Разработка виртуальных лабораторных работ по исследованию асинхронных двигателей

Дипломная работа

Разработка виртуальных лабораторных работ по исследованию асинхронных двигателей

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Система MATLAB

.1 История появления MATLAB

.2 Место MATLAB среди математических программ

.3 Возможности, визуализация и графические средства MATLAB

.4 Средства программирования MATLAB

. Асинхронный двигатель (АД) как объект исследования

.1 Принцип действия асинхронных машин в режимах двигателя, генератора с отдачей энергии в сеть и электромагнитного тормоза

.2 Устройство асинхронных двигателей

.3 Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами

.4 Способы пуска АД с коротокамкнутым ротором

.5 Способы пуска АД с фазным ротором

.6 Регулирование скорости АД с короткозамкнутым ротором

.7 Регулирование скорости АД с фазным ротором

. Математические модели асинхронной машины

.1 Математическое описание обобщённой асинхронной машины

.2 Метод пространственного вектора

.3 Математическая модель асинхронной машины в осях, вращающихся с произвольной скоростью

.4 Математическая модель асинхронной машины в неподвижной системе координат

. Разработка модели асинхронного двигателя в программе MATLAB

.1 Пакет визуального программирования Simulink

.2 Преобразование уравнений асинхронной машины в неподвижной системе координат

.3 Расчёт параметров модели для АД серии 4А

.4 Структурная схема модели в неподвижной системе координат и её поблочное описание

.5 Результаты моделирования

. Разработка виртуальной лабораторной работы на базе виртуальной асинхронной машины

.1 Структурная схема модели и её поблочное описание

.2 Результаты моделирования

.3 Сравнение моделей АД в неподвижной системе координат и модели на базе виртуальной асинхронной машины

. Разработка методики выполнения лабораторной работы

.1 Программа работы

.2 Ознакомление с программой MATLAB

.3 Объект исследования

.4 Исследование АД с короткозамкнутым ротором

.5 Исследование АД с фазным ротором

. Разработка программного обеспечения виртуальных лабораторных работ

. Экономическая часть

. Охрана труда

Заключение

Список использованных источников

математическая программа mat lab асинхронная машина

Введение

При подготовке специалистов по всем электротехническим и электроэнергетическим специальностям важное место занимает курс электрических машин.

На сегодняшний день подготовка грамотных специалистов невозможна без применения новых форм обучения с использованием компьютерных технологий, базирующихся на современных прикладных программных продуктах.

Владение теорией электрических машин является высокой составляющей профессиональной подготовки специалиста по электрическим машинам и системам электроприводов. Современные компьютерные технологии позволяют качественно изменить и существенно улучшить технологию изучения электрических машин, перевести её в виртуальную действительность, осуществить в этой виртуальной лаборатории исследования статических и динамических режимов работы электрических машин, их механических характеристик, условий пуска и технико-экономических показателей с получением количественных результатов.

Для грамотного использования компьютерных технологий при исследовании электрических машин необходимо хорошо знать и понимать физические процессы, протекающие в электрических машинах; знать уравнения, описывающие работу электрической машины; уметь рассчитать параметры для построения математических моделей. Использование компьютерных технологий позволит расширить круг и глубину изучаемых вопросов, провести множество экспериментов с использованием виртуальных электрических машин, что благотворно скажется на уровне подготовки специалистов.

В данной работе необходимо разработать и создать виртуальные лабораторные работы для изучения асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами и исследовать в них переходных процессы, пусковые свойства, естественные и искусственные механические, а также рабочие характеристики. Поставленная задача реализована в наглядном и эффективном средстве визуального программирования моделей - пакете Simulink программы MATLAB.

Разрабатываемые виртуальные лабораторные работы будут намного превосходить по техническим и экономическим возможностям реальную физическую лабораторную установку. В созданных виртуальных лабораторных работах будет иметь место широчайший спектр возможностей по исследованию асинхронной машины в различных режимах работы, что в реальной лаборатории требует больших финансовых расходов из-за дороговизны необходимого оборудования.

В полученных виртуальных лабораторных работах появится возможность исследования переходных процессов в асинхронном двигателе, снятия рабочих и искусственных механических характеристик при различных значениях добавочного сопротивления в цепи ротора, напряжения и частоты питающей сети.

Большим плюсом разрабатываемых лабораторных работ является то, что виртуальную лабораторию можно использовать в дистанционном обучении студентов и в различных учебных заведениях, где нет возможности поработать в реальной лаборатории. Единственное, что необходимо для работы виртуальной лаборатории, это наличие персонального компьютера, который в наше 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 эта система начала использоваться в конце 1970-х годов, широкое распространение она получила в конце 80-х, в особенности после появления на рынке версии 4.0. Последние версии MATLAB -это системы, которые содержат множество процедур и функций, необходимых инженеру и научному работнику для осуществления сложных численных расчетов, моделирования технических и физических систем и оформления результатов этих расчетов. MATLAB (сокращение от MATrix LABoratory - матричная лаборатория) представляет собой интерактивную систему, предназначенную для выполнения инженерных и научных расчетов и ориентированную на работу с массивами данных.

В последние годы в научных и инженерно-технических кругах получила широкое распространение система MATLAB. Более того, в настоящее время она принята в качестве официального средства оформления инженерной документации и научных публикаций. Система MATLAB специально создана для проведения именно инженерных расчетов: математический аппарат, который используется в ней, предельно приближен к современному математическому аппарату инженера и ученого. Функциональные зависимости здесь организованы в форме, которую требует именно инженерная документация.

1.2 Место MATLAB среди 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 широкие возможности по выполнению вычислений, производимых с матрицами, векторами и комплексными числами, а также графическое представление полученных результатов. Отличительной чертой является входной язык, максимально приближенный к обычному математическому языку.

А с Electronics Workbench общим является возможность создания моделей как отдельных обьектов так и систем, путём поблочного моделирования и спомощью специальных блоков наблюдать протекающие процессы в модели.

1.3 Возможности, визуализация и графические 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 и матрицами даже в режиме непосредственных вычислений. Ею можно пользоваться как мощнейшим калькулятором, в котором наряду с обычными арифметическими и алгебраическими действиями могут использоваться такие сложные операции, как обращение матрицы, вычисление ее собственных значений и векторов, решение систем линейных алгебраических уравнений и много других. Характерной особенностью системы является ее открытость, то есть возможность ее модификации и адаптации к конкретным задачам пользователя.

Привлекательной особенностью системы MATLAB является наличие встроенной матричной и 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 с алгебраическими полиномами, решение нелинейных уравнений и задач оптимизации, интегрирование функций в квадратурах, численное интегрирование дифференциальных и разностных уравнений, построение различных графиков, трехмерных поверхностей и линий уровня.предоставляет широкие возможности для работы с сигналами, для расчета и проектирования аналоговых и цифровых фильтров, включая построение их частотных, импульсных и переходных характеристик. Имеются в системе и средства выполнения спектрального анализа и синтеза, в частности реализации прямого и обратного преобразования Фурье. Благодаря этому ее довольно удобно использовать при проектировании электронных устройств.

Одной из наиболее привлекательных особенностей системы MATLAB является наличие в ней наглядного и эффективного средства составления программных 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 в диалоговом режиме, путем сборки на экране схемы соединений элементарных звеньев. 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. модель может иметь иерархическую структуру, то есть состоять из моделей более низкого уровня, причем количество уровней иерархии практически не ограничено.

1.4 Средства программирования

Система обеспечивает возможность обращения к программам, которые написаны на языках FORTRAN, С и C++. Система MATLAB использует собственный М-язык, который сочетает в себе положительные свойства различных известных языков программирования высокого уровня. С языком BASIC систему MATLAB роднит то, что она представляет собой интерпретатор (осуществляет пооператорное компилирование и выполнение программы, не образуя отдельного исполняемого файла), М-язык имеет незначительное количество операторов, в нем отсутствует необходимость объявлять типы и размеры переменных. От языка Pascal система MATLAB позаимствовала объектно-ориентированную направленность, то есть такое построение языка, которое обеспечивает образование новых типов вычислительных объектов на основе типов объектов, уже существующих в языке. Новые типы объектов (в MATLAB они называются классами) могут иметь собственные процедуры их преобразования (они определяют методы этого класса), причем новые процедуры могут быть вызваны с помощью обычных знаков арифметических операций и некоторых специальных знаков, которые применяются в математике.

Принципы сохранения значений переменных в MATLAB наиболее близки к тем, которые присущи языку FORTRAN, а именно: все переменные являются локальными - действуют лишь в границах той программной единицы (процедуры, функции или главной, управляющей программы), где им присвоены некоторые конкретные 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 является управляющей). В отличие от языков BASIC и Pascal, в языке MATLAB нет глобальных переменных, действие которых распространялось бы на все программные единицы. Но при этом язык MATLAB обладает возможностью, которая отсутствует в других языках. Интерпретатор MATLAB позволяет в одном и том же сеансе работы выполнять несколько самостоятельных программ, причем все переменные, используемые в этих программах, являются для них общими и образуют единое рабочее пространство. Это дает возможность более рационально организовывать сложные (громоздкие) вычисления по типу оверлейных структур.

Язык программирования системы MATLAB весьма прост, он содержит лишь несколько десятков операторов; незначительное количество операторов здесь компенсируется большим числом процедур и функций, содержание которых понятно пользователю, имеющему соответствующую математическую и инженерную подготовку.

В отличие от большинства математических систем, MATLAB является открытой системой: практически все ее процедуры и функции доступны не только для использования, но и для модификации. Почти все вычислительные возможности системы можно применять в режиме чрезвычайно мощного научного калькулятора, а также составлять собственные программы, предназначенные для многоразового применения; это делает MATLAB незаменимым средством проведения научных исследований. По скорости выполнения задач MATLAB опережает многие другие подобные системы. Все эти особенности делают ее весьма привлекательной для использования.

