Повна версія

Головна arrow Інформатика arrow Комп'ютерне моделювання систем електропривода в Simulink

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕМЕНТІВ ЕЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Машина постійного струму

Дослідження моделі машини в Simulink

Модель машини постійного струму знаходиться в бібліотеці SimPower Systems в розділі Machines. Зображення моделей машини при роботі в різних конфігураціях представлено на рис. 1.1, а їх моделі в SimPowerSystems в файлі Figl_01 (Matlab 7. JO).

Умовне зображення машини постійного струму в бібліотеці SimPow erSystems (Figl_01)

Мал. 1.1. Умовне зображення машини постійного струму в бібліотеці SimPow erSystems (Figl_01): а) руховий режим з різним порушенням; б) генераторний режим

Висновки F + і F- служать для підключення напруги збудження для створення магнітного потоку в машині. Висновки А + і А- використовуються для підключення обмотки якоря на силовий блок живлення. Активне навантаження на двигун вводиться через віртуальний вхід TL. Вихідні параметри двигуна: частота обертання зі, ток обмотки якоря струм порушення If і електромагнітний момент Т е формуються на мультіплск- сорной шині т. Щоб отримати доступ до вихідних параметрів, необхідно використовувати демультиплексор на чотири виходи і з'єднати його вхід з точкою т. Тоді на першому (верхньому) виході діє частота обертання, на другому - струм обмотки якоря, на третьому - струм збудження і на четвертому - електромагнітний момент двигуна.

Введення установок двигуна здійснюється через діалогове вікно (графічний інтерфейс), яке відкривається подвійним клацанням по зображенню двигуна в схемі моделі на Fig1_l (рис. 1.2). У Simulink є невелика бібліотека двигунів постійного струму у вигляді 23 варіантів. На рис. 1.2 показані дані двигуна по 2-му варіанту:

- R (l - активний опір ланцюга якоря, що включає опір обмотки якоря, опір щітково-колекторного вузла і активний опір обмотки додаткових полюсів. Величина сумарного опору якірного ланцюга, якщо іст даних,

наближено визначається за формулою R a = 0,5 (1 - // ") -;

I KI

Діалогове вікно введення параметрів машини постійного струму

Мал. 1.2. Діалогове вікно введення параметрів машини постійного струму:

  • а) двигун з різним порушенням:
  • б) генератор з різним порушенням
  • - L a - індуктивність розсіювання ланцюга обмотки якоря, що включає індуктивність розсіювання обмотки якоря і індуктивне опір обмотки додаткових полюсів. Якщо немає даних, індуктивність розсіювання якірного ланцюга двигуна може бути обчислена за наближеною формулою де U H - номінальна напруга обмотки якоря двигуна, 1 "- номінальний струм обмотки якоря, зі і - номінальна частота обертання якоря, р - число пар полюсів двигуна, у - коефіцієнт, у = 0,6 - для некомпенсованих машин, у = 0,25 - для компенсованих машин;
  • - Rj- активний опір обмотки збудження двигуна;
  • - Lf- індуктивність обмотки збудження двигуна. Можна визначити по кривій намагнічування ланцюга збудження при відомому значенні числа витків котушки полюса W # як

- L af - взаємна індуктивність обмоток збудження і обмотки якоря двигуна. Визначається взаємна індуктивність по номінальним параметрам двигуна, як

де Ке - постійна ЕРС двигуна, так як

Е - протівоедс двигуна, U ^ - номінальна напруга збудження; J - приведений до валу двигуна момент інерції, що включає момент інерції двигуна і момент інерції виробничого механізму; У т - коефіцієнт, за допомогою якого вводиться на вал двигуна реактивний момент опору, який визначається як Т т = В т з 7} - реактивний момент опору. Однак, цей параметр, що вводиться через діалогове вікно (див. Рис. 1.2), моделлю не сприймається в зв'язку з принциповою помилкою моделювання реактивного моменту опору. До цього питання ми повернемося нижче.

