Дипломная работа: Разработка виртуальной лабораторной работы на базе виртуальной асинхронной машины в среде MATLAB

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 R2доб

- разных значениях U1

- разных значениях R2доб и U1

6.2 Ознакомление с программой MatLab и пакетом Simulink

После вызова программы MATLAB 6.5 на экране появляется окно MATLAB. 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.

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 6.1.

Рисунок 6.1 - 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 Р2н,

- номинальный коэффициент полезного действия ηн,

- номинальный коэффициент мощности статорной обмотки сosφн,

- момент инерции на валу машины J кг×м2,

- номинальный электромагнитный момент Мн,

- кратность пускового момента Мп / Мн,

- кратность максимального момента Мк / Мн,

- кратность пускового тока I1п / I1н,

- критическое скольжение ротора Sk= 25 %,

- номинальное скольжение ротора Sн= 3.6 %.

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

в номинальном режиме:

- активное и реактивное сопротивления R`1*, X`1*,

- активное и реактивное сопротивления R``2*, X``2*,

- реактивное сопротивление взаимоиндукции Xm*,

в режиме короткого замыкания:

- активное и реактивное сопротивления R``2*кз, 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 R2 доб,

- потери в стали Pst,

- коэффициент трения Ftr,

в номинальном режиме:

- активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы статора Rs, Ls,

- активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`r, L`r,

- индуктивность взаимоиндукции Lm,

в режиме короткого замыкания:

- активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`r кз, 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 6.2.

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 6.2 - 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`2 кз 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 Мп и пусковой ток I1п 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 6.3). Если необходимо, вызвать редактор свойств осей через меню Edit→Axes properties (рисунок 6.4) 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 6.5). 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 6.3 - Динамическая механическая характеристика двигателя при пуске без нагрузки с параметрами короткого замыкания

Рисунок 6.4 - Редактор свойств осей

Рисунок 6.5 - 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 задать скорость нарастания нагрузки Slope равной 0,15•Мн. 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 6.6, а при очень маленькой скорости нарастания нагрузки процесс вычисления занимает много времени.

Рисунок 6.6 – 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 6.7).

Рисунок 6.7 - 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.

6.4.6 Построение естественных рабочих характеристик

При изменении нагрузки двигателя изменяются токи в обмотках, мощности, частота вращения и другие эксплуатационные показатели. Под рабочими характеристиками поминают зависимость подводимой мощности, тока, скольжения, КПД и коэффициента мощности от отдаваемой мощности на валу при неизменных значениях напряжения, частоты тока питающей сети и внешних сопротивлений в цепях обмоток [6].

Рабочие характеристики снимают при увеличении нагрузки от холостого хода до 1.3 номинальной. Опыт производится аналогично пункту 6.4.5 при параметрах номинального режима. Скорость нарастания нагрузки в блоке α•М2 должна быть 0.15•Мн.

Запустить систему на моделирование, при нагрузке более 1.3 от номинальной (показания контролировать на цифровом дисплее «n, M») остановить модель. Открыв блок «Построение рабочих характеристик» получить снятые характеристики (рисунок 6.8) и сохранить их на диске как рисунок.

Рисунок 6.8 - Рабочие характеристики

Повторить опыт, сняв одну точку при нагрузке М2=0.5ּМн. Для этого необходимо переключить блок Klych в верхнее положение и в блоке М2 установить значение равное 0.

Запустить систему на моделирование, после разгона двигателя до холостого хода открыть блок М2 и установить в нём заданную нагрузку. В установившемся режиме снять показания: n, M2, P1, I1 и по этим данным рассчитать рабочие характеристики при заданной нагрузке по формулам:

,

,

,

,

к входной мощности добавляется мощность потерь в стали рсm1, так как в модели она не учитывается.

6.4.7 Снятие искусственных механических характеристик

Характеристики, не соответствующие номинальным значениям напряжения и частоты тока питающей сети, а также при наличии сопротивлений в цепях обмоток называют искусственными [6].

Во всех опытах ключ Dinamika в нижнем положении.

Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях U1 и построить их в одних осях. Естественная характеристика снимается при U1= U1н. Для снятия искусственных характеристик необходимо задать напряжение U1< U1н, открыв блок «Ввод данных», при этом на экране появится меню (рисунок 5.12). Нажав кнопку «Амплитуда фазного напряжения (V, B)» в окне команд MATLAB появится приглашение ввести новое значение напряжения, следует ввести его и нажать «Enter» (рисунок 6.10), по завершении ввода данных нажать «Выход».

Рисунок 6.9 - Приглашение ввести новое значение напряжения в окне команд MATLAB

Опыт проводить по методике пункта 6.4.5 при значениях напряжения 0.5U1н, 0.75U1н и U1н, снятие характеристики в генераторном режиме не производить. Результаты представлены на рисунке 6.9.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8