Моделирование электромеханических систем

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОД. АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ

РОТОРОМ.

Цель работы:

Синтез и анализ модели асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором.

Общее описание асинхронной машины

Асинхронной машиной называется электромеханический преобразователь¸ в котором возникновение момента на валу ротора возможно лишь при различных скоростях вращения магнитного поля и ротора. Трехфазные асинхронные машины с короткозамкнутым ротором благодаря своей технологичности¸ надежности¸ низкой стоимости и большому сроку службы составляют основную долю мирового парка электрических машин. Основными элементами конструкции асинхронной машины являются статор и ротор.

Рис. 24 Механические характеристика асинхронного привода

Вкачестве рабочих характеристик приняты зависимости:

скорости вращения ротора n = f(P2);

вращающего момента на валу машины М2 = f(P2);

тока статора I1 = f(P2);

коэффициент полезного действия cos 1 = f(P2).

51

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Эти характеристики позволяют находить все основные величины¸ которые определяют режимы работы двигателя при различных нагрузках. Их можно получить либо по схеме замещения, либо экспериментально.

Рис. 25 Рабочие характеристики асинхронного привода

Регулирование частоты вращения

Современный электропривод развивается в направлении расширения применения регулируемых и автоматизированных приводов, с помощью которых решаются новые технологические задачи, повышается точность обработки изделий, увеличивается производительность оборудования. Асинхронные двигатели составляют более 50% по мощности и более 80% по количеству используемых двигателей в мире и их доля в новых разработках постоянно увеличивается.

Рис. 26 Регулирование скорости в асинхронном приводе

Наиболее совершенным способом управления асинхронными двигателями является частотное управление. Оно осуществляется с помощью электронных преобразователей частоты (ПЧ). Вход ПЧ подключается к однофазной или трехфазной сети переменного тока, а на его выходе

52

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

формируется система трехфазных переменных напряжений или токов, амплитуда и частота которых задается соответствующими сигналами управления. Коэффициент полезного действия современных ПЧ составляет от 0,8 до 0,95. Они изготавливаются на мощности двигателей от десятков ватт до сотен киловатт. Регулирование выходной частоты происходит плавно в диапазоне до 1:100, а при установке соответствующих датчиков и до нескольких тысяч. Механические характеристики при частотном управлении при снижении частоты смещаются параллельно, заполняя непрерывно всю область между номинальной и минимальной частотой.

Такое же смещение, но дискретно можно получить путем применения специальных многоскоростных двигателей, у которых можно переключать обмотки статора, изменяя число пар полюсов p. При этом синхронная скорость вращения изменяется обратно пропорционально p. Этот способ является наиболее простым и доступным, но обладает очень ограниченными возможностями.

Управлять частотой вращения можно также изменяя напряжение питания. При этом максимальный момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения, а критическое скольжение остается постоянным. Этот способ имеет очень низкий КПД. Кроме того, при снижении напряжения питания резко снижается перегрузочная способность двигателя. Поэтому его можно использовать только в замкнутых системах управления для машин малой мощности. Однако с широким распространением электронных преобразователей частоты этот способ утратил свое значение и в настоящее время практически не применяется.

Последним способом управления асинхронными двигателями является способ изменения сопротивления цепи ротора. Этот способ может использоваться только в двигателях с фазным ротором, но для машин этого типа он является основным. Достоинством способа является простота и возможность регулирования скорости в пределах. 1:10 с сохранением перегрузочной способности двигателя. При изменении добавочного сопротивления максимальный момент остается постоянным, а изменяется критическое скольжение вплоть до 1,0. Недостатками его являются большие потери в добавочном сопротивлении, мягкие искусственные механические характеристики и относительно небольшой диапазон регулирования.

53

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Asynchronous machine (Асинхронная машина)

Описание

Моделирует асинхронную электрическую машину в двигательном или генераторном режимах. Режим работы определяется знаком электромагнитного момента машины.

