Основные характеристики устройств силовой электроники

Свойства систем силовой электроники изучаются на основе их основных характеристик, которые можно разделить на статические (установившиеся режимы работы), квазиустановившиеся и динамические (переходные режимы работы).

К статическим характеристикам относятся:

·  нагрузочные (внешние) характеристики, представляющие собой зависимости выходного напряжения от тока нагрузки;

· регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости выходного напряжения (тока) от сигнала управления;

· электромагнитные характеристики, представляющие собой зависимости токов в цепи питания преобразователя и в нагрузке, а также токов в полупроводниковых элементах преобразователя от тока нагрузки;

· энергетические характеристики, представляющие собой зависимости активной, реактивной и полной мощности в цепи питания преобразователя и в нагрузке, а также мощности потерь в полупроводниковых элементах преобразователя от тока нагрузки или от мощности на выходе;

· - спектральные характеристики.

Нагрузочная характеристика определяет внутреннее сопротивление преобразователя, которое включено последовательно с нагрузкой и влияет на ее параметры (например для двигателя постоянного тока внутреннее сопротивление преобразователя увеличивает сопротивление якоря, уменьшая, тем самым, электромагнитную постоянную двигателя).

Регулировочная характеристика определяет коэффициент усиления преобразователя как динамического звена мехатронной системы.

Важным аспектом при исследовании устройств силовой электроники является спектральный анализ электромагнитных процессов. Это обусловлено тем, что всякое преобразование электрической энергии связано с искажением формы токов и напряжений. Основные свойства силового преобразователя существенно зависят от этих искажений. Количественно эти искажения можно оценить при разложении несинусоидальных токов и напряжений в ряд Фурье, т.е. при реализации спектрального анализа.

К квазиустановившимся следует отнести мгновенные электромагнитные процессы в нагрузке, в источнике питания и силовых полупроводниковых элементах в установившемся режиме работы полупроводникового преобразователя.

К динамическим характеристикам относятся:

· переходные электромагнитные процессы в нагрузке при скачкообразном изменении параметров источника питания;

· переходные электромагнитные процессы в источнике питания при скачкообразном изменении параметров нагрузки;

· переходные электромагнитные процессы в нагрузке и источнике питания при скачкообразном изменении величины входного сигнала;

· переходные электромагнитные процессы в полупроводниковых элементах преобразователя при их переключении.

Особую роль при исследовании динамических процессов занимают аварийные режимы в силовых преобразователях. Выход из строя одного элемента преобразовательной системы может стать причиной дальнейших более серьезных аварий. Поэтому своевременная диагностика и защита являются неотъемлемой частью сложных преобразовательных систем.

При исследовании силового полупроводникового преобразователя далеко не всегда требуется расчет всех перечисленных характеристик. Кроме того, исследователя могут интересовать свойства отличные от перечисленных.

Все эти задачи решаются при наличии модели исследуемого устройства. Разработанная модель выполняет роль лабораторного стенда, на котором можно, без боязни, что либо испортить, задавать и исследовать любые режимы и характеристики.

Модели устройств силовой электроники, построенные в среде Matlab-Simulink можно поделить на несколько уровней:

 1. Структурный уровень, основанный на математическом описании устройства и использующий библиотеки пакета Simulink.

 2. Функциональный уровень, основанный на логике работы исследуемого устройства и использующий блоки пакета Simulink.

 3. Виртуальный уровень, использующий маскированные блоки  пакета Sim Power System с графическим интерфейсом пользователя.

 4. Виртуальный уровень, использующий имитационные лабораторные стенды, разработанные с использованием графического интерфейса пользователя (GUI).