Modelarea Si Simularea Sistemelor Electromecanice cu Ajutorul Soft Ului Psim

Capitolul 6. Modelarea și simularea sistemelor electromecanice cu ajutorul soft-ului PSIM

PSIM este un software de simulare special realizat pentru electronică de putere și acționările electrice ale sistemelor electromecanice. Având o interfață prietenoasă și realizând o simulare rapidă, PSIM-ul mai oferă și un puternic mediu de simulare a electronicii de putere, controlului analog si digital , magnetismul și sistemelor de actionare cu motoare electrice a sistemelor electromecanice.

Acest soft are mai multe module :

Modulul Motor Drive conține modele de mașini electrice și modele mecanice de încărcare pentru studierea sistemelor electromecanice.

Modulul Digital Control oferă elemente de control digital, cum ar fi blocuri funcționale, elemente logice, regulatoare, filtre digitale, .

Modulul SimCoupler oferă interfață între PSIM și Matlab/Simulink pentru co-simulare.

Modulul Thermal oferă capacitatea de a calcula pierderile în dispozitivelor semiconductoare.

Modulul MagCoupler oferă interfață între PSIM și software de analiză electromagnetică JMAG pentru co-simulare.

Modulul MagCoupler-RT este modulul legăturii între PSIM cu JMAG-RT ( regim tranzitoriu) fișiere de date.

Figura 30.

Mediu de simulare PSIM constă din:

PSIM Schematic -programul schematic de circuit,

PSIM Simulator – simulator de motor,

program de procesare a formei de undă SIMVIEW

Procesul este ilustrat după cum urmează:

Un circuit este reprezentat în PSIM în patru blocuri: circuit de putere, circuit de control, senzori, și controlere de comutare. Figura de mai jos prezintă relația dintre aceste blocuri:

Circuitul de putere este format din dispozitive de comutație, elemente de circuit RLC, transformatoare, si bobine cuplate magnetic, mașini electrice .Senzorii sunt folositi pentru a măsurara mărimile electrice din circuit și pentru a le transmite la circuitul de control. Semnalele amplificate sunt apoi generate de circuitul de control și trimise înapoi in circuitul de putere prin intermediul operatorilor de comutare .

6.1. Elementele cu ajutorul cărora se pot realiza simulări in PSIM

Un invertor (MOSFET) se compune dintr-un tranzistor în antiparalel cu o diodă. Curentul care este afișat este curentul prin întreg modulul de comutare (tranzistor plus diodă). Este pornita atunci cand calea de acces este larg deschisa, iar drenarea de la sursa este pozitiva. Este oprita atunci cand calea de acces este mica sau atunci cand curentul are valoarea 0.

Nodul poartă MOSFET poate fi conectat la un bloc comutator de suprimare a fasciculului sau la ieșirea unui singur comutator. Nu poate fi conectat la orice alte elemente. În schema podului rulant s-au folosit 6 astfel de invertoare.

Elementul de ridicare

Cuplul mecanic constant are următoarea expresie: T load=Tc, unde Tc este constanta. Loturie tipice includ benzi transportoare cu încărcare fixă, extrudere, dispozitive de încărcare și ascensoare. Acest tip de cuplu constant este diferit de cuplul rezistiv constant ce este definit de capacitatea generală. Cuplul constant are întotdeauna o singură direcție, indiferent de viteză, pe când cuplul general își schimbă direcția odată cu direcția rotației.

Cuplul mecanic constant depinde de poziția relativă a lui în comparație cu mașina. Dacă aceasta este de-a lungul direcției de referință a sistemului mecanic, aceasta se notează cu Tc, iar dacă nu este așa se notează cu –Tc.

Comparator

Ieșirea unui comparator este ridicată (are valoarea 1) atunci când intrarea neinversată este mai mare decât intrarea inversată. Când intrarea pozitivă este mai mică, ieșirea este 0. În cazul în care 2 mărimi de intrare sunt egale, ieșirea este nedefinită și va păstra valoarea anterioară.

Mașina de inducție cu 3 faze

Mașina de inducție trifazată este cea mai utilitată în acționările electrice de puteri medii și mari, în regim de motor. Dacă bobinajului statoric va fi alimentat cu un sistem trifazat de tensiuni se va creea un sistem de curenți ce vor da naștere la un câmp magnetic învârtitor, care va produce în conductoarele din rotor o tensiune electromotoare. În circuitul închis din rotor se vor produce curenți ce vor da naștere unui câmp magnetic ce vor avea același sens cu cel al câmpului statoric. Interacțiunea dintre cele două câmpuri va pune în mișcare rotorul în același sens cu al câmpului magnetic învârtitor. Motorul poartă denumirea de asincron pentru că are o turație a rotorului întotdeauna mai mică (pentru regimul de motor) decât cea a câmpului magnetic învârtitor, care mai poartă numele și de turație de sincronism.

