Разработка виртуальной лабораторной работы на базе виртуальной асинхронной машины в среде MATLAB

ВВЕДЕНИЕ
При подготовке специалистов по всемэлектротехническим и электроэнергетическим специальностям важное место занимаеткурс электрических машин.
На сегодняшний день подготовкаграмотных специалистов невозможна без применения новых форм обучения сиспользованием компьютерных технологий, базирующихся на современных прикладныхпрограммных продуктах.
Владение теорией электрических машинявляется высокой составляющей профессиональной подготовки специалиста поэлектрическим машинам и системам электроприводов. Современные компьютерныетехнологии позволяют качественно изменить и существенно улучшить технологиюизучения электрических машин, перевести её в виртуальную действительность,осуществить в этой виртуальной лаборатории исследования статических идинамических режимов работы электрических машин, их механических характеристик,условий пуска и технико-экономических показателей с получением количественныхрезультатов.
Для грамотного использованиякомпьютерных технологий при исследовании электрических машин необходимо хорошознать и понимать физические процессы, протекающие в электрических машинах;знать уравнения, описывающие работу электрической машины; уметь рассчитатьпараметры для построения математических моделей. Использование компьютерныхтехнологий позволит расширить круг и глубину изучаемых вопросов, провестимножество экспериментов с использованием виртуальных электрических машин, чтоблаготворно скажется на уровне подготовки специалистов.
В данной работе необходиморазработать и создать виртуальные лабораторные работы для изучения асинхронныхдвигателей с короткозамкнутым и фазным роторами и исследовать в них переходныхпроцессы, пусковые свойства, естественные и искусственные механические, а такжерабочие характеристики. Поставленная задача реализована в наглядном иэффективном средстве визуального программирования моделей – пакете Simulink программы MATLAB.
Разрабатываемые виртуальные лабораторныеработы будут намного превосходить по техническим и экономическим возможностямреальную физическую лабораторную установку. В созданных виртуальных лабораторныхработах будет иметь место широчайший спектр возможностей по исследованиюасинхронной машины в различных режимах работы, что в реальной лабораториитребует больших финансовых расходов из-за дороговизны необходимогооборудования.
В полученных виртуальных лабораторныхработах появится возможность исследования переходных процессов в асинхронном двигателе,снятия рабочих и искусственных механических характеристик при различныхзначениях добавочного сопротивления в цепи ротора, напряжения и частоты питающейсети.
Большим плюсом разрабатываемыхлабораторных работ является то, что виртуальную лабораторию можно использоватьв дистанционном обучении студентов и в различных учебных заведениях, где нетвозможности поработать в реальной лаборатории. Единственное, что необходимо дляработы виртуальной лаборатории, это наличие персонального компьютера, который внаше время является общедоступным и имеется в каждом учебном заведении.

1. СИСТЕМА MATLAB
 
1.1 История появления MATLAB
Система MATLAB разработана специалистами компании MathWork Inc. (г. Нейтик, штат Массачусетс, США). Хотя впервые этасистема начала использоваться в конце 1970-х годов, широкое распространение онаполучила в конце 80-х, в особенности после появления на рынке версии 4.0.Последние версии MATLAB -этосистемы, которые содержат множество процедур и функций, необходимых инженеру инаучному работнику для осуществления сложных численных расчетов, моделированиятехнических и физических систем и оформления результатов этих расчетов. MATLAB (сокращение от MATrix LABoratory — матричная лаборатория) представляет собой интерактивнуюсистему, предназначенную для выполнения инженерных и научных расчетов иориентированную на работу с массивами данных.
В последние годы в научных иинженерно-технических кругах получила широкое распространение система MATLAB. Более того, в настоящее время онапринята в качестве официального средства оформления инженерной документации инаучных публикаций. Система MATLABспециально создана для проведения именно инженерных расчетов: математическийаппарат, который используется в ней, предельно приближен к современномуматематическому аппарату инженера и ученого. Функциональные зависимости здесьорганизованы в форме, которую требует именно инженерная документация.
1.2 Место MATLABсреди математических программ
У системы MATLAB есть схожие черты с программами MathCad и Electronics Workbench.
Так с MathCad её роднит то, что в обои системах имеются широкиевозможности по выполнению вычислений, производимых с матрицами, векторами и комплексными числами, атакже графическое представление полученных результатов. Отличительной чертойявляется входной язык, максимально приближенный к обычному математическомуязыку.
А с Electronics Workbench общимявляется возможность создания моделей как отдельных обьектов так и систем,путём поблочного моделирования и спомощью специальных блоков наблюдатьпротекающие процессы в модели.
1.3 Возможности, визуализация играфические средства
Основной объект системы MATLAB — прямоугольный числовой массив(матрица), в котором допускается применение комплексных элементов.Использование матриц не требует явного указания их размеров.
Система MATLAB обеспечивает выполнение операций с векторами иматрицами даже в режиме непосредственных вычислений. Ею можно пользоваться какмощнейшим калькулятором, в котором наряду с обычными арифметическими иалгебраическими действиями могут использоваться такие сложные операции, какобращение матрицы, вычисление ее собственных значений и векторов, решениесистем линейных алгебраических уравнений и много других. Характернойособенностью системы является ее открытость, то есть возможность ее модификациии адаптации к конкретным задачам пользователя.
Привлекательной особенностью системы MATLAB является наличие встроенной матричнойи комплексной арифметики. Система поддерживает выполнение операций с векторами,матрицами и массивами данных, реализует сингулярное и спектральное разложение,расчет ранга и чисел обусловленности матриц, поддерживает работу салгебраическими полиномами, решение нелинейных уравнений и задач оптимизации,интегрирование функций в квадратурах, численное интегрирование дифференциальныхи разностных уравнений, построение различных графиков, трехмерных поверхностейи линий уровня.
MATLABпредоставляет широкие возможности для работы с сигналами, для расчета ипроектирования аналоговых и цифровых фильтров, включая построение их частотных,импульсных и переходных характеристик. Имеются в системе и средства выполненияспектрального анализа и синтеза, в частности реализации прямого и обратногопреобразования Фурье. Благодаря этому ее довольно удобно использовать припроектировании электронных устройств.
Одной из наиболее привлекательныхособенностей системы MATLABявляется наличие в ней наглядного и эффективного средства составленияпрограммных моделей — пакета визуального программирования Simulink.
Пакет Simulink позволяет осуществлять исследование(моделирование во времени) поведения динамических линейных и нелинейных систем,причем составление «программы» и ввод характеристик систем можно производить вдиалоговом режиме, путем сборки на экране схемы соединений элементарныхзвеньев. В результате такой сборки получается модель системы, называемая S-моделью.В качестве «кирпичиков» при построении S-модели применяются визуальные блоки(модули), которые сохраняются в библиотеках Simulink.
S-модель можетиметь иерархическую структуру, то есть состоять из моделей более низкогоуровня, причем количество уровней иерархии практически не ограничено.
1.4 Средства программирования
Система обеспечивает возможностьобращения к программам, которые написаны на языках FORTRAN, С и C++.
Система MATLAB использует собственный М-язык, который сочетает всебе положительные свойства различных известных языков программированиявысокого уровня. С языком BASICсистему MATLAB роднит то, что она представляетсобой интерпретатор (осуществляет пооператорное компилирование и выполнениепрограммы, не образуя отдельного исполняемого файла), М-язык имеетнезначительное количество операторов, в нем отсутствует необходимость объявлятьтипы и размеры переменных. От языка Pascal система MATLABпозаимствовала объектно-ориентированную направленность, то есть такоепостроение языка, которое обеспечивает образование новых типов вычислительныхобъектов на основе типов объектов, уже существующих в языке. Новые типыобъектов (в MATLAB они называются классами) могут иметьсобственные процедуры их преобразования (они определяют методы этого класса),причем новые процедуры могут быть вызваны с помощью обычных знаков арифметическихопераций и некоторых специальных знаков, которые применяются в математике.
Принципы сохранения значенийпеременных в MATLAB наиболее близки к тем, которыеприсущи языку FORTRAN, а именно: все переменные являютсялокальными — действуют лишь в границах той программной единицы (процедуры,функции или главной, управляющей программы), где им присвоены некоторыеконкретные значения. При переходе к выполнению другой программной единицы,значения переменных предыдущей программной единицы либо теряются (в случае,если выполненная программная единица представляет собой процедуру или функцию),либо становятся недосягаемыми (если выполненная программа являетсяуправляющей). В отличие от языков BASIC и Pascal, в языке MATLAB нет глобальных переменных, действие которыхраспространялось бы на все программные единицы. Но при этом язык MATLAB обладает возможностью, котораяотсутствует в других языках. Интерпретатор MATLAB позволяет в одном и том же сеансе работы выполнятьнесколько самостоятельных программ, причем все переменные, используемые в этихпрограммах, являются для них общими и образуют единое рабочее пространство. Этодает возможность более рационально организовывать сложные (громоздкие)вычисления по типу оверлейных структур.
Язык программирования системы MATLAB весьма прост, он содержит лишьнесколько десятков операторов; незначительное количество операторов здеськомпенсируется большим числом процедур и функций, содержание которых понятнопользователю, имеющему соответствующую математическую и инженерную подготовку.
В отличие от большинства математических систем, MATLAB является открытой системой: практически все еепроцедуры и функции доступны не только для использования, но и для модификации.Почти все вычислительные возможности системы можно применять в режимечрезвычайно мощного научного калькулятора, а также составлять собственныепрограммы, предназначенные для многоразового применения; это делает MATLAB незаменимым средством проведениянаучных исследований. По скорости выполнения задач MATLAB опережает многие другие подобные системы. Все этиособенности делают ее весьма привлекательной для использования.
С системой MATLABпоставляются свыше ста подробно прокомментированных М-файлов, которые содержатдемонстрационные примеры и определения новых операторов и функций. Наличие этихпримеров и возможность работать в режиме непосредственных вычисленийзначительно облегчают изучение системы пользователями, заинтересованными вприменении математических расчетов.

2. АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (АД) КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
 
2.1      Принципдействия асинхронных машин в режимах двигателя, генератора с отдачей энергии всеть и электромагнитного тормоза
2.1.1 Принцип действия двигателя
Асинхронной машиной называется такаямашина переменного тока, скорость вращения ротора которой не находится встрогом соответствии с частотой тока сети. Как и все электрические машины,асинхронные машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как вдвигательном, так и в генераторном режиме.
При протекании трёхфазной системы токовпо трёхфазной обмотке статора в двигателе создаётся магнитное поле с индукциейВ(х), распределённой вдоль окружности воздушного зазора между статором иротором по синусоидальному закону и вращающееся в направлении чередования фаз сугловой скоростью w1 (рисунок2.1)
/>,(2.1)
где f1 – частота тока в сети;
р – число пар полюсов статора.

/> />
Рисунок 2.1 — а) Устройство и б)принцип действия асинхронного двигателя
Это поле обеспечивает изменяющееся вовремени потокосцепление с контурами обмоток статора и ротора, индуктирующее вэтих контурах ЭДС электромагнитной индукции. Под действием ЭДС ротора впроводниках его обмотки протекают переменные токи, взаимодействующие свращающимся магнитным полем. В результате этого взаимодействия на проводникиротора действуют электромагнитные силы (силы Ампера), определяющие момент М,который может привести роторво вращение с угловой скоростью w w1в направлении вращения поля, преодолевая момент сопротивления Мсрабочего механизма, сочленённого с двигателем. Если бы, разгоняясь, ротордогнал вращающееся магнитное поле, то перестало бы изменяться потокосцеплениеобмотки ротора, исчезли бы её ЭДС и ток и, следовательно, электромагнитные силыи момент М. Ротор начал бы замедляться и скользить относительно поля.Относительную скорость проскальзывания ротора и поля называют скольжением S:
S = (w1 — w)/ w1. (2.2)
Замедление ротора прекратится притакой скорости вращения w
(dw/dt)= (М – Мс)/J, (2.3)
где J – суммарный момент инерции роторов двигателя и механизма.
Таким образом, энергия источника переменного тока (сети), подводимая кобмотке статора, превращается в механическую энергию на валу, передаваемуюрабочему механизму, и частично в потери (в сопротивлениях обмоток, на трениевращающихся частей, на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных сердечникахстатора и ротора). При этом ротор вращается со скоростью w
2.1.2 Генераторный режим с отдачей энергии в сеть
Асинхронные машины, как и всеэлектрические машины, обратимы и при известных условиях могут работать вгенераторном режиме.
Допустим, что с помощью какого-либопервичного двигателя ротор асинхронной машины, включенной в сеть, будетвращаться в прежнем направлении, но со скоростью ω, превышающей синхроннуюω1. При этом полярность поля статора сохраним ту же, что и вдвигательном режиме. Тогда скольжение s станет отрицательным и ротор при вращении будет обгонять вращающеесямагнитное поле, а его проводники будут пересекать силовые линии в направлении,обратном тому, которое было при работе машины в двигательном режиме. Вследствиеэтого ЭДС и токи в роторе изменяют свое на правление на обратное. В результатеизменяет свое направление сила взаимодействия вращающегося поля и токов ротора,а также момент на валу, т. е. развиваемый асинхронной машиной момент становитсяотрицательным по отношению к моменту первичного двигателя. Таким образом,асинхронная машина будет работать генератором, преобразовывая механическуюэнергию, получаемую or первичногодвигателя, в электрическую, отдаваемую в сеть.
 2.1.3 Режимэлектромагнитного тормоза
В практике иногда требуется быстрозатормозить асинхронный двигатель, преодолевая его инерцию, или использоватьдвигатель для торможения приводного механизма, например для уменьшения скоростипри спуске грузов в крановых и подъемных сооружениях.
В режиме тормоза асинхронная машинабудет работать в том случае, если ротор приводится во вращение постороннимусилием в сторону, противоположную вращению поля (режим противовключения).Совершенно очевидно, что в этом случае вращающий момент будет направлен противнаправления вращения ротора и будет его тормозить. Чтобы перейти в тормозной режимработы, двигатель должен вначале остановиться, т. е. его скольжение s = +1. Для осуществления этого режима необходимо в цепьротора включить значительное сопротивление. После остановки двигателя, ротор,приводимый во вращение посторонним усилием, начнет вращаться в сторону,противоположную вращению поля, и его скорость следует считать отрицательной поотношению к скорости поля ω1. Следовательно, при работе втормозном режиме скольжение s>+l.
Для быстрой остановки двигателя такжеиспользуют режим противовключения асинхронных двигателей переключением двух изтрех питающих статор проводов. При этом направление вращения поля становитсяпротивоположным направлению вращения ротора, который продолжает вращаться засчет силы инерции.
Для уменьшения возникающего при этомвсплеска тока в цепь ротора включается реостат, подобно тому, как это было припуске двигателя. Как известно, при включении в цепь ротора активногосопротивления максимальное значение момента смещается в сторону большегоскольжения. Кроме увеличения тормозного момента реостат уменьшает большиевеличины токов, получающиеся в двигателе при противовключении.
 
