Читайте также: |
|
Модель машины постоянного тока (двигателя) находится в би_ блиотеке SimPowerSystems в разделе Machines. Изображение двигателя постоянного тока представлено на рис. 1.1, а модель его в Simulink – в файле Fig 1_1.
TL | m | |||
A+ | dc | A- | Рис. 1.1. Условное изображение | |
F+ | F- | двигателя постоянного тока | ||
в SimPowerSystems (Fig 1_1) |
DC Machine
Выводы F+ и F– служат для подключения напряжения возбужде_ ния в целях создания магнитного потока в машине. Выводы A+ и A– используются для подключения обмотки якоря на силовой источник питания. Активная нагрузка на двигатель вводится через виртуальный вход TL. Выходные параметры двигателя: частота вращения ω, ток об_ мотки якоря Ia, ток возбуждения If и электромагнитный момент Te фор_ мируются на мультиплексорной шине m. Чтобы получить доступ к вы_ ходным параметрам, необходимо использовать демультиплексор на че_ тыре выхода и соединить его вход с точкой m. Тогда на первом (верх_ нем) выходе действует частота вращения, на втором – ток обмотки яко_ ря, на третьем – ток возбуждения и на четвёртом – электромагнитный момент двигателя.
Рис. 1.2. Диалоговое окно ввода параметров двигателя
Ввод параметров двигателя осуществляется через диалоговое окно (графический интерфейс), которое открывается двойным щелчком по изображению двигателя в схеме модели на Fig 1_1 (рис. 1.2). В Simulink имеется небольшая библиотека двигателей постоянного тока в виде 23 вариантов, из которых 21–23 не вызываются. На рис. 1.2 показаны данные двигателя по 20_му варианту:
• Ra – активное сопротивление цепи якоря, включающее сопротив_ление обмотки якоря, сопротивление щёточно_коллекторного уз_ ла и активное сопротивление обмотки дополнительных полюсов. Величина суммарного сопротивления якорной цепи, если нет дан_ ных, приближенно определяется по формуле:
Ra =0,5(1− η í) U í;
I í
• La – индуктивность рассеяния цепи обмотки якоря, включающееиндуктивность рассеяния обмотки якоря и индуктивное сопротив_ ление обмотки дополнительных полюсов. Если нет данных, ин_ дуктивность рассеяния якорной цепи двигателя может быть вычи_ слена по приближенной формуле:
La = γ U í, pω í I í
где U н – номинальное напряжение обмотки якоря двигателя; I н– номинальный ток обмотки якоря; ω н– номинальная частота
вращения якоря; р – число пар полюсов двигателя; γ – коэффици_ ент; γ = 0,6 – для некомпенсированных машин; γ = 0,25 – для ком_ пенсированных машин;
• Rf – активное сопротивление обмотки возбуждения двигателя;
• Lf – индуктивность обмотки возбуждения двигателя. Ее можноопределить по кривой намагничивания цепи возбуждения при из_ вестном значении числа витков катушки полюса W в как
L | = 2 pW 2 | Ô | ; | ||
f | |||||
â | (IW)â | ||||
• Laf – взаимная индуктивность обмоток возбуждения и обмоткиякоря двигателя. Определяется взаимная индуктивность по номи_ нальным параметрам двигателя как
L = | KE | = | U í − Ra I a í | = | U í − Ra Ia í | , | (1.1) | |||
af | I f | ω í I f | ω í | U f í | ||||||
Rf | ||||||||||
где KE – постоянная эдс двигателя, так как | ||||||||||
Å = KÅω, | (1.2) |
Е – противоэдс двигателя; Uf н– номинальное напряжение возбуждения; J – приведенный к валу двигателя момент инерции, включающий мо_мент инерции двигателя и момент инерции производственного меха_ низма; Bm – коэффициент, с помощью которого вводится на вал двига_ теля реактивный момент сопротивления, определяемый как Tm = Bm . ω; Tf – реактивный момент сопротивления. Однако, этот параметр, вводи_мый через диалоговое окно (см. рис. 1.2), моделью не воспринимается в связи с принципиальной ошибкой моделирования реактивного момен_ та сопротивления. К этому вопросу мы вернёмся позже.
Следует отметить, что редактирование вводимых параметров (из_ менение числовых значений) возможно только тогда, когда в строке Preset model (рис. 1.2) будет выбрана процедура No.
Рассмотрим структуру модели двигателя, открыв файл Fig 1_1 и динамическое меню двойным щелчком правой кнопкой мыши (рис. 1.3), ориентируя курсор на изображение двигателя. Выбираем команду Lock Under Mask и раскрываем структуру модели двигателя (рис. 1.4).
Структура включает датчик тока обмотки якоря iA и датчик тока обмотки возбуждения iF. Элементы iA, iF, Ra, La, FCEM (управляемый ис_ точник напряжения), Rf, Lf входят в состав библиотеки SimPowerSystems.
Все остальные блоки структуры (рис. 1.4) реализованы на элементах, входящих в библиотеку Simulink. Раскроем блок Mechanics двойным щелчком мыши (рис. 1.5). Блок Mechanics выполняет моделирование момента и скорости.
Рис. 1.3. Динамическое меню | ||||||||
+ | i | |||||||
- | ||||||||
A+ | iA | Ra La | + | |||||
FCEM | ||||||||
TL | s | - | ||||||
TL | ||||||||
FCEM | ||||||||
ia | m | In1 Out1 | ||||||
if | 2 A- | |||||||
Mechanics | Measurement list | m | ||||||
+ | i | |||||||
F+ | - | |||||||
iF | Rf | Lf | F- | |||||
Рис. 1.4. Структура модели двигателя постоянного тока
TL | Integrator | |||||||
ia | Te | -K- | 1 | w | FCEM | |||
ia | s | |||||||
E fcem | ||||||||
Coulomb (Tf) & | ||||||||
Viscous (Bm*w) | ||||||||
Friction Torques | ||||||||
If | Laf | |||||||
20e-6s+1 | ||||||||
if | ||||||||
w | ||||||||
ia | ||||||||
If | ||||||||
Te | m | |||||||
Mux | ||||||||
Рис. 1.5. Структура блока Mechanics |
Блок с передаточной функцией W (s) = Laf /(20 e – 6 s + 1) реализует постоянную по эдс KE = LafIf. При вводе параметров двигателя в указан_ ных в диалоговом окне размерностях (рис. 1.2) постоянные по эдс и мо_ менту равны: KE = KT. Поэтому первый блок умножения формирует электромагнитный момент двигателя TE = LafIfIa = KTIa, а второй блок умножения – противоЭДС двигателя E = LafIfω = KEω.
Частота вращения вычисляется путем интегрирования уравнения движения электропривода
TE − TL − T f − Bm ω = J ddtω.
Раскроем блок Coulomb (Tf) и представим его на рис. 1.6.
offset | |||
In1 | Sign | Out1 | |
gain |
Рис. 1.6. Схема модели реактивного момента
Блоки Sign и offset по мнению авторов приложения Simulink призва_ ны моделировать реактивный момент сопротивления. Однако это реше_ ние не предусматривает, при нулевом значении частоты вращения, запрет нарастания частоты вращения при моменте двигателя меньшем, чем ре_
активный момент сопротивления, задаваемый параметром offset. Поэтому при использовании библиотечной модели двигателя рекомендуется эти блоки удалить. Усилительный блок с параметром gain = Bm моделирует процесс формирования момента сопротивления по выражению Tm = Bmω.
Блок мультиплексора Mux объединяет выходные переменные дви_ гателя: частоту вращения ω, ток обмотки якоря (двигателя) Ia, ток об_ мотки возбуждения If и электромагнитный момент двигателя в одну шину m. Это сделано для упрощения виртуального изображения двига_ теля в SimPowerSystems.
Для примера рассмотрим модель пуска двигателя. Ограничение пускового тока достигается введением резистора в цепь обмотки якоря. Схема модели показана на рис. 1.7. Источники питания обмотки воз_ буждения и обмотки якоря выбраны управляемыми, чтобы можно бы_ ло с помощью блока Step реверсировать или изменять величину по_ стоянного напряжения.
