Modeliranje električnih strojev Laboratorijska vaja 7 Ime in priimek: Datum in ura: Ocena poročila: 1 Besedilo naloge a) Posnemite časovni potek samovzbujanja enosmernega generatorja s paralelnim vzbujanjem, brez in z dodatno upornostjo v vzbujalnem tokokrogu. b) Napišite napetostne enačbe za generator v prostem teku ter izdelajte blokovno shemo generatorja pri čemer uporabite parametre izmerjene pri laboratorijski vaji 2. c) Na osnovi blokovne sheme generatorja, izdelajte (v programu Xcos/Scilab) dinamični model ter opazujte simulirane časovne poteke samovzbujanja. Simulacijske rezultate primerjajte z izmerjenimi. 2 Vezalni načrt S1 A1 L1 L2 EG AM E1 E2 u(t) SPOMINSKI OSCILOSKOP Ω L3 V A2 S2 Rdod t=0 Slika 1: Vezalni načrt za merjenje časovnega poteka samovzbujanja paralelno vzbujanega generatorja. 3 Opis merilne metode 3.1 Časovni potek samovzbujanja Prehodni pojav samovzbujanja predstavlja časovni potek napetosti na rotorskih sponkah generatorja (A1 - A2) od trenutka vklopa vzbujalnega navitja na rotorsko napetost (s stikalom S2, slika 1) do ustaljenega stanja napetosti. Pri tem pogonski stroj (asinhronski motor) ves čas zagotavlja nespremenljivo vrtilno hitrost rotorja generatorja. Generator obratuje v prostem teku, kar pomeni, da nanj ni priključeno breme. S spominskim osciloskopom posnamemo tri prehodne pojave samovzbujanja, in sicer: a) brez dodatne upornosti v vzbujalnem tokokrogu ( Rdod = 0 Ω ) b) z dodatno upornostjo v vzbujalnem tokokrogu ( Rdod ≈ RD ), c) "samomorilno" vezavo brez dodatne upornosti ( Rdod = 0 Ω , zamenjani priključni sponki vzbujanja). 7-1 Modeliranje električnih strojev 3.2 Napetostne enačbe generatorja v prostem teku Za enosmerni generator s paralelnim vzbujanjem (samovzbudni generator) v prostem teku najprej definiramo model v obliki ustreznega električnega vezja (slika 2). iq iD Rq uq Ω ' GqD * LD RD Lq uD Slika 2: Vezje paralelno vzbujanega generatorja v praznem teku. Čeprav imamo v prostem teku v vezju le eno napetost in en tok, zapišimo ločeni napetostni enačbi za rotor in stator: uD RD + LDp u = q Ω GqD − ( Rq + Lq p ) 0 iD i q (1) V primeru, ko nas zanima le stacionarno stanje stroja (npr. napetost, do katere se generator samovzbudi) lahko z upoštevanjem stacionarnih razmer (p = 0) in dodatnih pogojev (v skladu z oznakami na sliki 2) zapišemo: U D = ID RD , (2) U q = Ω GqD ID − Iq Rq . (3) Ker gre za stroj s paralelnim vzbujanjem, sta napetosti UD in Uq enaki, v prostem teku pa tudi toka (ID = Iq = I), tako da za stacionarno stanje iščemo rešitev enačbe: I (RD + Rq ) = Ω GqD I . (4) U Ω ka G rak qD I .p ro ste ga tek a Če so vsi parametri (RD, Rq, GqD) konstantni, predstavljata leva in desna stran enačbe premici iz koordinatnega izhodišča (slika 3). ) +R q emica D R r I( ap ro upo vn I Slika 3: Uporovna premica in linearna karakteristika prostega teka. 7-2 Modeliranje električnih strojev Pojavijo se tri potencialne rešitve: a) RD + Rq > Ω GqD → I = 0 – nadkritična upornost R1 b) RD + Rq = Ω GqD → I = ∞ – kritična upornost R1 c) RD + Rq < Ω GqD → I = ∞ – podkritična upornost R1 (samovzbujanje) Zanimajo nas le rešitve oz. presečišča pri toku, ki je večji od nič saj imamo drugače električno mrtev stroj. V prvem primeru premici takega presečišča nimata, zato do samovzbujanja ne more priti. V drugem primeru se premici sicer prekrivata, vendar presečišče ni enoumno določeno tudi v tem primeru ni samovzbujanja. Tudi v tretjem primeru premici nimata presečišča, vendar pa je inducirana napetost vedno višja od padca napetosti na upornostih, tako da tok narašča preko vseh mej. Stacionarne točke samovzbujanja tudi v tem primeru ni. Dejanska karakteristika prostega teka (KPT) zaradi nelinearnih magnetnih lastnosti železa ni premica ( GqD ≠ konst. ), kar omogoči samovzbujanje in stabilno točko obratovanja (slika 4). U KPT I( R D+ R q) Eq U rem ID , Iq I Slika 4: Presečišče uporovne premice in dejanske karakteristike praznega teka. Če torej želimo rešiti sistem napetostnih enačb, je potrebno nelinearno obliko karakteristike prostega teka, ki smo jo dobili z meritvijo pri laboratorijski vaji 2, opisati z matematično funkcijo. Dokaj dober in uporaben približek predstavlja funkcija: Eq = k1 ⋅ ID + U rem . k2 + ID (5) S poskušanjem in grafično primerjavo krivulj na računalniku, poiščemo najustreznejše vrednosti za k1 in k2 ter enačbo (5) vstavimo v enačbo (1), ki pa je sedaj ne moremo zapisati v obliki matrike, zato napišemo dve ločeni napetostni enačbi: uD = (RD + LDp) iD , uq = (6) k1 iD + U rem − ( Rq + Lq p ) iq . k2 + iD (7) 3.3 Simulacija samovzbujanja s programom Xcos/Scilab Na podlagi napetostnih enačb (6) in (7) izdelajte blokovno shemo generatorja v prostem teku, pri čemer je priporočljivo, da prenosno funkcijo sistema razbijete na več manjših in logičnih blokov (stator, rotor). Na računalniku v laboratoriju blokovno shemo vnesite v program Xcos/Scilab in z dinamičnim modelom generatorja simulirajte prehodni pojav samovzbujanja. Rezultate simulacije primerjajte z izmerjenimi časovnimi poteki. 7-3 Modeliranje električnih strojev Scilab je brezplačen programski paket za numerične izračune in nudi odprto računalniško okolje za inženirske in znanstvene aplikacije. Vključuje tudi modul Xcos, ki omogoča modeliranje in simuliranje dinamičnih sistemov. Program je dostopen na spletni strani: http://www.scilab.org. 4 Vprašanja za razmislek a) Ali se generator opisan z napetostnimi enačbami (6) in (7) lahko samovzbudi, če je rotor popolnoma razmagneten? Utemeljite odgovor. b) Kaj se zgodi, če spremenimo smer toka v vzbujalnem navitju. Pojav obrazložite in utemeljite z napetostnimi enačbami. c) Ali je nujno karakteristiko prostega teka aproksimirati z matematično funkcijo, če želimo simulirati potek samovzbujanja? 5 Literatura [1] Peter Jereb, Damijan Miljavec, Vezna teorija električnih strojev, FE, Ljubljana, 2009. [2] Miljavec Damijan, Peter Jereb, Električni stroji - temeljna znanja, Ljubljana, 2005. [3] Ivan Zagradišnik, Bojan Slemnik, Električni rotacijski stroji, FERI, Maribor, 2001. [4] France Avčin, Peter Jereb, Preizkušanje električnih strojev, Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1983. 6 Nevarnosti pri delu POZOR, NEVARNOST ELEKTRIČNEGA UDARA! NAPAJALNA IZMENIČNA IN ENOSMERNA NAPETOST DO 400 V. MERILNO VEZJE, INSTRUMENTE IN NAPRAVE VEDNO VEŽITE, PRIKLAPLJAJTE ALI ODKLAPLJAJTE V BREZNAPETOSTNEM STANJU! MED MERITVIJO SE NE DOTIKAJTE MERILNIH VEZI, PRIKLJUČNIH SPONK IN MERJENCA! POZOR, NEVARNOST OBLOKA IN VISOKE INDUCIRANE NAPETOSTI! OB PREKINITVI ENOSMERNIH TOKOKROGOV OBSTAJA MOŽNOST NASTANKA ELEKTRIČNEGA OBLOKA IN INDUCIRANJA VISOKIH NAPETOSTI. POZOR, NEVARNOST DOTIKA VRTEČIH SE DELOV STROJA! ZARADI IZVAJANJA MERITEV, VSI VRTEČI DELI NISO MEHANSKO ZAŠČITENI. MED OBRATOVANJEM STROJA SE NE DOTIKAJTE IN NE SEGAJTE V OBMOČJE VRTEČIH SE DELOV STROJA! PO IZKLJUČITVI STROJA POČAKAJTE, DA SE LE-TA USTAVI! 7-4 Modeliranje električnih strojev Priloga: Izbrani bloki iz programa Xcos/Scilab Simbol Ime Opis Pallete: Sources STEP_FUNCTION Stopnična funkcija – nastavljamo začetno in končno vrednost signala ter začetni čas. GENSIN_f Sinusna oblika signala – nastavljamo amplitudo, frekvenco in fazni kot CONST_m Konstantna vrednost – nastavljamo vrednost konstante Pallete: Continuous time systems INTEGRAL_f Integrator – izhodni signal je časovni integral vhodnega signala; nastavljamo začetno vrednost. DERIV Diferenciator – izhodni signal je časovni odvod vhodnega. CLR Prenosna funkcija – vpišemo števec in imenovalec v obliki polinoma (Laplace) Pallete: Mathematical operations GAINBLK_f Ojačevalnik – nastavljamo ojačanje (množenje s konstanto) BIGSOM_f Seštevalnik – nastavljamo število vhodov in predznak vsakega vhoda. ABS_VALUE Absolutna vrednost – izhodni signal je absolutna vrednost vhodnega. PRODUCT Množilnik – produkt nastavljenega števila vhodov. Pallete: User-defined functions EXPRESSION Matematična funkcija – izhodni signal je poljubna funkcija vhodnih signalov. Število vhodnih signalov je nastavljivo (u1, u2, ...). CSCOPE Osciloskop – časovni prikaz vhodnega signala; nastavljamo časovno in amplitudno bazo. Pallete: Sinks 7-5 Modeliranje električnih strojev Priprava na laboratorijsko vajo Enačbi (6) in (7) predstavite z blokovno shemo kolektorskega stroja z paralelnim vzbujanjem. Uporabite lahko specifične bloke iz programa Xcos/Scilab (glej prilogo) ali pa splošne bloke, ki jim določite prenosno funkcijo, operator itd. 7-6
© Copyright 2024