WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

STUDIA MAGISTERSKIE UZUPEŁNIAJĄCE

Modelowanie w elektrotechnice

Temat: „Zastosowanie programu TCad 7.0 do badanie układów zawierających tyrystor SCR”

Studia niestacjonarne II stopnia

Semestr: I

Rok: I

Madejak Andrzej
Małachowski Sebastian

PODSTAWOWE INFORMACJE O SYMULATORZE TCAD

Pakiet TCad jest przeznaczony do analizy układów przekształtnikowych, w tym napędowych. Bazując na bogatych doświadczeniach w symulacji układów energoelektronicznych i napędowych opracowano system, który jest funkcjonalny od strony obsługi jak też skuteczny i szybki w rozwiązywaniu złożonych zagadnień symulacyjnych zarówno przekształtników statycznych jak też i zespołów przekształtnik - maszyna.

Opierając się na typowej strukturze systemów przekształtnikowych dokonano podziału funkcjonalnego pakietu na część elektryczną i pomocniczą. Przyjęto, że tylko część elektryczna będzie obliczana w sposób typowy dla układów elektrycznych, natomiast część pomocnicza musi składać się z podstawowych bloków z tak określonym sposobem pracy, by był możliwy zapis jej stanu poprzez proste stosowanie funkcji przetwarzania. W efekcie praca części elektrycznej jest obliczana w oparciu o parametry elementów i ich stan początkowy, z wykorzystaniem metody potencjałów węzłowych i całkowania numerycznego wg algorytmu interpolacyjnego Geara I rzędu wstecz, a część pomocnicza jest obliczana w sposób rekurencyjny.

Tworząc model topologiczny systemu należy, tak jak to jest w praktycznym systemie przekształtnikowym, dokonać podziału na strukturalne części: główną i pomocniczą.

Część energoelektroniczna i elektryczna układu

Graf modelu układu

Część energoelektroniczna układu jest zbudowana z kolejnych elementów, połączonych ze sobą węzłami topologicznymi, nazywanymi dalej węzłami. Węzły te nie są więc punktami rozgałęzienia obwodu, lecz zaczepami (zaciskami) elementów. Każdemu elementowi jest przyporządkowany numer. Przez określenie dodatniego kierunku prądu w elemencie powstaje gałąź skierowana nazywana dalej gałęzią. Obwód elektryczny jako zbiór połączonych ze sobą gałęzi tworzy graf układu, w którym można określić relacje pomiędzy wszystkimi elementami.

Określenie grafu przykładowego układu.

Reguły obowiązujące przy tworzeniu grafu układu dla pakietu TCad to:

• gałęzie muszą mieć różne, kolejne numery od 1 do "liczba_gałęzi", kolejność numeracji gałęzi jest dowolna,

• węzły muszą mieć różne, kolejne numery od 0 do "liczba_węzłów-1", kolejność numeracji węzłów jest dowolna,

• kierunek gałęzi wynika z dodatniego zwrotu prądu płynącego przez element,

• w źródłach napięcia i prądu dodatni kierunek prądu wynika z przyjętego dodatniego kierunku wymuszenia napięcia lub prądu,

• w elementach półprzewodnikowych kierunek przewodzenia wyznacza kierunek gałęzi,

• graf układu może zawierać odseparowane od siebie gałęzie, ale zawsze musi składać się z cykli (żaden węzeł nie może należeć tylko do jednej gałęzi). Sytuacja taka może wystąpić przy obecności sprzężeń magnetycznych lub przy stosowaniu źródeł sterowanych,

• maksymalna liczba gałęzi (uwzględniając gałęzie składowe maszyn elektrycznych) wynosi 120,

• maksymalna liczba węzłów (uwzględniając wewnętrzne węzły maszyn elektrycznych) wynosi 80.