Порты модели A, B и С являются выводами статорной обмотки машины, а порты а, b и с - обмотки ротора машины. Порт Tm предназначен для подачи момента сопротивления движению. На выходном поту m формируется векторный сигнал, состоящий из 21 элемента: токов, потоков и напряжений ротора и статора в неподвижной и вращающейся системах координат, электромагнитного момента, скорости вращения вала, а также его углового положения. Для удобства извлечения переменных машины из вектора в библиотеке SimPowerSystems предусмотрен блок Machines Measurement Demux. Модель асинхронной машины включает в себя модель электрической части, представленной моделью пространства состояний четвертого порядка и модель механической части в виде системы второго порядка. Все электрические переменные и параметры машины приведены к статору. Исходные уравнения электрической части машины записаны для двухфазной (dq-оси)системе координат.

Рис. 27 Схема замещения асинхронной машины

Уравнения электрической части машины и их вывод здесь приводиться не будут ввиду их громоздкости.

Параметры:

Rotor type

Тип ротора.

54

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Reference frame

Nom. power, L-L volt. and frequency [Pn(VA), Un(V), fn(Hz)]

Stator [Rs(Ohm) Lls(H)]

Rotor [Rr(Ohm) Llr'(H)]

Mutual inductance Lm(H)

Inertia, friction factor and pairs ofpoles [J(kg*m^2) F(N*m*s) p]

Initial conditions [ s th(deg) isa, isb, isc(A) phA, phB, phC(deg)]

Значение параметра выбирается из списка:

Squirrel-Cage -короткозамкнутый ротор или <беличья клетка>

Wound - фазный ротор

Система координат.

Значение параметра выбирается изсписка:

Rotor - неподвижная относительно ротора

Stationary - неподвижная относительно статора

Synchronous - вращающаяся вместе с полем

Номинальная мощность Pn (ВА), действующее линейное напряжение Un (В) и номинальнаячастота fn (Гц)

Сопротивление Rs (Ом) и индуктивность Ls (Гн) статора

Сопротивление Rs (Ом) и индуктивность Ls (Гн) ротора

Взаимная индуктивность (Гн)

Момент инерции J (кг*м^2), коэффициент трения F (Н*м*с) и число пар полюсов p

Начальные условия.

Параметр задается в виде вектора каждый элемент которого имеет следующие значения:

s - скольжение

th - фаза (град.)

isa, isb, isc - начальные значения токов

55

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

статора (А)

phA, phB, phC - начальные фазы токов статора (град.)

Начальные условия машины могутбыть вычислены с помощью блока Powergui.

Практические задания:

Задание 1

Собрать модель асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором. Исследовать его работу в режиме пуска при различных параметрах питания.

Показания:

напряжения на обмотках статора (на одном поле осциллографа)

токи в обмотках статора (в координатах a,b,c) (на одном поле осциллографа)

скорость и момент (на разных полях одного осциллографа)

диаграмму электромагнитного момента от скорости

Исходные данные для модели:

		400/
Амплитуда напряжения источника переменного		Постепенное	В
	напряжения	увеличение
		от 0 до 400
Скорость нарастания напряжения при пуске		1000/10000	В/с
	Частота питания источника	50/100	Гц
	Асинхронная машина	№19
	Частота ШИМ	1000	Гц

Должно получиться 6-ть экспериментов.

56

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Рис. 28 Модель асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором

Контрольные вопросы:

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

2.Объясните графически, как происходит процесс широтноимпульсной модуляции.

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

4.Предложите способ улучшения управления данным электроприводом.

5.Что произойдёт, если на вал электропривода будет приводить в движение транспортное средство (при каких условиях сопротивления движению оно тронется, при каких нет)?

57

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Цель работы:

Изучение работы электроподвижного состава в режиме пуска, выбега и торможения. Получение и анализ кривых движения.

Работа электроподвижного состава в режимах пуска, выбега и торможения.

Движение транспортного средства по рельсовым путям или дорогам имеет сложный характер. Поступательное движение ТС вдоль оси пути неразрывно связано с вращением колес и роторов тяговых двигателей. На это полезное поступательное перемещение накладываются колебательные движения, которые возникают как из-за внешних воздействий на транспортное средство со стороны пути и окружающей среды, так и в результате сил взаимодействия между отдельными составляющими ТС и их частями, имеющими между собой упругие и жесткие связи. Для упрощения рассмотрения движения учитывают только поступательное его движение и связанное с ним вращательное движение роторов тяговых двигателей, колес редукторов и движущих и поддерживающих колес или колесных пар.

Различают три основных режима движения поезда: режим тяги (движение под током), режим выбега (движение без тока) и режим торможения.

В режиме тяги к поезду приложена сила тяги, развиваемая тяговыми электродвигателями. В режиме выбега тяговые двигатели отключаются от источника питания и транспортное средство движется по инерции за счет накопленной кинетической или потенциальной энергии под действием сил сопротивления движению. В режиме торможения действуют направленная против движения поезда тормозная сила и силы сопротивления.

Движение ТС по рельсовому или безрельсовому пути характеризуется зависимостями скорости от пройденного пути, скорости от времени и пути от времени, называемыми кривыми движения. Расчет этих зависимостей проводят путем решения уравнения движения, которое в дифференциальной форме устанавливает связь между скоростью, временем и пройденным путем.

При рассмотрении движения транспортного средства вводят следующие два допущения: ТС, имеющий физическую массу, принимают за материальную точку, которая расположена условно в центре тяжести

58

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

подвижного состава; эта материальная точка движется поступательно под воздействием полной равнодействующей сил сопротивления движению, тяги или торможения и называемой силой, действующей на ТС. Эта сила направлена по движению подвижного состава и может быть как положительной, так и отрицательной.

Уравнение движения применяется в двух видах, известных под названием первой и второй формы.

Первая форма уравнения движения дает зависимость между ускорением поезда и силой, действующей на поезд:

где mф — физическая масса поезда, кг; V — поступательная скорость поезда, м/с; t — время движения, с; (1 + ) — коэффициент, учитывающий затрату части действующей силы на создание углового ускорения вращающихся частей поезда и называемый коэффициентом инерции вращающихся частей.

Произведение называют приведенной массой поезда, т.е. уравнение представляет собой выражение второго закона Ньютона, в котором вместо физической массы mф подставлена приведенная масса m поезда:

Вторую форму уравнения движения можно получить из первой, умножив и разделив левую часть уравнения на dL, чтобы в дальнейшем

уравнение содержало скорость В результате исходное уравнение приводится к следующему виду:

где L — путь, проходимый поездом, м.

Рассмотрим уравнение движения применительно к разным видам движения поезда. Чтобы привести поезд в движение, к нему нужно

59

	НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ	Кафедра ЭТ
	МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

приложить силу тяги. Сила тяги поезда F создается моментом установленных на нем тяговых двигателей. Однако наличия только силы тяги недостаточно для управления поездом, так как она всегда действует в направлении его движения или равна нулю. Для остановки поезда к нему необходимо приложить силу, направленную в сторону, противоположную движению. Она создается тормозными средствами и называется тормозной силой В. Сила тяги F и тормозная сила B являются управляемыми силами. Существуют еще неуправляемые силы. Они составляют силы W сопротивления движению.

Положительным направлением для силы тяги F является направление движения поезда, а для тормозной силы В и силы сопротивления движению W — направление, противоположное движению. Равнодействующей всех сил, одновременно приложенных к поезду, является действующая сила

Врежиме тяги к поезду приложены сила тяги F и силы сопротивления движению W:

Врежиме выбега на поезд действуют только силы сопротивления движению:

Врежиме торможения к поезду приложены тормозная сила В и силы сопротивления движению W:

Врезультате получаем уравнения, описывающие разные режимы движения. Например, в режиме тяги

Аналогично можно получить уравнения в режиме выбега и торможения.

60