sklop enosmernega motorja in asinhronskega samovzbudnega...

UNIVERZA V LJUBLJANI

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO

Sklop enosmernega motorja in asinhronskega samovzbudnega generatorja z regulacijo vrtilne

hitrosti

Seminarska naloga pri predmetu

Splošna teorija električnih strojev s preizkušanjem

Ljubljana, 2011 Luka Uršič

Mentor: prof. dr. Damijan Miljavec

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko

Uršič L.: Seminarska naloga, Fakulteta za elektrotehniko, 2011 Stran 1

POVZETEK

V seminarski nalogi z naslovom Sklop enosmernega motorja in asinhronskega samovzbudnega

generatorja z regulacijo vrtilne hitrosti, je predstavljen celoten potek izgradnje modela v

programskem paketu Matlab/Simulink. Namen regulacije je vzdrževati konstantno vrtilno hitrost,

pri čemer lahko generator poljubno obremenimo. Uporablja se tako regulacija kotvinega toka, kot

tudi regulacija vzbujalne napetosti, saj nam to dopušča možnost slabljenja polja in doseganja višjih

vrtilnih hitrosti. Asinhronski generator deluje v samovzbudnem režimu, torej ne potrebuje omrežja.

Dodane ima le kondenzatorje določene kapacitivnosti, ki mu omogočajo izmenjavo jalove energije

za magnetenje. Pred zagonom je potrebno asinhronski stroj namagnetiti, to lahko v realnosti

storimo tako, da eno fazo priključimo na enosmerni tok, železo se nekoliko namagneti in tako

ostane do zagona. V simulaciji je ta ukrep realiziran z začetnimi vrednostmi statorskih tokov. Ti ob

zagonu stečejo skozi kondenzatorje in se nato povečujejo, čim se na sponkah generatorja inducira

napetost. Navor generatorja naraste na kar se vključi regulacija, ki kljub spremembi navora vzdržuje

konstantno vrtilno hitrost pogonskega stroja.

Slika 1: Laboratorijski model sklopa obeh strojev.

Slika 2: Sklop enosmernega in asinhronskega stroja.



KAZALO VSEBINE

POVZETEK 1

KAZALO VSEBINE 2

UVOD 3

Zgodovina 3

Komutatorski stroj 4

TUJE VZBUJANI ENOSMERNI KOMUTATORSKI MOTOR 5

Zgradba modela enosmernega komutatorskega motorja 6

ASINHRONSKI SAMOVZBUDNI GENERATOR 8

Model asinhronskega samovzbudnega generatorja 11

MERJENJE PARAMETROV STROJEV 14

REGULACIJA VRTILNE HITROSTI 16

PI regulator 16

Potek nastavljanja regulatorja 17

Delovanje celotne regulacije 18

Kaskadna regulacija rotorskega tokokroga 19

SKLOP OBEH STROJEV 21

KOMENTAR IN ZAKLJUČEK 26

VIRI 27



UVOD

Enosmerni motorji se že umikajo asinhronskim motorjem v kombinaciji s frekvenčnimi pretvorniki.

Na področju industrije, servo pogonov in drugod, kjer niso potrebne velike moči, pa so še vedno

precej uporabni prav zaradi enostavnosti krmiljenja, cene krmilja in motorja, visokega izkoristka

krmilnika in njegove preciznosti.

V seminarski nalogi sem zgradil model sklopa enosmernega motorja s tujim vzbujanjem in

samovzbudnega asinhronskega generatorja, pri čemer je hitrost vrtenja enosmernega stroja

regulirana. Regulacija vrtilne hitrosti je nujna zaradi različnih obremenitev generatorja, in potrebe

po stalni izhodni napetosti konstantne frekvence.

Uporabil sem tri PI regulatorje. Dva za kaskadno regulacijo kotvine napetosti in enega za regulacijo

vzbujanja enosmernega motorja.

Simulirani sklop zavzema stroje majhnih moči, reda nekaj 100W. Da sem se pri simulaciji kar najbolj

približal realnim strojem, so bili v modelih uporabljeni parametri izmerjeni na dejanskih strojih v

laboratoriju.

Zgodovina

Prvi enosmerni elektromotor komutatorskega tipa je zgradil britanski znanstvenik W. Sturgeon že

leta 1832. Njegovo delo sta nadaljevala Ameriška znanstvenika in ga patentirala leta 1837. Njun

motor se je vrtel do 600 vrtljajev na minuto in že lahko poganjal razne naprave in tiskarske stroje.

Problem teh motorjev je bilo drago baterijsko napajanje, zato se takrat še niso uporabljali v

komercialne namene.

Sodoben enosmerni motor je leta 1873 po naključju iznašel Z. Gramme, ko je svoj dinamo povezal z

virom električne energije in se je ta zavrtel. Njegov enosmerni motor je bil prvi motor uspešno

uporabljen v industriji.

