Crear y simular modelos trifásicos compuestos y expandidos

En este ejemplo, se crea y analiza un modelo de Simscape™ Electrical™ sencillo que simula el comportamiento de una fuente de tensión de CA trifásica alimentando una carga trifásica puramente resistiva. Después, se modifica la carga en este modelo para cambiarla por:

Una carga trifásica reactiva
Una carga trifásica resistiva expandida en fases individuales
Una carga trifásica expandida que no tiene la misma resistencia en cada fase

Para ver la versión completa del modelo que se crea en este ejemplo, en la línea de comandos de MATLAB^®, introduzca SimpleThreePhaseModel.

Seleccionar bloques de componentes del sistema y crear un modelo trifásico resistivo

Abra la página de inicio de Simulink^®. En la pestaña Home de MATLAB, seleccione el botón Simulink . De forma alternativa, en la línea de comandos, introduzca:
```
simulink
```

En la sección Simscape , encuentre las plantillas que están preconfiguradas para modelar con Simscape Electrical. Seleccione la plantilla Electrical Three-Phase. Un modelo que contiene estos bloques se abre en el área de diseño de Simulink.

Bloque	Propósito	Biblioteca
Scope	Mostrar tensiones y corrientes de fase del sistema trifásico.	Simulink > Sinks
Electrical Reference	Proporcionar la conexión a tierra para puertos de transferencia eléctrica.	Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements
PS-Simulink Converter	Convertir las señales físicas a señales de Simulink.	Simscape > Utilities
Simulink-PS Converter	Convertir señales de Simulink a señales físicas.	Simscape > Utilities
Solver Configuration	Definir la configuración de solver que aplica a todos los bloques de modelado físico.	Simscape > Utilities
Grounded Neutral (Three-Phase)	Proporcionar una conexión a tierra eléctrica para cada fase del sistema trifásico.	Simscape > Electrical > Connectors & References
Line Voltage Sensor (Three-Phase)	Medir las tensiones línea-línea de un sistema trifásico y generar como salida un vector de señal física de tres elementos.	Simscape > Electrical > Sensors & Transducers

El modelo también contiene dos enlaces en los que puede hacer doble clic para acceder a los bloques de las bibliotecas de Simscape y Simscape Electrical. Para obtener más información sobre el uso de plantillas para modelar con Simscape Electrical, consulte Modeling Analog Circuit Architectures, Mechatronic Systems, and Electrical Power Systems Using Simscape Electrical.

Elimine los bloques Simulink-PS Converter y Line Voltage Sensor (Three-Phase).

Añada estos bloques al modelo.

Bloque	Propósito	Biblioteca
RLC (Three-Phase)	Modelar las propiedades resistivas, inductivas y capacitivas de la carga trifásica.	Simscape > Electrical > Passive > RLC Assemblies
Current Sensor (Three-Phase)	Convertir la corriente eléctrica que fluye por cada fase de la carga trifásica en una señal física proporcional a esa corriente.	Simscape > Electrical > Sensors & Transducers
Phase Voltage Sensor (Three-Phase)	Convertir la tensión de cada fase del sistema trifásico en una señal física proporcional a esa tensión.	Simscape > Electrical > Sensors & Transducers
Voltage Source (Three-Phase)	Proporcionar una fuente de tensión trifásica ideal que mantiene una tensión sinusoidal a través de sus terminales de salida, independientemente de la corriente que fluya por la fuente.	Simscape > Electrical > Sources

Copie los bloques PS-Simulink Converter y Grounded-Neutral (Three-Phase) haciendo clic con el botón secundario en ellos y arrastrándolos a nuevas ubicaciones en el área de diseño.
Añada un segundo puerto de entrada al bloque Scope haciendo clic en su entrada y seleccionando el indicador interactivo que aparece.
Conecte los bloques como se muestra.
Elimine las anotaciones del área de diseño tituladas Open Simscape Library y Open Simscape Electrical Library. Guarde el modelo usando el nombre MySimpleThreePhaseModel.
Los bloques de este modelo usan puertos trifásicos compuestos. Para obtener más información, consulte Three-Phase Ports.

Especificar parámetros de simulación

Al igual que ocurre con los modelos de Simscape, se debe incluir un bloque Solver Configuration en cada red física topológicamente distinta. Este modelo tiene una única red física; por lo tanto, se debe usar un bloque Solver Configuration.

En el bloque Solver Configuration, seleccione Use local solver y establezca Sample time en 0.0001.
En modelos basados en Simscape, el solver local es un solver basado en muestreo que representa estados de red física como estados discretos. Para la mayoría de los modelos de Simscape Electrical, el solver local es adecuado como primera elección. El solver actualiza los estados del bloque una vez por unidad de tiempo de simulación, tal como determina Sample time. Para la simulación de un sistema de CA de 60 Hz, un tiempo de muestreo adecuado es un valor del orden de 1e-4. Para obtener más información sobre opciones de solver, consulte Solver Configuration.
Si prefiere utilizar un solver continuo en lugar de un solver discreto, desactive la casilla Use local solver en el bloque Solver Configuration. Después, la simulación utiliza el solver de Simulink especificado en los parámetros de configuración del modelo (Modeling > Model Settings). Para modelos de Simscape Electrical, una elección adecuada de solver es el solver moderadamente rígido ode23t. Para un sistema de CA de 60 Hz, especifique un valor para Max step size del orden de 1e-4. Para obtener más información, consulte Variable-Step Continuous Explicit Solvers.
En Simulink Editor, establezca la simulación Stop time en 0.1.

Parámetros de impedancia de cargas

El bloque RLC modela características resistivas, inductivas y capacitivas de la carga trifásica. Usar el parámetro Component structure permite especificar una combinación en serie o en paralelo de resistencia, inductancia y capacitancia.

En el bloque RLC, los valores predeterminados son:

Component structure — R.
Resistance — 1 Ω.

Usar el valor predeterminado de Component structure, R, permite modelar una carga trifásica que es puramente resistiva por naturaleza. La resistencia en cada fase es 1 Ω.

Especificar parámetros de visualización

Los bloques de sensores del modelo convierten la corriente y la tensión de cada fase del sistema trifásico a señales físicas proporcionales. Los bloques PS-Simulink Converter convierten las señales físicas en señales de Simulink para que las muestre el bloque Scope.

De estos tres tipos de bloques, solo los bloques de conversión tienen parámetros. Para este ejemplo:
- Establezca Output signal unit del bloque PS-Simulink Converter1 en V. Esta configuración garantiza que el bloque genere como salida una señal con la misma magnitud que la señal de tensión que entra en el bloque.
- Establezca Output signal unit del bloque PS-Simulink Converter2 en A. Esta configuración garantiza que el bloque genere como salida una señal con la misma magnitud que la señal de corriente que entra en el bloque.
Etiquete las señales de entrada del bloque Scope. Haga doble clic en cada línea y escriba la etiqueta adecuada, Voltages o Currents, como se muestra en la gráfica del modelo.

Ya lo tiene todo preparado para simular el modelo y analizar los resultados.

Simular y analizar el modelo trifásico resistivo

Guarde el modelo.
Simule el modelo.
Visualice las corrientes y las tensiones de fase. Haga doble clic en el bloque Scope.
En el menú del scope, seleccione View > Configuration Properties. Establezca Layout en visualización 1 por 2.
Para escalar los ejes del scope a los datos, haga clic en el botón Autoscale .

En esta simulación, el parámetro Component structure del bloque RLC (Three-Phase) especifica que las características eléctricas de la carga trifásica son puramente resistivas. Por lo tanto, para cada fase del sistema trifásico, la tensión y la corriente permanecen en fase entre sí. Dado que la resistencia en cada fase es 1 Ω, la magnitud de la tensión de fase es igual a la magnitud de la corriente de fase.

Simular y analizar un modelo trifásico reactivo

Puede modificar el modelo para crear una carga reactiva. Una carga reactiva tiene características inductivas o capacitivas.

Guarde esta versión del modelo usando el nombre SimpleThreePhaseModelReactive.
En el bloque RLC (Three-Phase), establezca:
- Component structure en Series RL
- Inductance en 0.002
Simule el modelo.
Visualice los resultados de la simulación. Autoescale los ejes del scope.
Examine los resultados más detenidamente. Por ejemplo, haga clic en el botón para hacer zoom y arrastre un cuadro sobre el primer tercio de una de las gráficas.

Las características eléctricas de la carga trifásica ya no son puramente resistivas. Dado que la carga tiene una característica inductiva, la corriente que fluye en cada fase se retrasa respecto a la tensión.

Crear un modelo trifásico equilibrado expandido

Abra el modelo trifásico resistivo MySimpleThreePhaseModel que creó inicialmente.
Elimine el bloque RLC (Three-Phase).
Arrastre dos copias del bloque Phase Splitter al modelo desde la biblioteca Simscape > Electrical > Connectors & References.
Invierta uno de los bloques Phase Splitter horizontalmente. Seleccione el bloque. En la barra de herramientas, en la pestaña Format, haga clic en Flip left-right .
Arrastre un elemento Resistor al modelo desde la biblioteca Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements.
Para crear espacio para más componentes, oculte la etiqueta del elemento Resistor. Haga clic con el botón secundario en la resistencia y seleccione Format > Show Block Name para desactivar esta opción.
Haga dos copias más del elemento Resistor.
Conecte los componentes como se muestra.
Guarde esta versión del modelo modificado usando el nombre SimpleThreePhaseModelExpandedBalanced.
Este nombre de modelo refleja que la carga modelada previamente por el bloque RLC se expande ahora en fases individuales. La carga permanece equilibrada, es decir, existe la misma resistencia en cada fase.

Crear un modelo trifásico no equilibrado expandido

Desequilibre la carga en SimpleThreePhaseModelExpandedBalanced cambiando la resistencia de una fase. Haga doble clic en el elemento resistencia de la fase c. Cambie Resistance a 2.
Guarde esta versión del modelo modificado usando el nombre SimpleThreePhaseModelExpandedUnbalanced.
Este nombre de modelo refleja que la carga trifásica modelada previamente por el bloque RLC se expande en fases individuales. La carga no está equilibrada; es decir, la resistencia de una de las fases es superior a la de las otras dos.

Simular modelos equilibrados y no equilibrados expandidos y analizar los resultados

Simule el modelo SimpleThreePhaseModelExpandedBalanced. En la barra de menús de Simulink Explorer, haga clic en el botón Run.
Visualice los resultados de la simulación. Haga doble clic en el bloque Scope.
Para escalar los ejes del scope a los datos, haga clic en el botón Autoscale .
En SimpleThreePhaseModel, el parámetro Component structure del bloque RLC (Three-Phase) especifica que la carga trifásica es puramente resistiva. En esta versión del modelo, la carga se expande en un elemento resistivo individual para cada fase, pero la resistencia de cada fase permanece sin cambios. Para cada fase del sistema trifásico, la tensión y la corriente permanecen en fase entre sí. Dado que la resistencia en cada fase es 1 Ω, la magnitud de la tensión de fase es igual a la magnitud de la corriente de fase.
Comparar estos resultados con los resultados del modelo resistivo trifásico muestra que un bloque con puertos trifásicos compuestos, el bloque RLC (Three-Phase) en el modelo original, produce resultados con la misma fidelidad que los de las fases expandidas.
Abra el modelo SimpleThreePhaseModelExpandedUnbalanced.
Simule el modelo. Autoescale los ejes del scope.

En esta versión del modelo, la fase c de la carga trifásica tiene el doble de resistencia que las otras dos. Por lo tanto, en esa fase fluye la mitad de corriente, tal como muestra la segunda gráfica. Sin embargo, dado que la carga continúa siendo puramente resistiva, la tensión y la corriente permanecen en fase entre sí.

Consulte también