Терехин В.Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (MatLab 7.0.1) - файл n1.doc. Моделирование электропривода в simulink


Терехин В.Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (MatLab 7.0.1)

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

В.Б. Терёхин

моделирование систем электропривода в simulink (matlab 7.0.1)

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советомТомского политехнического университетаИздательство

C00Терёхин В.Б.

С00 Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): учебное пособие / В.Б. Терёхин. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 320 с.В руководстве рассмотрены вопросы моделирования в Simulink элементов автоматизированного электропривода и автоматизированных электроприводов постоянного и переменного тока.

Руководство предназначено для студентов специальности 140306 «Электроника и автоматика физических установок», 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств ядерно-химической отрасли», а также для инженерного состава, занимающегося проектированием регулируемых электроприводов.

Рекомендовано к печати Редакционно издательским советом

Томского политехнического университетаРецензенты

Доктор технических наук, профессор кафедры конструирования

Томского университета систем управления и радиоэлектроникиВ.А. Бейнарович

Кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок

Томского политехнического университетаА.Ю. Чернышев

© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2008Содержание

Введение 9

1 Моделирование элементов автоматизированного электропривода 10

1.1 Машина постоянного тока 10

1.1.1 Исследования модели двигателя в Simulink 10

1.1.2 Модернизированная модель двигателя постоянного тока 27

1.2 Машина переменного тока (асинхронная) 45

1.2.1 Математическое описание обобщенной асинхронной машины 45

1.2.2 Исследование модели асинхронного двигателя в Simulink 69

1.2.3 Исследование модернизированной модели асинхронного двигателя в Simulink 76

1.2.4 Разработка структуры асинхронного двигателя в Simulink 83

1.3 Нереверсивные тиристорные преобразователи 102

1.3.1 Двухфазный тиристорный преобразователь 102

1.3.2 Нереверсивный мостовой трёхфазный тиристорный преобразователь 108

1.3.3 Нереверсивный нулевой трёхфазный тиристорный преобразователь 129

1.4 Реверсивные тиристорные преобразователи с совместным управлением 132

1.4.1 Реверсивный двухфазный тиристорный преобразователь с совместным управлением 132

1.4.2 Реверсивный трёхфазный тиристорный преобразователь с совместным управлением 135

1.4.3 Реверсивный трёхфазный тиристорный преобразователь с совместным управлением по нулевой схеме 138

1.5 Реверсивные тиристорные преобразователи с раздельным управлением 140

1.5.1 Модель логического переключающего устройства 140

1.5.2 Модель датчика состояния тиристоров 142

1.5.3 Модель переключателя характеристик (полярности сигнала) 144

1.5.4 Реверсивный двухфазный тиристорный преобразователь с раздельным управлением 145

1.5.5 Реверсивный трёхфазный тиристорный преобразователь с раздельным управлением 147

1.6 Транзисторные широтно-импульсные преобразователи для управления двигателями постоянного тока 151

1.6.1 Симметричный способ управления 151

1.6.2 Несимметричный способ управления 156

1.7 Преобразователи частоты (автономные инверторы) 159

1.7.1 Разомкнутый способ реализации ШИМ 159

1.7.2 Замкнутый способ реализации ШИМ (токовый коридор) 163

2 Электроприводы постоянного тока 168

2.1 Разомкнутые 168

2.1.1 Автоматическое управление в функции времени 168

2.1.2 Автоматическое управление в функции скорости 173

2.1.3 Автоматическое управление в функции тока 173

2.2 Замкнутые нереверсивные 175

2.2.1 Тиристорные электроприводы 175

2.2.2 Транзисторные электроприводы 179

2.3 Замкнутые реверсивные 193

2.3.1 Тиристорные электроприводы с совместным управлением по нулевой схеме включения 193

2.3.2 Тиристорные электроприводы с раздельным управлением 201

3 Разомкнутые электроприводы переменного тока 212

3.1 Мягкие частотный пуск и остановка асинхронного двигателя 212

4 Частотно-токовый электропривод с векторным управлением 216

4.1 Общие положения 216

4.2 Математическое описание векторного управления двигателем 218

4.3 Оптимизация и имитационное исследование в Simulink контура тока 229

4.3.1 Расчёт параметров регулятора тока при идеальном источнике тока 229

4.3.2 Исследование влияния насыщения регулятора, квантования сигнала токовой обратной связи по уровню и времени 234

4.3.3 Исследование влияния реальных свойств преобразователя частоты на статические и динамические свойства контура тока 237

