Қазақстан Республикасының


Тема «Имитационное моделирование с использованием библиотеки блоков Sim Power Systems. Источники электрической энергии»



жүктеу 0.78 Mb.
бет3/6
Дата24.09.2017
өлшемі0.78 Mb.
1   2   3   4   5   6

5.3 Тема «Имитационное моделирование с использованием библиотеки блоков Sim Power Systems. Источники электрической энергии»




5.3.1 Цель и содержание работы

Целью работы является ознакомление с разделом Electrical Sources (источники электрической энергии) библиотеки блоков SimPowerSystems, с принципами построения схем моделирования элект­ротехнических систем.



5.3.2 Краткие теоретические сведения

Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink, ориентированных на моделирование конкретных устройств. SimPowerSystems со­держит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электро­технических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформато­ров, линий электропередачи и тому подобного оборудования. Имеется также раздел, содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, включая си­стемы управления для них. Комбинируя возможности Simulink и SimPowerSystems, можно не только имитировать работу устройств во временной обла­сти, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. В частности, рассчитать установившийся режим работы сис­темы на переменном токе, выполнить расчет импеданса (полного сопротивления) участка цепи, получить частотные характеристики, проанализировать устойчи­вость, а также выполнить гармонический анализ токов и напряжений.

Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные элект­ротехнические системы можно моделировать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления - с помощью обычных блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электри­ческую схему. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделиро­вания, позволяет значительно упростить всю модель, а значит, повысить ее устой­чивость 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 МATLAB, что дает практи­чески не ограниченные возможности для моделирования электротехнических си­стем.

Библиотека SimPowerSystems достаточно обширна. В том случае, 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 напряжения.

Таким образом, SimPowerSystems в составе Simulink на настоящее время мо­жет считаться одним из лучших пакетов для моделирования электротехнических устройств и систем.

Рассмотрим раздел библиотеки Electrical Sources - источники электрической энергии. В состав библиоте­ки входят источники постоянного и переменного напряжения и тока, управляемые источники напряжения и тока, а также трехфазные источни­ки переменного напряжения.

Используя блоки из разделов, пользователь в состоянии за короткое время создать полноценную модель достаточно сложной электротехнической системы.

ЭТО ВАЖНО. Установка параметров моделирования

Перед моделированием необходимо задать основные параметры анализируемых процессов. Для этого в окне модели выполняются действия в меню Simulation/ Configuration Parameters. Появляется окно (рисунок 7), имеющее вид подстрочного подменю в виде дерева:



    • Solver – решатель для установки параметров моделирования;

    • Data I/E – ввод-вывод данных в рабочую область;

    • Diagnostics – диагностика для настройки параметров диагностирования;

    • Real-Time Workshop – параметры инструмента 'Мастерская реального времени'.

В закладке решателя Solver имеется группы параметров:

    • Simulation time — интервал моделирования указывается в виде начального (Start time — обычно нулевое значение) и конечного (Stop time) значений времени;

    • Solver options — параметры решателя, определяемые методом интегрирования (Type) с фиксированным (Fixed-step) или с переменным (Variable-step) шагом;

Важный момент при установке параметров решателя — это выбор метода интегрирования (Type) при решении дифференциальных уравнений: ode45, ode23, ode113, ode15s, ode23s, ode23t, ode23tb, которые отличаются друг от друга скоростью расчета и погрешностью получаемого решения. После списка Type приводится область, содержание которой зависит от выбора Fixed-step или Variable-step. При выборе Variable-step, который является предпочтительным, появляются поля для установки следующих параметров:

    • Max step size — максимальный шаг интегрирования. По умолчанию этот параметр выбирается автоматически (auto) и составляет 0,02 от величины времени моделирования, то есть (Stop time — Start time)/50. Очень часто этот шаг оказывается больше, чем это требуется, и тогда построенные временные диаграммы оказываются состоящими из ломаных линий и в значительной мере отличаются от ожидаемых кривых. По выбору шага интегрирования далее будут даны соответствующие рекомендации.

