Modelowanie w SIMULINKU

Zakład Urządzeń Elektrycznych i Elektrotechniki Morskiej

Konspekty do Ćwiczeń z

LABORATORIUM

MODELOWANIE W SIMULINKU

LABORATORIUM „

Modelowanie w SIMULINKU

”

Cwiczenie № 1

Badania obcowzbudnej maszyny prądu stałego.

1. Cel pracy – Badania obcowzbudnej maszyny prądu stałego z wzbudzeniem szeregowym przy
prace silnikowej i generatorowej.

2. Wskazówki do pracy. Do wykonania pracy nałeŜy przystąpić po zapoznaniu się z literaturą:

•

Afonin A. Konspekt lekcje „Projektowanie układów elektromechanicznych w MATLABIE i
SIMULINKU. Wersja elektroniczna. ZUE i EM, In-t Elektrotechniki Politechniki
Szczecińskiej, 2003, 164 s.

•

Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z
komutacją elektroniczna. Skrypt, seria „Tempus”, Szczecin - 2000, 242 s.

•

German-Gałkin S, Gnat K.: Ćwiczenia z Elektrotechniki w MATLABIE I SIMULINKU.
WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin - 2002.

•

Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie. WNT, W-wa, 1998, 308 s.

3. Zawartość pracy.
3.1.  Wyznaczenie  mechanicznych  i  oliczenia  roboczych  charakterystyk  przy  prace  maszyny
elektrycznej w reŜimie silnikowym.
3.2.  Wyznaczenie  mechanicznych  i  oliczenia  roboczych  charakterystyk  przy  prace  maszyny
elektrycznej w reŜimie generatorowym.

4. Wirtualny laboratoryjny układ.
Wirtualny laboratoryjny układ pokazano na rys. 1.1.

Рис. 1.1. Model do badań obcowzbudnej maszyny prądu stałego

Model  do  badań  maszyny  obcowzbudnej  prądu  stałego  zawiera  Ŝródła  napięcia  stałego  (V1  dla
zasilania  twornika  maszyny  –  z  biblioteki  Power  System  Blockset/Electrical  Sources),  blok
Moment do zadania momentu obciąŜenia (blok Constant z biblioteki Simulink/Sources), własną
obcowzbudną  maszynę  prądu  stałego  (blok  DC  Machine  z  biblioteki    Power  System
Blockset/Machines),  przyrząd  do  pomiaru  zmiennych  stanu  maszyny  -  Display  z  biblioteki
Simulink/Sinks.
Okno dostrojenia parametrów obcowzbudnej maszyny prądu stałego pokazano na rys. 1.2, a okno
dostrojenia parametrów zródła zasilania.- na rys. 1.3.

Rys. 1.2. Okno dostrojenia parametrów obcowzbudnej maszyny prądu stałego

Model  pozwala  przeprowadzić  badania  maszyn  obcowzbudnych,  bocznikowych  i  szeregowych.
Obwód twornika i wzbudzenia obserwowane z graficznego przedstawienia bloku, na wejście TL
jest  doprowadzony  moment  obciąŜenia,  wyjście  m  przeznaczono  do  pomiaru  i  obserwacji
zmiennych  stanu  maszyny  w  następnej  kolejności:  prędkość  kątowa  (rad/s),  prąd  twornika  (А),
prąd wzbudzenia (А), moment elektromagnetyczny (Nm). W polach dostrojenia zadano:

Parametry uzwojeń twornika - Ra (Om) La (H);

Parametry uzwojeń wzbudzenia – Rf (Om),Lf (H);

współczynnik Laf;

wypadkowy moment bezwładności maszyny i moment obciąŜenia - J (kGm

współczynnik tarcia lepkiego - Bm (Nms);

współczynnik tarcia suchego – Tf (Nm);

prędkość poczatkowa.

Obliczenia parametru Laf wykonuje się poprzez kolejne rozwiązywanie równań:

nom

−

Okno dostrojenia parametrów symulacji pokazano na rys. 1.3.

Rys. 1.3. Okno dostrojenia parametrów symulacji

5. Kolejność wykonania ćwiczenia.
5.1. Parametry maszyny proponuje nauczyciel. Wykonuje się obliczenia wartości parametrów i
wypelnienie okien dostrojenia parametrów maszyny.
5.2. Zadanie parametrów symulacji.
5.3. Przy wyznaczeniu charakterystyk według p. 3.1 w oknie dostrojenia bloku Momentu z kolei
zadawano wartości momentu od 0.4 do 1.4 М

z interwałem. 0.2 М

5.4. Dla kazdej wartości momentu wykonuje się symulację i wypełnia się tabelę 1.1 z zawartością
obliczeniowych i zmierzonych parametrów.

Таbela 1.1

Pomiary

Obliczenia

(Nm)

(rad/s)

(А)

М (Nm)

Р1 (W)

Р2 (W)

6.     Spis treści sprawozdania.
6.1. Schemat modeli i opis bloków.
6.2 ZaleŜności obliczeń parametrów maszyny elektrycznej.
6.3. Wzory obliczeń mocy Р1, Р2 i sprawności.
6.4. Wypełnienie tabeli.
6.5.  Wykres  charakterystyk  mechanicznych  maszyny  elektrycznej  w  stanach  pracy  silnikowej  i
generatorowej.
6.6.  Wykresy  charakterystyk  roboczych  maszyny  elektrycznej  w  stanach  pracy  silnikowej  i
generatorowej.

