در بسیاری از پروژه‌های مهندسی برق، به‌خصوص در حوزه سیستم‌های قدرت، ماشین‌های الکتریکی و الکترونیک قدرت، نیاز به ایجاد مدل‌های سفارشی وجود دارد. کتابخانه Simscape Electrical Specialized Power Systems در محیط Matlab و Simulink مجموعه گسترده‌ای از بلوک‌های آماده را برای شبیه سازی سیستم‌های قدرت فراهم می‌کند، اما در برخی کاربردهای پیشرفته، کاربران نیاز دارند ساختار داخلی این بلوک‌ها را تغییر داده یا مدل‌های اختصاصی خود را ایجاد کنند.

یکی از کاربردهای مهم در این زمینه، ایجاد ارتباط میان مدل‌های Simulink و Simscape Electrical Specialized Power Systems است. این ارتباط به مهندسان اجازه می‌دهد تا الگوریتم‌های کنترلی، مدل‌های ریاضی سفارشی و زیرسیستم‌های توسعه‌یافته در Simulink را در کنار مدارهای قدرت و تجهیزات الکتریکی موجود در Specialized Power Systems استفاده کنند. در این شبیه سازی، نحوه ایجاد یک مدل سفارشی برای ماشین سنکرون و روش اتصال آن به محیط Simscape Electrical Specialized Power Systems بررسی می‌شود.

معرفی شبیه سازی مدل ماشین سنکرون سفارشی

در این مثال، بلوک ماشین سنکرون به عنوان نمونه‌ای برای نمایش نحوه ارتباط میان Simulink و Simscape Electrical Specialized Power Systems انتخاب شده است. هدف اصلی، بررسی ساختار داخلی بلوک ماشین سنکرون و نحوه ایجاد نسخه سفارشی آن با استفاده از اجزای موجود در Simulink و بلوک‌های پایه سیستم قدرت است.

در ساختار شبیه سازی، دو مدار مشابه به صورت موازی در نظر گرفته شده‌اند. مدار بالایی، راه‌اندازی موتور سنکرون را با استفاده از بلوک آماده موجود در کتابخانه Specialized Power Systems انجام می‌دهد. این مدل از بلوک استاندارد ماشین سنکرون استفاده می‌کند و تمام روابط الکتریکی و مکانیکی داخل این بلوک به صورت آماده در اختیار کاربر قرار دارد.

مدار دوم، عملکرد مشابهی دارد اما به جای استفاده مستقیم از بلوک ماشین سنکرون آماده، یک مدل سفارشی ساخته شده در محیط Simulink مورد استفاده قرار گرفته است. در این مدل، بخش‌های داخلی ماشین سنکرون استخراج شده و امکان تغییر، توسعه و اضافه کردن قابلیت‌های جدید به آن فراهم شده است.

همچنین یک نسخه سفارشی دیگر از بلوک ماشین سنکرون استاندارد نیز ارائه شده است که با استفاده از تابع power_customize در بلوک powergui ایجاد شده است. این قابلیت به کاربران اجازه می‌دهد تا ساختار داخلی برخی بلوک‌های Specialized Power Systems را مشاهده کرده و مطابق نیازهای خود تغییر دهند.

بررسی ساختار داخلی بلوک ماشین سنکرون

برای درک بهتر نحوه سفارشی‌سازی مدل‌ها، ابتدا ساختار داخلی بلوک استاندارد ماشین سنکرون بررسی می‌شود. با باز کردن پوشش داخلی این بلوک، دو زیرسیستم اصلی مشاهده می‌شود که وظیفه مدل‌سازی رفتار الکتریکی و مکانیکی ماشین را بر عهده دارند.

زیرسیستم Source بخش اصلی مدل الکتریکی ماشین را تشکیل می‌دهد و روابط مربوط به تولید ولتاژ، جریان‌های داخلی و رفتار میدان مغناطیسی را پیاده‌سازی می‌کند. همچنین زیرسیستم SM_mechanics وظیفه مدل‌سازی قسمت مکانیکی ماشین شامل سرعت، گشتاور و دینامیک حرکت روتور را بر عهده دارد.

نکته مهم این است که این زیرسیستم‌ها تنها از عناصر اختصاصی سیستم قدرت تشکیل نشده‌اند، بلکه ترکیبی از بلوک‌های Simulink و بلوک‌های پایه موجود در Specialized Power Systems هستند. این ساختار ترکیبی امکان توسعه مدل‌های پیچیده‌تر را برای کاربران فراهم می‌کند.

ایجاد مدل سفارشی ماشین سنکرون با Simulink

در مدل سفارشی، ساختار داخلی ماشین سنکرون به سه بخش اصلی تقسیم شده است. این تقسیم‌بندی باعث می‌شود ارتباط میان محیط Simulink و Simscape Electrical Specialized Power Systems به شکل استاندارد و قابل توسعه انجام شود.

اولین بخش با عنوان Measurement System شناخته می‌شود. این قسمت شامل بلوک‌های اندازه‌گیری ولتاژ و جریان است که وظیفه تبدیل سیگنال‌های الکتریکی موجود در Specialized Power Systems به سیگنال‌های قابل استفاده در Simulink را بر عهده دارند.