    • Min step size — минимальный шаг интегрирования.

    • Initial step size — начальная величина шага интегрирования.



Рисунок 7 – Окно установки параметров моделирования
Погрешности вычислений при моделировании непрерывных систем по умолчанию задаются равными — относительная (Relative tolerance) 10–3 и абсолютная (Absolute tolerance) auto или устанавливаются в требуемых пределах.

В закладке Workspace I/O осуществляется управление вводом в рабочее пространство и выводом из него результатов моделирования. Имеются поля:



    • Load from workspace — загрузить из рабочей области. При установленном флажке Input (Входные данные) в текстовое поле вводится формат данных, которые будут считываться из рабочего пространства. Флажок Initial State (Начальное состояние) разрешает ввод в текстовое окно имени переменной. Все указанные данные передаются в модель с помощью блока(ов) In, находящихся в разделе Sources.

    • Save to workspace — запись в рабочее пространство с установкой режима ввода значений сигнала в рабочее пространство.

    • Save option — параметры записи для задания количества строк при передаче переменных в рабочее пространство. При установленном флажке Limit rows в поле ввода указывается количество передаваемых строк, иначе будут переданы все данные.

Output options — настраиваются параметры вывода выходного сигнала моделируемой системы. Refine output— скорректированный вывод для изменения шага регистрации модельного времени и тех сигналов, которые сохраняются в рабочем пространстве при использовании блока To Workspace. Установка такта дискретности осуществляется в строке редактирования Refine factor. Установка по умолчанию — 1 (регистрируется каждый шаг) или задается положительное целое число n (регистрируется каждое n-е значение).

Теперь рассмотрим, как выполняется выбор времени и шага моделирования. Предположим, нужно получить синусоидальный сигнал с амплитудой 4 В и частотой 20 Гц. Собираем схему из генератора Signal Generator (настраиваем его амплитуду и частоту) и осциллографа Scope и запускаем полученную модель. Результат в окне осциллограммы Scope получается неожиданный - на осциллограмме практически прямая линия (рисунок 8а).



Нажимаем кнопку «бинокль». Получается временная диаграмма, далекая от синусоиды (рисунок 8б). Причина этого явления объясняется неправильно выбранными параметрами моделирования.


Для установки параметров моделирования необходимо знать частоту или период T получаемого сигнала. Если этот сигнал сложный, то следует иметь те же параметры для его высокочастотной и низкочастотной составляющих. В окне модели через меню Simulation/ Simulation Parameters вызывается закладка Solver. Шаг моделирования выбирается из простого требования — минимальный период сигнала должен на порядок или более превышать максимальный шаг моделирования At (шаг дискретизации). В нашем случае при T = 1/20 = 0,05 шаг выбирается At < 0,002. Указанное значение шага набирается в текстовом окне Max step size. Время моделирования считаем из условия — в осциллограмме должно быть, например, 4 больших периода, то есть в текстовом окне Stop time устанавливается 0,2. После запоминания установленных параметров (кнопка Ok) и запуска модели получаем приемлемую осциллограмму (рисунок 8в).


Рисунок 8 – Окно осциллограммы при изменении параметров настройки


1) Идеальный источник постоянного напряжения DC Voltage Source

Пиктограмма:


Назначение:

Вырабатывает постоянное по уровню напряжение. Вход и выход блока DC Vol­tage Source соответствуют положительному и отрицательному выводам источника.



Окно задания параметров:



Параметры блока:

Amplitude (V): [Амплитуда (В)]. Задает величину выходного напряжения источника.

Measurements: [Измеряемые переменные]. Параметр позволяет выбрать передаваемые в блок Multimeter переменные, которые затем можно увидеть с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка:

    • None - нет переменных для отображения;

    • Voltage - выходное напряжение источника.

Блок является идеальным источником напряжения, то есть его собственное сопротивление равно нулю.
2) Идеальный источник переменного напряжения AC Voltage Source
Пиктограмма:


Назначение:

Вырабатывает синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой. Напря­жение источника AC Voltage Source описывается следующим выражением:



U = A x sin(2p ft + ),

где А - амплитуда напряжения источника; f - частота; ф - начальная фаза напря­жения.

Знак «+» на пиктограмме блока показывает положительное направление на­пряжения источника.

Окно задания параметров:


Параметры блока:

Peak Amplitude (V): [Амплитуда (В)]. Амплитуда выходного напряжения источника.

Phase (deg): [Фаза (град)]. Начальная фаза.

Frequency (Hz): [Частота (Гц)]. Частота источника.

Sample time: [Шаг дискретизации]. Параметр задает шаг дискретизации по времени выход­ного напряжения источника при создании дискретных моделей.

Measurements: [Измеряемые переменные]. Параметр позволяет выбрать передаваемые в блок Multimeter переменные, которые затем можно увидеть с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка:

None - нет переменных для отображения;

Voltage - выходное напряжение источника.

Блок является идеальным источником напряжения, то есть его собственное сопротивление равно нулю.


3) Идеальный источник переменного тока AC Current Source
Пиктограмма:

Назначение:

Вырабатывает синусоидаль­ный ток с постоянной амплиту­дой. Ток источника AC Current Source описывается следующим выражением:



I = А х sin((2p ft + ),

где А - амплитуда тока источника; f- частота; ф - начальная фаза тока.

Знак «+» на пиктограмме бло­ка показывает положительное на­правление тока источника.
Окно задания параметров:



Параметры блока:

Реак Amplitude (А): [Амплитуда (А)]. Амплитуда выходного тока источника.

Phase (deg): [Фаза (град)]. Начальная фаза.

Frequency (Hz): [Частота (Гц)]. Частота источника.

Sample time: [Шаг дискретизации]. Параметр задает шаг дискретизации по времени выход­ного тока источника при создании дискретных моделей.

Measurements: [Измеряемые переменные]. Параметр позволяет выбрать передаваемые в блок Multimeter переменные, которые затем можно увидеть с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка:

None - нет переменных для отображения;

Current - выходной ток источника.

Блок является идеальным источником тока, то есть его собственное сопротив­ление равно бесконечности. Для амплитуды и фазы допустимы отрицательные значения. Нулевая частота определяет источник постоянного тока. Задание отри­цательной частоты недопустимо.


4) Управляемый источник напряжения Controlled Voltage Source
Пиктограмма:


Назначение:

Вырабатывает напряжение в соответствии с сигналом управления. Сигнал управления является безразмерным Simulink-сигналом. Источник Controlled Vol­tage Source может быть инициализирован как источник постоянного или пере­менного напряжения. При моделировании установившегося режима начальное значение управляющего сигнала должно соответствовать начальным значениям параметров источника.


Параметры блока:

Initialize: [Инициализация]. При установке флажка выполняется инициализация источ­ника с заданными начальными параметрами - амплитудой, фазой и частотой.

Source type: [Тип источника]. Тип источника указывается, если требуется инициализация источника. Если инициализация источника не задана, то параметр недоступен. Значение параметра выбирается из списка:

АС - источник переменного напряжения;

DC - источник постоянного напряжения.

Initial amplitude (V): [Начальная амплитуда (В)]. Начальное значение выходного напряжения ис­точника. Параметр доступен, если задана инициализация источника.

Initial phase (deg): [Начальная фаза (град)]. Начальная фаза. Параметр доступен, если источник инициализируется как источник переменного напряжения.

Initial frequency (Hz): [Initial частота (Гц)]. Начальная частота источника. Параметр доступен, если источник инициализируется как источник переменного напряжения.

Measurements: [Измеряемые переменные]. Параметр позволяет выбрать передаваемые в блок Multimeter переменные, которые затем можно увидеть с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка:

None - нет переменных для отображения;

Voltage - выходное напряжение источника.

Блок является идеальным источником напряжения, то есть его собственное сопротивление равно нулю.


Окно задания параметров:


5) Управляемый источник тока Controlled Current Source
Пиктограмма:

Назначение:

Вырабатывает ток в соответствии с сигналом управления. Сигнал управления является безразмерным Simulink-сигналом. Источник Controlled Current Source может быть инициализирован как источник постоянного или переменного тока. При моделировании установившегося режима начальное значение управляюще­го сигнала должно соответствовать начальным значениям параметров источника.



Параметры блока:

Initialize: [Инициализация]. При установке флажка выполняется инициализация источ­ника с заданными начальными параметрами - амплитудой, фазой и частотой.

Source type: [Тип источника]. Тип источника указывается, если требуется инициализация источника. Если инициализация источника не задана, то параметр недоступен. Значение параметра выбирается из списка:

АС - источник переменного тока;

DC - источник постоянного тока.

Initial amplitude (A): [Начальная амплитуда (А)]. Начальное значение выходного тока источника. Параметр доступен, если задана инициализация источника.

Initial phase (deg): [Начальная фаза (град)]. Начальная фаза. Параметр доступен, источник ини­циализируется как источник переменного тока.

Initial frequency (Hz): [Initial частота (Гц)]. Начальная частота источника. Параметр доступен, ис­точник инициализируется как источник переменного тока.

Measurements: [Измеряемые переменные]. Параметр позволяет выбрать передаваемые в блок Multimeter переменные, которые затем можно увидеть с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка:

None - нет переменных для отображения;

Current - выходной ток источника.
Окно задания параметров:


Блок является идеальным источником тока, то есть его собственное сопротив­ление равно бесконечности.

5.3.3 Задание по вариантам



Вариант 1
В соответствии с рисунком 9 составить схему включения активно-индуктивной нагрузки на постоянное напряжение. Подключение источника к нагрузке обеспечивается бло­ком Ideal Switch, который замыкает электрическую цепь по сигналу, вырабатыва­емому генератором ступенчатого сигнала Step. Измерение тока в цепи выполня­ется с помощью блока Current Measurement.

Отобразить полученный измерителем сигнал тока в цепи с помощью блока Scope на экран монитора.

Оформить отчет в соответствии с общими требованиями.

Рисунок 9 – Подключение источника постоянного напряжения к нагрузке


Вариант 2
В соответствии с рисунком 10 составить схему, моделирующую подключение активно-индуктив­ной нагрузки к источнику переменного напряжения.

Отобразить полученный измерителем сигнал тока в нагрузке с помощью блока Scope на экран.

Оформить отчет в соответствии с общими требованиями.

Рисунок 10 – Подключение источника переменного напряжения к нагрузке


Вариант 3
В соответствии с рисунком 11 составить схему, моделирующую работу двух источников тока на ак­тивную нагрузку. Источники имеют одинаковую амплитуду тока (3А), но разную частоту (50 Гц и 60 Гц). Ток в нагрузке является суммой токов этих двух источников.

Продемонстрировать с помощью осциллографа (блок Scope) суммарный ток от источников. Задать параметр Sample time блоков источников тока в соответствии с рекомендациями по установке параметров моделирования.

Оформить отчет в соответствии с общими требованиями.

Рисунок 11 – Работа источников тока на общую нагрузку


Вариант 4
На рисунке 12 показана схема с использованием управляемого источника напря­жения, формирующего по сигналу управления прямоугольное напряжение на на­грузке. Построить модель по заданной схеме. Продемонстрировать диаграммы выходных значений при заданных параметрах входных величин системы.

Оформить отчет в соответствии с общими требованиями.



Рисунок 12 – Формирование пульсирующего напряжения с помощью управляемого источника напряжения



Вариант 5
На рисунке 13 приведена схема с использованием управляемого источника тока, формирующего в нагрузке серии синусоидальных импульсов тока. Построить модель по заданной схеме. Продемонстрировать диаграмму выходных значений при заданных параметрах входных величин системы.

Рисунок 13 – Применение управляемого источника тока





Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет