1.2.2Исследование модели асинхронного двигателя в Simulink

1.2.2.1Виртуальная модель асинхронного двигателя в SimPowerSystems

По умолчанию модель асинхронного двигателя из раздела библиотеки SimPowerSystems даётся для фазного ротора (рисунок 1.53,а).

Рисунок 1.53 – Виртуальная модель асинхронной машины (Fig1_53): а) модель в абсолютных единицах двигателя с фазным ротором; б) модель короткозамкнутого двигателя; в) измерительный инструмент

Рисунок 1.54 – Окно ввода параметров двигателя в абсолютных единицах

Клеммы A, B, C служат для подключения к трёхфазному напряжению, клеммы a, b, c – выходы обмотки ротора. Параметры двигателя для модификации SI Units вводятся через диалоговое окно в абсолютных единицах, которое вызывается двойным щелчком по изображению двигателя (рисунок 1.54). В строке Rotor type предлагается два варианта: Wound – двигатель с фазным ротором и Squirrel – cage – короткозамкнутый двигатель (с беличьей клеткой). В строке Reference frame предлагается три варианта выбора системы координат:Rotor – вращающаяся с ротором с одинаковой частотой; Stationary – неподвижная, наиболее естественная для нас; Synchronous – система координат, синхронно вращающаяся с частотой сетевого напряжения. Параметры асинхронного двигателя вводятся в следующие строки в абсолютных единицах. Следует иметь в виду, что эти параметры в справочниках и каталогах не приводятся, а рассчитываются с помощью различных методик, например, так, как это рассмотрено в предыдущем пункте.

Чаще всего применяется короткозамкнутый двигатель (рисунок 1.53,б). К выходу m подключается специальный демультиплексор Machines Measurement Demux, находящийся в разделе SimPowerSystems в подразделе Machine.

Тип машины переменного тока отражается в строке Machine type, открываемого двойным щелчком левой кнопки мыши (рисунок 1.55).

Рисунок 1.55 – Окно выбора типа машины и перечня выходных переменных

По входу T_m задаётся активный момент нагрузки в Нм. По требованию программы Simulink на рабочем поле модели должен быть размещён блок Multimeter (рисунок 1.53,в), иначе процесс моделирования блокируется.

1.2.2.2Моделирование пуска – реверса асинхронного короткозамкнутого двигателя при прямом включении в сеть

На рисунке 1.56 представлена схема моделирования процесса пуска–реверса асинхронного короткозамкнутого двигателя при включении на фазное напряжение 220В, 50Гц (380В линейное) с реверсом путём изменения порядка чередования фаз с помощью переключателей Switch и Switch1. Время моделирования принято 0,6с и реверс через 0,3с. Активный момент нагрузки задан 30Нм. Для построения динамической механической характеристики использован графопостроитель XY Graph.

Рисунок 1.56 – Модель реверсивного электропривода переменного тока с прямым включением двигателя в сеть (Fig1_56)

Настройка задающих генераторов синусоидального сигнала, управляемых источников напряжения и переключателей показана на рисунке 1.57.

Рисунок 1.57 – Настройка блоков управления модели привода переменного тока

Результаты моделирования процесса пуска – реверса представлены на рисунке 1.58. Текущее значение токов представлено в каждой фазе.

Рисунок 1.58 – Переходные процессы пуска – реверса асинхронного двигателя

На первом временном отрезке от 0 до 3-х с на двигатель подаётся напряжение с прямым чередованием фаз, идёт разгон двигателя под нагрузкой 30 Нм «вперёд» (положительный знак частоты вращения). Пусковой ток в обмотке статора достигает амплитудного значения 86,93А. Примерно такое же значение достигает ток в обмотке ротора 77,6А, так как выводится приведённое значение тока ротора в обмотке ротора, приведённое к обмотке статора. Электромагнитный момент двигателя носит колебательный характер, что приводит к ухудшению пусковых свойств двигателя и является недостатком асинхронного двигателя. Максимальное значение текущего значения момента составило при пуске «вперёд» 147Нм. По мере увеличения частоты вращения колебания момента двигателя затухают, интенсивность роста частоты вращения возрастает. При этом ток статора уменьшается при неизменной частоте 50 Гц, в тоже время ток в обмотке ротора тоже уменьшается, но с уменьшением частоты тока ротора. Это объясняется выбором неподвижной системы координат. В установившемся режиме (текущее время чуть менее 3-х секунд) частота вращения достигает значения 150,4 1/с (при ), момент двигателя 29,94Нм (при нагрузке 30Нм), амплитудное значение тока статора 11,6А, амплитудное значение тока ротора 11,02А.

В момент времени 3с производится реверс двигателя путём изменения порядка чередования фаз. Эту задачу выполняют переключатели Switch. Идет переходный процесс реверса: ток в обмотке ротора достигает 106,9А амплитудного значения (рисунок 1.58), частота тока в обмотке ротора чуть менее 100Гц. Идет противоточное торможение (двигатель включен «назад», а ещё вращается «вперёд»). Момент двигателя по-прежнему имеет колебательный характер, максимальное значение составляет – минус 170,1Нм. По мере уменьшения частоты вращения колебательность момента затухает, частота вращения достигает нулевого значения и начинает расти в отрицательной области, которую мы уже назвали «назад». Частота вращения достигает значение минус 162,3 1/с (рисунок 1.58), превышающее частоту идеального холостого хода 157 1/с, это свидетельствует о том, что двигатель работает в режиме генераторного торможения и развивает момент положительный плюс 30,52Нм, равный заданному моменту нагрузки 30Нм. Ток ротора и статора уменьшились до установившегося значения, соответствующего нагрузке 30Нм.

Рисунок 1.59 – Динамическая механическая характеристика асинхронного двигателя при пуске – реверсе с активным моментом нагрузки 30Нм

На рисунке 1.59 приведена снятая при пуске – реверсе механическая характеристика двигателя. Колебательный характер момента при пуске и реверсе весьма существенно изменяет вид механической характеристики. При пуске максимальное значение момента достигает значения около 150Нм, однако, среднее значение, определяющее интенсивность пуска невелико. Наиболее близка к статической механическая характеристика, рассчитанная при пуске двигателя «назад». Двигатель развивает пусковой момент – минус 51,77Нм (рисунок 1.59), максимальный момент – минус 76,6Нм при частоте вращения минус 111,2 1/с и разгоняется до частоты вращения большей, чем частота идеального холостого хода.

Основной вывод, который необходимо сделать, состоит в том, что в модель двигателя можно ввести только активный момент. Виртуальный двигатель из библиотеки SimPowerSystems не способен работать с реактивной нагрузкой, тем более со смешанной.