Cap 4 Modelarea si simularea sistemelor electromecanice cu ajutorul soft-ului PSIMPSIM este un software de simulare special conceput pentru electronica de putere i actionarile electrice ale sistemelor electromecanice. Cu o simulare rapid i o interfa prietenoas, PSIM ofer un puternic mediu de simulare a electronicii de putere, controlului analog si digital , magnetismul si sistemelor de actionare cu motoare electrice a sistemelor electromecanice. Acest soft are urmatoarele module :

Motor Drive Module

Digital Control Module

SimCoupler Module

Thermal Module

MagCoupler Module

MagCoupler-RT ModuleModulul Motor Drive contine modele de maini electrice i modele mecanice de ncrcare pentru studierea sistemelor electromecanice.

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

Modulul SimCoupler ofer interfa ntre PSIM i Matlab/Simulink pentru co-simulare.

Modulul Thermal ofer capacitatea de a calcula pierderile in dispozitivelor semiconductoare.

Modulul MagCoupler ofer interfa ntre PSIM i software de analiz electromagnetica JMAG pentru co-simulare.

Modulul MagCoupler-RT este modulul legturii intre PSIM cu JMAG-RT ( regim tranzitoriu) fiiere de date.

Mediu de simulare PSIM const din:

PSIM Schematic -programul schematic de circuit,

PSIM Simulator - simulator de motor,

i program de procesare a formei de und SIMVIEW

Procesul este ilustrat dup cum urmeaz

Un circuit este reprezentat n PSIM n patru blocuri: circuit de putere, circuit de control, senzori, i controlere de comutare. Figura de mai jos prezint relaia dintre aceste blocuri

Circuitul de putere este format din dispozitive de comutaie, elemente de circuit RLC, transformatoare, si bobine cuplate magnetic, masini electrice .Senzori sunt folositi pentru msurarea marimilor electrice din circuit i pentru transmiterea la circuitul de control. Semnalele amplificate sunt apoi generate de circuitul de control i trimise napoi in circuitul de putere prin intermediul operatorilor de comutare .

4.1 Power Circuit Components4.1.1 Elemente de circuit

In PSIM se gasesc sectiunea Elements-Power-RLC branches rezistene, bobine, condensatore individuale cat si grupari RLC

4.1.2 SwitchesIn PSIM se gasesc sectiunea Elements-Power- Switches:

componente electronice (diode, diode Zener, triac, tiristori , tranzistori bipolari si cu effect de camp )

Punti redresoare monofazate

Punti redresoare trifazate

Invertoare sursa de current sau de tensiune

4.1.3 Transformatoare

In PSIM se gasesc in sectiunea Elements-Power- Transformers

Transformatoare monofazate

Transformatoare trifazate

4.1.4 Elemente magnetice

Un set de elemente magnetice, inclusiv bobine, cu miez liniar i cu miez saturabil, prevzute pentru a modela dispozitive magnetice. Aceste elemente sunt blocurile de baz ale construciei circuitelor magnetice echivalente, i ele ofer un mod foarte puternic i convenabil de a modela orice tip de dispozitiv magnetic.4.1.5 Other Elements

In acesta sectiune regasim amplificatoare operationale

4.1.6 Motor DriveModulul Motor Drive (motor de antrenare) este un modul de baz al programul de PSIM. Acesta ofer modele de maini i modele mecanice de ncrcare pentru studierea sistemelor electromecanice. In sistemele electromecanice trebuie sa definim Reference Direction of Mechanical Systems adica cine pe cine antreneaza. Spre exemplu daca avem doua masini cuplate mecanic ecuatia de miscare poate fi: daca masina 1 antreneaza masina 2

daca masina 2 antreneaza masina 1

Aceste dou ecuaii sunt la fel de valabile, dar vor produce viteze in sens opus dpdv mecanic. Pentru a evita aceast ambiguitate, n PSIM, conceptul de "direcie de referin" este folosit n sistemul mecanic, astfel nct ecuaia mecanic sa poata fi unic definita. ntr-un sistem mecanic, un element este desemnat ca unitatea master (acest element este considerat a opera n modul de master), iar restul elementelor sunt slave.Unitatea master definete direcia de referin a sistemului mecanic. Directia este definita ca direcie de la nodul arborele de unitatea master, de-a lungul arborelui, la restul sistemului mecanic. Elemente care pot fi uniti master sunt: masini electrice, , blocuri de interfa electrice-mecanice , cutii de viteze, precum i dispozitive modelate de Power Modeling Blocks. Odat ce direcia de referin a sistemului mecanic este definit, viteza i cuplu de referin al sistemului mecanic poate fi definit.Mai mult dect att, fiecare element de mecanica are propria direcie de referin. Urmtoarea diagram arat direcia de referin pentru fiecare element de mecanic, cum este indicat de sgeat:

Direcie de referin pentru fiecare element i direcia de referin a sistemului mecanic de ansamblu determina modul n care elementul interacioneaz cu sistemul mecanic. Urmtoarea figura arat un alt sistem mecanic, cu senzori i sarcinile conectate n moduri diferite:

In acest sistem mecanic, maina din stnga este unitatea masterde referin direcia a sistemului mecanic este de la stnga la dreapta de-a lungul arborelui mecanic. Comparnd aceast direcie cu direcia de referin a fiecrui element, sarcina 1, Viteza senzorul 1, i cuplul 1, va fi de-a lungul direciei de referin, i sarcina 2, Viteza 2, i cuplul 2 vor fi opus la direcia de referin a mecanic de sistem. Prin urmare, n cazul n care viteza mainii este pozitiva, senzor de vitez 1va fi pozitiv, i senzor de vitez 2 va fi negativeModulul Motor Drive (motor de antrenare) fiind un modul de baz al programul de PSIM contine urmatoarele module de masini electrice:

masina de cc

masina de inductie model liniar

masina de inductie cu saturatie

Brushless DC machine . Main fr perii este un tip de main sincron cu magneti permanenti cu forma tensiunii electromotoare de tip trapezoidal. Acesta are 3- nfurri de cc pe stator, i magnet permanent pe rotor

masina sincrona cu excitatie clasica sau cu magneti permenenti

masina cu reluctanta variabila avand 3 infasurari si 6 dinti statorici si 4 rotorici

ObservatieEcuaii care descriu modelele matematice ale mainilor sunt prezentate n Manualul de utilizare al soft-ului si in Help

4.2 Crearea unui circuit

Urmtoarele funcii sunt prevzute pentru crearea circuitului. In meniul Elements exist mai multe moduri de a obine un element din biblioteca softului . Una este s utilizai meniul vertical. Se deschide meniul Elements, i submeniu ce evideniaza elementul care urmeaz s fie selectat .

O alta cale este de a utiliza browser-ul bibliotecii, aa cum se arat mai jos:

A Plasarea elementului in schema

Odat ce un element este selectat din meniu, imaginea de element va aprea pe ecran i pentru a muta cu mouse-ul facei clic pe butonul din stnga al mouse-ului si pozitionati elementul selectat.

B. Rotirea elementului

nainte de a plasa elementul selectat , facei clic dreapta pentru a roti elementul sau dup ce un element este selectat si plasat, selectai Edit -> Rotate pentru a roti elementul.C. Realizarea legaturilor intre Elemente

Pentru a conecta un fir ntre dou noduri, selectai Edit -> Wire. Imaginea de un stilou va aprea pe ecran. (Se poate selecta si imaginea stiloului de pe ecran) Pentru a desena un fir, inei butonul stnga al mouse-ului apsat i tragei mouse-ul. Un fir ncepe ntotdeauna de la captul unui element si un nod plutitor este afiat ca un cerc indicand conexiuneaD. Atribuirea parametrilor unui element

Pentru a atribui parametrii ale unui element, facei dublu clic pe element. O caseta de dialog va aprea. Specificai valorile i apsai tasta sau facei clic pe OK.

