Подход к системному моделированию электропривода

Электропривод является одним из ключевых направлений развития силовой электроники. Оптимизация такой сложной электромеханической системы требует всестороннего анализа, исследований и современных методик. Конечно, возможно исследовать и оптимизировать каждый компонент системы отдельно, но использование оптимальных компонентов не гарантирует оптимального поведения системы. Появляется необходимость к подходу системного моделирования, интегрирующему каждую отдельную часть электромеханической системы в общую платформу моделирования.

Используются решения:

ANSYS Simplorer, ANSYS SCADE Suite, ANSYS IcePak, ANSYS RMxprt, ANSYS Maxwell.

Ключевые слова:

Электропривод, силовая электроника, моделирование систем, модели пониженного порядка, описательные модели IGBT, электрические машины, междисциплинарное моделирование, технологии Esterel, системы охлаждения, системы управления.

Электропривод

Электропривод является системой, которая преобразует электрическую энергию в механическую энергию. Это обеспечивается посредством управления несколькими устройствами и технологиями в рамках единого процесса (рисунок 1). Цель состоит в том, чтобы создать плавное и универсальное управление для достижения определенной характеристики вращающего момента/скорости. Электропривод является ключевым компонентом цепочки преобразования энергии между источниками питания и нагрузкой.

Преобразователи переменного тока регулируют скорость синхронных и асинхронных электрических машин. В зависимости от применения, должна существовать возможность регулирования скорости электрических машин, как правило такая регулировка реализуется через управление частоты электропитания с использованием частотно-регулируемых преобразователей.

Рис 1. Основные компоненты системы электропривода: выпрямитель, звено DC, инвертер.

Электропривод широко используется в различных областях промышленности: продовольственные блендеры, вентиляторы, насосы, фрезы, платформы бурения нефтяных скважин, горная промышленность, компрессоры, системы HVAC, промышленное оборудование, тяговые двигатели для автомобилей, железнодорожные задачи.  

Системный подход

Технология электропривода значительно совершенствовалась за прошлые несколько десятилетий: уменьшалась стоимость и размер, улучшились эффективность и производительность за счёт развития полупроводниковых технологий, оптимизации топологии, технологий управления и программного обеспечения.

В разработке электропривода следующего поколения стоит задача в комплексном всестороннем учёте мультифизичных эффектов. Необходимо в глобальном представлении рассмотреть электрическую оптимизацию, тепловое управление, усталость и долговечность, и взаимодействие аппаратных средств программного обеспечения.

Рис 2. ANSYS Simplorer. Инструменты создания описательных моделей полупроводников по данным производителя.

Подход системного моделирования требуется специалистам для выявления и решения проблем на ранних стадиях цикла разработки. Для этих целей предлагается использовать ANSYS Simplorer, как многоуровневое программное обеспечение системного моделирования с возможностями моделирования мультифизики. ANSYS Simplorer комбинирует множество технологий моделирования, такие как блок-схемы, диаграммы состояний (State Machines), язык (C++, VHDLAMS, SML, PSPICE) моделирования, электронные схемы и возможность реализации совместного расчёта с 2-D/3-D моделями расчётных модулей различных компонентов ANSYS.

Моделирование полупроводниковых компонентов

Полупроводниковые компоненты используются в качестве электрических устройств коммутации в приложениях силовой электроники. Технология полупроводников значительно совершенствовалась в прошлые годы, разработаны новые виды затворов, подложки и внутренние топологии, основанные на материалах с широкой запрещенной зоне.

Для корректного моделирования систем, в состав которых входят полупроводниковые элементы ANSYS Simplorer предлагает инструмент для работы с их характеристиками. Characterization tools позволяет создавать модели, IGBT, Mosfet, диодов, основываясь на технических данных производителя или измеренных данных, независимо от того, какая полупроводниковая технология используется. Три типа моделей IGBT доступны: усредненная, простая динамическая и усовершенствованная динамическая. В зависимости от типа моделирования и его целей, разработчик может выбрать электротермическая модель системного уровня (усредненная), динамические точные модели для исследования работы системы на электромагнитную совместимость EMC/EMI, оптимизацию драйвера затвора (простые динамические и усовершенствованные динамические модели).

На рисунке 2 представлены фрагменты создания компактной модели транзисторов IGBT усреднённого типа с помощью инструментов ANSYS Simplorer, в соответствие с данными производителя и различными кривыми зависимостей электрических и тепловых характеристик.

Охлаждение полупроводниковых элементов

В силовой электронике правильно реализованное охлаждение является ключевым в успешной реализации разработки. Отвод тепла является критической задачей для полупроводников, поэтому рабочей температурой перехода нужно управлять, чтобы избежать электротермических отказов и улучшить надежность инвертора питания. Существуют различные виды систем охлаждения, например, в железнодорожных приложениях обычно используется жидкостная система охлаждения металлической пластины, на которую монтируются IGBT транзисторы.

Рис 3. Односторонняя система охлаждения теплоотводящей пластины для модулей питания

Теплоотводящая пластина в этом примере включает полый алюминиевый блок с каналами для притока и отвода жидкого теплоносителя (рисунок 3). Важными деталями в конструкции являются различные интерфейсы между кристаллами и системой охлаждения. Классическая укладка состоит из припоя, металлизации, керамической подложки, содержит опорную плиту для механической прочности и теплового взаимодействия.

Рис 4. Сеточная модель в ANSYS Icepak

Моделирование процесса охлаждения модели возможно выполнить с ANSYS Icepak, специализированным приложением для анализа систем охлаждения электронных компонентов. В модели ANSYS Icepak используется вынужденная конвекция с температурой окружающего воздуха и охлаждающей жидкости 70 ° С. Размер сеточной модели 2,4 млн (Рисунок 4).

