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 pionowe odbicie lustrzane elementu poziome odbicie lustrzane elementu łączenie elementów START symulacji uruchomienie Simview przetwornik prądu silnik obcowzbudny przetwornik prędkości blok parametrów symulacji źródło stałonapięciowe źródło stałoprądowe próbnik sygnału obciążenie mechaniczne o stałym momencie siły najczęściej używane elementy Rys. 1. Okno główne programu symulacyjnego PSIM wraz z podstawowym układem badań
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
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.
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 Wartość M 10 6 k 10 3 m 10-3 u 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(m OBC ). 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.
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 (U tn ); b) zadanym przez prowadzącego napięciu zasilania twornika (U t =U t_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 sygnały dodane do przeglądania operacje matematyczne na sygnałach 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.
przeładowanie danych odświeżenie przebiegów (powrót do widoku całego przebiegu) skalowanie osi poziomej skalowanie osi pionowej dodawanie/ usuwanie przebiegów do aktywnego ekranu dodawanie nowego ekranu powiększanie/ zmniejszanie przebiegów sygnałów przemieszczanie przebiegów sygnałów punktowe pomiary wartości sygnałów 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 (U ZAS ) do zacisków twornika silnika prądu stałego. Średnia wartość U t_av napięcia u t na zaciskach silnika może być regulowana przez zmianę szerokości impulsów prostokątnych przy stałej częstotliwości przełączeń f S (ang. switching frequency). Amplituda impulsów zasilających silnik jest stała i równa napięciu zasilania U ZAS 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 u G, 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 obwód twornika jest przyłączony do napięcia zasilania U ZAS (prąd zamyka się w oczku oznaczonym kolorem czerwonym- Rysunek 10a), natomiast w czasie 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.
a) b) i a T i a T i a u G = u G = i a U ZAS D M u t U ZAS D u t M c) τ = 0,4 u t U ZAS U t_av 0 t u G 1 0 τ T S t u t U ZAS U t_av T S d) τ = 0,6 0 t u G 1 0 τ T S t T S Rys. 10. Układ obniżający napięcie- działanie; a) tranzystor T włączony; b) tranzystor T wyłączony; c) przebieg napięcia u t i sygnału sterującego bramką tranzystora u G dla współczynnika wypełniania τ=0,4 oraz d) przebiegi z punktu (c) dla współczynnika wypełnienia τ=0,6. Współczynnik wypełnienia jest definiowany jako: = + =
Z definicji wynika więc, że wartość τ jest ograniczona: 0< <1 A co za tym idzie średnie napięcie twornika zmienia się w zakresie: 0< _ < 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
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 u G.
a) U t =U tn M OBC n M OBC n b) U t =U t_zad M N M N