ドキュメンテーション センター

  • 評価版
  • 製品アップデート

パワー エレクトロニクスの紹介

はじめに

この節では、以下を説明します。

  • パワー エレクトロニクスの要素を使用する方法

  • 変圧器を使用する方法

  • 回路の初期条件を変更する方法

SimPowerSystems™ ソフトウェアはパワー エレクトロニクス部品をシミュレーションするために設計されています。この節では、サイリスタに基づく簡単な回路を主な例に使用します。

下図の回路を考えます。これは、735 kV の伝送路で使用される静止型無効電力補償装置 (SVC) の 1 相分を表します。735kV/16kV 変圧器の 2 次側に、2 つの可変サセプタンスの回路が並列に接続されています。サイリスタ制御のリアクター (TCR) 回路とサイリスタ切り替えコンデンサ (TSC) 分岐です。

TCR/TSC 静止型無効電力補償装置の 1 相分

TCR と TSC の回路は、逆向きに接続された 2 つのサイリスタから成るバルブで制御されます。RC スナバ回路は各々のバルブに並列に接続されています。TSC 回路はオン/オフに切り替えられ、SVC (静止型無効電力補償回路) の容量性電流に断続的なステップの変化を与えています。TCR 回路は位相を制御して、正味の SVC 無効電流を連続的に変化させます。

ここで、図に示したような TCR および TSC 回路の動作を示す 2 つの回路を作成します。

TCR 分岐回路のシミュレーション

  1. 新規ウィンドウを開き、circuit3 という名前で保存します。

  2. Power Electronics ライブラリを開き、circuit3 モデルに Thyristor ブロックをコピーします。

  3. ブロックをダブルクリックして [Thyristor] ダイアログ ボックスを開き、次のようにパラメーターを設定します。

    Ron

    1e-3

    Lon

    0

    Vf

    14*0.8

    Rs

    500

    Cs

    0.15e-6

    スナバ回路は [Thyristor] ダイアログ ボックスに組み込まれていることに注意してください。

  4. このブロックに Th1 という名前を付け、もう 1 つコピーします。

  5. この新たなサイリスタを Th2 とし、TCR 分岐回路のシミュレーション に示すように Th1 と逆向きに接続します。

    スナバ回路は Th1 で既に組み込まれているので、Th2 については削除しなければなりません。

  6. Th2 のダイアログ ボックスを開き、スナバ回路のパラメーターを下記のように設定します。

    Rs

    Inf

    Cs

    0

    Th2 のアイコンからスナバが消えていることを確認してください。

  7. Linear Transformer ブロックは、Elements ライブラリにあります。それをコピーして TrA と名前を変え、ダイアログ ボックスを開きます。「TCR/TSC 静止型無効電力補償装置の 1 相分」に示したように、その定常電力、周波数、巻部のパラメーター (Winding 1 = primaryWinding 2 = secondary) を設定してください。

    Units パラメーターにより、励磁回路パラメーター Rm/Lm と同様に、各巻線の抵抗 R と漏れインダクタンス L を、SI 単位 (オーム、ヘンリー) または単位法 (pu) で指定できます。ここでは、R と L を単位法で直接指定するために、既定の pu 設定のままにしてください。ここでは第 3 の巻部がありませんので、[Three windings transformer] の選択を解除します。その結果、線形変圧器 TrA ブロックから巻部 3 が消えます。

    最後に、励磁回路パラメーター RmXm[500, 500] に設定します。この値は抵抗性、誘導性の電流の 0.2% に対応する値です。単位法 (pu) の詳細は、「Per Unit System of Units」を参照してください。

  8. Ground ブロック、および Z sourceRL の 2 つの Series RLC Branch ブロックを追加します。以下に示すようにブロック パラメーターを設定します。

    ブロック名

    Z source

    RL

    分岐タイプ

    RL

    RL

    抵抗

    2.7

    70.5e-3

    インダクタンス

    71.65e-3

    18.7e-3

  9. 1 次側電流測定用の電流測定ブロックを追加します。「TCR 分岐回路のシミュレーション」のように回路を接続します。

  10. Thyristor ブロックは、文字 m で識別される出力をもつことに注意してください。この出力は、サイリスタの電流 (Iak) と電圧 (Vak) を含む Simulink® のベクトル信号を出力します。この Th1 の出力端子 m に、2 つの出力をもつ Demux ブロックを接続します。その Demux の 2 つの出力を Scope_Th1 という名前で作った 2 チャネルの Scope ブロックに接続してください。[Scope プロパティ][一般] のメニューを選択し、座標軸の数を 2 に設定することで Scope ブロックに第 2 の入力端子を付けられます。各接続ラインに Ith1Vth1 とラベルを付けてください。これらのラベルは自動的に各トレースのタイトルとして表示されます。

    TCR 分岐回路のシミュレーション

  11. 次にサイリスタ Th1 および Th2 を点弧する同期パルス発生器のモデルを作成します。2 つの Simulink のパルス発生器をコピーし、名前を Pulse1 と Pulse2 にし、それらをそれぞれ Th1 と Th2 のゲート端子に接続します。

  12. さて、次に Th1 と Th2 に供給するパルスのタイミングを決めなければなりません。1 サイクルごとに、サイリスタの転流電圧がゼロクロスしてα°を経た後、パルスを各サイリスタに供給する必要があります。そこで Pulse1 と Pulse2 のブロック パラメーターを次のように設定します。

    振幅

    1

    周期

    1/60 s

    パルス幅 (周期の %)

    1% (3.6 degrees pulses)

    位相遅れ

    1/60+T for Pulse1
    1/60+1/120+T for Pulse2

  13. サイリスタ Th2 に供給されるパルスは、Th1 のそれに対して 180°遅れるようになっています。遅延時間 T を使用して点弧角αを指定します。点弧角を 120°にするため、ワークスペースの T に次のように入力します。

    T = 1/60/3;
    
  14. 次に、[Simulation][Model Configuration Parameters] ダイアログ ボックスを開きます。積分アルゴリズムに ode23tb を選択します。既定のパラメーターはそのままにしておき、相対許容値と終了時間を、それぞれ 1e-40.1 に設定します。

  15. Powergui ブロックをモデルの最上階層にコピーし、シミュレーションを開始します。FFT 解析のシミュレーション結果を、「TCR シミュレーション結果」に示します。

      メモ:   システムを離散化する方法を選択することもできます。たとえば、50µs のサンプル時間を設定してみてください。シミュレーション結果を連続システムのときと比較し、活用してください。

    TCR シミュレーション結果

TSC 分岐回路のシミュレーション

ここで、circuit3 のモデルに変更を加えて、TCR 分岐回路を TSC 分岐回路に変更します。

  1. その前に、circuit3 を保存して、新たにこれをコピーして circuit4 にします。

  2. 以下の図「TSC 分岐回路のシミュレーション」に示すように、RL ブロックと Th1/Th2 バルブに 308e-6 ファラッドのコンデンサを直列に接続してください。RL ブロックのパラメーターを次のように変更します。

    Resistance

    1.5e-3

    Inductance

    1.13e-3

  3. コンデンサの両端の電圧をモニターできるよう、電圧計と Scope ブロックを接続します。

  4. TCR 回路は 1 つの同期パルスで点弧していました。それに対し、TSL では連続的な点弧信号を 2 つのサイリスタに与えます。ここで 2 台のパルス発生器を削除します。さらに Simulink のライブラリから Step ブロックをコピーし、この出力を Th1 と Th2 のゲート端子に接続します。そのステップ時間を 1/60/4 と設定してください。これは、電圧源の最初のピークで励起するという条件です。これで、これまでモデリングした回路は下図に示したものに近くなったはずです。

    TSC 分岐回路のシミュレーション

  5. 3 つの Scope ブロックを開き、シミュレーションを開始してください。

    コンデンサがゼロから帯電されるとき、コンデンサ電圧は 200Hz の周波数の低い減衰の過渡特性を示し、一次電流と 60Hz の成分で重畳している様子がわかります。通常の TSC の動作中、コンデンサは最後にバルブ開放後に残った初期電圧を維持します。コンデンサを帯電させることで、バルブの導通後の変化を最小にするには、サイリスタの回路の点弧が、正しい極性で電圧源が最大値のタイミングでなければなりません。このコンデンサ間の初期電圧は、サイリスタのスイッチが導通した状態で得られる定常状態の電圧に相当します。バルブ通電時のコンデンサ電圧は 17.67 kVrms です。導通時に、コンデンサは次のピーク電圧で充電されなければなりません。

  6. そこで、Powergui ブロックを使用して、コンデンサの初期電圧を変更できます。Powergui を開き、[Initial States Setting] を選択します。既定の初期値を持ったすべての状態変数が表示されます。コンデンサ C (変数 Uc_C) 全体の初期電圧値は -0.3141V になります。両方のサイリスタがブロックされるとスナバの影響で微小電流が循環するため、この電圧は厳密なゼロではありません。ここで、状態変数 Uc_C を選択し、右上のフィールドに 24989 と入力してください。この変更を有効にするために、[Apply] ボタンをクリックします。

  7. シミュレーションを開始します。予想どおり、コンデンサの両端電圧とその電流の過渡的な変化が消失してしまいました。初期電圧の有無の違いで得られる異なる電圧波形が下図にプロットされています。

    初期電圧の有無とコンデンサの過渡電圧

この情報は役に立ちましたか?