LABORATORIUM „

Modelowanie w SIMULINKU

”

Ćwiczenie № 2

Badania maszyny prądu stałego z wzbudzeniem szeregowym.

1. Cel pracy – Badanie maszyny prądu stałego z wzbudzeniem szeregowym podczas pracy
silnikowej.

2. Wskazówki do pracy. Do wykonania pracy naleŜy przystąpić po zapoznaniu się z literaturą:

•

Afonin A. Konspekt lekcji „Projektowanie układów elektromechanicznych w MATLABIE i
SIMULINKU

. Wersja elektroniczna. ZUE i EM, In-t Elektrotechniki Politechniki

Szczecińskiej, 2003, 164 s.

•

Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z
komutacją elektroniczna. Skrypt, seria „Tempus”, Szczecin - 2000, 242 s.

•

German-Gałkin S, Gnat K.: Ćwiczenia z Elektrotechniki w MATLABIE I SIMULINKU.
WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin - 2002.

•

Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych numeryczne. WNT, W-wa, 1998, 308 s.

3. Treść pracy.
3.1.  Wyznaczenie  mechanicznych  i  roboczych  charakterystyk    maszyny  elektrycznej  podczas
pracy w reŜimie silnika.
4. Wirtualny układ laboratoryjny.
Wirtualny układ laboratoryjny  pokazano na rys. 2.1.

Рис. 2.1. Model do badań maszyny maszyny prądu stałego z wzbudzeniem szeregowym

podczas pracy silnikowej

Model  do  badań  maszyny  prądu  stałego  z  wzbudzeniem  szeregowym  przy  pracy  silnikowej
zawiera  źródło  napięcia  stałego  (V1  dla  zasilania  maszyny  –  z  biblioteki  Power  System
Blockset/Electrical  Sources),  blok  Moment  do  zadania  momentu  obciąŜenia  (blok  Constant  z
biblioteki  Simulink/Sources),  własną  maszynę  prądu  stałego  (blok  DC  Machine  z  biblioteki
Power  System  Blockset/Machines),  przyrząd  do  pomiaru  zmiennych  stanu  maszyny  Display  z
biblioteki  Simulink/Sinks.
Okno  dostrojenia  parametrów  maszyny  prądu  stałego  pokazano  na  rys.  2.2,  a  okno  dostrojenia
parametrów zródła zasilania.- na rys. 2.3.

Rys. 2.2. Okno dostrojenia parametrów maszyny prądu stałego

Rys. 2.3. Okno dostrojenia parametrów źródła zasilania

Model pozwala przeprowadzić badania maszyn obcowzbudnych, bocznikowych i szeregowych.
Obwód twornika i wzbudzenia obserwowane są z bloku graficznego przedstawiania , na wejście
TL jest doprowadzony moment obciąŜenia, wyjście m przeznaczono do pomiaru i obserwacji
zmiennych stanu maszyny w następującej kolejności: prędkość kątowa (rad/s), prąd twornika (А),
prąd wzbudzenia (А), moment elektromagnetyczny (Nm). W polach dostrojenia zadano:

parametry uzwojeń twornika - Ra (Om), La (H);

parametry uzwojeń wzbudzenia – Rf (Om),Lf (H);

współczynnik Laf;

wypadkowy moment bezwładności maszyny i moment obciąŜenia - J (kgm

współczynnik tarcia lepkiego - Bm (Nms);

współczynnik tarcia suchego – Tf (Nm);

prędkość poczatkową.

Obliczenia parametru Laf wykonuje się poprzez kolejne rozwiązywanie równań:

Okno dostrojenia parametrów symulacji pokazano na rys. 2.4.

5. Kolejność wykonywania ćwiczenia.
5.1. Parametry maszyny proponuje nauczyciel. Wykonuje się obliczenia wartości parametrów i
wypełnienie okien dostrojenia parametrów maszyny.
5.2. Zadanie parametrów symulacji.
5.3. Przy wyznaczeniu charakterystyk według p. 3.1 w oknie dostrojenia bloku Moment
zadawano wartości momentu od 0.4 do 4 М

ze skokiem 0.4 М

Rys. 2.4. Okno zadania parametrów symulacji

Dla kaŜdej wartości momentu wykonuje się symulację i wypełnia się tabelę 2.1 wartościami
obliczeniowymi i pomiarowymi.

Таbela 2.1

Pomiary

Obliczenia

(Nm)

(rad/s) I

(А)

М (Nm)

Р1 (W)

Р2 (W)

6. Spis treści sprawozdania.
6.1. Schemat modeli i opis bloków.
6.2 ZaleŜności obliczeń parametrów maszyny elektrycznej.
6.3. Wzory obliczeń mocy Р1, Р2 i sprawności.
6.4. Wypełnione tabele.
6.5. Wykres charakterystyki mechanicznej maszyny elektrycznej.
6.6 Wykresy charakterystyk roboczych maszyny elektrycznej.

LABORATORIUM „

Modelowanie w SIMULINKU

”

Ćwiczenie № 3

Badania trójfazowego transformatora.