Senzorul de cuplu măsoară cuplul transferat dintr-o parte a senzorului de cuplu în cealalta parte.

Senzorul de viteză măsoară viteza unui mecanism electric. Viteza acestui sentor este în rotații / minut.

Sursa de tensiune de curent continuu este folosită pentru alimentarea circuitului electric prin furnizarea de energie electrică de curent continuu.

Element de separație

Are rolul de a inversa semnalul logic de intrare

Element comparator

Comutatorul on-off face legătura între circuitul de comandă și circuitul de alimentare. Intrarea este un semnal logic (0 sau 1) provenit de la circuitul de control. Ieșirea este conectată la baza nodului unui comutator(sau comutatoare multiple) pentru a controla comutatorul. Semnalul 1 înseamnă pentru comutator poziția On iar semnalul 0 înseamnă poziția Off.

Sursă de tensiune sinusoidală

Are rolul de a scoate un semnal sub forma unei sinusoide în urma parametrilor introduși.

Sursă de tensiune triunghiulară

Are rolul de a produce un semnal triunghiular după ce s-au introdus diferiți parametri.

Controlul de simulare

Cu funcțiile Salvare și Încărcare , circuitul tensiuni/curenți și altele pot fi salvate la sfârșitul unei simulări, și încărcate că și condiții inițiale pentru următoarea simulare. Acest lucru conferă flexibilitatea de a rula o simulare mai complexă în mai multe stagii. Valorile componente și parametrii de simulare, cum ar fi pasul de timp, pot fi schimbate de la o simulare la altă. Topologia circuitului, totuși, ar trebui să rămână la fel.

În PSIM, pasul de timp este fix pe durata întregii simulări. Pentru a asigura rezultate corecte ale simulării, pasul de timp trebuie ales cu atenție. Factorii care limitează acest pas de timp include perioada de comutare, grosimea semnalului și intervalele tranzitorii. Este recomandat că pasul de timp să fie cel puțin cu o unitate mai mic decât cel mai mic de mai sus.

De asemena, o tehnică de interpolare este implementată și va calcula comutările exacte. Cu această tehnică, eroarea datorată nealinierii comutărilor și punctelor discrete ale simulării este redusă semnificativ. Este posibil să se simuleze cu un pas de timp mare ce va menține rezultate corecte.Pasul maxim de timp admis este calculat automat în PSIM. Este comparat cu pasul de timp setat de către utilizator, iar cel mai mic dintre cele două va fi folosit în simulare.

Voltmetrul este un aparat electric de măsură care se folosește pentru a măsura tensiunile în circuitele electrice. Se mai poate spune că voltmetrul măsoară diferența de potențial electric dintre două puncte.

Ampermetrul este un aparat ce măsoară intensitatea curentului electric care trece printr-un conductor sau printr-un circuit electric. Există ampermetre folosite pentru curent continuu și ampermetre pentru curent alternativ . Unitatea de măsură pentru intensitatea curentului electric Amperul. Pentru măsurarea curentul ce trece printr-un element de circuit, ampermetrul se va montează în serie cu acesta.

Punct de masă

Împământarea este definită ca potențialul (dorit zero) al unei zone a solului, a cărui comportare electrică este dependentă de tipul de sol, de umiditate, de temperatură, de sezon, de adâncimea de implantare a electrozilor, etc. Împământarea este realizată fizic cu electrozi îngropați în sol și/sau prin legături de nul de protecție.

6.2. Crearea unui circuit

Următoarele funcții sunt prevăzute pentru crearea circuitului. În meniul Elements există mai multe moduri de a obține un element din biblioteca softului . Una este să utilizați meniul vertical. Se deschide meniul Elements, și submeniu ce evidențiază elementul care urmează să fie selectat .

.

O altă cale este de a utiliza browser-ul bibliotecii, așa cum se arată mai jos:

6.2.1. Plasarea elementului în schemă

Odată ce un element este selectat din meniu, imaginea de element va apărea pe ecran și pentru a muta cu mouse-ul faceți clic pe butonul din stânga al mouse-ului si pozitionati elementul selectat.

6.2.2. Rotirea elementului

Înainte de a plasa elementul selectat , faceți clic dreapta pentru a roti elementul sau după ce un element este selectat si plasat, selectați Edit -> Rotate pentru a roti elementul.

