Лабораторная работа № 4 Исследование переходных процессов в цепях возбуждения электрических машин с учётом насыщения

Процессы в цепи возбуждения электрических машины без учёта влияния реакции якоря, потоков рассеяния и вихревых токов можно описать следующими дифференциальными уравнениями:

U_В = I_ВR_В + W_В; (4.1)

Ф_В = (I_В), (4.2)

где U_В, I_В  соответственно напряжение и ток возбуждения;

R_В  суммарное сопротивление цепи возбуждения с учётом силовой цепи возбудителя;

W_В  суммарное число витков обмотки возбуждения;

Ф_В  поток возбуждения;

(I_В)  нелинейная зависимость, не имеющая аналитического выражения, называемая кривой намагничивания электрической машины.

На рис. 4.1, приведена обобщённая кривая намагничивания двигателя в относительных единицах.

Рис. 4.1

Вводим оператор дифференцирования в уравнение (4.1)

U_В = I_ВR_В + W_ВФ_Вр. (4.1)

Отсюда

Ф_В = . (4.2)

Преобразуем выражение за скобками в (4.2) к виду

= = ,

где К_ВН = и Т_ВН =.

Соответственно коэффициент и электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения электрической машины для спрямлённой характеристики намагничивания рис. 4.1 (прямая 2).

Тогда выражение (4.2) преобразуется к виду

Ф_В = . (4.2)

На основе (4.2) и обратной кривой намагничивания

I_В = ₁(Ф_В) нелинейная цепь возбуждения может быть представлена структурной схемой вида (рис. 4.2).

Рис. 4.2

Если провести линейную аппроксимацию кривой намагничивания для какого-либо конкретного значения потока Ф_В0, то структурная схема на рис. 4.2 может быть преобразована к виду (рис. 4.3).

Рис. 4.3

Здесь К_i = , причём I_В и Ф_В относительно небольшие приращения тока и потока возбуждения, полученные по кривой намагничивания в окрестности аппроксимируемой точки I_В0 (см. рис. 4.1). После эквивалентных преобразований структурная схема на рис. 4.3 может быть представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4

Здесь К_В = и Т_В = соответственно коэффициент и электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения для выбранной точки аппроксимации. Очевидно, что по мере возрастания тока возбуждения растёт и величина коэффициента К_i, а это, в свою очередь, снижает значения К_В и Т_В по мере насыщения магнитной системы электрической машины.

Параметры исследуемой цепи возбуждения по вариантам приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
парам.
ФН, Вс	0.146	0.2	0.11	0.12	0.16	0.18	0.22	0.2	0.18	0.16	0.14	0.12
IВН, А	22	23	24	27	30	35	33	31	29	26	23	21
RВ, Ом	10	9.5	9.1	8.15	7.33	6.28	6.66	7.09	7.58	8.46	9.56	10.5
ТВН, с	3	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5	6.0	5.5	5.0	4.5	4.0	3.5

Внимание! До того, как приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо рассчитать реальную кривую намагничивания двигателя для своего варианта, используя для этого рис. 4.1 и номинальные данные из таблицы. Кривая намагничивания моделируется с помощью блока Look-Up Table.

После этого рассчитать параметры и реализовать цифровую модель в соответствии со структурной схемой на рис. 4.2.

В отчёте по лабораторной работе необходимо:

1. проанализировать переходные процессы в цепи возбуждения, обусловленные изменением напряжения возбуждения U_В = +0.1U_ВН при условии, что к обмотке возбуждения уже приложено напряжение U_В0 = 0.3U_ВН, 0.6U_ВН и 0.9U_ВН. Для того, чтобы исключить переходные процессы, связанные с приложением к обмотке возбуждения начального напряжения U_В0, необходимо в интегрирующем звене на модели задать начальное значение потока возбуждения, рассчитанное для этого режима с учётом кривой намагничивания;

2. для трех начальных значений протока возбуждения построить частотные характеристики (ЛАЧХ и ЛФЧХ), входной сигнал для частотной характеристики , выходной .

3. по полученным кривым переходных процессов рассчитать значения К_В и Т_В для каждого режима;

4. построить зависимости К_В и Т_В от величины ;

5. сделать выводы по полученным результатам.

Лабораторная работа № 5

Исследование переходных процессов в двигателе

постоянного тока при однозонном

регулировании скорости

Структурная схема двигателя постоянного тока при постоянном потоке возбуждения наиболее часто представляется в виде, изображённом на рис. 5.1.

Рис. 5.1

Здесь R_Э, Т_Э  эквивалентное сопротивление и постоянная времени якорной цепи двигателя;

КФ_Н  коэффициент двигателя;

Т_М =  электромеханическая постоянная времени электропривода, а J_  суммарный момент инерции электропривода.

Исходные параметры по структурной схеме для каждого варианта приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
парам.
UН, В	220	220	220	220	220	220	440	440	440	440	440	440
КФН, Вс	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0	2.2	2.2	2.0	1.8	1.6	1.4	1.2
RЭ, Ом	1.1	0.73	0.55	0.44	0.36	0.31	0.62	0.72	0.88	1.1	1.46	2.2
ТМ, с	0.02	0.017	0.015	0.013	0.012	0.01	0.01	0.015	0.025	0.035	0.045	0.046
IН, А	20	30	40	50	60	70	70	60	50	40	30	20

Для всех вариантов Т_Э = 0.03 с.

В отчёте по лабораторной работе на основе реализованной модели необходимо рассчитать и проанализировать переходные процессы U_Я(t), I_Я(t), (t) в следующих режимах:

1) разгон и торможение двигателя на холостом ходу при изменении напряжения якоря в соответствии с рис. 5.2.;

2) для данной структурной схемы построить частотные характеристики (ЛАЧХ и ЛФЧХ) для трёх случаев:

а) входной сигнал для частотной характеристики , выходной ;

б) входной сигнал для частотной характеристики , выходной ;

в) входной сигнал для частотной характеристики , выходной ;

3) разгон и торможение двигателя при приложении I_С = I_Н:

а) активного статического момента (тока) в интервале времени 0  t₅;

б) реактивного статического момента, появляющегося при   0, (на модели реализуется с помощью релейного элемента РЭ с уровнем ограничения, равным I_C = I_Н);

в) статического момента, прикладываемого в период разгона двигателя (t = t₁) и снимаемого в период торможения (t = t₄);

4) приложения скачка напряжения якоря U_Я = 0.1U_ЯН при U_Я0 = (0.5  0.8)U_ЯН = const;

5) приложение I_C = I_ЯН при U_Я0 = (0.5  0.8)U_ЯН.

Внимание! В двух последних режимах для исключения переходных процессов, вызванных начальным изменением напряжения якоря при U_Я0, необходимо в звене, моделирующем электромеханическую инерцию двигателя, задать начальное значение скорости ₀ = .

Величины и характер изменения U_Я(t) и I_С(t) для каждого варианта представлены на рис. 5.2 и в табл. 5.2.

Рис. 5.2

Таблица 5.2

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
парам.
t1, c	0.2	0.2	0.2	0.15	0.15	0.1	0.1	0.1	0.15	0.2	0.2	0.2
t2, c	0.45	0.4	0.35	0.3	0.25	0.2	0.2	0.25	0.3	0.35	0.4	0.45
t3, c	1.45	1.4	1.5	1.4	1.3	1.4	1.5	1.3	1.5	1.6	1.45	1.35
t4, c	1.7	1.6	1.65	1.55	1.45	1.5	1.6	1.4	1.65	1.8	1.6	1.6
t5, c	1.9	1.8	1.85	1.7	1.55	1.6	1.7	1.55	1.8	1.95	1.85	1.8

В отчёте по лабораторной работе необходимо:

1. проанализировать переходные процессы для всех, указанных выше, режимов;

2. проанализировать полученные частотные характеристики для всех, указанных выше, режимов

3. установить влияние на характер переходных процессов и установившихся режимов:

 изменения напряжения якоря;

 характера статического момента;

4. сделать необходимые выводы по полученным результатам.

