diplom[ishodniki] / До Мигдалёнка / Основной текст

Кафедра «Электропривод и автоматизация

У

промышленных установок и технологических комплексов»

Т

А.А. Мигдалёнок

Н

Б

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ЭВМ

и

Учебно-методическое пособ е для студентов

р

специальности 1-53 01 05 «Автомат з йрованные электроприводы»

о

В 2 частях

т

и

Часть 2

Рекомендовано учебно-методическим объединением

з

высших учебных аведен й Республики Беларусь по образованию

в

области

автоматизации технологических процессов,

п

производств и управления

е

Р

М57

Рецензенты:

У

С.Н. Павлович, О.Ф. Опейко

Т

Мигдалёнок, А.А.

Н

М57

Моделирование

электропривода на ЭВМ: учебно-

методическое пособие для студентов специальности 1-53 01 05

Б

«Автоматизированные электроприводы»: в 2 ч. / А.А. Миг-

далёнок. – Минск: БНТУ, 2010. – Ч. 2. – 94 с.

ISBN 978-985-525-310-6 (Ч. 2).

и

Во второй части учебно-метод ческого пособия рассмотрены вопросы

р

моделирования силовых преобразователеййэлектрической энергии и основ-

ных систем электропривода. П

вод тся оп сание параметров настройки и

го

принципа действия, а также п име ы использования основных блоков из

библиотеки силовых элемент в SimPowerSystems. Рассмотрено моделиро-

вание электропривода п с

янн го тока, электропривода переменного тока

на основании асинхр нн

и синхронного двигателей. Пособие может ис-

и

пользоваться студен ами для выполнения контрольной работы по дисци-

плине «Модел рован е в электроприводе», а также для выполнения расче-

з

тов при курсовом тд пломном проектировании.

Часть 1 настоящего здания вышла в свет в 2009 г. в БНТУ.

о

УДК 62-83:001.891.54:004(075.8)

п

ББК 31.291я7

е

Р

© Мигдалёнок А.А., 2010

ISBN 978-985-525-310-6 (Ч. 2)

ISBN 978-985-479-943-8

© БНТУ, 2010

делирования электротехнических устройств. В состав библиотеки

входят модели пассивных и активных электротехнических элемен-

тов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторовН

, ли-

й

ний электропередачи и подобного оборудования. Имеется также

раздел, содержащий блоки для моделированияБустройств силовой

виды

электроники, включая системы управлен я для них. Используя спе-

циальные возможности Simulink

SimPowerSystems, пользователь

может не только имитировать

аботу устройств во временной обла-

о

сти, но и выполнять различные

анализа таких устройств. В

частности, пользователь имеет в зможность рассчитать установив-

шийся режим рабо ы сис емырна переменном токе, выполнить рас-

ки

чет импеданса (полного с пр

ивления) участка цепи, получить ча-

стотные характер с

, проанализировать устойчивость, а также

з

выполнить гармон ческтй анализ токов и напряжений.

Несомненным досто нством SimPowerSystems является то, что

о

сложные электр технические системы можно моделировать, соче-

тая мет ды имитационного и структурного моделирования. Напри-

Глава 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ ЧАСТИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Состав библиотеки SimPowerSystems

и основные особенности моделирования силовых систем

блоков SimPowerSystems, а систему управления – с помощью

обычныхпблоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы,

а

электрическую схему. Такой подход, в отличие от пакетов

не

схемотехнического моделирования, позволяет значительно упро-

стить всю модель, а значит повысить ее работоспособность и ско-

Ррость

работы. Кроме того, в модели с использованием блоков

го MATLAB, что дает практически неограниченные возможности

для моделирования электротехнических систем.

Библиотека SimPowerSystems имеет семь основных разделов:

– Electrical Sources – источники электрической энергии;

– Connectors – соединители;

У

– Measurements – измерительные и контрольные устройства;

– Elements – электротехнические элементы;

Т

– Power Electronics – устройства силовой электроники;

– Machines – электрические машины;

– Powerlib Extras – дополнительные электротехнические устройства.

Используя блоки из этих разделов, пользователь в состоянии за

короткое время создать полноценную модель достаточно сложной

электротехнической системы.