2.2 Устройство асинхронных двигателей
Основными частями асинхронногодвигателя являются неподвижный статор и вращающийся внутри него ротор, отделенныйот статора воздушным зазором. С целью уменьшения вихревых токов сердечникиротора и статора собираются из отдельных листов, отштампованных изэлектротехнической стали и изображенных на рисунке 2.2. Листы изолируются другот друга тонким слоем лака (в маломощных машинах — слоем окалины).
/>
Рисунок 2.2 — Листы сердечникастатора и ротора асинхронного двигателя
Сердечник статора встраивается вкорпус, являющийся внешней частью машины. Сердечник ротора укрепляется либонепосредственно на валу двигателя, либо на втулке, выполненной в формекрестовины и надетой на вал двигателя. Вал вращается в подшипниках, которыеукреплены в торцовых щитах двигателя, называемых подшипниковыми щитами.
Поскольку магнитный потокасинхронного двигателя создается подключенной к сети обмоткой статора, то инамагничивающий ток потребляется двигателем из сети. С целью уменьшениявеличины этого тока магнитное сопротивление потоку должно быть как можноменьше. Для этого величина воздушного зазора принимается настолько малой,насколько это возможно по соображениям механической конструкции. У машин малоймощности зазор равен 0,3 мм, а у машин большой мощности 1,5 мм. В синхронныхмашинах, у которых основной поток создается постоянным током, воздушный зазоргораздо больше: он достигает 3-15 мм. Статор асинхронного двигателя ничем неотличается от статора синхронной машины. Как уже было сказано, сердечникстатора набирается из отдельных изолированных листов, которые для лучшегоохлаждения делятся воздушными каналами на отдельные пакеты. Трёхфазнаяраспределённая обмотка статора асинхронного двигателя, уложена в изолированныепазы статора. Пазы статора, как правило, имеют полузакрытую форму, при которойсохраняется удобство укладки обмотки в пазы и, кроме того, удается получитьнаименьшие значения тока намагничивания, от которого в свою очередь зависиттакже и коэффициент мощности cosjдвигателя. Обмотка статора выполняется из медных изолированных проводников.
Ротор асинхронного двигателя взависимости от вида обмотки может быть выполнен фазным или короткозамкнутым.Роторы выполняются из листов электротехнической стали, собранных между двумянажимными шайбами. Пазы ротора (обычно полузакрытой формы) идут вдоль осимашины и равномерно расположены на поверхности по всей окружности.
Наиболее проста конструкция короткозамкнутого ротора, в пазы которогоукладываются круглые или прямоугольные стержни из меди или алюминия,неизолированные, замкнутые накоротко на обоих концах ротора при помощи медныхили алюминиевых колец большого сечения. Такого рода обмотку принято называть«беличьей клеткой» (рисунок 2.3), она очень прочна, дешева и надежна в работе.

/>
Рисунок 2.3 — Короткозамкнутая обмотка ротора асинхронного двигателя
При Рн ≤ 100кВтсовременные короткозамкнутые роторы часто выполняются в виде клетки,изготовляемой заливкой пазов ротора алюминием. Стержни и замыкающие кольца свентиляционными лопатками представляют собой в этом случае одну цельнуюотливку.
Ротор асинхронной машины с фазнымиобмотками — фазный ротор — имеет в пазах трехфазную обмотку, аналогичнуюобмотке статора. Фазы обмотки соединены в звезду, а выводы обмотки присоединяютсяк медным контактным кольцам, укрепленным на валу машины и изолированным какдруг от друга, так и от вала. На контактных кольцах установлены щётки, выводыот которых расположены в коробке выводов. К этим выводам подключают пусковыеили регулировочные реостаты.
2.3 Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами
 
Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей скороткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора. В качестветаких конструкций широко используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткойи с глубокими пазами.

2.3.1 АД с глубокопазным ротором
В двигателях с глубокими пазами нароторе его короткозамкнутая обмотка выполняется в виде тонких высоких полос(рисунок 2.4). При такой конструкции обмотки происходит оттеснение тока кверхней части проводников вследствие того, что нижние части проводниковсцеплены с большим числом магнитных линий потока рассеяния, чем верхние части.
Таким образом, ток, протекающий попроводникам, стремится сконцентрироваться преимущественно в верхней их части,что равносильно уменьшению поперечного сечения или увеличению активногосопротивления этих проводников.
/>
а)                          б)                в)
Рисунок 2.4 — Схема устройства роторас глубокими пазами и явление вытеснения тока: а) магнитное поле; б) диаграммараспределения плотности тока; в) рабочая часть проводника
Это явление оттеснения тока в верхниечасти проводников особенно сильно сказывается в момент включения двигателя,когда частота тока в роторе равна частоте тока сети и, следовательно, при пускев ход увеличивается активное сопротивление обмотки ротора, в результате чеговозрастает пусковой момент. При увеличении скорости вращения ротора частотатока в его обмотке уменьшается, и ток более равномерно распределяется посечению стержней и при нормальной скорости вращения неравномерностьраспределения тока по поперечному сечению стержней почти полностью исчезает.
Пусковой момент двигателей этого типаМП = (1,2 — 1,5)МН.
2.3.2 АД с двойной короткозамкнутой обмоткой ротора
Ротор этого типа имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в видебеличьих клеток (рисунок 2.5).
Число пазов верхней А и нижней Бклеток может быть одинаково или различно.
/>
Рисунок 2.5 — Схема устройства роторас двойной короткозамкнутой обмоткой
Верхняя клетка А выполнена изстержней малого поперечного сечения, а нижняя Б — из стержней большогопоперечного сечения. Поэтому активное сопротивление обмотки А оказываетсязначительно большим, чем активное сопротивление обмотки Б (rA> rБ).
Вследствие того что стержнивнутренней обмотки Б глубоко погружены в тело ротора и окружены сталью,индуктивное сопротивление внутренней обмотки значительно больше, чеминдуктивное сопротивление внешней обмотки (ХБ >>XA).
При пуске в ход ток в основномпротекает по проводникам внешней обмотки А, имеющей меньшее индуктивное ибольшее активное сопротивление. Эта обмотка называется пусковой.
В рабочем режиме скольжение мало и,следовательно, частота тока в роторе также мала. Поэтому индуктивныесопротивления обмоток не имеют значения и токи в обмотках А и Б обратнопропорциональны активным сопротивлениям.
Таким образом, в рабочем режиме ток в основном протекает по проводникамвнутренней обмотки Б, имеющей меньшее активное сопротивление. Эта обмотканазывается рабочей.
При такой конструкции ротораувеличивается активное сопротивление его обмотки в момент пуска в ходдвигателя, что увеличивает пусковой момент.
Таким образом, в двигателях с двойнойкороткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами пусковые моменты больше ипусковые токи меньше, чем у обычных короткозамкнутых двигателей.
Однако рабочие характеристики этих двигателей несколько хуже, чем обычныхкороткозамкнутых двигателей — несколько меньше cosj, КПД и максимальный момент, так как у этих двигателейбольше потоки рассеяния, т.е. больше индуктивные сопротивления обмоток ротора,чем у двигателей нормальной конструкции.
2.4 Способы пуска АД с коротокамкнутым ротором
К асинхронным двигателям предъявляются требования по пусковымхарактеристикам, так как вопросы связанные с пуском в ход, имеют большоезначение. При решении вопросов пусковых характеристик необходимо учитывать, содной стороны, условия работы сети, к которой подключается асинхронныйдвигатель, и, с другой стороны, требования, которые предъявляются к приводу.Оценка пусковых свойств двигателя производится по пусковым характеристикам, ккоторым следует отнести начальный пусковой ток Iп, или его кратность Iп/Iн и начальный пусковой момент Мп или егократность Мп/Мн.
Способы пуска АД с короткозамкнутым ротором: прямой пуск, реакторный иавтотрансформаторный.

2.4.1 Прямой пуск АД
В настоящее время в связи со значительнымростом мощностей энергетических систем пуск в ход короткозамкнутых асинхронныхдвигателей в преобладающем большинстве случаев осуществляется очень простымспособом (рисунок 2.6), а именно непосредственным включением в сеть.
В первый момент пуска, когда скоростьвращающегося магнитного поля ω1 относительно неподвижногоротора (ω = 0) имеет наибольшую величину, в обмотке ротора будетнаводиться значительная ЭДС, величина которой во много раз превышаетноминальное значение при вращающемся роторе. Например, если при номинальнойнагрузке двигателя скольжение составляет sном = 0,05, а ЭДС в ротореE2ном, то в начальный момент пуска при стоянке ротора,когда s = 1, т. е. в начальный момент пуска ЭДС, наводимая вроторе, будет в 20 раз больше, чем при номинальной нагрузке.
Соответственно значительно возросшейЭДС ротора ток, создаваемый ею в роторе при пуске, также будет большим,превышающим номинальный в несколько (до восьми) раз. То обстоятельство, чтократность пускового тока в роторе меньше кратности ЭДС, объясняется увеличениемреактивного сопротивления ротора при увеличении частоты тока, которая вначальный момент пуска достигает частоты статора.
Пусковой ток в обмотке статора приэтом будет весьма значительным, превышающим в несколько раз номинальный. Современныедвигатели с короткозамкнутым ротором имеют кратность пускового тока,составляющую 4-7 от номинального.
Поскольку большинство двигателей иприводимых ими механизмов имеет относительно небольшую инерцию, скоростьдвигателей при пуске достаточно быстро увеличивается до значения,соответствующего моменту нагрузки. Период пуска продолжается обычно не болеенескольких секунд, вследствие чего пусковые токи статора и ротора непредставляют опасности для двигателя, так как нагрев обмоток не успевает достигнутьопасных температур. Значение пускового момента находится в пределах 0,8-1,5 отноминального.
/>
Рисунок 2.6 — Схема прямого пускаасинхронного короткозамкнутого двигателя
2.4.2 Реакторный иавтотрансформаторный пуск АД
Недостаток прямого пуска: понижениенапряжения сети из-за большого пускового тока Iп, если мощность двигателя соизмерима с мощностью сети.
Для уменьшения Iп и уменьшения падения напряжения сети, к двигателюподводится пониженное напряжение с помощью реактора или автотрансформатора.
При реакторном пуске в качествепускового сопротивления обычно используется индуктивное сопротивление(реактор), включаемое на время пуска двигателя последовательно с обмоткой егостатора.
Пуск осуществляется в следующемпорядке. На первой стадии пуска подключается индуктивное сопротивление, послечего двигатель начинает вращаться. Когда скорость вращения достигаетопределенного значения, индуктивное сопротивление выключается (шунтируется) и кдвигателю подается полное напряжение.
Если обозначить уменьшения тока Iп коэффициентом КI, то, при реакторном пуске пусковой момент двигателяуменьшаются в K2Iраз.
Для понижения напряжения, подводимогок двигателю при пуске, можно использовать также автотрансформатор. Этот способ,как и предыдущий, требует специального пускового аппарата — автотрансформатора,который удорожает установку. Если обозначить через КА коэффициент трансформацииавтотрансформатора, то, как показывает подробный анализ, который здесь неприводится, при пуске этим способом пусковой ток в сети и пусковой моментдвигателя уменьшаются в K2A раз. В этом случае величинапускового момента при прочих равных условиях будет больше, чем при реакторномпуске, что, безусловно, является преимуществом способа пуска короткозамкнутыхасинхронных двигателей с помощью автотрансформатора.
2.5 Способы пуска АД с фазным ротором
В тех случаях, когда требуетсябольшое значение пускового вращающего момента, используют асинхронные двигателис фазным ротором.
Пуск этих двигателей осуществляется спомощью активных сопротивлений (реостатов), последовательно включаемых в цепьротора (рисунок 2.7, а).

/>/>
а)                                                       б)
Рисунок 2.7 — а) схема пускаасинхронного двигателя с фазным ротором, б) кривые зависимости вращающегомомента от скольжения при различных значениях пусковых сопротивлений
Реактивное сопротивление ротора Х2всегда больше его активного сопротивления, вследствие чего для увеличенияпускового момента двигателя необходимо вводить в цепь ротора активноедобавочное сопротивление. Благодаря этому активное сопротивление цепи ротораувеличивается, что приводит к снижению как величины тока ротора I2,так и пускового тока статора I1. Значит, при определенных условиях,несмотря на уменьшение тока I2, вращающий момент может дажеувеличиться. Подключение двигателя к сети при сниженном пусковом токе, не будетвызывать резких изменений ее напряжения.
Для того чтобы величина момента приразгоне двигателя изменялась в меньших пределах и пуск проходил быстрее, пусквыполняют ступенчатым.
Двигатель с фазным ротором, пускаемыйв ход с помощью ступенчатого пускового реостата, обладает хорошими пусковымихарактеристиками, позволяющими сохранить за все время разбега большой пусковоймомент, сокращая тем самым время разгона.
Пусковые реостаты обычноизготовляются трехфазными из металлической проволоки или ленты повышенногоудельного сопротивления (нихром, фехраль). Величину сопротивления выбирают стаким расчетом, чтобы отношение пускового и номинального токов Iп/Iномбыло равно 2-2,5.
На рисунке 2.7, б изображены кривыезависимости вращающего момента от скольжения при различных значениях пусковыхсопротивлений в процессе пуска асинхронных двигателей с фазным ротором.
2.6 Регулирование скорости АД с короткозамкнутым ротором
Изменение скорости вращениядвигателей с короткозамкнутым ротором возможно при изменении частоты f1, U1 и числа пар полюсов р. К способамрегулирования скорости предъявляются весьма высокие требования как в отношенииих экономичности и надежности в работе, так и в отношении пределов и плавностирегулирования.
2.6.1 Регулирование скоростиизменением частоты питающей сети
Частота промышленных сетей f1 обычно постоянна и равна 50 Гц.Поэтому для изменения частоты питающей сети требуется применять преобразовательчастоты. Следует иметь в виду, что при изменении частоты напряжения на зажимах,магнитный поток, ток холостого хода, вращающий момент, мощность и другиепараметры машины в общем случае также не остаются постоянными. Механическиехарактеристики при изменении частоты f1 ипостоянном напряжении представлены на рисунке 2.8.
При регулировании скорости желательносохранять перегрузочную способность, для этого необходимо одновременно ипропорционально изменять частоту и ЭДС обмотки статора или питающее напряжение U1, так как оно мало отличается от ЭДС. Этот способпозволяет обеспечить широкий диапазон плавного и экономичного регулированияскорости. Механические характеристики при этом способе регулирования скоростипредставлены на рисунке 2.9.
/>
Рисунок 2.8 — Механическиехарактеристики при различных частотах и неизменном напряжении
/>
Рисунок 2.9 — Механическиехарактеристики при пропорциональном изменении частоты и напряжения

2.6.2 Регулирование скоростиизменением числа пар полюсов
Так как скорость вращениявращающегося поля ω1 = 60f1/p, при постоянномзначении частоты сети f1зависит только отчисла пар полюсов этого поля, то, изменяя его, можно изменить также и скоростьвращения ротора двигателя. Этот способ дает возможность регулировать скоростьвращения асинхронного двигателя без таких больших потерь мощности, как приреостатном способе, что достигается за счет усложнения и удорожания конструкциимашины.
Ввиду того, что число пар полюсов рможет быть только целым числом, при переключении числа пар полюсов изменениескорости будет происходить ступенчато. Такие двигатели часто называютсямногоскоростными.
Разместив на статоре две отдельныеобмотки (одну на р пар полюсов, а другую на p1 пар полюсов) и включая их поочередно, можно получить двескорости вращения поля, а следовательно, и две скорости вращения ротора.Отношение скоростей будет обратно пропорционально отношению числа пар полюсов.
Ротор двигателя при этом должен иметькороткозамкнутую обмотку, для которой число полюсов создаваемого поля всегдаравно числу полюсов вращающегося поля обмотки статора.
/> />
Рисунок 2.10 — Изменение числа парполюсов асинхронного двигателя переключением цепей обмотки статора: а — прибольшем числе полюсов; б — при числе полюсов в 2 раза меньшем

Более простым и дешевым являетсяспособ, при котором на статоре укладывается одна обмотка, позволяющаяпроизводить изменение числа пар полюсов обмотки статора. Увеличение илиуменьшение пар полюсов, например, вдвое может быть произведено сравнительнопросто. Для этого каждая фаза обмотки статора делится на две одинаковые части — полуобмотки и в одной из них изменяется направление тока.
На рисунке 2.10 показаны схемыобмотки статора при изменении числа пар полюсов в отношении 2:1.
Следовательно, при переключении числапар полюсов могут быть изменены характеристики обмотки и индукция в воздушномзазоре.
Различными способами переключениячисла пар полюсов можно осуществить работу двигателя в двух режимах: 1)сохраняя постоянство вращающего момента и изменение мощности пропорциональноскорости вращения (переключение обмотки со звезды на двойную звезду); 2)сохраняя примерное постоянство мощности и изменение вращающего момента обратнопропорционально скорости вращения (переключение обмотки с треугольника надвойную звезду).
Асинхронные двигатели с переключениемчисла пар полюсов изготовляют в основном как двухскоростные и реже (небольшоймощности) как трех- и четырехскоростные. Трех- и четырехскоростные двигателивыпускают с двумя обмотками на статоре, причем одну из них или обе выполняют спереключением числа пар полюсов.
К недостаткам многоскоростныхдвигателей следует отнести их увеличенные размеры по сравнению с нормальнымиасинхронными двигателями и более высокую стоимость.
 
2.6.3 Регулирование скоростиизменением напряжения источника питания
Диапазон регулирования скорости небольшой и снижается с уменьшением нагрузки, так как максимальный момент, развиваемыйдвигателем, зависит от квадрата напряжения источника питания. Так приуменьшении напряжения в 2 раза, максимальный момент уменьшится в 4 раза. Способцелесообразно применять для двигателей с повышенным скольжением (мягкойхарактеристикой) иначе диапазон регулирования будет незначительным. Серийновыпускаются тиристорные и транзисторные регуляторы напряжения.
 
2.7 Регулирование скорости АД сфазным ротором
Для АД с фазным ротором используютсяследующие способы регулирования скорости: реостатный, изменением питающегонапряжения, и введением добавочной ЭДС в цепь ротора.
Схема регулирования скорости вращенияасинхронных двигателей с фазным ротором при помощи реостата в цепи ротора неотличается от схемы пуска, изображенной на рисунке 2.7, а.
Как это было показано выше (см.рисунок 2.7, б), увеличение активного сопротивления в цепи ротора делаетмеханическую характеристику более пологой, что приводит к увеличениюскольжения, а следовательно, к уменьшению скорости вращения.
Этот способ дает возможность регулироватьскорость вращения в широких пределах от номинальной до полной остановки.Плавность регулирования скорости будет зависеть от числа ступеней.
Однако такой способ регулирования скорости неэкономичен, так как онсвязан с большими непроизводительными потерями энергии в реостатах.
Однако, несмотря на неэкономичность этого способа регулирования скоростивращения асинхронного двигателя, он довольно часто применяется на практике, восновном для регулирования скорости вращения двигателей небольшой мощности ипри кратковременной работе на малых скоростях.
Также регулирование скорости можнополучить путём одновременного ввода добавочного сопротивления в цепь ротора ипонижением напряжения источника питания. При таком способе необходимо учесть,что максимальный момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения, атакже механическая характеристика становится мягче.

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ
 
3.1 Математическое описание обобщённой машины
Обобщённая асинхронная машина содержит трёхфазную обмоткуна роторе и статоре. Обмотки подключены к симметричным источникам напряжения.Математическое описание такой машины базируется на известных законах.
Уравнения равновесия ЭДС на обмотках статора и ротора базируется навтором законе Кирхгофа.
Для статора: Для ротора:
/> />(3.1)
В уравнениях (3.1) фигурируют мгновенные напряжения, токи ипотокосцепления статора и ротора, а также активные сопротивления обмоток.Обычно обмотки выполняются симметричными, к поэтому RА=RВ=RС=Rs — активное сопротивление статорной обмотки, Rа=Rb=Rс=RR- активное сопротивление роторной обмотки.
Вторым используемым законом являетсязакон Ампера, которыйсвязывает потокосцепления обмоток с токами, протекающими по обмоткам:
Для статора:
/> (3.2а)

Для ротора:
/> (3.2б)
Удивительно симметричные уравнения для определения потокосцеплений показывают,что потокосцепление каждой обмотки зависит от токов во всех обмотках; этизависимости проявляются через взаимоиндукцию. В уравнениях (3.2) LАА, LBB, LCC, Laa, Lbb, Lcc, являются собственными индуктивностями соответствующих обмоток, всеостальные — взаимоиндуктивностями между соответствующими обмотками.
Третьим законом, лежащим в основе анализа, является второй закон Ньютона- закон равновесия моментов на валу машины:
/> (3.3)
где J (кг×м2) — момент инерции навалу машины, учитывающий инерционность как самой машины, так и приведенной квалу инерционности рабочего механизма и редуктора, /> — угловая скорость вала машины, />(Н×м) — момент рабочего механизма,приведенный к валу, в общем случае он может быть функцией скорости и углаповорота, />.
Наконец, четвертым и последним законом, лежащим в основа анализа машины,является закон, сформулированный Ленцем, как правило левой руки. Этот законсвязывает векторные величины момента, потокосцепления и тока:

/>.(3.4)
Следует сразу подчеркнуть, что, несмотря на полное и строгоематематическое описание, использование уравнений (3.1) — (3.4) для исследованиямашины встречает серьезные трудности. Из них основные:
— в уравнениях (3.3 и 3.4) фигурируют векторные величины, а в уравнениях(3.1 и 3.2) скалярные;
— количество взаимосвязанных уравнений равно 16, а количествокоэффициентов — 44;
— коэффициенты взаимоиндукции между обмотками статора и ротора вуравнениях (3.2) являются функцией угла поворота ротора относительно статора,то есть уравнения (3.2) являются уравнениями с переменными коэффициентами;
— уравнение (3.4) является нелинейным, так как в нем перемножаютсяпеременные.
3.2 Метод пространственного вектора
На пути упрощения математического описания асинхронной машины, да ивообще всех машин переменного тока, удивительно удачным и изящным оказалсяметод пространственного вектора, который позволил существенно упростить исократить вышеприведенную систему уравнений; метод позволяет связать уравнения(3.1-3.4) в единую систему с векторными переменными состояния. Суть методасостоит в том, что мгновенные значения симметричных трехфазных переменныхсостояния (напряжения, токи, потокосцепления) можно математически преобразоватьтак, чтобы они были представлены одним пространственным вектором. Этоматематическое преобразование имеет вид (например, для тока статора):

/>(3.5)
где />-векторы, учитывающие пространственное смещение обмоток, /> — симметричнаятрехфазная система токов статора.
Подставив в уравнения (3.5) значение мгновенных токов, найдемматематическое описание пространственного вектора статорного тока:
/>(3.6)
На рис. 3.1 представлена геометрическая интерпретация пространственноговектора тока — это вектор на комплексной плоскости с модулем (длиной) Im, вращающийся с угловой скоростью w в положительном направлении.Проекции вектора /> на фазные оси А, В, С определяютмгновенные токи в фазах. Аналогично пространственными векторами можнопредставить все напряжения, токи и потокосцепления, входящие в уравнения (3.1),(3.2).
Теперь можно переходить к упрощению уравнений.
/>
Рисунок 3.1 — Пространственный вектор тока

Шаг первый. Для преобразования уравнений (3.1) в мгновенных значениях куравнениям в пространственных векторах умножим их на выражения: первыеуравнения на />, вторые – на />, третьи – на />, — и сложимраздельно для статора и ротора. Тогда получим:
/>(3.7)
где LS, LR — собственныеиндуктивности статора и ротора, Lm(q)-взаимная индуктивность междустатором и ротором. Таки образом, вместо двенадцати уравнений (3.1)-(3.2)получено лишь четыре уравнения (3.7).
Шаг второй. Переменные коэффициенты взаимной индукции уравнениях дляпотокосцеплений (3.7) являются результатом того, что уравнения равновесия ЭДСдля статора записаны в неподвижно системе координат, связанной со статором, ауравнения равновесия ЭДС для ротора записаны во вращающейся системе координат,связанной с ротором. Метод пространственного вектора позволяет записать этиуравнения в единой системе координат, вращающейся произвольной скоростью wк. В этом случае уравнения (3.7) преобразуются к виду:
/>(3.8)

где w=р•wm,р - число пар полюсов в машине.
В уравнениях (3.8) все коэффициенты являются величинами постоянными,имеют четкий физический смысл и могут быть определены по паспортным даннымдвигателя, либо экспериментально.
Шаг третий. Этот шаг связан с определением момента. Момент в уравнении(3.4) является векторным произведением любой пары векторов. Из уравнения (3.8)следует, что таких пар может быть шесть />. Часто в рассмотрение вводитсяпотокосцепление взаимной индукции />. В этом случае появляется ещёчетыре возможности представления электромагнитного момента машины черезследующие пары: />. После выбора той или иной парыуравнение момента приобретает определенность, а количество уравнений в системе(3.8) сокращается до двух. Кроме того, в уравнениях (3.3) и (3.4) векторныевеличины момента и скорости могут быть заменены их модульными значениями. Этоявляется следствием того, что пространственные векторы токов и потокосцепленийрасположены и плоскости, перпендикулярной оси вращения, а векторы момента иугловой скорости совпадают с осью. В качестве примера запись уравнений моментачерез некоторые пары переменных состояния машины имеет вид:
/>(3.9)
В конечном виде уравнения обобщённой асинхронной машины имеют вид:

/>(3.10)
3.3 Математическая модель асинхронной машины в осях,вращающихся с произвольной скоростью
Уравнения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором или машины сфазной обмоткой, если к ней не подключено питающее напряжение, можно получитьиз уравнений (3.10), если в этих уравнениях положить />.
/>/>(3.11)
Для динамических систем необходимо учитывать переходные электромагнитныепроцессы в машине. В этом случае в качестве пары переменных, описывающихмашину, оставим пространственные векторы тока статора и потокосцепления ротора(/>), тогдауравнения (3.11) с учётом уравнений для потокосцеплений (3.8) послесоответствующих преобразований примут вид:
/>(3.12)
где />-коэффициенты.
3.4 Математическая модель асинхронной машины в неподвижнойсистеме координат
Для того чтобы лучше понять физические процессы, происходящие васинхронной машине, исследуем машину в неподвижной системе координат.
В неподвижной комплексной системе координат (/>) вещественная ось обозначаетсячерез a, а мнимая через b.Пространственные векторы в этом случае раскладываются по осям:
/>. Подставив эти значения в уравнения(3.12) и приравняв отдельно вещественные и мнимые части, получим:

/>(3.13)

4. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ (АД) В ПРОГРАММЕ MATLAB
 
4.1 Пакет визуального программирования Simulink
Одной из наиболее привлекательныхособенностей системы MATLABявляется наличие в ней наглядного и эффективного средства составленияпрограммных моделей — пакета визуального программирования Simulink.
Пакет Simulink позволяет осуществлять исследование(моделирование во времени) поведения динамических линейных и нелинейных систем,причем составление «программы» и ввод характеристик систем можно производить вдиалоговом режиме, путем сборки на экране схемы соединений элементарных(стандартных или пользовательских) звеньев. В результате такой сборкиполучается модель системы (называемая S-моделью), которая сохраняется в файле срасширением *.mdl. Такой процесс составлениявычислительных программ принято называть визуальным программированием.
S-модель может иметь иерархическую структуру,то есть состоять из моделей более низкого уровня, причем количество уровнейиерархии практически не ограничено. В процессе моделирования есть возможностьнаблюдать за процессами, которые происходят в системе. Для этого используютсяспециальные блоки («обзорные окна»), входящие в состав библиотеки Simulink. Библиотека может быть пополненапользователем за счет разработки собственных блоков.
Создание моделей в пакете Simulink основывается на использованиитехнологии Drag-and-Drop(шаг за шагом). В качестве «кирпичиков» при построении S-модели применяютсявизуальные блоки (модули), которые сохраняются в библиотеках Simulink.
Библиотека блоков Simulink (рисунок 4.1) – это набор визуальных объектов, при использованиикоторых, соединяя отдельные блоки между собой линиями связей, можно составлятьфункциональную блок-схему любого устройства.
/>
Рисунок 4.1 — Окно Simulink Library Browser
Сборка блок-схемы S-модели заключаетсяв том, что графические изображения выбранных блоков с помощью мышиперетягиваются из окна раздела библиотеки в окно блок-схемы, а затем выходыодних блоков в окне блок-схемы соединяются со входами других блоков (также спомощью мыши). Соединение блоков выполняется следующим образом: указатель мышиподводят к определенному выходу нужного блока (при этом указатель долженприобрести форму крестика), нажимают левую кнопку и, не отпуская ее, перемещаютуказатель к нужному входу другого блока, а потом отпускают кнопку. Еслисоединение осуществлено верно, на входе последнего блока появится изображениечерной стрелки.
Сборка модели осуществляется врабочем поле специального окна (рисунок 4.2). Это окно имеет строку меню,панель инструментов и рабочее поле. Меню File (Файл) содержит команды, предназначенные для работы сМDL — файлами; меню Edit (Правка) — команды редактированияблок-схемы; меню View (Вид) командыизменения внешнего вида окна; меню Simulation (Моделирование) — команды управления процессом моделирования;меню Format (Формат) — команды редактированияформата (то есть команды, позволяющие изменить внешний вид отдельных блоков иблок-схемы в целом). Меню Tools(Инструменты) включает некоторые дополнительные сервисные средства,предназначенные для работы с S-моделью.
/>
Рисунок 4.2 — Окно, в которомосуществляется сборка модели
Любая блок-схема моделируемой системыдолжна включать в себя один или несколько блоков-источников, генерирующихсигналы, которые, собственно, и вызывают «движение» моделируемой системы, иодин или несколько блоков-приемников, которые позволяют получить информацию овыходных сигналах этой системы (увидеть результаты моделирования).
Запуск модели на выполнение осуществляется нажатием на кнопку />, либо черезменю Simulation→Start, остановка нажатием на кнопку />, либо через меню Simulation→Stop, пауза — на кнопку />, либо через меню Simulation→Pause, пауза активна, когда модель запущена на выполнение.Кнопки расположены на панели инструментов.
4.2 Преобразование уравнений асинхронной машины в неподвижнойсистеме координат
Система уравнений (3.13) в операторной форме примет вид:
/>(4.1)
Для создания модели, из системы уравнений (4.1) выражаются токи ипотокосцепления и система уравнений примет вид:
/>(4.2)

4.3 Расчёт параметров модели для АД серии 4А
Для моделирования выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротороммарки 4А112M4У3 со следующими паспортнымиданными:
— номинальная выходная мощность Р2н=5.5 кВт,
— номинальное фазное напряжение обмотки статора U1н=220 В,
— номинальная частота тока f1=50 Гц,
— номинальный коэффициент полезного действия ηн= 85.5 %,
— номинальный коэффициент мощности статорной обмотки сosφ=0.85,
— критическое скольжение ротора Sk= 25 %,
— номинальное скольжение ротора Sн= 3.6 %,
— число пар полюсов: р=2,
— число фаз: m=3,
— скорость холостого хода: n1=1500 об/мин,
— момент инерции на валу машины: J=0,017 кг×м2,
— параметры Г-образной схемы замещения в режиме короткого замыкания(рисунок 4.3) в относительных единицах:
— в номинальном режиме:
R`1*=0.064,X`1*=0.078, R``2*=0.041, X``2*=0.13, Xm*=2.8,
— в режиме короткого замыкания:
R``2*кз=0.048,X``2*=0.062.
/>
Рисунок 4.3 – Г-образная схема замещения

По известным паспортным данным АД и параметрам Г-образной схемы замещениярассчитываются параметры Т-образной схемы замещения в режиме короткогозамыкания (рисунок 4.4) и коэффициенты системы уравнений (4.2) и параметрыблоков модели АД.
/>
Рисунок 4.4 – Т-образная схема замещения
Номинальный фазный ток статора
/> А.(4.3)
Базисное значение сопротивления
/> Ом.(4.4)
Угловая частота тока
/> с-1.(4.5)
Реактивное сопротивление рассеяния статора в относительных единицах
Х1*=/>.(4.6)
Коэффициент, связывающий параметры машины в Т и Г-образной схемахзамещения
/>.(4.7)

Реактивное сопротивление рассеяния фазы статора
/> Ом.(4.8)
Активное сопротивление фазы статора
/> Ом.(4.9)
Индуктивность рассеяния фазы статора
/> Гн.(4.10)
Реактивное сопротивление рассеяния фазы ротора
/> Ом.(4.11)
Активное сопротивление фазы ротора
/> Ом.(4.12)
Индуктивность рассеяния фазы ротора
/> Гн.(4.13)
Реактивное сопротивление взаимоиндукции
/> Ом.(4.14)
Индуктивность взаимоиндукции
/> Гн.(4.15)
Полная индуктивность фазы статора
/> Гн.(4.16)
Полная индуктивность фазы ротора
/> Гн.(4.17)
Суммарные потери мощности в двигатели
/> Вт.(4.18)

Основные потери в обмотке статора
/> Вт.(4.19)
Намагничивающий ток
/> А.(4.20)
Потери в стали статора
/> Вт,(4.21)
где /> выбираетсяиз диапазона 0.08-0.2.
Основные потери в обмотке ротора
/> Вт.(4.22)
Суммарные потери в стали и механические
/> Вт.(4.23)
Механические потери
/> Вт.(4.24)
Скорость идеального холостого хода двигателя
/> с-1.(4.25)
Номинальная скорость вращения двигателя
/> с-1.(4.26)
Коэффициент трения
/> Нּмּс.(4.27)
Коэффициенты системы уравнений обобщённой асинхронной машины:
/> Ом,(4.28)
/> Гн,(4.29)

/>с,(4.30)
/>с,(4.31)
/>.(4.32)
Параметры блоков модели обобщённой асинхронной машины:
/> Сим,(4.33)
/> с-1,(4.34)
/> Ом,(4.35)
/>,(4.36)
/> (кг•м2)-1.(4.37)
4.4 Структурная схема модели в неподвижной системе координати её поблочное описание
По системе уравнений (4.2) собираетсясхема модели обобщённой машины в неподвижной системе координат (рисунок 4.5) срассчитанными параметрами. На входы модели подаются напряжения, сдвинутые пофазе на 90 электрических градусов:
/>/>
где /> — амплитудное значениеноминального фазного напряжения.
При номинальном питающем напряженииреализуется прямой пуск АД

/>
Рисунок 4.5 — Структурная схема модели обобщённой асинхронной машины внеподвижной системе координат
Блоки Usα и Usβ (рисунок 4.6) являются генераторамигармонических сигналов, Usα – косинусоиды, Usβ – синусоиды. Они имитируют работу источников напряжения.
Настраиваемыми параметрами являются:
Sine type – типсинусоидальной волны,
Amplitude — амплитуда сигнала, для данной схемы /> В,
Bias –смещение (постоянная составляющая синусоиды),
Frequency – угловая частота колебаний, для данной схемы равная />,
Phase– начальная фаза (в радианах), равная:
/> -для косинусоиды, 0 – для синусоиды,
Sample time – величинадискрета времени.

/> />
а)                                    б)
Рисунок 4.6 — Блок Usα: а) внешний вид, б) окно параметров
Блок /> (рисунок4.7) осуществляет умножение входного сигнала на постоянную величину, значениекоторой задаётся в настройке блока.
Аналогичные в схеме блоки: />, />, />, />, />, />.
Настраиваемыми параметрами являются:
Gain –коэффициент усиления, для данной схемы />=5.756,
Multiplication – тип способа умножения.
/> />
а)                                    б)
Рисунок 4.7 — Блок />: а) внешний вид, б) окнопараметров

Блок Sum (рисунок 4.8) суммирует поступающиена него сигналы (в том числе с разными знаками).
Настраиваемыми параметрами являются:
Icon shape – формаизображения (круг или прямоугольник),
List of signs – список входов и их знаки.
/>/>
а)                                    б)
Рисунок 4.8 — Блок Sum:а) внешний вид, б) окно параметров
Блок /> (рисунок4.9) реализует звено введённой в него передаточной функции. Аналогичный в схемеблок: />.
Настраиваемыми параметрами являются:
Numerator – числитель, для данной схемы />,
Denominator – делитель, для данной схемы />.
/>/>
а)                                    б)
Рисунок 4.9 — Блок />: а) внешний вид, б) окнопараметров

Блок Klych (рисунок 4.10) служит дляпереключения типа момента нагрузки на валу, либо М2 либо α•М2.Переключение происходит при двойном нажатии правой кнопкой мыши на блоке.
Настраиваемых параметров не имеет.
/>
Рисунок 4.10 — Блок Klych
Блок Product (рисунок 4.11) выполняет умножение(деление) входных сигналов.
Настраиваемыми параметрами являются:
Number of inputs – количество входов,
Multiplication – тип способа умножения.
/>/>
а)                          б)
Рисунок 4.11 — Блок Product:а) внешний вид, б) окно параметров
Блок М2 (рисунок 4.12) формирует постоянную величину нагрузки на валу,которая является неизменной во времени.
Настраиваемыми параметрами являются:
Constant value – постояннаявеличина.

/>/>
а)                          б)
Рисунок 4.12 — Блок М2: а) внешний вид, б) окно параметров
Блок α•М2 (рисунок 4.13) является задатчиком нагрузки иустанавливает на валу линейно изменяющийся во времени момент нагрузки.
Настраиваемыми параметрами являются:
Slope– изменение величины за 1 секунду. В зависимости от знака возрастает илиубывает,
Start time – моментвремени в который начинает изменятся нагрузка,
Initial output – начальноезначение, с которого начнётся изменение нагрузки.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 4.13 — Блок α•М2: а) внешний вид, б) параметры

Блок Integrator (рисунок 4.14) представляетидеальное интегрирующее звено. Он позволяет осуществить интегрированиепоступающего на него сигнала в непрерывном времени.
Настраиваемыми параметрами являются:
External reset –подключение дополнительного управляющего сигнала,
Initial condition source – определение источника (внутреннийили внешний),
Initial condition –начальное значение выходной величины,
Limit output –ограничение величины выхода,
Upper saturation limit – верхнее предельное значениевыходной величины,
Lower saturation limit – нижнее предельное значениевыходной величины,
Show saturation port – показать порт насыщения,
Show state port – показать порт состояния,
Absolute tolerance –допустимая предельная величина абсолютной погрешности.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 4.14 — Блок α•М2: а) внешний вид, б) параметры

Графический дисплей «wm, M=f(t)» (рисунок4.15) позволяет в ходе моделирования наблюдать графики переходных процессовскорости и момента во времени. По горизонтальной оси откладывается значениемодельного времени, а по вертикали значение входной величины, отвечающее этомумоменту времени. Окно параметров вызывается нажатием на иконку />.
Настраиваемыми параметрами являются:
Number of axes – количество осей,
Time range – интервалвремени,
Tick labels – меткиосей,
Sampling – используется только для дискретных во времени процессов. Его значение(1), установленное по умолчанию, для непрерывных процессов изменять нерекомендуется. Позволяет задать периодичность (через сколько дискретов времени)отображения значений времени.
/>/>/>
а)                                   б)                          в)
Рисунок 4.15 — Блок «wm, M=f(t)»: а) внешнийвид, б) внутренний вид, в) окно параметров
Шинный формирователь Mux(рисунок 4.16) выполняет объединение входных величин в единый выходной вектор(шину), что очень удобно, так как схема получается мене загромождённой.
Настраиваемыми параметрами являются:
Number of inputs – число входов,
Display option – видотображения блока.
/>/>
а)                                    б)
Рисунок 4.16 — Блок Mux:а) внешний вид, б) окно параметров
Цифровой дисплей «wm, M» (рисунок 4.17) выводит на экран числовыезначения входящих в блок величин (скорости и момента).
Настраиваемыми параметрами являются:
Format– формат вывода чисел,
Decimation – позволяет задать периодичность (через сколько дискретов времени)отображения значений времени,
Sample time –используется только для дискретных во времени процессов. Его значение (-1),установленное по умолчанию, для непрерывных процессов изменять нерекомендуется.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 4.17 — Блок «wm, M»: а) внешний вид, б) окно параметров

Осциллограф XY (рисунок 4.18)– графическое окно, отображающее зависимость одной переменной от другой. Вданной схеме отображает механическую характеристику. Большим минусом этогоблока является то, что в графическом окне нет сетки и нет возможности нанестинадписи.
Настраиваемыми параметрами являются:
x-min, x-max, y-min, y-max – пределы осей по Х и У,
Sample time – смотривыше.
/>/>/>
а)                                   б)                          в)
Рисунок 4.18 — Блок XY: а)внешний вид, б) окно параметров, в) графическая область
Блок «Построение механической характеристики» (рисунок 4.19) являетсяссылкой на специально разработанную M-программу, в которой реализуется графическое построение механическойхарактеристики. Большим удобством является то, что имеется сетка и можнонаносить надписи осей и в графической области, а также редактированиеполученных результатов.

/>/>
а)                                                                б)
Рисунок 4.19 — Графическое окно для построения характеристик: а) внешнийвид, б) графическая область
4.5 Результаты моделирования
После запуска схемы модели на моделирование и завершения процедурымоделирования можно проанализировать полученные результаты.
Графический дисплей «wm, M=f(t)» отображаетпереходной процесс скорости и момента во времени.
При прямом пуске вначале наблюдаются значительные колебания момента искорости. При приложении момента нагрузки, аналогично наблюдаются колебаниямомента и скорости, но менее значительные, чем при пуске, также видно, что приприложении момента нагрузки наблюдается уменьшение скорости.
Получив механическую характеристику, можно увидеть, что при пуске онаполучается динамической и на ней чётко виден колебательный процесс скорости имомента в виде концентрических окружностей с уменьшающимся радиусом по мерезатухания колебаний скорости и момента. Аналогичная картина наблюдается приступенчатом набросе нагрузки.

5. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ НА БАЗЕ ВИРТУАЛЬНОЙАСИНХРОННОЙ МАШИНЫ
 
Иную возможность анализа АД представляет специализированный раздел поэлектротехнике ToolboxPower System Block. В его библиотеке имеются блоки виртуальныхэлектрических машин и АД с короткозамкнутым и фазным ротором в том числе.
Схема виртуальной лабораторной работы для исследования двигателя скороткозамкнутым ротором представлена на рисунке 5.1.
/>
Рисунок 5.1 — Схема модели лабораторной работы для исследования асинхронногодвигателя с короткозамкнутым ротором
5.1 Поблочное описание схемы
Основными блоками схемы являются: источник трёхфазного напряжения (Source), трёхфазный измеритель напряжения итока (Three-Phase V-I Measurement), трёхфазный асинхронный двигатель скороткозамкнутым ротором (AD),задатчик нагрузки (М2 и α•М2), измеритель (вывод) скорости иэлектромагнитного момента на валу (wm, Te).
Дополнительные блоки: переключатели (Klych и K_Z), управляемыйключ (Switch), машинное время (Clock), осциллограф (XY), шинный формирователь (Mux), цифровые и графические дисплеи («wm, M, I1»; «P2,P1, I1, S, KPD, Cos.f»), «Рабочие характеристики», блок «U1. I1. P1».
Блоки программ: «Ввод данных», «Построение механической характеристики» и«Построение рабочих характеристик».
Источник трёхфазного напряжения Source (рисунок 5.2) имитирует работу трёхфазного источника синусоидальногонапряжения с заземлённой нейтралью N и выходами фаз А, В и С.
Настраиваемыми параметрами являются:
Phase to ground peak voltage (V) – амплитуда фазногонапряжения,
Phase angle of phase A (Degrees) – начальный фазовыйугол фазы А,
Frequency (Hz) – частота напряжения,
Source resistance (Ohms), inductance (H) – сопротивление и индуктивность источника.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 5.2 — Блок Source:а) внешний вид, б) окно параметров
Трёхфазный измеритель напряжения и тока Three-Phase V-I Measurement (рисунок 5.3) измеряет трёх фазноемгновенное напряжение и ток, потребляемые нагрузкой от источника.
Настраиваемыми параметрами являются:
Voltage measurement: phase-to-ground – измерениефазного напряжения от фазы до земли,
Use a label – использовать ярлык (ссылку) вместовыхода,
In pu – система относительных единиц,
Current measurement: yes – подтверждение измерения тока.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 5.3 — Блок Three-Phase V-I Measurement: а) внешний вид, б) параметры
Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором AD (рисунок 5.4) имитирует работуасинхронного двигателя с короткозамкнутым (или фазным) ротором. Составлен наоснове математических уравнений.
Настраиваемыми параметрами являются:
Nom. power Pn – номинальная мощность,
Volt Vn – номинальноелинейное напряжение,
Frequency fn – номинальнаячастота,
Stator(Rotor) R, L – активноесопротивление и индуктивность статора и приведённого ротора,
Mutual inductance Lm – взаимная индуктивность,
Inertia J – момент инерциина валу,
Friction factor F – коэффициент трения,
Pairs of poles – число пар полюсов р,
Initial conditions –начальные данные:
скольжение, угол поворота ротора, ток трёх фаз статора, сдвиг фаз А, В,С.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 5.4 — Блок AD: а)внешний вид, б) параметры
Задатчик нагрузки М2 (рисунок 4.12) и задатчик нагрузки α•М2(рисунок 4.13). Описание этих блоков рассмотрено в разделе 4.
Машинное время Clock(рисунок 5.5) отображает время моделирования.
Настраиваемыми параметрами являются:
Display time – отображениявремени в блоке,
Decimation – позволяет задать периодичность (через сколько дискретов времени)отображения значений времени.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 5.5 — Блок Clock:а) внешний вид, б) параметры
Измеритель (вывод) «wm, Te» (рисунок 5.6) выводит дляотображения различные параметры асинхронной машины. Имеет возможность выбратьнеобходимые для вывода параметры из имеющихся. В данной схеме выводятсязначения угловой скорости и электромагнитного момента на валу.
Настраиваемыми параметрами являются:
Machine type – тип машины,
Rotor currents [ira irb irc] – трёхфазный ток ротора,
Rotor currents [ir_q ir_d] – ток ротора в осях q, d,
Rotor fluxes [phir_q phir_d] – поток в роторев осях q, d,
Rotor voltages [vr_q vr_d]- напряжение вроторе в осях q, d,
Stator currents [ia ib ic] – трёхфазный ток статора,
Stator currents [is_q is_d] — ток статора в осях q, d,
Stator fluxes [phis_q phis_d] –поток в статоре в осях q, d,
Stator voltages [vs_q vs_d] – напряжение встаторе в осях q, d,
Rotor speed [wm] – скорость вращения ротора
Electromagnetic torque [Te] – электромагнитный момент,
Rotor angle [thetam] – угол поворота ротора.

/>/>
а)                          б)
Рисунок 5.6 — Блок «wm, Te»: а) внешний вид, б) параметры
Переключатели Klych, K_Z и Dinamika (рисунок 5.7) служат для переключения входного сигнала. Klych для переключения типа моментанагрузки на валу, K_Z для переключения на схему снятияпускового момента, а Dinamika для снятия динамической механической характеристики. Переключениепроисходит при двойном нажатии правой кнопкой мыши на блоке.
Настраиваемых параметров не имеет.
/>/>
Рисунок 5.7 — Блоки Klych,K_Z и Dinamika
Управляемый ключ Switch(рисунок 5.8) служит для управляемого переключения входного сигнала. Имеет тривхода, 1 и 3 — информационные, 2 — управляющий. Если величина управляющегосигнала не меньше некоторого ограничения, заданного в поле Threshold, то на выход подаётся сигнал спервого входа, в противном случае – сигнал с третьего входа. В схеме на первыйвход подаётся вектор значений скорости и момента, также и на третий входподаётся вектор скорости и момента при условии, что ключ Dinamika в верхнем положении, а на второйвход время.
Настраиваемыми параметрами являются:
Criteria for passing first input – критерий для прохождения сигнала с первого входа,
Threshold – порог переключения входа.
/>/>
а)                                   б)
Рисунок 5.8 — Блок Switch:а) внешний вид, б) параметры
Осциллограф XY (рисунок 4.18).Описание этого блока рассмотрено в разделе 4.
Шинный формирователь Mux(рисунок 4.16). Описание этого блока рассмотрено в разделе 4.
Графический дисплей «wm, M, I1=f(t)» (рисунок 4.15). Описание этого блока рассмотрено вразделе 4.
Цифровые дисплеи «wm, M», «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f» (рисунок 4.17). Описание этих блоков рассмотрено вразделе 4.
Блок «Рабочие характеристики» (рисунок 5.9) – это не стандартный блок, онразработан при создании данной виртуальной лабораторной работы. Внутри негореализуется расчёт рабочих характеристик по следующим формулам:
/>,
/>,
/>,
/>,
к входной мощности добавляются потери в стали рсm1, так как в модели они не учитываются.
Настраиваемых параметров не имеет.
/>
Рисунок 5.9 — Блок «Рабочие характеристики»
Блок «U1. I1. P1»(рисунок 5.10) также является не стандартным. В нём реализуется преобразованиевходных трёхфазных напряжений и токов в действующие значения, а такжевычисление активной мощности.
Настраиваемых параметров не имеет.
/>
Рисунок 5.10 — Блок «U1. I1. P1»

Блоки программ: «Ввод данных», «Построение механической характеристики» и«Построение рабочих характеристик» (рисунок 5.11) – являются ссылками наспециально написанные M-программы,в которых реализуется ввод данных с помощью меню (рисунок 5.12) и графическоепостроение (рисунок 5.13) механической и рабочих характеристик.
/>
Рисунок 5.11 — Блоки программ
При открытии блока «Ввод данных», в котором реализована подпрограмма “Menu”, на экран выводится меню, в которомможно изменить параметры моделирования. Это является очень удобным элементом,так как ненужно перенастраивать саму модель и её блоки.
В меню ввода данных для модели:
время переходного процесса – это время необходимое для разгона двигателядо холостого хода при исчезновении колебаний момента и скорости,
время моделирования – время необходимое для выполнения одной процедурымоделирования,
амплитуда фазного напряжения – это номинальное значение U1н умноженное на />,
частота – частота питающего напряжения.

/>
Рисунок 5.12 — Меню ввода данных
/>
Рисунок 5.13 — Графическое окно для построения характеристик
5.2 Результаты моделирования
Графический дисплей «wm, M=f(t)» отображаетпереходной процесс скорости и момента во времени, представленный на рисунке5.14.

/>
Рисунок 5.14 — Переходной процесс скорости и момента функции времени припуске на холостом ходу и набросе нагрузки
Из рисунке 5.14 видно, что при прямом пуске вначале наблюдаютсязначительные колебания момента и скорости. При приложении момента нагрузки,аналогично наблюдаются колебания момента и скорости, но менее значительные, чемпри пуске, также видно, что при приложении момента нагрузки наблюдаетсяуменьшение скорости.
Получив механическую характеристику, можно увидеть, что при пуске онаполучается динамической и на ней также как и на рисунке 5.14 чётко виденколебательный процесс скорости и момента в виде концентрических окружностей суменьшающимся радиусом по мере затухания колебаний скорости и момента.Аналогичная картина наблюдается при мгновенном набросе нагрузки. Данныехарактеристики представлены на рисунках 5.15 и 5.16.

/>
Рисунок 5.15 — Динамическая механическая характеристика при пуске нахолостом ходу и набросе нагрузки, построенная блоком «XY»
/>
Рисунок 5.16 — Динамическая механическая характеристика при пуске нахолостом ходу (синяя) и набросе нагрузки (красная), построенная блоком«Построение механической характеристики»
При нагружении двигателя с малой скоростью увеличения нагрузки получаетсяхарактеристика, близкая к статической естественной механической характеристике.

5.3 Сравнение моделей АД в неподвижной системе координат имодели на базе виртуальной асинхронной машины
По результатам моделирования полученных в разделах 4 и 5 видно, чтопереходные процессы скорости и момента при пуске и ступенчатом набросенагрузке, динамические механические характеристики, а также естественныемеханические характеристики абсолютно идентичные. Это доказывает, что блоквиртуальной асинхронной машины AD всвоей структуре имеет математические уравнения обобщённой асинхронной машины.

6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
 
6.1 Программа работы
6.1.1 Ознакомление с программой MatLab
6.1.2 Объект исследования
6.1.3 Исследование АД с короткозамкнутым ротором
6.1.3.1 Ознакомление со схемой лабораторной работы
6.1.3.2 Ввод данных в модель
6.1.3.3 Определение пускового момента и тока при коротком замыкании
6.1.3.4 Снятие динамической характеристики при параметрах короткогозамыкания
6.1.3.5 Снятие естественной механической характеристики
6.1.3.6 Построение естественных рабочих характеристик
6.1.3.7 Снятие искусственных механических характеристик при
— разных значениях U1
— разных значениях f1
— разных значениях f1 и />
6.1.4 Исследование АД с фазным ротором
6.1.4.1 Ознакомление со схемой лабораторной работы
6.1.4.2 Ввод данных в модель
6.1.4.3 Пуск при заданном пусковом сопротивлении
6.1.4.4 Снятие естественной механической характеристики
6.1.4.5 Построение естественных рабочих характеристик
6.1.4.6 Снятие искусственных механических характеристик при
— разных значениях R2доб
— разных значениях U1
— разных значениях R2доб и U1
6.2 Ознакомление с программой MatLabи пакетом Simulink
 
После вызова программы MATLAB6.5 на экране появляется окно MATLAB.В нём могут отображаться несколько окон, главными являются Окно команд, Текущийкаталог и Рабочая область. По необходимости через меню Вид, котороерасполагается на передней панели, можно настроить окна по собственному желанию.
В командном окне появляются символы команд, которые набираютсяпользователем с клавиатуры, отображаются результаты выполнения этих команд,текст исполняемой программы и информация об ошибках выполнения программы,распознанных системой.
В окне текущего каталога отображается содержимое выбранной для работыпапки: различные модели, м-программы, файлы данных, фигуры.
В окне рабочей области отображаются временные данные текущего сеансаработы: параметры, вводимые в схему, результаты вычислений и измерений, времямодели, выходные данные.
Признаком того, что программа MATLAB готова к восприятию и выполнению очередной команды, является наличие впоследней строке командного окна знака приглашения (»), справа от которогорасположен мигающий курсор.
В верхней части окна (под заголовком) находится строка меню. Для тогочтобы открыть какое-либо меню, следует установить на нём указатель мыши инажать её левую кнопку. Наиболее необходимые для работы команды, такие как:открыть имеющийся или создать новый файл, сохранить или распечатать и т.д.расположены в меню Файл и представлены на рисунке 6.1.

/>
Рисунок 6.1 — Команды меню Файл
Для удобства работы, на переднюю панель вынесены кнопки первойнеобходимости:
/> -с помощью кнопки (…) выбирается текущий для работы каталог, рядом отображаетсяпуть к нему.
/> -кнопка с изображением чистого листа служит для создания нового файла программы,а кнопка с изображением папки для открытия уже имеющегося файла.
/> -кнопка с изображением блоков служит для запуска программного пакета Simulink, при её нажатии появляется окнобиблиотеки Simulink представленное на рисунке 4.1. Изэтого окна можно создать новый файл модели (рисунок 4.2) и из имеющихся вбиблиотеке блоков собрать необходимую модель.
Описание пакета Simulink рассмотрено в разделе 4.
6.3 Объект исследования
В лабораторной работе исследуются асинхронные двигатели серии 4А сисполнением по степени защиты IP 44для АД с короткозамкнутым ротором и с исполнением IP 23 для АД с фазным ротором. Паспортные данные, этихдвигателей приведены в таблицах П1-П2 и П4-П5:
— номинальная выходная мощность Р2н,
— номинальный коэффициент полезного действия ηн,
— номинальный коэффициент мощности статорной обмотки сosφн,
— момент инерции на валу машины J кг×м2,
— номинальный электромагнитный момент Мн,
— кратность пускового момента Мп / Мн,
— кратность максимального момента Мк / Мн,
— кратность пускового тока I1п/ I1н,
— критическое скольжение ротора Sk= 25 %,
— номинальное скольжение ротора Sн= 3.6 %.
— параметры Г-образной схемы замещения (рисунок 4.3) в относительныхединицах:
в номинальном режиме:
— активное и реактивное сопротивления R`1*, X`1*,
— активное и реактивное сопротивления R``2*, X``2*,
— реактивное сопротивление взаимоиндукции Xm*,
в режиме короткого замыкания:
— активное и реактивное сопротивления R``2*кз, X``2*.
В таблицах П3 и П6 приведены значения величин, необходимых длямоделирования и рассчитаны по данным таблиц П1-П2 и П4-П5:
— добавочное сопротивление R2доб,
— потери в стали Pst,
— коэффициент трения Ftr,
в номинальном режиме:
— активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы статора Rs, Ls,
— активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`r, L`r,
— индуктивность взаимоиндукции Lm,
в режиме короткого замыкания:
— активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`rкз, L`rкз,
6.4 Исследование АД с короткозамкнутым ротором
Описание принципа действия, устройства, способов пуска и регулированияскорости приведено в разделе 2.
6.4.1 Ознакомление со схемой лабораторной работы
Для выбора схемы необходимо в окне MATLAB (рисунок 6.1) выбрать в качестве текущего каталогапапку, в которой находится файл со схемой асинхронного двигателя с короткозамкнутымротором: «C:\MATLAB6p5\work\AD\AKZ\AKZ.mdl».На экране появится схема модели лабораторной работы для исследованияасинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, представленная на рисунке 6.2.
Основными блоками схемы являются: источник трёхфазного напряжения (Source), трёхфазный измеритель напряжения итока (Three-Phase V-I Measurement), трёхфазный асинхронный двигатель скороткозамкнутым ротором (AD),задатчик нагрузки (М2 или α•М2), измеритель (вывод) скорости иэлектромагнитного момента на валу (wm, Te).
Дополнительные блоки: переключатели (Klych и K_Z), управляемыйключ (Switch), машинное время (Clock), осциллограф (XY), шинный формирователь (Mux), цифровые и графические дисплеи («n, M»; «P2,P1, I1, S, KPD, Cos.f»; «n, M, I1»),рабочие характеристики, блок «U1. I1. P1», усилитель «-К-».
Блоки программ: «Ввод данных», «Построение механической характеристики» и«Построение рабочих характеристик».

/>
Рисунок 6.2 — Схема модели лабораторной работы для исследованияасинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
 
6.4.2 Ввод данных в модель
Данные исследуемого двигателя для своего варианта (таблицы П1 и П3)необходимо ввести в модель, для этого необходимо дважды щёлкнуть левой кнопкоймыши по блоку асинхронной машины AD и воткрывшемся окне ввести данные двигателя (рисунок 5.4). В качестве примераиспользован двигатель 4А112М4У3.
6.4.3 Определение пускового момента и тока при короткомзамыкании
Опыт короткого замыкания асинхронного двигателя с короткозамкнутымротором соответствует питанию обмотки статора при заторможенном роторе. Опытпроводится с целью определения пускового момента и пускового тока [4].
Для проведения опыта необходимо открыть блок AD и изменить параметры Rotor [Rr'(ohm) Llr'(H)] насоответствующие параметры ротора при коротком замыкании R`2 кз и L`rкз для заданного варианта, а такжепереключить блок K_Z (рисунок 5.7) в нижнее положениещёлкнув на нём дважды левой кнопкой мыши. Это приведёт к переключению на схему,когда электромагнитный момент подаётся на вход М2. В этом случае ω=0 иполучается режим короткого замыкания.
Запустить систему на моделирование нажатием на кнопку /> и в установившемся режиме(когда показания блоков перестанут изменяться) остановить моделированиенажатием на кнопку />, записать пусковой момент Мпи пусковой ток I1п с цифровых дисплеев «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f» и «n, M».Определить кратность пускового тока /> и пускового момента />. Сравнитьполученные значения с паспортными.
 
6.4.4 Снятие динамической характеристики при параметрахкороткого замыкания
Опыт проводится с параметрами двигателя из пункта 6.4.3. Блок K_Z переключить в верхнее положение, это приведёт к переключениюсхемы в режим снятия характеристик, а также переключить блок Klych и Dinamika (рисунок 5.7) в верхнее положение иоткрыв блок М2 (рисунок 4.12), установить в нём значение равное 0.
Запустить систему на моделирование, двигатель начнёт разгоняться, и скоростьдойдёт до холостого хода, в установившемся режиме остановить модель. Открытьблок «Построение механической характеристики» при этом вызовется подпрограммапостроения характеристики в графическом окне Figure и построит динамическую механическую характеристикупуска двигателя (рисунок 6.3). Если необходимо, вызвать редактор свойств осейчерез меню Edit→Axes properties (рисунок 6.4) и изменить пределыосей X и Y до удобных. Через меню File→Exportсохранить характеристику как рисунок, предварительно создав для этого на дискесобственную папку. Окно с характеристикой закрыть. В блоке «n, M, I1=f(t)» просмотреть переходные процессы скорости, момента и токастатора во времени (рисунок 6.5). Нажатие сочетания клавиш «Alt + Print Screen» на клавиатуре приведёт к копированию активного окнав буфер, т.е. окна с переходными процессами, откуда их можно вставить вграфическую программу Paintили в Word. Сохранить рисунок с переходнымипроцессами в ранее созданной папке для создания отчёта.
/>
Рисунок 6.3 — Динамическая механическая характеристика двигателя припуске без нагрузки с параметрами короткого замыкания
/>
Рисунок 6.4 — Редактор свойств осей

/>
Рисунок 6.5 — Переходные процессы скорости, момента и тока статора вовремени при пуске двигателя без нагрузки с параметрами короткого замыкания
6.4.5 Снятие естественной механической характеристики
Механической характеристикой называют зависимость частоты вращения ротораот вращающего электромагнитного момента.
Механическая характеристика называется естественной, если онасоответствует номинальному напряжению, номинальной частоте и отсутствию внешнихсопротивлений в цепях обмоток [6].
По методике пункта 6.4.2 ввести в блок AD параметры номинального режима. Блок Klych и Dinamika переключить в нижнее положение. В блоке α•М2 задать скоростьнарастания нагрузки Slope равной0,15•Мн. Это значение обуславливается тем, что при большой скоростинарастания нагрузки механическая характеристика становится динамической ипоявляется отклонение от естественной характеристики, что наглядно видно изрисунка 6.6, а при очень маленькой скорости нарастания нагрузки процессвычисления занимает много времени.

/>
Рисунок 6.6 – Механические характеристики при различных значениях α
Запустить систему на моделирование, двигатель начнёт разгоняться искорость дойдёт до холостого хода, по завершении переходного процесса блокα•М2 начнёт нагружать двигатель и в блоке XY (рисунок 4.18) будет отображаться статическая механическаяхарактеристика. При нагрузке больше критической двигатель остановится и прейдётв режим противовключения. При отрицательной частоте вращения приблизительноравной 0.3ּn1 об/мин остановить модель. Открыв блок «Построениемеханической характеристики» вызовется подпрограмма построения механическойхарактеристики в графическом окне Figure, окно с характеристикой не закрывать.
Повторить опыт, предварительно изменив в блоке α•М2 скоростьнарастания нагрузки в поле Slopeна отрицательное значение. При отрицательной нагрузке двигатель прейдёт вгенераторный режим с отдачей электроэнергии в сеть. При частоте вращенияприблизительно равной 2ּn1 об/мин остановить модель. Повторнооткрыть блок «Построение механической характеристики», при этом снятая новаяхарактеристика построится вместе с уже имеющейся (рисунок 6.7).
/>
Рисунок 6.7 — Механическая характеристика АД во всех режимах работы
Вызвать редактор свойств осей и изменить пределы осей X и Y до удобных. Сохранить характеристику на диске как рисунок изакрыть окно.
 
6.4.6 Построение естественных рабочих характеристик
При изменении нагрузки двигателя изменяются токи в обмотках, мощности,частота вращения и другие эксплуатационные показатели. Под рабочимихарактеристиками поминают зависимость подводимой мощности, тока, скольжения,КПД и коэффициента мощности от отдаваемой мощности на валу при неизменныхзначениях напряжения, частоты тока питающей сети и внешних сопротивлений вцепях обмоток [6].
Рабочие характеристики снимают при увеличении нагрузки от холостого ходадо 1.3 номинальной. Опыт производится аналогично пункту 6.4.5 при параметрахноминального режима. Скорость нарастания нагрузки в блоке α•М2 должна быть0.15•Мн.
Запустить систему на моделирование, при нагрузке более 1.3 от номинальной(показания контролировать на цифровом дисплее «n, M») остановитьмодель. Открыв блок «Построение рабочих характеристик» получить снятыехарактеристики (рисунок 6.8) и сохранить их на диске как рисунок.
/>
Рисунок 6.8 — Рабочие характеристики
Повторить опыт, сняв одну точку при нагрузке М2=0.5ּМн. Для этого необходимопереключить блок Klych в верхнееположение и в блоке М2 установить значение равное 0.
Запустить систему на моделирование, после разгона двигателя до холостогохода открыть блок М2 и установить в нём заданную нагрузку. В установившемсярежиме снять показания: n, M2, P1, I1 ипо этим данным рассчитать рабочие характеристики при заданной нагрузке поформулам:
/>,
/>,
/>,
/>,

к входной мощности добавляется мощность потерь в стали рсm1, так как в модели она не учитывается.
6.4.7 Снятие искусственных механических характеристик
Характеристики, не соответствующие номинальным значениям напряжения ичастоты тока питающей сети, а также при наличии сопротивлений в цепях обмотокназывают искусственными [6].
Во всех опытах ключ Dinamika в нижнем положении.
Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях U1 и построить их в одних осях. Естественнаяхарактеристика снимается при U1= U1н. Для снятия искусственных характеристик необходимо задатьнапряжение U1
/>
Рисунок 6.9 — Приглашение ввести новое значение напряжения в окне команд MATLAB
Опыт проводить по методике пункта 6.4.5 при значениях напряжения 0.5U1н, 0.75U1н и U1н, снятие характеристики вгенераторном режиме не производить. Результаты представлены на рисунке 6.9.

Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях f1 и построить их в одних осях. Дляснятия характеристик необходимо задать через меню ввода данных частоту равную0.7f1н, f1н и 1.3f1н. Методика снятия характеристиканалогична пункту 6.4.7.1. Результаты представлены на рисунке 6.10.
/>
Рисунок 6.10 — Механические характеристики при трёх значениях f1
Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях f1 и />, построить их в одних осях. Дляснятия характеристик необходимо задать через меню ввода данных значения частоттока 0.5f1н при напряжении 0.5U1н, 0.75f1н при напряжении 0.75U1н и f1н при напряжении U1н так, чтобы сохранялось условие />. Методикаснятия характеристик аналогична пункту 6.4.7.1. Результаты представлены нарисунке 6.11.

/>
Рисунок 6.11 — Механические характеристики при трёх значениях частоты f1 и />
6.5 Изучение двигателя с фазным ротором
Описание принципа действия, устройства, способов пуска и регулированияскорости приведено в разделе 2.
6.5.1 Ознакомление со схемой лабораторной работы
Для выбора схемы необходимо в окне MATLAB (рисунок 6.1) выбрать в качестве текущего каталогапапку, в которой находится файл со схемой асинхронного двигателя с фазнымротором: «C:\MATLAB6p5\work\AD\AFR\AFR.mdl».На экране появится схема модели лабораторной работы для исследованияасинхронного двигателя с фазным ротором, представленная на рисунке 6.12.

/>
Рисунок 6.12 — Схема модели лабораторной работы для исследованиядвигателя с фазным ротором
Схема аналогична схеме двигателя с короткозамкнутым ротором, отличиемявляется блок AD, в настройках которого указан фазныйротор и наличие блоков добавочного сопротивления R2_dobav в каждой фазе ротора.
6.5.2 Ввод данных в модель
Данные исследуемого двигателя для своего варианта (таблицы П4 и П6)необходимо ввести в модель, для этого необходимо дважды щёлкнуть левой кнопкоймыши по блоку асинхронной машины AD и воткрывшемся окне ввести данные двигателя. В качестве примера использовандвигатель 4АНК160М4У3.
 
6.5.3 Пуск при заданном пусковом сопротивлении
Воспользовавшись блоком «Ввод данных», в меню установить добавочноепусковое сопротивление для своего варианта (таблица П6). Это сопротивлениеобеспечивает пуск двигателя при значении пускового момента, равного 0.85 откритического.
Блок Klych и Dinamika установить в верхнее положение,открыть блок М2 и установить в нём значение равное 0.
Запустить систему на моделирование, двигатель начнёт разгоняться, искорость дойдёт до холостого хода, в установившемся режиме остановить модель.Открыть блок «Построение механической характеристики», в графическом окне Figure построится динамическая механическаяхарактеристика пуска двигателя (рисунок 6.13). Если необходимо, вызватьредактор свойств осей и изменить пределы осей X и Y доудобных. Сохранить характеристику как рисунок в предварительно созданной папкена диске. Окно с характеристикой закрыть. Открыв блок «n, M, I1=f(t)» просмотретьпереходные процессы скорости, момента и тока статора во времени (рисунок 6.14).Скопировать в буфер активное окно, т.е. окно с переходными процессами, откудаих можно вставить в графическую программу Paint или в Word.Сохранить рисунок с переходными процессами в ранее созданной папке для созданияотчёта.
/>
Рисунок 6.13 — Динамическая механическая характеристика двигателя припуске без нагрузки с пусковым сопротивлением

/>
Рисунок 6.14 — Переходные процессы скорости, момента и тока статора припуске без нагрузки с пусковым сопротивлением
6.5.4 Снятие естественной механической характеристики
Воспользовавшись блоком меню «Ввод данных», установить добавочноесопротивление равное 0. Блок Klychи Dinamika переключить в нижнее положение. Вблоке α•М2 задать скорость нарастания нагрузки в графе Slope равной 0,15•Мн.
Запустить систему на моделирование, выполнение проводить аналогичнопункту 6.4.5.
 
