DYNAMICZNA APLIKACJA INTERNETOWA SYMULACJI OBWODOWEJ MASZYNY INDUKCYJNEJ - UJĘCIE OBIEKTOWE

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 213 ichał AYSIAK *, ichał ICHNA **, ieczysław RONKOWSKI **, Andrzej WILK ** * EWEN, ** POLIECHNIKA GDAŃSKA DYNAICZNA APLIKACJA INERNEOWA SYULACJI OBWODOWEJ ASZYNY INDUKCYJNEJ - UJĘCIE OBIEKOWE DYNAIC INERNE APPLICAION FOR CIRCUI SIULAION OF INDUCION ACHINE - OBJEC ORIENED APPROACH Streszczenie: Artykuł dotyczy zastosowania dynamicznej aplikacji internetowej do symulacji obwodowej silnika indukcyjnego trójfazowego, wykorzystującej interfejs przeglądarki WWW. odel obwodowy silnika sformułowano w układzie osi naturalnych i ujęciu metody energetycznej Lagrange a. Implementację modelu maszyny w aplikacji internetowej wykonano w projekcie typu Web Forms, który jest elementem środowiska icrosoft Visual Studio. Kod programu napisano przy użyciu obiektowego (zarządzanego) języka programowania C# oraz składni HL z wykorzystaniem zasobów biblioteki.ne Framework. Kod ten jest wykonywany pod nadzorem maszyny wirtualnej CLR (ang. Common Language Runtime). Aplikacja umożliwia analizę wybranych stanów pracy silnika indukcyjnego (dynamicznych i ustalonych) w ramach Wirtualnego Laboratorium aszyn Elektrycznych budowanego w Politechnice Gdańskiej. Abstract: his paper presents the dynamic internet application for circuit simulation of induction motor using Web browser. Circuit model of the motor is formulated using Lagrange a energy method in terms of machine variables. he application was developed using Web Forms type project in Visual Studio software, and has been supported by the.ne Framework as integrated component of Windows. his application enables a dynamic and steady-state analysis of induction motor, in the frame of the Virtual Laboratory of Electric achines being developed at the Gdansk University of echnology. Słowa kluczowe: maszyny indukcyjne, aplikacja internetowa, programowanie obiektowe, biblioteka.ne Framework, język C#, składnia HL Keywords: induction machines, internet application, object oriented programming,.ne Framework library, C# language, HL syntax 1. Wstęp Na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej (Wydz. EiA PG), w ramach kierunku Elektrotechnika, zrealizowano projekt temowy Zamawianie kształcenia na kierunkach technicznych, matematycznych i przyrodniczych-pilotaż Priorytet IV PO KL Szkolnictwo wyższe i nauka specjalność zamawiana: echnologie Informatyczne w Elektrotechnice. Jednym z elementów tego projektu było opracowanie e-skryptu pt. aszyny elektryczne wokół nas, wspomagającego proces nauczania przedmiotu aszyny elektryczne [3, 4]. Kontynuacją projektu w ramach środków własnych jest budowa Wirtualnego Laboratorium aszyn Elektrycznych (WLE). Wraz z rozwojem technologii informatycznych w dydaktyce przedmiotu maszyny elektryczne zaczęto stosować techniki multimedialne i internetowe (e-learning). Dobrym przykładem wykorzystania technik multimedialnych w nauczaniu maszyn elektrycznych prądu przemiennego jest moduł AC Electrical achines, opracowany w ramach projektu INEELE [1]. Nowym etapem zastosowania technologii informatycznych w dydaktyce jest zastosowanie aplikacji serwerowej. W niniejszym artykule aplikacja serwerowa rozumiana jest jako dynamiczny program komputerowy o architekturze klient serwer. Pojęcie serwer odnosi się do komputera lub grupy komputerów działających jak serwer WWW. Pojęcie klient odnosi się do komputera korzystającego z aplikacji internetowej za pośrednictwem protokołu HP oraz przeglądarki WWW. W aplikacji dynamicznej na żądanie klienta realizowany jest kod logiki programowalnej po stronie serwera aplikacji w zależności od zdarzeń określonych przez użytkownika [2].