4.4 Оптимизация и имитационное исследование в Simulink контура потока 241

4.4.1 Расчёт параметров регулятора потока при идеальном источнике тока 241

4.4.2 Исследование влияния насыщения регулятора, квантования и задержки сигнала обратной связи, способа реализации источника тока 245

4.5 Оптимизация и имитационное исследование в Simulink контура скорости 250

4.5.1 Расчёт параметров регулятора скорости при идеальном источнике тока 250

4.5.2 Исследование влияния насыщения регуляторов, квантования и запаздывания сигнала обратной связи 254

4.5.3 Исследование влияния способа реализации источника тока (инвертора) 261

4.6 Имитационное моделирование структуры электропривода переменного тока с векторным управлением 266

4.6.1 Моделирование в Simulink при реализации инвертора с широтно-импульсным управлением 266

4.6.2 Моделирование в Simulink при реализации инвертора с релейным управлением 275

4.6.3 Моделирование структуры электропривода с векторным управлением с выводом тока статора в неподвижной системе координат 281

5 Виртуальный электропривод переменного тока с векторным управлением 286

5.1 Разработка на основе инвертора с широтно-импульсной модуляцией 286

5.1.1 Реализация источника питания инвертора в виде батареи 286

5.1.2 Реализация источника питания инвертора в виде выпрямителя 296

5.2 Разработка на основе инвертора с релейным управлением 303

5.2.1 Реализация источника питания инвертора в виде батареи 303

5.2.2 Реализация источника питания инвертора в виде выпрямителя 312

Литература 321

Компьютерные технологии прочно закрепились в высшей школе и широко используются не только для оформления текстовой и графической частей учебных работ, но и для изучения и исследования сложных систем и процессов. Совершенно очевидно, что качество подготовки специалистов в прямой степени зависит от применяемого многообразия форм и методов представляемого учебного материала. Натурное изучение и исследование остаётся предпочтительной формой подготовки, но не может быть обеспечено в полной мере, особенно при изучении специальных дисциплин.

Цель работы состоит в предоставлении возможности изучения, проектирования и исследования элементов автоматизированного электропривода постоянного и переменного тока и электроприводов в целом с применением программного продукта Matlab 7.0.1 (Simulink). Отличительной особенностью пособия является предоставление разработанных моделей в Simulink элементов и приводов постоянного и переменного тока. Студент имеет возможность приступить к изучению интересующего привода на основе предлагаемых моделей, предварительно произвести необходимые для проектирования исследования и выполнить разработку осознанно на высоком техническом уровне. Так как при разработке моделей большинство используемых элементов из библиотеки Simulink модернизированы, то предлагаемые модели в пособии работоспособны только в Matlab 7.0.1.

Пособие состоит из пяти глав.

Первая глава посвящена моделированию двигателей и элементов автоматизированного электропривода постоянного и переменного тока.

Во второй главе рассматриваются модели разомкнутых и замкнутых электроприводов постоянного тока.

В третьей главе приведён пример модели разомкнутого электропривода переменного тока с преобразователем частоты, управляемого задатчиком интенсивности.

В четвёртой главе приведены модели структуры электропривода переменного тока с векторным управлением.

В пятой главе рассматриваются виртуальные асинхронные электроприводы с векторным управлением. Применено широтно-импульсное и релейное управление инверторами. Включены в модель источник питания и цепь гашения энергии, отдаваемой электрическим двигателем в тормозных режимах.

nashaucheba.ru

Моделирование электропривода на базе бесконтактного двигателя постоянного тока в пакете SimPowerSystems

Библиографическое описание:

Емельянов А. А., Бесклеткин В. В., Устинов А. П., Патерило А. С., Пестеров Д. И., Юнусов Т. Ш., Габзалилов Э. Ф. Моделирование электропривода на базе бесконтактного двигателя постоянного тока в пакете SimPowerSystems // Молодой ученый. — 2016. — №18. — С. 10-16. — URL https://moluch.ru/archive/122/33696/ (дата обращения: 12.06.2018).



Целью данной работы является овладение технологией сборки модели электропривода на базе бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ), подключенного к шестишаговому инвертору,в пакете SimPowerSystems для использования в лабораторных работах по дисциплинам «Математическое моделирование электромеханических систем» и «Электрический привод». За основу принята математическая модель из электронного ресурса [1]. Показаны пути поиска разделов необходимых элементов схемы электропривода, позволяющих студентам без больших потерь времени получить необходимые характеристики. Полезные рекомендации по работе в SimPowerSystems даны в работах [2], [3], [4], [5].

Общая схема электропривода на базе БДПТ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Электропривод на базе БДПТ

Бесконтактный двигатель постоянного тока представлен блоком Permanent Magnet Synchronous Machine из раздела Machines библиотеки SimPowerSystems (рис. 2). Инвертор напряжения (IGBT Inverter) представлен блоком Universal Bridge из раздела Power Electronics (рис. 2).

Наброс нагрузки моделируется в блоке Step (библиотека Simulink, раздел Sources). В этом блоке необходимо задать:

− время наброса нагрузки (Step time): 0.1;

− начальное значение (Initial value): 0;

− конечное значение (Final value): 3;

− шаг модельного времени (Sample time): 0.

Рис. 2. Расположение блоков БДПТ и инвертора напряжения

Параметры БДПТ даны на рис. 3.

Рис. 3. Параметры БДПТ

Параметры инвертора напряжения даны на рис. 4.

Рис. 4. Параметры инвертора напряжения

Блок управляемого источника напряжения (Controlled Voltage Source) находится в разделе Electrical Sources библиотеки SimPowerSystems (Simscape) (рис. 5). В этом блоке следует задать напряжение 500 В (рис. 5).

Рис. 5. Расположение блока управляемого источника напряжения и его параметры

ПИ-регулятор скорости (PI speed regulator) показан на рис. 6. Его схему необходимо собрать в отдельном субблоке Subsystem (библиотека Simulink, раздел Ports & Subsystems). Пропорциональная часть регулятора (Proportional) задана блоком Gain (Simulink/Math Operations), интегральная часть (Integral) - блоком Transfer Fcn (Simulink/Continuous). Ограничитель сигнала (Saturation) находится в разделе Simulink/Discontinuities. Его параметры указаны на рис. 6.

Рис. 6. ПИ-регулятор скорости

Декодер (Decoder) и блок ключей инвертора (Gates) представлены на рис. 7 и 8. Обе схемы собраны в субблоках Subsystem.

Рис. 7. Блок декодера (Decoder)

Рис. 8. Блок логических ключей инвертора (Gates)

Логические операторы (Logical Operator) NOT и AND, а также блоки сравнения с нулём (Compare To Zero) находятся в разделе Logic and Bit Operations библиотеки Simulink (рис. 9). Преобразователь типа сигнала (Data Type Conversion) – в разделе Signal Attributes (рис. 9).

Рис. 9. Расположение блоков логических операторов, сравнения с нулём и преобразования типа сигнала

Шинные селекторы (Bus Selector 1 и 2) позволяют передавать сигналы из блока БДПТ на декодер или на осциллографы. Для передачи данных на декодер необходимо в параметрах Bus Selector 1 из списка слева (Signals in the bus) выбрать сигналы Hall effect signal (h_a, h_b и h_c), добавить их в список выбранного (Selected signals) кнопкой Select и поставить галочку в пункте Output as bus (рис. 11).

Расположение блока Bus Selector в разделе Signal Routing библиотеки Simulink показано на рис. 11.

Рис. 11. Расположение блока Bus Selector и выбор сигналов в блоке Bus Selector 1

Аналогичным образом в Bus Selector 2 выбираем ток (Stator current is_a), ЭДС (Stator back EMF e_a), скорость (Rotor speed wm) и электромагнитный момент (Electromagnetic torque Te) для вывода этих характеристик на осциллографы.

Для перевода скорости из рад/с в об/мин в блоке Gain необходимо установить значение 30/pi.

Напряжения Vdc и Vab измеряются и отображаются в виде графиков на осциллографах с помощью блока Voltage Measurement из раздела Measurements библиотеки SimPowerSystems (рис. 12).

Рис. 12. Расположение блока измерителя напряжения (Voltage Measurement)

Для работы модели необходим блок Powergui (раздел Fundamental Blocks библиотеки SimPowerSystems), параметры которого приведены на рис. 13.

Рис. 13. Параметры блока Powergui

Результаты моделирования электропривода на базе бесконтактного двигателя постоянного тока даны на рис. 14 и 15.

Рис. 14. Графики статорного тока ia и ЭДС ea

Рис. 15. Графики скорости и электромагнитного момента с набросом нагрузки на двигатель при t = 0,1 с

Примечание: во избежание ошибок при запуске расчета модели необходимо открыть меню Simulation, выбрать Model Configuration Parameters. В открывшемся окне в меню Diagnostics перейти к пункту Connectivity и установить значение Mux blocks used to create bus signals: error, как показано на рис. 16.