1.  Cel  pracy  –  Badania  trójfazowego  transformatora  przy  róŜnych  schematach  połączenia
uzwojeń pierwotnych i wtórnych.
2. Wskazówki do pracy. Do wykonania pracy nałeŜy przystąpić po zapoznaniu się z literaturą:

•

Afonin A. Konspekt wykładu „Projektowanie układów elektromechanicznych w MATLABIE
i SIMULINKU. Wersja elektroniczna. ZUE i EM, In-t Elektrotechniki Politechniki
Szczecińskiej, 2003, 164 s.

•

Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z
komutacją elektroniczna. Skrypt, seria „Tempus”, Szczecin - 2000, 242 s.

•

German-Gałkin S, Gnat K.: Ćwiczenia z Elektrotechniki w MATLABIE I SIMULINKU.
WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin - 2002.

•

Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie. WNT, W-wa, 1998, 308 s.

3. Zawartość pracy.
3.1.  Określenie  charakterystyk  trójfazowego  transformatora  przy  schemacie  połączenia
«gwiazda- gwiazda» (Y/Y).
3.2.  Określenie  charakterystyk  trójfazowego  transformatora  przy  schemacie  połączenia
«gwiazda- trójkąt» (Y/

∆

3.3. Określenie charakterystyk trójfazowego transformatora przy schemacie połączenia
«trójkąt - trójkąt» (

∆

3.4. Określenie charakterystyk trójfazowego transformatora przy schemacie połączenia
«trójkąt-gwiazda» (

∆

/Y).

4. Wirtualny układ laboratoryjny.
Wirtualny układ laboratoryjny  pokazano na rys. 3.1.

Blok  Multimeter  przeznaczony  jest  do  pomiarów  prądów  i  napięcia  transformatora.  Wartości
odczytywane  jest  w  oknie  bloku  Powergui.  Okno  dostrojenia  parametrów  trójfazowego
transformatora pokazano na rys. 3.2. Zawiera dwa dodatkowe pola:

•

Winding 1 (ABC) connection – schemat połączeń uzwojeń pierwotnych;

•

Winding 2 (abc) connection – schemat połączeń uzwojeń wtórnych.

Rys. 3.1. Model trójfazowego transformatora

Rys. 3.2. Okno dostrojenia parametrów trójfazowego transformatora

W  menu  pola  zadawano  schemat  połączeń,  a  w  polu  Measurement  wybierana  jest  opcja  All
measurement  (V  I  Fluxes),  przy  której  moŜna  zmierzyć  napięcia  i  prądy  wszystkich  uzwojeń  a
takŜe prądy magnesowania pierwotnych uzwojeń.
Okno bloku Multimeter pokazano na rys. 3.3.

Рис. 3.3. Okno bloku Multimeter

W lewym polu obecne zmienne stanu transformatora, stany pokazano w oknie bloku Powergui po
prowadzeniu  symulacji.  W  prawym  oknie  przyciskiem  Select  przeniesiono  zmienne  dla
obserwacji.  Włączony  flag  “Display  signals  at  simulation  stop”  zabezpiecza  graficzne  wyjście
wybranych zmiennych przy symulacji.

5. Kolejność wykonania ćwiczenia..
Kolejność  prowadzenia  ćwiczeń  laboratoryjnych  zgodnie  ze  wszystkimi  punktami  3.1-3.4
pozostaje  stała.  Parametry  źródła  zasilania  transformatora  wybierane  są  przez  nauczyciela.
Podczas pracy samodzielnej  mogą one być zgodne z pokazanymi na rys. 3.2, 3.4, 3.5.

Rys. 3.4. Okno zadania parametrów obciąŜenia

Rys.3.5. Okno dostrojenia parametrów źródła trójfazowego

Dla kaŜdego punktu (3.1-3.4) wykonywana jest symulacja i dla kaŜdej fazy wypełnia się tabelę
3.1.

Таbela 3.1

Pomiary w fazie

Obliczenia

Schemat
połączeń

U1f

I1ф

U2f

I2f

Współczynnik

transformacji

grad

Do tabeli 3.1 wprowadzono napięcie fazowe, prądy i ich fazą początkową.
Na rys.3.6 pokazano okno bloku Powergui z wynikami symulacji przy schemacie połączeń
«gwiazda- gwiazda».
Na rys.3.7 przedstawiono wyniki w postaci graficznej bloku Multimeter.

Rys. 3.6. Wyniki symulacji przy schemacie połączeń uzwojeń Y/Y

Rys.3.7. Wyniki symulacji w oknie bloka Multimeter

6. Zawartość sprawozdania.
6.1. Schemat modeli i opis wirtualnych bloków.
6.2. Wypełnienie tabeli.
6.3. Diagram wektorowy.

LABORATORIUM „

Modelowanie w SIMULINKU

”

Ćwiczenie № 4

Badania generatora synchronicznego.

1. Cel pracy – Badania generatora synchronicznego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym przy
pracy z obciąŜeniem biernym.

2. Wskazówki do pracy. Do wykonania pracy nałeŜy przystąpić po zapoznaniu się z literaturą:

•

Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z
komutacją elektroniczna. Skrypt, seria „Tempus”, Szczecin - 2000, 242 s.