از آنجا که ساختار سیگنال‌دهی در Simulink با محیط سیستم‌های قدرت متفاوت است، وجود این بلوک‌های واسط اهمیت زیادی دارد. این بلوک‌ها امکان پردازش داده‌های اندازه‌گیری شده، اجرای الگوریتم‌های کنترلی و انجام محاسبات ریاضی را در محیط Simulink فراهم می‌کنند.

بخش دوم با نام Simulink System Model هسته اصلی مدل ماشین سنکرون را تشکیل می‌دهد. این قسمت شامل زیرسیستم‌های Source و SM_mechanics است که از مدل استاندارد ماشین سنکرون استخراج شده‌اند. در این بخش، کاربر می‌تواند سیگنال‌های داخلی را تغییر داده، روابط جدید اضافه کند یا رفتار ماشین را مطابق نیاز پروژه اصلاح نماید.

بخش سوم با عنوان Current Injection System وظیفه تبدیل سیگنال‌های تولید شده در Simulink به سیگنال‌های قابل استفاده در Specialized Power Systems را دارد. این فرآیند با استفاده از منابع جریان کنترل‌شده انجام می‌شود که نقش رابط بین دو محیط شبیه سازی را ایفا می‌کنند.

روش استاندارد ارتباط Simulink و Specialized Power Systems

به طور کلی، برای ایجاد مدل‌های سفارشی که بتوانند در کنار مدارهای سیستم قدرت استفاده شوند، باید از یک ساختار واسط استاندارد استفاده کرد. در این ساختار، بلوک‌های اندازه‌گیری مانند اندازه‌گیری ولتاژ، جریان و امپدانس برای انتقال اطلاعات از Specialized Power Systems به Simulink استفاده می‌شوند.

در مسیر برگشت نیز، منابع کنترل‌شده ولتاژ یا جریان وظیفه انتقال سیگنال‌های تولید شده در Simulink به محیط سیستم قدرت را بر عهده دارند. این روش یک الگوی مناسب برای طراحی بلوک‌های سفارشی در پروژه‌های پیشرفته Matlab محسوب می‌شود.

با استفاده از این روش، کاربران محدود به بلوک‌های آماده موجود در کتابخانه نیستند و می‌توانند تجهیزات جدید، مدل‌های ریاضی پیچیده یا الگوریتم‌های اختصاصی را در محیط Simulink طراحی کرده و سپس آن‌ها را به مدارهای قدرت متصل کنند.

نتایج شبیه سازی مدل ماشین سنکرون

پس از اجرای شبیه سازی، نتایج به دست آمده از مدل استاندارد ماشین سنکرون و مدل سفارشی ساخته شده در Simulink با یکدیگر مقایسه می‌شوند. بررسی نتایج نشان می‌دهد که هر دو مدل رفتار مشابهی دارند و پاسخ‌های الکتریکی و مکانیکی آن‌ها یکسان است.

این تطابق نشان می‌دهد که مدل سفارشی ایجاد شده توانسته است عملکرد بلوک استاندارد ماشین سنکرون را با موفقیت بازسازی کند. بنابراین، کاربران می‌توانند بدون نگرانی از تغییر رفتار سیستم، مدل‌های داخلی تجهیزات را استخراج کرده و قابلیت‌های جدیدی به آن‌ها اضافه کنند.

کاربردهای توسعه مدل‌های سفارشی در Matlab

ایجاد مدل‌های سفارشی در Simulink و اتصال آن‌ها به Simscape Electrical Specialized Power Systems کاربردهای فراوانی در تحقیقات و پروژه‌های صنعتی دارد. برای مثال، در طراحی ماشین‌های الکتریکی جدید، سیستم‌های کنترل پیشرفته، مبدل‌های قدرت و تجهیزات شبکه برق، ممکن است مدل آماده‌ای وجود نداشته باشد یا مدل موجود نیاز به تغییر داشته باشد.

در چنین شرایطی، مهندس می‌تواند مدل ریاضی موردنظر را در Simulink پیاده‌سازی کرده و با استفاده از بلوک‌های واسط، آن را به یک مدار واقعی در محیط Specialized Power Systems متصل کند. این قابلیت باعث افزایش انعطاف‌پذیری محیط Matlab برای شبیه سازی سیستم‌های پیچیده می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه سازی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان بین محیط Simulink و Simscape Electrical Specialized Power Systems ارتباط برقرار کرد و یک مدل سفارشی از ماشین سنکرون ایجاد نمود. استفاده از بلوک‌های اندازه‌گیری، منابع کنترل‌شده و ساختارهای داخلی قابل توسعه، امکان طراحی تجهیزات جدید و اصلاح مدل‌های موجود را فراهم می‌کند.

با استفاده از این روش، کاربران می‌توانند محدودیت‌های مدل‌های آماده را برطرف کرده و مدل‌های اختصاصی خود را برای کاربردهای مختلف مهندسی برق توسعه دهند. این قابلیت یکی از ویژگی‌های مهم Matlab در زمینه شبیه سازی سیستم‌های قدرت، ماشین‌های الکتریکی و طراحی سیستم‌های کنترلی پیشرفته محسوب می‌شود.