INSTRUKCJA I MATERIAŁY POMOCNICZE

Transkrypt

1 Wiesław Jażdżyński INSTRUKCJA I MATERIAŁY POMOCNICZE Ćwiczenie Przedmiot: Podzespoły Elektryczne Pojazdów Samochodowych IM_1-3 Temat: Maszyna indukcyjna modelowanie i analiza symulacyjna Zakres ćwiczenia: 1. Pomiary do identyfikacji i weryfikacji modelu dynamicznego 2. Opracowanie wyników pomiarowych i wyznaczanie modelu 3. Weryfikacja modelu i analiza symulacyjna w Matlab-Simulink Zakres pomiarów: 1. Pomiar rezystancji uzwojeń stojana oraz temperatury otoczenia. 2. Bieg jałowy U p =( )V (kilka punktów) oraz U pn =380V 3. Wybieg 4. Rozruch z nawrotu, dla napięcia 130 U p 230V (do wyboru) Stanowisko pomiarowe: Podłączenie do walizki z przetwornikami LEM:

2 Pomiary do identyfikacji i weryfikacji modelu dynamicznego Zakres pomiarów: 1. Schemat i dane znamionowe maszyn są na stanowisku 2. Zapoznanie się z cyfrowym systemem pomiarowym oraz działaniem programu PEPS_IM_ACQ.exe do akwizycji danych pomiarowych w środowisku LabVIEW 3. Pomiar temperatury otoczenia, pomiar rezystancji uzwojeń fazowych stojana przed i po każdej serii pomiarów. 4. Pomiar i rejestracja wielkości fizycznych maszyny indukcyjnej w czasie biegu jałowego dla stanu ustalonego; zasilanie z autotransformatora dla U p =( )V (kilka punktów) oraz U pn =380V kolumny pliku rejestracji: napięcia proporcjonalne do { ω t, u RS, i R, u TS, i T } 5. Wyznaczanie momentu bezwładności zespołu napędowego z wybiegu kolumna pliku rejestracji: napięcie proporcjonalne do { ω t } 6. Pomiar i rejestracja wielkości fizycznych maszyny indukcyjnej w czasie rozruchu bezpośredniego z nawrotu przy obniżonym napięciu zasilania z autotrafo 130 U p 230V (do wyboru) kolumny pliku rejestracji: napięcia proporcjonalne do { ω t, u RS, i R, u TS, i T } uwagi do p.5: równanie ruchu w czasie hamowania: d h J * TD ( h ) 0, h ( t 0) m0 dt dla h m 0 zachodzi: Pm ( m0 ) J d h m0 * ( h m0 ) dt Oznaczenia: h (t) - funkcja prędkości kątowej wirnika w czasie wybiegu, m0 - prędkość kątowa w chwili T ( ) P ( ) - moment dyssypacji (przy założeniu, że jest tylko tarcie rozpoczęcia wybiegu, D h m m m0 h 0 / 2 wiskotyczne), Pm - straty mechaniczne wyznaczone z biegu jałowego Pliki z wynikami działania programu PEPS_IM_PROC.exe i znaczenie ich kolumn: Dane (napięcia) w plikach uzyskane w wyniku pomiarów cyfrowych są skalowane i przetwarzane przez program PEPS_IM_PROC.exe w celu uzyskania wartości skutecznych i całkowitej mocy czynnej. a) bieg jałowy: P_IM_JAL.dat = { t, ω t, U p, I p, P c } b) wybieg: P_IM_WYB.dat = { t, ω t } c) rozruch: P_IM_ROZ.dat = { t, ω t, U p, I p, P c }, P_IM_ROZ_T.dat = {t, ω t, u RS, i R } U p, I p wartości skuteczne przewodowe, P c moc całkowita, u RS, i R funkcje czasu uwaga: sygnałem proporcjonalnym do prędkości ω t jest SEM twornika maszyny prądu stałego sprzężonej z badanym silnikiem indukcyjnym; sygnał jest skalowany innym przyrządem przetwarzającym częstotliwość impulsów tarczy kodowej na prędkość obrotową [obr/min]. Program PEPS_IM_PROC.exe wykonuje czynności: skalowanie, kompensacja statyczna i dynamiczna błędów akwizycji, wygładzanie, obliczanie wartości skutecznych oraz mocy czynnej (algorytm kroczący)