E. Interfa ntre circuitul de putere i de control n PSIM, circuitele electrice sunt reprezentate n form de circuit distinct , iar circuitele de control sunt reprezentate n diagrama bloc funcie. Componente circuitul de putere, cum ar fi grupari RLC, comutatoare, transformatoare, bobine, surse de curent, surse de tensiune i toate tipurile de surse controlate nu sunt permise n circuitul de control.

n mod similar, componentele de circuit de control, cum ar fi pori logice, regulatoare PI, tabele de cutare, i blocuri de alte funcii, nu sunt permise n circuitul de alimentare.

Dac exist o legtur direct ntre circuitul de putere i un element de circuit de comand, un senzor de tensiune va fi introdus n mod automat in program. n mod similar, n cazul n care exist o legtur direct ntre ieirea unui element de circuit de control i de circuitul de putere, un bloc de control al interfeei de putere va fi introdus n mod automat.

F. Rularea simularii circuitului

Pentru a rula simularea, selectai Run Simulation din meniul Simulate. Aceasta va ncepe simularea PSIM a circuitului Pentru a vizualiza rezultatele simulrii, selectai Run SIMVIEW din meniul Simulare.

4.3. Modelarea simularea convertoarelor staticeReglajul tensiunii in circuitele de cc se face cu ajutorul convertoarelor cc-cc.Principiul de reglaj este urmatorul :

O sursa constanta de tensiune continua este cuplata si decuplata cu o frecventa de comutare fs=1/Ts Tensiunea aplicata sarcinii este dependenta de durata conectarii D=tc/Ts.

Tensiunea continua aplicata sarcinii este valoarea medie pe perioada Ts fiind data de relatia vs=Vgtf/Ts=DVg unde D= tf/Ts sau tf=DTs

Pentru a elimina armonicile de comutare i pentru a trece numai componenta de continua se introduce un filtrul trece jos in calea de alimentare a consumatorului( filtru low-pass).

Exista trei configuratii de baza de convertoare cc-cc. Buck( tensiune de iesire mai mica decat a sursei)

Boost( tensiune de iesire mai mare decat a sursei)

Buck-Boost

Unde s-a definit M=Vs/VgTehnicile pentru determinarea cu uurin a tensiunii de ieire a unui circuit convertor arbitrar deriva din rolul bobinei sau al condensatorului intr-un circuit prin energia inmagazinata in bobina sau condensator.

4.3.1 Convertor buck

a. Modelul matematic

Convertorului Buck pentru cele doua pozitii ale comutatorului ii corespund urmatoarele circuite:

comutatorul pe pozitia 1

Tensiunea pe bobina este diferenta dintre tensiunea sursei si a sarcinii. Admitand tensiunea sarcinii V atunci variatia tensiunii la bornele bobinei este (riplu mic )

vL=Vg-V=LdiL/dtrelatie din care rezulta panta de crestere a curentului diL/dt=(Vg-V)/L

comutatorul pe pozitia 2

Intrucat curentul prin bobina nu variaza in salt (bobina este energizata) acesta tinde sa se inchida prin condensator si sarcina.Tensiunea pe bobina este egala si de semn opus tensiunii sarcinii ce la variatii mici poate fi data de relatia:vL(t) = v(t)=-V

In care vripple VscieSe optine un impuls in baza tranzistorului iar acesta conduce.

In cazul unui dinte de fierastrau simetric se poate scrie D= Vcom/VmaxRelaia dintre V aplicata sarcinii i Vcom poate fi exprimat n forma unei amplificari statice

V= Vcom(Vg/Vmax)Concluzie:1 Reglarea tensiunii aplicata sarcinii se face prin reglarea tensiunii de comanda Vcom2. Schema echivalenta a convertorului Buck este :c.Banda de frecventa a filtrului trece-jos

Schema filtrului trece jos este

Raportul dintre tensiunea de iesire pe tensiunea de intrare reprezinta functia de transfer a filtrului

