МУ к лабораторной работе (ТЭП) № 2_1
.pdfДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
МинистерствообразованияРеспубликиБеларусь МинистерствообразованияинаукиРоссийскойФедерации
Государственное учреждение высшего профессионального образования
«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Электропривод и АПУ»
Методические указания
к лабораторной работе № 2_1
ИССЛЕДОВАНИЕДПТСНВПРИПИТАНИИ ОТИСТОЧНИКАНАПРЯЖЕНИЯБЕСКОНЕЧНОЙМОЩНОСТИ
длястудентовспециальности1 – 53 01 05 – Автоматизированныеэлектроприводы
СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ
Matlab & Simulink
Могилёв 2012
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
Цельработы:
1.Освоить методику составления модели ДПТ с НВ в среде
Matlab.
2.Исследовать переходные процессы пуска ДПТ с НВ при одновременном подключении якоря и обмотки возбужде- ния к источнику бесконечной мощности (момент нагруз- ки равен 0).
3.Исследовать переходные процессы пуска ДПТ с НВ при заблаговременном подключении обмотки возбуждения к источнику (момент нагрузки равен 0,5 Мном).
4.Исследовать переходные процессы в ДПТ с НВ при дина- мическом торможении (момент нагрузки равен 0,5 Мном).
5.Составить модель реостатного пуска ДПТ с НВ (пуск в три ступени).
6.Исследовать переходные процессы при реостатном пуске ДПТ с НВ (момент нагрузки равен 0,5 Мном).
*) При желании можно исследовать и другие переход- ные процессы, например, переходные процессы сброса - наброса дополнительной нагрузки, переходные процессы реверса по цепи якоря и по цепи обмотки возбуждения.
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
Отчетполабораторнойработедолженсодержать:
-Титульный лист (установленной формы для отчетов по ла- бораторным работам)
-Цель работы
-Исходные данные, в соответствии с вариантом задания
-Схему модели ДПТ с НВ
-Схему модели ДПТ с НВ при динамическом торможении
-Схему модели ДПТ с НВ при реостатном пуске
-Расчеты пускового реостата и сопротивления динамиче- ского торможения
-Результаты расчета (требуемые графики функций)
-Выводы по работе
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
Порядоквыполненияработы:
-Составить схему модели ДПТ с НВ.
-Рассчитать переходные процессы пуска ДПТ с НВ при од- новременном подключении якоря и обмотки возбуждения к источнику бесконечной мощности.
-Рассчитать переходные процессы пуска ДПТ с НВ при за- благовременном подключении обмотки возбуждения к ис- точнику.
-Рассчитать сопротивление динамического торможения, обеспечивающее двукратное ограничение тока якоря.
-Составить схему модели динамического торможения ДПТ с НВ.
-Рассчитать пусковой реостат для нормального пуска в три ступени.
-Составить модель реостатного пуска ДПТ с НВ.
-Рассчитать переходные процессы при ступенчатом пуске ДПТ с НВ.
-Сделать выводы по работе.
Результатымоделированиядолжныбытьпредставленыввиде:
графиков функций =f(t), М=f(t), Iя=f(t), Iв=f(t) и фазового портрета =f(М), а также в виде таблицы результатов рас- чета этих величин.
В отчете должны быть приведены также расчеты пускового реостата и сопротивления динамического торможения. Графические зависимости и результаты расчета должны быть представлены в интервале времени достаточном для завершения переходного процесса.
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
Методическиеуказанияповыполнениюработы
Наиболее мощным средством математического моделирова- ния, обеспечивающее проведение исследований практически во всех известных областях науки и техники является математиче- ский пакет MATLAB фирмы The Math Works Inc. Возможности MATLAB весьма обширны, а по скорости выполнения задач эта система превосходит другие подобные системы. Структура пакета позволяет эффективно сочетать оба основных подхода к созданию модели: аналитический и имитационный. Этому способствует не только расширенный набор матричных и иных операций и функ- ций, но и наличие инструментального приложения Simulink, предназначенного для решения задач блочного моделирования динамических систем и устройств и библиотеки блоков SimPowerSystems, предназначенных для моделирования электротехниче- ских систем и устройств. Система визуального моделирования ди- намических систем Simulink является ядром интерактивного про- граммного комплекса, предназначенного для математического мо- делирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок-схемой, именуемой моделью. Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств Simulink имеет обширную библиотеку готовых блочных компонентов SimPowerSystems, таких как, например, тиристор, асинхронный двигатель и т. д. и удобный ре- дактор блок-схем.
