• Регистрация
Роман Мнев
Роман Мнев +13.18
Руководитель группы
  • Написать
  • Подписаться

Simscape Electrical: для всех и для каждого (часть 2)

Мехатроника и Робототехника,  Электропривод и силовая электроника 
04.09.2019

Продолжаем разговор о моделировании электротехники в среде Matlab&Simulink с помощью библиотеки Simscape Electrical. В первой части мы приняли разделение всей электротехники на пять больших основных ветвей: полупроводниковая схемотехника, силовая электроника, электромеханика, электроэнергетика и электропривод – и посмотрели, как моделировать первые две, а сегодня поговорим о суровых и надёжных «рабочих лошадках» – электрических машинах.

Электромеханика

Если вы пользовались Симулинком лет пять-семь назад и моделировали там электрические машины, то наверняка вы это делали с помощью SimPowerSystems. И это был единственный вариант – Simscape ещё только появлялся и напоминал скорее игрушку, так что приходилось либо делать всё самому ручками, либо пользоваться разработкой Hydro Quebec. Однако с тех пор прошло немало времени, и Simscape заметно вырос и возмужал: у него теперь есть Simscape -> Simscape Electrical -> Power Systems -> Machines, где собраны весьма неплохие модели электрических машин. При этом и старая добрая SimPowerSystems тоже никуда не пропала, просто теперь она входит в Simscape Electrical и называется Specialized Power Systems. Весьма любопытно сравнить старую и новую библиотеки.

Новая, во-первых, гораздо лучше интегрируется с остальным Simscape’ом. Хитроумный частотный преобразователь даёт ток на электромотор, который через редуктор вращает насос, тот накачивает воду в бак, там она испаряется и подаётся в систему вентиляции и так далее, пока хватит фантазии – подобные цепочки в Simscape собираются легко и непринуждённо. Во-вторых, там есть некоторые модели, которых нет в старой – например, однофазный асинхронник.

Преимущества старой – это, во-первых, скорость. Одна и та же схема в старой библиотеке будет моделироваться раза в полтора быстрее, чем в новой. Ну и во-вторых, кое-какие фундаментальные вещи пока есть только ней: например, хотя учёт насыщения есть и там и там, гистерезис можно задать только в старой (у неё для этого даже есть отдельный редактор).

Ну и, конечно, огромное количество legacy-моделей, они же «наследие предков»: почти по любой задаче из электромеханики в вузах либо НИИ есть наработки, сделанные в SimPowerSystems, и их с минимальными доработками можно использовать и сейчас.

Итого: если вас интересует поведение электрической машины самой по себе, то берите Specialized Power Systems. Если нужна интеграция с другими дисциплинами, то вам нужен Power Systems. В остальных случаях надо смотреть по месту.

Электроэнергетика

Эта дисциплина очень близка к предыдущей, поэтому разделим их: электромеханика – это всё, что между валом электрической машины и её выводами, электроэнергетика – между выходным валом турбины и разъёмами потребителей. Параллельная работа генераторов, групповая регуляция активной мощности, магистральные и распределительные линии, компенсация реактивки, перетоки мощностей – вот это вот всё.

И вот тут-то без Specialized Power Systems – просто как без рук. Регулятор возбуждения, по нескольким стандартам? Пожалуйста. Машина двойного питания для ветрогенератора? Присутствует. ЛЭП как длинная линия, то есть с распределёнными параметрам? Можно. Или по П-образной схеме замещения? Тоже можно. Многообмоточные трансформаторы, отпайки на стороне ВН, схема соединений «зигзаг»? Всё есть. Нагрузка не в Омах, а сразу в ваттах и варах? И такое тоже есть. Ну и чисто интерфейсное удобство – очень легко подключить регулятор, собранный в Simulink (и, возможно, настроенный в нём же – вы же знаете о Design Optimization?). Так что всяческие АВР, АРЧМ, ГРАМ и прочие страшные аббревиатуры строятся и настраиваются легко и непринуждённо.

Многое из этого можно проделать и в Power Systems, на блоках Simscape, но получится не всё, к тому же он будет просто медленнее работать. Из интерфейсных удобств, пожалуй, возможность переключаться между видом «отдельные провода» и «трёхфазная шина».

Но, конечно, нельзя забывать, что Simscape – это всё же не RastrWin, у него другие задачи. В Simscape теоретически можно смоделировать сколь угодно большую сеть, но больше пары сотен узлов уже тяжело обрабатывать (кстати, строить такие модели лучше автоматически, а то можно и умом тронуться, если с нуля расставлять 200 узлов). Всё же ниша Simscape – это расчёт одного-двух узлов, но зато очень точный.

Электропривод

Прошлую дисциплину – злектроэнергетику – мы закончили на разъёмах потребителей, а электропривод тут как раз только начинается. Сразу оговоримся, что под электроприводом мы понимаем электропривод автоматизированный, то есть снабжённый хотя бы минимальными функциями управления. А это значит, что с точки зрения моделирования физического объекта он чётко разбивается на три части: преобразователь, машина и нагрузка. При системном моделировании добавляется ещё четвёртая часть – алгоритмы управления.

О преобразователях и электрических машинах мы уже говорили, механика – ну, сейчас речь не о ней, алгоритмы вообще в Simulink’е, а мы про Simscape… Так что же, всё уже рассмотрели?

Нет. Электропривод – это, в первую очередь, про интеграцию, про совместную работу. Классический пример – вентильные электродвигатели, состоящие, по сути, из синхронной машины с постоянными магнитами и тиристорного мостового преобразователя. Соответственно, и смоделировать его хоть и можно по отдельности, целесообразнее взять уже готовый блок вентильного двигателя, или BLDC (Brushless DC Motor). Конкретно такой блок есть и в старой Specialized Power Systems, и в новой Power Systems. Впрочем, неудивительно: BLDC сейчас очень популярны в качестве мотор-колёс для персонального транспорта (гироскутеры, моноколёса, электросамокаты – это же всё BLDC). Если смотреть шире, то в новой библиотеке ассортимент больше: например, есть отдельный блок электропривода для радиоуправляемых моделей. Но в старой есть один очень интересный раздел, который так и называется: Electric Drives. Там собраны уже не просто электропривода в сборе, а целые системы: например, электропривод с контролем момента или двигатель с векторным управлением.

Ценность этих блоков в том, что их можно напрямую использовать в системных моделях, в которых один конкретный электропривод не играет особой роли. Если их, например, десяток, да ещё и все разные… С готовыми блоками всё просто: собираем систему как из кубиков, убеждаемся, что всё крутится-едет-качается в нужную сторону, только после этого потихоньку детализируем модель, заменяя готовые блоки своими, ради разработки которых, в общем-то, всё и делалось.

Здесь опять нужно сделать оговорку. Если сложность системы (а точнее, фокус вашего внимания) лежит в области электрических соединений и цепей, а нагрузку можно принять, например, «ветиляторной» и моделировать двумя-тремя блоками Simulink – тогда лучше подойдёт Specialized Power System. Если же привода либо не очень важны, а важно то, как они соединяюся на стороне механики, либо какие-то специфические, вроде того же мотора радиоуправляемой игрушки – то тут уже с большим запасом выигрывает новая, Power Systems.

 

На этом мы завершаем обзорную статью по Simscape Electrical. В ней я постарался коротко описать, какой инструмент в каких случаях будет правильнее применить. Если у вас остались вопросы, то прошу задавать их в комментариях. Если наберётся много интересного, будет продолжение статьи)

Спасибо за внимание!

 

Теги

      04.09.2019

      Комментарии