Step2 | TL | m | |||
A+ | dc | A- | |||
F+ | F- | Scope | |||
DC Machine | |||||
+ | s | ||||
- | Step1 | ||||
Controlled Voltage Source1 | Multimeter | ||||
+ | s | ||||
- | Step | ||||
Controlled Voltage Source
Рис. 1.7. Модель пуска и реверса двигателя постоянного тока (Fig 1_7)
На выходах демультиплексора действуют сигналы частоты враще_ ния, тока двигателя, тока обмотки возбуждения и электромагнитного момента. Прибор Scope фиксирует изменение во времени подаваемых на его входы сигналов и строит диаграммы (осциллограммы). Блок Multimeter не используется, но ввести его рекомендует программа Simu* link, иначе моделирование запрещено.
Введённые параметры двигателя показаны на рис. 1.8.
Откроем файл Fig 1_7, который находится в папке «Пособие». На рис. 1.9 показан рабочий стол в Simulink с открытым файлом. Время мо_ делирования выбрано 2 с. Время моделирования вводится в окно, ря_ дом с которым находятся кнопки «Стоп» и «Пуск» моделирования.
Рис. 1.8. Параметры двигателя в файле Fig 1_7
Рис. 1.9. Рабочий стол Simulink
Параметры системы, обеспечивающие процесс моделирования, задаются в диалоговом окне при выборе в главном меню процедуры Si* mulation и команды ConFiguration Parameters (рис. 1.10) [1, 2].
Рекомендуется начать исследования с использованием численного метода ode 15s. Остальные параметры по умолчанию. Прибор Scope по_ зволяет одновременно наблюдать изменение частоты вращения, тока, тока возбуждения и момента двигателя. Прибор XY Graph формирует статическую механическую характеристику двигателя по динамиче_ ским характеристикам частоты вращения и момента. Блок Step задаёт напряжения на обмотке якоря двигателя: +240 В во времени 0...1 с и
–240 В от 1 до 2_х с. Блок Step 1 задаёт напряжение на обмотке возбуж_ дения 300 В. Заметим, что здесь возможны два результата. Если для ис_ точника обмотки возбуждения установлено напряжение (см. рис. 1.11), то настройки блока Step 1 не воспринимаются и ток возбуждения при нулевом времени действует установившегося значения.
Рис. 1.10. Параметры системы моделирования
Рис. 1.11. Настройка источника обмотки возбуждения
Если флажок в окне Initialize убран, то начальное значение тока возбуждения равно нулю и после протекания переходного процесса устанавливается ток, обусловленный напряжением, заданным в блоке Step 1. Блок Step 2 задаёт активный момент нагрузки TL, равный, напри_мер, 5НМ.
Рассмотрим моделирование процессов пуска и реверса при задан_ ном начальном значении тока возбуждения.
Запускаем процесс моделирования нажатием кнопки в виде зачер_ нённого треугольника. После окончания моделирования прослушива_ ется звуковое предупреждение, затем двойным щелчком открывается лицевая панель осциллографа Scope (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Результаты моделирования
Для того, чтобы обеспечить доступ к редактированию полученной диаграммы, необходимо после моделирования выполнить в командном окне Matlab команды:
set(0,'ShowHiddenHandles','On') set(gcf,'menubar','Fig ure')
На верхней части диаграммы появляется главное меню и возмож_ ность редактирования (см. рис. 1.12). Выбирается в меню View команда Property Editor и устанавливаются необходимые свойства диаграммы:надписи, цвет фона, цвет и толщина линий осциллограмм.
После редактирования необходимо выйти из команды Property Edi* tor. Для оцифровки нужных точек осциллограмм в меню Tools выбратькоманду Data Cursor. На курсоре появляется перекрестие, с помощью которого назначается координата обрабатываемой точки. Но прежде необходимо разрешить произвольный выбор нужной координаты. Двойным щелчком правой кнопки мыши открывается динамическое меню, в котором выбирается команда Selection Style и назначается вы_ бор позиции мышью (Mouse Position). После оцифровки выбранной точки нужно разрешить обработку следующей точки, вызвав динами_
ческое меню и выбрав команду Create Now Datatip. По окончании про_ цесса оцифровки закрыть команду Data Cursor.
Рис. 1.13. Отредактированная диаграмма пуска и реверса двигателя
Следует отдельно указать на возможность нанесения надписей на русском языке. Для того чтобы кириллица воспринималась, необходи_ мо заменить кодовую страницу 1252 на 1251:
• в меню Пуск открыть команду Выполнить. В открывшемся окне набрать regedit и выполнить; открывается путь к кодовым страни_ цам: HKLM (HKey Lokal Masine) \ System \ Current Control Set \ NLS \ Code Page;
• открыть страницу 1252 и изменить запись С_1252 на С_1251.
