Моделирование электромеханических систем

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Diode (Диод)

Описание:

Моделирует полупроводниковый силовой диод. Модель диода состоит из последовательно включенных резистора Ron, индуктивности Lon, источника постоянного напряжения Vf и ключа SW. Блок логики управляет работой ключа. При положительном напряжении на диоде (Vak - Vf) происходит замыкание ключа и через прибор начинает протекать ток. Размыкание ключа (выключение диода) выполняется при снижении тока Iak, протекающего через диод, до нуля.

Рис. 11 Структурная схема диода и статическая вольтамперная характеристика модели диода

В модели параллельно самому диоду включена последовательная RCцепь, выполняющая демпфирующие функции.

Параметры:

Resistance Ron (Ohm)	Cопротивление во включенном состоянии (Ом)
Inductance Lon (H)	Индуктивность во включенном состоянии (Гн)
Forward voltage Uf (V)	Падение напряжения в прямом направлении (В)
Initial current Ic (A)	Начальное значение тока (А)
Snubber resistance Rs (Ohm)	Cопротивление демпфирующей цепи (Ом)
Snubber capacitance Cs (F)	Емкость демпфирующей цепи (Ф)

На выходном порту блока, обозначенном m, формируется векторный S- сигнал из двух элементов:

1. анодный ток тиристора,

31

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

2. напряжение анод-катод тиристора.

AC Voltage Source (Источник переменного напряжения)

Описание:

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

где А – амплитуда напряжения источника; f – частота; φ – начальная фаза напряжения.

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

Параметры:

Реак Amplitude (В)

Phase (deg)

Frequency (Hz)

Sample time

Measurments

Амплитуда выходного напряжения источника (В)

Начальная фаза (0)

Частота источника (Гц)

Параметр задает шаг дискретизации по времени выходного тока источника при создании дискретных моделей

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 напряжения, т.е. его собственное сопротивление равно нулю.

32

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Series RLC Branch (Последовательная RLC-цепь)

Описание:

Моделирует последовательное включение резистора, индуктивности и конденсатора.

Параметры:

Resistance R (Ohms)	Сопротивление (Ом). Величина активного сопротивления.
	Для исключения резистора из цепи значение сопротивления
	нужно задать равным нулю. В этом случае на пиктограмме
	блока резистор отображаться не будет.
Inductance L (H)	Индуктивность (Гн). Величина индуктивности. Для
	исключения индуктивности из цепи ее величину нужно
	задать равным нулю. В этом случае на пиктограмме блока
	индуктивность отображаться не будет.
Capacitance C (F)	Емкость (Ф). Величина емкости. Для исключения
	конденсатора из цепи значение емкости нужно задать
	равной inf (бесконечность). В этом случае конденсатор на
	пиктограмме блока показан не будет.
Measurements	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,
	Branch voltage Voltage - напряжение на зажимах цепи,
		Branch current - ток цепи,
	Branch voltage and current - напряжение и ток цепи.
	Отображаемым сигналам в блоке Multimeter
		присваиваются метки:
		Ib - ток цепи,
		Ub - напряжение цепи.

33

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Практические задания:

Задание 1

Собрать схему трёхфазного мостового выпрямителя по схеме Ларионова с источником питания, нагрузкой и регистрирующими приборами. Исследовать работу схемы.

Виды нагрузки:

активная,

активно-реактивная.

Показания:

фазное напряжение каждой фазы и на нагрузке (на одном поле осциллографа)

тока на нагрузке

Исходные данные для модели:

Амплитуда фазового напряжения источника		380	В
	Частота питания источника	50	Гц
	Сопротивление нагрузки	10	Ом
	Индуктивность нагрузки	0.1	Гн

Рис. 12 Модель трёхфазного выпрямителя

34

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

DC/AC-преобразователи

Инвертор - устройство для преобразования постоянного тока в переменный ток с изменением величины напряжения или без. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде.

Существуют три режима работы инвертора:

1.Режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора.

2.Режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течение нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,2-1,5 раза больше номинальной.

3.Режим пусковой. В данном режиме инвертор способен отдавать повышенную мощность в течение нескольких миллисекунд, для обеспечения запуска электродвигателей и ёмкостных нагрузок.

Трёхфазные инверторы

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например для питания трёхфазного асинхронного двигателя. При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора.

Высокомощные трёхфазные инверторы применяются в тяговых преобразователях в электроприводе дизельэлектровозов (тепловозов), дизельэлектроходов (теплоходов), троллейбусов, трамваев, прокатных станов, буровых вышек, в индукторах (установки индукционного нагрева).

