Разработка модели электрической схемы

Библиотеки блоков для расчета электрических процессов

В SimInTech имеются две библиотеки для расчета электрических процессов: ЭЦ-Динамика и ЭЦ-Статика.

При использовании элементов ЭЦ-Статика расчет ведется по действующим (среднеквадратическим) значениям параметров режима электрической сети. Реальный синусоидальный сигнал заменяется эквивалентным за период частоты постоянным током равным амплитуде синусоиды деленным на √2. Расчет выполняется в комплексных числах.

Данный подход применим прежде всего для расчета установившихся режимов в цепях с источниками, работающими с одной частотой, что характерно для энергосистем.

Также подразумевается, что токи и напряжения не содержат высших гармоник, а если таковые есть, то используется их среднеквадратическое значение. При использовании этого метода в процессе расчета можно получить только действующие значения токов, напряжений. Апериодические составляющие, которые могут возникать в переходных процессах, определить нельзя.

При использовании элементов ЭЦ-Динамика расчет ведется непосредственно по мгновенным значениям параметров сетей переменного тока.


Рис. 1. Схема "ЭЦ-Статика" и "ЭЦ-Динамика".

В примере (Рис. 1) схема слева выполнена из элементов ЭЦ-Статика: к источнику с действующим значением напряжения 220В последовательно подключены сопротивление и конденсатор – CR-цепь. Расчет выполняется для частоты равной 50 Гц.

Схема справа выполнена из элементов ЭЦ-Динамика: также CR-цепь подключена к источнику синусоидального напряжения частотой 50 Гц, действующее напряжение которого 220 В, а амплитуда равна 220 √2 В.


Рис. 2. Результат расчета "ЭЦ-Статика" и "ЭЦ-Динамика".

Результат расчета (Рис. 2) в первом случае – сразу установившееся – действующее значение напряжения – никакого электромагнитного процесса нет. Во втором случае видим реальную осциллограмму переходного процесса с периодической и апериодической составляющей напряжения.

При необходимости вывода графика спектрального анализа сигнала нужно нажать правой кнопкой мыши на нужный график, выбрать пункт Анализ данных → Спектральный анализ.

ЭЦ-Статика позволяет рассчитывать установившиеся и переходные режимы, длительность которых выше периода частоты питающей сети, например, пуски электродвигателей, длительности которых составляют до нескольких секунд, что много больше 0,02 с – периода промышленной частоты. Шаг расчета при этом может достигать 0,02 – 0,1 сек, что позволяет уложиться в режим реального времени даже при сети с большим числом узлов.

ЭЦ-Динамика - рассчитывает фактическую осциллограмму процесса. Однако шаг расчета даже для сети промышленной частоты 50 Гц должен быть, как правило, не более 0,001 с. Эта библиотека применяется для исследовательских задач или практических задач, в которых нужно увидеть электромагнитные процессы близкие к реальным.

В данном Руководстве рассматриваются принципы работы с SimInTech на примере создания моделей с использованием библиотеки ЭЦ-Динамика.

Создание новой электрической схемы

Для создания новой электрической схемы необходимо выполнить следующие действия:
  1. В главном окне SimInTech на панели кнопок выбрать кнопку Новый проект
  2. В выпадающем меню выбрать пункт Схема модели общего вида (Рис. 3)


Рис. 3. Меню создания нового проекта "Схема модели общего вида".
Перед вами появится новое окно проекта "Схема модели общего вида.prt", в котором будет происходить разработка электрической схемы модели (Рис. 4).


Рис. 4. Окно проекта для создания расчетных схем из блоков библиотеки "ЭЦ-Динамика".
Сохранить созданный проект с новым именем для облегчения его последующей идентификации в директории. Для этого:
  1. В главном окне войти в меню Файл → Сохранить проект как..
  2. В появившемся окне проверить выбор директории сохранения. В данном и последующих упражнениях для работы с проектами будет использоваться директория по умолчанию: C:\Users\<имя пользователя>\Documents\SimInTech, где <имя пользователя> - имя учетной записи пользователя в операционной системе
  3. В появившемся окне сохранения проекта в поле Имя файла изменить имя проекта на "Схема электрическая 1" (Рис. 5) и нажать на кнопку Сохранить.


    Рис. 5. Сохранение новой электрической схемы.
  4. После того, как сохранение проекта было произведено, необходимо обратить внимание, что заголовок окна проекта изменился в соответствии с заданным при сохранении именем
Прим.:
после сохранения проекта заголовок окна проекта изменился в соответствии с заданным при сохранении именем. Также, SimInTech сохраняет резервные копии файлов с расширением ".prt.1", ".prt.2", ".prt.3" и т.д., которые можно открыть, нажав Главное меню → Файл → Открыть старую версию (Рис. 6).


Рис. 6. Раздел "Открыть старую версию".

Создание модели электрической схемы

Приступим к разработке расчетной модели. Стоит обратить внимание, что в меню остались вкладки, относящиеся к созданию систем управления, электрических схем и др., а, например, библиотеки теплогидравлики были исключены.

Сейчас в палитре блоков перед вами отображаются следующие вкладки библиотек, которые будут необходимы при создании модели:
  • Автоматика: Источники; Операторы; Векторные; Функции, Динамические и т.д.
  • ЭЦ-Динамика
  • ЭЦ-Статика
Основные блоки для создания модели электрической схемы, расположенные в вкладке ЭЦ-Динамика (Рис. 7). Данная вкладка содержит базовые блоки, с помощью которых разрабатываются расчетные модели электрических систем.


Рис. 7. Библиотека расчетных блоков с выбранной вкладкой "ЭЦ-Динамика".
Блоки на вкладках библиотеки могут находиться как отдельно, так и быть скомпонованы в подменю, объединяющие блоки по классовому признаку. Например, на данной вкладке находятся следующие подменю:
  • Элементы топологии
  • Электротехнические элементы
  • Источники
  • Измерители
  • Силовая электроника
  • Трансформаторы
  • Электрические машины
  • Коммутационные аппараты
  • Элементы управления и обработки сигналов
  • Элементы для разработчика
Расчетная модель, которая будет создана в рамках данного упражнения, состоит из следующих блоков, которые находятся в подменю на вкладке ЭЦ-Динамика:
  • 1 блок Источник напряжения (подменю Источники) – с помощью данного блока будет смоделирован источник напряжения постоянного тока
  • 1 блок Двигатель постоянного тока (подменю Электрические машины) - с помощью данного блока будет смоделирован двигатель постоянного тока
Помимо блоков библиотеки ЭЦ-Динамика потребуется установка блоков общетехнической библиотеки Автоматика:
  • 1 блок Ступенька (вкладка Источники) – с помощью данного блока задается нагрузка на двигателе
  • 1 блок Временной график (вкладка Вывод данных) – с помощью данного блока осуществляется вывод рассчитанных значений на график

Для удобства чтения модели электрической схемы желательно расположить ее элементы так, чтобы сама модель повторяла чертеж этой схемы.

В данном упражнении составлять модель от источника питания.

Поместить блок Источник напряжения на форму расчетной схемы.

Для этого необходимо выполнить следующие действия:
  1. Нажать левой кнопкой мыши по подменю Источники, в результате чего появится список блоков, находящихся в данном подменю (Рис. 8).


    Рис. 8. Активированное подменю "Источники" со списком входящих в него расчетных блоков.
  2. Нажать левой кнопкой мыши по блоку Источник напряжения (Рис. 9).


    Рис. 9. Подменю "Источники" - выбор блока "Источник напряжения" в списке блоков.
  3. Перевести курсор мыши на рабочую область проекта. В рабочей области возникнет графическое изображение блока Источник напряжения, которое будет следовать за указателем мыши
  4. Выбрать место для установки блока и нажать левой кнопкой мыши, завершая установку блока в рабочей области окна

После установки блока его можно передвинуть. Для этого необходимо нажать на него левой кнопкой мыши и, удерживая, передвигать.

Аналогичными действиями из подменю Электрические машины установить блок Двигатель постоянного тока (Рис. 10).


Рис. 10. Блоки "Источник напряжения" и "Электрические машины".

Блоки библиотеки ЭЦ-Динамика могут иметь порты как для образования электрических связей, так и для образования математических связей. Электрические связи служат для образования расчетной электрической схемы. Математические связи для передачи сигналов управления.

Установить блок Временной график из вкладки Вывод данных и блок Ступенька из вкладки Источники на рабочую область проекта.

Двойным нажатием левой кнопки мыши на блок Источник напряжения открыть окно Свойства и задать значения свойствам согласно рисунку (Рис. 11).


Рис. 11. Свойства блока "Источник напряжения".

Блок Источник напряжения имеет два порта выхода. После настройки свойств этого блока порт с подписью "1" соответствует положительному выходу источника постоянного напряжения, а порт с подписью "0" – отрицательному.

Аналогичными действиями задать свойства блока Двигатель постоянного тока согласно рисунку (Рис. 12).


Рис. 12. Свойства блока "Двигатель постоянного тока".

В блоке Двигатель постоянного тока порты с подписью "а+" и "а-" являются клеммами якорной обмотки, а порты с подписью "f+" и "f-" являются клеммами обмотки возбуждения. Порт с подписью "Tm" предназначен для задания момента нагрузки двигателя, а порт с подписью "w" выдает значение частоты вращения якоря двигателя в радианах за секунду.

Задать свойства блока Ступенька согласно рисунку (Рис. 13).


Рис. 13. Свойства блока "Ступенька".

Таким образом настройка блока Ступенька первые четыре секунды моделирования задает режим холостого хода, а после подает на порт с подписью "Tm" блока Двигатель постоянного тока значение нагрузки равное "0.2".

Собрать схему электроснабжения двигателя согласно рисунку (Рис. 14).

Электрическая схема собирается путем соединения портов входа и выхода, предназначенных для присоединения электрической связи.


Рис. 14. Схема электроснабжения электродвигателя.
Нажать на кнопку Параметры расчёта и задать параметры согласно рисунку (Рис. 15).


Рис. 15. Окно "Параметры проекта".
Запустить проект на расчет. Двойным нажатием левой кнопки мыши по блоку Временной график открыть график расчета выходных значений. График должен быть аналогичен рисунку (Рис. 16).


Рис. 16. График скорости вращения вала двигателя.