•

German-Gałkin S, Gnat K.: Ćwiczenia z Elektrotechniki w MATLABIE I SIMULINKU.
WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin - 2002.

•

Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie. WNT, W-wa, 1998, 308 s.

3. Zawartosć pracy.
3.1. Wyznaczenie charakterystyk biegu jalowego.
3.2. Budowa zewnętrznej (obciąŜenia) charakterystyki generatora przy obciąŜeniu czynnym.
3.3.  Budowa  zewnętrznej  (obciąŜeniowej)  charakterystyki  generatora  przy  obciąŜeniu  czynno-
indukcyjnym.
3.4.  Budowa  zewnętrznej  (obciąŜeniowej)  charakterystyki  generatora  przy  obciąŜeniu  czynno-
pojemnościowym.

4. Wirtualny układ laboratoryjny .
Wirtualny układ laboratoryjny pokazano na rys. 4.1.

Układ zawiera:

Trójfazową maszyną synchroniczną Simplified Synchronous Machine z biblioteki Power
System Blockset /Machines;

Przyrząd pomiarowy stanów maszyny Machines Measurement z biblioteki Power System
Blockset / Machines;

Trójfazowe obciąŜenie 3-Phase Load z biblioteki Power System Blockset / Extras / Three-
Phase Library;

bloki RMS.Vs, RMS.Ef do pmiarów wartości skutecznej napięcia na obciąŜeniu i SEM
wzbudzenia maszyny;

wzmacniacz Gain z głównej biblioteki Simulink/Math;

bloki Display dla ilościowego przedstawienia wartości zmierzonych oraz blok Scope dla
obserwacji SEM wzbudzenia, prędkości i mocy elektromagnetycznej maszyny
synchronicznej z głównej biblioteki Simulink/Sinks;

bloki Omega, If dla zadania prędkości maszyny synchronicznej i prądu wzbudzenia
maszyny z głównej biblioteki Simulink/Source;

blok Mux, łączący trzy sygnały w jeden wektorowy z głównej biblioteki
Simulink/Sygnal & System.

Rys. 4.1. Wirtualny układ laboratoryjny

Okno dostrojenia parametrów maszyny synchronicznej pokazano na rys. 4.2.

W polach okna dostrojenia parametrów maszyny synchronicznej kolejno wprowadza się:

rezystancję czynną uzwojeń stojana (Om);

schemat połączeń uzwojeń stojana maszyny. W menu pola moŜna wybrać połączenie w
gwiazdę bez zerowego lub z zerowym przewodem;

moc całkowita (VА), wartość skuteczną liniową napięcia i częstotliwość;

moment bezwładności (kgm

), współczynnik tłumienia, liczba par biegunów;

а uzwojeń stojana i indukcyjność uzwojenia stojana;

początkowe warunki przy rozruchu modelu.

Рис. 4.2. Okno dostrojenia parametrów maszyny synchronicznej

Okno dostrojenia pomiaru zmiennych stanu maszyny pokazano na rys. 4.3.
Typ maszyny wybiera się w polu Machine type. Flagi z lewej strony włączone dla tych
zmiennych stanu, które podlegają pomiarom.

Rys. 4.3. Okno dostrojenia pomiaru zmiennych stanu maszyny

Blok dostrojenia pomiarów wartości skutecznej maszyny pokazano na rys. 4.4. W oknie
dostrojenia bloku wprowadza się częstotliwość, przy której wykonuje się pomiary.

Рис. 4.4. Okno dostrojenia pomiarów wartości skutecznej maszyny

Okno dostrojenia parametrów obciąŜenia pokazano na rys. 4.5.

Rys. 4.5. Okno dostrojenia parametrów obciąŜenia

W  polach  okna  wprowadza  się  wartość  skuteczną  liniową  i  częstotliwość,  czynną  i  bierną
(indukcyjna i pojemnościowa) moc obciąŜenia.

5. Kolejność wykonania ćwiczenia.
Parametry maszyny synchronicznej, źródeł zasilania i bloku Gain zadawane są przez nauczyciela.
Okno dostrojenia parametrów symulacji pokazano na rys. 4.6.

Rys. 4.6. Okno dostrojenia parametrów symulacji

Wyznaczenie charakterystyki biegu jałowego generatora zgodnie z p. 3.1 wykonuje się na
modelu rys. 4.1 przy zmianach parametru bloku I

od 0 do 1.4.

Dla kaŜdej wartości prądu wzbudzenia wykonuje się symulację. Wyznaczenie charakterystyk
odbywa się przy zerowych wartościach mocy reaktywnej obciąŜenia i małej (1 W) mocy
czynnej. Po wykonaniu badań wypełnia się tabelę 4.1.

Таbela 4.1

Prąd wzbudzenia I

Еf (V)

U (V)

Z wyników tabeli otrzymuje się zaleŜność U=f(If), z której sposobem graficznym określa się
I

f.ob

, odpowiadająca napięciu nominalnemu maszyny.

Budowa zewnętrznej charakterystyki generatora przy obciąŜeniu czynnym wykonuje się za
pomocą modeli (rys. 4.1) przy zmianach mocy czynnej zakresie od 0.2 Р

до 1.4 Р

z interwałem

0.4 Р

. Wartość Р

jest wybierana w pierwszym polu bloku dostrojenia parametrów generatora

(rys. 4.2). Po otrzymaniu danych pomiarowych wypełnia się tabelę 4.2.

