Научная статья на тему 'Параметрическое моделирование насыщения силового дросселя с помощью симулятора LTspice и программного комплекса MatLab на примере сердечника из амморфного сплава 2605sa1'

Параметрическое моделирование насыщения силового дросселя с помощью симулятора LTspice и программного комплекса MatLab на примере сердечника из амморфного сплава 2605sa1 Текст научной статьи по специальности «Электротехника»

CC BY
6
2
Поделиться
Ключевые слова
УПРОЩЁННАЯ МОДЕЛЬ / СИЛОВЫЕ ДРОССЕЛИ / АМОРФНЫЙ СПЛАВ / ПЕТЛИ МАГНИТНОГО ГИСТЕРЕЗИСА / SIMPLIFIED MODEL / POWER CHOKES / AMORPHOUS ALLOY / MAGNETIC HYSTERESIS LOOPS

Аннотация научной статьи по электротехнике, автор научной работы — Климов А.А.

В статье описывается модель сердечника из аморфного сплава 2605SA1, созданная наоснове уравнений, предложенных John H. Chan и др., и используемая при параметрическом моделировании сердечника силового дросселя в цепи с импульсным источником напряжения. Приведены результаты сравнения экспериментальных данных с сигналами, полученными при моделировании.

Похожие темы научных работ по электротехнике , автор научной работы — Климов А.А.,

SATURATION PARAMETRIC MODELING OF A POWER CHOKE USING THE LTSPICE SIMULATOR AND THE MATLAB SOFTWARE PACKAGE BY THE EXAMPLE OF AN 2605SA1 AMORPHOUS ALLOY CORE

The article describes a model of an 2605SA1 amorphous alloy core based on the equations proposed by John H. Chan et al., and used in the parametric modeling of the core of a power choke in a circuit with a pulsed voltage source. The results of a comparison of the experimental data with the signals obtained in the simulation are presented.

Текст научной работы на тему «Параметрическое моделирование насыщения силового дросселя с помощью симулятора LTspice и программного комплекса MatLab на примере сердечника из амморфного сплава 2605sa1»

6. Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Панов В. А., Печеркин В. Я., Сон Э. Е. Электрический пробойпри растекании импульсного тока в песке // Прикладная физика, 2014, № 4. С. 20-25.

7. Ивонин В. В., Данилин А. Н., Ефимов Б. В., Колобов В. В., Селиванов В. Н., Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Печеркин В. Я., Сон Э. Е. Оптические изображения искровых каналов при растекании импульсных токов в грунте // Успехи прикладной физики, 2016. Т. 4, № 4. С. 355-361.

8. Селиванов В. Н. Использование программы расчёта электромагнитных переходных процессов АТР-ЕМТР в учебном процессе // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 1. С. 107-112.

Сведения об авторах Ивонин Виктор Владимирович,

научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: ivonin@ien.kolasc.net.ru

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.29-35 УДК 621.314.235

А. А. Климов

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСЫЩЕНИЯ СИЛОВОГО ДРОССЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ СИМУЛЯТОРА LTSPICE И ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА MATLAB НА ПРИМЕРЕ СЕРДЕЧНИКА ИЗ АММОРФНОГО СПЛАВА 2605SA1

Аннотация

В статье описывается модель сердечника из аморфного сплава 2605 SA1, созданная на основе уравнений, предложенных John H. Chan и др., и используемая при параметрическом моделировании сердечника силового дросселя в цепи с импульсным источником напряжения. Приведены результаты сравнения экспериментальных данных с сигналами, полученными при моделировании. Ключевые слова:

упрощённая модель, силовые дроссели, аморфный сплав, петли магнитного гистерезиса. A. A. Klimov

SATURATION PARAMETRIC MODELING OF A POWER CHOKE USING THE LTSPICE SIMULATOR AND THE MATLAB SOFTWARE PACKAGE BY THE EXAMPLE OF AN 2605SA1 AMORPHOUS ALLOY CORE

Abstract

The article describes a model of an 2605SA1 amorphous alloy core based on the equations proposed by John H. Chan et al., and used in the parametric modeling of the core of a power choke in a circuit with a pulsed voltage source. The results of a comparison of the experimental data with the signals obtained in the simulation are presented.

Keywords:

simplified model, power chokes, amorphous alloy, magnetic hysteresis loops.

