BADANIE DYNAMIKI SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASTOSOWANIE ... badanie dynamiki silnika indukcyjnego zastosowanie

  • View
    218

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of BADANIE DYNAMIKI SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASTOSOWANIE ... badanie dynamiki silnika indukcyjnego...

POLITECHNIKA GDASKA Wydzia Elektrotechniki i Automatyki

Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych

S Y S T E M Y E L E K T R O M E C H A N I C Z N E PROJEKT

WICZENIE (SI)

BADANIE DYNAMIKI SILNIKA INDUKCYJNEGO

ZASTOSOWANIE SYMULATORA OBWODW PSPICE (wersja a)

Materiay pomocnicze Kierunek Elektrotechnika Studia stacjonarne 2-giego stopnia semestr 1

Opracowa

Mieczysaw Ronkowski Grzegorz Kostro Micha Michna

GDASK 2012-2013

M. RONKOWSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA 1

WICZENIE

BADANIE DYNAMIKI SILNIKA INDUKCYJNEGO

ZASTOSOWANIE SYMULATORA OBWODW PSPICE

SPIS TRECI

1. CEL WICZENIA ........................................................................................................................................1 2. MODEL FIZYCZNY MASZYNY INDUKCYJNEJ ................. .......................................................................1 3. DYNAMICZNY MODEL OBWODOWY DWUOSIOWY MASZYNY INDUKCY JNEJ..................................3 4. TRANSFORMACJE SKADOWYCH WIELKO CI WEKTOROWYCH (SKADOWYCH OSIOWYCH)10 5. ZASTOSOWANIE PROGRAMU SYMULACYJNEGO PSPICE DO BADAN IA WACIWOCI

DYNAMICZNYCH MASZYNY INDUKCYJNEJ ................... .....................................................................11 6. WYNIKI SYMULACJI WYBRANYCH STANW PRACY DYNAMICZNEJ SILNIKA INDUKCYJNEGO 18 7. PYTANIA KONTROLNE.................................. .........................................................................................23 8. ZADANIE............................................ .......................................................................................................23 9. SPRAWOZDANIE ....................................... ..............................................................................................24 10. LITERATURA......................................... ...............................................................................................25 11. ZACZNIK ..........................................................................................................................................25

1. CEL WICZENIA

Celem wiczenia jest: opanowanie oglnych umiejtnoci dotyczcych modelowania maszyn indukcyjnych; opanowanie zastosowania programu symulacyjnego PSPICE do badania waciwoci dynamicznych

maszyn indukcyjnych; przeprowadzenie analizy typowych stanw pracy dynamicznej silnika indukcyjnego o zadanych

wartociach parametrw modelu obwodowego oraz wymuszeniach elektrycznych i mechanicznych.

2. MODEL FIZYCZNY MASZYNY INDUKCYJNEJ

Schemat ukadu elektromechanicznego na rys. 1 przedstawia uoglniony model fizyczny maszyny indukcyjnej wielofazowej. W oglnym przypadku liczba uzwoje (osi) maszyny moe by dowolna (moe stanowi dwie, trzy lub wicej faz - pasm) taki ukad uzwoje bdzie nazywany dalej ukadem uzwoje wieloosiowych. Aby zachowa czytelno rysunku, jej ukad uzwoje fazowych (pasm) zaznaczono szkicowo na rys. 1 obwodami as-as' oraz ar-ar', tylko dla jednej fazy stojana i wirnika. Przy czym, litery as, ar oznaczaj umowne pocztki uzwoje (pasm), a litery as', ar' umowne koce tych uzwoje. Wielofazowe prdy przemienne, pynce w uzwojeniach maszyny, wytwarzaj pulsujce pola magnetyczne (siy magnetomotoryczne, przepywy), ktrych osie s skierowane zgodnie z osiami (magnetycznymi) tych uzwoje: np. o as dla uzwojenia stojana as - as; o ar dla uzwojenia wirnika ar - ar. Osie magnetyczne pozostaych faz s przesunite wzgldem siebie w przestrzeni odpowiednio o kt 1200, stanowic naturalny ukad wsprzdnych rozpatrywanej maszyny indukcyjnej.

