В оглавление\ К следующему разделу \ К предыдущему разделу

5. Создание электротехнических блоков пользователя

5.1 Принцип создания электротехнических блоков пользователя

Библиотека блоков SimPowerSystems достаточно обширна, однако, иногда требуемая пользователю модель устройства может в ней отсутствовать. Это касается например, нелинейных резисторов, насыщающихся реакторов, новых типов электродвигателей и т.п. В этом случае пользователь может сам создать нужную модель на основе блоков Simulink и блоков SPS. Общая структура модели показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1

На схеме к управляемому источнику тока параллельно подключен измеритель напряжения. Между выходом измерителя напряжения и входом источника тока включена Simulink-модель, реализующая нужную вольт-амперную характеристику устройства. Параллельно источнику также подключен развязывающий резистор. Его наличие обусловлено, тем, что большое число блоков SPS выполнено на базе источников тока. При последовательном соединении таких блоков источники тока оказываются включенными последовательно, что недопустимо. Наличие же развязывающего резистора позволяет включать такие блоки последовательно. Величина сопротивления резистора должна выбираться достаточно большой, чтобы его влияние на характеристики создаваемого блока было минимально (обычно его величина для силовых электротехнических блоков выбирается в пределах 500 - 1000 Ом). Зажимами блока являются входной и выходной порты. Таким образом, для создания электротехнического блока пользователь, прежде всего, должен создать обычную Simulink-модель, входом которой является сигнал пропорциональный напряжению на зажимах устройства, а выходом сигнал пропорциональный току устройства, а затем использовать эту модель в схеме представленной на рис. 5.1. При создании многофазных устройств, как правило, требуется создать модели отдельных фаз, а затем уже включить их по нужной схеме.

5.1 Модель нелинейного резистора

Пусть вольт-амперная характеристика нелинейного резистора задана выражением:

,

где

i и u - мгновенные значения тока и напряжения,

U₀ - пороговое значение напряжения,

I₀ - величина тока устройства при значении напряжения равном пороговому,

- показатель степени, определяющий нелинейность вольт-амперной характеристики резистора (обычно лежит в пределах от 0 до 50).

Схема блока нелинейного резистора показана на рис. 5.2. Модель Simulink резистора реализована с помощью блока Fcn. Численные значения параметров приняты следующими:

U₀ = 110 кВ,

I₀ = 500 А,

 = 25.

Рис. 5.2

Схема всей модели и диаграммы ее работы показаны на рис. 5.3.

Рис. 5.3

На схеме показаны датчики тока и напряжения, снимающие сигналы пропорциональные этим переменным. Графопостроитель XY-Grraph по этим сигналам строит вольт-амперную характеристику резистора. Временные диаграммы тока и напряжения также иллюстрируют нелинейность характеристики резистора.

Скачать пример (R_var_1.zip)

Некоторым недостатком такой модели резистора является наличие безинерционного замкнутого контура образованного датчиком напряжения, блоком Fcn и управляемым источником тока (рис. 5.1). Simulink выполняет расчет таких моделей используя итерационную процедуру, что несколько снижает скорость расчета. Также при наличии замкнутых алгебраических контуров становится невозможным расчет модели в ускоренном режиме (Acceleration mode). Чтобы разорвать безинерционный контур достаточно включить в линию между датчиком напряжения и источником тока фильтр с малой постоянной времени. Величина постоянной времени должна выбираться таким образом, чтобы изменение динамических свойств модели было минимальным (обычно величина постоянной времени фильтра выбирается в пределах от 10^-8 - 10^-6). Схема модели нелинейного резистора с использованием фильтра показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4

Временные диаграммы работы такой модели ничем не отличаются от представленных на рис. 5.3.

Скачать пример (R_var_2.zip)

5.2 Модель насыщающегося реактора

Методика создания модели нелинейной индуктивности ничем не отличается от аналогичной методики для нелинейного резистора.

Уравнения описывающие насыщающийся реактор выглядят следующим образом:

,

,

где

- мгновенные значения тока, напряжения и потокосцепления,

- коэффициенты нелинейной зависимости между потокосцеплением и током.

Первое из уравнений есть дифференциальное уравнение для напряжения на реакторе, а второе - алгебраическая зависимость между потокосцеплением и током реактора. Последнее уравнение может быть и другим, в зависимости от требований к точности аппроксимации нелинейности реактора.

Для создания Simulink-модели реактора требуется сначала перейти к операторной форме записи дифференциального уравнения для напряжения реактора:

,

а затем, получить передаточную функцию (ПФ), связывающую потокосцепление и напряжение:

.

Полученные передаточная функция и нелинейная зависимость между током и потокосцеплением дают возможность создать Simulink-модель реактора. Схема Simulink-модели показана на рис. 5.5.

Рис. 5.5

На схеме величина активного сопротивления реактора принята равной 2 Ом, а коэффициенты а = 60 и b=40 000. Далее, используя шаблон SPS-модели (рис. 5.1) не трудно создать модель насыщающегося реактора полностью. Схема всей модели, SPS-модель реактора и временные диаграммы работы модели показаны на рис. 5.6.

Рис. 5.6

Несинусоидальный характер тока реактора иллюстрирует нелинейные свойства реактора.

Скачать пример (Reactor_L_var_1.zip)

5.3 Модель двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Математическое описание ДПТ НВ и его Simulink-модель

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (рис. 5.7), описывается следующей системой дифференциальных и алгебраических уравнений в абсолютных единицах:

где

u - напряжение на якорной обмотке двигателя,

e - электродвижущая сила (ЭДС) якоря,

i - ток якоря,

Ф - поток, создаваемый обмоткой возбуждения,

M - электромагнитный момент двигателя,

M_С - момент сопротивления движению,

- скорость вращения вала двигателя,

R - активное сопротивление якорной цепи,

L - индуктивность якорной цепи,

J - суммарный момент инерции якоря и нагрузки,

С - коэффициент связи между скоростью и ЭДС,

С_М - коэффициент связи между током якоря и электромагнитным моментом.

Рис. 5.7

С точки зрения будущей модели, входными воздействиями являются напряжения якоря u и момент сопротивления движению M_С , выходными переменными - электромагнитный момент двигателя M и скорость вращения вала двигателя , а переменными состояния - переменные стоящие под знаком производной (ток якоря i и скорость вращения вала двигателя ). Остальные переменные, входящие в состав уравнений (1) - (4) являются параметрами, численные значения которых, необходимо будет задавать при проведении расчетов.

Для создания модели, так же как и в случае насыщающегося реактора, сначала необходимо получить передаточные функции, применив к дифференциальным уравнениям, преобразование Лапласа. Дифференциальное уравнение (1) даст ПФ, связывающую ток якоря и падение напряжения на якоре:

Уравнение (2) дает передаточную функцию, связывающую динамический момент и скорость вращения вала двигателя:

Уравнения (3) и (4) остаются без изменений.

В итоге, используя уравнения (3)-(6) не трудно составить Simulink-модель двигателя. Схема модели, а также графики электромагнитного момента и скорости при прямом пуске двигателя показаны на рис. 5.8. В примере приняты следующие значения параметров двигателя (в единицах Си): L=0.001, R=0.1, J=10, Cm=10, Cw=10, U=220, Fi=1. Наброс нагрузки производится в момент времени 0.2с, величина момента нагрузки равна 2500Нм.

Рис. 5.8

Скачать пример (Dpt_Simulink_1.zip)

SPS модель двигателя на базе источника тока

Для создания SPS модели двигателя на базе управляемого источника тока также можно воспользоваться общей схемой, приведенной на рис. 5.1. Выход датчика напряжения должен быть подключен к первому входу сумматора, а на управляющий вход источника тока должен быть подан сигнал пропорциональный току якоря двигателя (выходной сигнал блока Transfer Fcn на рис. 5.8). Схема блока SPS-модели двигателя, полная схема модели, а также графики тока якоря и скорости вращения вала показаны на рис. 5.9.

Рис.5.9

При работе с моделью двигателя следует иметь в виду, что она не является электротехнической в чистом виде, поскольку выходные сигналы электромагнитного момента и скорости являются обычными однонаправленными безразмерными сигналами Simulink. Графики переменных, представленные на рис. 5.9 полностью повторяют соответствующие графики обычной Simulink модели двигателя, показанные на рис. 5.8.

Скачать пример (Dpt_Powersys_1.zip)

SPS модель двигателя на базе источника напряжения

Модель двигателя постоянного тока можно создать также и на базе управляемого источника напряжения и датчика тока. Поскольку на схеме замещения цепи якоря двигателя (рис. 5.7) присутствуют индуктивность и резистор, то эти элементы можно исключить из Simulink-модели, исключив соответственно и уравнение (1), а также передаточную функцию (5). Сами резистор и индуктивность можно добавить к модели с помощью стандартного блока Series RLC Branch. В результате будет получена комбинированная модель двигателя (рис. 5.10). На рис. 5.10 показана и полная схема модели с подключенным источником питания двигателя (DC Voltage Source). Источник питания подключен через ключ Ideal Switch, который замыкается через небольшой промежуток времени с начала расчета. Наличие такого ключа обусловлено особенностями расчета начальных условий в моделях SimPowerSystem, а именно начальные условия для элемента Series RLC Branch (ток в элементе) задаются как для установившегося режима. Наличие же первоначально разомкнутого ключа обеспечивает нулевые (точнее близкие к нулевым) начальные условия.

Графики переменных двигателя на рис. 5.10 не приведены, поскольку они полностью совпадают с представленными на рис. 5.8 и 5.9.

Рис.5.10

Скачать пример (Dpt_Powersys_2.zip)

Таким образом, используя изложенную выше методику, пользователь может создавать модели электротехнических устройств различной степени сложности.

В оглавление\ К следующему разделу \ К предыдущему разделу