Рис. 16. Окно параметров модели

Литература:
  1. SimscapePowerSystemsExamples [Электронный ресурс] // MathWorks. - Режим доступа: www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples.html.
  2. Герман-Галкин С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. – СПб.: КОРОНА-Век, 2008. – 368 с.
  3. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. – СПб.: КОРОНА принт, 2007. – 320 с.
  4. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. – 288 с.
  5. Терёхин В. Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): учебное пособие / В. Б. Терёхин; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 292 с.

Основные термины (генерируются автоматически): блок, раздел, бесконтактный двигатель, расположение блока, библиотека, IGBT, EMF, AND, электромагнитный момент, NOT.

moluch.ru

Моделирование динамических процессов в электроприводе — Мегаобучалка

Целью данного раздела является моделирование динамических процессов в электроприводе подъемов при движении подъемного сосуда по заданной тахограмме.

Для динамического моделирования используется математический пакет MATLAB 6.5 с использованием системы визуального моделирования

динамических систем Simulink. Модели для исследования получаются путем набора встроенных в библиотеку Simulink стандартных звеньев (блоков).

Построение моделей осуществляется со следующими допущениями:

- полупроводниковые преобразователи описываются апериодическим звеном первого порядка;

- параметры объектов управления неизменны во времени;

- все элементы модели представляются соответствующими передаточными функциями;

- режим прерывистого тока отсутствует или пренебрежимо мал по длительности.

На вход модели подается сигнал задания в соответствии тахограммы движения подъемного сосуда, а выходными величинами являются: угловая

 

скорость движения подъемного сосуда ω = f(t); ток нагрузки i = f(t); ток возбуждения iВ = f(t) и момент создаваемый двигателем m = f(t).

Исследование динамических процессов производится для двух режимов работы подъемных установок:

- без нагрузки, режим холостого хода МС = 0;

- под постоянной нагрузкой МС = 0,7÷0,8 МН..

На рис.5.1 представлена структурная модель электропривода по системе ТП-Д.

Моделирование динамических процессов  

Под нагрузкой были получены следующие результаты моделирования: ток возбуждения (рис.5.2), ток нагрузки (рис.5.3), момент, создаваемый двигателем (рис.5.3), скорость движения подъемного сосуда (рис.5.4).

Рис.5.2. Осциллограмма тока возбуждения.

Рис.5.3. Осциллограмма тока нагрузки и осциллограмма усилия подъёмного механизма

 

Моделирование динамических процессов  
Моделирование динамических процессов  

Рис.5.4. Осциллограмма скорости движения подъемного механизма

Под постоянной нагрузкой скорость движения подъемного сосуда практически полностью повторяет заданную скорость;

В режиме холостого хода были получены следующие результаты моделирования: ток нагрузки (рис.5.5), ток возбуждения (рис.5.4), момент, создаваемый двигателем (рис.5.5), скорость движения подъемного сосуда (рис.5.6).

Рис.5.5. Осциллограмма тока возбуждения.

 

Моделирование динамических процессов  

Рис.5.6. Осциллограмма тока нагрузки и момента создаваемый двигателем.

 

Рис.5.7. Осциллограмма скорости движения подъемного сосуда

По результатам моделирования видно, что в режиме холостого хода скорость движения подъемного сосуда практически полностью повторяет заданную скорость.

 

Автоматизированный электропривод грузовой лебедки
Список литературы
БГТУ им. В.Г.Шухова  
Список литературы

 

1. Авербух, М.А. Автоматизированный электропривод многоканатной подъемной установки: [Текст]: учеб. пособие вузов./М.А. Авербух, Ю.В. Евсеев, А.И. Писарев; Норильский индустриальный ин-т. - Норильск, 2006. – 145 с.

2. Комплексные тиристорные электроприводы: Справочник / И. Х. Евзеров, А. С. Горобец, Б. И. Мошкович и др.; Под ред. Канд. Тех. Наук В. И. Перельмутера. – М.: Энергоатоммздат,1988. – 319 с.

3. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0/Герман-Галкин С. Г.; Корона принт. – СПб, 2001.

4. Интернет-ресурс: http://www.autonics-ru/com/ENKODERAutonics.

 

 

megaobuchalka.ru

Моделирование автоматизированного электропривода

Принцип векторного управления асинхронным двигателем основан на преобразовании измеренных в неподвижной системе a, b координат двигателя (напряжений, токов, потокосцеплений и т.п.) к вращающейся системе координат x, y. В результате такого преобразования выделяются составляющие соответствующих обобщенных векторов во вращающейся системе координат, которые будут иметь постоянные, в установившемся режиме, значения. Регулирование их позволяет осуществить раздельное управление скоростью и потокосцеплением АД.

В средеMATLAB Simulink имеется готовое решение для моделирования системы ПЧ-АД, он представлен в виде блока Field-Oriented Control Induction Motor Drive. В него входит диодный выпрямитель, фильтр, тормозной резистор, инвертор, асинхронный двигатель, контроллер ориентации поля F.O.C. и контроллер скорости. Схема блока приведена на рисунке 4.9.

 

 

Рисунок 4.9 – Схема блока Field-OrientedControl Induction Motor Drive

Контроллер скорости основан на ПИ-регуляторе, как показано на рисунке 4.10.

 

 

Рисунок 4.10 – Схема ПИ-регулятора скорости

 

Блок F.O.C. содержит одиннадцать основных параметров.

Параметр ψr используется для оценки потока ротора двигателя.

Параметр θe используется, чтобы найти угол поток ротора вращающегося поля.

ABC-DQ блок выполняет преобразование ABC фазовых переменных в DQ компонентов потока ротора вращающейся системе поля.

DQ-ABC блок выполняет преобразование DQ компоненты потока ротора вращающегося поля в ABC фазовых переменных.

IQS* вычислительный блок использует рассчитанный поток ротора и задание момента, чтобы вычислить ток статора квадратурной составляющей, необходимой для получения электромагнитного момента на валу двигателя. Идентификатор * блока использует ссылку на поток ротора, чтобы вычислить ток статора прямой составляющей, который необходимым для получения потока ротора.

Ток регулируется в зависимости от петли Гистерезиса. Переключение блок управления используется для ограничения частоты преобразователя коммутации до максимального значения, указанного пользователем.

Контроллер потока используется для управления потока в динамике и уменьшения ошибки статичного потока. Вектор намагниченности устройство содержит вектор, используемый для создания начального потока двигателя. Блок управления намагниченности содержит логику, используемую для переключения между намагниченностью и нормальным режимом работы.

 

 

Схема контроллера F.O.C. изображена на рисунке 4.11.

 

Рисунок 4.11 – Схема контроллера F.O.C.

 

Общий вид схемы модели системы ПЧ – АД представлена на рисунке 4.12.

Система работает от 2 задающих сигналов на блок F.O.C.:

1) здание на скорость;

2) задание на момент.

 

 

Рисунок 4.12 – Схема для моделирования системы ПЧ-АД

 

На рисунке 4.13 представлен ввод данных в окна блока Field-OrientedControl Induction Motor Drive.

 

 

       
   

 

Рисунок 4.13 – Ввод данных в панель блока Field-OrientedControl Induction Motor Drive

 

Анализ динамических процессов

Динамическим процессом является процесс изменения функционального состояния системы.

Система находится в динамическом процессе тогда, когда происходит изменение.

Отсюда, динамический процесс – это процесс перехода системы с одного стационарного уровня на другой.

Если скорость изменения внешних воздействий превышает скорость установления заданного результата действия системы, то появляются переходные процессы (мультимикроциклы), во время которых также происходит изменения. Поэтому эти переходные процессы также являются динамическими..

Следует отметить, что стационарное состояния также является процессом, но установившимся (стационарным) процессом. В таких случаях состояние систем от цикла к циклу не меняется.

Во время каждого цикла в системе происходит очень много различных динамических процессов, потому что система сама состоит из подсистем, в каждой из которых есть свои циклы и свои процессы. Установившийся процесс сохраняет систему в одном и том же функциональном состоянии и на одном и том же стационарном уровне. По определению, данному выше, если система не меняет своего функционального состояния, то она находится в стационарном состоянии.

Следовательно, установившийся процесс и стационарное состояние – это одно и то же, потому что независимо от того, находятся ли системы в стационарном состоянии или в динамическом процессе, в их подсистемах всегда могут быть какие-либо стационарные или динамические процессы.

На рисунке4.14 представлены переходные процессы получившиеся при моделированиисхемы изображенной на рисунке 4.12.

 

 

Рисунок 4.13 – Переходные процессы получившиеся при моделирования схемы

в программной среде MatLAb 2013 Simulink



infopedia.su


Смотрите также