Spice-моделирование

 

Сейчас в мощных автономных высокочастотных инверторах для электротермических установок, в основном, применяются тиристоры. Перспективно использование IGBT-транзисторов, но они пока не получили широкого использования в отечественной промышленности. Современным методом исследования электрической схемы тиристорного автономного инвертора как устройства силовой электроники является схемотехническое моделирование с использованием Spice-моделей компонентов электрических схем. Система Spice-моделирования создавалась по заказу военного ведомства студентами университета Беркли и быстро нашла признание во всем мире. Spice-модели начали разрабатывать в 1970-е годы, и к настоящему времени они стали стандартом для других систем схемотехнического моделирования на персональных компьютерах: РSpice (фирма Microsim), Micro-Cap (компания Spectrum Software, основанная в 1980 г.), WorkBench (Cadence), ViewSpice (Deutsch Research) и др.

PSpice-модели для программ моделирования в настоящее время хоршо известны специалистам. Если нужно проверить работу электронного устройства, не создавая его чертежей и разводки печатной платы, то целесообразно использовать программу схемотехнического моделирования Micro-Cap. Это надежный инструмент для анализа процессов в схеме электрического устройства. Сейчас фирма Spectrum Software разработала доступную для бесплатного пользования 9-ю демоверсию этой программы, именно ее применил автор. Далее описана схемотехническая модель автономного тиристорного инветора повышенной частоты для индукционной закалки изделий и некоторые результаты ее исследований. Схемотехническая модель использует

возможное для демоверсии программы Micro-Cap 9 количество — 50 дискретных компонентов схемы, для профессиональной, полной версии программы такого ограничения нет.

На рис. 7.1 изображена схемотехническая модель силовой схемы источника питания постоянного тока, автономного тиристорного инвертора и нагрузки. Эта модель состоит из следующих компонентов, подключенных

к узлам электрической схемы: 1, 2 — коммутирующая индуктивность инвертора; 2, 3,15 — датчик выходного тока инвертора (ДТИ),3, 4 — коммутирующий конденсатор инвертора; 5, 7, 8 — закалочный трансформатор;

6, 0 — индуктор; 9, 10, 11 — вентильная пара тиристор/диод с R-C цепочкой, демпфирующей коммутационные перенапряжения, и источником управляющих импульсов; 12, 16 —датчик тока контура нагрузки (ДТН); 13, 14 —дроссель постоянного тока.

 

Рисунок.12.1.Схемотехническая модель тиристорного инвертора

 

Схемотехническая модель включает в себя следующие функциональные узлы тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ): источник питания, автономный тиристорный инвертор, выходной трансформатор, нагружен-

ный индуктором. Автономный инвертор выполнен по несимметричной схеме, на одном тиристоре с диодом обратного тока, показавшей высокую эффективность в аналогичных установках индукционного нагрева. В инвер-

торе нагрузка (высокочастотный трансформатор с индуктором) включена последовательно по переменному току с коммутирующими элементами инвертора и нелинейным дросселем насыщения. Силовые коммутирующие элементы — конденсатор и индуктивность — обеспечивают колебательный характер выходного тока, который характерен пониженными значениями коммутационных воздействий на тиристоры (di/dt), в сравнении с инверторами напряжения. Назначение неуправляемого диода встречного тока — это параметрическая стабилизация токов и напряжений в схеме инвертора при изменении параметров нагрузки.

При моделировании сетевой выпрямитель как источник питания тиристорного инвертора представлен источником ЭДС, равной выходному напряжению трехфазного выпрямителя. При исследованиях в профессиональной версии Micro-Cap и ЭВМ с большим объемом оперативной памяти в такой замене необходимости нет. Укажем, что на результатах исследований указанное упрощение схемотехнической модели не отражается, при этом оно полезно при проведении расчета и анализе

результатов. Полный цикл повторения электромагнитных процессов в трехфазном выпрямителе, соответствующий одному расчетному циклу схемотехнической модели, составляет 20 мс, а время окончания переходных процессов в тиристорном инверторе, определяемых, в основном, индуктивностью дросселя входного тока, составляет величину порядка 4 мс. Поэтому расчеты, например, выходного тока инвертора, можно произвести на значительно меньшем интервале времени. Качество анализа при схемотехническом моделировании определяется количеством расчетных точек на заданном интервале времени. В Micro-Cap имеется возможность для успешного завершения заданного интервала.

При моделировании сетевой выпрямитель как источник питания тиристорного инвертора представлен источником ЭДС, равной выходному напряжению трехфазного выпрямителя. При исследованиях в профессиональной версии Micro-Cap и ЭВМ с большим объемом оперативной памяти в такой замене необходимости нет. Укажем, что на результатах исследований указанное упрощение схемотехнической модели не отражается, при этом оно

полезно при проведении расчета и анализе результатов. Полный цикл повторения электромагнитных процессов в трехфазном выпрямителе, соответствующий одному расчетному циклу схемотехнической модели, составляет 20 мс, а время окончания переходных процессов в тиристорном инверторе, определяемых, в основном, индуктивностью дросселя входного тока, составляет величину порядка 4 мс. Поэтому расчеты, например, выход-

ного тока инвертора, можно произвести на значительно меньшем интервале времени. Качество анализа при схемотехническом моделировании определяется количеством расчетных точек на заданном интервале времени. В Micro-Cap имеется возможность для успешного завершения заданного интервала, формируя на выходе разнополярные импульсы тока тиристора и диода, разделенные интервалом — паузой регулируемой длительности. Изменением длительности паузы регулируется рабочая частота автономного инвертора. Таким образом, изменяя интервал паузы, регулируют выходную мощность тиристорного автономного инвертора. Сказанное находит подтверждение при рассмотрении квазиустановившихся электромагнитных процессов в инверторе и его модели.

На схемотехнической модели (рис. 1) концентрическими окружностями обозначены магнитные сердечники для соответствующих индуктивностей, отражающие тороидальную конструкцию изображаемых магнитопроводов без магнитного зазора (GAP = 1). На схеме указывается целочисленное количество витков, магнитосвязанных с помощью PSpice-моделей сердечников. Присутствие этих компонентов представляет собой существенное отличие этой модели высокочастотного автономного инвертора повышенной частоты, которое не следует игнорировать при исследовании электромагнитных процессов. Еще одна особенность модели — это представление диода и тиристора как нелинейных полупроводниковых элементов в виде PSpice-моделей с импульсным управлением.

 

Рисунок.12.2.Панель установки параметров и вольт-амперная характеристика модели диода.

Характеристики PSpice-модели диода пока-заны на рис.7.2. В модели установлены необходимые параметры, в частности обратное напряжение BV=VDRM=”Maximum repetitive peak off-state voltage”=4000В,оно обеспечи-вает работоспособность автономного инвертора с источником питания 510 В.

Тиристор схемотехнической модели, представленный в исследованиях в виде макроса SCR (рис. 7.3), описывается следующими параметрами — SCR MACRO: IH “DC Holding Current” = 50MA; IGT “Gate Trigger Current” = 40MA; TON “Turn on time” = 1US; VTMIN “Minimum anode to cathode on state voltage” = 1V; VDRM “Maximum repetitive peak off-state voltage” = 800V; DVDT “Critical rate of rise of off-state voltage” = 50MEG; TQ “Turn off time” = 20US; K1 “DVDT adjustment (set to 1 unless otherwise specified)”= 1; K2 “TQ adjustment (set to 1 unless otherwise specified)” = 1.

В модели тиристора используется его представление в виде двух транзисторов различной проводимости Q1–QP, Q2–QN и трех диодов — DJ1, DJ2, DFOR. Модели транзисторов и диодов представлены в следующем виде:

p-n-p транзистор —.model QP PNP (BF=BF1 IS=IS1 RE=RE1 CJE=CJE1 BR=BF1 TF=TF1 TR=TR1); n-p-n транзистор —.model QN NPN

(BF=BF2 IS=IS2 CJC=CJC2); диод Д1 —.model DJ2 D (IS=.001*(IS1) BV=VDRM); диод Д2 —.model DFOR D (BV=VDRM); диод Д3 —.model

DJ1 D (is=.001*IS1 BV=5). Пользователю нужно установить необходимые параметры макроса силового тиристора, показанные на панели рис.7.3.

 

 

Рисунок. 12.3.Панель редактирования параметров макроса тиристора

Макромодель тиристора схемотехнической модели инвертора, представленная макросом SCR, управляется импульсами напряжения от генератора импульсов — IMPULSE. График (Plot) управляющих импульсов тиристора, формируемый с помощью панели MODEI IMPULSE, показан на рис. 5. Импульсные сигналы управления имеют идеальную форму, вре-менные параметры напряжения которой следующие: P1=0 — начало перед-него фронта импульсов; P2=0 — окончание переднего фронта импульсов; P3=0 — начало заднего фронта импульсов; P4=30u (30 микросекунд) — окончание заднего фронта импульсов; P5=200u — период повторения импульсов; VONE=20 (Вольт) — амплитуда прямой полярности импульсов; VZERO=–1 — величина отрицательного напряжения, показанная на графике. Эти импульсы инициируют включение тиристора в автономном инверторе.

На левом графике рис. 5 показан интервал времени P5, точное значение которого, согласно панели справа, равно 200 мкс. Укажем, что в рабочем окне Micro-Cap имеются средства точной фиксации особых или экстремаль-ных точек рассчитанных графиков, если в этом есть необходимость. На рис. 5 показан установленный интервал схемотехнической модели, соответствую-щий частоте включения тиристора автономного инвертора. Величина P4 должна превышать время, необходимое для нарастания тока тиристора свыше величины тока удержания. В общем, схемотехническая модель — в качестве электронного имитатора (симулятора) — практически полностью имитирует (симулирует) свойства электрической схемы автономного инвертора.На изображенной схемотехнической модели (рис.7.1) отсутствует непосредственное заземление полюсов источника питания, как это осуществляется в действительности при использовании сетевого трехфазного выпрямителя. С другой стороны, одна шина индуктора и вторичные обмотки датчиков тока должны быть заземлены. Это условие, согласно технике безопасности, также выполнено в схемотехнической модели.

Рисунок. 12.4.Диаграмма импульсов управления тиристорами автономного инвертора

Индукционная закалка шестерен осуществляется после интенсивного нагрева ТВЧ и охлаждения изделий в воде, масле или другой закалочной жидкости. В процессе закалки в поверхностном слое нужной толщины происходят структурные превращения металла, обуславливающие его повышенную твердость, предотвращающую истирание поверхности, в сочетании с термически исходной структурой сердцевины. Нагревательный пост применяется при закалке ТВЧ зубчатых шестерен большого модуля, применяемых в тепловозостроении (модуль М=10, число зубьев z=75). Электропитание ТВЧ подобных индукционных установок ранее осуществлялось от высокочастотного лампового генератора. Генератор имел значительный вес и габариты, требовал много времени на подготовку к работе и имел невысокую эксплуатационную надежность.

Разработанный тиристорный закалочный комплекс обеспечивает повышение производительности труда, улучшает условия труда персонала, обслуживающего установку, его можно быстро подготовить к работе. Комп-

лекс занимает меньшую производственную площадь. Размещение источника питания индукционного комплекса в непосредственной близости от нагревательного поста уменьшает потери высокочастотной энергии, что приводит и к уменьшению затрат электрической энергии. Автоматизированный комплекс включает в себя: тиристорный преобразователь частоты; закалочный трансформатор; индуктор с водяным спреером. Закалочный индуктор подключен к выходным клеммам модифицированного закалочного трансформатора. В настоящее время выпускаемые отечественной промышленностью высокочастотные трансформаторы полностью соответствуют условиям применения в закалочных установках с ТПЧ. Время одного цикла обработки составляет 10–15 с. Оператор производит включение/выключение установки и поворот обрабатываемой шестерни.

 

Параметры высокочастотных установок улучшаются, в основном, за счет совершенствования технических характеристик закалочных трансформаторов, что расширяет области их использования.

Ранее закалка проводилась в соляной ванне, с длительностью

технологического цикла свыше 1 часа. Процесс был ручным, грязным и опасным. Теперь закалка производится в проходном индукторе от тиристорного источника питания. Время закалки одного полотна составляет 4–5 с. Применение прогрессивной закалки позволило повысить работоспособность инструмента на 30%. При распиловке стандартного образца ножовочное полотно «работало» 60 мин, а после закалки ТВЧ сохраняет стойкость более 80 мин. Кроме того, полотно сохраняет мягкую сердцевину, чего нельзя достигнуть в соляной ванне. Автоматизированные комплексы с тиристорными преобразователями частоты эффективно заменяют также электромашинные генераторы равной мощности и одинаковой частоты в высокочастотных установках для индукционного нагрева металлов.

 

Параметры магнитных сердечников, использованных в схемотехнической модели, рис. 11–13 показаны графики кривых намагничивания магнитных сердечников автономного инвертора, полученные схемотехническим моделированием.