Ćwiczenie 1. Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym.

Transkrypt

1 Ćwiczenie 1 Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym. Środowisko symulacyjne Symulacja układu napędowego z silnikiem DC wykonana zostanie w oparciu o środowisko symulacyjne PSIM. Aby uruchomić program symulacyjny należy z Menu Start wybrać program PSIM 6.05 lub użyć skrótu znajdującego się na pulpicie Tworzymy nowy plik symulacyjny wybierając z paska menu programu: File New Następnie zapisujemy plik na pulpicie w katalogu: LabNapedu lato/(data i godzina zajęć)/(nazwiska członków zespołu) Okno główne programu symulacyjnego PSIM powinno wyglądać następująco: Połączenie (Wire) Wskaźnik wyboru Rozpoczęcie symulacji Pasek elementów podstawowych Rys. 1 Okno główne programu symulacyjnego PSIM Wszystkie elementy biblioteczne programu PSIM znajdują się w zakładce Elements na pasku menu. Wstawianie elementów przedstawiono na przykładzie obcowzbudnego silnika prądu stałego, który zostanie wykorzystany w ćwiczeniu. Aby wstawić element z biblioteki (w tym przypadku silnik DC) wybieramy kolejno z paska menu programu: Elements Power Motor Drive Module DC Machine

2 Wybrany element wstawiamy w oknie programu. Symbol silnika powinien wyglądać jak na rys 2. Rys. 2 Symbol obcowzbudnego silnika prądu stałego w programie PSIM Aby wyświetlić parametry znamionowe silnika należy dwukrotnie kliknąć jego symbol. Wyjaśnienie poszczególnych parametrów oraz wygląd okna przedstawiono na rys 3. Rezystancja twornika Indukcyjność twornika Rezystancja wzbudzenia Indukcyjność wzbudzenia Moment bezwładności Napięcie zasilania twornika Prąd znamionowy twornika Prędkość znamionowa (obr/min) Prąd znamionowy wzbudzenia Rys. 3 Okno parametrów obcowzbudnego silnika prądu stałego Wyświetlenie parametrów innych elementów wykonuje się w sposób analogiczny do przedstawionego powyżej.

3 Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie rozpoczyna się od zbudowania podstawowego układu z silnikiem DC wg. schematu przedstawionego na rysunku 4 Rys. 4 Układ podstawowy do badania silnika DC Podstawowym elementem modelu jest obcowzbudny silnik prądu stałego: Elements Power Motor Drive Module DC Machine Obwód wzbudzenia zasilany jest ze źródła prądu stałego. Elements Sources Current DC Obwód twornika zasilany jest ze źródła napięcia stałego. Elements Sources Voltage DC Do pomiaru prądu twornika wykorzystany został przetwornik pomiarowy z napięciowym sygnałem wyjściowym. Napięcie to jest proporcjonalne do prądu płynącego przez przetwornik. Elements Other Sensors Current Sensor Do pomiaru prędkości obrotowej wału silnika należy zastosować przetwornik prędkości na napięcie (prądnica tachometryczna). Napięcie wyjściowe takiego przetwornika jest proporcjonalne do prędkości obrotowej wału. Elements Power Motor Drive Module Speed Sensor

4 Aby możliwa była obserwacja przebiegów z przetworników pomiarowych (prądu i prędkości) należy do wyjścia przetwornika podłączyć próbnik sygnału. Elements Other Probes Voltage Probe Do ustawiania parametrów symulacji wykorzystuje się blok simulation control Simulate Simulation Control Krok symulacji Całkowity czas symulacji Chwila rozpoczęcia wyświetlania wyników Określa, co która próbka ma być wyświetlona Rys. 5 Okno parametrów bloku Simulation Control Na tym etapie modelowania należy zadać odpowiednie parametry wykorzystanym elementom zgodnie z tabliczką znamionową silnika przedstawioną na rys. 3. Należy również dobrać odpowiednie parametry symulacji. Ponadto do zadań studenta należy obserwacja przebiegów wielkości wskazanych przez prowadzącego. Wyznaczenie charakterystyki mechanicznej silnika DC Jest to charakterystyka prędkości w zależności od momentu obciążenia. W tym celu zastosowano blok obciążenia mechanicznego o stałym momencie (możliwe jest ustawienie stałego momentu obciążającego) Elements Power Motor Drive Module Mechanical Load (constant-torque) W celu wyznaczenia charakterystyki mechanicznej należy obliczyć moment znamionowy silnika, gdyż nie jest on podany w parametrach. Należy również pamiętać o posługiwaniu się jednostkami w układzie SI. Następnie należy wyznaczyć kilka punktów i narysować charakterystyki dla: a) znamionowego napięcia zasilania b) napięcia zasilania zadanego przez prowadzącego (Uzad)

5 Napięcie zasilania Jednostki Punkt 1 Punkt 2 Punkt 3 Punkt 4 Punkt 5 Punkt 6 Punkt 7 Mobc Nm Un n obr/min Mobc Nm Uzad n obr/min Wykres 1 Charakterystyki mechaniczne silnika DC

6 Układ obniżający W celu uzyskania regulacji napięcia zasilającego obwód twornika można między innymi zastosować impulsowy układ obniżający napięcie (tzw. step-down chopper). Zasada sterowania impulsowego polega na okresowym przyłączaniu i odłączaniu stałego napięcia zasilającego obwód twornika (U t ). Średnia wartość napięcia na zaciskach silnika może być regulowana przez zmianę szerokości impulsów przy stałej częstotliwości impulsowania f imp. Amplituda impulsów jest stała i równa napięciu zasilania U t jeśli pominie się spadek napięcia na układzie obniżającym. Przebieg napięcia wyjściowego układu obniżającego przedstawia rys. 6 dla różnych współczynników wypełnienia ε i stałego okresu impulsowania T imp oraz przebieg sygnału bramkowego tranzystora U ster. Rys. 6 Przebieg impulsowego napięcia zasilającego twornik silnika oraz przebieg sygnału bramkowego tranzystora (U ster ) przy: 1) dużym współczynniku wypełnienia, 2) przy małym współczynniku wypełnienia. Współczynnik wypełnienia może zmieniać się w zakresie: 0 < ε < 1 A co za tym idzie średnie napięcie twornika zmienia się w zakresie: T 0 < U śr < U t U t D M Rys. 7 Schemat ideowy jednokierunkowego układu napędowego z silnikiem prądu stałego z układem obniżającym

7 Na rysunku 7 przedstawiony został ideowy schemat jednokierunkowego układu napędowego z silnikiem prądu stałego z układem obniżającym. Tranzystor T jest okresowo załączany i wyłączany sygnałem bramkowym przez co obwód twornika jest zasilany napięciem o przebiegu podanym na rysunku 6. Takie sterowanie tranzystora powoduje, że można wyróżnić dwa podstawowe stany pracy układu. W czasie od 0 do t 1 obwód twornika jest przyłączony do napięcia zasilania U t (prąd zamyka się w oczku oznaczonym kolorem pomarańczowym na rys. 7), natomiast w czasie od t 1 do t 2 jest odłączony i zwarty przez diodę rozładowczą D (prąd zamyka się w oczku oznaczonym kolorem niebieskim na rys. 7). Dioda rozładowcza pozwala na przepływ prądu pod wpływem siły elektromotorycznej indukowanej w indukcyjności L a od zanikającego prądu w obwodzie twornika. W ćwiczeniu realizacja układu obniżającego powinna wyglądać jak przedstawia to rysunek 8. Układ obniżający napięcie wraz z układem wyzwalania tranzystora Tranzystor Dioda rozładowcz Sterownik tranzystora Sygnał sterujący Rys. 8 Schemat układu obniżającego do zasilania silnika DC Elementy wykorzystane w modelu układu obniżającego znajdują się: Tranzystor mocy (IGBT): Elements Power Switches IGBT Sterownik tranzystora: Elements Other Switch Controllers On-Off Controller Źródło napięcia prostokątnego (sygnał sterujący) Elements Sources Voltage Square Dioda (rozładowcza): Elements Power Switches Diode 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 napięcia bramkowego.