Leta 1886 je F. J. Sprague skonstruiral praktični enosmerni motor, ki je lahko držal konstantne

vrtljaje kljub spremenljivim bremenom. Ta motor so že priklopili na takratno enosmerno električno

omrežje in ga uporabljali za pogone vozil, dvigal… Njegov motor in drugi izumi na področju omrežij

so zelo povečali zanimanje za uporabo tovrstnih naprav v industriji.

Skoraj vzporedno je Nikola Tesla razvijal svoj motor, prvi asinhronski motor. Ta je 3-fazni in temelji

na principu rotirajočega magnetnega polja. Uporablja se še danes.

Električni motorji so naredili revolucijo v industriji, saj stroji niso bili več omejeni z mehanskimi

prenosi preko jermenov na daljše razdalje. Tako je vsak stroj dobil svoj motor na mestu uporabe.

Elektromotorji so za določena opravila nadomestili ljudi ali živali. Na delovnih mestih se je na ta

način povečala varnost in udobje.



Komutatorski stroj

Pri običajnem komutatorskem stroju sta naravni koordinatni osi že dani s konstrukcijo. Vzdolžna d-os je v magnetni simetrali glavnih polov na statorju. Prečna q-os je v nevtralni coni, kjer rotorske krtačke ležijo na komutatorju in kjer je magnetna os rotorskega navitja. Pri vrtenju rotorja se palice navitja gibljejo v polju glavnih polov, vendar ostaja magnetna os rotorskega navitja nepremična v q-osi, za kar poskrbi komutator. Rotorsko navitje na videz miruje, prav tako tudi vsa navitja v prostoru mirujejo. Upornosti ter lastne in medsebojne induktivnosti vseh navitij so konstantne. Shematski prikaz zgradbe dvopolnega komutatorskega stroja in njegov vezni model je na sliki 3.

Slika 3: Shematski prikaz zgradbe dvopolnega komutatorskega stroja in njegov vezni model.



TUJE VZBUJANI ENOSMERNI KOMUTATORSKI MOTOR

Nadomestno vezje enosmernega tuje vzbujanega motorja je prikazano na sliki 4. Vzbujalni in

rotorski tokokrog sta popolnoma ločena in priključena vsak na svoj zunanji vir. Sprememba

rotorskega toka ne vpliva na tok vzbujanja. Na podlagi tega lahko za oba tokokroga posebej

zapišemo napetostno ravnotežno enačbo. Sistem enačb se v matrični obliki glasi:

0 (1)

Kjer je

• Gqd faktor gibalne inducirane napetosti, ki je v modelu podan tabelarično, saj je odvisen od

vzbujalnega toka

• Rd – upornost vzbujalnega navitja (Ω)

• Ld – induktivnost vzbujalnega navitja (H)

• Rq – upornost rotorskega tokokroga (Ω)

• Lq – induktivnost rotorskega tokokroga (H)

• p – operator odvajanja

V nadaljevanju zapišemo mehansko ravnotežno enačbo za motorsko delovanje:

(2)

Kjer je

• B - konstanta viskoznega trenja (

/!

• J – vrtilni moment motorja (kgm2)

• Td – elektromagnetni navor:

• TL – bremenski navor

Slika 4: Nadomestno vezje enosmernega tuje vzbujanega motorja.



Zgradba modela enosmernega komutatorskega motorja

Pri modeliranju stroja gre pravzaprav za numerično reševanje enačb, ki stroj opisujejo. Opravka

imamo s tremi diferencialnimi enačbami, ki jih v Simulinku rešimo v integralni obliki.

V modelu enosmernega stroja lahko najdemo tri sklope:

• reševanje enačbe vzbujalnega navitja,

• reševanje enačbe rotorskega tokokroga in

• reševanje mehanske enačbe.

Kot primer izgradnje modela po korakih uporabimo reševanje enačbe rotorskega tokokroga. Če jo

izpišemo iz matrike dobimo:

" # (3)

Poznana nam je pritisnjena napetost, iščemo pa rotorski tok, ki ga bomo pozneje uporabili za

računanje elektromagnetnega navora v mehanski enačbi.

Iz enačbe [6] izrazimo tok

%

&' (4)

% &' (5)

(')*'+&+),'&'''

&' (6)

- (')*'+&+),'&'''

· /0 - / (7)

Končna enačba se glasi

1 %

· /0

(8)

in jo sedaj nesemo v Simulink. Model je prikazan na sliki 5.



Slika 5: Rotor kolektorskega stroja v Simulinku.

Na enak način rešimo še druge enačbe za posamezne dele kolektorskega stroja in nato vse

predstavimo z modeli.

Slika 6: Stator kolektorskega stroja v Simulinku.

Slika 7: Mehanska enačba kolektorskega stroja v Simulinku.

Potem to sestavimo v skupen model, ki ponazarja enosmerni motor s tujim vzbujanjem (slika 8).