Zasada działania i obsługa

Program TCAD używany w trakcie zajęć laboratoryjnych jest typowym symulatorem obwodowym z interfejsem graficznym. Pozwala przeprowadzać symulacje obwodów elektrycznych, ze szczególnym uwzględnieniem układów energoelektronicznych.

Po uruchomieniu symulatora z pomocą ikony (TCAD7.0) otwiera się podstawowy pulpit roboczy w trybie edycji. Przykładowy wygląd pulpitu przedstawiono na rysunku 1.

Rys.1. Pulpit główny symulatora TCAD 7.0.

1- Listwa sterująca planszy głównej symulatora, 2- Schemat badanego modelu,3 – Rejestratory wielkości elektrycznych ( napięcie, prąd), 4 – Elementy tworzące analizowany model obwodu ( np. indukcyjność), 5 – Tekst ogólnego zadania w eksperymencie symulacyjnym , 6 - Linia Nastawy Parametrów Zalecanych w

Eksperymencie (NPZwE) ,7 – Wnioski z Eksperymentu (WzE)

Aby otworzyć plik ze schematem według nazwy podanej w instrukcji (np. DIO_RLE) należy posłużyć się 2-gim od lewej przyciskiem (otwórz plik schematu TCAD). Wszystkie schematy używane w trakcie laboratorium są przygotowane pod kątem wykonania wymaganych zadań i nie ma potrzeby dodawania nowych elementów na schematach. Studenci ograniczają się do edytowania parametrów elementów zgodnie

z zaleceniami NPZwE. Pierwszym krokiem po otworzeniu nowego schematu powinno być zapoznanie się z parametrami obwodu poprzez edycję kolejnych elementów (E, R, L, kąt wysterowania, wypełnienie itp.)

Poznanie lub zmiana parametrów wymaga zaznaczenia poprzez podwójne kliknięcie elementu lub rejestratora. Na rys. 2 przedstawiono przykładowo wygląd okna parametrów jednego z elementów i parametrów rejestratora. W przypadku gdy chcemy ustawić wartość E, R,L lub C na zero wpisujemy liczbę np. 0.0000001, która z punktu widzenia obwodu i wyników symulacji jest pomijalna, a nie spowoduje problemów z modułem dokonującym obliczeń.

Rys. 2 Widok okna edycji parametrów a) elementu, b) bloku monitorowania prądu.

Po dopasowaniu parametrów elementów do programu badań (wpisując potrzebne dane do wywoływanych tabelek - np. indukcyjności, rezystancji, kąta wysterowania wartości początkowej napięcia kondensatora lub prądu dławika) i sprawdzeniu wielkości wyprowadzanych do rejestratorów należy uruchomić symulację ( 4 przycisk od lewej na listwie sterującej - Symulacja). Po zakończeniu obliczeń na planszy prezentacji wyników przedstawiane są przebiegi pozwalające na dokonanie analizy badanego układu przekształtnika. Wygląd planszy prezentacji podano na rys. 3. Jeżeli w trakcie ćwiczenia okazuje się, że okres symulacji jest zbyt krótki lub niepotrzebnie długi, to można

zmienić go poprzez edycję parametrów symulacji (Menu Edycja / ...Parametrów Symulacji).

Rys. 3

Dla dokładniejszego rozpoznania zjawisk można zastosować „lupę” wybierając odpowiedni przycisk na listwie sterującej planszy prezentacji i posługując się wskaźnikiem - myszą. Dla precyzyjnego wykorzystania efektu powiększenia należy na wybranych oknach powiększyć dokładnie ten sam przedział (zwykle odpowiadający jednemu okresowi napięcia sieci np. od 40 ms do 60 ms). W modelach wprowadzono bloki obliczeniowe wyznaczające w wybranym oknie wyników wartości średnie i skuteczne napięć lub prądów. Dla dokładnego odczytania tych parametrów należy posługując się lupa sprawdzić wartość ustaloną przebiegu w odpowiednim oknie w przedziale czasu po zakończeniu procesu całkowania. Po zakończeniu analizy związanej z obecnymi na ekranie wynikami lub w przypadku konieczności powtórzenia symulacji dla zmienionych parametrów należy wrócić do planszy modelu (edycji modelu ) przez wybranie menu „Koniec” lub przycisku 8-go od lewej na górnej listwie (zakończ i przejdź do następnej symulacji).

Często popełniane uchybienia modelu

Modele oferowane przez TCad zazwyczaj nie sprawiają istotnych problemów. Najprostsze błędy i sytuacje wątpliwe dotyczące parametrów poszczególnych modeli są sygnalizowane w trakcie automatycznego sprawdzenia schematu (opcja schemat – sprawdzenie schematu – wykonaj). Podkreślamy przy okazji, że zgłaszane przez TCad ostrzeżenia są efektem uproszczonej interpretacji i często można je pominąć. W przypadku, gdy model jest już sprawdzony a ostrzeżenia stają się uciążliwe najprościej jest wyłączyć sprawdzanie schematu (wyłączenie opcji schemat – sprawdzenie schematu – wykonuj automatycznie).

Jednak automatycznie można sprawdzić jedynie część modelu.

W trakcie obliczeń (często już na starcie obliczeń) może pojawić się poniższy komunikat:

Obliczenia modelu w części energoelektronicznej są w TCad prowadzone metodą potencjałów węzłowych. Oznacza to, że zanim zostaną obliczone napięcia, prądy, itd., zostaną obliczone potencjały węzłów elektrycznych. I tutaj pojawia się problem w postaci niejednoznaczności opisu modelu pod względem potencjałów węzłów, jeżeli występują w nim odseparowane galwanicznie obwody. Przykładem takiego modelu jest układ z przykładu ex02.sch pozbawiony połączenia pomiędzy indukcyjnościami:

Uruchomienie symulacji takiego układu prowadzi do przedstawionego wcześniej komunikatu.

Ominięciem tego problemu jest usunięcie separacji bądź przez połączenie poszczególnych obwodów – bądź bezpośrednie (zwarcie) bądź poprzez np. dużą (~1MΩ) rezystancję. Generalnie, „numerycznie błądzące” potencjały węzłów mogą być przyczyną różnego rodzaju problemów obliczeniowych.

Innym, dość często spotykanym problemem jest zatrzymanie się (zablokowanie) obliczeń. Taka sytuacja następuje szczególnie w symulacjach układów energoelektronicznych (z łącznikami). Zwykle zablokowanie się obliczeń oznacza, że TCad nie umie znaleźć właściwego stanu układu. Można sobie wyobrazić diodę, której stan blokowania diody jest nieprawidłowy, ponieważ jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a stan przewodzenia jest również nieprawidłowy, ponieważ jej włączenie powoduje przepływ przez nią ujemnego prądu. Tego rodzaju sytuacja może się pojawić podczas przełączania różnego rodzaju łączników, gdy błędy numeryczne (szczególnie obcięcia) zaburzają wynik obliczeń napięć i prądów. Doświadczenia w symulacjach nawet rozbudowanych układów świadczą o tym, że TCad jest odporny na tego rodzaju problemy pod warunkiem, że parametry łączników są określone w sposób „fizykalny” – rezystancje przy blokowaniu są poniżej MΩ a przy przewodzeniu na poziomie 10 mΩ i więcej. Podawanie konkretnych wartości jest tutaj bezcelowe, zdecydowanie chodzi o to, by prądy nieprzewodzących łączników były pomijalnie małe, a ich spadek napięcia przy przewodzeniu był rozsądnie duży (~1V). W każdym razie obserwuje się, że skutecznym sposobem na odblokowanie obliczeń jest powiększenie rezystancji przewodzenia łączników.

Przykładowa symulacja: sterowanie tyrystora SCR prądem

Schemat pomiarowy: