Simulink: SimpowerSystem

SimpowerSystem jest częścią simulinka. Część ta udostępnia gotowe elementy energoelektroniczne(i ponadto regulatory,generatory sygnałów itd.). Oznacza to iż nie jest konieczne tworzenie np. modelu matematycznego silnika(AC,DC),tyrystora itd. Ponieważ takowe znajdują się już w bibliotece. Niemniej bezpośrednie połączenia między elementami są możliwe tylko i wyłącznie w obrębie tej biblioteki. Co przez to rozumiemy. Nie możemy np. z wyjścia diody podać bezpośrednio na scope czy bloczek mnożący z simulinka. Musimy najpierw zmierzyć napięcie,prąd itd. odpowiedni blok konwerteruje taki sygnał na „zwykły” simulink, niektóre elementy np. tranzystor posiadają mimo to wejścia na zwykłe sygnały z simulinka, w przypadku tranzystora jest to wejście bramki która steruje otwieraniem się i zamykaniem tranzystora. Programy

Mostek Greatza

Zaczniemy od czegoś prostego. Stworzymy prosty mostek prostowniczy z obciążeniem rezystancyjnym, zmierzymy napięcie na rezystancji a także prąd płynący przez nią. Aby odnaleźć elementy odnajdujemy bibliotekę SimpowerSystem w Simulink Libary Browser lub po prostu używamy opcji szukaj.

Current Measurment mierzy prąd płynący przez linię, analogicznie Voltage napięcie. Element Series RLC Branch może reprezentować różne typy obciążenia, RL,RC itd. Po kliknięciu na niego otworzy się okno z wyborem typu obciążenia( u nas R) i wartościami do wpisania. Jest jeszcze w simpowersystem Element Series RLC Load ale on nieco różni się od tego który my używamy. Bardzo ważny jest element powergui. Bez niego nie da rady w ogóle uruchomić symulacji z elementami z simpowersystem. Poniżej przedstawiam parametry symulacji i wyniki. Warto przetestować symulację dla paru różnych obciążeń, nie-elektrycy mogą wyciągnąć ciekawe wnioski.

Kolorem fioletowym oznaczono napięcie a prąd żółtym. Jak widać w przypadku obciążenia R prądy i napięcia są w fazie. Jak łatwo zauważyć jest to prostownik dwu-połówkowy tzn. dolna połówka napięcia sieci przechodzi z wartości ujemnych na dodatnie.

Silniki Elektryczne

Przeglądając bibliotekę wydaje się że zagadnienia dotyczące napędu elektrycznego są szczególnie łatwe do symulacji przy wykorzystaniu SimpowerSystem. Zajmiemy się tu dwoma przypadkami napędu z silnikiem indukcyjnym. Będzie to po prostu silnik indukcyjny podłączony bezpośrednio do sieci, któremu podajemy tylko obciążenie na wejście. Drugim przypadkiem będzie to ten sam silnik ale w strukturze sterowania DTC. Nie wdając się w szczegóły, istnieją róże struktury sterowania silnikami indukcyjnymi. Niektóre służą do tego aby utrzymać stały moment lub zadaną prędkość. W naszym DTC chodzi o sterowanie momentem(a pośrednio także prędkością). W takie strukturze mamy układ sterujący, przekształtnik i silnik. Pod pojęciem przekształtnika rozumiemy urządzenie które z jednej strony podłączone jest do sieci zasilającej a z drugiej strony uzyskujemy przebieg napięcia o zadanej przez układ sterowania częstotliwości i/lub wartości. Przekształtnik zasila silnik. Do testów proszę o ściągnięcie gotowego modelu który stworzyłem.

Czas symulacji to 3.5 s ,a krok całkowania 1e-6. Gdy klikniemy dwukrotnie na Asynchronus machine SI units(silnik AC w jednostkach fizycznych) Pokaże się nam okno, w zakładce Configuration możemy wybrać(preset model) już zdefiniowany wcześniej silnik, jeśli zostawimy pusty to w zakładce Parameters podajemy parametry własnego silnika. My używamy silnika 200hp, 1785 rpm. W rotor type możemy wybrać między klatkowym a pierścieniowym silnikiem. My używamy klatkowego(najpopularniejszy typ silników AC).

Parametry źródła zasilania(dostępne w zakładce Electrical Source):

Gdy klikniemy na DTC Induction Motor Drive otworzy się nam okno w którym można ustawić parametry silnika,przekształtnika i regulatorów(nic nie zmieniamy).

Aby można było odczytać dane takie jak prędkość silnika,moment elektromagnetyczny musimy skorzystać z elementu Bus Selector. Z silnika wyprowadzamy odpowiednią linię do wejścia selektora. Klikamy na niego dwukrotnie otwiera nam się okno(poniżej pokazane dla samego silnika). Można wyprowadzić sygnały elektryczne jaki mechaniczne. Nas interesuje moment elektromagnetyczny,prędkość(uwaga domyślnie w mierze kątowej) i dla samego silnika jeszcze prądy w fazach stojana.

Aby zadawać obciążenie i prędkość(tylko dla DTC) korzystamy z bloczków Signal Builder. Pozwalają one w sposób graficzny budować sygnał. Obciążenie będzie kombinacją pulsu i sinusoidy. Z kolei prędkość będzie na początku dążyć do maksymalnej, następnie obniży się do 1500 obr/min po czym do końca będzie stała. Aby porównać momenty i prędkości obu układów skorzystamy z bloków mux.

Żółty to przebiegi samego silnika AC, różowy DTC a niebieski to przebieg zadanej prędkości dla DTC.Jak widać silnik indukcyjny bez układu sterowania i przekształtnika jest podatny na zmiany obciążenia, sam przebieg prędkości i momentu nie jest najlepszy. Im większe obciążenie tym większy prąd w fazach(przebieg tylko z jednej fazy bo dostaje out of memory :) ). Z punktu widzenia delikatnych procesów przemysłowych czy robotów takie przebiegi są niedopuszczalne. Zawróćmy uwagę na DTC które stara się utrzymać stałą prędkość a także na przebieg momentu. Widać w nim pewne oscylacje, jest to skutek działania przekształtnika, a konkretniej przełączania się kluczy tranzystorowych.

Zachęcam do eksperymentów z tym napędem!

Turbina wiatrowa

Tutaj skorzystamy z przykładu dostarczonego przez mathworks. power_wind_ig. Jest to symulacja elektrowni wiatrowej o mocy 9MW(trzy bloki wiatrowe). Podłączone do sieci 25 kV o f=60 Hz.

Wyniki(zółty,fioletowy,niebieski to poszczególne bloki):