Для исполнения произведённой записи необходимо перегрузить
компьютер.
Результаты моделирования, представленные в виде диаграммы на рис. 1.12, после редактирования выглядят, например, как рис. 1.13.
В первую очередь отметим, что ток возбуждения в начале модели_ рования соответствует установившемуся значению. В реальных приво_ дах постоянного тока порядок включения таков, что сначала подаётся напряжение на обмотку возбуждения, а потом запускается двигатель в работу. Пуск двигателя осуществляется через токоограничивающий ре_
зистор. Пусковой ток достигает значение 19,4 А и снижается по мере разгона двигателя до значения 5,457 А (следует иметь в виду, что теоре_ тически процесс пуска ещё не закончился). Частота вращения достигла величины 171,4 1/с.
В момент времени, соответствующей одной секунде, произведен реверс путем изменения полярности напряжения на обмотке якоря. Ток двигателя меняет знак на противоположный и достигает значения –33,29 А. Начинается процесс интенсивного уменьшения частоты вра_ щения (торможения) двигателя. Двигатель разгоняется до частоты вра_ щения –278,4 1/с, и ток достигает величины +3,545 А. Это свидетель_ ствует о том, что момент нагрузки TL, действующий на двигатель, име_ ет активный характер и переводит двигатель в режим генераторного торможения. Отрицательная частота вращения двигателя значительно превышает абсолютное значение положительной частоты вращения.
Одновременно с окончанием моделирования появляется лицевая панель графопостроителя XY Graph. После выполнения в командном окне указанных ранее команд появляется главное меню графопостро_ ителя и открывается доступ к редактированию полученной диаграммы.
Выбирается в меню View команда Property Editor, и устанавливают_ ся необходимые свойства диаграммы: надписи, цвет фона, цвет и тол_ щина линии осциллограммы. Но сначала следует установить масштабы по осям. Наиболее целесообразно выполнить установку масштабов по осям X и Y автоматически. Для этого на закладке X Axis окна Property Editor (рис. 1.14) поставить флаг на строке X Limit Auto, на закладке Y Axis – флаг на строке Y Limit Auto. Статические характеристики прини_мают вид, как на рис. 1.14.
После редактирования диаграммы средствами Property Editor и внесения дополнения в виде номеров точек, с помощью программы Microsoft Visio 11, диаграмма принимает вид, представленный нарис. 1.15. Характерные точки оцифрованы. Рассмотрим отдельные участки полученной диаграммы.
Участок 1, 2 соответствует процессу нарастания момента до значе_ ния 19,76 Н.м, причем и частота вращения изменилась до 5,912 1/с. Участок 2, 3 соответствует статической механической характеристике двигательного режима на условное направление движения «вперёд». Двигатель достиг частоты вращения 172,2 1/с при моменте 5,564 Н.м. Характеристика линейна, наклон определяется суммарным сопротив_ лением цепи обмотки якоря.
Рис. 1.14. Статические характеристики двигателя постоянного тока в различных режимах работы
Участок 3, 4 соответствует переходу двигателя на работу в режим противоточного торможения. Двигатель включен «назад», но вращает_ ся ещё «вперёд». Участок механической характеристики 4, 5 заканчива_ ется при нулевой частоте вращения (т. 5) и является продолжением (участок 5, 6) механической характеристики двигательного режима при работе «назад». Этот участок демонстрирует полный вид механической характеристики: момент короткого замыкания (пусковой) составляет примерно 20,45 Н.м, а частота вращения идеального холостого хода – 237,9 1/с. Участок 6, 7 является продолжением механической характе_ ристики (5, 6) и представляет механическую характеристику режима ге_ нераторного торможения. Абсолютное значение частоты вращения в т. 7 (279,9 1/с) больше частоты вращения идеального холостого хода, так как момент нагрузки двигателя активный и раскручивает двигатель
до скорости, на которой достигается равенство моментов двигателя и нагрузки. Двигатель работает в режиме генератора и отдаёт энергию, например для зарядки аккумулятора. Таким образом, на полученной диаграмме отразились почти все возможные режимы работы двигателя (кроме режима динамического торможения).
