Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem

Ćwiczenie 1
Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym.
Środowisko symulacyjne
Symulacja układu napędowego z silnikiem DC wykonana zostanie w oparciu o środowisko
symulacyjne PSIM. Aby uruchomić program symulacyjny należy z Menu Start wybrać program PSIM
6.05 lub użyć skrótu znajdującego się na pulpicie
Tworzymy nowy plik symulacyjny wybierając z paska menu programu:
File → New
Następnie zapisujemy plik na pulpicie w katalogu:
LabNapedu20112011lato/(data i godzina zajęć)/(nazwiska członków zespołu)
Okno główne programu symulacyjnego PSIM powinno wyglądać następująco:
Połączenie (Wire) Wskaźnik wyboru
Rozpoczęcie
symulacji
Pasek elementów
podstawowych
Rys. 1 Okno główne programu symulacyjnego PSIM
Wszystkie elementy biblioteczne programu PSIM znajdują się w zakładce „Elements” na pasku menu.
Wstawianie elementów przedstawiono na przykładzie obcowzbudnego silnika prądu stałego, który
zostanie wykorzystany w ćwiczeniu. Aby wstawić element z biblioteki (w tym przypadku silnik DC)
wybieramy kolejno z paska menu programu:
Elements → Power → Motor Drive Module → DC Machine
Wybrany element wstawiamy w oknie programu. Symbol silnika powinien wyglądać jak na rys 2.
Rys. 2 Symbol obcowzbudnego silnika prądu stałego w programie PSIM
Aby wyświetlić parametry znamionowe silnika należy dwukrotnie kliknąć jego symbol. Wyjaśnienie
poszczególnych parametrów oraz wygląd okna przedstawiono na rys 3.
Rezystancja twornika
Indukcyjność twornika
Rezystancja wzbudzenia
Indukcyjność wzbudzenia
Moment bezwładności
Napięcie zasilania twornika
Prąd znamionowy twornika
Prędkość znamionowa (obr/min)
Prąd znamionowy wzbudzenia
Rys. 3 Okno parametrów obcowzbudnego silnika prądu stałego
Wyświetlenie parametrów innych elementów wykonuje się w sposób analogiczny do
przedstawionego powyżej.
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie rozpoczyna się od zbudowania podstawowego układu z silnikiem DC wg. schematu
przedstawionego na rysunku 4
Rys. 4 Układ podstawowy do badania silnika DC
Podstawowym elementem modelu jest obcowzbudny silnik prądu stałego:
Elements → Power → Motor Drive Module → DC Machine
Obwód wzbudzenia zasilany jest ze źródła prądu stałego.
Elements → Sources →Current →DC
Obwód twornika zasilany jest ze źródła napięcia stałego.
Elements → Sources → Voltage →DC
Do pomiaru prądu twornika wykorzystany został przetwornik pomiarowy z napięciowym sygnałem
wyjściowym. Napięcie to jest proporcjonalne do prądu płynącego przez przetwornik.
Elements →Other →Sensors →Current Sensor
Do pomiaru prędkości obrotowej wału silnika należy zastosować przetwornik prędkości na napięcie
(prądnica tachometryczna). Napięcie wyjściowe takiego przetwornika jest proporcjonalne do
prędkości obrotowej wału.
Elements → Power → Motor Drive Module →Speed Sensor
Aby możliwa była obserwacja przebiegów z przetworników pomiarowych (prądu i prędkości) należy
do wyjścia przetwornika podłączyć próbnik sygnału.
Elements →Other →Probes →Voltage Probe
Do ustawiania parametrów symulacji wykorzystuje się blok „simulation control”
Simulate →Simulation Control
Krok symulacji
Całkowity czas symulacji
Chwila rozpoczęcia
wyświetlania wyników
Określa, co która próbka ma
być wyświetlona
Rys. 5 Okno parametrów bloku Simulation Control
Na tym etapie modelowania należy zadać odpowiednie parametry wykorzystanym
elementom zgodnie z tabliczką znamionową silnika przedstawioną na rys. 3. Należy również dobrać
odpowiednie parametry symulacji.
Ponadto do zadań studenta należy obserwacja przebiegów wielkości wskazanych przez
prowadzącego.
Wyznaczenie charakterystyki mechanicznej silnika DC
Jest to charakterystyka prędkości w zależności od momentu obciążenia. W tym celu zastosowano
blok obciążenia mechanicznego o stałym momencie (możliwe jest ustawienie stałego momentu
obciążającego)
Elements → Power → Motor Drive Module →Mechanical Load (constant-torque)
W celu wyznaczenia charakterystyki mechanicznej należy obliczyć moment znamionowy silnika, gdyż
nie jest on podany w parametrach. Należy również pamiętać o posługiwaniu się jednostkami w
układzie SI. Następnie należy wyznaczyć kilka punktów i narysować charakterystyki dla:
a) znamionowego napięcia zasilania
b) napięcia zasilania zadanego przez prowadzącego (Uzad)
Napięcie
zasilania
Jednostki
Mobc
Nm
n
obr/min
Mobc
Nm
n
obr/min
Punkt 1
Punkt 2
Punkt 3
Punkt 4
Un
Uzad
Wykres 1 Charakterystyki mechaniczne silnika DC
Punkt 5
Punkt 6
Punkt 7
Układ obniżający
W celu uzyskania regulacji napięcia zasilającego obwód twornika można między innymi
zastosować impulsowy układ obniżający napięcie (tzw. step-down chopper).
Zasada sterowania impulsowego polega na okresowym przyłączaniu i odłączaniu stałego napięcia
zasilającego obwód twornika (Ut). Średnia wartość napięcia na zaciskach silnika może być regulowana
przez zmianę szerokości impulsów przy stałej częstotliwości impulsowania fimp.
Amplituda impulsów jest stała i równa napięciu zasilania Ut jeśli pominie się spadek napięcia
na układzie obniżającym.
Przebieg napięcia wyjściowego układu obniżającego przedstawia rys. 6 dla różnych
współczynników wypełnienia ε i stałego okresu impulsowania Timp oraz przebieg sygnału
bramkowego tranzystora Uster.
Rys. 6 Przebieg impulsowego napięcia zasilającego twornik silnika oraz przebieg sygnału bramkowego
tranzystora (Uster) przy: 1) dużym współczynniku wypełnienia, 2) przy małym współczynniku
wypełnienia.
Współczynnik wypełnienia może zmieniać się w zakresie:
0<ε<1
A co za tym idzie średnie napięcie twornika zmienia się w zakresie:
0 < Uśr < Ut
T
Ut
D
M
Rys. 7 Schemat ideowy jednokierunkowego układu napędowego z silnikiem prądu stałego z układem
obniżającym
Na rysunku 7 przedstawiony został ideowy schemat jednokierunkowego układu napędowego z
silnikiem prądu stałego z układem obniżającym. Tranzystor T jest okresowo załączany i wyłączany
sygnałem bramkowym przez co obwód twornika jest zasilany napięciem o przebiegu podanym na
rysunku 6. Takie sterowanie tranzystora powoduje, że można wyróżnić dwa podstawowe stany pracy
układu. W czasie od 0 do t1 obwód twornika jest przyłączony do napięcia zasilania Ut (prąd zamyka się
w oczku oznaczonym kolorem pomarańczowym na rys. 7), natomiast w czasie od t1 do t2 jest
odłączony i zwarty przez diodę rozładowczą D (prąd zamyka się w oczku oznaczonym kolorem
niebieskim na rys. 7). Dioda rozładowcza pozwala na przepływ prądu pod wpływem siły
elektromotorycznej indukowanej w indukcyjności La od zanikającego prądu w obwodzie twornika.
W ćwiczeniu realizacja układu obniżającego powinna wyglądać jak przedstawia to rysunek 8.
Układ obniżający napięcie wraz z
układem wyzwalania tranzystora
Tranzystor
Dioda rozładowcz
Sterownik
tranzystora
Sygnał
sterujący
Rys. 8 Schemat układu obniżającego do zasilania silnika DC
Elementy wykorzystane w modelu układu obniżającego znajdują się:
Tranzystor mocy (IGBT):
Elements → Power → Switches → IGBT
Sterownik tranzystora:
Elements → Other → Switch Controllers → On-Off Controller
Źródło napięcia prostokątnego (sygnał sterujący)
Elements → Sources →Voltage → Square
Dioda (rozładowcza):
Elements → Power → Switches → Diode
Student powinien przeprowadzić symulację układu dla kilku różnych współczynników wypełnienia
sygnału bramkowego tranzystora oraz zapoznać się z przebiegami prądu diody D oraz prądu
tranzystora T w odniesieniu do napięcia bramkowego.