ЭМС / Metodichka _10.12.12
.pdfФедеральное агентство по образованию Российской Федерации
Филиал «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет в г. Северодвинске
С.В. Платоненков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Методические указания к выполнению лабораторных работ на ЭВМ
Северодвинск
2012
УДК 621.
Моделирование электромеханических систем. Методические указания к выполнению лабораторных работ на ЭВМ. /С.В. Платоненков – Северо-
двинск: Севмашвтуз, 2012.– 49 с. ил.
Ответственный редактор: к.т.н., профессор А.Н. Манойленко
Рецензенты:
Настоящий курс лабораторных работ по дисциплине «Электромеханические системы» предназначены для студентов специальности 220201 «Информатика и управление в технических системах».
Лабораторные работы по основам электромеханики выполняются на ПК в среде MATLAB 7.x с помощью приложения SIMULINK.
Исследованию подвергаются основные типы электрических машин:
−однофазные трансформаторы (лаб. работа №1);
−трехфазные трансформаторы (лаб. работа №2);
−асинхронные машины с короткозамкнутым ротором (лаб. работа №3);
−асинхронные машины с фазным ротором (лаб. работа №4);
−синхронные генераторы (лаб. работа №5);
−синхронные двигатели (лаб. работа №6);
−машины постоянного тока (лаб. работы №7 и №8).
© Севмашвтуз, 2012 г.
ВВЕДЕНИЕ
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы: исследование однофазного трансформатора под нагрузкой.
1.1Содержание работы
1.Определение параметров схемы замещения при помощи опытов холостого хода и короткого замыкания.
2.Снятие нагрузочной и рабочих характеристик трансформатора.
1.2Описание лабораторной установки
Модель для исследования трансформатора показана на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Модель для исследования однофазного трансформатора Модель содержит:
−источник переменного напряжения (AC Voltage Source) E1 из библио-
теки SimPowerSystems/Electrical Sources;
−исследуемый трансформатор (SimPowerSystems/ Elements/ Linear Transformer);
−нагрузку (SimPowerSystems/ Elements/ Series RLC Branch);
−измерители напряжения (SimPowerSystems/ Measurement/ Voltage Measurement) V1 , V2 и измерители тока (SimPowerSystems/ Measurement/ Current Measurement) I1 , I 2 в цепях трансформатора;
−измерители активной и реактивной мощности в цепях трансформатора
(SimPowerSystems/ Extra Library/ Measurements/ Active & Reactive Power);
−блок пользователя (SimPowerSystems/ Powergui), который измеряет значения V1 , V2 , I1 , I 2 ;
−блоки дисплеев (Simulink/ Sinks/ Display) для количественного представления измеренных мощностей и блок осциллографа (Simulink/ Sinks/ Scope) для наблюдения формы кривых тока и напряжения во вторичной цепи;
4
Параметры трансформаторов для выполнения лабораторной работы приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – |
Параметры трансформаторов |
|
|
|
||||
№ |
U1, В |
|
Sн,кВА |
U2, В |
Uк, % |
Pк, Вт |
P10, Вт |
I10, % |
1 |
660 |
|
10 |
400 |
3,8 |
300 |
80 |
6,0 |
2 |
660 |
|
10 |
400 |
4,5 |
280 |
90 |
7,0 |
3 |
660 |
|
16 |
400 |
3,8 |
400 |
120 |
5,2 |
4 |
660 |
|
16 |
400 |
4,5 |
400 |
125 |
5,8 |
5 |
660 |
|
25 |
400 |
3,8 |
600 |
155 |
4,1 |
6 |
660 |
|
25 |
400 |
4,5 |
560 |
180 |
4,8 |
7 |
660 |
|
40 |
400 |
3,8 |
880 |
220 |
3,7 |
8 |
660 |
|
40 |
400 |
4,5 |
800 |
250 |
4,0 |
9 |
660 |
|
63 |
400 |
3,8 |
1280 |
290 |
3,1 |
10 |
660 |
|
63 |
400 |
4,5 |
1090 |
355 |
3,3 |
11 |
660 |
|
100 |
400 |
3,8 |
1450 |
390 |
2,7 |
12 |
660 |
|
100 |
400 |
4,5 |
2060 |
500 |
2,7 |
Базовыми значениями параметров трансформатора являются: расчетная полная мощность S, обозначенная как Pn[VА], номинальная частота (Гц), действующее номинальное напряжение (В) соответствующей обмотки.
