بخشی از مقاله
چکیده -
شبیه سازی روشی است که مهندسین را قادر می سازد تا بدون نیاز به مشاهده قطعات درون یک سیستم سازوکار آن سیستم را درک کنند. شبیه سازی متخصصان را قادر می سازد که بدون نیاز به آزمایش بر روی پروژه های عملی که مسلما هزینه بر و زمان بر است, بتوانند روند کار سیستم را در شرایط مختلف تجزیه و تحلیل کرده و سیستم هایی با بهره وری بالاتری طراحی کنند.
امروزه نرم افزارهای بسیاری به عنوان شبیه ساز سیستم ها به بازار عرضه شده اند. اگر چه که این شبیهسازها ابزارهای قدرتمندی هستند اما برای کار با آنها باید از دانش کاملی در زمینه برق برخوردار بود. در این مقاله ابتدا مدل شبیه سازی قسمتهای مختلف یک ایستگاه برق را در حالت ایزوله بررسی میکنیم. سپس این قسمتهای جداگانه را با یکدیگر ترکیب کرده تا مدل شبیهسازی شده کامل سیستم را به دست آوریم. همان طور که پیش از این گفته شد در این مقاله برای شبیهسازی از روش باند گراف استفاده میکنیم. در نهایت مدل شبیهسازی شده را با شبیهسازی همین سیستم در یک برنامه کامپیوتری مقایسه میکنیم.
-1 مقدمه
در مهندسی برق از شبیه سازی به عنوان ابزاری ضروری استفاده می شود به ویژه در هنگام کار با سیستم هایی پیچیده. در واقع مطالعه سیستمهای الکترونیکی تحت شرایط ثابت و هنگامی که اتصالات کمی در سیستم باشد بسیار آسان است. اما هنگامی که با سیستمی پیچیده که برای مطالعه ساختار آن احتیاج به تحلیل های کیفی و کمی داریم روبرو شویم, مسئله به طور قابل توجهای پیچیدهتر می شود .
در روش شبیهسازی به این علت که نیاز به ساخت نمونه-های مداری کم میشود در وقت و هزینه صرفهجویی میشود. شبیهسازی کامپیوتری[ 1 ] به ما کمک میکند که قبل از ساخت مدارها آن ها را طراحی کنیم. با استفاده از شبیهسازی کامپیوتری نه تنها میتوانیم سیستم های الکترونیکی را طراحی کنیم, بلکه در مقایسه با نمونه سازی واقعی میتوانیم سیستم-های با بهرهوری بالاتری نیز خلق کنیم به طوری که میتوان بدون صرف هزینه و زمان برای ساخت نمونه مداری رفتار این سیستمها را در شرایط مختلف و به صورت لایه به لایه تحلیل کرد. هم چنین تنها با تغییر اندازه پارامتر های مختلف مدارمی-توان به فهم عمیقتری از رفتار سیستم در حالات گوناگون دست یافت. در این مقاله به شبیهسازی یک ایستگاه برق با استفاده از یک نرم افزار و از طریق روش باندگراف میپردازیم.
-2 المان های یک ایستگاه برق
سیستم ما, سیستمی است سه فاز و فرض بر این است که هر سه فاز به صورت معادل و مشابه عمل میکنند. بنابراین می-توانیم مطالعه خود را تنهابه بررسی المانهای مختلف یکی از فازها محدود کنیم.
شکل - 1 - مدار یک فاز از یک سیستم الکترونیک معمولی را نشان میدهد. در این شماتیک درگاههای ورودی فعال - اکتیو - خط های - - L1,L2 و هم چنین درگاههای فعال خروجی - خطوط - L3,L4 را مشاهده میکنید. این دیاگرام چگونگی اتصال دو درگاه ورودی به یک بار و درگاه های خروجی را به بار دیگر نمایش می دهد. که این اتصال به درگاه های مختلف باعث وجود ورودی و خروجی به صورت موازی می شود و انتقال دهنده توان بین ورودی و خروجی قرار می گیرد.
برای داشتن چنین مداری به یک سری المان احتیاج داریم که در ادامه به شرح آنها می پردازیم.
-1-2کلیدها در یک سیستم الکترونیکی برای رسیدن به هدف غایی
سیستم, اعمال گوناگونی ملزم به اجرایی شدن هستند. اعمالی برای قطع و وصل جریان و یا زمین کردن .
یک کلید خودکار وظیفه برقراری و قطع جریان را در شرایط عادی به عهده دارد هم چنین که توانایی برقراری جریان برای زمان مشخصی و قطع آن را در شرایط خاص مانند اتصال کوتاه داراست. در شبیه سازی باند گراف کلید می تواند به عنوان مقاومتی که با بقیه مدار به صورت سری بسته شده است نمایش داده شود. و مقادیر مقاومت نیز به عنوان پارمتر های شرایط در نظر گرفته می شوند . اگر کلید بسته باشد مقاومت صفر محسوب می شود و اگر کلید باز باشد کلید به عنوان مقاومت مدار باز در نظر گرفته می شود که از برقراری جریان جلوگیری می کند
برای باز و بسته کردن یک کلید مقدار مقاومت را می توان بر اساس تابعی بر حسب زمان در نظر گرفت و یا مقداری منتج از سایر پارامتر ها. در صورتی که مورد دوم مد نظر باشد در هنگامی که جریان در برخی از المان ها از حد خود تجاوز کند می توان از رله ها استفاده کرد.
