ТЕМА: Складання віртуальної моделі двигуна постійного струму засобами Matlab

Мета: Отримати практичні навички моделювання двигуна постійного струму у Matlab

Електричною машиною постійного струму прийнято вважати машину, яка генерує в мережу або споживає з неї постійний струм. Робота машини постійного струму, як і машин змінного струму заснована на законі електромагнітної індукції. Пристрій машини постійного струму подібно до пристрою оберненої синхронної машини у якої нерухома частина – індуктор – створює основний магнітний потік Ф_в, що знаходиться всередині якоря і відбувається процес електромеханічного перетворення енергії: електричної в механічну (двигун) або назад – механічної в електричну (генератор).

Під механічною характеристикою двигуна прийнято розуміти залежність його швидкості обертання від моменту навантаження

Механічні характеристики машини з незалежним збудженням при різних опорах в якірному ланцюзі показані на рис. 9.1., а механічні характеристики при різних потоках представлені на рис. 9.2., а при різній напрузі на якорі – на рис.9.2.б.

Рис. 9.1. Механічні характеристики машини з незалежним збудженням при різних опорах в якірному ланцюзі.

Рис. 9.2. Механічні характеристики при різних потоках (а) та при різній напрузі на якорі (б).

Вид ціх характеристик визначає і область їх використання при регулюванні швидкості обертання двигуна постійного струму: в області швидкостей менших за номінальну, використовується регулювання напруги на якорі, а в області великих – зменшення магнітного потоку машини.

Робочі характеристики двигуна постійного струму є залежністю моменту швидкості обертання струму якоря і коефіцієнта корисної дії від вихідної потужності двигуна. Якісний вид ціх характеристик для двигунів з паралельним збудженням представлений на рис. 9.3.

Рис. 9.3.. Якісний вид робочих характеристик для двигунів з паралельним збудженням

9. 2. Вказівки до виконання роботи

У якості додаткової літератури можна скористатися [1,2].

9. 3. Зміст роботи

9. 3. 1. Зняття механічної і розрахунок робочих характеристик машини в руховому режимі роботи.

9. 3. 2. Зняття механічної і розрахунок робочих характеристик машини в генераторному режимі роботи.

9. 3. 3. Зняття механічних характеристик при різній напрузі живлення в ланцюзі якоря.

9. 3. 4. Зняття механічних характеристик при різних опорах в ланцюзі якоря.

9. 3. 5. Зняття механічних характеристик при різних потоках збудження.

9. 3. 6. Зняття регулювальних характеристик при зміні напруги якоря.

Віртуальна установка представлена на рис. 9.1.

Рис. 9.4. Модель для дослідження машини постійного струму з незалежним збудженням

Вона включає джерела постійної напруги (V₁ - для живлення якоря машини, V₂ - для живлення обмотки збудження з бібліотеки Power System Blockset / Electncal Sources), блок Moment для завдання моменту навантаження (блок Constant з бібліотеки Simulink / Sources), саму машину постійного струму (блок DC Machine з бібліотеки Power System Blockset / Machines), блок для вимірювання змінних стану машини Display і осцилограф Scope для візуального спостереження процесів з бібліотеки Simulink / Sinks.

Ланцюг якоря і ланцюг збудження можливо побачити з графічного накреслення блоку. На вхід T_L подається момент навантаження, вихід m призначений для вимірювання і спостереження змінних стану машини в наступній послідовності: кутова швидкість (рад/с), струм якоря в (А), струм збудження (А), електромагнітний момент (Нм).

У полях настройки машини задаються:

· параметри обмотки якоря — R_a (Ом), L_a (Гн);

· параметри обмотки збудження — R_f (Ом), L_f (Гн);

· коефіцієнт L_af

· сумарний момент інерції машини і навантаження — J (кг*м²). Слід підкреслити, що параметри (L_f, J) важливі при дослідженні перехідних процесів. На сталі режими вони не впливають;

· коефіцієнт в'язкого тертя — (Н*м*с);

· коефіцієнт сухого тертя — (Н*м)

· початкова швидкість.

