Analiza Si Simularea Unui Sistem de Comanda a Invertoarelor de Tensiune cu Orientare Dupa Camp

Energia electrică produsă pe plan mondial este reconvertită în energie mecanică, în proporție de două treimi, pentru realizarea unor procese tehnologice, astfel subliniază importanța mizei economisirii energiei pe seama ameliorării randamentului conversiei.

Studiul instalațiilor de conversie a energiei, în care se încadrează acționările electrice reglabile, trebuie să combine experimentul cu raționamentul și calculele sau cu experimentul pe calculator. Experimentul de laborator reprezintă autoritatea supremă care validează o metodă sau o teorie, însă etapele pregătitoare sunt dominate, în zilele noastre, de experimentul virtual, pe calculator. Proiectarea și evaluarea performanțelor unui nou produs nu poate renunța la modelarea și simularea funcționării ansamblului.

Modelarea oricărui proces, complex sau simplu, de importanță majoră sau auxiliară, trebuie să fie exactă procesului, redată într-un limbaj apt pentru simulare și orientată spre scopul urmărit. Exactitatea modelării este influențată în mod sigur de studiul cunoașterii fenomenelor studiate, de capacitatea aparatului matematic de a descrie desfășurarea proceselor, însă și de scopul pentru care se realizează modelul. Este normal să existe mai multe modele pentru același proces sau element al sistemului, ierarhizate după criterii de complexitate sau de utilitate.

Pentru determinarea modelelor matematice asociate unor procese se aplică o combinație de procedee teoretice și experimentale, a căror succesiune este determinată de scopul modelării și de caracteristicile sistemului.

Un model eficient trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:

universalitate (posibilitatea aplicării aceluiași model tuturor obiectelor care fac parte din aceeași clasă);

posibilitatea identificării parametrilor;

număr limitat de parametrii.

Modelele, fiind alese în funcție de particularitățile sistemului analizat, pot fi clasificate astfel:

modele continue sau discrete;

modele liniare sau neliniare;

modele parametrice sau neparametrice;

modele variabile sau invariante;

modele cu parametri concentrați sau cu parametri distribuiți;

modele fuzzy sau cu mărimi crisp.

Determinarea modelelor matematice pentru procese este posibilă, în general, pe cale analitică sau pe cale experimentală.

Identificarea analitică a modelului

Pentru identificarea analitică, modelul matematic se realizează pe baza legilor fizice ce guvernează dinamica procesului. În acest fel, în cazul convertoarelor statice de putere, dezvoltarea unui model doar pe cale analitică presupune stabilirea sistemului de ecuații diferențiale ale circuitului echivalent. Pentru stabilirea unui model matematic pe cale analitică se analizează etapele următoarele:

stabilirea ipotezelor simplificatoare;

stabilirea mărimilor de intrare și ieșire, deci a mărimilor de interconectare a sistemului cu mediul extern;

stabilirea elementelor acumulatoare sau disipatoare de energie din cadrul sistemului;

stabilirea ecuațiilor ce caracterizează sistemul

simplificarea sistemului de ecuații prin:

– aproximarea prin ecuații diferențiale ordinare a ecuațiilor cu derivate parțiale;

– liniarizări ale unor ecuații neliniare cu derivate parțiale în vecinătatea unor puncte statice de funcționare;

– reducerea ordinului ecuațiilor diferențiale ordinare.

Identificarea experimentală a modelului

Identificarea experimentală a unui model admite construirea formei matematice a acestuia pe baza măsurărilor efectuate asupra variabilelor ce caracterizează evoluția sistemului sau procesului într-un regim de funcționare. Pe baza informațiilor anterioare despre proces, măsurătorile efectuate asupra variabilelor din proces permit determinarea prin identificare a legăturilor sau expresiilor matematice ce exprimă dependențele dintre mărimile de intrare, de ieșire sau de stare măsurate.

Procedurile de identificare pot fi parametrice sau nu. Un exemplu din domeniul modelării circuitelor electronice de putere constă în modelarea mașinilor asincrone prin identificare experimentală.

Proprietățile modelelor obținute prin identificare experimentală sunt următoarele:

construcția și utilizarea ușoară;

semnificația fizică redusă;

validitatea limitată într-un punct de lucru precizat, cu o anumită intrare și un anumit proces.