Frecventa de taiere a filtrului este

Pentru trasarea diagramei Bode a unui filtru se realizeaza montajul urmator

O sursa de tensiune continua se insumeaza cu o sursa de ca si se aplica semnalul astfel obtinut filtrului LCSursei de ca i se asociaza urmatorii perametrii

Sinusoidal Voltage Source

Name : Vsweep

Peak Amplitude : 0.05

Frequency : 20Se selecteaza apoi din Menu Elements/Other/Probes ----AC Sweep Probe cu simbolul

Se selecteaza apoi din Menu Elements/Other/ - ACSWEEP si se plaseaza pe foia de lucru

Se configureaza parametrii si se da comanda Run

Rezultatul obtinut in SIMVIEW pentru L=0,1mH si C=100 este:

Aplicatie 1 Simularea convertorului Buck

Spre exemplificare in PSIM a fost creat un convertor Buck ce alimenteaza de la o sursa de 50 V o sarcina rezistiva de 5 Ohmi , Urmarim sa determinam evolutia curentului si a tensiunii aplicate sarcinii daca Vcom=0,5V iar Vmax a sursei triunghiulare este 1V si frecventa f=5kHz .Factorul de umplere in acest caz este D=0,5 . Rezulta ca tensiunea aplicata sarcinii va fi jumatate din tensiunea sursei . Intre comutator static S3 (GTO) si sarcina intercalam un filtru trece jos cu L=10mH si C=100F . Inchiderea curentului de sarcina cand tiristorul nu conduce se face prin dioda D1 de regim liber .Impulsurile de comanda se obtin printr-un comparator de produce impus de comanda daca Vcom> VscieImplementarea in PSIM a converorului este redata in figura

Formele de unda obtinute in SIMVIEW sunt: in circuitul de comanda , V4 reda Vcom iar V6 reda Vscie.Urmare a comparatiei intre cele doua tensiuni se obtin impulsurile de comanda redate de V3

in circuitul de forta. Tensiune si curentul prin bobina sunt redate de VP1 si I1 avnd urmatoarele forme de unda vizualizate in SIMVIEW

Respectiv tensiunea aplicata sarcinii redata de Vo

Constatam o intarziere (de 6 ms ) in stabilirea valorii finale a tensiunii de iesire, tensiune ce-n cazul sarcinilor resistive este proportionala cu curentul prin bobina . Reducerea timpului de stabilire a valorii finale a tensiunii de iesire se face prin reducerea inductivitatii ce conform relatiei iL =tf(Vg V)/2L= DTs(Vg V)/2Lconduce la crestere riplului curentului. Astfel reducand inductanta la 1mH se obtin urmatoarele forme de unda ale curentului prin bobina si a tensiunii de iesire

Analizand relatia riplului constatam ca reducerea acestuia cumulata cu reducerea timpului de stabilire a tensiunii de iesire se poate realize prin cresterea frecventei sursei triunghiulare ( a PWM-ului) Aceasta posibilitate este insa limitata de dispozitivul electronic ce are o frecventa maxima de lucru( limitata de timpul de comutatie timp mort) . Spre exemplificare dublarea a frecventei de chopare conduce la urmatoarele forme de unda

Aplicatie 2 Utilizarea convertorului Buck in actionarea masinii de cc

Frecventa de chopare

Desigur, aceast valoare este limitat de caracteristicile comutatorul. Acesta poate fi determinat teoretic n funcie de aplicatie . Noi trebuie luam n considerare curentul maxim de ondulaie ( riplul curentului) precum i dinamica (timpul de rspuns) al sistemului .Pentru motorele de putere mica frecventa de chopare este

Unde Te si TM sunt, respectiv, constantele electrice (L/R) i mecanice de timp ale motorului i sarcinii (J/FA.) Alegerea bobine de ondulare (nivelare):

In alegerea bobinei de ondulare trebuie considerat ca fluxul de curent este continuu. Conform acestei ipoteze, intensitatea curentului variaz ntre Imax i Imin. Riplul curentului este definit prin:

Aceast riplu este direct proporional cu cuplul electromagnetic.

n cazul n care valoarea inductanei a motorului nu este suficient pentru a asigura un flux continuu de curent, este necesar de a plasa o n serie cu circuitul rotoric o bobina de nivelere ( ondulatie) cu rol de a reduce riplul de curent (regimul de current interrupt)

Daca perioda de choppare e

Putem face aproximatia

Acest riplu este maxim pentru D=0,5 caz in care

Iar valoarea maxima conform figurii este

Reglajul vitezei motorului de cc

In cazul motorului de cc daca neglijam rezistenta armaturii rotorice putem scrie:

Din care se deduce

Adica viteza motorului este proporional cu factorul D de umplere. Ecuatiile motorului la controlul vitezei Schema structurala a motorului de cc este

Cu ecuatiile

Respectiv

Ce dupa inlocuiri rezulta

n cazul de control al vitezei, avem n vedere cuplul de sarcin ca o perturbatie i funcia de transfer n tensiune se scrie:

Daca definim:

constanta electrica

constanta mecanica

constanta electro-mecanica

constanta km

Cu aceste notatii functia de transfer este :

Ce-n cazul Te Tem> Te i putem arat c ntr-o bucl nchis funcia de transfer este echivalent cu cea de prim ordin.Daca curentul absorbit de motor nu-i controlat variatiile acestuia produc variatii de cuplu ce se manifesta prin vibratii ale masinii. Arhitectura completa a unui sistem de actionare al masinii de cc contine doua bucle de reglaj una a turatie iar a doua a curentului

Reglajul cu ajutorul regulatorului PI

In conformitate cu cele ezpuse masina de cc poate fi privita ca un sistem de ordinul nti Modelul unui sistem de ordinul 1 este folosit pentru c un astfel de sistem este ntotdeauna stabil. Prin introducerea unui regulator de tip PI urmarim reducerea erorii si timp minim de raspuns al sistemului.Schema structurala a masinii de cc cu regulator PI poate fi redata sintetic in figura urmatoare:

Unde functia de transger a masinii este:

Iar a regulatorului PI

Cu :

A-coeficientul de proportionalitate

Ti constanta de integrare

Functia de transfer in bucla deschisa este :

Respectiv in bucla inchisa

Relatie ce poate fi scrisa in forma :

Forma finala dupa simplificari este:

Aceasta functie poate fi pusa in forma canonica

Polii functiei de transfer se determina din ecuatia

Avand expresia

Daca

atuci rspunsul este aperiodic cu polii apartinad numerelor reale

atuci rspunsul este aperiodic critic cu polii apartinad numerelor reale

iar timpul de raspuns este aproximativ trei constante de timp

atuci rspunsul este oscilant amotizat polii apartinad numerelor complexe

Prin identificare se obtine:

Si

Toate metodele de reglare folosesc produsul AK =KB ca amplificarea in bucla

Stabilirea constantelor regulatorului

Metoda 1( metoda standard de acordare)

Se seteaza din care rezulta

Se seteaza timpul de raspuns :Impunand raspunsul de tip aperiodic critic timpul de rspuns estimat devine

Din care se determina valoarea amplificarii A . Acest timp de raspuns este independent de constanta de integrare Ti

Metoda 2

Se seteaza valoarea constantei de integrare astfel:

unde pentru raspuns rapid unde pentru raspuns aperiodic critic unde pentru raspuns aperiodic Se seteaza timpul de rapuns iar conform relatiei

se determina valoarea amplificarii A

Implementarea in PSIM a controlului vitezei motorului de cc cu magneti permanenti1. Schema circuitului de forta

a. Alegerea motorului Se considera un motor de cc cu urmatoarele date nominale :Ra=0,5; La=0,01H; Rf=75; Lf=0,02 ;If=1,6;J=0,3; Un=120;Ia=10;n=1200.Coeficientul total de frecari al masinii f= 0,1. Presupunem ca motorul actioneaza o banda transportoare cu Ms= 10Nm si la turatia de 1200 rpm si dorim controlul turatiei la 1000rpm.Din ecuatia de regim stationar pe baza datelor nominale se determina

