Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem

Ćwiczenie 1
Symulacja układu napędowego z silnikiem prądu stałego i przekształtnikiem
tranzystorowym obniżającym napięcie.
Środowisko symulacyjne
Symulacja układu napędowego z silnikiem DC wykonana zostanie w oparciu o środowisko
symulacyjne PSIM. Wersję demonstracyjną można pobrać ze strony www po uprzednim
zarejestrowaniu się jako student Politechniki Warszawskiej:
http://www.powersimtech.com/index.php?name=demo
Językiem użytego oprogramowania jest język angielski. Aby uruchomić program symulacyjny należy
z Menu Start wybrać program PSIM 6.05 lub użyć skrótu znajdującego się na pulpicie:
Następnie tworzymy nowy plik symulacyjny wybierając z paska menu programu:
File → New
Plik zapisujemy na pulpicie w katalogu:
LabNapedu2012 / (data i godzina zajęć) / (nazwiska członków zespołu)
Okno główne programu symulacyjnego PSIM wraz z podstawowym układem badań zostało
przedstawione na Rysunku 1.
obrót
elementu
w prawo
przetwornik
silnik
prądu
obcowzbudny
pionowe
odbicie
lustrzane
elementu
łączenie
START
elementów symulacji
przetwornik
prędkości
źródło
stałonapięciowe
źródło
stałoprądowe
poziome
odbicie
lustrzane
elementu
próbnik
sygnału
uruchomienie
Simview
blok
parametrów
symulacji
obciążenie
mechaniczne
o stałym
momencie
siły
najczęściej używane elementy
Rys. 1. Okno główne programu symulacyjnego PSIM wraz z podstawowym układem badań
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
Do zmian parametrów symulacji służy element przypominający wyglądem zegar. Wstawiamy go
wybierając kolejno z paska narzędziowego:
Simulate → Simulation Control
Symbol graficzny oraz okno parametrów symulacji przedstawia Rysunek 2.
Rys. 2. Symbol graficzny wraz z parametrami bloku ustawiania parametrów symulacji Simulation Control
Elementy biblioteczne budowanych układów w programie PSIM znajdują się w zakładce „Elements”
na pasku narzędziowym. Dodatkowo, najczęściej używane elementy (np.: rezystory, kondensatory,
itp.) umieszczone są w menu graficznym widocznym u dołu okna programu. Każdemu elementowi
należy nadać oryginalną nazwę, aby mógł być jednoznacznie i szybko zidentyfikowany.
Budowa układu w programie PSIM
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 składa się z obwodu twornika
i obwodu wzbudzenia. Symbol graficzny oraz menu podręczne elementu przedstawiono na Rysunku 3.
Rys. 3. Symbol graficzny wraz z parametrami silnika prądu stałego w programie PSIM
Indeks „a” oznacza twornik (ang. armature), Indeks „f” oznacza obwód wzbudzenia (ang. field)
Indeks „t” oznacza zaciski (ang. terminals) i w tym konkretnym modelu oznacza zaciski twornika
Moment of inertia to moment bezwładności, natomiast moment siły (moment obrotowy) to „Torque”
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
Do pomiaru prędkości obrotowej wału silnika należy zastosować czujnik prędkości. Sygnał wyjściowy
takiego przetwornika jest proporcjonalny do prędkości obrotowej wału. Wartość liczbowa sygnału
wyjściowego wskazuje aktualną prędkość wyrażoną w obr/min. Aby wstawić przetwornik należy
z paska menu wybrać:
Elements → Power → Motor Drive Module → Speed Sensor
Mechaniczne obciążenie silnika prądu stałego o stałym momencie siły (momencie obrotowym)
wstawiamy wybierając kolejno:
Elements → Power → Motor Drive Module → Mechanical Load (constant-torque)
Symbol graficzny wraz z opisem parametrów przedstawiono na Rysunku 4.
