Многорукий Шива: четыре способа моделировать электрику в Simscape Electrical. Часть 2

Продолжаем разбираться с моделированем электрики в Simscape. Для этого, напомню, есть четыре разных библиотеки со словом electrical в названии:

Foundation Library -> Electrical

Electrical -> Electronics and Mechatronics

Electrical -> Power Systems

Electrical -> Specialized Power Systems

В первой части статьи мы перечислили способы моделирования электрики в Simscape и описали назначение библиотек Foundation Library -> Electrical и Electrical -> Electronics and Mechatronics. Сегодня опишем две оставшиеся библиотеки для моделирования электрики: Electrical -> Power Systems и Electrical -> Specialized Power Systems

Electrical -> Power Systems
Что это: сильноточка, она же электрика, а также электромеханика.
Для кого: для электриков, электромехаников и вообще всех, для кого провод начинается с 5 мм².
Когда использовать: в силовых схемах.

Снова поднимаемся по уровням абстракции над базовыми элементами, но идём по другой ветке развития. В этой библиотеке мы оперируем уже не резисторами-батарейками, а сборками нагрузок и электромашинными источниками. Кстати, в отличие от предыдущих библиотек, здесь весьма широкий выбор электрических машин: понятное дело, синхронные/асинхронные, они есть везде, но вот, например, синхронная реактивная – это интересно! Ну да, конечно, её можно представить в виде синхронной явнополюсной, эквивалентировать ротор… Но так можно и вовсе дойти до обобщённой двухфазной машины. Здесь же, в Power Systems, даётся готовый набор для инженера-практика. Так что и потребители, к примеру, даны не в виде резисторов-конденсаторов, а в виде уже собранной в треугольник либо звезду нагрузки.
Если помнить об этом, то можно понять и набор блоков, озаглавленный Fundamental Components: здесь нет тех «школьных» элементов, которые были раньше, но зато есть такие, из которых, по большому счёту, реальные цепи и состоят: нелинейные. Линейных элементов вообще мало – не только в электрике, но и в жизни.

Отдельного упоминания стоит раздел Control. Если раздел Electrinics & Mechatronics позволял приводчику построить изящный драйвер с нуля, то Power Systems позволяет не-схемотехнику построить систему управления. Уйма тематических подборок: для синхронной машины, для асинхронной, для вентильной… Но и для любителей «поработать руками» всё готово: Mathematical Transforms возьмут на себя рутинные операции вроде преобразования координат, а General Control даст базовые «кирпичики» системы автоматического управления – фильтры, Фурье-анализ, триггеры…

Не отстают и полупроводники. В местных сборках не найти чего-то сильно замудрённого, но базис, основа весьма крепкие. Инвертор и выпрямитель, степ-ап и степ-даун, DC-DC преобразователь – вещи, по сути, несложные, давно разработанные, но входящие в состав уймы реальных схем. И то, что они приведены в виде готовых блоков позволяет не думать об их реализации, в сотый раз изобретая всё тот же велосипед.
Дополняют картину датчики, Sensors. Простые вольтметры с амперметрами – не, не тот масштаб. Инкрементный энкодер или резольвер – вот это другое дело, это уже достойные внимания датчики.

И наконец, маленькая, но приятная деталь: среди выключателей (Switches & Breakers) есть один, который учитывает дугу при разрыве цепи. Не совсем. Конечно полноценно, всего лишь аналитически, но тем не менее. К тому же все библиотеки Matlab & Simulink постоянно развиваются, так что всё ещё впереди.

Electrical -> Specialized Power Systems
Что это: электроэнергетика, электромеханика и вообще всё трёхфазное.
Для кого: для электроэнергетиков и электромехаников.
Когда использовать: в силовых схемах, в основном трёхфазных.

Исторически самая первая библиотека из всего семейства. Изначально разрабатывалась даже не в Mathworks, а в компании Hydro Quebec - это такое РусГидро, только в Канаде. Соответственно, несёт на себе отпечаток происхождения: например, резисторов или там конденсаторов тут нет вообще, а есть только активная и емкостная нагрузки. Причём, кстати, нагрузки можно задавать как косвенно, через омы, фарады и генри, так и напрямую – в ваттах и варах.

Базовые элементы здесь также в основном из области энергетики: нагрузки, линии, трансформаторы. Отдельным блоком вынесено КЗ – явление в «большой» энергетике настолько частое, что считается едва ли не номинальным. Линий два вида: по П0образной схеме замещения и с распределёнными параметрами. Последняя позволяет моделировать линии вплоть до шестифазных, причём с учётом транспонирования.

Кстати говоря, из-за своего происхождения Specialized Power Systems довольно плохо интегрируется с остальным Simscape: с электрикой ещё более-менее, через интерфейсы (Fundamental Block -> Interface elements), с механикой через электрические машины (из них можно вывести имитатор вала, механический порт), а с остальными никак. Компенсируется этот недостаток скоростью счёта: из всех четырёх библиотек эта, Specialized Power Systems, самая быстрая.

Однако вернёмся к обзору.

Библиотека электрических машин без особых сюрпризов, всё ожидаемо, но приэтом весьма добротно: так, в настройках асинхронной машины можно учесть двойную беличью клетку.

Любопытен раздел, скрывающийся в глубине вложенных разделов: Fundamental Blocks -> Measurement -> Additional Measurement. Фликерметр, измеритель фаз, измеритель небаланса, ватт- и варметры разнообразных принципов счёта – измерения на любой вкус. Рядом, в Control & Measurements, к этому набору добавляются ещё фильтры и немного временнОй логики: задержка включения/выключения, детектор фронта импульса.

Силовая электроника представлена готовыми сборками, которые могут быть построены почти на любых ЭРИ: транзисторы, тиристоры, IGBT... Единственное но: все полупроводники только в ключевом режиме, никаких усилителей. С другой стороны, где вы видели усилитель в электроэнергетике? Мегаватт эдак на парочку, да...

Интересно взглянуть на раздел приводов, Electric Drives. Он похож на аналогчный раздел в Power Systems, но, в отличе от него, напрямую интегрируется с Simulink'ом. То есть электропривода можно сразу же встраивать в контура управления без дополнительных телодвижений.

Конечно же, библиотека для моделирования электроэнергетики не могла обойтись без современных и очень модных вещей: FACTS и возобновляемая энергетика. Из возобновляемой энергетики, правда, есть только солнечная панеь и ветрогенератор (хотя ветрогенератор в двух ваориантах – асинхронный и более «продвинутый» асинхронизированный), но вот зато с FACTS главная проблема не применить блок, а вспомнить, что за устройсво он моделирует. Вот поднимите руку, кто без Википедии вспомнит, чем отличаются СТК и СТАТКОМ? А это разные блоки.

И напоследок расскажем о замечательном блоке powergui – сборнике полезнейших инструментов. Здесь есть:

• расчёт установившегося режима;
• измерение импеданса (частотная характеристика);
• Фурье-анализ;
• линеаризация и линейный анализ;
• формирование гистерезиса (для сердечников машин и трансформаторов);
• расчёт RLC-параметров длинной линии;
• анализ потока мощности.

При некоторой доле фантазии одбрую треть задач можно решить даже без симуляции – одними инструментами powergui.

Итак, наш обзор завершён. Надеюсь, теперь разница менжду всеми четырьмя способами моделирования электрики стала для вас немного яснее.