Приступая к моделированию необходимо для каждой обмотки найти относительные сопротивления и индуктивности. Удобство задания параметров в относительных единицах заключается в том, что относительные сопротивления и индуктивности первичной и вторичной обмоток оказываются равными.
Расчет относительных параметров трансформатора осуществляется на основании паспортных данных завода изготовителя по выражениям:
|
|
R = |
|
R0 |
= |
|
|
|
|
S |
|
, |
|
|
L = |
x0 |
= |
|
|
|
S |
, |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
m |
|
Zb |
|
|
U1 |
× I10 × cosϕ0 |
|
|
m |
|
Zb |
|
|
U1 × I10 × sinϕ0 |
|
|
(1.1) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
R¢ = R¢ |
= |
|
Rk |
|
= |
S ×U k |
× cosϕk |
, |
|
|
|
L¢ |
= L¢ |
= |
|
xk |
= |
S ×U k |
× sin ϕk |
, |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
1 |
2 |
2 |
× Zb |
|
|
2 |
×U12 × I n |
|
|
|
|
|
p1 |
|
p 2 |
|
|
|
2 × Zb |
|
2 ×U12 × I n |
(1.2) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
где ϕ0 |
= arccos |
|
P10 |
|
, |
ϕк |
= arccos |
Pк |
|
, I n |
= |
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
U1 |
× I10 |
|
|
|
U к |
Iн |
|
U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Примечание: при выполнении расчетов обращайте внимание на размерность значений, приведенных в таблице 1.1.
5
В полях окна настройки параметров трансформатора (рисунок 1.2) последовательно задаются:
−мощность трансформатора и частота;
−действующее напряжение и относительные параметры схемы замещения первичной обмотки;
−действующее напряжение и относительные параметры схемы замещения вторичных обмоток;
−относительные параметры ветви намагничивания;
−переменные состояния трансформатора, которые измеряются блоком
Multimeter.
Рисунок 1.2 – Окно настройки однофазного линейного трансформатора
Поскольку блок Multimeter не используется, то в поле Measurement из выпадающего меню выбирается опция None.
В полях окна настройки нагрузки (рисунок 1.3) задаются значения R,L,С.
6
Рисунок 1.3 – Окно настройки параметров нагрузки Для исключения реактивных элементов индуктивность должна быть за-
дана равной нулю, а емкость – бесконечности (inf).
В полях окна настройки параметров источника питания (рисунок 1.4) задаются:
−амплитуда напряжения источника (В);
−начальная фаза в градусах;
−частота (Гц);
−образец времени (с);
−переменные, измеряемые блоком Multimeter.
Рисунок 1.4 – Окно настройки источника питания
7
Напряжение и частота источника должны соответствовать параметрам трансформатора.
Вокне настройки параметров измерителя мощности указывается частота, на которой измеряется активная и реактивная мощность.
Вполях окна настройки дисплея (рисунок 1.5) указывается формат представления числовых результатов, в поле Decimation (разбивка) задается число шагов вычисления, через которые значения выводятся на дисплей.
Рисунок 1.5 – Окно настройки дисплея
1.3 Порядок выполнения работы
Тип трансформатора для выполнения работы задается преподавателем. Заполняется окно настройки параметров моделирования.
Определение параметров схемы замещения и сравнение их с заданными в окне настройки производится при помощи методов холостого хода и короткого замыкания. При холостом ходе нагрузка отключена, трансформатор запитан номинальным напряжением. Действующие значения напряжений и токов трансформатора при холостом ходе определяются в окне блока Powergui.
Активная мощность в режиме холостого хода равна потерям в сердечнике трансформатора.