X: 5.554 | ||||||||
Y: 172.2 | ||||||||
1/ | ||||||||
X: -33.62 | ||||||||
, | Y: 160.8 | |||||||
X: 19.76 | ||||||||
X: -20.45 | ||||||||
Y: 5.912 | ||||||||
Y: 0.1911 | ||||||||
-50 | ||||||||
-100 | ||||||||
-150 | ||||||||
-200 | X: 0.01102 | |||||||
Y: -237.9 | ||||||||
-250 | X: 3.618 | |||||||
Y: -279.9 | ||||||||
-300 | ||||||||
-30 | -20 | -10 | ||||||
-40 | ||||||||
, |
Рис. 1.15. Отредактированная диаграмма статических характеристик
Рассмотрим моделирование процессов пуска и реверса при на_ чальном нулевом значении тока возбуждения. Отличием в настройках модели (Fig 1_7) является отсутствие флажка в строке Initialize окна на_ стройки блока источника напряжения возбуждения (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Окно настройки источника напряжения возбуждения
На рис. 1.17 показано окно настройки блока Step 1, задающее вели_ чину напряжения возбуждения.
Рис. 1.17. Окно настройки блока Step 1
На рис. 1.18 показан переходный процесс пуска двигателя при ну_ левых начальных значениях частоты вращения и тока возбуждения двигателя.
X: 0.1563 | ||||||||
X: 1.877 | ||||||||
Y: -14.71 | ||||||||
Y: 182.4 | ||||||||
0 | X: 0.3209 | |||||||
-100 | ||||||||
Y: -0.8291 | ||||||||
-200 | ||||||||
-300 | ||||||||
X: 1.959 | X: 3.919 | |||||||
-20 | Y: 5.078 | Y: 4.912 | ||||||
-40 | ||||||||
X: 1.969
Y: 1.036
0.5 | |||||||||
X: 0.5741 | X: 1.896 | X: 3.86 | |||||||
Y: 11.15 | |||||||||
Y: 5.022 | Y: 4.952 | ||||||||
-20 | X: 2.008 | ||||||||
Y: -32.75 | |||||||||
-40 | 0.5 | 1.5 | 2.5 | 3.5 | |||||
, | |||||||||
Рис. 1.18. Результаты моделирования процессов пуска и реверса двигателя | |||||||||
при нулевых начальных значениях частоты вращения и тока возбуждения |
Сравнивая полученные результаты моделирования с результатами, представленными на рис. 1.13, можно сделать следующие выводы:
• наибольшее влияние при данном способе управления оказано на процесс пуска «вперёд». Время пуска составляет 1,5...1,7 с;
• начальное значение момента равно нулю. Максимальное значение составило 11,15 Н.м (в первом случае – 19,76 Н.м);
• в начальный момент времени, когда момент двигателя мал и не пре_ вышает момента нагрузки, частота вращения начинает расти в отри_ цательном направлении. Падение частоты вращения прекращается при достигает равенства момента двигателя и момента нагрузки. Да_ лее происходит изменение частоты вращения в положительном на_ правлении и достигает нулевого значения. И только с момента вре_ мени 0,3209 с начнется процесс пуска в направлении «вперёд»;
• ток возбуждения установился примерно через 2 с. После этого вре_ мени процессы в двигателе протекают одинаково;
• при практической реализации следует исключать одновременную подачу напряжения на возбуждение и на обмотку якоря.
Механические статические характеристики, снятые в динамиче_
ском режиме работы двигателя показаны на рис. 1.19.
Рис. 1.19. Механические статические характеристики,
снятые в динамическом режиме
Наибольшее влияние произведено на участок 1, 2 характеристики. Он нелинеен. Во время формирования этого участка статической ха_ рактеристики нарастал ток возбуждения и момент двигателя, что при_ вело к снижению максимального значения момента двигателя. Линей_ ная часть механической характеристики в двигательном режиме пока_ зана в виде участка 2, 3. Остальные характеристики совпадают с ранее снятыми (рис. 1.15), так как они получены при достижении током воз_ буждения примерно установившегося значения.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 216 | Нарушение авторских прав