Лабораторная работа № 4 Исследование нагрева электрических двигателей
Цель работы: Ознакомить студентов с исследованиями на моделях процессов нагрева электрических двигателей при различном характере нагрузок.
1 Основные теоретические сведения
При выборе мощности двигателя необходимо учитывать характер и величину его нагрузки. Для того чтобы решить вопрос мощности двигателя, необходимо знать зависимости вращающего момента и угловой скорости от времени - M(t) и ω(t) соответственно.
В любом случае выходная мощность двигателя определяет его нагрев, а температура двигателя является основным фактором, определяющим надёжность его работы.
Процесс нагрева двигателя описывается уравнением
,
(1)
где
– превышение
температуры двигателя над температурой
окружающей среды, оС;
– теплоёмкость
двигателя, кал/оС;
– теплоотдача,
кал/сек оС;
-
мощность
тепловых потерь в двигателе, кал/сек.
Преобразуем
уравнение (1), вводя базовое значение
максимальной температуры двигателя
:
(2)
где
-
постоянная
времени нагрева двигателя, сек – время,
в течение которого двигатель нагревается
от температуры окружающей среды до
установившейся при равномерном выделении
в нем тепла и при отсутствии отдачи
тепла наружу;
,-
относительная температура;
- относительная
мощность тепловых потерь в двигателе.
В уравнении (2) относительные значения температуры и мощности должны находиться в диапазоне 0÷1, то есть температура должна быть меньше максимально допускаемой. Максимальная температура определяется уровнем изоляции.
Для решения задачи нагрева двигателя в SIMULINK преобразуем уравнение в форму Коши. Запишем уравнение (2) в операторной форме:
;
.
(3)
2 Задание на работу
2.1 Исследование нагрева двигателя при повторно- кратковременном режиме нагрузки
Рассчитаем
нагрев двигателя постоянного тока с
постоянной времени нагрева
сек.
Последовательно открываем Matlab, Simulink
и три библиотеки (Sources,
Sinks,
Continuos).
Открываем также поле (Untitled)
для синтеза модели по уравнению (3).
Блоки из библиотек переносятся способом
«перетащи и оставь» (Drag and Drop).
На рис. 1 представлена структурная схема модели исследования теплового состояния двигателя, которую необходимо собрать в файловом окне Simulink.
На рис. 1 приняты следующие обозначения: Pulse Generator – генератор прямоугольных импульсов, имитирующий нагрузку двигателя; Sum – элемент рассогласования; -K- – усилитель; 1/s – интегрирующее звено; Scope – осциллоскоп.
Рисунок 1 – Структурная схема модели исследования теплового
состояния двигателя
Двойной щелчок на блоке открывает соответствующее окно настройки. Коэффициент передачи блока усилителя Gain есть величина, обратная тепловой постоянной двигателя (K=1/3600). В поле настройки интегратора задается начальное значение относительной температуры. В данном случае при начальном значении температуры 25 0С и максимально допустимом её значении 130 0С начальное значение относительной е температуры составит
.
В разделе главного меню Simulink выбирается команда Parameters и на вкладке устанавливаются начальное (Start Time = 0 с) и конечное (Stop Time = 15000 c) время моделирования. Двойной щелчок на блоке Scope открывает окно осциллоскопа, а двойной щелчок на блоке Pulse Generator позволяет открыть окно настройки источника питания для установки режима работы двигателя в повторно-кратковременных режимах. Работа модели осуществляется нажатием кнопки Start Simulation, результаты моделирования выводятся на экраны осциллоскопа.
Можно усовершенствовать модель, добавив из библиотеки Sinks блок Display, как это показано на рис. 2. В этом блоке выводится значение относительной температуры.
Рисунок 2 – Модель нагрева двигателя с дополнительным блоком
Порядок выполнения работы:
Ознакомиться с основными режимами работы двигателя.
Изучить процессы нагрева и охлаждения двигателя. Уравнение теплового состояния двигателя.
Загрузить файл Book1_ a (имеется в дополнительных материалах к работе). Параметры модели установлены по умолчанию в окнах установки параметров.
Запустить модель. Объяснить полученные результаты.
Повторить опыт при разных режимах повторно-кратковременной работы. Рекомендуемые режимы с ПВ: 15 %, 25 %, 40 %, 60 %, 80 %, 100 %. Объяснить полученные результаты.