Totodata:

E=LafIf=k

unde

rad/sDin care rezulta constanta masinii k

Cuplul nominal al masinii in regim permanent este egal cu cel de sarcina Curentul la acesta sarcina este

AIar tem este :

Vb. Cuplul de sarcina al motorului Ecuatia generala a cuplului de sarcina este

Ce poate fi particularizat pentru diferite sarcini astfel:

Macarale

Benzi transportoare

Ventilatoare, pompe,compresoare

Din relatia cuplului de sarcina al benzii transportoare deducem :

Nm/c. Tensiunea de alimentare a motoruluiTensiunea de alimentare a motorului cu excitatie independenta este proportionala cu turatia si din raportul turatiilor se determina tem la turatia de 1000 rpm

VUnde

rad/s

Intrucat cuplul de sarcina se modifica cu turatia se determina curentul absorbit de motor cu relatia :

ASau din egalitatea:

Tensiunea de alimentare se calculeaza cu relatia :

V

Se determina astfel factorul de umplere

D=V/Vg=100/120=0,83d. Dimensionarea bobinei de netezire si filtruluiSe face in baza relatiei

L=DTs(Vg V)/2iL

Frecventa de comutatie se alege conform relatiei :

Unde Te =La/Ra=20 ms- constanta electrica i TM= J/f=3 s - constanta mecanica de timp a motorului i sarcinii

Sau

Alegem frecventa de chopare

Alegem 5kHzsi riplul curentului de 2% din curentul nominal

Se obtine astfel:

L=DTs(Vg V)/2iL=8,3mHImpunand frecventa de taiere a filtrului 2000Hz din relatia

Se determina capacitatea

C=0,075 nF2. Schema de comanda si reglaj a motorului a.Conectarea choperului la motorDin relatia

D= Vcom/VmaxAlegand Vcom=10V rezulta Vmax=12V

Rezultatul simularii numerice pentru verificarea turatiei si a curentului absorbit de motor

turatia

curentul

24

_1392811310.unknown

_1392823234.unknown

_1392892741.unknown

_1392893579.unknown

_1392900968.unknown

_1392901634.unknown

_1392903640.unknown

_1393000270.unknown

_1392905035.unknown

_1392901736.unknown

_1392901389.unknown

_1392901462.unknown

_1392901281.unknown

_1392893636.unknown

_1392900944.unknown

_1392900523.unknown

_1392893605.unknown

_1392892880.unknown

_1392893568.unknown

_1392892755.unknown

_1392832229.unknown

_1392832407.unknown

_1392891959.unknown

_1392830633.unknown

_1392831529.unknown

_1392826552.unknown

_1392829350.unknown

_1392820197.unknown

_1392821350.unknown

_1392821377.unknown

_1392822500.unknown

_1392822540.unknown

_1392822596.unknown

_1392822656.unknown

_1392822533.unknown

_1392822465.unknown

_1392822474.unknown

_1392821573.unknown

_1392821594.unknown

_1392821374.unknown

_1392821141.unknown

_1392821338.unknown

_1392820208.unknown

_1392815919.unknown

_1392817169.unknown

_1392818464.unknown

_1392818623.unknown

_1392819038.unknown

_1392818476.unknown

_1392818441.unknown

_1392816900.unknown

_1392815642.unknown

_1392815776.unknown

_1392813928.unknown

_1392813958.unknown

_1392569734.unknown

_1392570515.unknown

_1392811180.unknown

_1392811192.unknown

_1392810999.unknown

_1392569937.unknown

_1392570107.unknown

_1392570206.unknown

_1392569959.unknown

_1392569743.unknown

_1392567497.unknown

_1392567747.unknown

_1392569573.unknown

_1392567735.unknown

_1392567250.unknown

_1392567426.unknown

_1392566566.unknown