Моделирование АД в Matlab

Рисунок 4.19 - Графическое окно для построения характеристик:

а) внешний вид, б) графическая область

 

4.5 Результаты моделирования

 

После запуска схемы  модели на моделирование и завершения процедуры моделирования можно  проанализировать полученные результаты.

Графический дисплей «wm, M=f(t)» отображает переходной процесс скорости и момента во времени, представленный на рисунке 4.20.

Из рисунка 4.20 видно, что при прямом пуске вначале наблюдаются значительные колебания момента и скорости. При приложении момента нагрузки, аналогично наблюдаются колебания момента и скорости, но менее значительные, чем при пуске, также видно, что при приложении момента нагрузки наблюдается уменьшение скорости.

Получив механическую характеристику (рисунок 4.21), можно увидеть, что при пуске она получается динамической и на ней также как и на рисунке 4.20 чётко виден колебательный процесс скорости и момента в виде концентрических окружностей с уменьшающимся радиусом по мере затухания колебаний скорости и момента. Аналогичная картина наблюдается при ступенчатом набросе нагрузки. Данные характеристики представлены на рисунке  4.21 и 4.22.

 

Рисунок 4.20 - Переходной процесс скорости и момента функции времени при пуске на холостом ходу и набросе нагрузки

 

 

Рисунок 4.21 - Динамическая механическая характеристика при пуске   на холостом ходу и набросе нагрузки, построенная блоком «XY»

Рисунок 4.22 - Динамическая механическая характеристика при пуске  на холостом ходу (синяя) и набросе  нагрузки (красная), построенная блоком «Построение механической характеристики»

 

При нагружении двигателя  с малой скоростью увеличения нагрузки получается характеристика, близкая к статической естественной механической характеристике. Она представлена на рисунке 4.23 совместно с динамической механической характеристикой.

Рисунок 4.23 - Пусковая динамическая характеристика (синяя) на холостом ходу и естественная механическая характеристика (красная)

5 РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ НА БАЗЕ ВИРТУАЛЬНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

 

Иную возможность анализа  АД представляет специализированный раздел по электротехнике Toolbox Power System Block. В его библиотеке имеются блоки виртуальных электрических машин и АД с короткозамкнутым и фазным ротором в том числе.

Схема виртуальной лабораторной работы для исследования двигателя с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 5.1.

 

Рисунок 5.1 - Схема модели лабораторной работы для исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

 

5.1 Поблочное описание схемы

 

Основными блоками схемы  являются: источник трёхфазного напряжения (Source), трёхфазный измеритель напряжения и тока (Three-Phase V-I Measurement), трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (AD), задатчик нагрузки (М2 и α•М2), измеритель (вывод) скорости и электромагнитного момента на валу (wm, Te).

Дополнительные блоки: переключатели (Klych и K_Z), управляемый ключ (Switch), машинное время (Clock), осциллограф (XY), шинный формирователь (Mux), цифровые и графические дисплеи («wm, M, I1»; «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f»), «Рабочие характеристики», блок «U1. I1. P1».

Блоки программ: «Ввод  данных», «Построение механической характеристики» и «Построение  рабочих характеристик».

 

Источник трёхфазного  напряжения Source (рисунок 5.2) имитирует работу трёхфазного источника синусоидального напряжения с заземлённой нейтралью N и выходами фаз А, В и С.

Настраиваемыми параметрами  являются:

Phase to ground peak voltage (V) – амплитуда фазного напряжения,

Phase angle of phase A (Degrees) – начальный фазовый угол фазы А,

Frequency (Hz) – частота напряжения,

Source resistance (Ohms), inductance (H) – сопротивление и индуктивность источника.

 

                                      а)                                                 б)

Рисунок 5.2 - Блок Source: а) внешний вид, б) окно параметров

Трёхфазный измеритель напряжения и тока Three-Phase V-I Measurement (рисунок 5.3) измеряет трёх фазное мгновенное напряжение и ток, потребляемые нагрузкой от источника.

Настраиваемыми параметрами  являются:

Voltage measurement: phase-to-ground – измерение фазного напряжения от фазы до земли,

Use a label – использовать ярлык (ссылку) вместо выхода,

In pu – система относительных единиц,

Current measurement: yes – подтверждение измерения тока.

 

                                      а)                                                 б)

Рисунок 5.3 - Блок Three-Phase V-I Measurement: а) внешний вид, б) параметры

 

Трёхфазный асинхронный  двигатель с короткозамкнутым ротором AD (рисунок 5.4) имитирует работу асинхронного двигателя с короткозамкнутым (или фазным) ротором. Составлен на основе математических уравнений.

Настраиваемыми параметрами  являются:

Nom. power Pn – номинальная мощность,

Volt Vn – номинальное линейное напряжение,

Frequency fn – номинальная частота,

Stator (Rotor) R, L – активное сопротивление и индуктивность статора и приведённого ротора,

Mutual inductance Lm – взаимная индуктивность,

Inertia J – момент инерции на валу,

Friction factor F – коэффициент трения,

Pairs of poles – число пар полюсов р,

Initial conditions – начальные данные:

скольжение, угол поворота ротора, ток трёх фаз статора, сдвиг фаз А, В, С.

 

                       а)                                                  б)

Рисунок 5.4 - Блок AD: а) внешний вид, б) параметры

Задатчик нагрузки М2 (рисунок 4.12) и задатчик нагрузки α•М2 (рисунок 4.13). Описание этих блоков рассмотрено в разделе 4.

 

Машинное время Clock (рисунок 5.5) отображает время моделирования.

Настраиваемыми параметрами  являются:

Display time – отображения времени в блоке,

Decimation – позволяет задать периодичность (через сколько дискретов времени) отображения значений времени.

 

                               а)                                         б)

Рисунок 5.5 - Блок Clock: а) внешний вид, б) параметры

 

Измеритель (вывод) «wm, Te» (рисунок 5.6) выводит для отображения различные параметры асинхронной машины. Имеет возможность выбрать необходимые для вывода параметры из имеющихся. В данной схеме выводятся значения угловой скорости и электромагнитного момента на валу.

Настраиваемыми параметрами  являются:

Machine type – тип машины,

Rotor currents [ira  irb  irc] – трёхфазный ток ротора,

Rotor currents [ir_q   ir_d] – ток ротора в осях q, d,

Rotor fluxes [phir_q   phir_d] – поток в роторе в осях q, d,

Rotor voltages [vr_q   vr_d]- напряжение в роторе в осях q, d,

Stator currents [ia  ib  ic] – трёхфазный ток статора,

Stator currents [is_q   is_d] - ток статора в осях q, d,

Stator fluxes [phis_q  phis_d] – поток в статоре в осях q, d,

Stator voltages [vs_q  vs_d] – напряжение в статоре в осях q, d,

Rotor speed [wm] – скорость вращения ротора

Electromagnetic torque [Te] – электромагнитный момент,

Rotor angle [thetam] – угол поворота ротора.

 

а)                                                  б)

Рисунок 5.6 - Блок «wm, Te»: а) внешний вид, б) параметры

 

Переключатели Klych, K_Z и Dinamika (рисунок 5.7) служат для переключения входного сигнала. Klych для переключения типа момента нагрузки на валу, K_Z для переключения на схему снятия пускового момента, а Dinamika для снятия динамической механической характеристики. Переключение происходит при двойном нажатии правой кнопкой мыши на блоке.

Настраиваемых параметров не имеет.

 

Рисунок 5.7 - Блоки Klych, K_Z и Dinamika

Управляемый ключ Switch (рисунок 5.8) служит для управляемого переключения входного сигнала. Имеет три входа, 1 и 3 - информационные, 2 - управляющий. Если величина управляющего сигнала не меньше некоторого ограничения, заданного в поле Threshold, то на выход подаётся сигнал с первого входа, в противном случае – сигнал с третьего входа. В схеме на первый вход подаётся вектор значений скорости и момента, также и на третий вход подаётся вектор скорости и момента при условии, что ключ Dinamika в верхнем положении, а на второй вход время.

Настраиваемыми параметрами  являются:

Criteria for passing first input – критерий для прохождения сигнала с первого входа,

Threshold – порог переключения входа.

 

                             а)                                         б)

Рисунок 5.8 - Блок Switch: а) внешний вид, б) параметры

 

Осциллограф XY (рисунок 4.18). Описание этого блока рассмотрено в разделе 4.

 

Шинный формирователь Mux (рисунок 4.16). Описание этого блока рассмотрено в разделе 4.

 

Графический дисплей «wm, M, I1=f(t)» (рисунок 4.15). Описание этого блока рассмотрено в разделе 4.

 

Цифровые дисплеи «wm, M», «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f» (рисунок 4.17). Описание этих блоков рассмотрено в разделе 4.

 

Блок «Рабочие характеристики» (рисунок 5.9) – это не стандартный блок, он разработан при создании данной виртуальной лабораторной работы. Внутри него реализуется расчёт рабочих характеристик по следующим формулам:

,

,

,

,

к входной мощности добавляются  потери в стали р_сm1, так как в модели они не учитываются.

 

Настраиваемых параметров не имеет.

Рисунок 5.9 - Блок «Рабочие характеристики»

 

Блок «U1. I1. P1» (рисунок 5.10) также является не стандартным. В нём реализуется преобразование входных трёхфазных напряжений и токов в действующие значения, а также вычисление активной мощности.

Настраиваемых параметров не имеет.

Рисунок 5.10 - Блок «U1. I1. P1»

 

Блоки программ: «Ввод  данных», «Построение механической характеристики» и «Построение рабочих характеристик» (рисунок 5.11) – являются ссылками на специально написанные M-программы, в которых реализуется ввод данных с помощью меню (рисунок 5.12) и графическое построение (рисунок 5.13) механической и рабочих характеристик.

 

Рисунок 5.11 - Блоки программ

 

При открытии блока «Ввод  данных», в котором реализована подпрограмма “Menu”, на экран выводится меню, в котором можно изменить параметры моделирования. Это является очень удобным элементом, так как ненужно перенастраивать саму модель и её блоки.

В меню ввода данных для  модели:

время переходного процесса – это время необходимое для  разгона двигателя до холостого  хода при исчезновении колебаний  момента и скорости,

время моделирования – время необходимое для выполнения одной процедуры моделирования,

амплитуда фазного напряжения – это номинальное значение U_1н умноженное на ,

частота – частота  питающего напряжения.

 

Рисунок 5.12 - Меню ввода данных

 

Рисунок 5.13 - Графическое окно для построения характеристик

 

5.2 Результаты моделирования

 

Графический дисплей  «wm, M=f(t)» отображает переходной процесс скорости и момента во времени, представленный на рисунке 5.14.

 

Рисунок 5.14 - Переходной процесс скорости и момента функции времени при пуске на холостом ходу и набросе нагрузки

 

Из рисунке 5.14 видно, что при прямом пуске вначале наблюдаются значительные колебания момента и скорости. При приложении момента нагрузки, аналогично наблюдаются колебания момента и скорости, но менее значительные, чем при пуске, также видно, что при приложении момента нагрузки наблюдается уменьшение скорости.

Получив механическую характеристику, можно увидеть, что при пуске  она получается динамической и на ней также как и на рисунке 5.14 чётко виден колебательный процесс скорости и момента в виде концентрических окружностей с уменьшающимся радиусом по мере затухания колебаний скорости и момента. Аналогичная картина наблюдается при мгновенном набросе нагрузки. Данные характеристики представлены на рисунках 5.15 и 5.16.

 

Рисунок 5.15 - Динамическая механическая характеристика при пуске  на холостом ходу и набросе нагрузки, построенная блоком «XY»