Efektem przesunicia fazowego (czasowego) prdw i przestrzennego uzwoje jest wzbudzanie wirujcych si

magnetomotorycznych (SMM) stojana i wirnika, odwzorowanych odpowiednio wektorami wirujcymi rFs oraz

rFr .

Na rys. 1 pokazano schematycznie wzajemne przestrzenne pooenie ktowe fazy as-as uzwojenia stojana wzgldem fazy ar-ar uzwojenia wirnika, odpowiadajce chwili czasowej dla ktrej wartoci prdw tych faz osigaj jednoczenie wartoci maksymalne. Oznacza to, e pooenie wektorw wirujcych SMM stojana i wirnika jest zgodne z osiami magnetycznymi tych faz.

Uwaga: Dziaanie maszyny indukcyjnej oparte jest na zasadzie minimalnej pracy (zasada Hamiltona) pewnej skonnoci SMM stojana i wirnika (si pola magnetycznego) do zwikszania cakowitego strumienia magnetycznego sprzonego z ukadem elektromagnetycznym maszyny, czyli tendencji do magazynowania maksymalnej energii.

W stanie pracy ustalonej maszyny indukcyjnej: zgodnie z prawem sterowania maszyn elektrycznych SMM stojana i wirnika s nieruchome wzgldem siebie, generujc stay (jednokierunkowy) moment obrotowy.

Maszyna indukcyjna bdzie rozpatrywana jako ukad elektromechaniczny w ktrym moce, elektryczna

(dostarczana) i mechaniczna (odbierana), ulegaj przemianie za porednictwem pola magnetycznego. Zatem podstawowym stanem pracy maszyny jest stan silnikowy. Moc pola magnetycznego jest moc wewntrzn maszyny, gdy ukad nie ma moliwoci wymiany tej mocy z otoczeniem. Pole magnetyczne wyraa si zalenociami

2 wiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA INDUKCYJNEGO

strumieniowo-prdowymi. Std stan maszyny bdzie opisany ukadem rwna napiciowo-prdowych dla strony elektrycznej i momentowo-prdkociowych dla strony mechanicznej.

as'

as

r

o fazy as

o fazy ar

ls ls Lls

ar

ar'

m m Lms

lr lr Llr

Te

TL

r

JBm

e

Fr Fm

Fs

+

+

ias

uas

+

_

Rys. 1. Uoglniony model fizyczny maszyny indukcyjnej wielofazowej w ukadzie wsprzdnych okrelonych naturalnymi osiami stojana oraz wirnika

Uwaga: Przyjty na rys. 1 system strzakowania napi, prdw, SMM, prdkoci ktowej i momentw obrotowych dotyczy pracy silnikowej.

Pokazany zwrot prdkoci ktowej wirnika przyjto jako zwrot odniesienia odpowiada prdkoci o chwilowej wartoci dodatniej (r > 0).

Analogicznie zwrot prdu stojana w fazie as-as uzwojenia stojana odpowiada jego wartoci chwilowej dodatniej (prd dopywa do przewodu as a wypywa przewodem as); natomiast zwrot prdu fazy ar-ar wirnika odpowiada jego wartoci chwilowej ujemnej (prd dopywa do przewodu ar a wypywa przewodem ar).

Maszyna na rys. 1 moe by przedstawiona jako wielowrotnik elektromechaniczny w przypadku

trjfazowego ukadu uzwoje stojana i wirnika o siedmiu parach zaciskw (wrotach), ktre stanowi: sze wej elektrycznych zaciski kolejnych uzwoje i jedno wyjcie mechaniczne koniec wau (sprzgo). Dynamika (ruch) maszyny jest okrelona dwoma parametrami mocy na kadej parze zaciskw. Jej formalnym opisem bdzie ukad rwna rniczkowych zwyczajnych nieliniowych przy siedmiu zadanych wymuszeniach. Ukad ten opisuje, m.in., zwizki midzy napiciami, prdami i strumieniami magnetycznymi maszyny.

W dalszych rozwaaniach przyjto nastpujce zaoenia upraszczajce: uzwojenia stojana i wirnika maszyny s ukadem symetrycznym oraz s rwnomiernie rozmieszczone w obkach;

pynce w uzwojeniach prdy o dowolnych przebiegach i czstotliwoci wzbudzaj SMM stojana i wirnika o rozkadzie przestrzennym zblionym do sinusoidalnego (odwzorowane wektorami przestrzennymi);

wpyw pola elektrycznego midzy elementami maszyny, zjawisk anizotropii, histerezy i nasycenia obwodu magnetycznego, strat w elazie i wypierania prdu w przewodach uzwoje jest pomijalnie may (odpowiada to przyjciu liniowych obwodw magnetycznych i elektrycznych maszyny);

ukad mechaniczny maszyny jest idealnie sztywny, a jego staymi skupionymi s moment bezwadnoci i wspczynnik tarcia lepkiego.

M. RONKOWSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA 3

Do opisu modelu fizycznego maszyny przyjto trjosiowy (trjfazowy) ukad wsprzdnych i nastpujce wielkoci oraz parametry (stae skupione): a) wielkoci i parametry elektryczne:

napicia fazowe (osiowe) stojana uas , ubs , ucs i wirnika uar , ubr , ucr ; prdy fazowe (osiowe) stojana ias , ibs , ics i wirnika iar , ibr , icr ; pulsacja napi i prdw stojana e (rwnoznaczna prdkoci ktowej synchronicznej pola wirujcego stojana

dla maszyny dwubiegunowej - P = 2); symetryczne rezystancje uzwojenia stojana rs oraz wirnika rr ;

b) wielkoci i parametry elektromagnetyczne:

wektory wirujcych SMM (przepyww) stojana rFs , wirnika

rFr oraz magnesujcej (wypadkowej)

rFsFmFrrr

+= o sinusoidalnym rozkadzie przestrzennym; strumienie sprzone uzwojenia stojana s (skadowe osiowe as ; bs ; cs) i uzwojenia wirnika r (skadowe

osiowe ar ; br ; cr) z zaoeniem ich rozkadu na skadow magnesujc (gwn) m i skadowe rozproszeniowe ls oraz lr ;

symetryczne indukcyjnoci magnesowania uzwojenia stojana Lms (indukcyjnoci modeluj odpowiednio wpyw strumienia magnesujcego m na waciwoci maszyny);

symetryczne indukcyjnoci rozproszenia uzwojenia stojana Lls oraz uzwojenia wirnika Llr (indukcyjnoci modeluj odpowiednio wpyw strumieni rozproszenia ls oraz lr na waciwoci maszyny);

moment elektromagnetyczny Te ; kt momentu elektromagnetycznego ;

c) wielkoci i parametry mechaniczne: kt pooenia przestrzennego r osi magnetycznej uzwojenia wirnika ar wzgldem osi magnetycznej uzwojenia

stojana as (o as przyjto jako o odniesienia); prdko ktowa elektryczna wirnika r (rwnoznaczna prdkoci mechanicznej dla maszyny

dwubiegunowej - P = 2); moment obcienia TL ; sumaryczny moment bezwadnoci wirnika i obcienia J; wspczynnik tarcia lepkiego Bm.

3. DYNAMICZNY MODEL OBWODOWY DWUOSIOWY MASZYNY INDU KCYJNEJ

W modelu obwodowym maszyny indukcyjnej eliminacj zmiennego sprzenia magnetycznego uzwoje stojana i wirnika, bdcego funkcj kta pooenia wirnika r