Правила подготовки моделей

Лузгин, В.И.

Ф53 Виртуальный лабораторный практикум по курсу «Преобразовательная техника» : методическое пособие / В.И. Лузгин, С.Ю. Кропотухин, А.С. Коптяков – Екатеринбург : УрФУ, 2016. – 91 с.

В пособии в краткой форме изложены теоретические вопросы полупро- водниковых силовых преобразователей энергии, где выделены важнейшие положения и схемная реализация устройств. Приведено описание пакетов MatLab-Simulink, пакетов расширения Power System Processing, Signal Processing Toolbox; даны способы построения моделей. Пособие подготовле- но на кафедре электроснабжение промышленных предприятий, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов специальностей 140211 «Электроснабжение промышленных предприятий» и 140205 «Элек- трические системы и сети» Института дистанционного образования.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время произошли качественные изменения в области си- ловых преобразователей, связанные с расширением выбора типа силового элемента. Поэтому при преподавании силовых преобразователей электро- энергии в высшей школе приходится менять содержание учебных планов, рабочих программ, учебно-методической литературы. Появившиеся MOSFET и IGBT технологии изготовления мощных, быстродействующих транзисторов вытесняют гамму тиристорных устройств. Возможность коммутации токов до 1800А и напряжений до 4,5 кВт делает применение транзисторов, в каче- стве силовых ключей, наиболее привлекательным.

Виртуальный лабораторный практикум «Силовые преобразователи электроэнергии» включает в себя исследование практически всего спектра преобразователей, как на основе традиционных силовых ключей (тиристо- ров), так и с применением IGBT транзисторов. Возможность получения на- грузочных, регулировочных, энергетических характеристик преобразовате- лей при помощи виртуального лабораторного практикума решает проблемы экономического плана (IGBT модули очень дорогие), однако не замещает ла- бораторных исследований на физических стендах, а дополняет его.

Данный виртуальный лабораторный практикум охватывает основные разделы дисциплин «Силовые преобразователи в электроснабжении» и «Си- ловые преобразователи в электроэнергетике», для студентов специальностей 140211 «Электроснабжение промышленных предприятий» и 140205 «Элек- трические системы и сети» Института дистанционного образования ТПУ.

Лабораторные работы подготовлены на основе соответствующих работ, приведенных в [1]. Они были подвергнуты редактированию, заключающему- ся в уменьшении объема и исправлении обнаруженных ошибок. В них были заменены некоторые данные для выполняемых заданий.

При работе над виртуальным лабораторным практикумом автор ориен- тировался на учебник по дисциплине «Силовые преобразователи в электро- снабжении» [2].

Данный лабораторный практикум способствует закреплению основных разделов программы соответствующих курсов. Большинство разделов прак- тикума имеет лишь краткие теоретические вступления, поэтому для подго- товки к занятиям студентам необходимо изучить соответствующие парагра- фы учебников.

Литература

1 Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК.- СПб.: Учитель и ученик, Корона принт, 2002. – 304с.

2 Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Силовые преобразователи в электроснаб- жении/ Учебное пособие./ Том. политехн. ун-т. - Томск, 2003 –130 с.

1 MatLab МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

1.1 Виртуальные пакеты Simulink и Power System Blockset

Название системы MatLab происходит от словосочетания Matrix Labora- tory, она ориентирована в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). В состав расширенных версий системы MatLab входит пакет моделирования динамических систем – Simulink. Библиотека Simulink представляет собой набор визуальных объектов, используя которые можно исследовать практически любую энергетическую систему.

Рис.1.1.1

После запуска MatLab и нажатия кнопки New Simulink Model в панели

инструментов (перед кнопкой ?), открывается окно основной палитры ком- понентов пакета Simulink рис.1.1.1. Как видно из рис. 1.1.1 в состав библио- теки графических элементов входят следующие наборы:

·Sources – открытие окна с перечнем источников сигналов и воздейст-

вий;

·Sinks – открытие окна с перечнем регистрирующих компонентов;

·Continuous – открытие окна с перечнем линейных элементов;

·Discrete – открытие окна с перечнем дискретных компонентов;

·Math – открытие окна с перечнем математических компонентов;

·Nonlinear – открытие окна с перечнем нелинейных компонентов;

·Connections – открытие окна с перечнем подключающих компонентов;

·Signals & Systems – открытие окна с перечнем сигнальных и системных

компонентов;

·Subsystems – открытие окна с перечнем подсистем;

·Functions & Tables – открытие окна с перечнем функций и табличных компонентов.

С каждым графическим элементом связана панель настроек. Для откры-

тия этого окна, достаточно выполнить двойной щелчок на изображении нуж- ного элемента. Естественно, что таких окон множество, как и самих графиче- ских элементов. Тем не менее пользователей, имеющих хотя бы начальные представления об имитационном моделировании систем, установка парамет-

Рис.1.1.2

ров графических элементов не вызывает трудностей, так как они очевидны.

Дополнительные пакеты прикладных программ охватывают практически весь спектр проблем проектирования энергетических систем. Наиболее важ- ным для исследования силовых преобразователей электроэнергии является пакет Power System Blockset. Содержащаяся в его составе библиотека Power- lib2 представлена на рис.1.1.2. В нее включены:

·Electrical Sources – управляемые и неуправляемые источники постоян- ного и переменного тока и напряжения;

·Elements – последовательные и параллельные пассивные элементы, ко- торые могут быть заданы в параметрах этих элементов, а могут быть заданы значениями активной или реактивной мощностей. Также представлены ли- нейный и насыщающийся трансформаторы, блок взаимной индуктивности, ограничитель пиковых напряжений, управляемый выключатель и линии с со- средоточенными и распределенными параметрами;

·Power Electronics – библиотека компонентов силовой электроники. Со- держит семь типов одиночных силовых элементов и модели различных по- лупроводниковых преобразователей представленных одним универсальным блоком Universal Bridge. Все модели имеют имитацию гасящей выбросы на- пряжения последовательной цепи RC , которая подключается к силовым вы- водам моделей;

·Connectors – подключающие устройства. Элементы связи между вхо- дами и выходами моделей библиотеки Power System Blockset;

·Machines – электрические машины;

·Measurements – измерительные и контрольные устройства. Предназна-

чены для измерения тока и напряжения, а также для соединения измеритель- ных блоков библиотеки Simulink с блоками библиотеки Power System Blockset;

·Powerlib Extras – специальные энергетические устройства. Укажем только те устройства, которые необходимы при выполнении данной работы: блок разложения несинусоидального периодического сигнала на гармониче- ские составляющие (Fourier); блок измерения действующего значения неси- нусоидального периодического напряжения или тока (RMS); блок управления трехфазным мостовым управляемым выпрямителем (Synchronized 6-Pulse Generator); трехфазный источник с нейтралью (Inductive source with neutral).

Правила подготовки моделей

Правила подготовки моделей при использовании пакета Power System Blockset ничем не отличаются от тех, которые применяются в пакете Simulink.

1. Вначале готовится модель энергетического устройства. Для этого в окно модели Simulink переносятся модели необходимых компонентов с ис- пользованием метода Drag and Drop (нажми и тяни).

2. После этого производится соединение компонентов с помощью соединительных элементов, входящих в пакеты Simulink и Power System Blockset. Подключаются визуальные и регистрирующие приборы. Сигналы в модели передаются по линиям. Чтобы соединить выходной порт одного ком- понента с входным портом другого, нужно выполнить следующие действия:

·установить указатель мыши на выходной порт первого блока;

·нажать левую клавишу мыши и, удерживая ее в этом положении, пере- двинуть указатель к входному порту второго компонента;

·отпустить кнопку мыши.

Линия может разветвляться и соединять выходной порт одного компо- нента с входными портами нескольких компонентов. Чтобы образовать от- ветвление от существующей линии, необходимо выполнить следующие дей- ствия:

·установить курсор в точку ответвления;

·нажать правую кнопку мыши, удерживать ее нажатой;

·провести линию к входному порту нужного компонента.

Для наглядности и удобства линии можно снабдить метками, указы- вающими, какие сигналы по ним проходят. Чтобы создать метку сигналов, нужно дважды щелкнуть на сегменте линии и затем ввести текст метки.

3. При необходимости с помощью окон задания параметров задают- ся параметры моделей компонентов. С помощью команды Simulation Parame- ters можно задать также параметры моделирования.