Rys. 4. Symbol graficzny wraz z parametrami obciążenia mechanicznego w programie PSIM
Wstawienie źródła stałoprądowego i jego parametry (Rysunek 5):
Elements → Sources → Current → DC
Rys. 5. Symbol graficzny wraz z parametrami źródła stałoprądowego w programie PSIM
Pozostałe elementy znajdują się na pasku najczęściej wykorzystywanych elementów. Na Rysunku 6
przedstawiono parametry źródła stałonapięciowego.
Rys. 6. Symbol graficzny wraz z parametrami źródła stałonapięciowego w programie PSIM
Do pomiaru prądu twornika wykorzystany został przetwornik pomiarowy z sygnałem wyjściowym
proporcjonalnym do prądu płynącego przez przetwornik. Aby możliwa była obserwacja przebiegów
z przetworników pomiarowych (prądu i prędkości) należy do wyjścia przetwornika podłączyć próbnik
sygnału.
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
Badania układu podstawowego
Badania układu symulacyjnego zaczynamy od dobrania parametrów symulacji. Program PSIM
umożliwia nastawianie parametrów wykorzystujące przedrostki SI. Przykładowe przedrostki wraz
z reprezentowaną przez nie wartością przedstawiono w Tabeli 1.
Tab. 1. Przedrostki SI z reprezentującymi przez nie wartościami
Przedrostek
M
k
m
u
Wartość
106
103
10-3
10-6
Nastawianie należy zacząć od parametrów symulacji. Początkowy krok symulacji należy nastawić
na sto mikrosekund (100u bądź 0.1m), a całkowity czas symulacji na trzy sekundy.
Po doborze odpowiednich parametrów symulacji należy zadać odpowiednie parametry
wykorzystanym elementom badanego układu. Wartości źródeł stałonapięciowego i stałoprądowego
dobieramy zgodnie z tabliczką znamionową silnika przedstawioną na Rysunku 3. Uzwojenie twornika
należy zasilić znamionowym napięciem twornika, a uzwojenie wzbudzenia znamionowym prądem
wzbudzenia (silnik o stałej wartości strumienia wzbudzenia).
Do zadań studenta należy wyznaczenie charakterystyki mechanicznej silnika prądu stałego. Jest to
charakterystyka prędkości mechanicznej w zależności od momentu obciążenia n(MOBC). W celu
wyznaczenia charakterystyki mechanicznej należy obliczyć moment znamionowy silnika, gdyż nie jest
on podany w parametrach maszyny prądu stałego. Moment należy wyliczyć przy założeniu, że moc
elektryczna pobierana ze źródła, przetwarzana jest na moc mechaniczną bez strat
mechanicznych, za to z uwzględnieniem strat elektrycznych w obwodzie twornika.
Moc znamionowa silnika (moc na wale maszyny) może zostać obliczona ze schematu zastępczego
silnika prądu stałego przedstawionego na Rysunku 7 oraz jego tabliczki znamionowej. Strat
w obwodzie wzbudzenia nie uwzględniamy, gdyż obwód wzbudzenia zasilany jest z osobnego źródła
prądowego. Przy stałym prądzie wzbudzenia maszynę można potraktować jako maszynę o stałym
strumieniu, czyli maszynę z magnesami trwałymi.
Rys. 7. Schemat zastępczy silnika prądu stałego
Posiadając znamionową moc maszyny na wale i znamionową prędkość mechaniczną należy obliczyć
znamionowy moment napędowy maszyny. Przy wszystkich obliczeniach należy pamiętać
o posługiwaniu się jednostkami układu SI!
Po określeniu znamionowego momentu napędowego silnika, zmieniamy parametr stałego momentu
siły na obliczoną wartość w bloku obciążenia mechanicznego.
Prawidłowo zasilony silnik (uzwojenie twornika znamionowym napięciem, a uzwojenie wzbudzenia
znamionowym prądem) obciążony momentem znamionowym powinien w stanie ustalonym osiągnąć
prędkość znamionową przy znamionowym prądzie w uzwojeniu twornika. Może pojawić się potrzeba
wydłużenia czasu symulacji! Wyniki symulacji należy przedstawić prowadzącemu do weryfikacji,
gdyż tylko na bazie dobrze skonstruowanego modelu, możliwe jest przeprowadzenie dalszej części
ćwiczenia.