1 Основные особенности создания SimPowerSystems- моделей
Методика создания SimPowerSystems-модели (SPS-модели) ни чем не отличается от методики создания модели на основе базовой библиотеки Simulink. Так же как и для обычной Simulink-модели (S-модели), необходимо выполнить расстановку блоков на схеме, задать их параметры, соединить блоки и установить параметры расчета модели в целом. Для SPS-моделей доступен ускоренный режим расчета и все возможности Simulink, включая набор ин- струментов Simulink Performance Tools, линейный анализ, отлад- чик и т.д. Однако SPS-модели имеют и некоторые особенности:
1)Входы и выходы SPS-блоков, в отличие от блоков Simulink, не показывают направление передачи сигнала, поскольку факти- чески являются эквивалентами электрических контактов. Для
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
портов электротехнических блоков использованы новые типы портов - Terminal ports (клеммы). Эти порты, в отличие от вход- ных и выходных портов Simulink-блоков не являются направ- ленными, что соответствует физической природе сигнала про- ходящего через такие порты (электрический ток). Таким обра- зом, электрический ток может через вход или выход блока про- текать в двух направлениях: как вовнутрь блока, так и наружу.
2)Теперь, работая с электротехническими блоками, студенту стало гораздо проще отличить обычные порты Simulink от электро- технических клемм, поскольку они отличаются друг от друга формой. Изображение порта на пиктограмме блока представля- ет собой небольшой квадрат - .
3)Соединительные линии между блоками являются, по сути, элек- трическими проводами, по которым ток может протекать также
вдвух направлениях. В Simulink-моделях же информационный сигнал распространяется только в одном направлении - от вы- хода одного блока к входу другого.
4)Simulink-блоки и SimPowerSystems-блоки не могут быть непо-
средственно соединены друг с другом. Сигнал от S-блока можно передать к SPS-блоку через управляемые источники тока или напряжения, а наоборот - с помощью измерителей тока или напряжения.
5)Несколько линий связи (проводов) могут быть соединены между собой.
6)На схеме должен присутствовать хотя бы один измерительный блок (Current Measurement, Voltage Measurement, Three-Phase Measurement или Multimeter). Это связано с особенностями пре- образования SimPowerSystems-модели в эквивалентную расчет-
ную Simulink-модель.
7)При расчете схемы содержащей нелинейные блоки следует ис- пользовать методы:
ode15s - многошаговый метод переменного порядка (от 1 до 5), использующий формулы численного дифференцирова- ния,
ode23tb - неявный метод Рунге-Кутта в начале решения и
метод, использующий формулы обратного дифференциро- вания 2-го порядка в последующем, которые дают наилуч- шие результаты по быстродействию
Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из мно- жества дополнительных библиотек Simulink ориентированных на моделирование конкретных устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехниче- ских устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии,
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и т.п. оборудования. Имеется также раздел содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, включая системы управления для них. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, студент может не только имитиро- вать работу устройств во временной области, но и выполнять раз- личные виды анализа таких устройств. В частности, пользователь имеет возможность рассчитать установившийся режим работы системы на переменном токе, выполнить расчет импеданса (пол- ного сопротивления) участка цепи, получить частотные характе- ристики, проанализировать устойчивость, а также выполнить гармонический анализ токов и напряжений.
Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно моделировать, соче- тая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием ими- тационных блоков SimPowerSystems, а систему управления с по- мощью обычных блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделирования, позволяет значитель- но упростить всю модель, а значит повысить ее работоспособность и скорость работы. Кроме того, в модели с использованием блоков SimPowerSystems (в дальнейшем SPS-модели) можно использовать блоки и остальных библиотек Simulink, а также функции самого MATLAB, что дает практически не ограниченные возможности для моделирования электротехнических систем.
Библиотека SimPowerSystems достаточно обширна. В том слу- чае, если все же нужного блока в библиотеке нет, пользователь имеет возможность создать свой собственный блок как с помощью уже имеющихся в библиотеке блоков, реализуя возможности Simulink по созданию подсистем, так и на основе блоков основной библиотеки Simulink и управляемых источников тока или напря- жения.
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
2 Состав библиотеки SimPowerSystems и основные осо- бенности
Библиотека SimPowerSystems имеет пять основных разделов и два раздела дополнительных библиотек. Состав библиотеки
SimPowerSystems приведен в таблице 1.
Таблица 1 – Состав библиотеки SimPowerSystems
Пиктограмма |
Название |
Описание библиотеки |
|
|
Electrical Sources |
В состав библиотеки входят источники постоянно |
|
|
го и переменного напряжения и тока, аккумуля |
||
|
[источники электри |
торные батареи, управляемые источники напря |
|
|
ческой энергии] |
жения и тока, а также трехфазные источники пе |
|
|
|
ременного напряжения. |
|
|
Measurements |
В состав библиотеки входят датчики тока и |
|
|
[измерительные и |
напряжения, блок измерения для трехфазных си |
|
|
контрольные устрой |
стем, мультиметр и измеритель полного сопро |
|
|
ства] |
тивления цепи. |
|
|
|
||
|
Elements |
В состав библиотеки входит большой набор мо |
|
|
делей пассивных электротехнических элементов: |
||
|
[электротехнические |
одно и трехфазные RLC цепи, трансформаторы, |
|
|
элементы] |
взаимоиндуктивности, грозозащитный разрядник |
|
|
|
и т.д. |
|
|
|
В библиотеку включены модели силовых полу |
|
|
Power Electronics |
проводниковых элементов, диода, транзистора, |
|
|
[устройства силовой |
IGBT транзистора и тому подобных элементов. |
|
|
электроники] |
Кроме того, в библиотеке находятся модель уни |
|
|
версального моста и модель трехуровневого мо |
||
|
|
ста. |
|
|
Machines |
В библиотеку входят различные модели машин |
|
|
[электрические ма |
постоянного и переменного (синхронные и асин |
|
|
шины] |
хронные) тока, а также модели паровой и водя |
|
|
ной турбин с регуляторами. |
||
|
Extra Library |
В данной библиотеке находятся модели дискрет |
|
|
[дополнительные |
ных и аналоговых элементов управления, в част |
|
|
ности блоки управления полупроводниковыми |
||
дополнительные |
электротехнические |
||
выпрямителями и инверторами, различные филь |
|||
библиотеки элек |
устройства] |
тры, генераторы, таймеры и т.п. |
|
тротехнических |
|||
Application Libraries |
Библиотека включает модели элементов для кон |
||
устройств |
|||
|
[прикладные библио |
кретных отраслей электротехники, в частности |
|
|
теки] |
модели электроприводов постоянного и пере |
|
|
менного тока. |
Далее в методических указаниях приведены SPS-модели раз- личных устройств.
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
3 Примеры SimPowerSystems-моделей
3.1 Работа 3-фазного источника на активно-индуктивную нагрузку
На рисунке 1 – а) приведена SPS-модель трехфазного источ- ника переменного напряжения, работающего на трехфазную ак- тивно-индуктивную нагрузку. Трехфазный источник переменного напряжения представлен в виде подсистемы (Subsystem), состав которой приведен на рисунке 1 – б). На рисунке 2 приведены гра- фики мгновенных значений фазных напряжений источника.
а) |
б) |
Рисунок 1 – Модель трехфазного источника переменного напряжения
Рисунок 2 – Графики мгновенных значений фазных напряжений источника
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА»
ТЭП
Блоки, использованные для создания SimPowerSystems-модели, приведе- ны в таблице 2, с указанием их параметров и библиотеки где они находятся.
Таблица 2 – Блоки для SimPowerSystems-модели 3-фазного источника
Пиктограмма |
Назначение |
|
Параметры блока |
|||||
|
|
Ground |
Обеспечивает со |
Настраиваемых параметров у блока нет |
||||
|
|
|
|
|
единение с землей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заземление |
|
|
|
|
|
|
библиотекаElements |
|
|
|
|||||
(электротехнические |
|
|
|
|||||
|
элементы) |
|
|
|
||||
AC Voltage Source |
Вырабатывает си |
Реак Amplitude (V):[Амплитуда] Амплитуда вы |
||||||
|
|
|
|
|
нусоидальное |
ходного напряжения источника. |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Phase (deg):[Фаза (град)] Начальная фаза. |
|||
|
|
|
|
|
напряжение с по |
|||
|
|
|
|
|
Frequency (Hz):[Частота (Гц)] Частота источни |
|||
|
|
|
|
|
стоянной амплиту |
ка. |
|
|
|
|
|
|
|
дой |
Sample time:[Шаг дискретизации] Параметр за |
||
Идеальный источ |
дает шаг дискретизации по времени выходного |
|||||||
ник переменного |
(Блок является идеаль |
напряжения источника при создании дискретных |
||||||
напряжения |
ным источником напря |
моделей. |
||||||
жения, т.е. его собствен |
Measurements:[Измеряемые переменные] Па |
|||||||
библиотекаElectrical |
ное сопротивление рав |
раметр позволяет выбрать, передаваемые в |
||||||
Sources (источники |
но нулю) |
блок Multimeter, переменные, которые затем |
||||||
электрическойэнергии) |
|
можно увидеть с помощью блока Scope. Значе |
||||||
|
ния параметра выбираются из списка: |
|||||||
|
|
|
|
|
|
None нет переменных для отображения, |
||
|
|
|
|
|
|
Voltage выходное напряжение источника. |
||
|
|
Voltage |
Выполняет изме |
Output signal: [Выходной сигнал] - Вид вы- |
||||
Measurement |
рение мгновенного |
ходного сигнала блока. Выбор значения пара- |
||||||
|
|
|
|
|
значения напряже |
метра возможен только, если с помощью |
||
|
|
|
|
|
блока Powergui установлен режим расчета |
|||
|
|
|
|
|
ния между двумя |
на переменном токе (Phasor simulation). В |
||
|
|
|
|
|
узлами схемы. |
этом случае значение параметра выбирается |
||
|
|
|
|
|
|
из списка: |
||
Измеритель |
(Выходным сигналом |
|||||||
Magnitude Амплитуда (скалярный сигнал). |
||||||||
напряжения |
блока является обычный |
Complex Комплексный сигнал. |
||||||
сигнал Simulink, который |
Real Imag Вектор, состоящий из двух элемен |
|||||||
|
библиотека |
может использоваться |
|
тов действительная и мнимая составляющие |
||||
Measurements (измери |
любым Simulink |
|
||||||
|
сигнала. |
|||||||
тельныеиконтрольные |
блоком.) |
Magnitude Angle Вектор, состоящий из двух |
||||||
|
устройства) |
|
|
элементов амплитуда и аргумент сигнала. |
||||
Connection Port |
Создает порт в |
Port number: [Номер порта]. |
||||||
|
|
|
|
|
подсистеме для со |
Port location on parent subsystem: [Располо- |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
единения с блока |
жение порта относительно подсистемы] - Зна- |
||
|
|
|
|
|
чение параметра выбирается из списка: |
|||
|
|
|
ми SimPowerSys |
|
Left – слева. |
|||
|
Соединительный |
|
||||||
|
|
порт |
tems. |
|
Right – справа. |
|||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|