3 Opracowanie wyników pomiarowych i modelowanie Realizacja ćwiczenia ma trzy etapy: 1. Pomiary: rejestracja (program PEPS_IM_ACQ.exe) i wstępne przetworzenie wyników pomiarowych (program PEPS_IM_PROC.exe) 2. Opracowanie wyników pomiarowych i przygotowanie do identyfikacji (program PEPS_IM_PAR.exe) oraz identyfikacja z zastosowaniem regresji nieliniowej w celu uzyskania wartości parametrów modelu symulacyjnego (program PEPS_IM_IDN.exe) 3. Weryfikacja i analiza symulacyjna modelu w środowisku Matlab-SIMULINK; model wykonują studenci 1. Pomiary: a) Pomiar temperatury otoczenia oraz rezystancji uzwojeń fazowych stojana R s omomierzem Uwaga: układ połączeń uzwojeń fazowych stojana - gwiazda b) Pomiary dla biegu jałowego Pomiary są wykonywane dla stanu ustalonego silnika dla kilku wartości napięcia z przedziału U p =( )V oraz U pn =380V. Każdy pomiar trwa 10 okresów. Nazwy plików P_IM_JAL.dat należy zmienić po każdym wykonaniu programu PEPS_IM_PROC.exe dla kolejnych napięć, np. po pomiarze dla U p =200: P_IM_JAL.dat => J200.dat Pomiary zaczynamy dla najniższej wartości napięcia, które następnie zwiększamy. c) Pomiar wybiegu Po wykonaniu pomiarów dla biegu jałowego oraz zmianie ustawień programu PEPS_IM_ACQ.exe wykonujemy pomiar wybiegu silnika dla napięcia U pn 380V d) Pomiary dla rozruchu Wielkości mierzone w czasie rozruchu są odniesieniem w identyfikacji. W identyfikacji wykorzystany jest model dla stanu ustalonego silnika, czyli jest to podejście przybliżone. W celu zminimalizowania wpływu stanów dynamicznych, zwłaszcza w okolicach zerowej prędkości obrotowej, pomiar jest wykonywany z nawrotu przy obniżonym napięciu zasilania, wybranym z przedziału 150 U p 230V. UWAGA: wynikiem powyższych pomiarów powinna być wartość rezystancji R s, oraz pliki z wynikami obliczeń programem PEPS_IM_PROC.exe - bieg jałowy: np. J150.dat - - J380.dat, - wybieg: P_IM_WYB.dat - rozruch: P_IM_ROZ.dat 2. Identyfikacja: Prawidłowe wykonanie obliczeń wymaga, aby w tym samym katalogu były: program PEPS_IM_PAR.exe, wyniki obliczeń dla biegu jałowego ( np. J150.dat - - J380.dat), oraz P_IM_WYB.dat. Po wykonaniu programu PEPS_IM_PAR.exe otrzymuje się plik PEPS_dane_dla_IDN.dat z danymi: {R s [Ohm], I 1JN [A], P JN [W], P m [W], J [kg.m^2]}.

4 Wyniki pośrednie pojawiają się na ekranie monitora oraz na dwóch rysunkach. Poniżej są przykładowe wyniki działania programu PEPS_IM_PAR.exe. Dane wejściowe są podawane w trybie dialogowym. liczba plików z pomiarem biegu jałowego =? 6 podaj nazwę kolejnego pliku z danymi pomiarowymi =? J150.dat podaj nazwę kolejnego pliku z danymi pomiarowymi =? J200.dat podaj nazwę kolejnego pliku z danymi pomiarowymi =? J250.dat podaj nazwę kolejnego pliku z danymi pomiarowymi =? J300.dat podaj nazwę kolejnego pliku z danymi pomiarowymi =? J325.dat podaj nazwę kolejnego pliku z danymi pomiarowymi =? J400.dat Rs dla biegu jałowego (~4.9)=? 4.9 Rs = 4.9 wyznaczanie strat mechanicznych - wyniki obliczeń dla biegu jałowego w0 Up0 I10 PtJ poniższe wyniki końcowe są w pliku PEPS_dane_dla_IDN.dat Rs [Ohm] U_pJN [V] I_1JN [A] P_JN [W] Pm [W] J [kg.m^2]

5 Dane w pliku PEPS_dane_dla_IDN.dat są wykorzystane w identyfikacji. Przy założeniach: - silnik ma symetrię elektryczną i magnetyczną. - obwód magnetyczny jest liniowy - wszystkie wielkości fizyczne silnika są monoharmoniczne schemat zastępczy silnika w stanie ustalonym jest reprezentowany przez czwórnik typu T o parametrach {R s, X ls, X lrp, R rp, X M, R Fe }. Na ogół parametr R Fe nie ma istotnego wpływu na dynamikę pracy maszyny i jest wtedy w modelu pomijany. Wartości pozostałych 5-ciu parametrów są wyznaczane w ćwiczeniu w postępowaniu identyfikacyjnym polegającym na rozwiązaniu odpowiedniego problemu regresji nieliniowej. Opis postępowania: jeżeli parametry {R s, Xl s, X lrp, R rp, X M } będą współrzędnymi wektora x, to poszukiwane są takie wartości tych współrzędnych, które minimalizują pewną funkcję błędu F(x) definiującą zgodność modelu z rzeczywistością (pomiarem). Funkcja celu F(x) została zdefiniowana jako: n s m e m e I Iˆ P s Iˆ s Pˆ1 Pˆ1 F( x ) i 1 { I P gdzie: n s = liczba punktów pomiarowych,, } m - współczynniki wagi, a, Iˆ, Pˆ m, P e ˆ - I e ˆ s s 1 1 skalowanymi wartościami skutecznych prądów uzwojenia stojana Î s oraz czynnej mocy wejściowej ˆP 1 dla modelu (górny indeks m) oraz pomiaru (indeks e). Wielkości pomiarowe rozruchu uzyskano z danych w pliku P_IM_ROZ.dat. Rozwiązywany był standardowy problem optymalizacji skalarnej w postaci: min F( x) x X x gdzie X jest obszarem dopuszczalnym zdefiniowanym wyłącznie przy pomocy liniowych ograniczeń nierównościowych. Obliczenia identyfikacyjne wykonuje program PEPS_IM_IDN.exe. Początkowe dane wejściowe są podawane w trybie dialogowym zgodnie z plikiem PEPS_dane_dla_IDN.dat, natomiast dane referencyjne program pobiera z pliku P_IM_ROZ.dat. W czasie wykonywania obliczeń, na ekranie monitora pojawiają się informacje, przykładowo: IDENTYFIKACJA MODELU SILNIKA INDUKCYJNEGO potrzebne są dane w plikach "P_IM_ROZ.DAT" oraz "PEPS_dane_dla_IDN.dat" dane z pliku "PEPS_dane_dla_IDN.dat" powinny być wprowadzone w trybie dialogowym dane z pliku "P_IM_ROZ.DAT" są wczytane przez program jeżeli pliki są przygotowane, wciśnij ENTER zmierzona wartość rezystancji uzwojenia fazowego stojana (~4.9) =? 4.9 prąd stojana biegu jałowego dla napięcia znamionowego [A] (~2.5) =? moc czynna biegu jałowego dla napięcia znamionowego [W] (~380) =? straty mechaniczne calkowite (z biegu jałowego) [W] (~145) =? moment bezwładności (z wybiegu) [kg.m^2] (~0.055) =? w optymalizacji uzyskano zbieżność dla zadanych tolerancji wartość funkcji celu po optymalizacji parametry po identyfikacji: r_s X_ls X_lrp r_rp X_M R_Fe wyniki identyfikacji są zapisane w plikach IDENT1.dat oraz IDENT2.dat pliki są potrzebne do przeprowadzenia weryfikacji i analizy symulacyjnej IDENT1.dat = [t Ufsk, Isk, wr, dwr/dt] IDENT2.dat = [R_s, X_ls, X_lrp, R_rp, X_M, R_Fe, J, D, p]

6 Część wyników program prezentuje w postaci rysunków: a) wejściowe dane pomiarowe z pliku P_IM_ROZ.dat (rys.1), b) Przetworzone dane wejściowe dla identyfikacji i weryfikacji; ważniejsze operacje to filtrowanie, różniczkowanie prędkości obrotowej ω r wg reguły symetrycznej, ograniczenie zakresu danych do ω r 0.

7 c) Dopasowanie znalezionego modelu (linie ciągłe) do eksperymentu (punkty) dla skutecznego prądu stojana oraz fazowej mocy czynnej w czasie rozruchu: Program tworzy dwa pliki z wynikami, IDENT1.dat oraz IDENT2.dat, wykorzystane do weryfikacji modelu dynamicznego silnika przy pomocy Matlab-Simulink. Weryfikacja jest konieczna, ponieważ dane pomiarowe pochodziły z rozruchu, czyli stanu dynamicznego, natomiast w identyfikacji użyty był model silnika dla stanu ustalonego. W pliku IDENT1.dat są dane eksperymentalne, a w pliku IDENT2.dat są parametry definiujące model silnika wymagane w Matlab-Simulink. e e e e d r W kolejnych kolumnach pliku IDENT1.dat są wielkości pomiarowe [ t, U f, I1, r, ], przy czym dt napięcie U jest wielkością sterującą modelem silnika w czasie symulacji rozruchu, natomiast wielkości e f e e e d r d r e I1, r, są wielkościami referencyjnymi dla tego stanu pracy. Wielkość jest użyta w definicji dt dt e estymaty pomiarowej średniego momentu elektromagnetycznego T el, av wg. zależności: T e el, av e r d J dt e r D gdzie 2 P ( 0 ) / m m m0 D jest współczynnikiem tarcia wiskotycznego wynikającym z zależności: T ( ) D D r r Pm ( 2 m0 ) / m0 r

8 Weryfikacja modelu i analiza symulacyjna W ćwiczeniu weryfikacja polega na porównaniu wybranych wyników symulacji rozruchu modelu silnika z odpowiednimi wynikami pomiarowymi rozruchu dla rzeczywistej maszyny. W instrukcji zadanie to jest zrealizowane przy pomocy modelu przedstawionego na poniższym rysunku. Do przeprowadzenia obliczeń weryfikacyjnych, a także późniejszej analizy, utworzono model symetrycznego 3-fazowego źródła napięciowego sterowanego częstotliwością f oraz wartością skuteczną napięcia fazowego stojana Ufsk. Jego schemat jest na poniższym schemacie.

9 W wykonanym przykładzie obliczeniowym parametry modelu silnika wymagane w bloku Block Parameters w Matlab-Simulink są podane w postaci zmiennych tak jak na poniższym rysunku: Wartości powyższych parametrów są wyznaczone na podstawie danych w pliku IDENT2.dat w oddzielnym m-pliku, który następnie wywołuje model Matlab-Simulinka (plik *.mdl). Wynik porównania modelu z eksperymentem jest na rysunku.

10 Rozbieżności wyniku dla momentu elektromagnetycznego dla małych prędkości obrotowych wynikają z przyjętych założeń upraszczających dla modelu, które w warunkach rozruchu mają wyraźny wpływ (w rzeczywistym silniku występują nasycenie obwodu magnetycznego, harmoniczne czasowe i przestrzenne, żłobki wirnika ze skosem itd.). Analiza: W niniejszej instrukcji jest tylko jeden przykład analizy pracy silnika w otwartym układzie regulacji. Eksperyment obliczeniowy polega na rozruchu silnika do prędkości dwa razy większej od znamionowej, przy pomocy sterowanego 3-fazowego symetrycznego źródła napięcia sinusoidalnego. Wielkością sterującą jest częstotliwość napięcia, która zmienia się w przedziale [ ]Hz w czasie t r =2sek, a następnie przez 0.5sek pozostaje stała. Napięcie zmienia się proporcjonalnie do częstotliwości w taki sposób, aby nie przekroczyło wartości znamionowej oraz dla częstotliwości znamionowej f N =50Hz skuteczne napięcie fazowe było równe U f =230V.

11 Schemat modelu w Matlab-Simulink realizującego powyższy eksperyment jest na rysunku poniżej: a wynik obliczeń na kolejnym rysunku:

12 Przykłady innych tematów symulacji: 1. rozszerzenie modelu o część mechaniczną w postaci układu drugiego rzędu (sprzęgło, 2gi moment bezwładności) dla przypadków: a) obciążenie udarowe b) obciążenie pulsacyjne c) przejście przez rezonans 2. skokowa zmiana obciążenia momentem mechanicznym

13 Załącznik 1. Interface programu do akwizycji danych pomiarowych. a) pomiar ustalonego biegu jałowego (10 okresów), napięcia 150V < U < 380V oraz U=U N =380V widoczne linie: prędkość obrotowa: - linia biała napięcie u ab (t) - - linia czerwona napięcie u cb (t) - - linia niebieska prąd i a (t) - linia zielona prąd i c (t) - linia żółta

14 b) pomiar dla wybiegu wybieg dla napięcia U=U N =380V prędkość obrotowa linia biała

15 c) pomiar rozruchu z nawrotu dla napięcia U=230 widoczne linie: napięcia u ab (t) i u cb (t)- linie czerwona i niebieska prądy i a (t) i i c (t): - linie żółta i zielona prędkość obrotowa: - linia biała