Odziv nazivno napajanega motorja (brez regulacije), na skočno obremenitev z navorom 1Nm ob

času t = 4s je prikazan na sliki 9.

Slika 8: Model celotnega kolektorskega motorja s tujim vzbujanjem.



Slika 9: Odziv enosmernega motorja na skočno obremenitev

ASINHRONSKI SAMOVZBUDNI GENERATOR

Asinhronski stroji se večinoma uporabljajo kot motorji v izvedbi s kratkostično kletko. V kakšnih

elektrarnah manjših moči pa jih lahko srečamo tudi kot generatorje. V tem primeru asinhronski

stroj, ki je priklopljen na omrežje zavrtimo nad sinhronske vrtljaje. Tako stroj postane generator, ki

oddaja moč v omrežje, od koder tudi črpa za magnetenje potrebno jalovo energijo.

Ko sem prebral članek o uporabi asinhronskega samovzbudnega generatorja s kratkostično kletko v

vetrni elektrarni, sem se odločil, da bom tega simuliral v moji seminarski nalogi. V tem načinu

delovanja je tri fazni kondenzatorski sklop vezan na priključne sponke statorja asinhronskega stroja.

Predhodno stroj namagnetimo, da dobimo remanentni magnetizem, ki nam ob vrtenju takoj

inducira neko razmeroma majhno napetost. Fluks, katerega vzbudijo tokovi, ki stečejo med

navitjem statorja in kondenzatorji, se z remanetnim podpira. Napetost hitro raste vse dokler se

jalova energija kondenzatorjev ne izenači z jalovo energijo navitij stroja, ki je določena s krivuljo

nasičenja železa stroja. Zaradi kondenzatorjev se jalova energija potrebna za magnetenje stroja

izmenjuje kar med statorjem in kondenzatorskim sklopom. Omrežje torej ni več potrebno, dobimo

otočno delovanje generatorja.

Kondenzatorje izberemo glede na delovno točko, ki si jo izberemo na krivulji prostega teka. Sam

sem si izbral delovno točko pri nazivni medfazni napetosti na priključkih generatorja. Za ilustracijo

principa samovzbujanja si na sliki 10 oglejmo nadomestno vezje ene faze asinhronskega stroja s

pripadajočim kondenzatorjem, na sliki 11 pa določitev delovne točke samovzbujanja.



Slika 10: Nadomestno vezje ene faze asinhronskega stroja in pripadajoči kondenzator.

Vidimo magnetilno vejo z upornostjo 23 in reaktanco 43. V to vejo teče magnetilni tok 3, ki je

potreben za magnetenje stroja. Po iznosu enako velik tok naj teče tudi v vejo s kondenzatorjem, če

želimo uspešno kompenzirati jalovo energijo. Zahtevamo torej 3 5.

Kjer tok 3, potreben za magnetenje stroja in napetost U na navitju izberemo glede na želeno

delovno točko asinhronskega stroja. Hitro lahko opazimo, da je izbira kondenzatorja odvisna od

raznolikosti obremenitve. Prav tako je potrebno stroj bolj ali manj magnetiti, če nanj priključujemo

induktivna ali kapacitivna bremena. Za optimalno delovanje generatorja za vsa bremena je torej

nujno potrebna regulacija jalove energije kondenzatorjev, saj samo na ta način lahko ohranjamo ali

poljubno spreminjamo faktor delavnosti cos 9. Na sliki 11 je prikazan princip samovzbujanja. Razvidno je koleno karakteristike prostega teka

nekega asinhronskega stroja. Premice označene z [1], [2], [3], [4], [5] so premice impedanc različnih

kondenzatorjev, ki bi jih radi uporabili pri samovzbujanju.

Slika 11: Princip samovzbujanja asinhronskega generatorja.



Do samovzbujanja pride v primeru, ko neka impedančna premica kondenzatorja seka krivuljo

prostega teka stroja. To se torej zgodi v primerih premic [3], [4], [5], medtem ko za premice [1] in

[2] to ne velja. Presečišče premice s krivuljo označuje delovno točko, določa torej tok magnetenja in

napetost na priključkih generatorja. Za premico [5] je delovna točka že proti nasičenju železa

generatorja, zato so magnetilni tokovi veliki. Magnetenje še naprej v nasičenje pa je povsem

nesmiselno, saj zaradi velikih magnetilnih tokov nastajajo vedno večje izgube v bakru, pri tem pa

skorajda ni prirastka magnetnega polja.

Na podlagi tega lahko izberemo kondenzator za (na primer) nazivno delovno točko. Iz izmerjene

karakteristike prostega teka (tabela 1) odčitamo podatke za delovno točko pri nazivni napetosti:

;< 414 ?, 0,780 C, cos9 0,18.

Zaradi izgub v prostem teku, izmerjeni tok poleg jalove, vsebuje tudi delovno komponento.