Система управления

Рис. 13 Трёхфазный мостовой инвертор

35

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Для получения различных форм выходного напряжения используются различные виды коммутации. В данной лабораторной работе будут исследованы 180, 150 и 120-градусная коммутации.

Рис. 14 180 градусная коммутация (а) и 120 градусная коммутация (б)

IGBT (Биполярный IGBT транзистор)

Описание:

Моделирует биполярный транзистор с изолированным затвором. Модель IGBT транзистора состоит из последовательно включенных

резистора Ron, индуктивности Lon, источника постоянного напряжения Vf и ключа SW. Блок логики управляет работой ключа. Включение прибора происходит в случае, если напряжение коллектор-эмиттер положительно и больше, чем Vf и на затвор транзистора подан положительный сигнал (g > 0). Выключение прибора происходит при уменьшении сигнала на затворе до нуля (g = 0). При отрицательном напряжении коллектор-эмиттер транзистор находится в выключенном состоянии.

36

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Рис. 15 Структурная схема IGBT транзистора и статические вольт-амперные характеристики модели IGBT транзистора для включенного и выключенного состояний

Вмодели параллельно самому прибору включена последовательная RCцепь, выполняющая демпфирующие функции.

Вмодели учитывается также конечное время выключения транзистора. Процесс выключения разбит на два участкаи характеризуется, соответственно, временем спада (Tf), при котором ток коллектор-эмиттер уменьшается до 0.1 от тока в момент выключения (Imax) и временем затягивания (Tt), при котором ток уменьшается до нуля.

Рис. 16 Процесс выключения IGBT транзистора

Параметры:

Resistance Ron (Ohm)	Cопротивление во включенном состоянии (Ом)
Inductance Lon (H)	Индуктивность во включенном состоянии (Гн)
Forward voltage Vf (V)	Падение напряжения в прямом направлени (В)
Current 10% fall time Tf (s)	Время спада тока до уровня 0.1 от тока в момент
	37

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ		Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
		выключения (с)
	Current tail time Tt (s)	Время затягивания (с) Время, за которое ток
		уменьшится до нуля от уровня 0.1 тока в момент
		выключения.
	Initial current Ic (A)	Начальное значение тока (А) При значении
		параметра равном нулю моделирование начинается
		при закрытом состоянии прибора. Если параметр
		задан положительным значением, то
		моделирование будет начато при открытом
		состоянии прибора.
	Snubber resistance Rs (Ohm)	Cопротивление демпфирующей цепи (Ом)
	Snubber capacitance Cs (F)	Емкость демпфирующей цепи (Ф)

На выходном порту блока обозначенном m, формируется векторный Simulink-сигнал из двух элементов. Первый элемент - ток коллектор-эмиттер транзистора, второй - напряжение коллектор-эмиттер транзистора.

Практические задания:

Задание 2

Собрать схему управления ключами мостового инвертора. Реализовать управляющие сигналы для 1800, 1200 и 1500 коммутации. В качестве источника периодических управляющих сигналов рекомендуется взять набор элементов Pulse Generator.

Показания:

управляющие сигналы (в одном осциллографе, на разных полях)

Исходные данные для модели:

	Амплитуда сигнала	1
	Частота сигнала	50	Гц

38

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Рис. 17 Модель системы управления трёхфазным инвертором

Задание 3

Собрать схему трехфазного мостового инвертора с источником питания, нагрузкой и регистрирующими приборами. Исследовать работу схемы при 1800, 1200 и 1500 коммутации.

Вид нагрузки:

активно-реактивная.

Показания:

напряжение на каждой нагрузке и источника питания (на одном поле осциллографа)

тока на каждой нагрузке (на одном поле осцилографа)

напряжения и тока на каждой нагрузке (в одном осциллографе на разных полях) (напряжение на 1 нагрузке, ток на 1 нагрузке, напряжение на 2 нагрузке, ток на 2 нагрузке, напряжение на 3 нагрузке, ток на 3 нагрузке)

Исходные данные для модели:

Амплитуда напряжения источника питания		380	В
	Частота питания источника	50	Гц
	Сопротивление нагрузки	10	Ом
	Индуктивность нагрузки	0.1	Гн

39

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Рис. 18 Модель трёхфазного инвертора напряжения

Контрольные вопросы:

1.Принцип работы выпрямителя, основные характеристики, область применения.

2.Что такое фильтр? Для чего используются фильтры в схемах выпрямителя?

3.Принцип работы инвертора, основные характеристики, область применения.

4.Для чего используется различная коммутация?

5.Отличия 1800, 1200 и 1500 коммутации.

40