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
Przy prawidłowo dobranych parametrach należy przystąpić do wyznaczenia charakterystyk
obciążenia. Dla określonych momentów obciążenia zanotować prędkość i narysować charakterystyki
mechaniczne przy:
a) znamionowym napięciu zasilania twornika (UtN);
b) zadanym przez prowadzącego napięciu zasilania twornika (Ut=Ut_ZAD).
Tabela i siatka z zaznaczonymi osiami znajdują się na końcu instrukcji ćwiczenia.
Wyświetlanie wyników symulacji
Do wyświetlania wyników badań symulacyjnych służy program Simview. Okno programu Simview
uruchamia się automatycznie po zakończeniu symulacji w programie PSIM (Rysunek 8). Jeśli
Program nie uruchamia się automatycznie należy w opcjach programu PSIM zaznaczyć „Auto-run
Simview”.
dodawanie
sygnałów do
przeglądania
sygnały
dostępne do
przeglądania
operacje
matematyczne
na sygnałach
sygnały
dodane do
przeglądania
usuwanie
sygnałów z
przeglądania
Rys. 8. Okno startowe programu Simview
Przebiegi pomiędzy okienkami można przemieszczać za pomocą dwukrotnego kliknięcia lub
zaznaczenia przebiegu i naciśnięcia odpowiednio przycisku „Add” dla dodawania lub „Remove” dla
usunięcia przebiegu z okna wyświetlania wyników. Aby przebiegi były czytelne również dla
prowadzącego zajęcia, należy ustawić białe tło dla przebiegów (zakładka Screen → Background
color) oraz czcionkę (zakładka Screen → Font) co najmniej 14 pkt w ustawieniach osi Properties.
Okno główne programu Simview przedstawiono na Rysunku 9. Nowy ekran należy zastosować w
przypadku wyświetlania przebiegów o znaczących różnicach w zakresie ich spodziewanej wartości.
Na przykład na Rysunku 9 wartość prądu twornika nie może być odczytana nawet w przybliżeniu,
gdyż skala jest dostosowana do wyświetlania prędkości obrotowej. Należ więc dodać nowe okno
wyświetlania dla prądu twornika. Po zapoznaniu się z wynikami symulacji okna programu Simview
nie należy zamykać, gdyż program automatycznie aktualizuje wyniki w przypadku kolejnych
symulacji.
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
odświeżenie
dodawanie/
powiększanie/
punktowe
przebiegów
skalowanie skalowanie
usuwanie
dodawanie zmniejszanie przemieszczanie pomiary
przeładowanie (powrót do
osi
osi
przebiegów do nowego
przebiegów
przebiegów
wartości
danych
widoku
poziomej
pionowej
aktywnego
ekranu
sygnałów
sygnałów
sygnałów
całego
ekranu
przebiegu)
podglądane
sygnały
Rys. 9. Okno główne programu Simview
Badania układ obniżającego napięcie
W celu uzyskania regulacji napięcia zasilającego obwód twornika można zastosować impulsowy układ
obniżający napięcie (tzw. step-down chopper, buck converter).
Zasada sterowania impulsowego polega na okresowym przyłączaniu i odłączaniu stałego napięcia
zasilającego układ obniżający (UZAS) do zacisków twornika silnika prądu stałego. Średnia wartość
Ut_AV napięcia ut na zaciskach silnika może być regulowana przez zmianę szerokości impulsów
prostokątnych przy stałej częstotliwości przełączeń fS (ang. switching frequency). Amplituda
impulsów zasilających silnik jest stała i równa napięciu zasilania UZAS przy pominięciu spadku
napięcia na układzie obniżającym (idealne elementy półprzewodnikowe).
Działanie układu obniżającego napięcie zilustrowano na Rysunku 10. Przedstawiony schemat
umożliwia w stanie poprawnej pracy jednokierunkowy przepływ prądu w obciążeniu, co w przypadku
silnika prądu stałego będzie się wiązało z jednym kierunkiem wirowania wirnika.