Введение. Основным методом симуляции насыщающегося силового дросселя в различных программных комплексах является построение управляемого напряжением источника тока, представляющего собой реакцию индуктора на приложенное к нему напряжение [1]. Эффект насыщения моделируется при помощи начальной кривой намагничивания B = ДН) материала сердечника, которая переводится в зависимость I = Однако такой подход не учитывает остаточную намагниченность сердечника после смены полярности воздействующего напряжения, что сказывается на точности моделирования.

В данной работе используется упрощённая гистерезисная модель для построения цикла намагничивания сердечника силового дросселя.

Образование петли магнитного гистерезиса происходит за счёт периодического изменения напряжённости внешнего магнитного поля Н. При этом после нескольких циклов изменения поля индукция В образует замкнутую кривую предельной петли гистерезиса с индукцией насыщения В8, если максимальная напряжённость магнитного поля в сердечнике стремится к напряжённости насыщения Ш.

Гистерезисная модель ЬТ8рке. Симулятор ЬТ8рюе позволяет применять упрощённую гистерезисную модель магнитного сердечника, предложенную Джон Чан и др. [2]. В данной модели используются только основные параметры магнитных сердечников, которые могут быть найдены экспериментально, либо получены из технических характеристик. Пример частного гистерезисного цикла приведён на рисунке 1.

1 я В.Тп ,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-

1.2 -0.6 -0.0 -

Рис.1. Пример частного цикла намагничивания сердечника из аморфного сплава 26058Л1, полученного в симуляторе ЬТ8рюе

Восходящая и нисходящая кривые намагничивания предельной петли гистерезиса моделируются при помощи следующих выражений:

В в (Н) = -

В8 х(н + Не )

(

н+не+нг х

е

В5

Вк

Л

+ р о х Н

-1

(1)

для восходящей кривои и

В н (Н) = -

В8 Х(Н - Не )

н-не+н

е

В

Вт;

■ + р о х Н

-1

для нисходящей кривои,

где цо = 4лх10"7 Гн/м — магнитная проницаемость вакуума; Бз и Би — соответственно индукция насыщения и остаточная намагниченность данного материала сердечника; Не — коэрцитивная сила.

Также для моделирования нелинейной индуктивности начальной зависимостью потокосцепления от тока ¥(1) может быть получена начальная кривая намагничивания как среднее между восходящей и нисходящей ветвями петли:

В в (Н) + Вн (Н)

В(Н) = -

2

(3)

Кроме магнитных параметров в модели так же учитываются геометрические параметры, такие как длина средней магнитной линии Ьм, длина немагнитного зазора Ьа, площадь поперечного сечения А.

Схема для получения формы предельной петли состоит из двух источников тока, управляемых напряжением, используемых для измерения и настройки отображаемых параметров (рис. 2). Коэффициент передачи ИТУН Оь обеспечивающий выходное напряжение интегратора, которое имеет размерность индукции в сердечнике, определяется выражением:

е,

К01 =-1— (4)

01 (А х К) (4)

Коэффициент передачи ИТУН а2, обеспечивающий выходной ток, который имеет размерность напряжённости магнитного поля, определяется выражением:

К

К°2 = Л? V Т Л (5)

(К1 Х ЬМ)

Цикл работы импульсного источника напряжения содержит начальное намагничивание сердечника нелинейной индуктивности до насыщения и формирование замкнутой петли.

Рис. 2. Схема для построения предельных петель гистерезиса

Х

После формирования предельной петли гистерезиса в модель добавляется немагнитный зазор, при этом строится эквивалентный гистерезисный цикл [3] с изменённым наклоном петли и снижением уровня BR, что позволяет увеличить конечное приращение индукции и уменьшить вероятность вхождения сердечника в насыщение (рис. 3). Последнее обстоятельство весьма важно для силовых дросселей.

а

б

Рис. 3. Предельные петли гистерезиса для аморфного сплава 2605 SA1 при величине немагнитного зазора в 0,1 мм, построенные в LTspice (а) в координатах B-H и Hysteresis Designer (b) в координатах Y-I

Сравнение модели комплекса MatLab с экспериментальными данными. Полученные параметры используются для построения петли намагничивания в координатах магнитного потока Ф и тока I для насыщающегося индуктора в программном комплексе MatLab по тем же магнитным и геометрическим характеристикам. Прямое построение конечной петли непосредственно с помощью подпрограммы Hysteresis Designer комплекса затруднено из-за отсутствия учёта немагнитного зазора.

Тестовая модель изображена на рисунке 4. В качестве дросселя в тестовой схеме SimPowerSys комплекса MatLab используется трансформатор (Tp) с подключенной к источнику импульсного напряжения (конденсатору Сзар) первичной обмоткой и разомкнутой вторичной. Rkoht представляет сопротивление контура. Использование модели насыщающегося трансформатора в качестве нелинейного дросселя обуславливается возможностью формирования начальной намагниченности сердечника трансформатора с помощью подключения к его вторичной обмотке источника постоянного тока заданной величины.