Методика создания SPS-модели ничем не отличаетсяНот методики

й

создания модели на основе базовой библиотеки Simulink. Так же, как

и для обычной Simulink-модели (далее – S-моделиБ), необходимо вы-

особенности

полнить расстановку блоков на схеме, задать их параметры, соеди-

нить блоки и установить параметры расчета модели в целом. Однако

SPS-модели имеют и некото ые

.

блоков

1. Входы и выходы SPS-

, в отличие от блоков Simulink, не

показывают направление пе едачи сигнала, поскольку фактически

являются эквивален ами элекрических контактов. Таким образом,

двух направленияхпроводами. В S-моделях же информационный сигнал рас-

электрический ток

через вх д или выход блока протекать в

двух направлен ях: как вовну рь блока, так и наружу.

2. Соединительныеможетл нии между

блоками являются, по сути,

го

электрическими

, по которым ток может протекать также в

п

пространяетсязт лько в одном направлении – от выхода одного блока

ко входу друг .

3. S- и SPS-блоки не могут быть непосредственно соединены друг

с другом. Сигнал от S-блока можно передать к SPS-блоку через

еуправля мые источники

тока

или

напряжения, а наоборот –

Р

с помощью измерителей тока или напряжения.

порядка, в последующем.

У

Данные методы дают наилучшие результаты по быстродействию.

При указании параметров элементов могут использоваться абсо-

Т

лютные и относительные единицы. Система абсолютных единиц

приведена в табл. 1.1.

Н

аблица 1.1

Система абсолютных единиц

Б

Параметр

Обозначение

Единицы измерения

Time (время)

second

s (с)

й

Length (расстояние)

meter

m (м)

Mass (масса)

kilogram

kg (кг)

Energy (энергия)

joule

J (Дж)

Current (ток)

ampere

A (А)

Voltage (напряжение)

volt

V (В)

Active power (активная мощ-

watt

W (Вт)

ность )

и

Apparent power (полная м щ-

т

volt-ampere

VA (ВА)

ность)

р

ивная

о

Reactive power (реак

var

var (ВАр)

мощность)

з

Impedance (полное сопрот вление)

ohm

Ohm (Ом)

Resistance (сопрот вле

е)

ohm

Ohm (Ом)

о

Inductance (индуктивность)

henry

H (Гн)

Capacitance (емк сть)

farad

F (Ф)

Flux linkage ( т к сцепление)

volt-second

V·s (B·c)

е

Rotation speed (угл вая ско-

radians per

rad/s (рад/с)

рость)

second

Р

п

revolutions per

rpm (Об/мин)

minute

Torque (момент)

newton-meter

N·m (Н·м)

Inertia (момент инерции)

kilogram-meter2

kg·m2 (кг·м2)

Friction factor (коэффициент

newton-meter-

N·m·s (Н·м·с)

трения)

second

y

Y

,

Yб

Т

где Y – значение физической величины (параметра, переменной и

Н

т.п.) в исходной системе единиц, например, в системе единиц СИУ;

Yб – базисное (базовое) значение физической величины, выра-

Б

женное в той же системе единиц и принятое в качестве единицы

измерения величины Y в системе относительных единиц.

Основными базисными единицами электрических величин при

й

разработке моделей в SimPowerSystems выбраны две независимые

величины:

и

– Pб – базисная мощность, равная номинальной активной мощ-

ности устройства (Pн);

р

– Uб – базисное

напряжение,

авное номинальному

действую-

оP

щему значению напряжения питания устройства (Uн).

Все остальные электрические базисные единицы определяются

т

Uб

через эти две единицы. Например, базисный электрический ток:

тивление

I

б

з

б

о

базисн е с пр

:

п

Uб

2

е

Rб

.

Pб

Р

Для ц пей переменного тока должна задаваться базисная часто-

та fб, равная, как

правило,

номинальной частоте

питающего

напряжения fн.

Для асинхронной электрической машины дополнительно задаются:

M

Pб

.

б

б

Вместо момента инерции, при задании параметров машины в от-

носительных единицах, используется инерционная постоянная

1

J 2

У

H

2

1

,

Т

Pн

где J – момент инерции;

Ω1 – угловая скорость вращения магнитного поля.

Инерционная постоянная выражается в секундах. Величина

инерционной постоянной показывает, какое время

Нвал электриче-

малой

ской машины будет вращаться под действием запасенной кинетиче-

ской энергии во вращающихся частях машиныБпри номинальной

мощности

нагрузке. Для машин большой

значение этой постоянной

р

лежит в пределах 3–5 с. Для маш

мощности эта величина

меньше: 0,5–0,7 с.

