Моделирование АД в Matlab

Рисунок 5.16 - 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 5.17 совместно с динамической механической характеристикой.

Рисунок 5.17 - Пусковая динамическая характеристика (синяя) на холостом ходу и естественная механическая характеристика (красная)

 

Рабочие характеристики при нагружении двигателя от скорости холостого хода до нагрузки 130% от номинальной представлены на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 - Рабочие характеристики

5.3 Сравнение моделей  АД в неподвижной системе координат  и модели на базе виртуальной  асинхронной машины

 

По результатам моделирования полученных в разделах 4 и 5 видно, что переходные процессы скорости и момента при пуске и ступенчатом набросе нагрузке, динамические механические характеристики, а также естественные механические характеристики абсолютно идентичные. Это доказывает, что блок виртуальной асинхронной машины AD в своей структуре имеет математические уравнения обобщённой асинхронной машины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ  ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

 

6.1 Программа работы

 

6.1.1 Ознакомление с  программой MatLab

6.1.2 Объект исследования

6.1.3 Исследование АД  с короткозамкнутым ротором

6.1.3.1 Ознакомление со  схемой лабораторной работы

6.1.3.2 Ввод данных в  модель

6.1.3.3 Определение пускового  момента и тока при коротком  замыкании

6.1.3.4 Снятие динамической характеристики при параметрах короткого замыкания

6.1.3.5 Снятие естественной  механической характеристики

6.1.3.6 Построение естественных  рабочих характеристик

6.1.3.7 Снятие искусственных  механических характеристик при

- разных значениях U₁

- разных значениях f₁

- разных значениях f₁ и

6.1.4 Исследование АД  с фазным ротором

6.1.4.1 Ознакомление со  схемой лабораторной работы

6.1.4.2 Ввод данных в  модель

6.1.4.3 Пуск при заданном  пусковом сопротивлении

6.1.4.4 Снятие естественной  механической характеристики

6.1.4.5 Построение естественных  рабочих характеристик

6.1.4.6 Снятие искусственных  механических характеристик при

- разных значениях R_2доб

- разных значениях U₁

- разных значениях R_2доб и U₁

6.2 Ознакомление с программой MatLab и пакетом Simulink

 

После вызова программы MATLAB 6.5 на экране появляется окно MATLAB, представленное на рисунок 6.1. В нём могут отображаться несколько окон, главными являются Окно команд, Текущий каталог и Рабочая область. По необходимости через меню Вид, которое располагается на передней панели, можно настроить окна по собственному желанию.

 

Рисунок 6.1 - Окно MATLAB

 

В командном окне появляются символы команд, которые набираются пользователем с клавиатуры, отображаются результаты выполнения этих команд, текст  исполняемой программы и информация об ошибках выполнения программы, распознанных системой.

В окне текущего каталога отображается содержимое выбранной  для работы папки: различные модели, м-программы, файлы данных, фигуры.

В окне рабочей области  отображаются временные данные текущего сеанса работы: параметры, вводимые в  схему, результаты вычислений и измерений, время модели, выходные данные.

Признаком того, что программа MATLAB готова к восприятию и выполнению очередной команды, является наличие в последней строке командного окна знака приглашения (»), справа от которого расположен мигающий курсор.

В верхней части окна (под заголовком) находится строка меню. Для того чтобы открыть какое-либо меню, следует установить на нём  указатель мыши и нажать её левую  кнопку. Наиболее необходимые для  работы команды, такие как: открыть  имеющийся или создать новый файл, сохранить или распечатать и т.д. расположены в меню Файл и представлены на рисунке 6.2.

 

Рисунок 6.2 - Команды меню Файл

 

Для удобства работы, на переднюю панель вынесены кнопки первой необходимости:

- с помощью кнопки (…) выбирается  текущий для работы каталог, рядом отображается путь к нему.

- кнопка с изображением чистого  листа служит для создания  нового файла программы, а кнопка  с изображением папки для открытия  уже имеющегося файла.

- кнопка с изображением блоков  служит для запуска программного пакета Simulink, при её нажатии появляется окно библиотеки Simulink представленное на рисунке 4.1. Из этого окна можно создать новый файл модели (рисунок 4.2) и из имеющихся в библиотеке блоков собрать необходимую модель.

Описание пакета Simulink рассмотрено в разделе 4.

 

6.3 Объект исследования

 

В лабораторной работе исследуются  асинхронные двигатели серии 4А  с исполнением по степени защиты IP 44 для АД с короткозамкнутым ротором и с исполнением IP 23 для АД с фазным ротором. Паспортные данные, этих двигателей приведены в таблицах П1-П2 и П4-П5:

- номинальная выходная  мощность Р_2н,

- номинальный коэффициент  полезного действия η_н,

- номинальный коэффициент  мощности статорной обмотки сosφ_н,

- момент инерции на  валу машины J кг×м²,

- номинальный электромагнитный момент М_н,

- кратность пускового  момента М_п / М_н,

- кратность максимального  момента М_к / М_н,

- кратность пускового  тока I_1п / I_1н,

- критическое скольжение  ротора S_k= 25 %,

- номинальное скольжение  ротора S_н= 3.6 %.

- параметры Г-образной схемы замещения (рисунок 4.3) в относительных единицах:

в номинальном режиме:

- активное и реактивное  сопротивления R`<sub>1*</sub>, X`_1*,

- активное и реактивное  сопротивления R``<sub>2*</sub>, X``_2*,

- реактивное сопротивление  взаимоиндукции X_m*,

в режиме короткого замыкания:

- активное и реактивное  сопротивления R``<sub>2*кз</sub>, X``_2*.

 

В таблицах П3 и П6 приведены  значения величин, необходимых для  моделирования и рассчитаны по данным таблиц П1-П2 и П4-П5:

- добавочное сопротивление R_{2 доб},

- потери в стали P_st,

- коэффициент трения F_tr,

в номинальном режиме:

- активное  сопротивление и индуктивность  рассеяния фазы статора R_s, L_s,

- активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`<sub>r</sub>, L`_r,

- индуктивность взаимоиндукции L_m,

в режиме короткого замыкания:

- активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`<sub>r кз</sub>, L`_{r кз},

 

6.4 Исследование АД  с короткозамкнутым ротором

 

Описание принципа действия, устройства, способов пуска и регулирования  скорости приведено в разделе 2.

 

6.4.1 Ознакомление со  схемой лабораторной работы

Для выбора схемы необходимо в окне MATLAB (рисунок 6.1) выбрать в качестве текущего каталога папку, в которой находится файл со схемой асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: «C:\MATLAB6p5\work\AD\AKZ\AKZ.mdl». На экране появится схема модели  лабораторной работы для исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, представленная на рисунке 6.3.

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 или 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 («n, M»; «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f»; «n, M, I1»), рабочие характеристики, блок «U1. I1. P1», усилитель «-К-».

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

 

Рисунок 6.3 - Схема модели лабораторной работы для исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

 

6.4.2 Ввод данных в  модель

Данные исследуемого двигателя для своего варианта (таблицы П1 и П3) необходимо ввести в модель, для этого необходимо дважды щёлкнуть левой кнопкой мыши по блоку асинхронной машины AD и в открывшемся окне ввести данные двигателя (рисунок 5.4). В качестве примера использован двигатель 4А112М4У3.

 

6.4.3 Определение пускового  момента и тока при коротком  замыкании

Опыт короткого замыкания  асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором соответствует питанию  обмотки статора при заторможенном  роторе. Опыт проводится с целью  определения пускового момента и пускового тока [4].

Для проведения опыта  необходимо открыть блок AD и изменить параметры Rotor [Rr'(ohm)  Llr'(H)] на соответствующие параметры ротора при коротком замыкании R`<sub>2 кз</sub> и L`_{r кз} для заданного варианта, а также переключить блок K_Z (рисунок 5.7) в нижнее положение щёлкнув на нём дважды левой кнопкой мыши. Это приведёт к переключению на схему, когда электромагнитный момент подаётся на вход М2. В этом случае ω=0 и получается режим короткого замыкания.

Запустить систему на моделирование нажатием на кнопку и в установившемся режиме (когда показания блоков перестанут изменяться) остановить моделирование нажатием на кнопку , записать пусковой момент М_п и пусковой ток I_1п с цифровых дисплеев «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f» и

«n, M». Определить кратность пускового тока и пускового момента . Сравнить полученные значения с паспортными.

 

6.4.4 Снятие динамической  характеристики при параметрах  короткого замыкания

Опыт проводится с  параметрами двигателя из пункта 6.4.3. Блок K_Z переключить в верхнее положение, это приведёт к переключению схемы в режим снятия характеристик, а также переключить блок Klych и Dinamika (рисунок 5.7) в верхнее положение и открыв блок М2 (рисунок 4.12), установить в нём значение равное 0.

Запустить систему на моделирование, двигатель начнёт разгоняться, и скорость дойдёт до холостого хода, в установившемся режиме остановить модель. Открыть блок «Построение  механической характеристики» при  этом вызовется подпрограмма построения характеристики в графическом окне Figure и построит динамическую механическую характеристику пуска двигателя (рисунок 6.4). Если необходимо, вызвать редактор свойств осей через меню Edit→Axes properties (рисунок 6.5) и изменить пределы осей X и Y до удобных. Через меню File→Export сохранить характеристику как рисунок, предварительно создав для этого на диске собственную папку. Окно с характеристикой закрыть. В блоке «n, M, I1=f(t)» просмотреть переходные процессы скорости, момента и тока статора во времени (рисунок 6.6). Нажатие сочетания клавиш «Alt + Print Screen» на клавиатуре приведёт к копированию активного окна в буфер, т.е. окна с переходными процессами, откуда их можно вставить в графическую программу Paint или в Word. Сохранить рисунок с переходными процессами в ранее созданной папке для создания отчёта.

Рисунок 6.4 - Динамическая механическая характеристика двигателя  при пуске без нагрузки с параметрами  короткого замыкания

Рисунок 6.5 - Редактор свойств  осей

 

Рисунок 6.6 - Переходные процессы скорости, момента и тока статора во времени при пуске двигателя без нагрузки с параметрами короткого замыкания

6.4.5 Снятие естественной  механической характеристики 

Механической характеристикой  называют зависимость частоты вращения ротора от вращающего электромагнитного момента.

Механическая характеристика называется естественной, если она  соответствует номинальному напряжению, номинальной частоте и отсутствию внешних сопротивлений в цепях  обмоток [6].

По методике пункта 6.4.2 ввести в блок AD параметры номинального режима. Блок Klych и Dinamika переключить в нижнее положение. В блоке α•М2 (рисунок 4.13) задать скорость нарастания нагрузки Slope равной 0,15•М_н. Это значение обуславливается тем, что при большой скорости нарастания нагрузки механическая характеристика становится динамической и появляется отклонение от естественной характеристики, что наглядно видно из рисунка 6.7, а при очень маленькой скорости нарастания нагрузки процесс вычисления занимает много времени.

Рисунок 6.7 – Механические характеристики при различных значениях α

 

Запустить систему на моделирование, двигатель начнёт разгоняться  и скорость дойдёт до холостого хода, по завершении переходного процесса блок α•М2 начнёт нагружать двигатель  и в блоке XY (рисунок 4.18) будет отображаться статическая механическая характеристика. При нагрузке больше критической двигатель остановится и прейдёт в режим противовключения. При отрицательной частоте вращения приблизительно равной 0.3ּn₁ об/мин остановить модель. Открыв блок «Построение механической характеристики» вызовется подпрограмма построения  механической характеристики в графическом окне Figure, окно с характеристикой не закрывать.

Повторить опыт, предварительно изменив в блоке α•М2 скорость нарастания нагрузки в поле Slope на отрицательное значение. При отрицательной нагрузке двигатель прейдёт в генераторный режим с отдачей электроэнергии в сеть. При частоте вращения приблизительно равной 2ּn₁ об/мин остановить модель. Повторно открыть блок «Построение механической характеристики», при этом снятая новая характеристика построится вместе с уже имеющейся (рисунок 6.8).

Рисунок 6.8 - Механическая характеристика АД во всех режимах  работы

Вызвать редактор свойств  осей и изменить пределы осей X и Y до удобных. Сохранить характеристику на диске как рисунок и закрыть окно.