Лабораторная работа № 2
Исследование характеристик коллекторного двигателя постоянного тока

 

Цель лабораторной работы: изучение статических характеристик и характера переходных процессов в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением от постоянных магнитов при изменении управляющего напряжения, внешнего силового воздействия, а также в зависимости от соотношения значений основных параметров двигателя.

Задачи лабораторной работы

·        приобретение навыков формирования математических моделей исполнительных двигателей электромеханических систем как динамических объектов с помощью средств системы визуального моделирования Simulink на примере модели коллекторного двигателя постоянного тока (ДПТ) с возбуждением от постоянного магнитного поля;

·        изучение характера переходных процессов в ДПТ и определение электромагнитной и электромеханической постоянных времени двигателя путем проведения вычислительных экспериментов;

·        исследование свойств ДПТ в установившихся режимах работы;

·        определение регулировочной характеристики ДПТ при непрерывном регулировании напряжения, подаваемого на якорную цепь двигателя;

·        определение механической характеристики ДПТ при изменении назрузочного момента;

·        исследование зависимости динамических свойств ДПТ от момента инерции ротора и приведенного момента инерции объекта управления.

Порядок выполнения лабораторной работы

1.     Запустите Matlab и откройте окно для создания модели Simulink. С помощью мыши «перетащите» нужные модули из библиотеки Simulink на рабочее поле модели и соедините их линиями связи в соответствии со структурной схемой модели двигателя постоянного тока. Присвойте имя программной модели и сохраните ее в каталоге, указанном преподавателем.

 Рис.1

Числовые значения параметров модели ДПТ для своего варианта задайте как переменные в окне Command Window[1] в соответствии с в таблицей.

 

clear       % Очистка Workspase

Ra=4.0;     % Активное сопротивление обмотки якоря

La=0.004;   % Индуктивность обмотки якоря

Ja=0.00002; % Момент инерции ротора

Km=0.057;   % Коментный коэффициент двигателя

Ke=0.057;   % Коэффициент противоЭДС

Unom=24;    % Номинальное напряжение двигателя

Umax=40;    % Напряжение источника энергии

Mnom=0.2;   % Номинальный момент двигателя

 

Двигатель	Uном	n ном	Iном	Rя,	Тэ	Jдв,	kе,
	В	об/мин	A	Ом	мс	кгм2	Вс/рад
ДПР62Н1-02	27	6000	0,72	4	1	3,60*10-6	0,043
ДПР72Н1-07	12	4500	2,20	0,56	0,65	7,80*10-6	0,025
ПЯ250Ф	36	3000	9,50	1	1	2,92*10-4	0,115
ДПУ200	92	3000	7,40	1,53	1,1	7,80*10-4	0,293
ДП40	24	4000	2,90	1,45	1	1,27*10-4	0,057
ДП50	24	4000	5,30	0,28	1,5	6,08*10-4	0,057

 

2.     Снимите переходной процесс изменения угловой скорости вала двигателя w и тока якоря I_я при ступенчатом изменении напряжения U_я. Для этого введите номинальное значение U_я, указанное в табл.1, и задайте нулевое значение возмущающего момента M_в от внешних сил. Установите необходимые значения параметров процесса моделирования, раскрыв поочередно разделы Simulation и Parameters. Общее время моделирования рекомендуется принимать приблизительно равным 4Т_м. Предварительно необходимо вычислить значения электромагнитной и электромеханической постоянных времени рассматриваемого ДПТ.

,           

 

3.     Получите и зарисуйте переходные процессы скорости и тока при номинальном значении напряжения якоря и внешнем моменте, равном нулю.

 

 

4.     Определите по полученным графикам время переходного процесса Т_пп[2] скорости двигателя w и перерегулирование s[3]. Сопоставьте установившееся значение скорости вала двигателя со значением, которое ожидается на основании теоретических положений. Дайте объяснение характеру изменения тока якоря.

Примечание: Для апериодического процесса справедливо соотношение T_пп » 3t.

5.     Определите значение электромеханической постоянной времени двигателя Т_м по переходному процессу угловой скорости вращения вала двигателя. Сопоставьте полученное значение с ожидаемым значением, вычисленным теоретически. Если эти значения отличаются, объясните, чем это может быть вызвано.

6.     Приложите к валу внешний момент M_вн=-0.5М_п и M_вн=0.5М_п, где М_п - расчетное значение пускового момента двигателя. Получите переходные процессы скорости и тока якоря. Приведите графики в отчете.

Как изменяется характер переходных процессов при действии внешнего возмущающего момента? Как влияет М_в на установившиеся значения скорости и тока?

7.     Изучите влияние момента инерции подвижных частей, приведенных к валу двигателя, на динамические свойства ДПТ (M_вн=0).

Для этого рассмотрите переходные процессы при ступенчатом изменении напряжения на якоре, при значении момента инерции на валу ротора: J=J_a, J=2J_a  и  J=4J_a .

Последний два варианта означают, что вал двигателя связан с объектом, обладающим приведенным к валу ДПТ моментом инерции, равным моменту инерции ротора и превышающим его в 3 раза, соответственно.

Как изменяются Т_пп , s, ω(∞) и тока якоря ?

Зафиксируйте в отчете и объясните результаты.

8.     Путем вычислительного эксперимента определите значение электромагнитной постоянной времени двигателя Т_э. Для этого необходимо рассмотреть переходные процессы при заторможенном вале двигателя. Поэтому измените структуру программы моделирования таким образом, чтобы внешний момент был равен электромагнитному моменту двигателя. Значение Т_э определите непосредственно по графику переходного процесса тока якоря и сопоставьте со значением, полученным на основании теоретического расчета. Объясните результаты.

9.     Повторить предыдущий опыт при значениях напряжения управления, равных 50% и 25% от номинального напряжения. Зафиксируйте результаты и сделайте вывод о влиянии напряжения управления U_я на скорость и ток двигателя. Изменяются ли значения Т_пп и s ?

10. Постройте по 5 точкам (U_я=-U_ном÷U_ном) регулировочную характеристику двигателя при M_вн=0.

	-Uном	-0,5Uном	0	0,5Uном	Uном
ω(∞)

 

11. Постройте по 5 точкам (M_вн = -M_п÷M_п) механическую характеристику двигателя при U_я=0.5U_ном.

	-Mп	-0,5Mп	0	0,5Mп	Mп
ω(∞)

 

12. Постройте семейства механической и регулировочной характеристик ДПТ. Для этого проведите автоматизированную серию вычислительных экспериментов при значениях напряжения якоря и значениях внешнего момента приведенных в таблице:

	-1,5Uном	-Uном	-0,5Uном	0	0,5Uном	Uном	1,5Uном
-1,5Mп
-Mп
-0,5Mп
0
0,5Mп
Mп
1,5Mп

 

Для этого воспользуйтесь программой:

clear       % Очистка Workspase

Ra=4.0;     % Активное сопротивление обмотки якоря

La=0.004;   % Индуктивность обмотки якоря

Ja=0.00002; % Момент инерции ротора

Km=0.057;   % Коментный коэффициент двигателя

Ke=0.057;   % Коэффициент противоЭДС

Unom=24;    % Номинальное напряжение двигателя

Umax=40;    % Напряжение источника энергии

Mnom=0.35;  % Номинальный момент двигателя

Nu=7;       % Число точек Uдв, нечетное

Nm=7;       % Число точек Mвн, нечетное

 

% Выполнение расчетов

for j=1:Nu,             % Цикл изменения Uя

    j1=j-(Nu+1)/2;

      U=Unom*2*j1/(Nu-1); U1(j)=U;

        for i=1:Nm,     % Цикл изменения Mвн

        i1=i-(Nm+1)/2;

        M=Mnom*2*i1/(Nm-1); M1(i)=M;

        sim('lab2.mdl',0.20),

        n=size(V);          % Размерность вектора

        Au(j,i)=V(n(1)),    % Заполнение массива

        Am(i,j)=V(n(1)),    % Заполнение массива

    end

end

 

% Вывод графика "Семейство регулировочных характеристик"

figure(1); set(1,'Name','Семейство регулировочных характеристик');

plot (U1,Au); GRID;

title ('Семейство регулировочных характеристик')

Xlabel('Напряжение на якоре двигателя, V')

Ylabel('Установившаяся скорость вращения, 1/s')

legend('Mext=','Mext=','Mext=','Mext=0','Mext=','Mext=','Mext=')

 

% Вывод графика "Семейство нагрузочных характеристик"

figure(2); set(2,'Name','Семейство нагрузочных характеристик');

plot (M1,Am); GRID;

title ('Семейство нагрузочных характеристик')

Xlabel('Внешний момент, Nm')

Ylabel('Установившаяся скорость вращения, 1/s')

legend('Ua=','Ua=','Ua=','Ua=0','Ua=','Ua=','Ua=')

 

Изучите приведенную программу. Обработайте полученные графики. Если надписи не читаемы, примените к ним шрифт GOST type A.

Сделайте выводы по результатам построения механической и регулировочной характеристик ДПТ.

13. Оформите отчет, в который включите схемы моделирования, исходные данные, все полученные числовые оценки, графики процессов и выводы по результатам проведенной лабораторной работы.