о

Рассмотрим основные

азделы

библиотеки SimPowerSystems

и входящие в них блоки.

тока

1.2. Измерительные к н р льные устройства Measurements

Блок «И мер тель

»

(Current Measurement) выполняет

измерение мгновенного значения тока, протекающего через соеди-

о

нительную линиюи(провод). Выходным сигналом блока является

п

обычный сигналзSimulink, который может использоваться любым S-

блоком. Внешний вид блока представлен на рис. 1.1.

е

Р

Параметры настройки блока

Output signal (выходной сигнал) – вид выходного сигнала бло-

У

ка. Выбор значения параметра возможен только, если с помощью

блока Powergui установлен режим расчета на переменном токе

Т

(Phasor simulation). В этом случае значение параметра выбирается

из списка:

– Magnitude – амплитуда (скалярный сигнал);

– Complex – комплексный сигнал;

Б

– Real-Imag – вектор, состоящий из двух элементов – действи-

тельной и мнимой составляющих сигнала;

– Magnitude-Angle – вектор, состоящий из двух элементовН

– ам-

плитуды и аргумента сигнала.

й

ис

Блок «Измеритель напряжен я» (Voltage Measurement) выпол-

р

няет измерение мгновенного значен я напряжения между двумя уз-

лами схемы. Параметры наст ойки аналог чны предыдущему блоку.

о

Внешний вид блока представлен на

. 1.2.

т

и

з

о

п

Рис. 1.2. Внешний вид блока «Измеритель напряжения» (Voltage Measurement)

е

Р

1.3. Электротехнические элементы Elements

У

Т

Н

Рис. 1.3. Внешний вид блоков «Последовательная и параллельная RLC-цепь»

(Series RLC Branch, Parallel RLC Branch)

Б

Параметры настройки блоков

1. Resistance R (Ohm) (сопротивление (Ом)) – величина активно-

й

го сопротивления. Для исключения резистора из последовательной

цепи значение сопротивления нужно задать равным нулю. В этом

и

случае на пиктограмме блока резистор отображаться не будет. Для

исключения сопротивления из параллельной цепи значение сопро-

р

тивления нужно задать равным inf (бесконечность).

2. Inductance L (H) (индуктивность (Гн)) – величина индуктивно-

сти. Для исключения индуктивн сти из последовательной цепи ее

величину нужно задать равн й нулю. В этом случае на пиктограмме

блока индуктивность о бража ься не будет. Для исключения индук-

тивности из параллельнойоцепи значение параметра нужно задать

равным inf (бесконечнос ь).

т

3. Capacitance C (F) (емкость (Ф)) – величина емкости. Для ис-

ключения конденсатора из последовательной цепи значение емко-

сти нужно

и

адать равным inf (бесконечность). В этом случае кон-

денсат р на

з

икт грамме блока показан не будет. Для исключения

из

араллельной цепи значение параметра нужно задать

о

равным нулю.

п

Блоки «Последовательная и параллельная RLC-нагрузка»

емкости(Series RLC Load, Parallel RLC Load) моделируют последовательное

и параллельное включение резистора, индуктивности и конденсатора.

Параметры цепи задаются через мощности цепи при номинальном

Р

(Series RLC Load, Parallel RLC Load)

У

Параметры настройки блоков

Т

1. Nominal voltage Vn (Vrms) (номинальное напряжение (В)) –

значение действующего напряжения цепи, для которого определены

мощности элементов.

Н

2. Nominal frequency fn (Hz) (номинальная частота (Гц)) – значе-

Б

ние частоты, для которого определены мощности элементов.

3. Active power P (W) (активная мощность (Вт)).

4. Inductive reactive power QL (positiveйvar) (реактивная мощность

индуктивности (ВАр)) –

ебляемая

ндуктивностью реактивная

мощность.

и

5. Capacitive reactive power QC

(negative var) (реактивная мощ-

ность емкости (ВАр)) –

р

конденсатором реактивная

даваемая

мощность. В графе

ся абсолютное значение мощности (без

учета знака).

пот

т

Величины мощностей при последовательном подключении мо-

вводи

гут быть пределены по следующим выражениям:

з

о

U 2

2 ;

п

P

R

2

1

R

ω L

е

ω

C

Р

QL ω L

U 2

;

1

2

2

R

ω L

ω C