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