În unele cazuri, pentru determinarea modelului unui sistem nu se poate aplica exclusiv unul dintre aceste procedee, ci o combinație adecvată de procedee teoretice și experimentale, succesiunea acestora fiind dependentă de scopul modelării, de particularitățile sistemului și de informația disponibilă. De cele mai multe ori, din compararea rezultatelor obținute pe cale analitică și prin identificarea proceselor se pot elimina unele neconcordanțe și se poate pune la punct un model mai apropiat de realitate.

În cele mai multe cazuri, pentru un anumit proces, prin analiza teoretică se determină o structură a modelului matematic, iar printr-o procedură de identificare se adaptează parametrii modelului pentru a obține aceeași comportare intrare-ieșire, asemenea cazului real. Se poate observa că sarcina cea mai dificilă constă în alegerea unui model inițial care să poată fi îmbunătățită pe baza datelor obținute pe cale experimentală. Pentru a rezolva aceste probleme complexe legate de construcția modelelor, se apelează la tehnici de identificare asistată de calculator.

Grație complexității sistemelor automate, un studiu al funcționării acestora este posibil numai folosind metode de analiză asistată de calculator. Pentru a simula funcționarea unui circuit, utilizatorul poate să își construiască propriile rutine sau poate să apeleze la pachete software specializate, care pun la dispoziția utilizatorului biblioteci de modele pentru o parte din dispozitivele electronice actualmente în uz.

Indiferent de modul de descriere a circuitului analizat și de metoda de analiză folosită, la baza analizei asistate de calculator a oricărui sistem dinamic stau metodele de integrare numerică, ce oferă informații utile asupra comportării metodei de simulare folosite, permițând utilizatorului să aleagă în cunoștință de cauză metoda de integrare adecvată și să furnizeze corect parametrii specifici metodei folosite.

În ultimii 20 de ani dezvoltarea programelor de simulare asistată de calculator a circuitelor electronice a revoluționat atât proiectarea și producția industrială, cât și procesul de învățământ în domeniul electronic. Din multitudinea de pachete program, utilizate astăzi în proiectarea sistemelor de acționări reglabile, cele mai utilizate sunt: Simplorer, Maple, Matlab Simulink, Delphi, VSIM, PSpice, Motioneering, DSpace, KMTG Motion etc.

Datorită naturii destul de complexe a sistemelor de acționări reglabile, modelarea și simularea asistată de calculator a acestora, atât ca întreg, cât și parțial, pe componente, prezintă o serie de aspecte specifice:

sistemele de acționări reglabile prezintă blocuri componente ce au constante de timp foarte diferite, astfel conduce adesea la timpi de analiză ridicați. În felul acesta, în cazul unui sistem de comandă automată a unui motor electric, dispozitivele semiconductoare de comutație au constantele de timp de ordinul microsecundelor, iar constanta de timp a motorului poate atinge valori de nivelul secundelor. Astfel, pentru a obține o simulare de înaltă precizie necesită, pe de o parte, folosirea unui pas de analiză suficient de mic pentru a putea descrie corect procesele de comutație ale dispozitivelor semiconductoare, iar pe de altă parte, simularea trebuie efectuată pe un interval de timp îndelungat pentru a descrie regimul tranzitoriu al părții mecanice;

sistemele de comandă ale dispozitivelor de putere conțin de regulă, atât blocuri analogice, cât și blocuri digitale. Aceasta impune ca simulatoarele utilizate să fie multimod, adică să permită analiza atât a circuitelor analogice sau digitale separat, cât și a circuitelor mixte analog-digitale

simularea unui echipament electronic de putere necesită atât analiza fiecărui bloc component în parte, cât și analiza la nivel de sistem. De aceea simulatoarele trebuie să fie multinivel, adică să permită analiza de detaliu la nivel de componentă electronică, precum și analiza la nivel de sistem, pornind de la schema bloc de principiu;

dispozitivele electronice active (diode, tiristoare, IGBT-uri) lucrează în regim de comutație și prezintă caracteristici electrice puternic neliniare, ceea ce conduce uneori la pierderea convergenței algoritmilor iterativi de analiză. Programele de simulare pentru electronica de putere trebuie să permită utilizarea unui pas de calcul variabil, care să se adapteze la modul de variație al semnalelor de circuit.

Având în vedere faptul că ultimile versiuni ale pachetului de programe Matlab și mediul de simulare Simulink satisfac din plin aceste cerințe, s-a utilizat acest program pentru realizarea simulării unui sistem de comandă a invertoarelor de tensiune cu control în curent, cât și a unei acționări electrice reglabile prin intermediul acestuia.