Izluščimo le jalovo komponento:

cos9 0,18 D 9 80° D F sin9 0,768 C

S podatki o magnetilnem toku in medfazni napetosti lahko izračunamo potrebno impedanco

kondenzatorja

45 ;

√3F

304,2Ω

(9)

Sledi še izračun kapacitivnosti za eno fazo

N 1

2O45 10,5 QR

(10)

Za nazivno delovno točko potrebujemo tri enake kondenzatorje kapacitivnosti 10,5 QR.

Da se torej stroj lahko vzbudi potrebujemo nekaj magnetne remanence in primerno velike

električne kondezatorje. Če so kondenzatorji premajhni se generator ne dovolj magneti ali sploh ne

vzbudi, saj so magnetilni tokovi majhni. Ob prevelikih kondenzatorjih so tudi magnetilni tokovi

veliki, stroj se hitro vzbudi in močno magneti. V tem primeru proizvajamo veliko več izgub tako v

železu, kot tudi v bakru zaradi velikih tokov. Zato je izbira primernih kondenzatorjev zelo

pomembna.

Kot zanimivost lahko povem, da se včasih take vrste generator lahko uporablja v sklopu z motorjem

z notranjim izgorevanjem, kot tako imenovan agregat. Zaradi enostavnosti jih lahko izdelamo tudi

doma, imajo pa to slabost, da nam ne morejo napajati bremen s prevelikimi induktivnostmi, saj se

stroj v tem primeru razmagneti.



Model asinhronskega samovzbudnega generatorja

Za asinhronski stroj sem uporabil že zgrajen model v programskem paketu Simulink pod knjižnico

SimPowerSystems. Nastavil sem ustrezne parametre, ki sem jih izmeril na dejanskem stroju in ga

povezal v model samovzbudnega generatorja. Ta je prikazan na sliki 12.

Simuliramo torej asinhronski stroj s kratkostično kletko, z ustreznimi parametri in z uporabo

simulacije nasičenja železa rotorja in statorja stroja. Nasičenje podamo v obliki matrike 2xn, kjer je

n število točk na krivulji, ki jo dobimo ob meritvi prostega teka in podaja odvisnost statorske

napetosti od statorskih tokov. Ta krivulja je podana na sliki 13.

Opazujemo lahko hitrost rotorja v rad/s, navor ki ga zahteva generator (ta podatek kasneje

potrebujemo v modelu sklopa obeh strojev), medfazne napetosti in linijske toke.

Slika 12: Model samovzbudnega asinhronskega generatorja s kratkostično kletko.

Asinhronski stroj je definiran kot 6 polni (3 polovi pari) in se vrti s hitrostjo S 1000 TS)U. Tako

dobim tri fazno napetost frekvence 50 Hz, s primerno izbranimi kondenzatorji pa še njeno vrednost

400V. Kondenzatorje sem izbral po zgornje opisanih postopkih. V Simulinku podamo velikost

kondenzatorskega sklopa s količino jalove energije. Za nazivno delovno točko in izbranimi

kondenzatorji jo lahko izračunamo na naslednji način:

V5 ;5W

45 ;5

W · 2O · N 565 ?C2

(11)

3-fazna napetost iz generatorja je prikazana na sliki 14.



Slika 13: Karakteristika prostega teka.

Tabela 1: Karakteristika prostega teka.

Slika 14: Izhodna napetost 3 faznega asinhronskega generatorja v prostem teku.

Enak potek napetosti kot v prostem teku dobimo tudi, če generator obremenimo s čistim ohmskim

bremenom. Omenil sem že, da priključevanje induktivnih ali kapacitivnih bremen na take vrste

generator, zahteva regulacijo količine jalove energije. Ob konstantni vrednosti jalove energije, ki jo

dopušča kondenzatorski sklop in obremenitvi z bremenom pretežno induktivnega značaja dobimo

potek napetosti kot je prikazan na sliki 15. Obremenitvi z bremenom pretežno kapacitivnega

značaja pa ustreza potek napetosti na sliki 16.

U [V] I [A] P [W] cos9 442,68 0,883 121,37 0,18

414,98 0,78 100,56 0,18 381,14 0,678 81,7 0,18

348,96 0,595 67,92 0,19

310,52 0,511 54,63 0,2 284,16 0,459 47,29 0,21

254,02 0,401 39,74 0,22 223,17 0,348 33,51 0,25

191,17 0,296 27,9 0,28

160,54 0,249 23,62 0,34 129,68 0,206 20,33 0,44

104,37 0,179 18,26 0,57

70,36 0,176 17,04 0,79 43,6 0,275 16,97 0,82

31,84 0,207 9,27 0,81

21,6 0,143 4,26 0,8 11,05 0,086 1,1 0,68

2,67 0,017 0,05 0,36



Slika 15: Napetost na ohmsko-induktivnem bremenu.

Slika 16: Napetost na ohmsko-kapacitivnem bremenu.



MERJENJE PARAMETROV STROJEV

V laboratoriju sem izmeril parametre enosmernega stroja s tujim vzbujanjem. Rezultati so navedeni

v tabeli 2.

Upornost vzbujalnega navitja in rotorskega tokokroga sem izmeril po UI metodi, pri čemer se za

rotorski tokokrog upošteva povprečje meritev, pri različnih položajih rotorja. Za meritev

induktivnosti sem uporabil metodo, pri kateri merimo odziv toka skozi navitje na skočno

spremembo napetosti na sponkah (eksponencialno naraščanje). Potem ob poznani upornosti in

izmerjeni časovni konstanti navitja lahko izračunamo induktivnost:

· (12)

Zaradi nelinearnosti železa je induktivnost navitja odvisna od toka. Ta meritev ni ravno točna, zato

izmerjena induktivnost velja zgolj v določeni delovni točki (pri določenem toku). Tako izmerjeni

parameter uporabljen v simulacijskem modelu vseeno daje zadovoljive rezultate. Če bi želeli

povečati natančnost simulacije za prehodne pojave, torej za dogajanja izven stacionarnih razmer, bi

morali v modelu induktivnosti navitij podati v obliki tabel (look-up table).

Faktor gibalne inducirane napetosti sem izmeril tako, da sem stroj poganjal z asinhronskim

motorjem na nazivnih vrtljajih nn = 990 min-1 v generatorskem režimu. Ta koeficient ni konstanten,

saj se spreminja tako zaradi nelinearnosti železa, kot tudi zaradi reakcije indukta, ko bremenski tok

Iq s svojim poljem vpliva na magnetenje stroja. Izmeril sem torej celotno karakteristiko prostega

teka X in koeficient preprosto izračunal:

60 · X2O · S ·

(13)

Slika 17: Faktor gibalne inducirane napetosti v odvisnosti od vzbujalnega toka.



Z iztečnim preizkusom sem izmeril iztečno krivuljo ter izračunal vztrajnostni moment J in izgube

trenja in ventilacije, kjer sem dobil koeficient viskoznega navora. Iztečni preizkus sem izvedel ob

napajanem vzbujalnem navitju, tako da sem imel v stroju nazivno polje. Na ta način sem lahko

izločil izgube v železu. Ker je stroj majhen in bi se zelo hitro ustavil ob izklopu napajanja, sem mu na

gred dodal 7 kg vztrajnik in izračunal njegov vztrajnostni moment. Na koncu sem izračunal še

vztrajnostni moment stroja:

!YZ 5 [\

(14)

Količina Vrednost

P 300 W

U 48 V

I 6,3 A

Ra 5,88 Ω

La 78 mH

Rf 25,6 Ω

Lf 407,2 mH

J 0,014 kgm2 Tabela 2: Parametri kolektorskega stroja.

Asinhronskemu stroju sem naredil preizkus prostega teka in kratkega stika, izmeril sem mu tudi

upornost statorskega navitja. Dokler je trifazni asinhronski motor (vezan v zvezdo) še hladen,

preprosto z multimetrom izmerimo upornost posameznih faz in vzamemo povprečje upornosti.



REGULACIJA VRTILNE HITROSTI

Enosmerni komutatorski motor ima linearno odvisnost navora od vrtilne hitrosti, ki jo lahko vidimo

na sliki 18.

Slika 18: Karakteristika M(n) enosmernega tuje vzbujanega motorja.

Padajoči značaj nam pove, da bo hitrost padala z naraščajočim bremenom. V našem primeru

zahtevamo na izhodu generatorja napetost konstantne amplitude in frekvence pri različnih močeh.

Pri tem mora biti vrtilna hitrost konstantna, kljub večjim navorom.

Zgraditi je torej potrebno regulacijo vrtilne hitrosti pogonskega stroja, tako da bo ne glede na

obremenitev generatorja (nazivne moči še vedno ne smemo prekoračiti) vrtilna hitrost konstantna.

Regulacija naj bo dovolj hitra, da bodo popačitve izhodne tri fazne napetosti čim manjše.

PI regulator

Za regulacijo sem zgradil tri proporcionalno-integralne (PI) regulatorje. Ker so časovne konstante

motorja relativno velike so take vrste regulatorji dovolj hitri. Zaradi integralnega člena se izognem

tudi statičnemu pogrešku εs. Prenosna funkcija, kjer je E(s) izhod in U(s) vhodni signal, takega

regulatorja se glasi:

;]

X] _

`

]

(15)

Navor ob

zavrtem

rotorju

Vrtilna hitrost

neobremenjenega

motorja

n (min-1)

M(Nm)



PI regulator predstavimo z bloki na naslednji način:

Slika 19: Shematski prikaz PI regulatorja.

Zaradi nevarnosti pojava integralskega pobega (nekontroliranega naraščanja izhodne veličine

regulatorja) in realnih omejitev napetosti ali toka sem uporabil tudi člen za limitiranje. Parametre

nelinearnega člena nasičenja sem nastavil glede na nazivne podatke enosmernega motorja. Model

uporabljenega regulatorja je prikazan na sliki 20.

Slika 20: Model uporabljenega PI regulatorja.

Potek nastavljanja regulatorja

1. Na začetku odklopimo integralne člene in operiramo samo s proporcionalnimi.

2. Ojačanje proporcionalnih členov Kp povečujemo toliko časa, dokler ne dobimo želenega

odziva.

3. Počasi dodajamo integralne člene vse dokler statični pogrešek εS ni odpravljen v želenem

času.

4. V tej kombinaciji so mogoče oscilacije zaradi velikega proporcionalnega ojačanja, zato ga v

takem primeru malo zmanjšamo.

5. Če je regulator še vedno prehiter zmanjšujemo tako vpliv integralnega kot tudi

proporcionalnega člena.

U (s) + E (s)

1

]&

KP



Delovanje celotne regulacije

Celotna blokovna shema regulacije je prikazana na sliki 21.

Slika 21: Blokovna shema regulacije vrtilne hitrosti.

Zamislil sem si preprost princip delovanja. Do nazivnih vrtljajev je napetost vzbujalnega navitja

konstantna, regulator vzbujalne napetosti ni aktiven. Aktivna je kaskadna regulacija rotorskega

tokokroga, vse dokler ne dosežemo nazivnih vrtljajev, ko preide regulator v nasičenje. Ko želimo

vrtljaje še povečati, regulator kotvine napetosti pa je že v nasičenju se aktivira regulacija vzbujanja

in začne zniževati pritisnjeno napetost in s tem tok vzbujanja. Na ta način se slabi polje v stroju in

vrtljaji začnejo naraščati. Tako sicer izgubljamo na navoru, vendar dokler smo z zmogljivostjo

motorja zadovoljni, je ukrep smiseln.

V blok vrtljaji preprosto vpišemo želeno vrednost vrtilne hitrosti, to pretvorimo v kotno hitrost, ki

kot želena vrednost vstopa v zunanji regulator. Ta regulator meri hitrost gredi, jo primerja z našo

želeno in kot izhodno količino daje želeno vrednost toka kotve. V povratni vezavi notranjega

regulatorja dobimo informacijo o dejanskem toku kotve, ki se primerja z njegovo želeno vrednostjo.

Glede na rezultat primerjalnega člena dobimo na izhodu regulatorja signal, ki se ojači v

močnostnem ojačevalniku. Izhodno napetost potrebno za želene vrtljaje pripelje na sponke rotorja

motorja.

Pri tem je regulator vzbujanja stalno v nasičenju. Ta opazuje inducirano napetost na rotorju in jo

primerja z vrednostjo napetosti rotorja, pri nazivnih vrtljajih. Vse dokler je inducirana napetost nižja

od primerjalne (ki znaša 46V, določeno eksperimentalno), regulator teži k povečevanju in zaide v

nasičenje, obravnavamo ga kot neaktivnega. Pri vrtljajih, ki so večji od nazivnih inducirana napetost

preseže primerjalno. Sedaj se regulator aktivira in začne zniževati vzbujalno napetost in s tem tok

vzbujanja. Na ta način se slabi polje enosmernega motorja, zato se vrtljaji povečujejo.



Kaskadna regulacija rotorskega tokokroga

Želja je vzdrževati konstantne vrtljaje, pri različnih obremenitvah in različnih želenih vrednostih

vrtilne hitrosti. Za to nalogo sem naredil regulacijo v kaskadni obliki, kjer nadzorujem tako rotorski

tok, kot tudi pritisnjeno napetost. Celotna regulacija je prikazana spodaj:

Slika 22: Kaskadna regulacija rotorskega tokokroga predstavljena v Simulinku.

Take vrste regulacija je uporabljena samo za regulacijo rotorskega tokokroga, saj je tam potreba bo

večji dinamiki precej večja kot pri vzbujanju. Znano je namreč, da se s tako izvedbo regulacije

izognemo dolgim regulacijskim časom, ki bi jih dosegli z enim regulatorjem.

Parametre regulatorjev sem nastavil eksperimentalno. Pri optimiranju regulacijskih parametrov

najprej nastavljamo parametre notranjega regulatorja. Na vhod podamo kar skočno spremembo

želene vrednosti in ko dosežemo približno pričakovani odziv, priključimo še zunanji regulator. Tega

čim bolje nastavimo ter pogledamo odziv celotnega regulacijskega kroga. Do končno pričakovanega

odziva, nas loči le še natančna prilagoditev parametrov obeh regulatorjev. Pri nastavljanju rotorske

regulacije je dobro, če je regulator vzbujanja izključen, pri čemer imamo na vzbujanju konstantno

nazivno napajanje.

Odziv enosmernega motorja z vključeno regulacijo na skočno obremenitev z navorom 0,5Nm ob

času t = 30s je prikazan na sliki 23. Na sliki 24 lahko opazujemo potek vrtilne hitrosti

razbremenjenega enosmernega motorja. Regulacija je vključena, ob času t = 30s pa skočno

povečamo vrtilno hitrost iz Sa 1000 TS)U na SU 1300 TS)U.



Slika 23: Odziv reguliranega kolektorskega motorja na skočno obremenitev.

Slika 24: Odziv reguliranega enosmernega motorja na skočno spremembo vrtilne hitrosti.



SKLOP OBEH STROJEV

Oba stroja sta približno enakih nazivnih moči. Ker gre za majhne moči (reda nekaj 100 W), je jasno

da prav velikih bremen ne bomo mogli priključiti na generator. Generator obremenjujemo z

ohmskim bremenom, kapacitivnosti ima dodane posebej za izmenjavo jalove energije, induktivnih

bremen pa se izogibamo saj bi se ob preveliki induktivnosti generator razmagnetil. Ohmsko breme

generatorja je vključeno v bloku asinhronski generator.

Celotni model sklopa z regulacijo je prikazan na sliki 25.

Slika 25: Simulacijski model sklopa enosmernega motorja in asinhronskega generatorja z regulacijo vrtilne hitrosti.

Že iz modela je razvidna povezava med obema strojema. Enosmerni motor deluje kot pogonski stroj

in narekuje vrtilno hitrost, ki si jo lahko izberemo. Vrtilna hitrost se kot informacija pripelje na temu

namenjen vhod asinhronskega generatorja. Na njegovem izhodu pa lahko preberemo zahtevani

navor, ki ga nato preprosto peljemo nazaj na enosmerni motor kot njegovo breme.



Na sliki 26 vidimo izhodno tri fazno napetost asinhronskega generatorja (tukaj je važna le ovojnica),

ki ima priklopljeno ohmsko breme moči 2W. Razvidni so tudi 3 fazni linijski tokovi, ki seveda z

medfazno napetostjo niso v fazi. Spodaj na sliki 27 lahko opazujemo potek vrtilne hitrosti

pogonskega stroja, ki ta generator žene. Regulator je nastavljen na želeno vrednost hitrosti

S 1000 TS)U.

Odčitamo lahko:

;b 400 ?, 2,88 TC, c, 2 d

(16)

Izračunamo:

c,;b

,

√3 2,8867 TC

(17)

Iz primerjave izračunanega linijskega toka ter odčitanega ugotovimo, da nam model deluje pravilno,

saj sta vrednosti primerljivi. Oscilacije na začetku poteka so posledica zagona pogonskega stroja. V

nadaljevanju si lahko pogledamo še poteke obremenitve generatorja z močjo 100 W (sliki 28, 29).

Za to obremenitev so podani tudi poteki medfazne napetosti na bremenu (slika 30), bremenskih

linijskih tokovi (slika 31) in linijskih tokov kondenzatorjev (slika 32).



Slika 26: Potek izhodne napetosti (zgoraj) in toka (spodaj), generatorja obremenjenega z močjo 2W.

Slika 27: Vrtilna hitrost pogonskega stroja z generatorjem na gredi od začetka zagona.



Slika 28: Obremenitev generatorja z ohmskim bremenom moči 100W.

Slika 29:Hitrost pogonskega stroja z generatorjem obremenjenim s 100W ohmske moči.



Slika 30: Napetost na ohmskem bremenu.

Slika 31: Linijski tokovi ohmskega bremena.

Slika 32: Linijski tokovi kondenzatorjev.



KOMENTAR IN ZAKLJUČEK

Glede na meritve v laboratoriju in rezultate simulacije mislim, da sem se z modelom precej približal

realni izvedbi sklopa obeh strojev z regulacijo. Oblika mojih rezultatov se ujema tudi z različnimi

članki raziskovalcev, ki so delali na projektih podobne tematike. Tukaj lahko omenim še zanimivo

ugotovitev, da sem med izdelavo seminarske naloge in pri tem uporabo različnih verzij

programskega paketa Matlab/Simulink ugotovil, da model zgrajen na novejših verzijah Matlaba, ne

deluje pravilno na starejših in obratno. Če se mi torej generator vzbudi z določeno krivuljo nasičenja

in temu primerno izbranimi kapacitivnostmi na eni verziji Matlaba, to nikakor ne pomeni, da se bo

vzbudil tudi pri drugih verzijah.

Po mojem mnenju je sklop v realnosti uporaben le v raziskovalne namene, saj bi za koristno delo

generator morali gnati z motorjem z notranjim izgorevanjem ali drugim ne-električnim pogonski

strojem. V našem primeru tako proizvajamo le izgube. Zanimiva je sicer ideja o takem načinu

razsmerjanja enosmerne napetosti v trifazno, pri čemer se lahko poveča amplituda izhodne

napetosti. Vendar se tudi v te namene raje uporabljajo razsmerniki in druge naprave na osnovi

polprevodniške elektronike.

Model bi se dalo še precej dodelati. Največja pomanjkljivost je počasnost regulacije, ki terja čase

zagona tudi do 12s. Ni mi uspelo nastaviti parametrov do te mere, da bi zagon mogoče celo pohitril

v primerjavi z zagonom brez regulacije. Model enosmernega motorja glede na realni stroj deluje

precej dobro, saj je matematično korektno sestavljen. Odstopanja dobimo zaradi nenatančnih

parametrov, ki sem jih izmeril. Ker gre za majhen stroj, katerega tudi osnovni podatki niso znani,

dobimo pri meritvah rezultate, ki jih težko preverimo. Predvsem pri merjenju induktivnosti bi lahko

vzel kakšno drugo metodo ali v modelu podal induktivnost v odvisnosti od toka. Za generator bi

lahko zgradil svoj model, kjer bi reševal enačbe v integralni obliki. V Simulinku vgrajeni model

asinhronskega stroja je realiziran v diferencialni obliki, kar ne dopušča nezveznih vhodnih veličin. Na

težavo z nezveznostjo pa lahko naletimo že ob hitri regulaciji, ko je prehod iz zagona v stacionarno

stanje pogonskega stroja nezvezen. Pohitritev regulacije bi torej zahtevala tudi drugače zgrajeni

model generatorja in ožji korak računanja. Ne glede na to pa je princip delovanja in namen naloge

lepo razviden, saj stvar vsaj kar se tiče stacionarnih razmer zelo dobro deluje. Tudi v realnosti se

generator lepo vzbudi, dobimo tri fazno napetost sinusne oblike. Za boljše delovanje bi lahko

natančneje izbrali kondenzatorje ter tako zmanjšali izgube. Raziskali bi lahko delovanje

samovzbudnega generatorja ob obremenitvah z različnimi bremeni (R, L, C), pri čemer bi si

pomagali tudi z analizatorjem moči. Dobro bi bilo še primerjati učinkovitost generatorja, ko je le ta

vezan na omrežje in v primeru samovzbujanja. Skratka idej in smeri razmišljanja na to temo je še

veliko.

Skozi celotno delo, ki ga zahteva seminarska naloga sem se veliko naučil. Spoznal sem osnove

Simulinka in imam sedaj prosto pot na zahtevnejše naloge s tega področja. Poglobil sem

razumevanje električnih strojev v različnih režimih delovanja, bolj podrobno sem se seznanil z

merjenjem parametrov strojev in z načinom uporabe le teh v simulaciji ali drugod. Pridobil sem tudi

izkušnje s področja regulacijske tehnike in razširil znanje teorije regulacij.



VIRI

[1] Peter Jereb, Damijan Miljavec - Vezna teorija električnih strojev

[2] Damijan Miljavec, Peter Jereb - Električni stroji (temeljna znanja)

[3] Rafael Cajhen – Regulacije

[4] Moleykutty George, Faculty of Engineering and Technology: Speed Control of Separately Excited

DC Motor

[5] Wai Phyo Aung: Analysis on Modeling and Simulink of DC Motor and its Driving System Used for Wheeled Mobile Robot [6] Robert Babuska and Stefano Stramigioli: Matlab and Simulink for Modeling and Control [7] A. A. Ansari, D. M. Deshpande: Mathematical Model of Asynchronous Machine in MATLAB Simulink [8] Dmitry Baimel, Raul Rabinovici (IEEE) and Sam Ben-Yakov (IEEE): Simulation of Thyristor Operated Induction Generator by Simulink, Psim and Plecs [9] Systems and Control 1998, Dr. Grant Covic: Proportional & Integral Controllers [10] A. Kishore, R. C. Prasad, and B. M. Karan, Birla Institute of Technology, India: MATLAB SIMULINK Based DQ Modeling and Dynamic Characteristics of Three Phase Self Excited Induction Generator [11]http://www.mathworks.com/help/toolbox/physmod/powersys/ref/asynchronousmachine.html [12] http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_motor

[13] J. P. Ngoma Cand. Sc.(Eng); P. D. Lezhniuk, Dr. Sc. (Eng.), Prof.; A. V. Nikitorovych: Compensation of Reactive Power of Asynchronous Generators at Small Hydro Power Stations [14] Thomas Fladerer: The Asynchronous Generator in Small Power Plants; Ruhstorf, March 2004 Pomagal sem si tudi s predlogi laboratorijskih vaj predmeta Splošna teorija električnih strojev s preizkušanjem in predmeta Teorija regulacij.

sklop enosmernega motorja in asinhronskega samovzbudnega...

Documents