Лабораторная работа №9 Модель пуска АД с ФР

Лабораторная работа № 9
Моделирование асинхронного двигателя с фазным ротором в системе MatLAB с использованием библиотеки SimPowerSystems
Цель работы: освоить методику моделирования системы асинхронного электропривода с фазным ротором в системе MatLAB с использованием библиотеки SimPowerSystems.
Краткие теоретические сведения
Рассмотрим блоки, используемые в примере с асинхронным электродвигателем.
Библиотека SimPowerSystems
Библиотека SimPowerSystems находится в библиотеке SimScape (в зависимости от версии программы MATLAB расположение может быть иным, следует воспользоваться поиском по Simulink с ключевой фразой «SimPowerSystems»)

Асинхронная машина (Asynchronous Machine)
Назначение: блок предназначен для моделирования асинхронной электрической машины в двигательном или генераторном режимах, каждый из которых определяется знаком электромагнитного момента.

Порты модели A, B и С выводы статорной обмотки машины.
Порты а, b и с выводы обмотки ротора.
Порт Tm предназначен для получения момента сопротивления движению. На выходе порта 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 (в более ранних версиях MATLAB) или блок Bus Selector (из библиотеки Simulink\Signal Routing для более поздних версий MATLAB). Для асинхронного электродвигателя построены модель электрической части (уравнения четвертого порядка в пространстве состояний) и модель механической части (уравнения второго порядка). Все электрические параметры машины приведены к обмотке статора. Исходные уравнения электрической части машины записаны для двухфазной (dq-оси) системы координат.
Параметры блока (окно для настройки параметров блока вызывается двойным щелчком левой кнопки мыши ЛКМ на пиктограмме блока) (рис. 1):

Рис. 1. Окно настройки параметров блока Asynchronous Machine
Rotor type [тип ротора] выбирается из списка:
Squirrel-Cage короткозамкнутый ротор типа «беличья клетка»;
Wound фазный ротор. – выбираем фазный ротор
Reference frame [система координат] выбирается из списка:
Rotor неподвижная относительно ротора;
Stationary неподвижная относительно статора;
Synchronous вращающаяся вместе с полем.
Nom. power, L-L volt. and frequency [Pn(VA), Un(V), fn(Hz)] номинальная мощность Pn (ВА), действующее линейное напряжение Un (В) и номинальная частота fn (Гц).
Stator [Rs(Ohm) Lls(H)] сопротивление Rs (Ом) и индуктивность Ls (Гн) статора.
Rotor [Rr(Ohm) Llr'(H)] сопротивление Rs (Ом) и индуктивность Ls (Гн) ротора.
Mutual inductance Lm(H) взаимная индуктивность (Гн).
Inertia, friction factor and pairs ofpoles [J(kgm2) F(Nms) p] момент инерции J(кгм2), коэффициент трения F(Нмс) и число пар полюсов p.
Initial conditions [s th(deg)isa,isb,isc(A) phA,phB,phC (deg)] начальные условия.
Параметр задается в виде вектора, каждый элемент которого имеет следующие значения:
s скольжение;
th фаза (град.);
isa, isb, isc начальные значения токов статора (А);
phA, phB, phC начальные фазы токов статора (град.).
Начальные условия машины вычисляются при необходимости с помощью блока Powergui (см. ниже).
Блок измерения переменных электрической машины Machines Measurement Demux
Назначение: блок предназначен для извлечения переменных состояния из вектора измеряемых переменных электрической машины. Блок работает совместно с моделями синхронных и асинхронных машин.
Окно задания параметров представлено на рис. 2.
Параметры блока:
Machine type тип машины. Выбирается из списка:
Simplified synchronous упрощенная синхронная машина;
Synchronous синхронная машина;
Asynchronous асинхронная машина;
Permanent magnet synchronous синхронная машина с постоянными магнитами.

Рис. 2. Окно настройки параметров блока Machines Measurement Demux
В зависимости от выбранного типа машины в окне параметров будет отображаться разный набор выходных переменных машины. Ниже приведены доступные для измерения переменные асинхронной машины.
Rotor currents [ira irb irc] токи обмотки ротора.
Rotor currents [ir_q ir_d] проекции токов ротора на оси q и d.
Rotor fluxes [phir_q phir_d] проекции потоков ротора на оси q и d.
Rotor voltages [vr_q vr_d] проекции напряжений статора на оси q и d.
Stator currents [ia, ib, ic] A токи статора.
Stator currents [is_q is_d] A проекции токов статора на оси q и d.
Stator fluxes [phis_q phis_d] проекции потоков статора на оси q и d.
Stator voltages [vs_q vs_d] V проекции напряжений статора на оси q и d.
Rotor speed [wm] rad/s скорость ротора.
Electromagnetic torque [Te] N.m электромагнитный момент.
Rotor angle [thetam] rad угол поворота ротора.
Для извлечения требуемой переменной из вектора измеряемых переменных ее необходимо отметить флажком.
В случае более новой версии программы, необходимо воспользоваться блоком Bus-Selector в свойствах которого выбрать необходимые переменные из предлагаемого списка.
Рис. 3 – Окно настройки параметров блока Bus Selector
Пример Выполнить анализ процессов разгона и торможения асинхронного электродвигателя с фазным ротором и неподвижной относительно статора системой координат, при ступенчатом пуске с использованием пускового реостата на модели.
Задаемся количеством пусковых ступеней n = 3
Исходные данные для модели студенты могут взять, воспользовавшись предыдущими лабораторными работами по моделированию АД с КЗ ротором, для упрощения приняв, что АД с фазным ротором имеет те же параметры, за исключением того, что ротор является фазным (wound rotor). Для этого необходимо на вкладке свойств блока «Asynchronous Machine» - Configuration заменить ранее выбранную конфигурацию (Preset model) с выбранной модели двигателя на “No”, при этом на вкладке Parameters данные предыдущей модели двигателя сохраняются. Далее необходимо изменить в параметре Rotor Type Squirrel Cage’ на wound’. Условное обозначение модели АД при этом изменит свой вид
Считаем, что на рабочем участке характеристики АД с фазным ротором являются линейными.
В этом случае величины сопротивлений пусковых ступеней будут определяться как:
Определим сопротивления отдельных секций резистора на фазу
r3=rр·(
·-1),
r2= r3·
·,
r1= r2·
·,
где rp – рабочее сопротивление фазы ротора, которое принимаем равным номинальному сопротивлению фазы ротора.