Относительные параметры ветви намагничивания рассчитываются по вы-
ражениям (1.1-1.2).
Опыт короткого замыкания проводится при коротком замыкании во вторичной цепи. При этом напряжение источника питания должно быть равно напряжению короткого замыкания трансформатора.
Активная мощность в режиме короткого замыкания при первичном токе короткого замыкания равном номинальному, определяет потери в обмотках трансформатора. После проведения опытов и расчета параметров следует сравнить их с теми, которые были введены в окно параметров.
Снятие нагрузочной и рабочих характеристик трансформатора производится на модели (рисунок 1.1) при изменении мощности нагрузки в диапазоне
8
(0,2÷1,2) ·Sном с шагом (0,1÷0,2) · Sном При этом для каждого значения сопротивления нагрузки осуществляется моделирование.
Сопротивление нагрузки рассчитывается по формуле:
|
|
|
|
|
|
|
|
R = |
U12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.3) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При проведении исследований заполняется таблица 1.2. |
|
|
|
||||||||||||||||
Таблица 1.2 – |
Измеренные и рассчитанные значения |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Нагр. |
|
|
|
|
|
Измерения |
|
|
|
|
|
|
Вычисления |
|||||||
Rн |
|
Р1 |
Q1 |
U1 |
|
I1 |
|
P2 |
|
Q2 |
U2 |
I2 |
ϕ1 |
cosϕ1 |
|
η |
||||
[Ом] |
[Вт] |
[ВА] |
[B] |
|
[A] |
|
[Вт] |
|
[ВА] |
[B] |
[A] |
[град] |
[град] |
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Вычисления производятся по выражениям: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
η = |
P2 |
;ϕ = arctg |
Q1 |
|
|
|
|
|
(1.4) |
||||||
|
|
|
|
|
P1 |
P1 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
По данным таблицы строится нагрузочная характеристика трансформатора и на отдельном рисунке – рабочие характеристики. Формы напряжения и тока на вторичной обмотке трансформатора, полученные с помощью осциллогра-
фа Scope.
1.4Содержание отчета
1.Номер лабораторной работы и варианта, тема, цель.
2.Схема модели и описание виртуальных блоков.
3.Сравнительная таблица заданных и определенных из опытов холостого хода и короткого замыкания параметров трансформатора.
4.Внешняя характеристика трансформатора U2=f(I2)
5.Рабочие характеристики трансформатора η=f(I2), cosϕ =f(I2), I1=f(I2).
6.Выводы по работе.
1.5Контрольные вопросы
1.Основные характеристики трансформатора.
2.Структура потерь в трансформаторе и их источники.
3.Основные коэффициенты трансформатора.
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы: исследование трехфазного трансформатора при различных схемах соединения первичных и вторичных обмоток.
Содержание работы
1.Определение параметров трансформатора при соединении «звезда-
звезда» (Y/Y).
2.Определение параметров трансформатора при соединении «звездатреугольник» (Y/ ).
3.Определение параметров трансформатора при соединении «треугольник-
треугольник» ( / ).
4.Определение параметров трансформатора при соединении «треугольникзвезда» ( /Y).
Описание лабораторной установки
Модель для исследования трехфазного трансформатора показана на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Модель для исследования трехфазного трансформатора
По сравнению с моделью однофазного трансформатора здесь не используются блоки для измерения основных характеристик (основные характеристики трехфазного трансформатора и однофазного трансформатора идентичны), но добавлен блок Multimeter (SimPowerSystems/ Measurement), измеряющий токи и напряжения трансформатора. Значения этих токов отчитываются с окна блока Powergui. Там же снимаются значения входного U1 и выходного U2 напряжений и разность фаз между ними.
Окно настройки параметров трехфазного трансформатора, в отличие от однофазного, содержит два дополнительных поля (рисунок 2.2):
−Winding 1 connection (ABC terminals) – схема соединения первичных обмоток;
−Winding 2 connection (abc terminals) – схема соединения вторичных об-
моток.
10