Таbela 4.2

Pomiary

Obliczenia

нагр

соs

VАr

rad/s

Obliczenia wykonuje sie według wzorów.

arctg

cos

(4.1)

Z pomiarów i obliczeń uzyskuje się charakterystykę zewnętrzną generatora U=f(I).
Budowa  zewnętrznych  charakterystyk  przy  czynno-indukcyjnym  i  czynno-pojemnościowym
obciąŜeniu  zgodnie  z  p.  3.3,  3.4  wykonuje  się  podobnie.  Przy  zmianie  mocy  obciąŜenia  trzeba

uwzględniać warunek

. Zgodnie z pomiarami wypełnia się tabelę, podobnie tabelę 4.2 i

następnie buduje się zewnętrzną charakterystykę.

6. Zawartość sprawozdania.
6.1. Schemat modeli i opis bloków wirtualnych.
6.2. Charakterystyka biegu jałowego.
6.3. Zewnętrzne charakterystyki generatora przy róŜnych współczynnikach mocy obciąŜenia.

LABORATORIUM „

Modelowanie w SIMULINKU

”

Ćwiczenie № 5

Badania maszyny asynchronicznej z wirnikiem zwartym.

1. Cel pracy – Badania Badania maszyny asynchronicznej z wirnikiem zwartym.
2. Wskazówki do pracy. Do wykonania pracy naleŜy przystąpić po zapoznaniu się z literaturą:

•

Afonin A. Konspekt wykładu „Projektowanie układów elektromechanicznych w

MATLABIE

SIMULINKU. Wersja elektroniczna. ZUE i EM, In-t Elektrotechniki Politechniki

Szczecińskiej, 2003, 164 s.

•

Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z
komutacją elektroniczna. Skrypt, seria „Tempus”, Szczecin - 2000, 242 s.

•

German-Gałkin S, Gnat K.:

Ćwiczenia z Elektrotechniki w MATLABIE I SIMULINKU.

WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin - 2002.

•

Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie. WNT, W-wa, 1998, 308 s.

•

3. Zawartość pracy.
3.1.  Wyznaczenie  parametrów  schematu  zastępczego  za  pomocą  metody  biegu  jalowego  i
metody zwarcia.
3.2. Wyznaczenie mechanicznych i roboczych charakterystyk w reŜimie silnika.
3.3. Wyznaczenie mechanicznych i roboczych charakterystyk w reŜimie generatora.

4. Opis laboratoryjnego stanowiska wirtualnego .
Laboratoryjne stanowisko wirtualne pokazano na rys. 5.1.

Rys. 5.1. Model do badań maszyny asynchronicznej

Model zawiera:

śródło przemiennego trójfazowego napięcia Source z biblioteki Power System Blockset
/Extras/Electrical Sources;

Przyrząd pomiarowy trójfazowego napięcia i prądu Three-Phase V-I Measurement z
biblioteki Power System Blockset/Extras /Measurement;

trófazową maszyną asynchroniczną Asynhronous Machine z biblioteki Power System
Blockset / Machines;

Przyrząd pomiarowy mocy czynnej i biernej P1,Q1 z biblioteki Power System
Blockset/Extras/Measurement;

blok Display do ilościowego przedstawienia zmierzonych mocy i blok Scope do
obserwacji prądów stojana i wirnika, a takŜe prędkości i momentu elektromagnetycznego
z głównej biblioteki Simulink/Sinks;

blok Moment do zadania momentu mechanicznego na wałe maszyny z głównej biblioteki
Simulink/Source;

blok

Display1

ilościowego

przedstawienia

zmierzonych

momentu

elektromagnetycznego (Nm) i prędkości (rad/s) maszyny z głównej biblioteki
Simulink/Sinks;

blok Mux, łączący dwa sygnala w jeden wektorowy z głównej biblioteki Simulink/Sygnal
& System.

Okno dostrojenia parametrów trófazowej maszyny asynchronicznej pokazano na rys. 5.2.
W polach okna zadawano po kolei:

typ wirnika (Rotor Type), w menu pola moŜna zadać wirnik zwarty lub fazowy;

układ odczytu pomiarowego przy analizie (Reference frame);

moc, wartość znamieniowa skuteczna napięcia liniowego i częstotliwości;

parametry schematu zastępczego stojana;

parametry schematu zastępczego wirnika;

parametry obwodu magnesowania;

moment bezwładności, współczynnik tarcia lepkiego, liczba par biegunów;

warunki początkowe dla symulacji (poślizg, połoŜenie wirnika, prądy stojana i ich
początkową fazę).

Wyznaczenie parametry schematu zastępczego trófazowej maszyny asynchronicznej

1. Poślizg nominalny

−

, (1)

gdzie:

n -prędkość synchroniczna (prędkość wirującego pola elektromagnetycznego),

n - prędkość nominalna obracania wirnika.

2. Poślizg krytyczny

(

)

−

, (2)

gdzie:

- stosunek momentu zwarcia (rozruchowego) do momentu nominalnego.

3. Współczynnik konstrukcyjny

. (3)

4. Współczynnik lepkiego tarcia

)

(

∆

. (4)

W równaniu (4) straty mechaniczne

∆

określane są w sposób następujący. Zadają zmianą

∆

w granicach od 0.01 do 0.1 mocy znamienowej i budują zaleŜność I

∆

według wzoru

ϕη

cos

∆

(5)

Wartość

∆

wyznaczają w sposób graficzny przy I

5. Rezystancia stojana

)

(

)

(

)

(

)

(

∆

−

. (6)

6. Rezystancja wirnika

)

(

)

(

−

∆

, (7)

gdzie:

-stosunek prądu zwarcia do prądu znamieniowego.

7. Indukcyjność stojana i wirnika

[

]

cos

)

(cos

−

≅

. (8)

8. Indukcyjność rozproszenia stojana i wirnika

[

]

)

(

)

(

−

≅

. (9)

9. Wzajemna indukcyjność

−

(10)

Okno dostrojenia parametrów maszyny asynchronicznej pokazano na rys. 5.2.

Rys. 5.2. Okno dostrojenia parametrów maszyny asynchronicznej

Okno dostrojenia parametrów uniwersalnego bloku pomiarów zmiennych stanów maszyny
pokazano na rys. 5.3. W menu bloku Machine type jest zadawany typ maszyny.

Рис. 5.3. Okno dostrojenia parametrów bloku pomiarowego

Okno dostrojenia parametrów trójfazowego źródła zasilania pokazano na rys. 5.4.
W polach okna zadawano:

amplituda fazowego napięcia źródła zasilania (V);

faza pczątkowa w gradusach;

częstotłiwość (Hz);

rezystancja wewnętrzna (Om) i indukcyjność Ŝródła zasilania (H).

Napięcie i częstotłiwość Ŝródła zasilania powinni odpowiadać parametrom maszyny
asynchronicznej.

Rys. 5.4. Okno dostrojenia parametrów trójfazowego Ŝródła zasilania

Okno dostrojenia bloku pomiru mocy czynnej i biernej pokazano na rys. 5.5. Przy tym wybierany
tylko jeden parametr – częstotłiwość, która powinna być równa częstotliwości źródła zasilania.

Рис. 5.5. Okno dostrojenia bloku pomiru mocy

Okno  dostrojenia  parametrów  monitora  pokazano  na  rys.  5.6.  W  polach  okna  dostrojenia
pokazany  format  rezultatów  numerycznych,  w  polu  Decimation  –  zadawaną  liczba  skoków
obliczeniowych,  wartości  których  wyświetlone  są  na  displeju.  Ustawienie  w  polu  Sample  time
wartości –1 synchronizuje pracę bloku z dyskretą obliczeń.

Rys. 5.6. Okno dostrojenia parametrów monitora

Okno dostrojenia parametrów bloku Mux pokazano na rys. 5.7. Blok Mux łączy dwa sygnala w
jeden wektorowy.

Рис. 5.7. Okno dostrojenia parametrów bloku Mux

5. Kolejność wykonania ćwiczenia.
Parametry maszyny asynchronicznej wyznacza nauczyciel.
Okno dostrojenia parametrów symulacji pokazano na rys. 5.8.

Rys. 5.8. Okno dostrojenia parametrów symulacji

Określenie  parametrów  schematu  zastępczego  zgodnie  z  punktem  3.1  i  porównanie  ich  z
zadanymi  w  oknie  ustawienia  (rys.3.5.2.)  osiąga  się  metodą  biegu  jałowego  i  metodą  zwarcia.
Przy  biegu  jałowym  moment  obciąŜenia  przyjmuje  się  równym  zeru.  Wielkość  oporności
czynnej stojana i indukcyjność obwodu magnesowania określa się zaleŜnościami:

)

(

gdzie  Р,  Q-  wielkość  moc  czynnej  i  biernej  w  jednej  fazie,  U,  f-  napięcie  skuteczne  i
częstotliwość źródła.
Badanie  stanu  zwarcia  przeprowadza  się  przy  napięciu  źródła  zasilania  15-25%  napięcia
początkowego. Model przy badaniu stanu zwarcia pokazany jest na rysunku 3.5.9, tam pokazane
są równieŜ rezultaty symulacji.

Model dla przeprowadzenia metody zwarcia razem z wynikami symulacji pokazano na rys. 5.9.

Rys. 5.9. Model dla przeprowadzenia metody zwarcia

Parametry schematu zastęczego – rezystancja wirnika i indukcyjności rozproszenia stojana i
wirnika określa się na podstawie wzorów:

−

)

(

gdzie: Р, Q- czynna i bierna moc w jednej fazie, U, f – wartość skuteczna napięcia i
częstotłiwość Ŝródła zasilania.
Po wykonaniu badań i obliczeń parametrów wykonuje się porównanie ich z wprowadzonymi w

okna (rys. 5.2).
Budowa mechanicznych i roboczych charakterystyk maszyny w reŜimie silnikowym zgodnie z p.
3.2 odbywa się za pomocą modelu (rys. 5.1) przy zmianach momentu obciąŜenia od 0 do 1.4
nominalnego z symulacją dla kaŜdej wartości momentu obciąŜenia. Po wykonaniu badań
wypełnia się tabelę 5.1.

Таbela 5.1

Pomiary Obliczenia

cos

VАr

rad/s

grad

Na podstawie wyników z tabeli buduje się mechaniczną charakterystykę maszyny przy prac
silnikowej oraz charakterystyki robocze.
Wyniki symulacji przy М

=100 Nm pokazano na rys. 5.10.

Rys. 5.10. Charakterystyka w funkcji czasu zmiennych stanu maszyny przy prace silnikowej

Charakterystykę  zmiany  w  czasie  zmiennych  stanu  maszyny  przy  pracy  silnikowej  moŜna
obserwować za pomocą oscyloskopu (rys. 5.10). MoŜna zauwaŜyć procesy w stanach ustalonych
i przejściowych.
Zgodnie  z  p.3.3  konspektu  otrzymuje  się  charakterystyki  maszyny  asynchronicznej  w  reŜimie
generatora  przy zmianach momentu od 0 do –1.5 М

. Przy tym wypełnia się tabelę.

6. Zawartość sprawozdania.
6.1. Schemat modeli i bloków wirtualnych.
6.2. Porównawcza tabela zadanych i otrzymanych wartości metodami biegu jalowego i zwarcia.
6.3. Mechaniczna charakterystyka maszyny przy prace silnikowej i generatorowej.
6.4. Robocza charakterystyka maszyny przy prace silnikowej.

LABORATORIUM „

Modelowanie w SIMULINKU

”

Ćwiczenie № 6.

Badania trójfazowej maszyny synchronicznej z wirnikiem fazowym.

1. Cel pracy – Badania trójfazowej maszyny synchronicznej z wirnikiem fazowym.
2. Wskazówki do pracy. Do wykonania pracy naleŜy przystąpić po zapoznaniu się z literaturą:

•

Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z
komutacją elektroniczna. Skrypt, seria „Tempus”, Szczecin - 2000, 242 s.

•

German-Gałkin S, Gnat K.: Ćwiczenia z Elektrotechniki w MATLABIE I SIMULINKU.
WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin - 2002.

•

Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie. WNT, W-wa, 1998, 308 s.

3. Treść pracy.
3.1. Badania mechanicznych charakterystyk przy prace w stanie silnika.
4. Wirtualny układ laboratoryjny .
Wirtualny laboratoryjny układ pokazano na rys. 6.1.

Rys. 6.1. Model do badań trójfazowej maszyny synchronicznej z wirnikiem fazowym

Rys. 6.2. Okno dostrojenia parametrów maszyny

5. Kolejność wykonania ćwiczenia:
Parametry maszyny proponuje nauczyciel. Wyznaczenie mechanicznych charakterystyk odbywa
sie przy zmianach momentu obciąŜenia od 0 do 1.4 momentu znamieniowego i przy zmianach
rezystancji od 0 do 5R

Wybrana wartość rezystancji w wirniku;

Dla kaŜdej wartości momentu obciąŜenia wykonuje się symulacja. Po zakonczeniu badań
wypełnia się tabelę 6.1.

Таbela 6.1

Pomiary

Obliczenia

cos

Nm W

VAr V

rad/s grad

Na podstawie rezultatów symulacji z tabeli buduje się mechaniczne i robocze charakterystyki
maszyny elektrycznej.
Wyniki symulacji przy М

=100 Nm pokazano na rys.6.3.

Rys. 6.3. Zmienne stanu maszyny przy prace silnikowej w funkcji czasu

Zmienne stanu maszyny przy prace silnikowej w funkcji czasu moŜna obserwować za pomocą
oscyloskopu (rys. 6.3), gdzie jest widoczy proces przejściowy podczas rozruchu a takŜe stan
ustalony.

LABORATORIUM „

Modelowanie w SIMULINKU

”

Ćwiczenie № 7

Badania trójfazowej jawnobiegunowej magnetoelektrycznej maszyny synchronicznej.

1.  Cel  pracy  –  Badania  trójfazowej  jawnobiegunowej  magnetoelektrycznej  maszyny
synchronicznej.
2. Wskazówki do pracy. Do wykonania pracy nałeŜy przystąpić po zapoznaniu się z literaturą:

•

Afonin A. Konspekt lekcje „Projektowanie układów elektromechanicznych w MATLABIE i
SIMULINKU

. Wersja elektroniczna. ZUE i EM, In-t Elektrotechniki Politechniki

Szczecińskiej, 2003, 164 s.

•

Afonin A., Kramarz W., Cierzniewski P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z
komutacją elektroniczna. Skrypt, seria „Tempus”, Szczecin - 2000, 242 s.

•

German-Gałkin S, Gnat K.: Ćwiczenia z Elektrotechniki w MATLABIE I SIMULINKU.
WyŜsza Szkoła Morska, Szczecin - 2002.

Kosmol J.: Serwonapędy obrabiarek sterowanych numeryczne. WNT, W-wa, 1998, 308
3. Zawartość pracy.
3.1.  Wyznaczenie  mechanicznych  i  obliczenia  roboczych  charakterystyk  pracy  maszyny
elektrycznej w reŜymie silnikowym.
3.2.  Wyznaczenie  załeŜności  pobieranej  z  sieci  mocy  reaktywnej  od  strumienia  wzbudzenia
maszyny.

