Modelowanie układów energoelektronicznych w środowisku MATLAB-SIMULINK

Transkrypt

1 Modelowanie układów energoelektronicznych w środowisku MATLAB-SIMULINK Tomasz Bajdecki Instytut Energetyki Oddział Gdańsk Zakład OGC IEn Gdańsk 2011 Gdańsk r.

2 Program prezentacji Mały wstęp teoretyczny Zasada działania simulinka Cechy charakterystyczne układów energoelektronicznych Kilka słów o simulinku Przykłady symulacji w simulinku kilku układów Aktualnie prowadzone prace Wyniki eksperymentalne 2

3 Cel symulacji 1: Chcemy się czegoś dowiedzieć na temat istniejącego systemu lub układu, jak układ będzie się zachowywał w róŝnych stanach pracy ANALIZA 2: Konstruujemy jakiś układ i chcemy sprawdzić jak układ będzie działał i czy spełni załoŝenia projektowe SYNTEZA 3

4 Metoda opisu układów na potrzeby symulacji Na potrzeby symulacji nieformalny opis układu musi zostać sprowadzony do układu równań róŝniczkowych pierwszego rzędu ODE: x =f(x,u,t) y=g(x,u,t) DAE: x =f 1 (x,u,t) x=f 2 (x,u,t) y=g(x,u,t) 4

5 Rozwiązywanie równań Dla układów równań róŝniczkowych zwyczajnych pierwszego rzędu istnieją efektywne metody ich rozwiązywania Np. metoda Eulera: x t+ t x t + t f ( x t, t) Układy równań róŝniczkowo algebraicznych stanowią problem. Odpowiednie metody istnieją dla szczególnych przypadków. 5

6 Metoda RK4 3 6

7 gdzie: Sztywność układu równań ODE Stifness = T T max min T max największa stała czasowa w układzie T min najmniejsza stała czasowa w układzie JeŜeli sztywność jest rzędu 10 6 to układ jest bardzo sztywny JeŜeli sztywność jest rzędu 10 to układ jest mało sztywny 7

8 Jak działa simulink Od strony techniki symulacji, Simulink działa na bazie opisu modeli równaniami stanu, ciągłymi lub dyskretnymi Graficzne bloczki modelujące elementy dynamiczne, na poziomie kodu wykonywalnego zawierają takie właśnie opisy Simulink przed rozpoczęciem symulacji tworzy na podstawie opisu graficznego ( rysunku ) zawierającego dostępne bloczki równania stanu, których w trakcie symulacji nie modyfikuje 8

9 Układ energoelektroniczny Źródło energii Przekształtnik energoelektroniczny Odbiornik pomiary Układ sterowania 9

10 Stałe czasowe występujące w układzie energoelektronicznym Odbiornik - zazwyczaj jakaś maszyna elektryczna Stałe czasowe rzędu sekund do minut Układ energoelektroniczny tyrystory lub tranzystory szybki czas załączania i wyłączania Stałe czasowe maksymalnie rzędu mikrosekund Współczynnik sztywności: MoŜe wynosić lub nawet więcej! 10

11 Simulink 11

12 Simulink 12

13 Simulink 13

14 Podstawowe bloki simulinka 14

15 Bloki układów energoelektronicznych 15

16 Przykład-prostownik tyrystorowy 16

17 Układ wyzwalania 17

18 Blok prostownika tyrystorowego 18

19 Układ odtwarzania częstotliwości i fazy (1 fazowy) 19

20 Model w simulinku 20

21 Wyniki symulacji 21

22 Układ trójfazowego sterownika prostownika tyrystorowego w oparciu o SRF-PLL 22

23 Układ wyzwalania tyrystorów w oparciu o połoŝenie wektora u s 23

24 Wyniki symulacji prostownika 6T 24

25 Wyniki symulacji prostownika 6T 25

26 Mały problem... 26

27 Podsumowanie kłopotów Układy energoelektroniczne opisane są układami równań róŝniczkowych sztywnych Modele elementów lub obiektów dostępnych w simulinku nie zawsze są odpowiednie Simulink nie oferuje sposobu na poradzenie sobie z problemem sztywności układu Nie jest moŝliwa symulacja układu w którym występuje tzw. pętla algebraiczna równania są wtedy typu DAE 27

28 JeŜeli nie simulink to... 28

29 AGH PSPICE PW SABER PG PSIM, T CAD AM PSIM, T CAD Jak to robią inni 29

30 Aktualne prace Regulator prądu wzbudzenia z cyfrowym układem wyzwalania tyrystorów. Układ trójfazowy (6T) oraz jednofazowy (4T) Sterownik lokalny z cyfrowym układem wyzwalania tyrystorów. Układ trójfazowy (6T) Algorytm precyzyjnego pomiaru częstotliwości i odtwarzania połoŝenia wału generatora synchronicznego Układ rozruchu bezczujnikowego generatora synchronicznego 30

31 Układ bezczujnikowego rozruchu generatora synchronicznego 31

32 Układ sterujący 32

33 Wyniki badań pętli synchronizacji fazy f = 50 Hz U=2,5% Un f = 10,5 Hz U=30 V THD=500 i

34 Odtwarzanie połoŝenia napięcia stojana maszyny synchronicznej f = 1 Hz f = 0,5 Hz 34

35 f początkowa = 0,5 Hz f początkowa = 1 Hz 35

36 f = 2,5 Hz f = 4 Hz 36

37 Opracowanie: Tomasz Bajdecki tel ; 37