Слід зазначити, що редагування параметрів, що вводяться (зміна числових значень) можливо тільки тоді, коли в рядку Preset model (рис. 1.2) буде обрана процедура No.

Розглянемо структуру моделі двигуна, відкривши файл FigljOl і динамічне меню правою кнопкою миші (рис. 1.3), орієнтуючи курсор на зображенні двигуна.

Вибираємо команду Lock Under Mask і розкриваємо структуру моделі двигуна (рис. 1.4).

динамічне меню

Мал. 1.3. динамічне меню

Структура моделі двигуна постійного струму

Мал. 1.4. Структура моделі двигуна постійного струму

Структура включає датчик струму обмотки якоря / Л і датчик струму обмотки збудження iF. Елементи / Л, iF, R a , L a > Fcem (керований джерело напруги), Rj , L } входять до складу бібліотеки SimPowerSystems. Всі інші блоки структури (рис. 1.4) реалізовані на елементах, що входять в бібліотеку Simulink. Розкриємо блок механіки Model Continuous TL input подвійним клацанням миші (рис. 1.5). Блок механіки виконує моделювання моменту і швидкості.

Блок з Voltage constant КЕ реалізує коефіцієнт по ЕРС До Е = L a jlj. Якщо потрібно ввести установки двигуна в зазначених у діалоговому

вікні размерностях (рис. 1.2) коефіцієнти по ЕРС і моменту рівні:

До Е = К т . Тому перший блок множення формує електромагнітний момент двигуна T A = L af I f I a = K T l a , а другий блок множення - протівоедс двигуна Е = L $ If -з = К Е зі.

Структура блоку механіки Model Continuous TL input Частота обертання виходить шляхом інтегрування рівняння руху електроприводу Т   - T  - T  - B  • зі = J

Мал. 1.5. Структура блоку механіки Model Continuous TL input Частота обертання виходить шляхом інтегрування рівняння руху електроприводу Т Е - T L - T f - B m • зі = J.

Розкриємо блок Coulomb (Tf) і представимо на рис. 1.6.

Схема моделі реактивного моменту

Мал. 1.6. Схема моделі реактивного моменту

Блоки Sign і offset на думку авторів програми Simulink покликані моделювати реактивний момент опору. Однак це рішення не передбачає при нульовому значенні частоти обертання заборона наростання частоти обертання при моменті двигуна меншому, ніж реактивний момент опору, що задається параметром offset. Тому при використанні бібліотечної моделі двигуна рекомендується ці блоки видалити. Підсилювальний блок з параметром gain = В ", моделює процес формування моменту опору за висловом Т т = В ш (про чи інакше висловом.

Блок мультиплексора Мих об'єднує вихідні змінні двигуна: частоту обертання о, ток обмотки якоря (двигуна) / Л , ток обмотки збудження I f і електромагнітний момент двигуна в одну шину т. Це зроблено для спрощення віртуального зображення двигуна в SimPowerSystems.

Для прикладу розглянемо модель пуску двигуна у версії Matlab 7.10. Обмеження пускового струму досягається введенням резистора в ланцюг обмотки якоря. Схема моделі показана на рис. 1.7. Джерела живлення обмотки збудження і обмотки якоря обрані керованими, щоб можна було за допомогою блоку Step реверсировать або змінювати величину постійної напруги.

Модель пуску і реверсу двигуна постійного струму в версії Matlab 7.10 (Figl_07)

Мал. 1.7. Модель пуску і реверсу двигуна постійного струму в версії Matlab 7.10 (Figl_07)

На виходах демультиплексор діють сигнали частоти обертання, струму двигуна, струму обмотки збудження і електромагнітного моменту. Прилад Scope фіксує зміну подаються на його входи сигналів в часі і будує діаграми (осцилограми). Блок Edit Scope дозволяє відкрити головне меню діаграми Scope для редагування отриманих в результаті моделювання осциллограмм. Блок powergui використовується для завдання способу моделювання (безперервний або дискретний), ввести його рекомендує програма Simulink, інакше моделювання заборонено.

Введені параметри двигуна показані на рис. 1.8.

Відкриємо файл Figl_07 , який знаходиться в папці «Посібник». На рис. 1.9. а показаний робочий стіл в Simulink з відкритим файлом. Час моделювання вибрано 4 с. Час моделювання вводиться у вікно, поруч з яким знаходяться кнопки «Стоп» і «Пуск» моделювання. Параметри блоків Timer, StepI і Step показані на рис. 1.9,6. Резистор, включений послідовно з якорем двигуна, має опір 9,419 Ом. Напруга на обмотці збудження задається 150 В. Якщо в блоці Controlled Voltage Source 1 дозволити ініціалізацію напруги, то процес наростання струму в обмотці збудження в часі буде відсутній і в початковий момент часу струм збудження дорівнює номінальному значенню. Напруга на якорі двигуна 240 В і через 2 з реверсують (змінює полярність). Навантаження на двигуні задається блоком Timer і приймає позитивне і негативне значення.

Параметри системи, що забезпечують процес моделювання задаються в діалоговому вікні при виборі в головному меню процедури Simulation і команди Configuration Parameters (рис. 1.10) [1, 2J.

Рекомендується почати дослідження з використанням чисельного методу ode 15s. Інші параметри за замовчуванням. Прилад Scope дозволяє одночасно спостерігати зміну частоти обертання, струму, струму збудження і моменту двигуна. Прилад XY Graph формує статичну механічну характеристику двигуна за динамічними характеристиками частоти обертання і моменту. Блок Step задає напруги на обмотці якоря двигуна: плюс 240 В в часі 0-2 с і мінус 240 В від 2 до 4-х с.

Параметри двигуна в файлі Figl 07

Мал. 1.8. Параметри двигуна в файлі Figl 07

Схема моделі в Simulink

Мал. 1.9. Схема моделі в Simulink:

а) робочий стіл Simulink; б) записана інформація в блоках Timer, Step1 і Step

Блок Step 1 задає напругу на обмотці збудження 150 В. Зауважимо, що тут можливі два результати. Якщо для джерела обмотки збудження встановлено напруга (див. Рис. 1.11), то настройки блоку Step 1 не сприймаються і струм збудження при нульовому часу діє сталого значення. Якщо прапорець у вікні Initialize прибраний, то початкове значення струму збудження дорівнює нулю і після протікання перехідного процесу встановлюється струм, обумовлений напругою, заданим в блоці Step 1 .

Параметри системи моделювання

Мал. 1.10. Параметри системи моделювання

Налаштування джерела обмотки збудження

Мал. 1.11. Налаштування джерела обмотки збудження

Блок Timer задає активний момент навантаження 77. в Ним.

Розглянемо моделювання процесів пуску - реверсу при заданому початковому значенні струму збудження, рівному номінальному.

Запускаємо процес моделювання натисканням кнопки у вигляді зачерненного трикутника. Після закінчення моделювання прослуховується звукове попередження, після чого подвійним клацанням відкривається лицьова панель осцилографа Scope (рис. 1.12).

результати моделювання

Мал. 1.12. результати моделювання

Для того, щоб забезпечити доступ до редагування отриманої діаграми, необхідно після моделювання виконати в командному вікні Mat lab команди:

set (0, 'ShowHiddenHandles'On') set (gcf 'menubar', 'figure').

Можна використовувати пропонований авторами блок Edit Scope. Перед початком моделювання необхідно активізувати екран Scope або екран фафопостроітеля. Тому доведеться виконати процес моделювання двічі.

На верхній частині діаграми з'являється головне меню і можливість редагування (див. Рис. 1.12). Вибирається в меню View команда Property Editor і встановлюються необхідні властивості діаграми: написи, колір фону, колір і товщина ліній осциллограмм.