6.2.3. Realizarea legaturilor între Elemente

Pentru a conecta un fir între două noduri, selectați Edit -> Wire. Imaginea de un stilou va apărea pe ecran. (Se poate selecta si imaginea stiloului de pe ecran) Pentru a desena un fir, țineți butonul stânga al mouse-ului apăsat și trageți mouse-ul. Un fir începe întotdeauna de la capătul unui element și un nod plutitor este afișat ca un cerc indicand conexiunea

6.2.4. Atribuirea parametrilor unui element

Pentru a atribui parametrii ale unui element, faceți dublu clic pe element. O caseta de dialog va apărea. Specificați valorile și apăsați tasta <Return> sau faceți clic pe OK.

6.2.5. Interfață între circuitul de putere și de control

În PSIM, circuitele electrice sunt reprezentate în formă de circuit distinct , iar circuitele de control sunt reprezentate în diagrama bloc funcție. Componente circuitul de putere, cum ar fi grupari RLC, comutatoare, transformatoare, bobine, surse de curent, surse de tensiune și toate tipurile de surse controlate nu sunt permise în circuitul de control.

În mod similar, componentele de circuit de control, cum ar fi porți logice, regulatoare PI, tabele de căutare, și blocuri de alte funcții, nu sunt permise în circuitul de alimentare.

Dacă există o legătură directă între circuitul de putere și un element de circuit de comandă, un senzor de tensiune va fi introdus în mod automat în program. În mod similar, în cazul în care există o legătură directă între ieșirea unui element de circuit de control și de circuitul de putere, un bloc de control al interfeței de putere va fi introdus în mod automat.

6.2.6. Rularea simularii circuitului

Pentru a rula simularea, selectați Run Simulation din meniul Simulate. Aceasta va începe simularea PSIM a circuitului Pentru a vizualiza rezultatele simulării, selectați Run SIMVIEW din meniul Simulare.

6.3. Simularea

6.3.1. Mașina de inducție cuplată la rețea simplu

Figura 3. Schema mașinii de inducție cuplată la rețea simplu

Mai sus este reprezentată în PSIM o schemă simplă de pornire a unui motor asincron trifazat. Schema cuprinde un senzor de cuplu, unul de viteză, un motor de inducție trifazat, 3 surse de semnal sinusoidal, 3 ampermetre, 2 voltmetre și un punct de masă.

Rezultate simulare:

Figura 3. Semnalul curenților

Se observă ca la început, mașina absoarbe un curent de 10 ori mai mare decât curentul necesar ulterior.

Figura 3. Semnalul dat de turația motorului la pornire

Figura 3. Semnalul senzorului de cuplu

Figura 3.

6.3.2 Mașina de inducție cu rezistență

Figura 3. Schema mașinii de inducție cu rezistență

Mai sus este reprezentată în PSIM o schemă simplă de pornire a unui motor asincron trifazat. Schema cuprinde un senzor de cuplu, unul de viteză, un motor de inducție trifazat, 3 rezinstențe, 3 surse de semnal sinusoidal, 3 ampermetre, 2 voltmetre și un punct de masă.

Rezultate simulare:

Figura 3. Semnalul curenților

Figura 3. Semnalul vitezei motorului la pornire

Figura 3. Semnalul senzorului de cuplu

6.3.3. Realizarea schemei de acționare a podului rulant în programul PSIM

Figura 4. Schema de acționare a motorului unui pod rulant

Descrierea schemei de acționare:

Schema de mai sus are rolul fie de a pune în mișcare căruciorul care se deplasează de-a lungul grinzii, fie de a ridica sau de a coborâ elementul pe care vrem sa-l mutăm, întrucât principiul de funcționare a celor două motoare este asemănător. Schema se compune din: element de ridicare, sezor de viteză, senzor de cuplu, motor de inducție, invertor, comparator, surse de semnal sinusoidal și surse de semnal triunghiular. Pe lângă acestea mai găsim ampermetre si voltmetre cu ajutorul carora vom măsura curenții si tensiunile care ne interesează.

Invertorul este un dispozitiv electric care permite transformarea curentului continuu în curent alternativ. Curentul alternativ obținut poate avea diferite tensiuni și frecvențe. Invertorul de curent este folosit la schimbarea sensului de rotație al motorului. Este bun în schema de acționare a podului rulant pentru că ajută la deplaseara podului în ambele sensuri.

Rezultate simulare:

Figura 4. Semnale tensiuni

Figura 4. Diagrama curenților

Figura 4. Diagrama senzorului de viteză

Figura 4. Diagrama senzorului de cuplu