Tranzystor T jest okresowo włączany i wyłączany sygnałem bramkowym uG, przez co obwód
twornika jest zasilany napięciem o przebiegu podanym na Rysunku 10c lub 10d. Takie sterowanie
tranzystora powoduje, że można wyróżnić dwa podstawowe stany pracy układu. W czasie tON obwód
twornika jest przyłączony do napięcia zasilania UZAS (prąd zamyka się w oczku oznaczonym kolorem
czerwonym- Rysunek 10a), natomiast w czasie tOFF twornik jest odłączony od napięcia zasilania i
zwarty przez diodę rozładowczą D. Ze względu na indukcyjność uzwojeń, prąd twornika nie zanika
skokowo wraz z odłączeniem napięcia zasilania, ale zamyka się w oczku oznaczonym kolorem
czerwonym - Rysunek 10b – aż do wygaśnięcia. Jeśli przed wygaśnięciem prądu ponownie zostanie
załączony tranzystor i do twornika dołączone zasilanie, prąd twornika zacznie znów narastać.
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
a)
ia
T
b)
ia
ia
uG=tOFF ia
uG=tON
UZAS
T
D
M
ut
UZAS
D
ut
M
c) τ = 0,4
ut
UZAS
Ut_AV
0
t
tOFF
tOFF
tON
tON
tOFF
tON
tOFF
tON
uG
1
0
t
τ TS
TS
d) τ = 0,6
ut
UZAS
Ut_AV
0
t
tOFF
tON
tOFF
tON
tOFF
tON
tOFF
tON
uG
1
0
t
τ TS
TS
Rys. 10. Układ obniżający napięcie- działanie; a) tranzystor T włączony; b) tranzystor T wyłączony; c) przebieg
napięcia ut i sygnału sterującego bramką tranzystora uG dla współczynnika wypełniania τ=0,4 oraz d) przebiegi z
punktu (c) dla współczynnika wypełnienia τ=0,6.
Współczynnik wypełnienia jest definiowany jako:
߬=
‫ݐ‬ைே
‫ݐ‬ைே
=
‫ݐ‬ைே + ‫ݐ‬ைிி
ܶௌ
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
Z definicji wynika więc, że wartość τ jest ograniczona:
0<߬<1
A co za tym idzie średnie napięcie twornika zmienia się w zakresie:
0 < ܷ௧_஺௏ < ܷ௓஺ௌ
W ćwiczeniu realizacja układu obniżającego powinna wyglądać jak przedstawia to Rysunek 11.
Rys. 11. Schemat układu obniżającego do zasilania silnika DC
Wszystkie elementy układu obniżającego napięcie znajdują się na pasku elementów najczęściej
używanych. Tranzystor mocy (IGBT) oraz dioda rozładowcza ćwiczeniu zostaną potraktowane jako
idealne. Symbol wraz z parametrami tranzystora mocy oraz diody przedstawiono odpowiednio na
Rysunku 12 i 13.
Rys. 12. Symbol graficzny wraz z parametrami tranzystora mocy IGBT w programie PSIM
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
katoda
anoda
nazwa
napięcie przewodzenia diody
rezystancja diody
stan początkowy
wyświetlanie prądu diody
Rys. 13. Symbol graficzny wraz z parametrami diody w programie PSIM
Do sterowania bramką tranzystora wykorzystano źródło fali prostokątnej o regulowanym wypełnieniu,
którego symbol i parametry przedstawiono na Rysunku 14.
Rys. 14. Symbol graficzny wraz z parametrami źródła fali prostokątnej w programie PSIM
Dodatkowo wymagane jest zastosowanie sterownika tranzystorowego, pełniącego funkcję bufora
umożliwiającego dopasowanie sygnału sterującego do sygnału wyzwalającego pracę tranzystora
(Rysunek 11).
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 sygnału sterującego bramką tranzystora uG.
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego
a) Ut=UtN
MOBC
n
b) Ut=Ut_ZAD
MOBC
n
MN
MN
Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego