № 2 — с. 22-25.

34. Потапов Ю. Проектирование блоков питания с применением современных САПР // Электронные компоненты. 2002. № 6 с. 122-125.

35. Разевиг В.Д. Среда проектирования OrCAD 9.2, М.: Солон-Р, 2001 -519 с.

36. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0, М.: Солон, 1999 700 с.

37. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MicroCap V. -М.: Солон, 1997.

38. Сбродов А. Тенденции развития и особенности применения преобразователей электрической энергии // Электронные компоненты. 2004. № 6. с. 64-67.

39. Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. под ред. В.В. Токарева. Первое издание. Воронеж. 1995 662 с.

40. Таназлы Г.И., Подсистема автоматизированного проектирования сложных динамических систем на основе структурных функций // Диссертация на соискание ученой степени магистра техники и технологии, Уфа, УГАТУ, 2002 г.

41. Таназлы Г.И., Разработка среды визуального проектирования «Структурный синтез // Квалификационная работа на соискание ученой степени бакалавра техники и технологии, Уфа, УГАТУ, 2000 г.

42. Тиховод С.М., Корнус Т.М. Программа для компьютерного моделирования электрических процессов в тиристорных цепях // Электротехника и электроэнергетика. 2002. № 1.-е. 54-62.

43. Фидлер Дж. К., Найтингейл К. Машинное проектирование электронных схем, М.: Высшая школа, 1985 216 с.

44. Флоренцев С. Силовая электроника начала тысячелетия // Электротехника. 2003. №6.-с. 3-9.

45. Флоренцев С. Силовые IGBT модули основа современного преобразовательного оборудования // Электронные компоненты. 2002. № 6.

46. Херберт Д.Б. Моделирование источников шума с помощью программы Spice // Электроника. 1991. № 16. с. 68-69.

47. Хрисанов В.И., Бржезинский Р. Анализ состояния и перспектив развития силовой электроники и электропривода // Электротехника. 2003. № 6.-е. 10-15.

48. Черепанов В.П., Хрулев А.К. Тиристоры и их зарубежные аналоги. Справочник в 2 т. — М.: ИП Радиософт, 2003 г.

49. Чуа Л.О., Ли Пен-Мин, Машинный анализ электронных схем. Алгоритмы и вычислительные методы, М.: Энергия, 1980 640 с.

50. Энкарначчо Ж., Шлехтендаль Э. Автоматизированное проектирование: основные понятия и архитектура системы, М.: Радио и связь, 1986 -288 с.

51. А.Е. Parker, Device Characterization and Circuit Design for High Performance Microwave Applications. IEE EEDMO'93, London, October 18, 1993.

52. A.E. Parker, D.J. Skellern, Improved MESFET Characterization for Analog Circuit Design and Analysis // IEEE GaAs 1С Symposium Technical Digest, Miami Beach, October 4-7, 1992, pp. 225-228.

53. A.J. McCamant, G.D. McCormack, D.H. Smith, An Improved GaAs MESFET Model for SPICE // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 38, no. 6, June 1990, pp. 822-824.

54. A.R. Hefner, Jr., An Investigation of the Drive Circuit Requirements for the Power Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 6, No 2, April 1991, pp. 208-219.

55. A.R. Hefner, Jr., INSTANT IGBT Network Simulation and Transient Analysis Tool // National Institute of Standards and Technology Special Publication SP 400-88, June 1992.

56. A.R. Hefner, Jr., Modeling Buffer Layer IGBTs for Circuit Simulation // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 10, No. 2, March 1995, pp. 111-123.

57. A.S. Grove, Physics and Technology of Semiconductor Devices. John Wiley and Sons, Inc., 1967.

58. A. Vladimirescu, S. Lui, The Simulation of MOS Integrated Circuits Using SPICE2 // Memorandum No. M80/7, February 1980.

59. B.J. Sheu, D.L. Scharfetter, P.-K. Ко, M.C. Jeng, BSIM: Berkeley Short-Channel IGFET Model for MOS Transistors // IEEE Journal of Solid-State Circuits, SC-22, August 1987, pp. 558-566,

60. D.C. Jiles, D.L. Atherton, Theory of ferromagnetic hysteresis // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 61,48, 1986.

61. D.H. Smith, An Improved Model for GaAs MESFETs, Publication forthcoming (Copies available from TriQuint Semiconductors Corporation or OrCAD).

62. G.M. Kull, L.W. Nagel, S.W. Lee, P. Lloyd, E.J. Prendergast, H.K. Dirks, A Unified Circuit Model for Bipolar Transistors Including Quasi-Saturation Effects // IEEE Transactions on Electron Devices, ED-32, 1985, pp. 11031113.

63. G.T. Oziemkiewicz, Implementation and Development of the NIST IGBT Model in a SPICE-based Commercial Circuit Simulator // Engineer's Thesis, University of Florida, December 1995.

64. H. Shichman, D.A. Hodges, Modeling and simulation of insulated-gate field-effect transistor switching circuits // IEEE Journal of Solid-State Circuits, SC-3,285, September 1968.

65. H. Statz, P. Newman, I.W. Smith, R.A. Pucel, H.A. Haus, GaAsFET Device and Circuit Simulation in SPICE // IEEE Transactions on Electron Devices, ED-34, 1987, pp. 160-169.

66. Getreu, Modeling the Bipolar Transistor // Tektronix, Inc. part# 062-284100.

67. J.C. Bowers, N.A. Neinhaus, SPICE2 Computer Models for HEXFETs // Application Note 954A, reprinted in HEXFET Power MOSFET Databook, International Rectifier Corporation #HDB-3.

68. J.H. Huangm Z.H. Liu, M.C. Jeng, K. Hui, M. Chan, P.K. Ко, С. Ни, BSIM3 Manual. Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of California, Berkeley, CA 94720.

69. J.R. Pierret, A MOS Parameter Extraction Program for the BSIM Model // Memorandum No. M84/99 and M84/100, November 1984.

70. P. Antognetti, G. Massobrio, Semiconductor Device Modeling with SPICE. McGraw-Hill, 1988.

71. PSpice Application Notes, www.orcad.com

72. PSpice Datasheet, www.orcad.com91 .PSpice Frequently Asked Question, www.orcad.com

73. PSpice Library List, Cadence Design System, Inc. 678 p.

74. PSpice Optimizer User's Guide, Cadence Design System, Inc. 172 p.

75. PSpice Quick Reference Guide, Cadence Design System, Inc. 10 p.

76. PSpice Reference Guide, Cadence Design System, Inc. 360 p.

77. PSpice Schematics. User's Guide. Cadence Design System, Inc. 350 p.

78. PSpice Tutorial, www.orcad.com

79. PSpice User's Guide. Cadence Design System, Inc. 600 p.

80. P. Yang, B. Epler, P.K. Chatteijee, An Investigation of the Charge Conservation Problem for MOSFET Circuit Simulation // IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-18, No. 1, Februaiy 1983.

81. Roychowdhury, Pederson Efficient Transient Simulation of Lossy Interconnect // Design Automation Conference, 1991.

82. S.E. Sussman-Fort, S. Narasimhan, K. Marayam, A complete GaAs MESFET computer model for SPICE // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MMT-32, 1984, pp. 471-473.

83. Tripathi, Rettig, A SPICE Model for Multiple Coupled Microstrips and Other Transmissions Lines // IEEE MTT-S Internal Microwave Symposium Digest, 1985.

84. Using OrCAD Capture, wwav.orcad.com

85. W.R. Curtice, A MESFET model for use in design of GaAs integrated circuits // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MMT-28,1980, pp. 448-456.