Лабораторная работа № 6

Исследование переходных процессов в двигателе

постоянного тока при двухзонном

регулировании скорости

Структурная схема двигателя постоянного тока при регулировании скорости в двух зонах может быть представлена в виде, изображённом на рис. 6.1.

Все параметры исследуемого двигателя должны быть взяты из предыдущей лабораторной работы, а величина суммарного момента инерции рассчитывается из выражения

J_ = .

Для более полного использования двигателя по мощности и моменту, ослабление потока возбуждения двигателя осуществляется только после того, как будет достигнуто номинальное значение напряжения якоря.

Рис. 6.1

В отчёте по лабораторной работе на основе цифровой модели необходимо рассчитать и проанализировать переходные процессы U_Я(t), I_Я(t), (t) в следующих режимах:

1. разгон двигателя на холостом ходу до максимальной скорости и торможение до нуля;

2. разгон до максимальной скорости и торможение, при приложении М_C = КФ_НI_ЯН при разгоне и снятии статического момента при торможении;

3. приложение скачка напряжения якоря U_Я при:

а) КФ₀ = КФ_Н, U_Я0 = U_ЯН,

б) КФ₀ = КФ_Н, U_Я = U_ЯН;

4. приложение скачком М_С = М_Н при:

а) КФ₀ = КФ_Н, U_Я0 = U_ЯН,

б) КФ₀ = КФ_Н, U_Я = U_ЯН;

5. изменение скачком потока возбуждения двигателя КФ₀ = +0.1КФ_Н при U_Я = U_ЯН, КФ₀ = КФ_Н.

6) Для структурной схемы (рис. ) построить частотные характеристики (ЛАЧХ и ЛФЧХ) для двух случаев:

а) входной сигнал для частотной характеристики , выходной , при ;

б) входной сигнал для частотной характеристики , выходной , при .

Величина и характер изменения U_Я(t), КФ(t) и М_С(t) для реализации режимов 1 и 2 приведены на рис. 6.2 и в таблице 6.1.

Рис. 6.2

Таблица 6.1

№ вар.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
парам.
	0.5	0.55	0.6	0.65	0.7	0.75	0.7	0.65	0.6	0.55	0.5	0.45
t1	0.15	0.15	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
t2	0.3	0.3	0.35	0.4	0.4	0.35	0.4	0.35	0.4	0.35	0.35	0.35
t3	0.6	0.6	0.65	0.75	0.7	0.7	0.75	0.7	0.75	0.75	0.7	0.7
t4	1.5	1.5	1.55	1.6	1.6	1.55	1.6	1.55	1.6	1.55	1.55	1.55
t5	1.8	1.8	1.85	1.9	1.9	1.85	1.9	1.85	1.9	1.85	1.85	1.85
t6	1.9	1.9	1.95	2.1	2.1	2.0	2.1	2.0	2.1	2.0	2.0	2.0
t7	2.1	2.1	2.15	2.3	2.3	2.2	2.3	2.2	2.3	2.2	2.2	2.2

Внимание! Для исключения переходных процессов, вызванных начальным изменением напряжения якоря U_Я0, необходимо, как и в предыдущем случае, в звене, моделирующем электромеханическую инерцию двигателя, задать начальное значение скорости ₀ = .

В отчёте по лабораторной работе необходимо:

1. проанализировать переходные процессы для всех рассмотренных выше режимов;

2. установить влияние на характер переходных процессов и установившихся режимов:

 изменения напряжения якоря;

 ударного приложения статического момента;

 изменения потока возбуждения двигателя;

3. провести сравнительный анализ переходных процессов в режимах 3, 4 при полном и ослабленном значениях потока возбуждения двигателя;

4. проанализировать частотные характеристики, снятые по возмущающему воздействию, при полном и ослабленном значениях потока возбуждения двигателя;

5. сделать выводы по полученным результатам.