Рис 5. Поле скоростей установившегося режима в ANSYS Icepak.

При моделировании системы, ANSYS Simplorer используется для создания эквивалентной тепловой модели охлаждения транзисторов IGBT. Используется надежный метод, который заключается в создании модели пониженного порядка ROM из высокоточных результатов ANSYS Icepak, полученных из полноценного конечноэлементного решения задачи сопряжённого теплообмена. Для создания ROM в ANSYS Icepak проводится серия расчётов для определения реакции тепловой системы на ступенчатое возмущение (step response) (Рисунок 5 и 6). На основе полученных результатов ANSYS Simplorer извлекает ROM тепловой модели, который имеет тот же самый отклик при ступенчатых возмущениях.

Впоследствии, ROM может использоваться в ANSYS Simplorer, для точного вычисления температур силовых полупроводников с произвольным профилем тепловыделения.

Рис 6. ANSYS Icepak. Нестационарное решение одного из 12 случаев. Температурное поле распределено во всей области.

Модель электропривода системного уровня.

Правильно выбранная методика моделирования должна позволить разработчикам проверить каждый шаг проектирования изделий путем включения имитационных моделей на ранних стадиях процесса.

Таким образом, разработчики силовой электроники имеют реалистичные температурные рабочие точки, разработчики программного обеспечения могут тестировать и проверять коды на реалистичных аппаратных моделях, а также специалисты по механике и теплообмену могут располагать точными данными, например, по значениям потерь и распределениям.

В состав привода входят: звено постоянного тока, трехфазный инвертор на основе IGBT-переключателей. Реализуется управление бесщеточным двигателем постоянного тока BLDC. Тепловая система охлаждения и система управления моделируются наряду с силовой электроникой. Звено постоянного тока могут быть смоделированы с помощью идеального источника или с помощью модели батареи. Вся система показана на рисунке 7.

 

Рис 7. Схема электропривода в ANSYS Simplorer.

После моделирования инвертора, модель системы управления может быть реализована с помощью ANSYS SCADE Suite. Этот инструмент дает возможность интегрировать и испытывать в аналоговой системе фактический встроенный код, который будет загружен в конечное аппаратное обеспечение. SCADE Suite позволяет автоматически генерировать сертифицированный код на основе понятного графического интерфейса (Рисунок 8).

Рис 8. SCADE Suite для встраиваемых моделей программного обеспечения управления.

На начальном этапе управление может быть реализовано с открытым контуром, затем, на конечной стадии, с замкнутым контуром. Электрическое управление осуществляется с помощью измерения обратного тока и механических данных, такие как положение ротора, скорость и крутящий момент двигателя. Для отслеживания положения ротора, можно использовать датчики на основе эффекта Холла (Рисунок 9). Такого рода датчики присутствуют в библиотеке элементов с сосредоточенными параметрами в ANSYS Simplorer, но также могут быть смоделированы с помощью ROM модели, для большей точности, в конечноэлементном модуле ANSYS Maxwell для анализа 2-D/ 3-D электромагнитного поля. Подход к моделированию сложных систем посредством моделей пониженного порядка ROM, без потери точности моделирования, значительно выгоднее по сравнению с высокоточной полевой технологией совместного счёта (co-simulation), так как кардинально сокращает реальное время моделирования. Аналоговые сигналы с датчиков преобразуются в цифровые данные и используются в модели управления из SCADE Suite.

Рис 9. Датчики положения из библиотеки ANSYS Simplorer или в виде ROM из ANSYS Maxwell.

Двигатель моделируется либо в ANSYS Maxwell 2-D / 3-D или в ANSYS RMxprt – специализированный модуль для проектирования и оптимизации электрических машин, который содержит точные аналитические модели для всех стандартных типов электрических двигателей и генераторов (однофазные и трехфазные асинхронные, синхронные машины, ВРД, универсальные шаблоны вращающихся машин и т.д.). Используя ANSYS RMxprt, пользователи могут очень быстро оперировать большим количеством входных параметров, позволяющих создать точное описание машины, например, редактирование пазов ротора и статора, конфигурация обмоток статора, данные проводников (материал), расположение катушек и многое другое (рисунок 10).

Рис 10. Электрическая машина из ANSYS RMxprt с механической нагрузкой.

Контроль за тепловым состоянием активной электронной части должны рассматриваться вместе с силовой электроникой. Модель охлаждения силового инвертера была создана посредством моделирования в 3-D пакете ANSYS Icepak. Модель пониженного порядка ROM создана из высокоточных результатов 3-D модели сопряженного теплообмена и включены в моделирование системы в ANSYS Simplorer (рисунок 11).

Рис 11. Модель пониженного порядка ROM (линеаризованная, неизменная во времени) системы охлаждения силового блока инвертера.

В результате, появляется возможность проверки поведения каждой подсхемы по-отдельности и взаимодействия друг с другом междисциплинарных моделей. Моделирование системного уровня позволяет за счёт мониторинга и анализа основных величин (Рисунок 12), например, температура перехода или трехфазные токи, на ранней стадии определить ключевые моменты для улучшения разработки всех узлов.

Рис 12. Профиль трехфазного тока и температура перехода полупроводников IGBT и диодов.

Заключение

Подход к системному моделированию ANSYS продемонстрирован, как комбинация моделей различных физических областей с встроенным программным обеспечением, разработанным для силовой электроники. Благодаря симулятору системного уровня ANSYS Simplorer, существует возможность интеграции детализированных и точных моделей из полевых решателей, для каждой области физики, в единую модель системного уровня для проведения ранней диагностики и полной оптимизации схемы.

 

Статья находится во вложении!