کنتاکتور ها نیز به همین شیوه یک سیستم الکترونیک معمولی مدل سازی می شوند با این تفاوت که عمل کردنشان در شرایط طبیعی یا غیر طبیعی مدار در بازه ای از زمان مشروط است. این المان برای قطع و وصل جریان در شرایط عادی و هم چنین در شرایط غیر طبیعی مدار مانند اضافه بار ویا شرایط غیر طبیعی مدار در بازه ای از زمان مانند اتصال کوتاه به کار می رود. در واقع از کنتاکتورها در درگاه های ورودی L1و L2 مدار و در درگا های خروجی L3 و L4 به صورت انتقال دهنده های شدت جریان و ولتاژ استفاده شده است.
شکل2 :نمودار یک سوئیچ در باند گراف
در برخی مواقع به دلایل امنیتی از یک قطعه اتصالی مکانیکی استفاده می شود که وظیف این قطعه برقراری شرایط فاصله شکست در مواقع لزوم است. به همین دلیل است که در باس های ورودی و خروجی کات اف قرار داده ایم. این مدل قطعات هنگامی که جریانی که باید برقرار یا قطع شود بسیار ناچیز باشد و یا هنگامی که در ترمینال های کات اف تغییر ولتاژ چندانی نداشته باشیم مدار را قطع و وصل می کنند.
نوعی از کات آف موجود است که برای زمین کردن قسمت های مختلف مدار از آن استفاده می کنیم. این نوع کات آف توانایی برقرا رکردن جریان در شرایط غیر طبیعی مانند اتصال کوتاه برای مدت زمان معینی را دارند. مدل سازی کات اف های نوع اول مانند مدل سازی کلید هاست با این تفاوت که شرایط عمل کردشان باید تحت شرایط عمل کرد کلید مربوطه شان باشد. نوع دوم کات آف ها نیزکه برای زمین کردن قطعات استفاده می شود با قرار دادن یک زمین به صورت سری در مدار شبیه سازی می شود.
شکل3 :زمین مدار با باند گراف
- -1 1 بارها
صرف نظر از مدل سازی بارها همواره در ذهن داریم که در یک انشعاب الکترونیکی جریان بین مسیر های منتهی به انشعاب تقسیم می شود و ولتاژ ها برابر ند.در شبیه سازی باند گراف به این نوع مدل, مدل انشعاب نوع صفر می گویند جایی که جریان ورودی با جمع جریان های خروجی از گره برابر است در حالی که ولتاژ ها برابرند . در سیستم سه فاز 5 - - بار ها به صورت ستاره و یا مثلث می توانند به هم متصل شوند.
در یک بار سه فاز ستاره ای ایزوله مقاومت ها و سلف ها از آن جایی که المان های باند گراف مان در حالت سری است به صورت نوع یک به هم متصل می شوند. و متعا قبا برای این که پتانسیل خنثی حالت ستاره را داشته باشیم خطوط سه فاز با اتصال نوع صفر به هم وصل می شوند..اگر سیستم با زمین خنثی شده باشد محل گره های سه فاز باید به پتانسیل صفر متصل شوند که می توان با اتصال گره به یک پتانسیل صفر این امر را نمایش داد.
شکل4 :با ر سه فاز ستاره ای با اتصال به زمین
-5-2 - 2- 1 منابع
همانند بارها منابع ولتاژی که در باند گراف نمایش می دهیم منابع ایده آل هستند که به صورت ثابت در ترمینال ها قرار دارند و میزانشان مستقل از بار است. برخلاف منابع ایده آل اختلاف پتانسیلی که از منابع واقعی ایجاد می شود مستقل از باری که به آن متصل می شود نیست. بنابراین می توان یک منبع ولتاژ واقعی را به صورت یک منبع ولتاژ ایده آل Us شبیه سازی کرد که مقاومت Rg با آن سری شده است.
برای شبیه سازی یک منبع ولتاژ واقعی یک پورت مقاومتی به صورت نوع یک یعنی به صورت سری باید به سیستم اضافه شود. و در نهایت با متصل کردن هرسه فاز منبع ولتاژ به صورت ستاره یا مثلث یک سیستم سه فاز خواهیم داشت. قابل ذکر است که یک منبع ولتاژ سه فاز با متصل کردن منابع ولتاژ به صورت نوع یک و اتصال همگی به یک گره نوع یک و وصل گره به یک منبع ولتاژ صفر به عنوان زمین قابل دست یابی است.
شکل:5منبع سه فاز ولتاژ با اتصال به زمین
- -3 1 ترانسفورماتور
ترانسفورماتور ها از دو سیم پیچ تشکیل شده اند و می توانند توان الکتریکی را از یک سطح شدت ولتاژ به توانی در سطح ولتاژی دیگر تبدیل کنند. بخش الکترومغناطیسی در آن ها از یک سیم پیچ و یک هسته تشکیل شده است.
سیم پیچی ها به دور هسته با تعداد دور فرضی N1 و N2 سیم پیچ های اولیه و ثانویه را ایجاد می کنند. وقتی که جریانی متناوب در سیم پیچ اولیه جاری می شود. شاری متناوب در هسته تولید می شود که جهت اش با استفاده از قانون آمپر قابل محاسبه است. به دلیل نوسانات متناوب این شار نیروی الکترو مغناطیسی در هسته ها تولید می شود که نتیجه اش تولید ولتاژ در ترمینال های سیم پیچ ثانویه است. که رابطه بین دو سیم پیچ به قرار زیر است.