4. Wirtualny układ laboratoryjny.
Wirtualny laboratoryjny układ pokazano na rys. 7.1.

Rys. 1.1. Model do badań maszyny synchronicznej

Układ zawiera:

Źródło napięcia przemiennego trójfazowego z biblioteki Power System Blockset
/Extras/Electrical Sources;

przyrząd pomiarowy trójfazowego napięcia i prądu Three-Phase V-I Measurement z
biblioteki System Blockset/Extras /Measurement;

badaną maszynę synchroniczną Magnet Synchronous Machine z biblioteki Power System
Blockset / Machines;

miernik

mocy

czynnej

biernej

P1,Q1

biblioteki

Power

System

Blockset/Extras/Measurement;

blok Display dla ilościowego przedstawienia mierzonych mocy i blok Scope do
obserwacji prądu stojana, a takŜe prędkości i momentu maszyny synchronicznej z
głównej biblioteki Simulink/Sinks;

blok Moment do zadania momentu mechanicznego na wale maszyny synchronicznej z
głównej biblioteki Simulink/Source;

blok

Display1

dla

ilościowego

przedstawienia

mierzonych

momentu

elektromagnetycznego (Nm) i prędkości (rad/s) maszyny synchronicznej z głównej
biblioteki Simulink/Sinks;

blok Mux, łączący dwa sygnala w jeden wektorowy z głównej biblioteki Simulink/Sygnal
& System.

Okno dostrojenia parametrów maszyny synchronicznej pokazano na rys. 7.2.

W polach okna zadano w kołejnosci:

rezystancję uzwojeń stojana (Om);

indukcyjność osi podłuŜnej i poprzecznej;

strumień maksymalny maszyny synchronicznej (Wb);

moment bezwładności (kgm

), współczynnik tarcia lepkiego (Nms), liczbę par biegunów.

Okno dostrojenia bloku pomiarowego zmiennych stanu maszyny pokazano na rys. 7.3.
Typ  maszyny  jest  wybierany  w  polu  Machine  type.  NaleŜy  wybrać  w  menu  Permanent  magnet
synchronous i odznaczyć zmienne stanu, które podlegają pomiarom.

Rys. 7.2. Okno dostrojenia parametrów maszyny synchronicznej

Содержание и настройка остальных блоков модели подробно изложена в лабораторной
работе №5.

5. Kolejność wykonywania czynności
Parametry maszyny synchronicznej oraz źródła zasilania ustala nauczyciel. Przy pracy
samodzielnej dane maszyny moŜna przyjąć takie jak na rys.3.7.2, a źródła zasilania- jak na
rys.3.5.4. Okno dostrojenia parametrów modelowania pokazano na rys.3.7.4.

Рис. 7.3. Okno dostrojenia bloku pomiarowego zmiennych stanu maszyny synchronicznej

Okno dostrojenia parametrów symulacji pokazano na rys. 7.4.

Rys. 7.4. Okno dostrojenia parametrów symulacji

Wyznaczenie mechanicznych i roboczych charakterystyk maszyny w stanie pracy silnikowej
odpowiednio do p. 3.1 zawartości ćwiczenia wykonuje się na modelu (rys. 7.1) przy zmianach
momentu obciąŜenia od 0 do 1.4 znamienowego. Moment znamieniowy określa się przez wzór:

)

(

−

≈

, (3.7.1)

gdzie U

-amplituda i częstotliwość źródła zasilania, Ф

- strumień maksymalny,

rezystancja stojana i liczba par biegunów maszyny (rys. 7.2).
Dla kaŜdej wartości momentu obciązenia wykonywana jest symulacja. Po wykonaniu badań
wypełnia się tabelę 7.1.

Таbela 7.1

Pomiary

Obliczenia

cos

Nm W

VAr В

rad/s grad

Zgodnie z danymi tabeli buduje się zarówno mechaniczną jak i roboczą charakterystykę
maszyny. Na rys 7.1 pokazano wyniki symulacji przy М

=30 Nm, a na rys. 7.5 – czasowe

zaleŜności stanów nieustalonych maszyny.

Rys. 7.5. ZaleŜność zmiennych stanu maszyny w czasie

Budowa  zaleŜności  pobieranej  z  sieci  mocy  biernej  od  strumienia  wzbudzenia  zgodnie  z  p.  3.2
odbywa  się  na  modelu  (rys.  7.1)  przy  stałej  wartości  momentu  obciąŜenia,  który  równia  się
wartości  znamionowej.  Strumień  maksymalny  w  polu  Flux  induced  magnets  (rys.  7.2)  naleŜy
zadać  w  granicach  0.8  –  1.0    Wb  ze  skokiem  0.01  Wb.  Dla  kaŜdej  wartości  strumienia  naleŜy
prowadzić symulację, wyniki podać w tabeli 7.2.

                  Таbela 7.2

( Wb)

Q (VAr)

6. Zawartość sprawozdania.
6.1. Schemat modeli i opis bloków wirtualnych.
6.2. Mechaniczna charakterystyka maszyny w stanie pracy silnikowej.
6.3. Robocze charakterystyki maszyny w stanie pracy silnikowej.
6.4. fukcjonalna zaleŜność Q od Ф