4. По завершении подготовки модели она запускается на исполне- ние с помощью кнопки с треугольником в панели инструментов окна модели Simulink.

Если модель слишком сложная и имеет большие размеры, ее можно уп- ростить, группируя компоненты в подсистемы. Для этого необходимо:

·скопировать компонент Subsystem в окно модели, перетянув его из раз- дела Signals & Systems;

·открыть окно блока Subsystems, дважды щелкнув на его изображении;

·в пустом окне модели создать подсистему, используя компоненты In и

Out для создания входов и выходов подсистемы.

1.3 Пакет Signal Processing Toolbox (SPTool)

Пакет расширения SPTool устанавливается совместно с системой Mat- Lab 6. Процедура SPTool активизирует графическую интерактивную оболоч- ку пакета расширения Signal Processing Toolbox, включающую:

·средства поиска и просмотра сигналов – Signal Browser;

·проектировщик фильтров – Filter Designer;

·средство просмотра характеристик фильтра Filter Viewer;

·средство просмотра спектра – Spectrum Viewer.

Оболочка активизируется путем ввода в командной строке MatLab ко- манды sptool. В результате на экране появляется окно рис.1.3.1.

Рис.1.3.1

Как видим, окно SPTool состоит из трех областей, под каждой из кото-

рых имеются кнопки, указывающие на то, что можно сделать с объектами, расположенными в этих областях. При первом обращении в заголовке окна все три области – пустые (присутствуют только демонстрационные материа- лы).

Чтобы обрабатывать сигналы модели с помощью SPTool, прежде всего необходимо сформировать эти сигналы с помощью компонента To Workspace, а затем импортировать полученные векторы значений этих сигна- лов в среду SPTool.

Для импорта вектора в среду SPTool необходимо в меню File выбрать команду Import. После этого откроется окно Import to SPTool рис.1.3.2. В об-

ласти Source этого окна выбран переключатель From Workspace. Поэтому все имена переменных рабочего пространства представлены во второй области - Workspace Contents. Выбрав при помощи мыши необходимую переменную, следует нажать кнопку со стрелкой, указывающей на поле ввода Data. После этого в поле ввода данных появится имя выбранной переменной.

Рис.1.3.2

Затем в поле Sampling frequency (частота дискретизации) нужно ввести

желаемое значение частоты дискретизации. Значение этого параметра следу- ет задавать равным обратной величине шага моделирования.

В поле ввода Name необходимо указать имя, под которым введенный вектор будет записан в среде SPTool.

После этого следует нажать кнопку OK, и импорт сигнала в среду будет произведен. Окно Import to SPTool исчезнет, а окно SPTool изменит свой вид.

В области Signals появится запись имени вектора сигнала, и кнопка View под этой областью станет доступной, это означает, что можно просмотреть исследуемый сигнал. Кроме того, станет доступной кнопка Create под обла- стью Spectra. Это означает, что можно находить спектральные характеристи- ки импортированного сигнала.

После импорта сигнала можно воспользоваться средствами его про- смотра. Для этого достаточно выделить в области Signals нужные сигналы и нажать кнопку View под областью. В результате должно появиться окно Sig- nal Browser.

Для оценки спектральных свойств необходимо в области сигналов окна SPTool отметить сигнал, оценку спектральной плотности которого вы хотите получить, и нажать кнопку Create в нижней части окна Spectra. После этого на экране появится окно Spectrum Viewer. В левой части окна располагается область, элементы которой позволяют:

·выбрать метод спектральной характеристики сигнала (рекомендуется выбрать метод быстрого преобразования Фурье FFT);

·установить количество обрабатываемых точек сигнала (значение этого параметра следует задавать равным обратной величине шага моделирования). Для проведения вычислений после выбора метода следует нажать кноп-

ку Apply, выбрать линейный масштаб осей и выделить необходимый диапа- зон частот. Тогда окно Spectrum Viewer примет вид как на рис.1.3.3.

Рис.1.3.3

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Цель работы: Исследование внешней и энергетических характеристик однофазного двухполупериодного выпрямителя при работе на активно- индуктивную нагрузку с обратным диодом без учета коммутации.