Взаємна індуктивність між обмотками збудження і якоря визначається з виразів:

(9.1)

Індуктивність обмотки при дослідженні сталих процесів може бути прийнятою близькою до нуля. При дослідженні перехідних процесів значення для машин звичайного виконання вибирається з нерівності:

(9.2)

Момент інерції для двигунів звичайного виконання визначається з нерівності:

(9.3)

Момент сухого тертя і коефіцієнт в'язкого тертя визначаються з наступних міркувань. Загальні механічні втрати для машин звичайного виконання складають . Крім того ці втрати рівні . Якщо вважати, що втрати на тертя і вентиляційні втрати приблизно рівні, то

(9.4)

Паспортні параметри машин постійного струму приведені в табл. 9.1.

Таблиця 9.1. - Паспортні параметри машин постійного струму

Тип двигуна	, [кВт]	, [В]	, [об/мин]	, [%]	, [Ом]	, [Ом]	, [мГн]
2ПН-0.17 2ПН-0.25 2ПН-0.37 2ПН-0.71 2ПН-1.0	0,17 0,25 0,37 0,71			48,5 61,5 72,5	27,2 15,47 10,61 3,99 2,52

Далі заповнюється вікно настройки параметрів моделювання.

9. 5. Порядок проведення роботи

9. 5. 1. Для заданої викладачем машини розрахувати значення параметрів і заповнити поля вікна настройки параметрів машини.

9. 5. 2. Задати параметри моделювання.

9. 5. 3. При знятті характеристик по п. 4 1 порядку виконання роботи у вікні настройки блоку Moment послідовно задаються значення моменту від 0 до 1,2 з кроком . Для кожного значення моменту здійснюється моделювання і заповнюється табл. 9.2 розміряних і розрахованих значень.

Таблиця 9.2. - Розміряні і розраховані значення.

Завдання	Вимірювання	Розрахунок
М, Нм	,[рад/с]	, [А]	, [А]	, [Вт]	, [Вт]

Обчислення здійснюються по виразах:

(9.5)

9. 5. 4. При знятті характеристик по п. 4.2 порядку виконання роботи у вікні настройки блоку Moment послідовно задаються значення моменту від 0 до -1,2 Mн з кроком -0,2 Мн. Для кожного значення моменту здійснюється моделювання і заповнюється табл. 9.2. Коефіцієнт корисної дії в цьому випадку обчислюється за формулою:

(9.6)

9. 5. 5. Зняття механічних характеристик при різній напрузі живлення в ланцюзі якоря по п. 4.3 змісту роботи слід провести для двох значень напруги на якорі 0,6 U_я і 0,8 U_я де U_я - первинна напруга на якорі, при якому виконувалися п.п. 4.1, 4.2. При цьому момент навантаження слід змінювати від -1,2 Мн до 1,2 Мн з кроком 0,2 Мн. Для кожного значення напруги на якорі і моменту проводиться моделювання і заповнюється табл. 9.3.

Таблиця 9. 3. - Механічні характеристики в ланцюзі якоря

М, [Нм]

, [рад/с]

9. 5. 6. Зняття механічних характеристик при різних опорах в ланцюзі якоря по п. 4.4 змісту роботи слід провести для двох значень опору якоря 2R_я і 4R_я, де R_я - первинне значення опору. Зміна опору якоря здійснюється в полі вікна настройки параметрів машини. При цьому момент навантаження слід змінювати від -1,2 М_н до 1,2 М_н з кроком 0,2 М_н. Для кожного значення опору якоря і моменту проводиться моделювання і заповнюється табл. 9.3.

9. 5. 7. Зняття механічних характеристик при різних потоках збудження по п. 4.5 змісту роботи слід провести для двох значень потоку 0,6 Ф_н і 0,8 Ф_н. Для цього в полі Field - armature mutual inductance необхідно встановити значення Laf спочатку 0,6, а потім 0,8 від первинної величини.

При цьому момент навантаження слід змінювати від -1,2 М_н до 1,2 М_н з кроком 0,2 М_н. Для кожного значення потоку і моменту проводиться моделювання і заповнюється табл. 9.3.

9. 5. 8. Зняття регулювальних характеристик при зміні напруги якоря по п. 4.6 зміст роботи проводиться для постійного моменту навантаження, рівного номінальному, і зміні напруги в ланцюзі якоря від 0,4 до 1,2 початкового значення з кроком 0,2 початкового значення напруги.

Таблиця 9.3. - Регулювальні характеристики при зміні напруги якоря

Uя, [Нм]

,[рад/с]