Моделирование энергетических систем

Трехфазные системы

Теоретическое введение

В большинстве случаев электроэнергия генерируется с помощью тепловых электростанций, гидроэлектростанций, ветрогенераторов и дизельных генераторов. В основе их работы лежат электрические машины, генерирующие переменный ток в процессе вращения ротора. На практике обычно используется трехфазный ток и напряжение. Угол между обмотками генератора, а, следовательно, и угол сдвига между электрическими фазами составляет .

Сбалансированная трехфазная цепь имеет ряд преимуществ перед однофазной цепью.

В Engee библиотека блоков Электричество содержит блоки, позволяющие моделировать трехфазные электрические цепи.

Вы можете измерить напряжение в трехфазной цепи, используя блок Line Voltage Sensor (Three-Phase) (Датчик линейного напряжения (3 фазы)). При измерении любой трехфазной величины формируется матрица из трех столбцов, столбцы которой соответствуют фазам A, B и C.

Блоки трехфазных датчиков Engee позволяют измерять ток, линейное напряжение, фазное напряжение, активную и реактивную мощность.

Блоки для моделирования трехфазных цепей

Создадим первую трехфазную схему: источник питания с резистивной нагрузкой. Библиотека Электричество содержит как однофазные, так и трехфазные версии многих компонентов. Значок порта указывает, какой тип подключения может быть выполнен; трехфазные порты обозначены тильдой ~.

В трехфазной области напряжение на компоненте положительное от порта ~1 до ~2; другими словами, V = V( ~1)-V( ~2).

✏️Задание 1

Начните построение модели:

1. Создайте новую модель.
2. Добавьте в модель следующие блоки:

• Solver Configuration (Настройки решателя);
• Electrical Reference (Электрическое заземление);
• Voltage Source (Three-Phase) (Источник переменного напряжения (3 фазы));
• RLC (Three-Phase) (Ветвь RLC (3 фазы));
• Grounded Netral (Three-Phase) (Заземление нейтрали (3 фазы)).

3. Последовательно соедините блоки Voltage Source (Three-Phase) и RLC (Three-Phase), чтобы создать схему, в которой трехфазный источник напряжения питает трехфазную нагрузку. При этом порт ~ блока источника напряжения должен быть соединен с портом ~1 блока нагрузки. К порту n источника напряжения подключите блок Electrical Reference, а к порту ~2 блока нагрузки – блок Grounded Netral (Three-Phase). К любой точки цепи подключите блок Solver Configuration.

Решение

Блок RLC (Three-Phase) может быть сконфигурирован таким образом, чтобы представлять собой различные комбинации последовательно или параллельно включенных резисторов, катушек индуктивности или конденсаторов. В этом упражнении вы смоделируете простую резистивную схему.

Значение параметра Component structure (структура компонента) для блока по умолчанию установлено на R, что указывает на то, что он представляет собой резистивную нагрузку.

✏️Задание 2

Задайте параметры блоков:

1. В окне настроек блока Voltage Source (Three-Phase) задайте значение параметра Rated voltage (phase-to-phase RMS) (среднеквадратичное линейное напряжение) равным 120 В, а значение параметра Frequency (частота) – равным 50 Гц.

2. В окне настроек блока RLC (Three-Phase) задайте значение параметра Resistance (сопротивление) равным 10 Ом.

Решение

Окно настроек блока Voltage Source (Three-Phase):

Окно настроек блока RLC (Three-Phase):

Как и в других физических доменах, для трехфазной электрической цепи существуют собственные блоки датчиков. Они находятся в библиотеке Физическое моделирование -> Электричество -> Датчики. Различные блоки позволяют измерять ток, фазное напряжение, линейное напряжение и мощность.

В следующем задании вы будете использовать трехфазный блок датчика тока.

✏️Задание 3

Добавьте в модель блок Current Sensor (Three-Phase) (датчик тока (3 фазы)). Подключите его между блоками Voltage Source (Three-Phase) и RLC (Three-Phase), причем порт ~1 блока датчика тока должен быть подключен к порту ~ блока Voltage Source (Three-Phase), а порт ~2 блока датчика тока – к порту ~1 блока RLC (Three-Phase).

Решение

✏️Задание 4

Завершите построение модели:

1. Добавьте в модель блок Mux (Мультиплексор), находящийся в библиотеке Базовые -> Маршрутизация. В окне настроек блока задайте значение параметра Number of inputs (Число входов) равным 3. Подключите три входных порта блока Mux к трем портам I блока Current Sensor (Three-Phase).
2. Подключите блок Terminator к выходному порту блока Mux. Залогируйте выходной сигнал.
3. В окне настроек модели задайте время моделирования равным 0.04 с, а размер шага – 0.0001 с.
4. Запустите модель и постройте график зависимости трехфазного тока от времени.

Решение

Модель:

График результатов моделирования:

Измерение тока и напряжения в трехфазной цепи

В следующем упражнении вы будете использовать комбинированный блок датчика для измерения как тока, так и напряжения в узле.

✏️Задание 5

Модифицируйте вашу модель:

1. Удалите из модели блок Current Sensor (Three-Phase). Вместо него добавьте в модель блок Current and Voltage Sensor (Three-Phase) (Датчик тока и напряжения (3 фазы)). Соедините порты ~1 и ~2 этого блока с портами блоков источника напряжения и нагрузки так же, как был подключен блок Current Sensor (Three-Phase).
2. Скопируйте и вставьте в модель по одному экземпляру блоков Mux и Terminator. Соедините выход блока Mux со входом блока Terminator. Залогируйте выход нового блока Мультиплексор.
3. Подключите три входных порта одного из блоков Мультиплексор к трем портам I блока Current Sensor (Three-Phase).
4. Подключите три входных порта второго блока Mux к трем портам V блока Current Sensor (Three-Phase).
5. Запустите модель и постройте графики зависимости трехфазного тока и напряжения от времени.

Решение

Модель:

График тока:

График напряжения:

Измерение мощности в трехфазной цепи

В следующем упражнении мы рассмотрим модель электрической цепи, состоящей из источника трехфазного напряжения и резистивной нагрузки, соединенной по схеме «звезда». Такая нагрузка моделируется блоком Wye-Connected Load.

Подсистема Power measurement предназначена для измерения мощности в трехфазной цепи:

С помощью блоков амперметра и вольтметра измеряются трехфазные ток и напряжение. Эти величины сначала мультиплексируются, а затем подаются на вход блока Power (Three-Phase, Instantaneous), который вычисляет трехфазную мгновенную активную мощность (в Вт) и реактивную мощность (в ВАр). В этой модели рассчитывается только активная мощность, значение которой поступает на выходной порт подсистемы Power measurement.

✏️Задание 6

1. Откройте модель Измерение мощности в трехфазной цепи.engee.
2. Запустите модель и постройте график зависимости мгновенной активной мощности в цепи от времени.

Решение

Тест для получения сертификата

Пройти тест по разделу >>