· – кратность моментов переключения ступеней,
13 EMBED Equation.3 1415
где n – число пусковых ступеней,
M1 – момент максимальный, выбранный по условиям пуска (0,85МК)
МН – номинальный момент двигателя
Пример: Рассмотрим выбранный по заданной модели двигателя случай (№17 в списке моделей по умолчанию):
Pn = 15 kW; Un = 400V; f1 = 50 Hz; nn = 1460 rpm
Для данного случая сохраняется конфигурация параметров АД, представленная на рисунке 4:


Рисунок 4 – Вкладка с параметрами АД для рассматриваемого примера

Задаемся сопротивлением ротора, равным rp` = 0.2205 Ом.
Найдем номинальный и критический вращающий момент на валу двигателя:
Номинальный момент находим как
13 EMBED Equation.3 1415
Так как кратность максимального момента к номинальному для данных двигателей не приводится, но есть параметры схемы замещения АД, указанные на вкладке Parameters, можно вычислить максимальный вращающий момент АД исходя из экстремума его механической характеристики:

13 EMBED Equation.3 1415
где U1fase – фазное напряжение питания, U1fase = 400/(3 = 230 В;
rs – фазное сопротивление статора, rs = 0,2147 Ом;
xk – индуктивное сопротивление короткого замыкания,
xk = xs+ xr = 2(f1(Lis+Li`r) = 314,15((0,000991+0,000991) =0,622664 Ом;
(0 – синхронная частота вращения (0 = 1500/9,5493=157,08 рад/с.
Тогда для двигательного режима (знак «+» в знаменателе) получим
13 EMBED Equation.3 1415
(Примечание: Можно определить максимальный момент двигателя приблизительно, воспользовавшись графиком переходного процесса АД с КЗ ротором при пуске на номинальную нагрузку, определив «пик» момента при разгоне АД, при этом выбрав последний «пик» момента при приближении скорости к номинальной, т.к. первые колебания момента при пуске в динамике не соответствуют статическому максимальному моменту. Такой подход даст лишь приближенное значение Мк, см. рис. 5)

Рис.5 – Приближенное определение Мк графическим способом по переходному процессу АД

Далее определяем кратность моментов переключения ступеней:
Определим Sn = (1500-1460)/1500 = 0,02667.
Тогда
13 EMBED Equation.3 1415
Находим сопротивления секций пускового сопротивления:
r3=rр·(
·-1) = 0,2205·0,956=0,211 Ом,
r2= r3·
· = 0,211·1,956 = 0,413 Ом,
r1= r2·
· = 0,413·1,956 = 0,808 Ом.
Определим приближенные значения скоростей переключения ступеней графоаналитическим способом.
Для этого построим пусковую диаграмму, считая процесс пуска линейным, аналогично ДПТ НВ (рис.6)
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис.6 К определению скоростей переключения ступеней

Исходя из соотношения длин полученных отрезков (0-w1, 0-w2, 0-w3, 0-w0) получаем значения угловых скоростей переключения:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Функциональная схема асинхронного электродвигателя с ключевыми элементами представлена на рис. 7. Она содержит следующие блоки из библиотеки SimPowerSystems: источники переменного напряжения AC Voltage Source (раздел Electrical Sources), асинхронный электродвигатель Asynchronous Machine SI Units (раздел Machines), блок Machines Measurement Demux (раздел Measurements) или Bus Selector (раздел Simulink \ Signal Routing), трехфазная секция сопротивления Three-Phase Parallel RLC Branch (раздел Elements), трехфазный управляемый контакт Three-Phase Breaker (раздел Elements). Информационные сигналы на замыкание трехфазных управляемых контактов поступают из блоков Step в моменты времени, когда скорость достигает заданных значений w1 – w3, помощью переключателей Switch (раздел Simulink\Signal Routing).

Рис. 7. Функциональная схема асинхронного электродвигателя с элементами коммутации и измерений
Для построения схемы вызываются два окна: окно обозревателя библиотеки Simulink Library Browser кнопкой [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и окно модели через меню File/New/Model. Располагаются окна рядом на рабочем столе. В левой части окна обозревателя следует закрыть дерево Simulink, открыть дерево SimPowerSystems и активировать строку дерева Electrical Sources (источники электрической энергии), а затем поочередно все перечисленные выше разделы.


Рис. 8. Временные диаграммы изменения скорости ротора Rotor speed [wm]T электромагнитного момента Electromagnetic torque [Те] (а)


Рис.9 Динамическая пусковая диаграмма АД с ФР при 3-хступенчатом пуске.

Ход работы
Рассчитать параметры модели АД. В отчете привести последовательность расчета и результаты
Собрать модель АД (рис. 3)
Ввести необходимые параметры. В отчете привести снимки окон-параметров двигателя и блока измерений (рис. 1, 2)
Выполнить моделирование, привести в отчете временные диаграммы по скорости, моменту и межфазному напряжению (рис. 4)

w0

M2

M1

w1

w2

w3

M

Mn

0



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 7322730
    Размер файла: 637 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий