Учебное пособие 800600

УДК 621. 313. 333.

А.А. Кнутов, И.Ю. Никитин, Н.И. Климентов, Г.М. Мамедов

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ LABVIEWТЕХНОЛОГИЙ

Представлены результаты исследования характеристик асинхронного электродвигателя с использованием аппаратно-программного комплекса на основе LabVIEWтехнологий

Ключевые слова: асинхронный двигатель, электромеханические характеристики

Всовременных быстродействующих электроприводах переменного тока переходные режимы работы, в основном, определяются режимами пуска и торможения.

Вданной работе рассматриваются вопросы использования аппаратно-программных средств компании National Instruments для исследования режимов пуска и динамического торможения асинхронного электродвигателя в функции времени.

Аппаратная часть комплекса (рис. 1) содержит источники питания, измерительные преобразователи и приборы, трансформаторы

иэлектрические машины. Автоматическое управление комплексом осуществляется с помощью ПК, оснащенного встроенным устройством ввода/вывода информации, позволяющим реализовать системы управления модулями или группами модулей, обеспечивая измерения и отображение исследуемых параметров.

Программная часть комплекса включает в себя среду LabVIEWи разработанные на ее основе, встроенные в ПК цифровые приборы, виртуальные пульты, осциллографы и графопостроители Используемый в работе виртуальный пульт управления изображен на рис. 2.

Вкачестве объекта исследования в работе используется электромашинный агрегат, состоящий из двух спаренных электрических машин, установленных на едином основании. Одна из них является исследуемым асинхронным электродвигателем с фазным ротором М, а другая – машина постоянного тока G. работающая в режиме генератора, является нагрузочным устройством.

81

Управление электродвигателем осуществляется нажатием кнопок «Пуск» и «Стоп» на виртуальном пульте (рис.2).

Необходимые параметры режимов пуска и торможения выбираются из меню на виртуальном пульте управления посредством

82

соответствующих этим режимам уставок реле. Состояние коммутационных элементов Q1, Q2 и Q3 в различные моменты времени отображается на схеме пульта управления.

Информационные сигналы датчиков тока и напряжения (А8) и датчика частоты вращения (G4) поступают на аналоговые входы АСНО-АСН7 коннектора (А7), выходные сигналы которого посредством шлейф-кабеля поступают на устройство ввода/вывода информации компьютера ПК (рис.1).

Рис. 2. Виртуальный пульт управления

Снятие переходных характеристик исследуемого двигателя проводилось при различных значениях сопротивления в цепи ротора и постоянного тока статора при неизменном статическом моменте нагрузки на валу двигателя.

Примеры таких характеристик приведены на рис. 3 и рис. 4. На рис. 3 приведено семейство переходных характеристик, снятых при неизменном значении постоянного тока статора и различных значениях сопротивлений в роторной цепи. На рис. 4 приведено семейство переходных характеристик, снятых при неизменном значении сопротивлений в цепи ротора и различных значениях постоянного тока статора.

83

а)

б)

в)

Рис. 3. Осциллограммы тока, момента и скорости при неизменном токе статора и различных значениях сопротивления роторной цепи

84

а

)

б)

в)

Рис. 4 Осциллограммы тока, момента и скорости при неизменном значении сопротивления роторной цепи и

различных значениях постоянного тока статора

Для детального анализа снятых характеристик на рис. 5 приведены развернутые переходные характеристики электродвигателя, полученные в режиме пуска (а) и динамического торможения (б) асинхронного электродвигателя с фазным ротором.

85

а)

б)

Рис. 5. Осциллограммы тока, момента и скорости при пуске (а) и динамическом торможении (б)

Приведенные осциллограммы позволяют формировать оптимальные режимы пуска и торможения электродвигателя, изменяя, предусмотренные программой, уставки времени пуска и времени торможения.

Обработка полученных осциллограмм позволяет получить значения основных параметров электропривода: пусковые ток и момент, время разгона и время торможения, а так же построить механическую и скоростную характеристики электродвигателя.

В результате проведенной работы реализована идея применения современных информационно-измерительных технологий в учебном процессе. Разработанная лабораторная установка представляет интерес для создания современных лабораторных комплексов по исследованию переходных характеристик асинхронных электродвигателей с фазным ротором, в том числе, и как вариант разработки для функционирования в режиме удаленного доступа.

Московский государственный университет путей сообщения (Воронежский филиал МИИТ)

86

УДК 621.313

Д.А. Семенов, Р.О. Нюхин УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Определена математическая модель расчета распределения векторных магнитных потенциалов и магнитного потока электродвигателя

Ключевые слова: электродвигатель, математическая модель, метод конечных элементов

Уточненный расчет машины используя математическую модель, основывающуюся на системе уравнений Максвелла методом конечных элементов

Математическая модель электрической машины основывается на системе уравнений Максвелла:

Уравнения 2 и 3 дополняются уравнениями, связывающими между

собой векторы В и Н , j и E, D и E. В приведенных уравнениях:

H – вектор напряженности магнитного поля (А/м);

Е – вектор напряженности электрического поля (В/м);

В – вектор магнитной индукции (Тл);

М – вектор намагниченности (А/м);

D вектор электрического смещения (Кл/м2);

Р– вектор электрической поляризации (Кл/м2);

– объемная площадь заряда (Кл/м3);

0 4 10 7 Гн/м – магнитная постоянная, равная магнитной

87

проницаемости вакуума;

0 1/ 36 10 9 Ф/м – электрическая постоянная, равная

диэлектрической проницаемости вакуума.

При составлении уравнений электромагнитного поля для электрической машины необходимо принять следующие допущения:

1.Величина ЭДС электромагнитной индукции несоизмеримо больше любых других ЭДС (контактная, холла, Томпсона и т.п.) в связи

счем последними пренебрегаем.

2.Пренебрежимо малы по сравнению с токами проводимости в проводниках: токи проводимости в диэлектриках и конвекционные токи.

3.Пренебрежимо малы токи смещения и запаздывание в распространении электромагнитных волн в пределах области поля, что позволяет считать электромагнитное поле в машине квазистационарным.

4.При рассмотрении поля в неферромагнитной среде относительная магнитная проницаемость среды принимается равной единице.

При исследовании магнитных систем электрических машин можно принять, что электромагнитное поле не изменяется во времени, а также отсутствует перемещение заряженных частиц. В этом случае электрические и магнитные явления становятся независимыми друг от друга. Система уравнений Максвелла распадается на две независимые системы:

Электромагнитное поле, создаваемое постоянными токами, называют стационарным электромагнитным полем. Большинство задач, связанных с рассмотрением электромагнитного поля в электрических машинах можно свести и теории стационарного электромагнитного поля, т.е. оперировать заранее известными токами (чем распределенными в пространстве токов) постоянными во времени.

Для упрощения решения задачи вводят некоторые вспомогательные функции – электродинамические потенциалы:

векторный магнитный потенциал А и скалярный магнитный потенциал м. Эти функции определяются следующими уравнениями

88

:

В дальнейшем достаточно рассматривать векторный магнитный

потенциал А. Величина А определяется из условия, что уравнения

(3) удовлетворены во всем пространстве, где существует магнитное поле.

Для однородной среды

В декартовой системе координат уравнение (11) можно представить в следующем виде

где 2 – оператор Лампаса; Ах, Ау, Аz – проекции вектора j на

оси координат.

Система уравнений является системой уравнений (13) Пуассона. Для однозначного решения системы необходимо задать граничные условия. При этом задача решается в варианте осесемметричного двухмерного поля. На указанной границе задается условие А = 0.

89

Задача решается методом конечных элементов.

Через известное распределение векторного магнитного потенциала А(х,у) могут быть определены составляющие вектора магнитной индукции

Для определения магнитного потока через любую поверхность

необходимо определить циркуляцию вектора А по контуру, охватывающему эту поверхность

Ф Аde

L

Для реализации данной математической модели необходимо предварительно определить основные геометрические размеры магнитной системы, которые корректируются на основе расчетной картины магнитного поля.

Таким образом, методом конечных элементов с помощью специальных программ по уравнениям проводят численный расчет распределения векторных магнитных потенциалов А, по которым по уравнениям (14) и (15) рассчитываются составляющие вектора магнитной индукции Bx, Bу и магнитный поток Ф.

Воронежский государственный технический университет

90