2 214 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 2. Koncepcja wirtualnego laboratorium Na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej rozwijana jest koncepcja programu komputerowego, który jest narzędziem wspomagającym proces dydaktyki maszyn elektrycznych, obejmujący zarówno zajęcia teoretyczne, jak i praktyczne. W ramach tej koncepcji rozwijane jest WLE, na potrzeby realizacji wybranych badań maszyn elektrycznych. U podstaw tej koncepcji leży stosunkowo złożony (dokładny) model obwodowy rzeczywistej maszyny, która znajduje się w laboratorium pomiarowym i na której studenci wykonują badania. Wirtualne laboratorium jest implementacją modelu obwodowego rzeczywistej maszyny w programie komputerowym, wykonywanym na serwerze WWW. W wirtualnym laboratorium istnieje możliwość wykonania szeregu badań, które realizowane są w ramach programu studiów. Na rys.1 pokazano w sposób poglądowy architekturę aplikacji omawianej w niniejszej pracy. Elementy rozważanej architektury będą szerzej omawiane w kolejnych punktach pracy. W punkcie 3 przedstawiono komputerowy model 3D i model obwodowy maszyny w ujęciu obiektowym. Pokazano bibliotekę klas reprezentującą maszynę i podstawowe zadania klas. W rozdziale 4 omówiono zagadnienia opracowywania hybrydowej aplikacji serwerowej w kontekście rozważanej maszyny. Pokazano interfejs aplikacji i wybrane wyniki symulacji obwodowej silnika w stanie rozruchu. 3. odel silnika indukcyjnego 3.1. odel komputerowy 3D aszyna elektryczna jest złożonym przetwornikiem elektromechanicznym w aspekcie zachodzących w niej zjawisk i procesów fizycznych. Do zrozumienia zasady jej działania konieczna jest wiedza dotycząca elektromechanicznego przetwarzania energii oraz znajomość budowy przetwornika. W WLE dostępne są komputerowe modele 3D szeregu maszyn elektrycznych. odel 3D maszyny to zbiór częściowych modeli 3D - integralnych części mechanicznych silnika (wałek, wpust, pakiet blach itp.) skojarzonych ze sobą w podzespoły (wirnik, stojan, łożyska itp.). Połączone ze sobą podzespoły dają kompletny model maszyny. Przedmiotem rozważań w pracy jest silnik indukcyjny klatkowy typu Sg132 4 wyprodukowany w FE Indukta S.A. Dane znamionowe silnika podano w tablicy 1. ablica 1. Dana znamionowe silnika indukcyjnego Sg132 4 Wielkość Symbol Jedn. Wartość oc P n kw 7,5 Napięcie U n V 400 Prąd I n A 14,6 Prędkość n n obr/min 1450 oment. n Nm 49,4 Wsp. mocy cos(φ n ) - 0,85 Sprawność η % 87,0 Na rys.2 pokazano widok modelu 3D wirnika, natomiast na rys.3 widok modelu 3D całej maszyny bez przedniej tarczy łożyskowej. Biblioteka klas odel matematyczny Silnik elektryczny Serwer WWW Internet Klient 1 Rys. 2. Widok modelu 3D wirnika silnika klatkowego Sg Klient 3 Klient 2 Rys. 1. Architektura dynamicznej aplikacji internetowej silnika indukcyjnego jako komponentu WLE Rys. 3. Widok kompletnego modelu 3D silnika Sg132 4 bez przedniej tarczy łożyskowej

3 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 215 Użytkownik WLE ma możliwość zapoznania się z widokiem każdej części maszyny, z jej podzespołami oraz złożeniem kompletnym. Na obecnym etapie prac są to widoki statyczne. odele 3D maszyn powstają w wyniku realizacji prac dyplomowych. Dokładność odwzorowania maszyny jest stosunkowo duża i w większości części wynosi ±0,1mm odel obwodowy odel maszyny w WLE zawiera stosunkowo dużą liczbę stopni swobody, co jest konieczne ze względu na jego dokładność i zakres badań symulacyjnych. Użytkownik WLE powinien mieć dostęp do opisu formułowania modelu, w celu poznania założeń upraszczających i jego możliwości. Dlatego przyjęto w aplikacji opcję jego zaprezentowania użytkownikowi. odele matematyczne maszyn w aspekcie elektromechanicznego przetwarzania energii formułowane są zazwyczaj w ujęciu metody energetycznej Lagrange a [6], przez