6.5.5 Построение естественных рабочих характеристик
Рабочие характеристики снимают при увеличении нагрузки от холостого ходадо 1.3 номинальной.
Опыт производится аналогично пункту 6.5.4. Запустить систему намоделирование, при нагрузке более 1.3 от номинальной остановить модель. Открывблок «Построение рабочих характеристик», получить снятые характеристики(рисунок 6.15) и сохранить их на диск как рисунок.
Повторить опыт, сняв одну точку при нагрузке М2=0.5ּМн аналогично пункту6.4.6.
/>
Рисунок 6.15 — Рабочие характеристики
6.5.6 Снятие искусственных механических характеристик
Во всех опытах ключ Dinamika в нижнем положении.
При разном значении U1
Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях U1 и построить их в одних осях. Естественнаяхарактеристика снимается при U1= U1н. Для снятия искусственных характеристик необходимо задатьнапряжение U1
Опыт проводить по методике пункта 6.4.5 при значениях напряжения 0.5U1н, 0.75U1н и U1н, снятие характеристики вгенераторном режиме не производить. Результаты представлены на рисунке 6.16.
/>
Рисунок 6.16 — Механические характеристики при трёх значениях U1
Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значенияхдобавочного сопротивления в цепи ротора и построить их в одних осях. Для снятияхарактеристик необходимо ввести через меню ввода данных добавочноесопротивление равное 0, R2пуск и 0.5 R2пуск. Методика снятия характеристик аналогична пункту 6.5.6.1.Результаты представлены на рисунке 6.17.
/>
Рисунок 6.17 — Механические характеристики при трёх значениях R2доб

Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях U1 и R2доб, и построить их в одних осях. Дляснятия характеристик необходимо задать через меню ввода данных R2доб = 0 при U1= U1н, R2доб = R2пуск при напряжении 0.8U1н и R2доб = 0.5R2пуск при напряжении 0.9U1н. Методика снятия аналогична пункту6.5.6.1. Результаты представлены на рисунке 6.18.
/>
Рисунок 6.18 — Механические характеристики при трёх значениях R2доб и U1н

7. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
В ходе разработки виртуальных лабораторных работ возникла необходимость вдополнительных программах. Эти программы написаны на встроенном в MATLAB языке программирования, которыйносит название
Как уже было сказано в разделе 5, в схеме имеются специальные блоки «Вводданных», «Построение механической характеристики» и «Построение рабочиххарактеристик», при открытии которых вызываются необходимые программы.Назначение этих блоков понятно из их названия и также описано в пункте 5.
Блок «Ввод данных» использует программу «AKZ_menu.m» или «AFR_menu.m», в зависимости отисследуемого двигателя с короткозамкнутым или фазным ротором.
Данная программа позволяет ввести в блоки схемы необходимые данные, иоснована на условии выбора одной из предложенных позиций. При выборе, какойлибо позиции предлагается ввести значение необходимой величины, котороевпоследствии вводится в параметры блока в схеме, тем самым позволяет избежатьмногократного процесса изменения значения это величины, если она используетсянесколькими блоками.
Блок «Построение механической характеристики» использует программу «n_f_M.m». Даннаяпрограмма отвечает за построение механической характеристики. Она считываетданные вектора скорости и момента, формирует графическое окно Figure, название характеристики, оси иподписи осей и в полученном окне строит механическую характеристику.
Блок «Построение рабочих характеристик» использует программу«Rabochiе.m». Программа аналогична выше описанной, считывая данные входной ивыходной мощности, тока статора, скольжения, КПД и коэффициента мощности она выполняетпостроение рабочих характеристик в графическом окне Figure..
Для упрощения расчёта данных для двигателя написана следующая программа«Raschet_Dvigok.m». Эта программа реализует переход от параметров Г-образнойсхемы замещения к Т-образной и рассчитывает параметры необходимые для моделирования.

8. РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУПРОГРАММНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ПМО)
 
8.1 Исходные данные
-           количество формпеременной входной информации –два;
-           сложностьалгоритма – три;
-           количество формвыходной информации – два;
-           степень новизныкомплекса задач – В;
-           сложностьалгоритма – три;
-           объём входнойинформации – до 50000 документострок;
-           сложностьорганизации контроля входной информации – 11;
-           сложностьорганизации контроля выходной информации – 22;
-           использованиестандартных типов проектов и моделей – 25 %;
-           проектразрабатывается с учётом обработки информации в режиме работы в реальномвремени.
8.2 Определение затрат времени наразработку (ПМО) по стадиям проектирования
Расчёт произведён по литературе [8] иданные сведены в таблице 8.1.
Таблица 8.1 — Определение затратвремени на разработку программного обеспечения по стадиям разработки проекта Стадия
Разработки
Проекта Затраты времени Поправочный коэффициент Затраты времени с учётом ПК, дней
  Значение,
дней Осно-вание Значение Основание
 
  1 Разработка технического задания
 
 
Затраты времени
разработчика постановки задачи
Затраты времени
разработчика ПО
29,00
29,00
Таблица 4.1
норма 13Г
Таблица 4.1
норма 13Г
0,65
0,35
Примечание к таблице 4.1
Примечание к таблице 4.1
18,85
10,15
 
  2 Разработка программы
 
Затраты времени
разработчика постановки задачи Затраты времени
разработчика ПО
44,00
44,00
Таблица 4.2
норма 13Г
Таблица 4.2
норма 13Г
0,7
0,3
Примечание к таблице 4.2
Примечание к таблице 4.2
30,8
13,2
  3 Отладка программы
  Затраты времени разработчика постановки задачи 14,00
Таблица 4.27
норма 3В
К1=0,832
К2=1
К3=1,26
Кобщ=1,05
п.1.7(таблица 1.1)
п.1.7(таблица 1.3)
п.1.9(таблица 1.5)
Кобщ=К1∙К2∙К3 14,7
 
Затраты времени
разработчика ПО  12,00
Таблица 4.28
норма 3В
К1=0,832
К2=1
К3=1,26
Кобщ=1,05
п.1.7(таблица 1.1)
п.1.7(таблица 1.3)
п.1.9(таблица 1.5)
Кобщ=К1∙К2∙К3  12,6 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> Исходя из таблицы наразработку программного математического обеспечения одному человеку требуется179 дней. Норма рабочего времени на 2006 год составляет 168 часов в месяц, т.е.168/8=21 день в месяц.8.3 Основная заработная платапрограммиста в месяц
 
ЗП1=ЗПТ12∙(Кр∙Кнс∙Ксев– 1)∙Кн, (8.1)

где ЗПТ12 –тарифная заработная плата программиста двенадцатогоразряда по единой тарифной сетке, ЗПТ12= 2317,68р
Кр — районный коэффициент, Кр=1,3;
Кнс — коэффициент, учитывающий непрерывный стаж работы, Кнс=1,2;
Ксев — северный коэффициент, Ксев=1,25;
Кн — коэффициент начисления на заработную плату, Кн=1,85.
ЗП1=2317,68∙(1,3∙1,2∙1,25-1)∙1,85=4073,3р.Полная заработная плата программиста вмесяц, р
ЗП0=ЗП1∙(1+РФСН/100)∙(1+РДЗ/100),(8.2)где РФСН –отчисления в фонд социальных нужд, РФСН=26 %;РДЗ –отчисления на дополнительную заработную плату, РДЗ=8 %.
ЗП0=4073,3∙(1+8/100)∙(1+26/100)=5542,9р.
Затраты на выплату ЗП исполнителю программы
/>руб.,(8.3)
где НВР – расчетная норма времени на разработку программы,дней;
ФВР – месячный фонд времени, дней. ФВР = 21.
8.4 Расчет затрат на требующееся машинное время
Результирующий поправочный коэффициент
/>, (8.4)
где К1 – коэффициент,учитывающий степень новизны, группу сложности алгоритма, К1 = 1;
К2 — коэффициент,учитывающий объем входной информации, = 1,07.
/>
Затраченное машинное время
/>, (8.5)

где НВР – время работы ЭВМ, НВР = 66 часов.
/> часов.
Затраты машинного времени равны
/> руб.,(8.6)
где СТ – стоимость одного часа машинного времени (по даннымвычислительного центра ДВГТУ), СТ = 65р.
8.5 Расчет суммарных затрат на разработку ПМО
/> руб.(8.7)
8.6 Экономическая эффективность
Полученная виртуальная модельлабораторной работы намного превосходит по техническим и экономическимвозможностям реальную физическую лабораторную установку. В созданнойвиртуальной лабораторной работе имеется широчайший спектр возможностей поисследованию асинхронной машины в различных режимах работы, что в реальнойлаборатории требует больших финансовых расходов из-за дороговизны необходимогооборудования и затрат на электроэнергию.
Большим плюсом разрабатываемыхлабораторных работ является то, что виртуальную лабораторию можно использоватьв дистанционном обучении студентов и в различных учебных заведениях, где нетвозможности поработать в реальной лаборатории. Единственное, что необходимо дляработы виртуальной лаборатории, это наличие персонального компьютера, который внаше время является общедоступным и имеется в каждом учебном заведении.

9. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ РАБОТЕ ЗА КОМПЬЮТЕРОМ
 
9.1 Вопросы эксплуатации
Ни для кого не секрет, что компьютеризацию сегодня принято считатьпанацеей – только компьютер может повысить эффективность образования ипромышленности, банковского дела и торговли, объединить через Интернет весь мир.И, очевидно, эта «пандемия» неостановима. Как всякий новый этап вразвитии общества, компьютеризация несет с собой и новые проблемы. И одна изнаиболее важных – экологическая. Много слов в печати и в других СМИ сказано овредном влиянии компьютера на здоровье пользователей. Некоторые бойкие авторыдаже грозят вымиранием человечеству, сидящему за дисплеями. Необходимообъективно оценивать эти проблемы, ибо для борьбы с любой опасностью, преждевсего надо знать, что она собой представляет! У экологической проблемыкомпьютеризации две составляющие. Первая определяется физиологическимиособенностями работы человека за компьютером. Вторая – техническими параметрамисредств компьютеризации. Эти составляющие – «человеческая» и«техническая» – тесно переплетены и взаимозависимы. Исследованияподобных проблем – предмет эргономики, науки о взаимодействии человека,основной целью которой является создание совершенной и безопасной техники,максимально ориентированной на человека, организация рабочего места,профилактика труда. Эргономика изучает трудовую деятельность в комплексе, в нейобъединяются научные дисциплины, развивавшиеся прежде независимо друг от друга.

9.2 Влияние работы за компьютером на организм человека
 
Зрительная работа — уже в первые годы компьютеризации было отмеченоспецифическое зрительное утомление у пользователей дисплеев, получившее общееназвание «компьютерный зрительный синдром» (CVS-Computer VisionSyndrome). Причин его возникновения несколько. И, прежде всего –сформировавшаяся за миллионы лет эволюции зрительная система человека, котораяприспособлена для восприятия объектов в отраженном свете (картин природы,рисунков, печатных текстов и т. п.), а не для работы с дисплеем. Изображение надисплее принципиально отличается от привычных глазу объектов наблюдения – оносветится; состоит из дискретных точек; оно мерцает, т. е. эти точки сопределенной частотой зажигаются и гаснут; цветное компьютерное изображение несоответствует естественным цветам (спектры излучения люминофоров отличаются отспектров поглощения зрительных пигментов в колбочках сетчатки глаза, которыеответственны за наше цветовое зрение). Но не только особенности изображения наэкране вызывают зрительное утомление. При работе на компьютере часами у глаз небывает необходимых фаз расслабления, глаза напрягаются, их работоспособностьснижается. Большую нагрузку орган зрения испытывает при вводе информации, таккак пользователь вынужден часто переводить взгляд с экрана на текст иклавиатуру, находящиеся на разном расстоянии и по-разному освещенные. В чем жевыражается зрительное утомление? Сегодня уже миллионы пользователей жалуются назатуманивание зрения, трудности при переносе взгляда с ближних на дальние и сдальних на ближние предметы, кажущееся изменение окраски предметов, их двоение,неприятные ощущения в области глаз – чувство жжения, «песка»,покраснение век, боли при движении глаз.
Микротравма — это постепенный износ организма в результате ежедневныхнагрузок. Большинство нарушений в организме происходит из-за накапливающихсямикротравм. Такой тип повреждений не возникает вдруг, как перелом руки или ноги(микротравма). Прежде, чем вы почувствуете боль, может пройти несколько месяцевсидения в неправильной позе или повторяющихся движений. Боль может ощущатьсяпо-разному: в виде жжения, колющей или стреляющей боли, покалывания.
Повторяющиеся действия — приводят к накоплению продуктов распада вмышцах. Эти продукты и вызывают болезненные ощущения. Очень труднопредотвратить повторяющиеся движения кистей и ладоней при работе на компьютере,однако регулярные перерывы и упражнения на растягивание мышц могут этопредотвратить.
Осанка — это положение, которое принимает ваше тело, когда вы сидите закомпьютером. Последствия при неправильной осанки:
— головные боли,
— боль в шее,
— боль в руках и кистях.
Электромагнитное излучение — Спектр излучения компьютерного мониторавключает в себя рентгеновскую, ультрафиолетовую и инфракрасную области, а такжеширокий диапазон электромагнитных волн других частот. Опасность рентгеновскихлучей специалисты считают пренебрежимо малой, поскольку этот вид излученияпоглощается веществом экрана. В настоящее время внимание исследователей привлекаютбиологические эффекты низкочастотных электромагнитных полей, которые донедавнего времени считались абсолютно безвредными, так как, в отличие отионизирующих излучений, низкочастотные электромагнитные поля не могутрасщеплять или ионизировать атомы, т.е. не обладают свойствами, которые рядученых связывают с возникновением опухолей и других заболеваний. Однакорезультаты сотен лабораторных экспериментов, начавшихся в 60-х годах иразросшихся в 70-х и 80-х, показывали, что электромагнитные поля с частотой 60Гц могут инициализировать биологические сдвиги (вплоть до нарушения синтезаДНК) в клетках животных. Эпидемиологические исследования и работы другого родапоказали, что существует несомненная связь между нахождением в местах, гдепроходят линии электропередача, и возникновением опухоли у детей. Для тогочтобы ограничить потенциально опасные излучения видео дисплейных терминаловпользователь может предпринять следующие шаги.
9.3 Физиологические меры безопасности работы человека закомпьютером
Зрительная профилактика — плотно закрыть глаза руками так, чтобы черезних не проходил свет. Следить при этом за тем, чтобы посадка была удобной.Особое внимание — на спину и шею, они должны быть прямыми и расслабленными.Закрыв глаза, попытаться увидеть перед глазами абсолютно черный цвет. Удастсяэто не сразу, скорее всего, постоянно будут возникать цветные полоски, ромбикии кляксы. Чем чернее будет цвет, тем лучше расслаблены глаза. Многие людей сослабой близорукостью могут добиться полного восстановления зрения сразу послевыполнения этого упражнения.
Комплекс упражнений:
1.        Плотно закрыть ишироко открыть глаза 6 — 7 раз в течение 30 секунд.
2.        Посмотреть вверх,вниз, вправо, влево, не поворачивая головы.
3.        Вращать глазамипо кругу вниз, вправо, вверх, влево и затем в обратную сторону.
4.        Быстро-быстроморгать веками в течение 1-2 минут.
5.        Закрыть веки, азатем массировать их круговыми движениями пальцев в течение минуты.
Повторять каждое упражнение 2-3 раза с интервалом 1-2 минуты. Второе итретье упражнения делать не только с открытыми, но и с закрытыми глазами.Делать упражнения регулярно.
Избавления от микротравм — цель упражнения: укрепление мышц заднейстороны шеи для улучшения осанки и предотвращения болей в области шеи.Упражнение способствует предотвращению:
— синдрома запястного канала,
— втягиванию шеи вперед,
— дисфункции височно-нижнечелюстного сустава,
— грыжи межпозвоночных дисков шейного отдела,
— синдрома верхней апертуры грудной клетки.
Поза: сидя или стоя, взгляд направлен прямо, а не вверх и не вниз.Надавив указательным пальцем на подбородок, сделать движение шеей назад. В этомположении следует оставаться в течение 5 секунд.
Разминка — цель упражнения: растягивание мышц-разгибателей запястья ипальцев (мышц, проходящих через запястный туннель и входящих в кисть руки). Увеличениепритока крови по сосудам, проходящим через запястье и ладонь.
Профилактика синдрома запястного канала:
Поза: сидя или стоя, левая рука вытянута на уровне плеч. Отогнув левуюкисть назад, так, чтобы пальцы были направлены в потолок, правой рукойосторожно потянуть назад пальцы на левой руке, немного отгибая кисть назад. Вэтом положении следует оставаться в течение 10 секунд
Правильная осанка — при работе за компьютером лучше всего сидеть на 2,5см выше, чем обычно. Уши должны располагаться точно в плоскости плеч. Плечидолжны располагаться точно над бедрами. Голову нужно держать ровно по отношениюк обоим плечам, голова не должна наклоняться к одному плечу. При взгляде вниз,голова должна находиться точно над шеей, а не наклоняться вперед.
Защита от электромагнитного излучения — поскольку источник высокогонапряжения компьютера — строчный трансформатор — помещается в задней илибоковой части терминала, уровень излучения со стороны задней панели дисплея выше,причем стенки корпуса не экранируют излучения. Пользователи должны находится неближе чем на 1.2 м от задних или боковых поверхностей соседних терминалов. Рядспециалистов рекомендует сидеть на расстоянии 70 см от экрана своего дисплея.Кроме всего прочего на экран монитора рекомендуется устанавливать специальныефильтры. Хотя фильтры и не полностью поглощают магнитное поле, они все жечастично экранируют его, а также устраняют статические поля. При этом следуетотметить фильтры ERGOSTAR (на 99% ослабевающие электростатическое поле, на95-99% (в зависимости от частоты) подавляющие электромагнитное поле,исключающие мерцание экрана и блики). Фильтр всегда должен быть заземлен. Киному классу болезней, связанных с работой на компьютере, являются болезни, связанныес переутомлением зрения. К их числу можно отнести возникновение близорукости ипереутомления глаз, а также связанными с ними мигренями, головными болями,раздражительностью, нервному напряжению, стрессу и т.п. Для предотвращения этихболезней следует регулярно совершать перерывы в работе и делать упражнения,расслабляющие глаза. Следует также учесть, что оптимальный перепад яркости вполе зрения не должен превышать 10.
9.4 Технические методы увеличения безопасности работы закомпьютером
Рабочее пространство — научная организация рабочего пространствабазируется на данных о средней зоне охвата рук человека – 35 — 40 см. Ближнейзоне соответствует область, охватываемая рукой с прижатым к туловищу локтем,дальней зоне — область вытянутой руки.
Работа с клавиатурой — неправильное положение рук при печати наклавиатуре приводит к хроническим растяжениям кисти. Важно не столькоотодвинуть клавиатуру от края стола и опереть кисти о специальную площадку,сколько держать локти параллельно поверхности стола и под прямым углом к плечу.Поэтому клавиатура должна располагаться в 10 — 15 см (в зависимости от длинылоктя) от края стола. В этом случае нагрузка приходится не на кисть, в которойвены и сухожилия находятся близко к поверхности кожи, а на более «мясистую»часть локтя. Современные, эргономичные модели имеют оптимальную площадь дляклавиатуры за счет расположения монитора в самой широкой части стола. Глубинастола должна позволяет полностью положить локти на стол, отодвинув клавиатуру кмонитору.
Расположение монитора — Монитор, как правило, располагается чрезмерноблизко. Существует несколько научных теорий, по разному определяющих значимыефакторы и оптимальные расстояния от глаза до монитора. Например, рекомендуетсядержать монитор на расстоянии вытянутой руки. Но при этом, человек должен иметьвозможность сам решать, насколько далеко будет стоять монитор.
Именно поэтому конструкция современных столов позволяет менять глубинуположения монитора в широком диапазоне. Верхняя граница на уровне глаз или нениже 15 см ниже уровня глаз.
Внутренний объем — значимым фактором является под пространствостолешницей. Высота наших столов соответствует общепринятым стандартам, исоставляет 74 см. Также необходимо учесть, что пространства под креслом истолом должно быть достаточно, чтобы было удобно сгибать и разгибать колени.
Кресло — казалось бы, требования к нему сформулировать предельно просто,- оно должно быть удобным. Но это еще не все. Кресло должно обеспечиватьфизиологически рациональную рабочую позу, при которой не нарушается циркуляциякрови и не происходит других вредных воздействий. Кресло обязательно должнобыть с подлокотниками и иметь возможность поворота, изменения высоты и угланаклона сиденья и спинки. Желательно иметь возможность регулировки высоты ирасстояния между подлокотниками, расстояния от спинки до переднего краясиденья. Важно, чтобы все регулировки были независимыми, легко осуществимыми иимели надежную фиксацию. Кресло должно быть регулируемым, с возможностьвращения, чтобы дотянуться до далеко расположенных предметов.
Положение за компьютером – регулируемое, оборудование должно быть таким,чтобы можно было принять следующее положение:
— поставьте ступни плоско на пол или на подножку,
— поясница слегка выгнута, опирается на спинку кресла,
— руки должны удобно располагаться по сторонам,
— линия плеч должна располагаться прямо над линией бедер,
— предплечья можно положить на мягкие подлокотники на такой высоте, чтобызапястья располагались чуть ниже, чем локти,
— локти согнуты и находятся примерно в 3 см от корпуса,
— запястья должны принять нейтральное положение (ни подняты, ни опущены).
9.5 Требования, предъявляемые кпомещениям для ЭВМ
Освещенность. Помещения для ЭВМ должны удовлетворять 1 разряду зрительнойработы, подразряды В и Г. При этом, в силу специфики работы на ЭВМ, освещениедолжно быть искусственным. Нормы освещенности приведены в таблице 9.1 [10].
Таблица 9.1 — Нормы освещенностиРазряд зрительной работы Освещенность Комбинированное освещение Общее освещение 1в 2500 лк 750 лк 1г 1500 лк 400 лк
Шум. В залах для ЭВМ предельно допустимый эквивалентный уровень шума недолжен превышать 50 дБ. В помещениях, где работают инженерно-техническиеработники, осуществляющие лабораторный, аналитический или измерительный контрольэквивалентный уровень шума не должен превышать 50 дБ. В помещениях операторовЭВМ без дисплеев эквивалентный уровень шума не должен превышать 65 дБ.Предельно допустимые уровни звукового давления по отдельным группам частотприведены в таблице 9.2 [11].
Таблица 9.2 — Предельно допустимые уровни звукового давления по отдельнымгруппам частотЧастота 31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Уровень звукового давления, дБ 86 71 61 54 49 45 42 40 38
Электробезопасность. ЭВМ IBM PC с точки зрения электробезопасности нетребует заземления или зануления. Предельно допустимые уровни токов инапряжений прикосновения приведены в таблице 9.3 [12].
Таблица 9.3 — Предельно допустимые уровни токов и напряженийприкосновенияНапряжение не более 2V Ток не более 0.3 mA
Микроклимат. Предельно допустимые уровни температуры, относительнойвлажности и скорости движения ветра приведены в таблице 9.4 [13].
Таблица 9.4 — Предельно допустимые уровни температуры, относительнойвлажности и скорости движения ветра Холодный период Теплый период Температура
22 — 240С
23 — 250С Относительная влажность 40 — 60 % 40 — 60 % Скорость движения воздуха 0.1 м/с 0.1 м/с
Содержание вредных химических веществ в воздухе не должно превышатьсреднесуточных концентраций для атмосферного воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной дипломной работе былирассмотрены вопросы разработки виртуальных лабораторных работ по исследованиюасинхронных двигателей серии 4А с короткозамкнутым и фазным ротором. Описаныустройство, принцип действия и способы регулирования скорости асинхронныхдвигателей.
Рассмотрено математическое описаниеобобщённой асинхронной машины и приведены уравнения для моделирования АД внеподвижной системе координат. По этим уравнениям составлена схема модели АД ипроведён анализ переходных процессов в АД и сняты динамическая и статическаямеханические характеристики.
Поставленная задача реализована внаглядном и эффективном средстве визуального программирования моделей – пакете Simulink программы MATLAB.
Этот пакет также использовался приразработке методики выполнения виртуальных лабораторных работ по исследованиюасинхронных двигателей серии 4А с короткозамкнутым и фазным ротором. По этой методикебыло проведено исследование переходных процессов, пусковых свойств, снятиеестественных и искусственных механических характеристик при изменении питающегонапряжения, частоты тока и вводе добавочного сопротивления в цепь фазногоротора, а также снятие рабочих характеристик.
Выполнение данной работы имеетпрактическое значение, и будет использоваться в лаборатории электрических машинкафедры АУТС.
Разработанные виртуальныелабораторные работы намного превосходят по техническим и экономическимвозможностям реальную физическую лабораторную установку. В них имеетсяширочайший спектр возможностей по исследованию асинхронной машины в различныхрежимах работы, что в реальной лаборатории требует больших финансовых расходовиз-за дороговизны необходимого оборудования. Но они не являются полной заменойреальной физической лаборатории, а только дополняют её, путём подготовкистудентов, так как студенты должны получить практические навыки работы влаборатории.
Большим плюсом разработанныхлабораторных работ является то, что виртуальную лабораторную можно использоватьв дистанционном обучении студентов и в различных учебных заведениях, где нетвозможности поработать в реальной лаборатории. Единственное, что необходимо дляработы виртуальной лабораторной, это наличие персонального компьютера, которыйв наше время является общедоступным и имеется в каждом учебном заведении.
Произведён расчёт стоимости затрат наразработку программного обеспечения и экономический эффект от использованиявиртуальных лабораторных работ.
Рассмотрена техника безопасности,эксплуатация и влияние работы за компьютером на организм человека.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Герман — Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие – СПб.: Коронапринт, 2001. — 320 с.
2. Лазарев Ю.Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. — СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. — 512 с.
3. КитаевВ.Е., Шляпинтох Л.С. Электротехника с основами промышленной электроники.Учебное пособие для проф.-техн. учебных заведений. Изд. 2-е, переработ. и доп.М., «Высш. школа», 1968. — 416 с.
4. Яковлев Г.С.,Магаршак Б.Г., Маникин А.И. Судовые электрические ашины. Л., «Судостроение»,1972. — 384 с.
5. СергеевВ.Д. Методические указания к лабораторным работам №4 и №5 «Исследованиетрёхфазного асинхронного двигателя». Редакционно-издательский отдел ДВПИ, 1991.- 24 с.
6. КравчикА.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболенская Е.А. Асинхронные двигатели серии 4А:Справочник/А90 – М.: Энергоиздат, 1982. — 504 с.
7. Справочникпо электрическим машинам: В 2т./С74. Под общ. ред. Копылова И.П. и Клонова Б.К.Т.1.-М.: Энергоатомиздат, 1988. — 456 с.
8. Типовыенормы времени на программирование задач на ЭВМ. – метод. указания М., Экономика1989. — 125 с.
9. Охранатруда / Под ред. Б.А. Князевского. – М., 1992. — 311 с.
10. СНиП23-05-95 Нормы освещенности.
11. ГОСТ12.1.038-82 Предельно допустимые уровни токов и напряжений прикосновения.
12. ГОСТ12.1.003-81 Предельно допустимые уровни звукового давления по отдельным группамчастот.
13. СниП2.2.2 542-96 Предельно допустимые уровни температуры, относительной влажности искорости движения ветра.