Після редагування необхідно вийти з команди Property Editor. Для оцифровки потрібних точок осциллограмм в меню Tools вибрати команду Data Cursor. На курсорі з'явиться хрестик, за допомогою якого призначається координата оброблюваної точки. Але спочатку необхідно вирішити довільний вибір потрібної координати. Подвійним клацанням правої кнопки миші відкривається динамічне меню, в якому вибирається команда Selection Style і призначається вибір позиції мишею (Mouse Position). Після оцифровки обраної точки, потрібно дозволити обробку наступної точки, викликавши динамічне меню і вибравши команду Create Now Datatip. Після закінчення процесу оцифровки закрити команду Data Cursor.

Слід окремо зазначити на можливість нанесення написів російською мовою. Для того, щоб кирилиця сприймалася, необхідно замінити кодову сторінку тисячі двісті п'ятьдесят-дві на тисячу двісті п'ятьдесят-один:

- в меню «Пуск» відкрити команду «Виконати». У відкритому

вікні набрати « regedit » і виконати;

- шлях до кодовою сторінкам: HKLM (HKey Lokal Masine) System

Current Control SetNLS Code Page;

- відкрити сторінку 1252 і змінити запис С -1252 на С-1251.

Для виконання виробленої записи необхідно комп'ютер перевантажити.

Результати моделювання, представлені у вигляді діаграми на рис. 1.12, після редагування виглядають, наприклад, як рис. 1.13.

У момент часу, відповідний двом секундам, проведений реверс шляхом зміни полярності напруги на обмотці якоря. Струм двигуна змінює знак на протилежний і досягає значення мінус 48,86 А. Починається процес інтенсивного зменшення частоти обертання (гальмування) двигуна. Двигун розганяється до частоти обертання мінус 141,9 1 / с при активному навантаженні мінус 5 Нм, і струм досягає величини мінус 6,2 А. У момент часу 3 з подається навантаження плюс 10 Нм. Струм двигуна зменшується до нуля і досягає позитивного значення 4,819 А. Це свідчить про те, що момент навантаження T L , діючий на двигун, має активний характер і перекладає двигун в режим генераторного гальмування.

Одночасно із закінченням моделювання з'являється лицьова панель графопостроителя XY Graph. Після виконання в командному вікні зазначених раніше команд з'являється головне меню графопостроителя і відкривається доступ до редагування отриманої діаграми.

Вибирається в меню View команда Property Editor і встановлюються необхідні властивості діаграми: написи, колір фону, колір і товщина лінії осцилограми. Але спочатку слід встановити масштаби по осях. Найбільш доцільно виконати установку масштабів по осях X і Y автоматично. Для цього на закладці X Axis вікна Property Editor (рис. 1.14) поставити прапор на рядку X Limit Auto, на закладці Y Axis - прапор на рядку Y Limit Auto. Статичні характеристики приймають вид, показаний на рис. 1.14.

Після редагування діаграми засобами Property Editor і внесення доповнення у вигляді номерів точок за допомогою команди

Text В ох інструменту Insert діаграма набуває вигляду, представлений на рис. 1.15. Характерні точки оцифровані. Розглянемо окремі ділянки отриманої діаграми.

Відредагована діаграма пуску і реверсу двигуна

Мал. 1.13. Відредагована діаграма пуску і реверсу двигуна

Ділянка 1, 2 відповідає процесу наростання моменту до значення 28,44 Нм, причому і частота обертання змінилася до 4,542 1 / с. Ділянка 2, 3 відповідає статичної механічної характеристиці рухового і генераторного режимів роботи на умовний напрямок руху «вперед». Двигун досяг частоти обертання 224,2 1 / с при моменті мінус 4,573 Нм. Характеристика лінійна, нахил визначається сумарним опором ланцюга обмотки якоря.

Статичні характеристики двигуна постійного струму в різних режимах роботи

Мал. 1.14. Статичні характеристики двигуна постійного струму в різних режимах роботи

Відредагована діаграма статичних характеристик

Мал. 1.15. Відредагована діаграма статичних характеристик

Ділянка 3,4 відповідає переходу двигуна на роботу в режим про- тівоточного гальмування. Двигун включений «назад», але обертається ще «вперед». Ділянка механічної характеристики 4, 5 закінчується при нульовій частоті обертання (т.5) і є продовженням (ділянка 5, 6) механічної характеристики рухового режиму при роботі «назад». Ця ділянка демонструє повний вид механічної характеристики: момент короткого замикання (пусковий) становить приблизно 29,15 Нм, а частота обертання ідеального холостого ходу - 195,6 1 / с. Ділянка 6, 7 є продовженням механічної характеристики (5, 6) і становить механічну характеристику режиму генераторного гальмування. Абсолютне значення частоти обертання в т.7 (234,2 1 / с) більше частоти обертання ідеального холостого ходу, так як момент навантаження двигуна - активний і розкручує двигун до швидкості, на якій досягається рівність моментів двигуна і навантаження. Двигун працює в режимі генератора і віддає енергію, наприклад, для зарядки акумулятора. Таким чином, на отриманої діаграмі знайшли відображення майже всі можливі режими роботи двигуна (окрім режиму динамічного гальмування).

Розглянемо моделювання процесів пуску - реверсу при початковому нульовому значенні струму збудження.

Відмінністю в налаштуваннях моделі ( Figl_07) є відсутність прапора в рядку Initialize вікна настройки блоку джерела напруги збудження (рис. 1.16).

Вікно настройки джерела напруги збудження

Мал. 1.16. Вікно настройки джерела напруги збудження

Вікно настройки блоку Step 1

Мал. 1.17. Вікно настройки блоку Step 1

На рис. 1.17 показано вікно настройки блоку Step 1 , що задає величину напруги збудження.

На рис. 1.18 показаний перехідний процес пуску двигуна при нульових початкових значеннях частоти обертання і струму збудження двигуна.

Результати моделювання процесу пуску-реверсу двигуна при нульових початкових значеннях частоти обертання і струму збудження

Мал. 1.18. Результати моделювання процесу пуску-реверсу двигуна при нульових початкових значеннях частоти обертання і струму збудження

Порівнюючи отримані результати моделювання з результатами, представленими на рис. 1.13, можна зробити висновки:

  • - найбільший вплив при даному способі управління надано на процес пуску «вперед». Якщо частота обертання на рис. 1.13 через 1 з досягла 153,4 1 / с, то на рис. 1.15 всього 115 1 / с;
  • - початкове значення моменту дорівнює нулю. Максимальне значення склало значення близько 16 Нм (в першому випадку початкове значення моменту двигуна 28,54 Нм);
  • - в початковий момент часу, коли момент двигуна малий і не перевищує моменту навантаження, частота обертання починає рости в негативному напрямку, гак як момент навантаження активний. Падіння частоти обертання припиняється при досягненні рівності моменту двигуна і моменту навантаження. Далі йде зміна частоти обертання в позитивному напрямку і досягнення нульового значення. І тільки, з моменту часу 0,2916 с, почнеться процес пуску в напрямку «уперед»;
  • - струм збудження встановився приблизно через 3,5 с. Після цього часу процеси в двигуні протікають однаково;
  • - при практичній реалізації слід виключати одночасну подачу напруги на збудження і на обмотку якоря. Механічні статичні характеристики, зняті в динамічному

режимі показані на рис. 1.19.

Механічні статичні характеристики, зняті в динамічному режимі

Мал. 1.19. Механічні статичні характеристики, зняті в динамічному режимі

Найбільший вплив вироблено на ділянку 1,2 характеристики. Він нелинеен. Під час формування цієї ділянки статичної характеристики наростав струм збудження і момент двигуна, що призвело до зниження максимального значення моменту двигуна. Лінійна частина механічної характеристики в руховому режимі показана у вигляді ділянки 2, 3. Інші характеристики збігаються з раніше знятими (рис. 1.15), так як вони зняті при досягненні струмом збудження приблизно сталого значення.

 
<<   ЗМІСТ   >>