wyspecjalizowaną kadrę Katedry Energoelektroniki i aszyn Elektrycznych WEiA. W omawianej aplikacji jedynym istotnym założeniem upraszczającym modelu silnika Sg132 4 jest przyjęcie liniowych sprzężeń magnetycznych pomiędzy skupionymi cewkami stojana i wirnika. Wypieranie prądu w prętach klatki wirnika uwzględniono poprzez odpowiednią zmianę ich rezystancji w funkcji poślizgu. Straty mocy na histerezę i prądy wirowe uwzględniono za pomocą zastępczego obwodu elektrycznego z elementem dyssypatywnym. W niniejszej pracy model silnika zostanie przedstawiony w takiej postaci w jakiej postrzega go użytkownik aplikacji. Szczegółowy opis metodyki modelowania maszyn indukcyjnych zawiera książka w [5]. U podstaw budowy modelu obwodowego maszyny leży jej podział na elementy skupione zachowawcze i dyssypatywne, zarówno elektryczne, jak i mechaniczne. Na rys.4 pokazano schemat obwodu stojana silnika zawierającego skupione elementy uzwojenia (cewki aa, bb, cc i rezystory R aa, R bb, R cc ) oraz skupione elementy zewnętrzne (cewki su, sv, sw i rezystory R su, R sv, R sw ). Z kolei na rys.5 pokazano schemat ideowy elektryczny ¼ klatki wirnika z zaznaczonymi elementami dyssypatywnymi rezystancje prętów R p i fragmentów pierścieni R e U u (t) U v (t) U w (t) Rys.4. Schemat ideowy obwodu stojana silnika Rp 7 ir 6 R su i a R sv i b i c R sw Re 1,6 Rp 6 ir 5 Rp 5 ir 4 Re 0,6 Re 0,5 Re 0,4 Re 0,3 ie su sv sw Re 1,5 Re 0,2 Re 1,4 Rp 4 ir 3 Re 0,1 Rys. 5. Schemat ideowy ¼ klatki wirnika Istotnym wnioskiem wynikającym z rys.4 i rys.5 jest to, że obwód elektromagnetyczny silnika posiada 3 stopnie swobody od strony stojana (prądy i a, i b, i c ) oraz 29 stopni swobody od strony wirnika (prądy i r0,,i r27,i e ). odel silnika uzupełnia obwód mechaniczny składający się z jednego elementu bezwładnościowego, sprężystego i tłumiącego w ruchu obrotowym. Występuje tu 1 stopień swobody prędkość kątowa ω. Równania modelu silnika Sg są następujące: ia U u ( t) U v ( t) ib U v ( t) U w ( t) i c U w ( t) U u ( t) d ( ir0 = 0 ir27 0 ie 0 d d β = ω, J ω = elem ( i, + Rp 1 Re Re 0,0 ir 1,0 0 Re 0,27 β ext Rp 27 ia ia ib ib i c ic ( ir0 ω R( s) ir0 ir27 ir27 ie ie ( t) Dω (1) gdzie: β kąt obrotu wirnika, ( macierz indukcyjności, R(s) macierz rezystancji w funkcji poślizgu s, J moment bezwładności, ir 2 aa bb cc Re 1,3 Rp 3 ir 1 Rp 2 ir 27 Re 1,2 Rp 0 R aa R bb R cc Re 1,1 Re 1,27

4 216 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) elem (i, moment elektromagnetyczny, ext (t) moment zewnętrzny, D współczynnik tłumienia. oment elektromagnetyczny wyraża wzór i elem = ( i, = [ i i i ir L ir ie] a b 1 2 i c β 0 ( i, 27 (2) Szczegółowa postać macierzy indukcyjności ( i macierzy rezystancji R(s) podana jest w odpowiednich zakładkach aplikacji internetowej. 3.3 Obiektowe ujęcie modelu silnika Układ równań (1) można sformułować w postaci ogólnej następująco X ( = d X = Y( t, β ( X ω R [ i i i ir ir L ir ie β ω] a b c X, (3) gdzie: X jest wektorem stopni swobody temu elektromechanicznego, ( jest macierzą temu zawierającą parametry zachowawczych elementów magnetycznych i bezwładnościowych w ruchu obrotowym, R jest macierzą temu zawierającą parametry dyssypatywnych elementów elektrycznych i mechanicznych, Y(t, jest wektorem tzw. sił uogólnionych (napięć i momentów). Układ równań (3) zostaje następnie przełożony (zakodowany) na pojęcie klas i zaimplementowany w aplikacji z wykorzystaniem zasad programowania obiektowego (ang. Object Oriented Programming). Przyporządkowanie niektórych klas do zagadnienia (3) pokazano na rys.6. d ( β ) X = Y( t, β ) X R ( β ) ω β C CY CG CR Rys. 6. Klasy przyporządkowane do układu rów. (3) w celu implementacji w programie z wykorzystaniem zasad OOP Zdefiniowane w tej aplikacji klasy są następujące: C - reprezentuje zbiór wartości oraz metod do wyznaczania elementów macierzy (. X CG - reprezentuje zbiór wartości oraz metod do wyznaczania elementów macierzy wynikających z pochodnej macierzy ( względem kąta obrotu wirnika. CR - reprezentuje zbiór wartości oraz metod do wyznaczania elementów macierzy R. CY - reprezentuje zbiór wartości oraz metod do wyznaczania elementów wektora Y(t,. CSolver - reprezentuje metodę numeryczną rozwiązania układu równań temu elektromechanicznego. CGraph reprezentuje metody prezentacji wyników. 4. Dynamiczna technologia serwerowa 4.1. echnologia ASP.NE Active Server Pages ASP.NE [2] jest technologią opracowaną przez firmę icrosoft do tworzenia dynamicznej zawartości stron WWW. echnologia ta wykorzystuje infrastrukturę.ne Framework [7] oraz jej zasoby. Do zaprojektowania omawianej aplikacji jako strony WWW zastosowano podejście hybrydowe. Polega ono na podzieleniu aplikacji na kod formularza WWW (znaczniki języka HL) oraz na kod logiki programowalnej (klasy zdefiniowane w języku C#), jak pokazano schematycznie na rys. 7. Projekt WWW w Visual Studio Kod logiki programowalnej język zarządzany C#. Klasy: C, CG, CR itp. Formularz WWW znaczniki języka HL (ang. Hyper ext urkup Language). Interfejs użytkownika Rys. 7. Schemat hybrydowej aplikacji serwerowej Na rys.8. pokazano kilka sekwencji uproszczonego cyklu przetwarzania dynamicznego strony WWW. W sekwencji 1 użytkownik żąda otwarcia formularza WWW (aplikacja symulatora silnika Sg1324). Serwer rozpoznaje to żądanie jako program i wykonuje konieczne metody obsługi zdarzeń, generuje odpowiedź HL i wysyła ją do

5 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) 217 przeglądarki (sekwencja 2). Przeglądarka wyświetla odpowiedź (sekwencja 3). Użytkownik wprowadza parametry symulacji i powoduje wysłanie danych do tej samej strony (sekwencja 4). Strona jest wysyłana do serwera w celu przetworzenia. Serwer wywołuje konieczne metody obsługi zdarzeń, zwłaszcza te, które dotyczą kontrolek powodujących przesłanie danych (parametrów symulacji) i wykonuje symulację (sekwencja 5). Następnie generuje kod HL i odsyła go do przeglądarki. Rys. 8. Przykład kilku sekwencji cyklu przy przetwarzaniu dynamicznym strony WWW 4.2. Interfejs aplikacji oraz wyniki symulacji Widok fragmentu interfejsu graficznego użytkownika aplikacji serwerowej silnika Sg132 4 w przeglądarce Windows Internet Explorer pokazano na rys.9. umożliwiający między innymi badanie rozruchu silnika przy obciążeniu. U u(t) U v(t) U w(t) su sv sw R su R sv R sw W 3 D ext Rys. 10. Jeden z możliwych schematów obwodowych aplikacji Użytkownik wybierając układ na rys. 10 ma możliwość zdefiniowania funkcji czasowej U(t) źródeł zasilania, indukcyjności s i rezystancji R s w każdym przewodzie, zewnętrznego momentu bezwładności J ext i współczynnika tłumienia D ext oraz funkcji czasowej momentu obciążenia ext (t). W aplikacji dostępne są także inne schematy, umożliwiające wykonanie tych samym badań na modelu symulacyjnym silnika, które realizowane są w rzeczywistym laboratorium (próba zwarcia pomiarowego, pomiary parametrów itp.). Na rys.11 pokazano wybrane wyniki symulacji rozruchu silnika, a następnie skokowego obciążenia momentem znamionowym. Przedstawiono przebiegi: prądów (I u, I v, I v ), prędkości kątowej (Omega), momentu elektromagnetycznego elem i napięcia jednego ze źródeł (U u ). i u i v i w ext elem J ext ω Rys. 9. Interfejs graficzny użytkownika symulatora obwodowego silnika Sg1324 w przeglądarce Internet Explorer ożliwy zakres badań symulacyjnych wynika z przyjętego układu połączeń. Na rys.10. pokazano jeden z możliwych układów, Rys. 11. Wyniki symulacji rozruchu bezpośredniego silnika Sg1324, a następnie skokowego obciążenia momentem Użytkownik aplikacji może pobrać wyniki badań eksperymentalnych dla rozważanego silnika i dokonać stosownych analiz porównawczych.

6 218 Zeszyty Problemowe aszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104) Na rys. 12 przedstawione wyniki pomiarów wykonanych na rozważanym silniku Sg1324. Wyniki badań eksperymentalnych potwierdzają dobrą zgodność wyników symulacji z pomiarami. Rys. 12. Wyniki pomiarów rozruchu bezpośredniego silnika Sg1324: a) przebieg prądu fazowego, b) przebieg napięcia międzyprzewodowego 5. Podsumowanie I max=86,6a Prezentowana w pracy koncepcja programu komputerowego jest narzędziem wspomagającym proces dydaktyki maszyn elektrycznych, obejmujący zarówno zajęcia teoretyczne, jak i praktyczne. W ramach tej koncepcji rozwijane jest Wirtualne Laboratorium aszyn Elektrycznych, na potrzeby realizacji wybranych badań maszyn elektrycznych. U podstaw koncepcji programu leży stosunkowo złożony (dokładny) model obwodowy rzeczywistej maszyny, która znajduje się w laboratorium pomiarowym i na której studenci wykonują badania. Wirtualne laboratorium jest implementacją modelu obwodowego rzeczywistej maszyny w programie komputerowym, wykonywanym na serwerze WWW. W wirtualnym laboratorium istnieje możliwość wykonania szeregu badań, które realizowane są w ramach programu studiów. Aplikacja dedykowana jest studentom, ale ze względu na stosunkowo złożony (dokładny) model maszyny może być przydatna inżynierom w projektowaniu napędów z silnikiem indukcyjnym typu Sg Literatura [1]. Boboń A., Kudła J., iksiewicz R.: Wykorzystanie technik multimedialnych w nauczaniu maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Proc. of XLII Inter. Symposium on Electrical achines SE 2006, 3-6 July, Cracow, Poland, s [2]. Connolly R.: ASP.NE 2.0. Projektowanie aplikacji internetowych, Wydawnictwo Helion 2008 [3]. Ronkowski, ichna., Kostro G., Kutt F.: aszyny elektryczne wokół nas. poszukiwanie dróg do nauczania na kierunku elektrotechnika Politechniki Gdańskiej. Zeszyty Problemowe - aszyny Elektryczne nr 87, 2010, s [4]. Ronkowski, ichna., Kostro G., Kutt F.: aszyny elektryczne wokół nas. (e-skrypt) Wyd. PG, Gdańsk, m=&dirids=1&ver_id=&lp=2&qi= [5]. Sobczyk.: etodyczne aspekty modelowania matematycznego maszyn elektrycznych, WN, Warszawa 2004 [6]. White D.C., Woodson H.H.: Electromechanical Energy Conversion, Wiley, New York, 1959 [7]. empleman J., Vitter D.: Visual Studio.NE: he.ne Framework. Black Book, Wydawnictwo Helion 2003 Autorzy ichał atysiak, EWEN, michalmatysiak85@gmail.com ichał ichna, Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Katedra Energoelektroniki i aszyn Elektrycznych michna@pg.gda.pl ieczysław Ronkowski, Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Katedra Energoelektroniki i aszyn Elektrycznych, mronk@ely.pg.gda.pl Andrzej Wilk, Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Katedra Energoelektroniki i aszyn Elektrycznych, awilk@ely.pg.gda.pl