Моделирование электротехнических устройств и систем (стр. 1 )

Моделирование
электротехнических устройств и систем

Методические указания по проведению

лабораторных работ по дисциплине «Компьютерное моделирование
электротехнических устройств»

Омск, 2010

УДК 62-83:62

ББК 31-291+31.2 я 73

К56

Рецензент:

, к. т.н., доцент кафедры «Теоретическая и общая
электротехника» Омского государственного технического университета

Компьютерное моделирование электротехнических комплексов и система Мет. указ. по пров. лаб. работ /Авторы-сост.: , – с.48

В методических указаниях к выполнению лабораторных работ «Моделирование электротехнических устройств и систем» приведен набор лабораторных работ по схемотехническому моделированию в программной среде
MATLAB. Приведено математическое описание электромагнитных и электромеханических процессов протекающих в электрооборудовании. Рассмотрен пример расчета режима системы электроснабжения промышленного предприятия с использованием современного программного обеспечения.

Предназначено для студентов очной, очно-заочной и заочной формы обучения по специальностям 140610 – «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» и 080801 – Прикладная информатика в электрооборудовании», а также для бакалавров по направлению 140600.62 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

Печатается по решению редакционно-издательского отдела ОмГТУ

УДК 62-83:62

ББК 31-291+31.2 я 73

© Авторы, 2010

© Омский государственный технический университет, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №1.Анализ переходных процессов в линейных электрических цепях. 4

Лабораторная работа №2 Исследование линейного однофазного трансформатора 8

Лабораторная работа №3 Исследование трехфазной асинхронной машины с короткозамкнутым ротором. 16

Лабораторная работа №4 Исследование машины постоянного тока. 29

Лабораторная работа №5 Исследование трехфазной синхронной машины.. 37

лабораторная работа №6 Расчет установившегося режима системы электроснабжения 42

Список используемой литературы.. 49

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ.

Цель работы. Провести исследование линейной цепи содержащей несколько накопителей электрической энергии в программе MatLab.

Содержание работы:

· составить систему уравнений по заданной электрической цепи;

· разработать программу для расчета токов в ветвях цепи и падений напряжений на емкостных элементах;

· представить результаты расчета программы в виде графических зависимостей.

В качестве используемого программного обеспечения для решения системы уравнений используется пакет MatLab, расчет проводится с применением метода ode45 - одношаговый явный метод Рунге-Кутта 4-го (5-го) порядка [1].

Приведем пример расчета линейной электрической цепи представленной на рис. 1.1.

Порядок проведения лабораторной работы.

1. Составим систему дифференциальных уравнений:

, (1.1)

где - напряжения на емкостях, которые могут быть найдены из решения уравнений

Для того чтобы система уравнений была разрешима относительно неизвестных величин стоящих под знаком дифференциала необходимо выразить токи ветвей, не содержащих индуктивности, через искомые параметры. Для этого, используя законы Кирхгофа, составим уравнения связи (1.2) и дополним (1.1):

(1.2)

Программа m-файла для расчета системы уравнений представлена на листинге 1.1.

Листинг 1.1

Результаты расчета программы приведены на рис. 1.2.

Выводы по работе. В ходе выполнения работы составлена система алгебраически-дифференциальных уравнений, разработана программа расчета токов в ветвях и падений напряжений на емкостных элементах цепи, приведены графические зависимости законов изменения токов и напряжений от времени. В целом в лабораторной работе представлен анализ электрической цепи содержащей несколько накопителей электрической энергии.

Варианты заданий по лабораторной работе №1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОГО ОДНОФАЗНОГО
ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы. Провести исследование однофазного трансформатора при активной, активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузках.

Содержание работы. Работа состоит из трех частей.

Первая часть. Составить схему замещения линейного однофазного трансформатора, и рассчитать ее параметры при помощи опытов холостого хода и короткого замыкания. На основе схемы замещения записать m-файл для расчета токов в обмотках трансформатора при различных видах нагрузки.

Вторая часть. Разработать виртуальную лабораторную установку по исследованию линейного однофазного трансформатора в пакете MatLab/Simulink и на ее основе провести исследование нагрузочной и рабочих характеристик трансформатора.

Третья часть. Составить структурную схему в программе MatLab/Simulink и на ее основе рассчитать токи в обмотках трансформатора, а также потери в магнитной системе трансформатора (нагрузочные потери и потери холостого хода).

Порядок проведения лабораторной работы.

Исходные данные (табл. 2.1):

Таблица 2.1

Тип трансформатора	, кВА	, %	, Вт	, Вт	%
ТС-10/066	10	4.5	280	90	7

Исследуемая схема обобщенного трансформатора приведена на рис. 2.1.

Схема замещения трансформатора представлена на рис. 2.2.

Расчет параметров схемы замещения силового трансформатора по каталожным данным можно выполнить по формулам для опытов холостого хода и короткого замыкания [2]:

· опыт холостого хода

;; ; ;

; ; ;

; ;

· опыт короткого замыкания

;;;; ; ; ; ;

При выполнении первой части работы необходимо составить систему уравнений для схемы замещения на рис. 2.2.

где ; - сопротивление нагрузки.

Программа для расчета токов и приведена на листинге m-файла (листинг 2.1).

Листинг 2.1

function dydt=f(t, y) dydt=zeros(3,1) Rm=111.11;Lm=14.4;R1=0.014;R2=R1;L1=0.022 L2=L1;Rn=1 U=660*cos(314*t) i1=y(1) im=y(2) i2=y(3) ia=i1-im-i2 dydt(1)=1/L1*(U-i1*R1-ia*Rm) dydt(2)=1/Lm*ia*Rm dydt(3)=1/L2*(ia*Rm-i2*(R2+Rn)) end

Запуск программы осуществляется строкой в командном окне MatLab

>> [t, y]=ode45(@tr,[0 0.03],[0 0 0])

Результаты расчета в указаны на рис. 2.3. Для получения тока в именованных единицах необходимо воспользоваться выражением

,

где - коэффициент трансформации.

Аналогичным образом проводится расчет режима работы трансформатора на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузку. В качестве примера принять индуктивность и емкость нагрузки можно рассчитать по формулам и .

Приступая ко второй части работы необходимо разработать виртуальную модель для исследования однофазного трансформатора[3].

Описание виртуальной лабораторной установки.

· источник переменного напряжения (AC Voltage Source) из библиотеки Electrical Sources;

· измерители напряжения (Voltage Measurement) и измерители тока
(Current

· Measurement) установленных в первичной и вторичной цепях трансформатора из библиотеки SimPowerSystems/Measurement;

· исследуемый трансформатор (Linear Transformer) и нагрузку (Series RLC-Load) из библиотеки SimPowerSystems/Elements;

· измерители активной и реактивной мощности (Active&Reactive Power) в первичной и вторичной цепях трансформатора из библиотеки SimPowerSystems/Extras/Measurement;

· индикаторные блоки (Display) для количественного представления измеренных мощностей и блок осциллограф (Scope) для наблюдения формы кривых тока и напряжения во вторичной цепи из библиотеки Simulink/Sinks.

Модель для исследования однофазного трансформатора приведена на
рис. 2.4.

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 номинальном токе определяет потери в обмотка трансформатора. В ходе исследования необходимо сравнить расчетные потери в обмотках с введенными в окно настройки трансформатора.

Снятие нагрузочной и рабочих характеристик трансформатора производится на модели (рис. 2.4) при изменении сопротивления нагрузки . При этом для каждого значения сопротивления нагрузки осуществляется моделирование. В процессе моделирования заполняется табл. 2.2.

Таблица 2.2.

Нагр.	Измерения	Вычисления
[Ом]	[кВт]	[кВАр]	[В]	[А]	[кВт]	[кВАр]	[В]	[А]	[град]		%

Вычисления производятся по выражениям:

, .

По данным строится нагрузочная характеристика трансформатора и рабочие характеристики .

Формы напряжения и тока на первичной и вторичной обмотке трансформатора приведены на рис. 2.5.

Третья часть работы включает в себя задачу разработки структурной схемы для исследования линейного однофазного трансформатора с использованием стандартного набора визуальных компонентов библиотеки Simulink.

На основе уравнений описывающих состояние обмоток трансформатора структурную схему можно представить в виде рис. 2.6.

Модель источника питания приведена на рис. 2.7.

Используя структурную схему необходимо снять показания осциллографа при номинальном сопротивлении нагрузки. Преимущество структурной схемы заключается в возможности проверки любых параметров состоянии схемы на ее различных элементах, поэтому для измерения нагрузочных потерь необходимо зажимы измерительных приборов переместить в соответствующие положения на схеме.

Изменяя сопротивление нагрузки в диапазоне заполнить таблицу: