Моделирование электромеханических систем

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Цель работы:

Синтез и анализ модели электропривода постоянного тока с независимым возбуждением.

Общее описание электрических машин постоянного тока

Машиной постоянного тока называется машина с механическим коллектором, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую энергию постоянного тока, или электрической энергии постоянного тока в механическую энергию.

В первом случае машина работает в режиме генератора, во втором случае - в режиме двигателя.

Машины постоянного тока нашли широкое применение, несмотря на то, что стоимость их выше, чем машин переменного тока. Это объясняется тем, что они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении регулирования частоты вращения, пуска, реверса и допускают более высокие перегрузки по сравнению с машинами переменного тока в режиме двигателя, а также благодаря возможности экономично, плавно и в широких пределах регулировать напряжение, разнообразию рабочих характеристик - в режиме генератора.

Достоинства:

1.простота устройства и управления;

2.практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя;

3.легко регулировать частоту вращения;

4.хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент);

5.так как МПТ являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в

генераторном режимах.

Недостатки:

1.дороговизна изготовления;

2.необходимость профилактического обслуживания коллекторнощёточных узлов;

3.ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

41

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Рис. 19 Электрическая машина постоянного тока "общего вида"

где:

Н1Н2-обмотка независимого возбуждения;

Ш1Ш2-обмотка параллельного возбуждения;

С1С2обмотка последовательного возбуждения;

К1К2компенсационная обмотка;

D1D2-обмотка добавочных полюсов;

Я1Я2обмотка якоря.

Г-режим генератора;

D- режим двигателя.

Напряжение на зажимах машины постоянного тока уравновешивается э.д.с., наводимой в обмотке якоря, и величиной падения напряжения на сопротивлении цепи якоря

где: “+” - режим двигателя; “-“ - режим генератора.

42

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Сопротивление якорной цепи	включает в себя следующие
составляющие:

где:

Ra' - собственное сопротивление обмотки якоря;

Rc -сопротивление включенных последовательно с якорем обмоток;

Rщк - сопротивление щеточного контакта.

Падение напряжения под парой щеток согласно ГОСТ 11828-75 принимается постоянным и равным 2В.

где: Iaн -номинальный ток в обмотке якоря.

Э.Д.С. машины постоянного тока определяется по формуле:

где:

Ф - основной магнитный поток в воздушном зазоре; n - частота вращения;

ce - постоянная для каждой машины величина.

Магнитный поток создается всеми обмотками возбуждения и в процессе работы машины изменяется вследствие изменения тока и м.д.с. в последовательной обмотке и размагничивающего действия поперечной реакции якоря Φqd:

Используя описанные выше формулы, получим уравнение цепи якоря машины постоянного тока “общего вида”, удобное для анализа рабочих свойств машины:

43

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Из этого же уравнения можно получить и выражение для тока якоря, потребляемого машиной постоянного тока из сети в режиме двигателя:

а также зависимость частоты вращения двигателя от тока якоря

которая называется скоростной характеристикой.

Используя это выражение и формулу для электромагнитного момента, развиваемого машиной постоянного тока

где: см - постоянный для каждой машины коэффициент, можно получить зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу, которая называется механической характеристикой:

Как правило, машины постоянного тока пускаются в ход с добавочным сопротивлением (пусковым реостатом), включаемым последовательно в цепь якоря. Это связано с тем, что сопротивления цепи якоря у машин средней и большой мощности очень мало и пусковой ток может достигать значительной величины. При включении пускового реостата пусковой ток уменьшается

Пусковой реостат Rп предназначен лишь для кратковременного включения в цепь якоря на время пуска.

44

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Для уменьшения времени пуска развиваемый машиной момент должен быть наибольшим. Это достигается при максимальном потоке возбуждения Ф. Поэтому пуск машины должен проводиться при максимальном токе возбуждения, т.е. обмотка возбуждения должна быть включена на полное напряжение.

Частоту вращения машин постоянного тока можно регулировать тремя способами:

1.изменением величины магнитного потока Ф (тока возбуждения);

2.изменением величины питающего напряжения;

3.введением в цепь якоря добавочного реостата Rд .

DC Machine (Машина постоянного тока)

Описание:

Моделирует электрическую машину постоянного тока

Порты модели A+ и A- являются выводами обмотки якоря машины, а порты F+ и F- представляют собой выводы обмотки возбуждения. Порт TL предназначен для подачи момента сопротивления движению. На выходном поту m формируется векторный сигнал, состоящий из четырех элементов: скорости, тока якоря, тока возбуждения и электромагнитного момента машины.

Рис. 20 Модель машины постоянного тока

45

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Цепь якоря машины представлена последовательно включенными элементами: Ra - активное сопротивление якорной цепи, La - индуктивность якорной цепи и E_FCEM - ЭДС обмотки якоря (управляемый источник напряжения).

Параметры:

Armature resistance and	Активное сопротивление Ra (Ом) и
inductance Ra (ohms) La (H)	индуктивность La (Гн) цепи якоря
Field resistance and	Активное сопротивление Rf (Ом) и
inductance Rf (ohms) Lf (H)	индуктивность Lf (Гн) цепи возбуждения
Field-armature mutual	Взаимная индуктивность между цепью якоря и
inductance Laf (H)	цепью возбуждения двигателя (Гн)
Total inertia J (kg.m^2)	Момент инерции двигателя J (кг*м^2)
Viscous friction coefficient	Коэффициент вязкого трения Bm (Н*м*с)
Bm (N.m.s)
Coulomb friction torque Tf	Реактивный момент сопротивления Tf (Н*м)
(N.m)
Initial speed (rad/s)	Начальная угловая скорость вала двигателя
	(рад/с)

Universal bridge (Универсальный мост)

Описание:

Моделирует универсальный мост. Модель позволяет выбирать количество плеч моста (от 1 до 3), вид полупроводниковых приборов (диоды, тиристоры, идеальные ключи, а также полностью управляемые тиристоры, IGBT и MOSFET транзисторы, шунтированные обратными диодами). В модели можно также выбрать вид зажимов A, B и C (входные или выходные). В

46

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

качестве примера, представлены схемы тиристорного трехфазного моста для обоих вариантов вида входных зажимов.

Рис. 21 Варианты входных и выходных зажимов блока

Universal bridge

Параметры:

Number of bridge arms Snubber resistance Rs (Ohm) Snubber capacitance Cs (F) Power Electronic device Measurements

Число плеч моста

Cопротивление демпфирующей цепи (Ом)

Емкость демпфирующей цепи (Ф)

Вид полупроводниковых устройств моста

Измеряемые переменные. Параметр позволяет выбрать, передаваемые в блок Multimeter, переменные, которые затем можно увидеть с помощью блока Scope. Значения параметра выбираются из списка:

None - нет переменных для отображения,

Device voltages - напряжения на полупроводниковых устройствах,

Device currents - токи полупроводниковых устройств,

UAB UBC UCA UDC voltages - напряжения на зажимах моста.

47

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

All voltages and currents - все напряжения и токи моста.

Отображаемым сигналам в блоке Multimeter присваиваются метки:

Usw1, Usw2, Usw3, Usw4, Usw5, Usw6 -

напряжения ключей,

Isw1, Isw2, Isw3, Isw4, Isw5, Isw6 - токи ключей,

Uab, Ubc, Uca, Udc - напряжения на зажимах моста.

Кроме приведенных выше параметров, в окне диалога задаются параметры и для выбранных полупроводниковых приборов.

Исследование машины постоянного тока независимого возбуждения

Под механической характеристикой электрической машины принято понимать зависимость его скорости вращения от момента нагрузки f (M ).

Рис. 22 Механические характеристики МПТ с НВ при различных сопротивлениях в якорной цепи, различных потоках и при различных напряжениях на якоре.

Вид этих характеристик определяет и область их использования при регулировании скорости вращения машин постоянного тока: в области скоростей¸ меньших номинальной используется регулирование напряжения на якоре¸ а в области больших – уменьшение магнитного потока машины.

48

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Практические задания:

Задание 1

Собрать модель электропривода с независимым возбуждением. Исследовать его работу в режиме пуска при различных параметрах питания обмоток якоря и возбуждения.

Показания:

скорость, ток якоря, ток возбуждения и электромагнитный момент (на разных полях одного осциллографа)

диаграмму электромагнитного момента от скорости

Исходные данные для модели:

Амплитуда напряжения источника переменного		380	В
	напряжения
	Частота питания источника	50	Гц
Амплитуда напряжения источника постоянного		300	В
	напряжения
	Машина постоянного тока	№15
Ток ограничения в цепи якоря		50/100	А
Ограничение напряжения в обмотке возбуждения		50/100	%

Должно получиться 4-е эксперимента.

49

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Рис. 23 Модель электропривода постоянного тока с независимым возбуждением

Контрольные вопросы:

1.Опишите модель электропривода, изученную в работе, способ управления электроприводом.

2.Нарисуйте принципиальные электрические схемы преобразователей, используемых в работе.

3.Назовите способы регулирования скорости в машинах постоянного тока. Какой способ используется в данной работе?

4.Что изменится в модели, если возбуждение будет последовательным? Как изменятся характеристики?

5.Что произойдёт, если запустить электропривод постоянного тока с независимым возбуждением и с последовательным возбуждением на холостом ходу (без нагрузки)?

50