•САНКТ(cid:7)ПЕТЕРБУРГ •МОСКВА •КРАСНОДАР 2013 С.Г.ГЕРМАН(cid:9)ГАЛКИН ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB(cid:7)SIMULINK Учебник САНКТ(cid:7)ПЕТЕРБУРГ МОСКВА КРАСНОДАР 2013 ББК 32.85я73 Г 38 Герман(cid:8)ГалкинС.Г. Г 38 Виртуальные лаборатории полупроводниковых систем в среде Matlab(cid:19) Simulink: Учебник.— СПб.: Издательство «Лань», 2013.— 448с.: ил. (+CD).— (Учебники для вузов. Специальная литература). ISBN 978(cid:8)5(cid:8)8114(cid:8)1520(cid:8)5 Данная книга представляет собой учебник по моделированию устройств силовой элек(cid:19) троники в среде Matlab(cid:19)Simulink. Приводится описание библиотек пакетов Simulink и SimPower System. Излагаются вопросы построения и исследования импульсных статиче(cid:19) ских преобразователей, устройств силовой электроники в электроприводе постоянного и переменного тока и полупроводниковых устройств в сетях переменного тока. Книга может быть полезна студентам соответствующих специальностей технических вузов, дипломникам, аспирантам, слушателям курсов повышения квалификации, инже(cid:19) нерам(cid:19)проектировщикам полупроводниковых систем, а также преподавателям, желаю(cid:19) щим использовать современные компьютерные технологии при разработке учебно(cid:19)мето(cid:19) дических комплексов. Кучебнику прилагается CD с соответствующим программным обес(cid:19) печением. ББК 32.85я73 Обложка Е. А. ВЛАСОВА Охраняется законом РФ об авторском праве. Воспроизведение всей книги или любой ее части запрещается без письменного разрешения издателя. Любые попытки нарушения закона будут преследоваться в судебном порядке. © Издательство «Лань», 2013 © С.Г.Герман(cid:19)Галкин, 2013 © Издательство «Лань», художественное оформление, 2013 (cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:10)(cid:6)(cid:4) С иловая электроника относится к числу наиболее быстро раз(cid:29) вивающихся научных и технических дисциплин. Полупроводниковые систе(cid:29) мы, основой которых являются устройства силовой электроники, находят ши(cid:29) рокое применение в области электромеханики, электроэнергетики, электро(cid:29) привода, электротехнологий ит.д. Вузовские программы соответствующих специальностей при изучении та(cid:29) ких систем предусматривают в обязательном порядке проведение практиче(cid:29) ских и лабораторных занятий. Эти занятия позволяют закрепить теоретиче(cid:29) ские знания и выработать у учащегося определенные практические навыки. Необходимость в проведении таких практических работ давно доказана и не может подвергаться сомнению. Однако реальные лабораторные установки имеют ряд ограничений. Прежде всего, они недостаточно универсальны, коли(cid:29) чество их в лаборатории ограничено, работа на них небезопасна для учащегося и для самой установки. Кроме того, эти работы, как правило, осуществляются в подгруппе из нескольких человек, при этом невозможно дать индивидуаль(cid:29) ное задание каждому. Впоследние годы все большее распространение получа(cid:29) ют дистанционные формы обучения. При такой форме обучения возможности учащегося в использовании реальных лабораторных установок существенно ограничены. Расширить возможности учащихся вузов при освоении теоретических и практических проблем различных полупроводниковых систем и помочь тем, кто учится самостоятельно, используя дистанционное или иные формы обуче(cid:29) ния, призвана данная книга. Учебник предназначен в основном для студентов старших курсов техниче(cid:29) ских специальностей, изучающих использование устройств силовой электро(cid:29) ники в электроэнергетических, электромеханических, электротехнических системах. Он также может быть полезен молодым специалистам, обучающим(cid:29) ся на курсах повышения квалификации или желающим самостоятельно по(cid:29) высить уровень своих знаний в вышеназванной области. Основой изучения устройств силовой электроники в данной книге является их модельное исследование. ПРЕДИСЛОВИЕ 5 (cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:2)(cid:7)(cid:2)(cid:8)(cid:5)(cid:9)(cid:6)(cid:10)(cid:11)(cid:12)(cid:5)(cid:2)(cid:3)(cid:13)(cid:14)(cid:5)(cid:15)(cid:16)(cid:12) Моделью называется любой другой объект, отдельные свойства которого полностью или частично совпадают со свойствами исходного. Следует ясно по(cid:21) нимать, что исчерпывающе полной модели быть не может. Она всегда ограни(cid:21) чена и должна лишь соответствовать целям моделирования, отражая ровно столько свойств исходного объекта и в такой полноте, сколько необходимо для конкретного исследования. Можно выделить несколько целей, ради которых создаются модели [4]. 1.Модель, как средство осмысления, помогает выявить взаимозависимости переменных, характер их изменения во времени, найти существующие зако(cid:21) номерности. При составлении модели становится более понятной структура исследуемого объекта, вскрываются важные причинно(cid:21)следственные связи. В процессе моделирования постепенно происходит разделение свойств ис(cid:21) ходного объекта на существенные и второстепенные с точки зрения сформули(cid:21) рованных требований к системе. Вопределенном смысле вся научная деятель(cid:21) ность сводится к построению и исследованию моделей. 2.Модель, как средство прогнозирования, позволяет предсказывать пове(cid:21) дение объекта и управлять им, испытывая различные варианты управления. 3.Модель, как средство проектирования, включает этапы эскизного, тех(cid:21) нического и рабочего проектирования. Достижение этой цели стало возмож(cid:21) ным благодаря интенсивному развитию специализированных прикладных па(cid:21) кетов. Экспериментировать с реальным объектом часто бывает неудобно, а иногда и просто опасно или вообще невозможно в силу ряда причин: (cid:2) большая продолжительность эксперимента; (cid:2) риск повредить или уничтожить объект; (cid:2) риск для здоровья и жизни исследователей; (cid:2) отсутствие реального объекта в случае, когда он еще только проектируется. Все эти причины устраняются при использовании моделей. Модель отражает те или иные свойства реального физического объекта. Модели бывают физическими, аналоговыми и математическими. Математическая модель является математическим описанием реального физического объекта. Это описание базируется на физических законах, опре(cid:21) деляющих поведение объекта, и служит для исследования его свойств, необ(cid:21) ходимых инженеру. При наличии математического описания (математиче(cid:21) ской модели) исследование свойств объекта может быть реализовано аналити(cid:21) ческими методами либо с использованием компьютерного моделирования. Аналитические методы имеют существенные ограничения. Они позволя(cid:21) ют в полной мере исследовать системы, которые описываются дифференци(cid:21) альными уравнениями первого и второго порядка. Системы, описываемые урав(cid:21) нениями третьего и четвертого порядка, поддаются аналитическому решению, но влияние параметров системы приходится исследовать уже численными ме(cid:21) тодами. Системы более высоких порядков исследуются только численными методами. Численные методы базируются на использовании компьютерного модели(cid:21) рования. 6 ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB(cid:21)SIMULINK Компьютерная модель— это программная реализация математической модели, дополненная различными служебными программами (например, ри$ сующими и изменяющими графические образы во времени). На исторически ранних этапах компьютерного моделирования программы создавались на языке машинных слов (1100101...). Следующим шагом стал язык Ассемблера. Вдальнейшем появились языки программирования «высо$ кого уровня» (Алгол, Бейсик, Фортран, Паскаль, С++ идр.). Технологии про$ граммирования с использованием языков высокого уровня требуют для созда$ ния моделей достаточно много времени. Трудозатраты на создание простой, с современной точки зрения, компьютерной модели оцениваются в несколько человеко$месяцев. Дело в том, что при разработке модели сложной системы значительная часть ресурсов расходуется на решение чисто математических вопросов. Это может быть выбор математического аппарата (алгебраические уравнения, дифферен$ циальные уравнения по одной переменной, дифференциальные уравнения в частных производных ит.д.), вывод уравнений системы, линеаризация, выбор метода обработки данных идр. При этом непосредственный разработчик (на$ пример, конструктор) вместо того, чтобы сосредоточиться на решении основ$ ной задачи, вынужден неоднократно обращаться к специалистам$математикам. Процесс моделирования, а значит, и всей разработки затягивается, порождает конфликты ит.д. Все это устраняют современные компьютерные технологии моделирования. Они дают в руки разработчику инструменты, позволяющие работать с виртуальной моделью реального объекта, при этом математика (вся или существенная ее часть) уходит как бы на задний план (уравнения создают$ ся самой инструментальной средой, они не «видны»). Такие виртуальные модели существенно облегчают задачу исследования полупроводниковых систем. Современный уровень развития инструментальных средств моделирования таков, что позволяет исключить запись уравнений поведения объекта, предо$ ставляя исследователю исчерпывающий набор виртуальных средств. Однако на этапе разработки модели приходится разрешать противоречия между точностью модели и ее простотой. При этом необходимо выполнить ряд требований. Важнейшее из них, предъявляемое к разрабатываемым моде$ лям,— требование адекватности, т.е. соответствия реальному объекту отно$ сительно выбранных для исследования системы свойств. Стремление сделать модель максимально приближенной к реальному объ$ екту повышает ее сложность и, как следствие, затраты на разработку и про$ граммную реализацию. Внекоторых случаях модель может стать настолько сложной, что отладка ее будет просто невозможна. Таким образом, модель долж$ на быть достаточно простой (без потери адекватности!). Собственно, искусство моделирования и состоит в том, чтобы построить мо$ дель, которая наиболее адекватна из всех простых и наиболее проста из всех адекватных. В связи со сказанным само построение модели становится задачей творче(cid:22) ской, требующей от исследователя значительных знаний, опыта, а порой и интуиции. ПРЕДИСЛОВИЕ 7 В монографии модели этих систем представлены в «готовом виде». От изу(cid:21) чающего требуется на готовой модели провести рекомендуемые исследования. Это не исключает возможности изменить модель и провести дополнительные исследования. Среди специализированных прикладных пакетов лидирующее положение для исследования полупроводниковых систем занимают пакеты среды Matlab— Simulink фирмы Math Work. Эта пакетная среда используется в книге. (cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:3)(cid:8)(cid:2)(cid:9)(cid:10)(cid:5)(cid:11)(cid:3)(cid:2)(cid:12)(cid:13)(cid:14)(cid:15)(cid:13)(cid:16)(cid:3)(cid:4)(cid:2)(cid:17)(cid:18)(cid:12)(cid:19)(cid:15)(cid:18)(cid:20)(cid:21) Первая версия пакета Matlab была разработана уже более 20лет тому на(cid:21) зад. Развитие и совершенствование этого пакета происходило одновременно с развитием средств вычислительной техники. Название пакета Matlab проис(cid:21) ходит от словосочетания Matrix Laboratory, он ориентирован в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). Именно поэтому, несмотря на достаточно высокую скорость смены поколений вычислительной техники, Matlab успевал впитывать все наиболее ценное от каждого из них. Врезультате к настоящему времени Matlab представляет собой богатейшую библиотеку функций, единственная проблема работы которых заключается в умении быстро отыскать те из них, которые нужны для решения поставленной задачи. Matlab имеет собственный язык программирования более высокого уровня, чем перечисленные выше. Однако разработчики пакета пошли дальше. Был создан пакет Simulink для исследования и проектирования динамических си(cid:21) стем, который, по сути, является очень удобным интерфейсом для пользовате(cid:21) лей— специалистов в области теории управления. Пакет Simulink является приложением к пакету Matlab. При моделирова(cid:21) нии с использованием пакета Simulink реализуется принцип визуального про(cid:21) граммирования, в соответствии с которым пользователь на экране из библио(cid:21) тек стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компью(cid:21) тере, и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает. Пакет Simulink является достаточно самостоятельным инструментом па(cid:21) кета Matlab и при работе с ним совсем не требуется знать сам Matlab и осталь(cid:21) ные его приложения. Сдругой стороны, доступ к функциям Matlab и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, LTI(cid:21)Viewer приложения Control System Toolbox— пакет для раз(cid:21) работки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки бло(cid:21) ков для разных областей применения (например, SimPower System— модели(cid:21) рование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset— набор блоков для разработки цифровых устройств ит.д.). При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать собственные, а также составлять новые библио(cid:21) теки блоков. 8 ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB(cid:21)SIMULINK В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, про(cid:30) исходящими в системе. Для этого используются специальные устройства на(cid:30) блюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирова(cid:30) ния могут быть представлены в виде графиков или таблиц. (cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:2)(cid:6)(cid:3)(cid:7)(cid:8)(cid:4)(cid:9)(cid:2)(cid:3)(cid:10)(cid:11)(cid:12)(cid:9)(cid:13) (cid:14)(cid:2)(cid:9)(cid:2)(cid:14)(cid:2)(cid:3)(cid:8)(cid:15)(cid:16)(cid:9)(cid:2)(cid:3)(cid:10)(cid:11)(cid:12)(cid:9)(cid:9)(cid:2)(cid:14)(cid:3)(cid:4)(cid:17)(cid:14)(cid:2)(cid:3)(cid:10)(cid:3)(cid:7)(cid:12)(cid:9)(cid:15)(cid:3)(cid:10)(cid:18)(cid:19)(cid:2)(cid:20)(cid:9)(cid:20)(cid:16)(cid:8)(cid:6) При проектировании нового технического объекта важнейшим этапом яв(cid:30) ляется принятие решения о его производстве. Для этого реализуется комплекс организационно(cid:30)технических мероприятий: постановка задачи, эскизное, тех(cid:30) ническое и рабочее проектирование, изготовление опытного образца, испыта(cid:30) ния ит.д., причем в условиях ограниченных ресурсов. Поиск оптимального решения осуществляется посредством выбора различных стратегий, каждая из которых приводит к определенному исходу. Сравнение стратегий и выбор наи(cid:30) лучшей из них возможен только в том случае, если исход имеет количествен(cid:30) ную характеристику— показатель эффективности. Он должен быть «измерен», следовательно, стратегия должна быть реализована. Для проектирования тех(cid:30) нического объекта это значит, что должны быть исследованы все его возмож(cid:30) ные варианты. Если исключить из данного процесса моделирование, то задача практически нерешаема (затраты на реальное воплощение вариантов объекта пропорциональны их числу и, как следствие, огромны). Именно поэтому моде(cid:30) лирование занимает одно из центральных мест в проектировании: модель обес(cid:30) печивает адекватное отображение свойств объекта, устраняет проблемы, свя(cid:30) занные с измерениями на реальных объектах, обеспечивает воспроизводимость результатов ит.д. (cid:20)(cid:3)(cid:7)(cid:8)(cid:2)(cid:21)(cid:11)(cid:12)(cid:9)(cid:8)(cid:2)(cid:15)(cid:12)(cid:9)(cid:22)(cid:9) Книга содержит шесть глав. Впервой главе рассматриваются общие вопро(cid:30) сы моделирования элементов и устройств силовой электроники в среде Matlab— Simulink. Здесь подробно описываются библиотеки среды, которые в дальней(cid:30) шем используются при построении виртуальных лабораторий, программные и инструментальные средства представления результатов моделирования и ос(cid:30) новные характеристики полупроводниковых систем. Материал первой главы сопровождается значительным количеством примеров, многие из которых взя(cid:30) ты из демонстрационных моделей пакетов Simulink и SimPower System. Эту главу следует трактовать как справочный материал, к которому стоит постоян(cid:30) но обращаться при проведении исследований в виртуальных лабораториях в последующих главах. Во второй главе исследуются импульсные источники питания постоянного тока. Здесь рассмотрены три базовые схемы полупроводниковых преобразовате(cid:30) лей, осуществляющих прямое (однокаскадное) преобразование постоянного на(cid:30) пряжения в постоянное без использования какого(cid:30)либо промежуточного преобра(cid:30) зования, например постоянного напряжения в переменное с последующим преоб(cid:30) разованием переменного напряжения в постоянное. Применительно к этим схемам рассмотрены основные алгоритмы управления, которые в дальнейшем использу(cid:30) ются во всех полупроводниковых системах в последующих главах книги. ПРЕДИСЛОВИЕ 9 Третья глава посвящена полупроводниковому электроприводу постоянно(cid:21) го тока. Здесь осуществлено модельное исследование электроприводов с управ(cid:21) ляемыми выпрямителями (однофазным и трехфазным) и полупроводниковы(cid:21) ми широтно(cid:21)импульсными преобразователями (одноплечевым и мостовым). Вчетвертой главе рассмотрены асинхронные полупроводниковые электро(cid:21) приводы с двигателем с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (маши(cid:21) на двойного питания). В пятой главе исследованы полупроводниковые электроприводы с синхрон(cid:21) ными двигателями. Здесь, в отличие от материалов глав3, 4, значительное место уделено рассмотрению современных конструкций самих электрических машин. Эти конструкции произвели в определенном смысле революцию во взглядах на процессы, происходящие в электрической машине. По мнению автора, такие конструкции машин являются наиболее перспективным направ(cid:21) лением развития электропривода. Шестая глава посвящена полупроводниковым преобразователям в сетях переменного тока. Здесь рассмотрены вторичные источники питания в полу(cid:21) проводниковых системах (корректор коэффициента мощности, активный од(cid:21) нофазный выпрямитель, активный трехфазный преобразователь) и активные фильтры (однофазный и трехфазный). Все эти устройства позволяют сущест(cid:21) венно увеличить коэффициент мощности в различных полупроводниковых си(cid:21) стемах и тем самым решить основную проблему современных полупроводнико(cid:21) вых систем— повышение их энергоэффективности. (cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:2)(cid:7)(cid:10)(cid:10)(cid:11)(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:12)(cid:9)(cid:13)(cid:7)(cid:14) (cid:15)(cid:13)(cid:3)(cid:16)(cid:17)(cid:5)(cid:15)(cid:18)(cid:18)(cid:3)(cid:8)(cid:4)(cid:7)(cid:12)(cid:13)(cid:5)(cid:10)(cid:4)(cid:7)(cid:2)(cid:19)(cid:5)(cid:11)(cid:20)(cid:19)(cid:16)(cid:5)(cid:12)(cid:5)(cid:6)(cid:13)(cid:7)(cid:8)(cid:5)(cid:12)(cid:21)(cid:22)(cid:2)(cid:10)(cid:7)(cid:10)(cid:4)(cid:3)(cid:2) Источником ухудшения энергоэффективности являются реактивные, не(cid:21) линейные и несимметричные нагрузки. Особенно остро встают проблемы, связанные с повышением коэффициента мощности при использовании устройств силовой электроники, которые явля(cid:21) ются существенно нелинейными элементами электрической цепи. Внастоя(cid:21) щее время проблемы совместимости преобразователей с сетью во многом являют(cid:21) ся определяющими при проектировании и применении последних. Это приводит к существенному обновлению типов и номенклатуры силовых преобразовате(cid:21) лей, разработке и появлению на рынке новых типов преобразовательных уст(cid:21) ройств (корректоры коэффициента мощности, активные выпрямители, актив(cid:21) ные фильтры идр.). Серьезнейшее внимание вопросам энергоэффективности уделяется при про(cid:21) ектировании электроприводов с силовыми полупроводниковыми преобразова(cid:21) телями. Особенно остро проблемы энергоэффективности встают при проектирова(cid:21) нии мощных приводов для коммунального хозяйства городов, транспортных систем, систем автономного энергоснабжения идр. Проблема энергоэффектив(cid:21) ности полупроводникового электропривода имеет два аспекта. Условно их мож(cid:21) но определить как внутренний и внешний. Внутренний аспект связан с отноше(cid:21) нием механической мощности на валу исполнительной электрической машины и неактивной мощности, циркулирующей внутри системы «полупроводнико(cid:21) 10 ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB(cid:21)SIMULINK