Рис. 4. Схема испытательной модели с насыщающимся трансформатором в качестве нелинейного дросселя

Для проверки адекватности моделирования был собран тестовый стенд, в котором производился разряд конденсатора на дроссель, намотанный на сердечнике AMCC-320. Схема тестового стенда изображена на рисунке 5. Необходимые для моделирования характеристики данного сердечника приведены в таблице 1. Исследование параметров материала сердечника 2605 SA1 проведено в работе [4].

Таблица 1

Характеристики магнитопровода AMCC-320

Геометрические характеристики

Площадь поперечного сечения А, м2 0.00093

Длина средней магнитной линии Lм, м 0.325

Длина немагнитного зазора LG, м 0.0001

Магнитные характеристики

Коэрцитивная сила Hc, А/м 4.0

Остаточная намагниченность Br, Тл 0.152

Индукция насыщения Bs, Тл 1.56

С помощью высоковольтного источника напряжения ёмкость C заряжалась до 3 кВ через зарядное сопротивление Язар. При достижении максимума напряжения воздушный промежуток 8 пробивался, и заряд с ёмкости стекал на нагрузку в виде индуктора с сердечником Ьдр и измерительного шунта Яшунг.

^ | Осциллограф

яшунг

Рис. 5. Тестовый стенд для осциллографирования сигнала тока через нелинейную индуктивность

Сравнение параметров токов, протекающих через дроссель, показывает вполне приемлемую точность моделирования предельного насыщения магнитного материала сердечника, отклонения во временных и амплитудных показателях сигналов не превышают 10-20 %.

-3001--------|1'

0 02 04 06 08 1.0 1.2 1.4 1.6

х10'4

б

Рис. 6. Осциллограммы тока, протекающего через индуктор Ьсиоке, полученные при измерении с помощью токового шунта на тестовом стенде (а) и измерителя тока в программном комплексе Ма1;ЬаЬ (б)

Заключение. В данной статье показана возможность решения сложной и неэффективной для расчётных методов задачи по моделированию насыщения магнитопроводов силовых дросселей. Использование описанной модели позволяет

целенаправленно воздействовать на характер протекания электромагнитных процессов в технических схемах, имеющих в своём составе мощные нелинейные индукторы, в частности, в высоковольтных тиристорных преобразователях частоты или в схемах с синхронизацией двух источников напряжения типа ГИН-ГИТ.

Литература

1. Болотовский Ю. И., Таназлы Г. И.: Некоторые аспекты моделирования систем силовой электроники // Силовая электроника. 2006. № 4.

2. John H. Chan, Andrei Vladimirescu, XiaoChun Gao, Peter Liebmann and John Valainis: Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation // IEEE transactions on computer-aided design. vol. 10. 1991. № 4.

3. Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. 208 с.

4. Derlecki S., Kusmierek Z., Szulakowski J. and Dems M.: Magnetic amorphous material used as corps of electric machines // Przegl^d Elektrotechniczny (Electrical Review), 88(5a), 2012, 10-13.

Сведения об авторах

Климов Андрей Александрович,

лаборант-исследователь Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 47А Эл. почта: andreyklimov95@mail.ru

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.35-42 УДК 621.311

Г. П. Фастий, А. С. Карпов, В. В. Ярошевич, А. В. Бурцев

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УЧАСТКА ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ ДЛЯ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ

Аннотация

В настоящей статье рассматривается создание модели в программной среде АТР-ЕМТР, которую можно использовать для исследования грозовых воздействий на подстанции, приходящих по линии электропередачи. Ключевые слова:

подстанция, трансформатор, моделирование, нейтраль, грозовые перенапряжения.

G. P. Fastiy, A. S.Karpov, V. V. Yaroshevich, A. V. Burtsev

MODEL DEVELOPMENT OF THE POWER NETWORK PART FOR ANALYSIS OF PULSE PROCESS CHARACTERISTICS

Abstract

This paper illustrates the modeling of power network part using the program ATP-Draw (Alternative Transient Program) for studying traveling wavescoming to substation from power line. Keywords:

substation, transformer, modeling, neutral, atmospherics overvoltage.

Для многовариантных исследований грозовых перенапряжений на силовых трансформаторах высоковольтных подстанций применение прямого эксперимента в действующей сети практически невыполнимо по