С системой MATLAB поставляются свыше ста подробно прокомментированных М-файлов, которые содержат демонстрационные примеры и определения новых операторов и функций. Наличие этих примеров и возможность работать в режиме непосредственных вычислений значительно облегчают изучение системы пользователями, заинтересованными в применении математических расчетов.

2. Асинхронный двигатель (АД) как объект исследования

2.1 Принцип действия асинхронных машин в режимах двигателя, генератора с отдачей энергии в сеть и электромагнитного тормоза

2.1.1 Принцип действия двигателя

Асинхронной машиной называется такая машина переменного тока, скорость вращения ротора которой не находится в строгом соответствии с частотой тока сети. Как и все электрические машины, асинхронные машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме.

При протекании трёхфазной системы токов по трёхфазной обмотке статора в двигателе создаётся магнитное поле с индукцией В(х), распределённой вдоль окружности воздушного зазора между статором и ротором по синусоидальному закону и вращающееся в направлении чередования фаз с угловой скоростью w ₁ (рисунок 2.1)

,(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 во времени потокосцепление с контурами обмоток статора и ротора, индуктирующее в этих контурах ЭДС электромагнитной индукции. Под действием ЭДС ротора в проводниках его обмотки протекают переменные токи, взаимодействующие с вращающимся магнитным полем. В результате этого взаимодействия на проводники ротора действуют электромагнитные силы (силы Ампера), определяющие момент М, который может привести ротор во вращение с угловой скоростью w < w₁ в направлении вращения поля, преодолевая момент сопротивления М_с рабочего механизма, сочленённого с двигателем. Если бы, разгоняясь, ротор догнал вращающееся магнитное поле, то перестало бы изменяться потокосцепление обмотки ротора, исчезли бы её ЭДС и ток и, следовательно, электромагнитные силы и 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 при такой скорости вращения w < w₁, при которой ЭДС и ток ротора обеспечивают момент М, равный по значению моменту сопротивления М_с механизма, т.к. согласно уравнению движения системы механически связанных тел ускорение (замедление):

(dw /dt)= (М - М_с)/J , (2.3)

где J - суммарный момент инерции роторов двигателя и механизма.

Таким образом, энергия источника переменного тока (сети), подводимая к обмотке статора, превращается в механическую энергию на валу, передаваемую рабочему механизму, и частично в потери (в сопротивлениях обмоток, на трение вращающихся частей, на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных сердечниках статора и ротора). При этом ротор вращается со скоростью w< w₁, т.е. асинхронно с магнитным полем.Ротор вращается под действием электромагнитного момента М в направлении вращения магнитного поля. Следовательно, для изменения направления вращения ротора (реверса) необходимо изменить чередование фаз напряжения, подводимого к обмотке статора, т.е. поменять присоединение двух любых проводов.

2.1.2 Генераторный режим с отдачей энергии в сеть

Асинхронные машины, как и все электрические машины, обратимы и при известных условиях могут работать в генераторном режиме.

Допустим, что с помощью какого-либо первичного двигателя ротор асинхронной машины, включенной в сеть, будет вращаться в прежнем направлении, но со скоростью ω, превышающей синхронную ω₁. При этом полярность поля статора сохраним ту же, что и в двигательном режиме. Тогда скольжение s станет отрицательным и ротор при вращении будет обгонять вращающееся магнитное поле, а его проводники будут пересекать силовые линии в направлении, обратном тому, которое было при работе машины в двигательном режиме. Вследствие этого ЭДС и токи в роторе изменяют свое на правление на обратное. В результате изменяет свое направление сила взаимодействия вращающегося поля и токов ротора, а также момент на валу, т. е. развиваемый асинхронной машиной момент становится отрицательным по отношению к моменту первичного двигателя. Таким образом, асинхронная машина будет работать генератором, преобразовывая механическую энергию, получаемую or первичного двигателя, в электрическую, отдаваемую в сеть.

2.1.3 Режим электромагнитного тормоза

В практике иногда требуется быстро затормозить асинхронный двигатель, преодолевая его инерцию, или использовать двигатель для торможения приводного механизма, например для уменьшения скорости при спуске грузов в крановых и подъемных сооружениях. В режиме тормоза асинхронная машина будет работать в том случае, если ротор приводится во вращение посторонним усилием в сторону, противоположную вращению поля (режим противовключения). Совершенно очевидно, что в этом случае вращающий момент будет направлен против направления вращения ротора и будет его тормозить. Чтобы перейти в тормозной режим работы, двигатель должен вначале остановиться, т. е. его скольжение s = +1. Для осуществления этого режима необходимо в цепь ротора 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 по отношению к скорости поля ω₁. Следовательно, при работе в тормозном режиме скольжение s>+l.

Для быстрой остановки двигателя также используют режим противовключения асинхронных двигателей переключением двух из трех питающих статор проводов. При этом направление вращения поля становится противоположным направлению вращения ротора, который продолжает вращаться за счет силы инерции.

Для уменьшения возникающего при этом всплеска тока в цепь ротора включается реостат, подобно тому, как это было при пуске двигателя. Как известно, при включении в цепь ротора активного сопротивления максимальное значение момента смещается в сторону большего скольжения. Кроме увеличения тормозного момента реостат уменьшает большие величины токов, получающиеся в двигателе при противовключении.

2.2 Устройство асинхронных двигателей

Основными частями асинхронного двигателя являются неподвижный статор и вращающийся внутри него ротор, отделенный от статора воздушным зазором. С целью уменьшения вихревых токов сердечники ротора и статора собираются из отдельных листов, отштампованных из электротехнической стали и изображенных на рисунке 2.2. Листы изолируются друг от друга тонким слоем лака (в маломощных машинах - слоем окалины).

Рисунок 2.2 - Листы сердечника статора и ротора асинхронного двигателя

Сердечник статора встраивается в корпус, являющийся внешней частью машины. Сердечник ротора укрепляется либо непосредственно на валу двигателя, либо на втулке, выполненной в форме крестовины и надетой на вал двигателя. Вал вращается в подшипниках, которые укреплены в торцовых щитах двигателя, называемых подшипниковыми щитами.

Поскольку магнитный поток асинхронного двигателя создается подключенной к сети обмоткой статора, то и намагничивающий ток потребляется двигателем из сети. С целью уменьшения величины этого тока магнитное сопротивление потоку должно быть как можно меньше. Для этого величина воздушного зазора принимается настолько малой, насколько это возможно по соображениям механической конструкции. У машин малой мощности зазор равен 0,3 мм, а у машин большой мощности 1,5 мм. В синхронных машинах, у которых основной поток создается постоянным током, воздушный зазор гораздо больше: он достигает 3-15 мм. Статор асинхронного двигателя ничем не отличается от статора синхронной машины. Как уже было сказано, сердечник статора набирается из отдельных изолированных листов, которые для лучшего охлаждения делятся воздушными каналами на отдельные пакеты. Трёхфазная распределённая обмотка статора асинхронного двигателя, уложена в изолированные пазы статора. Пазы статора, как правило, имеют полузакрытую форму, при которой сохраняется удобство укладки обмотки в пазы и, кроме того, удается получить наименьшие значения тока намагничивания, от которого в свою очередь зависит также и коэффициент мощности cosj двигателя. Обмотка статора выполняется из медных изолированных проводников.

Ротор асинхронного двигателя в зависимости от вида обмотки может быть выполнен фазным или короткозамкнутым. Роторы выполняются из листов электротехнической стали, собранных между двумя нажимными шайбами.

Пазы ротора (обычно полузакрытой формы) идут вдоль оси машины и равномерно расположены на поверхности по всей окружности.

Наиболее проста конструкция короткозамкнутого ротора, в пазы которого укладываются круглые или прямоугольные стержни из меди или алюминия, неизолированные, замкнутые накоротко на обоих концах ротора при помощи медных или 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 Р_н ≤ 100кВт современные короткозамкнутые роторы часто выполняются в виде клетки, изготовляемой заливкой пазов ротора алюминием. Стержни и замыкающие кольца с вентиляционными лопатками представляют собой в этом случае одну цельную отливку.

Ротор асинхронной машины с фазными обмотками - фазный ротор - имеет в пазах трехфазную обмотку, аналогичную обмотке статора. Фазы обмотки соединены в звезду, а выводы обмотки присоединяются к медным контактным кольцам, укрепленным на валу машины и изолированным как друг от друга, так и от вала. На контактных кольцах установлены щётки, выводы от которых расположены в коробке выводов. К этим выводам подключают пусковые или регулировочные реостаты.

2.3 Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами

Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора. В качестве таких конструкций широко используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами.

2.3.1 АД с глубокопазным ротором

В двигателях с глубокими пазами на роторе его короткозамкнутая обмотка выполняется в виде тонких высоких полос (рисунок 2.4). При такой конструкции обмотки происходит оттеснение тока к верхней части проводников вследствие того, что нижние части проводников сцеплены с большим числом магнитных линий потока рассеяния, чем верхние части.

Таким образом, ток, протекающий по проводникам, стремится сконцентрироваться преимущественно в верхней их части, что равносильно уменьшению поперечного сечения или увеличению активного сопротивления этих проводников.

Рисунок 2.4 - Схема устройства ротора с глубокими пазами и явление вытеснения тока: а) магнитное поле; б) диаграмма распределения плотности тока; в) рабочая часть проводника

Это явление оттеснения тока в верхние части проводников особенно сильно сказывается в момент включения двигателя, когда частота тока в роторе равна частоте тока сети и, следовательно, при пуске в ход увеличивается активное сопротивление обмотки ротора, в результате чего возрастает пусковой момент.

При увеличении скорости вращения ротора частота тока в его обмотке уменьшается, и ток более равномерно распределяется по сечению стержней и при нормальной скорости вращения неравномерность распределения тока по поперечному сечению стержней почти полностью исчезает.

Пусковой момент двигателей этого типа М_П = (1,2 - 1,5)М_Н.

2.3.2 АД с двойной короткозамкнутой обмоткой ротора

Ротор этого типа имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде беличьих клеток (рисунок 2.5).

Число пазов верхней А и нижней Б клеток может быть одинаково или различно.

Рисунок 2.5 - Схема устройства ротора с двойной короткозамкнутой обмоткой

Верхняя клетка А выполнена из стержней малого поперечного сечения, а нижняя Б - из стержней большого поперечного сечения. Поэтому активное сопротивление обмотки А оказывается значительно большим, чем активное сопротивление обмотки Б (r_A > r_Б).

Вследствие того что стержни внутренней обмотки Б глубоко погружены в тело ротора и окружены сталью, индуктивное сопротивление внутренней обмотки значительно больше, чем индуктивное сопротивление внешней обмотки (Х_Б >>X_A).

При пуске в ход ток в основном протекает по проводникам внешней обмотки А, имеющей меньшее индуктивное и большее активное сопротивление. Эта обмотка называется пусковой.

В рабочем режиме скольжение мало и, следовательно, частота тока в роторе также мала. Поэтому индуктивные сопротивления обмоток не имеют значения и токи в обмотках А и Б обратно пропорциональны активным сопротивлениям.

Таким образом, в рабочем режиме ток в основном протекает по проводникам внутренней обмотки Б, имеющей меньшее активное сопротивление. Эта обмотка называется рабочей.

При такой конструкции ротора увеличивается активное сопротивление его обмотки в момент пуска в ход двигателя, что увеличивает пусковой момент.

Таким образом, в двигателях с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами пусковые моменты больше и пусковые токи меньше, чем у обычных короткозамкнутых двигателей.

Однако рабочие характеристики этих двигателей несколько хуже, чем обычных короткозамкнутых двигателей - несколько меньше cosj, КПД и максимальный момент, так как у этих двигателей больше 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 пусковым характеристикам, так как вопросы связанные с пуском в ход, имеют большое значение. При решении вопросов пусковых характеристик необходимо учитывать, с одной стороны, условия работы сети, к которой подключается асинхронный двигатель, и, с другой стороны, требования, которые предъявляются к приводу. Оценка пусковых свойств двигателя производится по пусковым характеристикам, к которым следует отнести начальный пусковой ток I_п, или его кратность I_п/I_н и начальный пусковой момент М_п или его кратность М_п/М_н.

Способы пуска АД с короткозамкнутым ротором: прямой пуск, реакторный и автотрансформаторный.

2.4.1 Прямой пуск АД

В настоящее время в связи со значительным ростом мощностей энергетических систем пуск в ход короткозамкнутых асинхронных двигателей в преобладающем большинстве случаев осуществляется очень простым способом (рисунок 2.6), а именно непосредственным включением в сеть.

В первый момент пуска, когда скорость вращающегося магнитного поля ω₁ относительно неподвижного ротора (ω = 0) имеет наибольшую величину, в обмотке ротора будет наводиться значительная ЭДС, величина которой во много раз превышает номинальное значение при вращающемся роторе. Например, если при номинальной нагрузке двигателя скольжение составляет s_ном = 0,05, а ЭДС в роторе E_2ном, то в начальный момент пуска при стоянке ротора, когда s = 1, т. е. в начальный момент пуска ЭДС, наводимая в роторе, будет в 20 раз больше, чем при номинальной нагрузке.

Соответственно значительно возросшей ЭДС ротора ток, создаваемый ею в роторе при пуске, также будет большим, превышающим номинальный в несколько (до восьми) раз. То обстоятельство, что кратность пускового тока в роторе меньше кратности ЭДС, объясняется увеличением реактивного сопротивления ротора при увеличении частоты тока, которая в начальный момент пуска достигает частоты статора. Пусковой ток в обмотке статора при этом будет весьма значительным, превышающим в несколько раз номинальный. Современные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют кратность пускового тока, составляющую 4-7 от номинального.

Поскольку большинство двигателей и приводимых ими механизмов имеет относительно небольшую инерцию, скорость двигателей при пуске достаточно быстро увеличивается до значения, соответствующего моменту нагрузки. Период пуска продолжается обычно не более нескольких секунд, вследствие чего пусковые токи статора и ротора не представляют опасности для двигателя, так как нагрев обмоток не успевает достигнуть опасных температур. Значение пускового момента находится в пределах 0,8-1,5 от номинального.

Рисунок 2.6 - Схема прямого пуска асинхронного короткозамкнутого двигателя

2.4.2 Реакторный и автотрансформаторный пуск АД

Недостаток прямого пуска: понижение напряжения сети из-за большого пускового тока I_п, если мощность двигателя соизмерима с мощностью сети.

Для уменьшения I_п и уменьшения падения напряжения сети, к двигателю подводится пониженное напряжение с помощью реактора или автотрансформатора.

При реакторном пуске в качестве пускового сопротивления обычно используется индуктивное сопротивление (реактор), включаемое на время пуска двигателя последовательно с обмоткой его статора.

Пуск осуществляется в следующем порядке. На первой стадии пуска подключается индуктивное сопротивление, после чего двигатель начинает вращаться. Когда скорость вращения достигает определенного значения, индуктивное сопротивление выключается (шунтируется) и к двигателю подается полное напряжение.

Если обозначить уменьшения тока I_п коэффициентом К_I, то, при реакторном пуске пусковой момент двигателя уменьшаются в K²_I раз.

Для понижения напряжения, подводимого к двигателю при пуске, можно использовать также автотрансформатор. Этот способ, как и предыдущий, требует специального пускового аппарата - автотрансформатора, который удорожает установку.

Если обозначить через К_А коэффициент трансформации автотрансформатора, то, как показывает подробный анализ, который здесь не приводится, при пуске этим способом пусковой ток в сети и пусковой момент двигателя уменьшаются в K²_A раз.

В этом случае величина пускового момента при прочих равных условиях будет больше, чем при реакторном пуске, что, безусловно, является преимуществом способа пуска короткозамкнутых асинхронных двигателей с помощью автотрансформатора.

2.5 Способы пуска АД с фазным ротором

В тех случаях, когда требуется большое значение пускового вращающего момента, используют асинхронные двигатели с фазным ротором.

Пуск этих двигателей осуществляется с помощью активных сопротивлений (реостатов), последовательно включаемых в цепь ротора (рисунок 2.7, а).

Рисунок 2.7 - а) схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, б) кривые зависимости вращающего момента от скольжения при различных значениях пусковых сопротивлений

Реактивное сопротивление ротора Х₂ всегда больше его активного сопротивления, вследствие чего для увеличения пускового момента двигателя необходимо вводить в цепь ротора активное добавочное сопротивление. Благодаря этому активное сопротивление цепи ротора увеличивается, 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 даже увеличиться. Подключение двигателя к сети при сниженном пусковом токе, не будет вызывать резких изменений ее напряжения.

Для того чтобы величина момента при разгоне двигателя изменялась в меньших пределах и пуск проходил быстрее, пуск выполняют ступенчатым.

Двигатель с фазным ротором, пускаемый в ход с помощью ступенчатого пускового реостата, обладает хорошими пусковыми характеристиками, позволяющими сохранить за все время разбега большой пусковой момент, сокращая тем самым время разгона.

Пусковые реостаты обычно изготовляются трехфазными из металлической проволоки или ленты повышенного удельного сопротивления (нихром, фехраль). Величину сопротивления выбирают с таким расчетом, чтобы отношение пускового и номинального токов I_п/I_ном было равно 2-2,5.

На рисунке 2.7, б изображены кривые зависимости вращающего момента от скольжения при различных значениях пусковых сопротивлений в процессе пуска асинхронных двигателей с фазным ротором.

2.6 Регулирование скорости АД с короткозамкнутым ротором

Изменение скорости вращения двигателей с короткозамкнутым ротором возможно при изменении частоты f₁, U₁ и числа пар полюсов р. К способам регулирования скорости предъявляются весьма высокие требования как в отношении их экономичности и надежности в работе, так и в отношении пределов и плавности регулирования.

2.6.1 Регулирование скорости изменением частоты питающей сети

Частота промышленных сетей f₁ обычно постоянна и равна 50 Гц. Поэтому для изменения частоты питающей сети требуется применять преобразователь частоты. Следует иметь в виду, что при изменении частоты напряжения на зажимах, магнитный поток, ток холостого хода, вращающий момент, мощность и другие параметры машины в общем случае также не остаются постоянными. Механические характеристики при изменении частоты f₁ и постоянном напряжении представлены на рисунке 2.8.

При регулировании скорости желательно сохранять перегрузочную способность, для этого необходимо одновременно и пропорционально изменять частоту и ЭДС обмотки статора или питающее напряжение U₁, так как оно мало отличается от ЭДС. Этот способ позволяет обеспечить широкий диапазон плавного и экономичного регулирования скорости. Механические характеристики при этом способе регулирования скорости представлены на рисунке 2.9.

Рисунок 2.8 - Механические характеристики при различных частотах и неизменном напряжении

Рисунок 2.9 - Механические характеристики при пропорциональном изменении частоты и напряжения

2.6.2 Регулирование скорости изменением числа пар полюсов

Так как скорость вращения вращающегося поля ω₁ = 60f₁/p, при постоянном значении частоты сети f₁ зависит только от числа пар полюсов этого поля, то, изменяя его, можно изменить также и скорость вращения ротора двигателя. Этот способ дает возможность регулировать скорость вращения асинхронного двигателя без таких больших потерь мощности, как при реостатном способе, что достигается за счет усложнения и удорожания конструкции машины.

Ввиду того, что число пар полюсов р может быть только целым числом, при переключении числа пар полюсов изменение скорости будет происходить ступенчато. Такие двигатели часто называются многоскоростными.

Разместив на статоре две отдельные обмотки (одну на р пар полюсов, а другую на p₁ пар полюсов) и включая их поочередно, можно получить две скорости вращения поля, а следовательно, и две скорости вращения ротора. Отношение скоростей будет обратно пропорционально отношению числа пар полюсов.

Ротор двигателя при этом должен иметь короткозамкнутую обмотку, для которой число полюсов создаваемого поля всегда равно числу полюсов вращающегося поля обмотки статора.

Рисунок 2.10 - Изменение числа пар полюсов асинхронного двигателя переключением цепей обмотки статора: а - при большем числе полюсов; б - при числе полюсов в 2 раза меньшем

Более простым и дешевым является способ, при котором на статоре укладывается одна обмотка, позволяющая производить изменение числа пар полюсов обмотки статора.

Увеличение или уменьшение пар полюсов, например, вдвое может быть произведено сравнительно просто. 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 схемы обмотки статора при изменении числа пар полюсов в отношении 2:1.

Следовательно, при переключении числа пар полюсов могут быть изменены характеристики обмотки и индукция в воздушном зазоре.

Различными способами переключения числа пар полюсов можно осуществить работу двигателя в двух режимах: 1) сохраняя постоянство вращающего момента и изменение мощности пропорционально скорости вращения (переключение обмотки со звезды на двойную звезду); 2) сохраняя примерное постоянство мощности и изменение вращающего момента обратно пропорционально скорости вращения (переключение обмотки с треугольника на двойную звезду).

Асинхронные двигатели с переключением числа пар полюсов изготовляют в основном как двухскоростные и реже (небольшой мощности) как трех- и четырехскоростные.

Трех- и четырехскоростные двигатели выпускают с двумя обмотками на статоре, причем одну из них или обе выполняют с переключением числа пар полюсов.

К недостаткам многоскоростных двигателей следует отнести их увеличенные размеры по сравнению с нормальными асинхронными двигателями и более высокую стоимость.

Рисунок 2.11 - Механические характеристики при изменении числа пар полюсов переключением с треугольника на двойную звезду

2.6.3 Регулирование скорости изменением напряжения источника питания

Диапазон регулирования скорости не большой и снижается с уменьшением нагрузки, так как максимальный момент, развиваемый двигателем, зависит от квадрата напряжения источника питания. Так при уменьшении напряжения в 2 раза, максимальный момент уменьшится в 4 раза.  Способ целесообразно применять для двигателей с повышенным скольжением (мягкой характеристикой) иначе диапазон регулирования будет незначительным. Серийно выпускаются тиристорные и транзисторные регуляторы напряжения.

Рисунок 2.12 - Механические характеристики при изменении напряжения

2.7 Регулирование скорости АД с фазным ротором

Для АД с фазным ротором используются следующие способы регулирования скорости: реостатный, изменением питающего напряжения, и введением добавочной ЭДС в цепь ротора.

Схема регулирования скорости вращения асинхронных двигателей с фазным ротором при помощи реостата в цепи ротора не отличается 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 делает механическую характеристику более пологой, что приводит к увеличению скольжения, а следовательно, к уменьшению скорости вращения. Этот способ дает возможность регулировать скорость 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 он связан с большими непроизводительными потерями энергии в реостатах.  Однако, несмотря на неэкономичность этого способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя, он довольно часто применяется на практике, в основном для регулирования скорости вращения двигателей небольшой мощности и при кратковременной работе на малых скоростях.

Рисунок 2.13 - Механические характеристики при различных сопротивлениях в цепи ротора

Также регулирование скорости можно получить путём одновременного ввода добавочного сопротивления в цепь ротора и понижением напряжения источника питания. При таком способе необходимо учесть, что максимальный момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения, а также механическая характеристика становится мягче.

Рисунок 2.14 - Механические характеристики при различных сопротивлениях в цепи ротора и одновременном понижении напряжения

3. Математические модели асинхронной машины

3.1 Математическое описание обобщённой машины

Обобщённая асинхронная машина содержит трёхфазную обмотку на 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 на втором законе Кирхгофа.

В уравнениях (3.1) фигурируют мгновенные напряжения, токи и потокосцепления статора и ротора, а также активные сопротивления обмоток. Обычно обмотки выполняются симметричными, к поэтому R_А=R_В=R_С=Rs - активное сопротивление статорной обмотки, R_а=R_b=R_с=R_R - активное сопротивление роторной обмотки. Вторым используемым законом является закон Ампера, который связывает потокосцепления обмоток с токами, протекающими по обмоткам:

Для статора:

 (3.2 а)

Для ротора:

 (3.2 б)

Удивительно симметричные уравнения для определения потокосцеплений показывают, что потокосцепление каждой обмотки зависит от токов во всех обмотках; эти зависимости проявляются через взаимоиндукцию. В уравнениях (3.2) L_АА, L_BB, L_CC, L_aa, L_bb, L_cc, являются собственными индуктивностями соответствующих обмоток, все остальные - 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 на валу машины, учитывающий инерционность как самой машины, так и приведенной к валу 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 угла поворота, . Наконец, четвертым и последним законом, лежащим в основа анализа машины, является закон, сформулированный Ленцем, как правило левой руки. Этот закон связывает векторные величины момента, потокосцепления и тока:

.(3.4)

Следует сразу подчеркнуть, что, несмотря на полное и строгое математическое описание, использование уравнений (3.1) - (3.4) для исследования машины 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 количество коэффициентов - 44;

коэффициенты взаимоиндукции между обмотками статора и ротора в уравнениях (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 перемножаются переменные.

3.2 Метод пространственного вектора

На пути упрощения математического описания асинхронной машины, да и вообще всех машин переменного тока, удивительно удачным и изящным оказался метод пространственного вектора, который позволил существенно упростить и сократить вышеприведенную систему уравнений; метод позволяет связать уравнения (3.1-3.4) в единую систему с векторными переменными состояния. Суть метода состоит в том, что мгновенные значения симметричных трехфазных переменных состояния (напряжения, токи, потокосцепления) можно математически преобразовать так, чтобы они были представлены одним пространственным вектором. Это математическое преобразование имеет вид (например, для тока статора):

(3.5)

где - векторы, учитывающие пространственное смещение обмоток, - симметричная трехфазная система токов статора.

Подставив в уравнения (3.5) значение мгновенных токов, найдем математическое описание пространственного вектора статорного тока:

(3.6)

На рис. 3.1 представлена геометрическая интерпретация пространственного вектора тока - это вектор на комплексной плоскости с модулем (длиной) I_m, вращающийся с угловой скоростью w в положительном направлении. Проекции вектора  на фазные оси А, В, С определяют мгновенные токи в фазах. Аналогично пространственными векторами можно представить 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 к уравнениям в пространственных векторах умножим их на выражения: первые уравнения на , вторые - на , третьи - на , - и сложим раздельно для статора и ротора. Тогда получим:

(3.7)

где L_S, L_R - собственные индуктивности статора и ротора, L_m(q) -взаимная индуктивность между статором и ротором. Таки образом, вместо двенадцати уравнений (3.1)-(3.2) получено лишь четыре уравнения (3.7).

Шаг второй. Переменные коэффициенты взаимной индукции уравнениях для потокосцеплений (3.7) являются результатом того, что уравнения равновесия ЭДС для статора записаны в неподвижно системе координат, связанной со статором, а уравнения равновесия ЭДС для ротора записаны во вращающейся системе координат, связанной с ротором. Метод пространственного вектора позволяет записать эти уравнения в единой системе координат, вращающейся произвольной скоростью w_к. В этом случае уравнения (3.7) преобразуются к виду:

(3.8)

где w = р•w_m, 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 данным двигателя, 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 вводится потокосцепление взаимной индукции . В этом случае появляется ещё четыре возможности представления электромагнитного момента машины через следующие пары: . После выбора той или иной пары уравнение момента приобретает определенность, а количество уравнений в системе (3.8) сокращается до двух. Кроме того, в уравнениях (3.3) и (3.4) векторные величины момента и скорости могут быть заменены их модульными значениями. Это является следствием того, что пространственные векторы токов и потокосцеплений расположены и плоскости, перпендикулярной оси вращения, а векторы момента и угловой скорости совпадают с осью. В качестве примера запись уравнений момента через 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 с фазной обмоткой, если к ней не подключено питающее напряжение, можно получить из уравнений (3.10), если в этих уравнениях положить .

(3.11)

Для динамических систем необходимо учитывать переходные электромагнитные процессы в машине. В этом случае в качестве пары переменных, описывающих машину, оставим пространственные векторы тока статора и потокосцепления ротора (), тогда уравнения (3.11) с учётом уравнений для потокосцеплений (3.8) после соответствующих преобразований примут вид:

(3.12)

где - коэффициенты.

3.4 Математическая модель асинхронной машины в неподвижной системе координат

Для того чтобы лучше понять физические процессы, происходящие в асинхронной машине, исследуем машину в неподвижной системе координат.

В неподвижной комплексной системе координат () вещественная ось обозначается через 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 в программе MATLAB

4.1 Пакет визуального программирования Simulink

Одной из наиболее привлекательных особенностей системы MATLAB является наличие в ней наглядного и эффективного средства составления программных 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 в диалоговом режиме, путем сборки на экране схемы соединений элементарных (стандартных или пользовательских) звеньев. В результате такой сборки получается модель системы (называемая S-моделью), которая сохраняется в файле с расширением *.mdl. Такой процесс составления вычислительных программ принято называть визуальным программированием.модель может иметь иерархическую структуру, то есть состоять из моделей более низкого уровня, причем количество уровней иерархии практически не ограничено. В процессе моделирования есть возможность наблюдать за процессами, которые происходят в системе. Для этого используются специальные блоки («обзорные окна»), входящие в состав библиотеки Simulink. Библиотека может быть пополнена пользователем за счет разработки собственных блоков.

Создание моделей в пакете Simulink основывается на использовании технологии Drag-and-Drop (шаг за шагом). В качестве «кирпичиков» при построении S-модели применяются визуальные блоки (модули), которые сохраняются в библиотеках Simulink.

Библиотека блоков Simulink (рисунок 4.1) - это набор визуальных объектов, при использовании которых, соединяя отдельные блоки между собой линиями связей, можно составлять функциональную блок-схему любого устройства.

Рисунок 4.1 - Окно Simulink Library Browser

Сборка блок-схемы S-модели заключается в том, что графические изображения выбранных блоков с помощью мыши перетягиваются из окна раздела библиотеки в окно блок-схемы, а затем выходы одних блоков в окне блок-схемы соединяются со входами других блоков (также с помощью мыши). Соединение блоков выполняется следующим образом: указатель мыши подводят к определенному выходу нужного блока (при этом указатель должен приобрести форму крестика), нажимают левую кнопку и, не отпуская ее, перемещают указатель к нужному входу другого блока, а потом отпускают кнопку. Если соединение осуществлено верно, на входе последнего блока появится изображение черной стрелки.

Сборка модели осуществляется в рабочем поле специального окна (рисунок 4.2). Это окно имеет строку меню, панель инструментов и рабочее поле. Меню File (Файл) содержит команды, предназначенные для работы с МDL - файлами; меню Edit (Правка) - команды редактирования блок-схемы; меню View (Вид) команды изменения внешнего вида окна; меню Simulation (Моделирование) - команды управления процессом моделирования; меню Format (Формат) - команды редактирования формата (то есть команды, позволяющие изменить внешний вид отдельных блоков и блок-схемы в целом). Меню Tools (Инструменты) включает некоторые дополнительные сервисные средства, предназначенные для работы с S-моделью.

Рисунок 4.2 - Окно, в котором осуществляется сборка модели

Любая блок-схема моделируемой системы должна включать в себя один или несколько блоков-источников, генерирующих сигналы, которые, собственно, и вызывают «движение» моделируемой системы, и один или несколько блоков-приемников, которые позволяют получить информацию о выходных сигналах этой системы (увидеть результаты моделирования).

Запуск модели на выполнение осуществляется нажатием на кнопку , либо через меню 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 неподвижной системе координат

Система уравнений (3.13) в операторной форме примет вид:

(4.1)

Для создания модели, из системы уравнений (4.1) выражаются токи и потокосцепления и система уравнений примет вид:

(4.2)

4.3 Расчёт параметров модели для АД серии 4А

Для моделирования выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором марки 4А112M4У3 со следующими паспортными данными:

номинальная выходная мощность Р_2н=5.5 кВт,

номинальное фазное напряжение обмотки статора U_1н=220 В,

номинальная частота тока f₁=50 Гц,

номинальный коэффициент полезного действия η_н= 85.5 %,

номинальный коэффициент мощности статорной обмотки сosφ=0.85,

критическое скольжение ротора S_k= 25 %,

номинальное скольжение ротора S_н= 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: `<sub>1*</sub>=0.064, X`_1*=0.078, R``<sub>2*</sub>=0.041, X``_2*=0.13, X_m*=2.8,

в режиме короткого замыкания: ``<sub>2*кз</sub>=0.048, X``_2*=0.062.

Рисунок 4.3 - Г-образная схема замещения

По известным паспортным данным АД и параметрам Г-образной схемы замещения рассчитываются параметры Т-образной схемы замещения в режиме короткого замыкания (рисунок 4.4) и коэффициенты системы уравнений (4.2) и параметры блоков 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

Х_1*=.(4.6)

Коэффициент, связывающий параметры машины в Т и Г-образной схемах замещения

.(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  выбирается из 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

 Нּìּñ.(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)

 (кг•м²)^-1. (4.37)

4.4 Структурная схема модели в неподвижной системе координат и её поблочное описание

По системе уравнений (4.2) собирается схема модели обобщённой машины в неподвижной системе координат (рисунок 4.5) с рассчитанными параметрами. На входы модели подаются напряжения, сдвинутые по фазе на 90 электрических градусов:

где - амплитудное значение номинального фазного напряжения.

При номинальном питающем напряжении реализуется прямой пуск АД

Рисунок 4.5 - Структурная схема модели обобщённой асинхронной машины в неподвижной системе координат

Блоки Usα и Usβ (рисунок 4.6) являются генераторами гармонических сигналов, Usα - косинусоиды, Usβ - синусоиды. Они имитируют работу источников напряжения.

Настраиваемыми параметрами являются:

Sine type - тип синусоидальной волны,

Amplitude - амплитуда сигнала, для данной схемы  В,- смещение (постоянная составляющая синусоиды),- угловая частота колебаний, для данной схемы равная ,- начальная фаза (в радианах), равная:

 - для косинусоиды, 0 - для синусоиды,time - величина дискрета времени.

Рисунок 4.6 - Блок Usα: а) внешний вид, б) окно параметров

Блок  (рисунок 4.7) осуществляет умножение входного сигнала на постоянную величину, значение которой задаётся в настройке блока.

Аналогичные в схеме блоки: , , , , , .

Настраиваемыми параметрами являются:- коэффициент усиления, для данной схемы =5.756,- тип способа умножения.

Рисунок 4.7 - Блок : а) внешний вид, б) окно параметров

Блок Sum (рисунок 4.8) суммирует поступающие на него сигналы (в том числе с разными знаками).

Настраиваемыми параметрами являются:shape - форма изображения (круг или прямоугольник),of signs - список входов и их знаки.

Рисунок 4.8 - Блок Sum: а) внешний вид, б) окно параметров

Блок  (рисунок 4.9) реализует звено введённой в него передаточной функции. Аналогичный в схеме блок: .

Настраиваемыми параметрами являются:- числитель, для данной схемы ,- делитель, для данной схемы .

Рисунок 4.9 - Блок : а) внешний вид, б) окно параметров

Блок Klych (рисунок 4.10) служит для переключения 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:of inputs - количество входов,- тип способа умножения.

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:value - постоянная величина.

Рисунок 4.12 - Блок М2: а) внешний вид, б) окно параметров

Блок α•М2 (рисунок 4.13) является задатчиком нагрузки и устанавливает на валу линейно изменяющийся во времени момент нагрузки.

Настраиваемыми параметрами являются:- изменение величины за 1 секунду. В зависимости от знака возрастает или убывает,time - момент времени в который начинает изменятся нагрузка,output - начальное значение, с которого начнётся изменение нагрузки.

а) б)

Рисунок 4.13 - Блок α•М2: а) внешний вид, б) параметры

Блок Integrator (рисунок 4.14) представляет идеальное интегрирующее звено. Он позволяет осуществить интегрирование поступающего на него сигнала в непрерывном времени.

Настраиваемыми параметрами являются:reset - подключение дополнительного управляющего сигнала,condition source - определение источника (внутренний или внешний),condition - начальное значение выходной величины,output - ограничение величины выхода,saturation limit - верхнее предельное значение выходной величины,saturation limit - нижнее предельное значение выходной величины,saturation port - показать порт насыщения,state port - показать порт состояния,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)» (рисунок 4.15) ïîçâîëÿåò â õîäå ìîäåëèðîâàíèÿ íàáëþäàòü ãðàôèêè ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ ñêîðîñòè è ìîìåíòà âî âðåìåíè. Ïî ãîðèçîíòàëüíîé îñè îòêëàäûâàåòñÿ çíà÷åíèå ìîäåëüíîãî âðåìåíè, à ïî âåðòèêàëè çíà÷åíèå âõîäíîé âåëè÷èíû, îòâå÷àþùåå ýòîìó ìîìåíòó âðåìåíè. Îêíî ïàðàìåòðîâ âûçûâàåòñÿ íàæàòèåì íà èêîíêó .

Настраиваемыми параметрами являются:of axes - количество осей,range - интервал времени,labels - метки осей,- используется только для дискретных во времени процессов. Его значение (1), установленное по умолчанию, для непрерывных процессов изменять не рекомендуется. Позволяет задать периодичность (через сколько дискретов времени) отображения значений времени.

а) б) в)

Рисунок 4.15 - Блок «wm, M=f(t)»:

а) внешний вид, 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:of inputs - число входов,option - вид отображения блока.

а) б)

Рисунок 4.16 - Блок Mux: а) внешний вид, б) окно параметров

Цифровой дисплей «wm, M» (рисунок 4.17) âûâîäèò íà ýêðàí ÷èñëîâûå çíà÷åíèÿ âõîäÿùèõ â áëîê âåëè÷èí (ñêîðîñòè è ìîìåíòà).

Настраиваемыми параметрами являются:- формат вывода чисел,- позволяет задать периодичность (через сколько дискретов времени) отображения значений времени,time - используется только для дискретных во времени процессов. Его значение (-1), установленное по умолчанию, для непрерывных процессов изменять не рекомендуется.

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. В данной схеме отображает механическую характеристику.

Большим минусом этого блока является то, что в графическом окне нет сетки и нет возможности нанести надписи.

Настраиваемыми параметрами являются:min, x-max, y-min, y-max - пределы осей по Х и У,time - смотри выше.

а) б) в)

Рисунок 4.18 - Блок XY: а) внешний вид, б) окно параметров, в) графическая область

Блок «Построение механической характеристики» (рисунок 4.19) является ссылкой на специально разработанную M-программу, в которой реализуется графическое построение механической характеристики. Большим удобством является то, что имеется сетка и можно наносить надписи осей и в графической области, а также редактирование полученных результатов.

а) б)

Рисунок 4.19 - Графическое окно для построения характеристик:

а) внешний вид, б) графическая область

4.5 Результаты моделирования

После запуска схемы модели на моделирование и завершения процедуры моделирования можно проанализировать полученные результаты.

Графический дисплей «wm, M=f(t)» отображает переходной процесс скорости и момента во времени, представленный на рисунке 4.20.

Из рисунка 4.20 видно, что при прямом пуске вначале наблюдаются значительные колебания момента и скорости. При приложении момента нагрузки, аналогично наблюдаются колебания момента и скорости, но менее значительные, чем при пуске, также видно, что при приложении момента нагрузки наблюдается уменьшение скорости.

Получив механическую характеристику (рисунок 4.21), можно увидеть, что при пуске она получается динамической и на ней также как и на рисунке 4.20 чётко виден колебательный процесс скорости и момента в виде концентрических окружностей с уменьшающимся радиусом по мере затухания колебаний скорости и момента. Аналогичная картина наблюдается при ступенчатом набросе нагрузки. Данные характеристики представлены на рисунке 4.21 и 4.22.

Рисунок 4.20 - Переходной процесс скорости и момента функции времени при пуске на холостом ходу и набросе нагрузки

Рисунок 4.21 - Динамическая механическая характеристика при пуске на холостом ходу и набросе нагрузки, построенная блоком «XY»

Рисунок 4.22 - Динамическая механическая характеристика при пуске на холостом ходу (синяя) и набросе нагрузки (красная), построенная блоком «Построение механической характеристики»

При нагружении двигателя с малой скоростью увеличения нагрузки получается характеристика, близкая к статической естественной механической характеристике. Она представлена на рисунке 4.23 совместно с динамической механической характеристикой.

Рисунок 4.23 - Пусковая динамическая характеристика (синяя) на холостом ходу и естественная механическая характеристика (красная)

5. Разработка виртуальной лабораторной работы на базе виртуальной асинхронной машины

Иную возможность анализа АД представляет специализированный раздел по электротехнике Toolbox Power System Block. В его библиотеке имеются блоки виртуальных электрических машин и АД с короткозамкнутым и фазным ротором в том числе.

Схема виртуальной лабораторной работы для исследования двигателя с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Схема модели лабораторной работы для исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

5.1 Поблочное описание схемы

Основными блоками схемы являются: источник трёхфазного напряжения (Source), трёхфазный измеритель напряжения и тока (Three-Phase V-I Measurement), трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (AD), задатчик нагрузки (М2 и α•М2), измеритель (вывод) скорости и электромагнитного момента на валу (wm, Te).

Дополнительные блоки: переключатели (Klych и K_Z), управляемый ключ (Switch), машинное время (Clock), осциллограф (XY), шинный формирователь (Mux), цифровые и графические дисплеи («wm, M, I1»; «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f»), «Ðàáî÷èå õàðàêòåðèñòèêè», áëîê «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 синусоидального напряжения с заземлённой нейтралью N и выходами фаз А, В и С.

Настраиваемыми параметрами являются:

Phase to ground peak voltage (V) - амплитуда фазного напряжения,angle of phase A (Degrees) - начальный фазовый угол фазы А,(Hz) - частота напряжения,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 фазное мгновенное напряжение и ток, потребляемые нагрузкой от источника.

Настраиваемыми параметрами являются:measurement: phase-to-ground - измерение фазного напряжения от фазы до земли,a label - использовать ярлык (ссылку) вместо выхода,pu - система относительных единиц,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 работу асинхронного двигателя с короткозамкнутым (или фазным) ротором. Составлен на основе математических уравнений.

Настраиваемыми параметрами являются:

Nom. power Pn - номинальная мощность,Vn - номинальное линейное напряжение,fn - номинальная частота,(Rotor) R, L - активное сопротивление и индуктивность статора и приведённого ротора,inductance Lm - взаимная индуктивность,J - момент инерции на валу,factor F - коэффициент трения,of poles - число пар полюсов р,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:time - отображения времени в блоке,- 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 для отображения различные параметры асинхронной машины. Имеет возможность выбрать необходимые для вывода параметры из имеющихся. В данной схеме выводятся значения угловой скорости и электромагнитного момента на валу.

Настраиваемыми параметрами являются:

Machine type - тип машины,currents [ira irb irc] - трёхфазный ток ротора,currents [ir_q ir_d] - ток ротора в осях q, d,fluxes [phir_q phir_d] - поток в роторе в осях q, d,voltages [vr_q vr_d]- напряжение в роторе в осях q, d,currents [ia ib ic] - трёхфазный ток статора,currents [is_q is_d] - ток статора в осях q, d,fluxes [phis_q phis_d] - поток в статоре в осях q, d,voltages [vs_q vs_d] - напряжение в статоре в осях q, d,speed [wm] - скорость вращения ротораtorque [Te] - электромагнитный момент,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 момента нагрузки на валу, K_Z для переключения на схему снятия пускового момента, а Dinamika для снятия динамической механической характеристики. Переключение происходит 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 три входа, 1 и 3 - информационные, 2 - управляющий. Если величина управляющего сигнала не меньше некоторого ограничения, заданного в поле Threshold, то на выход подаётся сигнал с первого входа, в противном случае - сигнал с третьего входа. В схеме на первый вход подаётся вектор значений скорости и момента, также и на третий вход подаётся вектор скорости и момента при условии, что ключ Dinamika в верхнем положении, а на второй вход время.

Настраиваемыми параметрами являются:for passing first input - критерий для прохождения сигнала с первого входа,- 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)» (ðèñóíîê 4.15). Описание этого блока рассмотрено в разделе 4. Цифровые дисплеи «wm, M», «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f» (ðèñóíîê 4.17). Описание этих блоков рассмотрено в разделе 4.

Áëîê «Ðàáî÷èå õàðàêòåðèñòèêè» (ðèñóíîê 5.9) - ýòî íå ñòàíäàðòíûé áëîê, îí ðàçðàáîòàí ïðè ñîçäàíèè äàííîé âèðòóàëüíîé ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû. Âíóòðè íåãî ðåàëèçóåòñÿ ðàñ÷¸ò ðàáî÷èõ õàðàêòåðèñòèê ïî ñëåäóþùèì ôîðìóëàì:

,

,

,

,

к входной мощности добавляются потери в стали р_сm1, так как в модели они не учитываются.

Настраиваемых параметров не имеет.

Рисунок 5.9 - Блок «Рабочие характеристики»

Áëîê «U1. I1. P1» (ðèñóíîê 5.10) òàêæå ÿâëÿåòñÿ íå ñòàíäàðòíûì.  í¸ì ðåàëèçóåòñÿ ïðåîáðàçîâàíèå âõîäíûõ òð¸õôàçíûõ íàïðÿæåíèé è òîêîâ â äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ, à òàêæå âû÷èñëåíèå àêòèâíîé ìîùíîñòè.

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 на специально написанные M-программы, в которых реализуется ввод данных с помощью меню (рисунок 5.12) и графическое построение (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 котором можно 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 двигателя до холостого хода при исчезновении колебаний момента и скорости,

время моделирования - время необходимое для выполнения одной процедуры моделирования,

амплитуда фазного напряжения - это номинальное значение U_1н 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)» отображает переходной процесс скорости и момента во времени, представленный на рисунке 5.14.

Рисунок 5.14 - Переходной процесс скорости и момента функции времени при пуске на холостом ходу и набросе нагрузки

Из рисунке 5.14 видно, что при прямом пуске вначале наблюдаются значительные колебания момента и скорости. При приложении момента нагрузки, аналогично наблюдаются колебания момента и скорости, но менее значительные, чем при пуске, также видно, что при приложении момента нагрузки наблюдается уменьшение скорости.

Получив механическую характеристику, можно увидеть, что при пуске она получается динамической и на ней также как и на рисунке 5.14 чётко виден колебательный процесс скорости и момента в виде концентрических окружностей с уменьшающимся радиусом по мере затухания колебаний скорости и момента. Аналогичная картина наблюдается при мгновенном набросе нагрузки. Данные характеристики представлены на рисунках 5.15 и 5.16.

Рисунок 5.15 - Динамическая механическая характеристика при пуске на холостом ходу и набросе нагрузки, построенная блоком «XY»

Рисунок 5.16 - Динамическая механическая характеристика при пуске на холостом ходу (синяя) и набросе нагрузки (красная), построенная блоком «Построение механической характеристики»

При нагружении двигателя с малой скоростью увеличения нагрузки получается характеристика, близкая к статической естественной механической характеристике. Она представлена на рисунке 5.17 совместно с динамической механической характеристикой.

Рисунок 5.17 - Пусковая динамическая характеристика (синяя) на холостом ходу и естественная механическая характеристика (красная)

Рабочие характеристики при нагружении двигателя от скорости холостого хода до нагрузки 130% от номинальной представлены на рисунке 5.18.

Рисунок 5.18 - Рабочие характеристики

5.3 Сравнение моделей АД в неподвижной системе координат и модели на базе виртуальной асинхронной машины

По результатам моделирования полученных в разделах 4 и 5 видно, что переходные процессы скорости и момента при пуске и ступенчатом набросе нагрузке, динамические механические характеристики, а также естественные механические характеристики абсолютно идентичные. Это доказывает, что блок виртуальной асинхронной машины AD в своей структуре имеет математические уравнения обобщённой асинхронной машины.

6. Разработка методики выполнения лабораторной работы

6.1 Программа работы

6.1.1 Ознакомление с программой MatLab

.1.2 Объект исследования

.1.3 Исследование АД с короткозамкнутым ротором

.1.3.1 Ознакомление со схемой лабораторной работы

.1.3.2 Ввод данных в модель

.1.3.3 Определение пускового момента и тока при коротком замыкании

.1.3.4 Снятие динамической характеристики при параметрах короткого замыкания

.1.3.5 Снятие естественной механической характеристики

.1.3.6 Построение естественных рабочих характеристик

.1.3.7 Снятие искусственных механических характеристик при

разных значениях U₁

разных значениях f₁

- разных значениях f₁ и

.1.4 Исследование АД с фазным ротором

.1.4.1 Ознакомление со схемой лабораторной работы

.1.4.2 Ввод данных в модель

.1.4.3 Пуск при заданном пусковом сопротивлении

.1.4.4 Снятие естественной механической характеристики

.1.4.5 Построение естественных рабочих характеристик

.1.4.6 Снятие искусственных механических характеристик при

разных значениях R_2доб

разных значениях U₁

разных значениях R_2доб и U₁

6.2 Ознакомление с программой MatLab и пакетом Simulink

После вызова программы MATLAB 6.5 на экране появляется окно MATLAB, представленное на рисунок 6.1. В нём могут отображаться несколько окон, главными являются Окно команд, Текущий каталог и Рабочая область. По необходимости через меню Вид, которое располагается на передней панели, можно настроить окна по собственному желанию.

Рисунок 6.1 - Окно MATLAB

В командном окне появляются символы команд, которые набираются пользователем 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 работы папки: различные модели, м-программы, файлы данных, фигуры. В окне рабочей области отображаются временные данные текущего сеанса работы: параметры, вводимые в схему, результаты вычислений и измерений, время модели, выходные данные.

Признаком того, что программа MATLAB готова к восприятию и выполнению очередной команды, является наличие в последней строке командного окна знака приглашения (»), справа от которого расположен мигающий курсор.

В верхней части окна (под заголовком) находится строка меню. Для того чтобы открыть какое-либо меню, следует установить на нём указатель мыши и нажать 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 6.2.

Рисунок 6.2 - Команды меню Файл

Для удобства работы, на переднюю панель вынесены кнопки первой необходимости:

 - с помощью кнопки (…) выбирается текущий для работы каталог, рядом отображается путь 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 окно библиотеки Simulink представленное на рисунке 4.1. Из этого окна можно создать новый файл модели (рисунок 4.2) и из имеющихся в библиотеке блоков собрать необходимую модель.

Описание пакета Simulink рассмотрено в разделе 4.

6.3 Объект исследования

В лабораторной работе исследуются асинхронные двигатели серии 4А с исполнением по степени защиты IP 44 для АД с короткозамкнутым ротором и с исполнением IP 23 для АД с фазным ротором. Паспортные данные, этих двигателей приведены в таблицах П1-П2 и П4-П5:

номинальная выходная мощность Р_2н,

номинальный коэффициент полезного действия η_н,

номинальный коэффициент мощности статорной обмотки сosφ_н,

момент инерции на валу машины J кг×м²,

номинальный электромагнитный момент М_н,

кратность пускового момента М_п / М_н,

кратность максимального момента М_к / М_н,

кратность пускового тока I_1п / I_1н,

критическое скольжение ротора S_k= 25 %,

номинальное скольжение ротора S_н= 3.6 %.

параметры Г-образной схемы замещения (рисунок 4.3) в относительных единицах:

в номинальном режиме:

активное и реактивное сопротивления R`<sub>1*</sub>, X`_1*,

активное и реактивное сопротивления R``<sub>2*</sub>, X``_2*,

реактивное сопротивление взаимоиндукции X_m*,

в режиме короткого замыкания:

активное и реактивное сопротивления R``<sub>2*кз</sub>, X``_2*.

В таблицах П3 и П6 приведены значения величин, необходимых для моделирования и рассчитаны по данным таблиц П1-П2 и П4-П5:

добавочное сопротивление R_{2 доб},

потери в стали P_st,

коэффициент трения F_tr,

в номинальном режиме:

активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы статора R_s, L_s,

активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`<sub>r</sub>, L`_r,

индуктивность взаимоиндукции L_m,

в режиме короткого замыкания:

активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы ротора R`<sub>r кз</sub>, L`_{r кз},

6.4 Исследование АД с короткозамкнутым ротором

Описание принципа действия, устройства, способов пуска и регулирования скорости приведено в разделе 2.

.4.1 Ознакомление со схемой лабораторной работы

Для выбора схемы необходимо в окне MATLAB (рисунок 6.1) выбрать в качестве текущего каталога папку, в которой находится файл со схемой асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: «C:\MATLAB6p5\work\AD\AKZ\AKZ.mdl». На экране появится схема модели лабораторной работы для исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, представленная на рисунке 6.3.

Основными блоками схемы являются: источник трёхфазного напряжения (Source), трёхфазный измеритель напряжения и тока (Three-Phase V-I Measurement), трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (AD), задатчик нагрузки (М2 или α•М2), измеритель (вывод) скорости и электромагнитного момента на валу (wm, Te).

Дополнительные блоки: переключатели (Klych и K_Z), управляемый ключ (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»), ðàáî÷èå õàðàêòåðèñòèêè, áëîê «U1. I1. P1», óñèëèòåëü «-Ê-».

Блоки программ: «Ввод данных», «Построение механической характеристики» и «Построение рабочих характеристик».

Рисунок 6.3 - Схема модели лабораторной работы для исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

.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 кнопкой мыши по блоку асинхронной машины AD и в открывшемся окне ввести данные двигателя (рисунок 5.4). В качестве примера использован двигатель 4А112М4У3.

.4.3 Определение пускового момента и тока при коротком замыкании

Опыт короткого замыкания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором соответствует питанию обмотки статора при заторможенном роторе. Опыт проводится с целью определения пускового момента и пускового тока [4].

Для проведения опыта необходимо открыть блок AD и изменить параметры Rotor [Rr'(ohm) Llr'(H)] на соответствующие параметры ротора при коротком замыкании R`<sub>2 кз</sub> и L`_{r кз} для заданного варианта, а также переключить блок K_Z (рисунок 5.7) в нижнее положение щёлкнув на нём дважды левой кнопкой мыши. Это приведёт к переключению на схему, когда электромагнитный момент подаётся на вход М2. В этом случае ω=0 и получается режим короткого замыкания.

Запустить систему на моделирование нажатием на кнопку  и в установившемся режиме (когда показания блоков перестанут изменяться) остановить моделирование нажатием на кнопку , записать пусковой момент М_п и пусковой ток I_1п с цифровых дисплеев «P2, P1, I1, S, KPD, Cos.f» è

«n, M». Определить кратность пускового тока  и пускового момента . Сравнить полученные значения с паспортными.

.4.4 Снятие динамической характеристики при параметрах короткого замыкания

Опыт проводится с параметрами двигателя из пункта 6.4.3. Блок K_Z переключить в верхнее положение, это приведёт к переключению схемы в режим снятия характеристик, а также переключить блок Klych и Dinamika (рисунок 5.7) в верхнее положение и открыв блок М2 (рисунок 4.12), установить в нём значение равное 0.

Запустить систему на моделирование, двигатель начнёт разгоняться, и скорость дойдёт до холостого хода, в установившемся режиме остановить модель. Открыть блок «Построение механической характеристики» при этом вызовется подпрограмма построения характеристики в графическом окне Figure и построит динамическую механическую характеристику пуска двигателя (рисунок 6.4). Если необходимо, вызвать редактор свойств осей через меню Edit→Axes properties (рисунок 6.5) и изменить пределы осей X и Y до удобных. Через меню File→Export сохранить характеристику как рисунок, предварительно создав для этого на диске собственную папку. Окно с характеристикой закрыть. В блоке «n, M, I1=f(t)» просмотреть переходные процессы скорости, момента и тока статора во времени (рисунок 6.6). Нажатие сочетания клавиш «Alt + Print Screen» на клавиатуре приведёт к копированию активного окна в буфер, т.е. окна с переходными процессами, откуда их можно вставить в графическую программу Paint или в Word. Сохранить рисунок с переходными процессами в ранее созданной папке для создания отчёта.

Рисунок 6.4 - Динамическая механическая характеристика двигателя при пуске без нагрузки с параметрами короткого замыкания

Снятие естественной механической характеристики

Механической характеристикой называют зависимость частоты вращения ротора от вращающего электромагнитного момента.

Механическая характеристика называется естественной, если она соответствует номинальному напряжению, номинальной частоте и отсутствию внешних сопротивлений 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 (рисунок 4.13) задать скорость нарастания нагрузки Slope равной 0,15•М_н. Это значение обуславливается тем, что при большой скорости нарастания нагрузки механическая характеристика становится динамической и появляется отклонение от естественной характеристики, что наглядно видно из рисунка 6.7, а при очень маленькой скорости нарастания нагрузки процесс вычисления занимает много времени.

Рисунок 6.7 - Механические характеристики при различных значениях α

Запустить систему на моделирование, двигатель начнёт разгоняться и скорость дойдёт до холостого хода, по завершении переходного процесса блок α•М2 начнёт нагружать двигатель и в блоке XY (рисунок 4.18) будет отображаться статическая механическая характеристика. При нагрузке больше критической двигатель остановится и прейдёт в режим противовключения. При отрицательной частоте вращения приблизительно равной 0.3ּn₁ об/мин остановить модель. Открыв блок «Построение механической характеристики» вызовется подпрограмма построения механической характеристики в графическом окне Figure, окно с характеристикой не закрывать.

Повторить опыт, предварительно изменив в блоке α•М2 скорость нарастания нагрузки в поле Slope на отрицательное значение. При отрицательной нагрузке двигатель прейдёт в генераторный режим с отдачей электроэнергии в сеть. При частоте вращения приблизительно равной 2ּn₁ об/мин остановить модель. Повторно открыть блок «Построение механической характеристики», при этом снятая новая характеристика построится вместе с уже имеющейся (рисунок 6.8).

Рисунок 6.8 - 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 и закрыть окно.

Рисунок 6.9 - Механическая характеристика после редактирования осей

Построение естественных рабочих характеристик

При изменении нагрузки двигателя изменяются токи в обмотках, мощности, частота вращения и другие эксплуатационные показатели. Под рабочими характеристиками поминают зависимость подводимой мощности, тока, скольжения, КПД и коэффициента мощности от отдаваемой мощности на валу при неизменных значениях напряжения, частоты тока питающей сети и внешних сопротивлений в цепях обмоток [6].

Рабочие характеристики снимают при увеличении нагрузки от холостого хода до 1.3 номинальной. Опыт производится аналогично пункту 6.4.5 при параметрах номинального режима. Скорость нарастания нагрузки в блоке α•М2 должна быть 0.15•М_н.

Запустить систему на моделирование, при нагрузке более 1.3 от номинальной (показания контролировать на цифровом дисплее «n, M») остановить модель. Открыв блок «Построение рабочих характеристик» получить снятые характеристики (рисунок 6.10) и сохранить их на диске как рисунок.

Рисунок 6.10 - Рабочие характеристики

Повторить опыт, сняв одну точку при нагрузке М₂=0.5ּÌ_н. Для этого необходимо переключить блок Klych в верхнее положение и в блоке М2 установить значение равное 0.

Запустить систему на моделирование, после разгона двигателя до холостого хода открыть блок М2 и установить в нём заданную нагрузку. В установившемся режиме снять показания: n, M2, P1, I1 и по этим данным рассчитать рабочие характеристики при заданной нагрузке по формулам:

,

,

,

,

к входной мощности добавляется мощность потерь в стали р_сm1, так как в модели она не учитывается.

Снятие искусственных механических характеристик

Характеристики, не соответствующие номинальным значениям напряжения и частоты тока питающей сети, а также при наличии сопротивлений в цепях обмоток называют 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. Естественная характеристика снимается при U₁= U_1н. Для снятия искусственных характеристик необходимо задать напряжение U₁< U_1н, открыв блок «Ввод данных», при этом на экране появится меню (рисунок 5.12). Нажав кнопку «Амплитуда фазного напряжения (V, B)» в окне команд MATLAB появится приглашение ввести новое значение напряжения, следует ввести его и нажать «Enter» (рисунок 6.11), по завершении ввода данных нажать «Выход».

Рисунок 6.11 - Приглашение ввести новое значение напряжения в окне команд MATLAB

Опыт проводить по методике пункта 6.4.5 при значениях напряжения 0.5U_1н , 0.75U_1н и U_1н, снятие характеристики в генераторном режиме не производить. Результаты представлены на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12 - Механические характеристики при трёх значениях U₁

6.4.7.2 Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях f₁ и построить их в одних осях. Для снятия характеристик необходимо задать через меню ввода данных частоту равную 0.7f_1н, f_1н и 1.3f_1н. Методика снятия характеристик аналогична пункту 6.4.7.1. Результаты представлены на рисунке 6.13.

Рисунок 6.13 - Механические характеристики при трёх значениях f₁

Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях f₁ и , построить их в одних осях. Для снятия характеристик необходимо задать через меню ввода данных значения частот тока 0.5f_1н при напряжении 0.5U_1н , 0.75f_1н при напряжении 0.75U_1н и f_1н при напряжении U_1н так, чтобы сохранялось условие . Методика снятия характеристик аналогична пункту 6.4.7.1. Результаты представлены на рисунке 6.14.

Рисунок 6.14 - Механические характеристики при трёх значениях частоты f₁ и

6.5 Изучение двигателя с фазным ротором

Описание принципа действия, устройства, способов пуска и регулирования скорости приведено в разделе 2.

Ознакомление со схемой лабораторной работы

Для выбора схемы необходимо в окне MATLAB (рисунок 6.1) выбрать в качестве текущего каталога папку, в которой находится файл со схемой асинхронного двигателя с фазным ротором: «C:\MATLAB6p5\work\AD\AFR\AFR.mdl». На экране появится схема модели лабораторной работы для исследования асинхронного двигателя с фазным ротором, представленная на рисунке 6.15.

Рисунок 6.15 - Схема модели лабораторной работы для исследования двигателя с фазным ротором

Схема аналогична схеме двигателя с короткозамкнутым ротором, отличием является блок AD, в настройках которого указан фазный ротор и наличие блоков добавочного сопротивления R_{2_dobav} в каждой фазе ротора.

Ввод данных в модель

Данные исследуемого двигателя для своего варианта (таблицы П4 и П6) необходимо ввести в модель, для этого необходимо дважды щёлкнуть левой кнопкой мыши по блоку асинхронной машины AD и в открывшемся окне ввести данные двигателя. В качестве примера использован двигатель 4АНК160М4У3. Пуск при заданном пусковом сопротивлении

Воспользовавшись блоком «Ввод данных», в меню установить добавочное пусковое сопротивление для своего варианта (таблица П6). Это сопротивление обеспечивает пуск двигателя при значении пускового момента, равного 0.85 от критического.

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, и скорость дойдёт до холостого хода, в установившемся режиме остановить модель. Открыть блок «Построение механической характеристики», в графическом окне Figure построится динамическая механическая характеристика пуска двигателя (рисунок 6.16). Если необходимо, вызвать редактор свойств осей и изменить пределы осей X и Y до удобных. Сохранить характеристику как рисунок в предварительно созданной папке на диске. Окно с характеристикой закрыть. Открыв блок «n, M, I1=f(t)» просмотреть переходные процессы скорости, момента и тока статора во времени (рисунок 6.17). Скопировать в буфер активное окно, т.е. окно с переходными процессами, откуда их можно вставить в графическую программу Paint или в Word. Сохранить рисунок с переходными процессами в ранее созданной папке для создания отчёта.

Рисунок 6.16 - Динамическая механическая характеристика двигателя при пуске без нагрузки с пусковым сопротивлением

Рисунок 6.17 - Переходные процессы скорости, момента и тока статора при пуске без нагрузки с пусковым сопротивлением

Снятие естественной механической характеристики

Воспользовавшись блоком меню «Ввод данных», установить добавочное сопротивление равное 0. Блок Klych и Dinamika переключить в нижнее положение. В блоке α•М2 задать скорость нарастания нагрузки в графе Slope равной 0,15•М_н. Запустить систему на моделирование, выполнение проводить аналогично пункту 6.4.5.

Рисунок 6.18 - Механическая характеристика АД во всех режимах работы

Построение естественных рабочих характеристик

Рабочие характеристики снимают при увеличении нагрузки от холостого хода до 1.3 номинальной.

Опыт производится аналогично пункту 6.5.4. Запустить систему на моделирование, при нагрузке более 1.3 от номинальной остановить модель. Открыв блок «Построение рабочих характеристик», получить снятые характеристики (рисунок 6.19) и сохранить их на диск как рисунок.

Повторить опыт, сняв одну точку при нагрузке М₂=0.5ּÌ_н аналогично пункту 6.4.6.

Рисунок 6.19 - Рабочие характеристики

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. Естественная характеристика снимается при U₁= U_1н. Для снятия искусственных характеристик необходимо задать напряжение U₁< U_1н, открыв блок «Ввод данных», при этом на экране появится меню (рисунок 5.12). Нажав кнопку «Амплитуда фазного напряжения (V, B)» в окне команд MATLAB появится приглашение ввести новое значение напряжения, следует ввести его и нажать «Enter» (рисунок 6.11), по завершении ввода данных нажать «Выход».

Опыт проводить по методике пункта 6.4.5 при значениях напряжения 0.5U_1н , 0.75U_1н и U_1н, снятие характеристики в генераторном режиме не производить. Результаты представлены на рисунке 6.20.

Рисунок 6.20 - Механические характеристики при трёх значениях U₁

Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях добавочного сопротивления в цепи ротора и построить их в одних осях. Для снятия характеристик необходимо ввести через меню ввода данных добавочное сопротивление равное 0, R_2пуск и 0.5 R_2пуск. Методика снятия характеристик аналогична пункту 6.5.6.1. Результаты представлены на рисунке 6.21.

Рисунок 6.21 - Механические характеристики при трёх значениях R_2доб

Снять естественную и искусственные характеристики при трёх значениях U₁ и R_2доб, и построить их в одних осях. Для снятия характеристик необходимо задать через меню ввода данных R_2доб = 0 при U₁= U_1н , R_2доб = R_2пуск при напряжении 0.8U_1н и R_2доб = 0.5R_2пуск при напряжении 0.9U_1н. Методика снятия аналогична пункту 6.5.6.1. Результаты представлены на рисунке 6.22.

Рисунок 6.22 - Механические характеристики при трёх значениях R_2доб и U_1н

7. Разработка программного обеспечения виртуальных лабораторных работ

В ходе разработки виртуальных лабораторных работ возникла необходимость в дополнительных программах. Эти программы написаны на встроенном в MATLAB языке программирования, который носит название

М-язык. Программы написаны в специальном редакторе М-программ, окно которого изображёно на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 - Окно редактора М-программ

Как уже было сказано в разделе 5, в схеме имеются специальные блоки «Ввод данных», «Построение механической характеристики» и «Построение рабочих характеристик», 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 от исследуемого двигателя с короткозамкнутым или фазным ротором.

Данная программа позволяет ввести в блоки схемы необходимые данные, и основана на условии выбора одной из предложенных позиций. При выборе, какой либо позиции предлагается ввести значение необходимой величины, которое впоследствии вводится в параметры блока в схеме, тем самым позволяет избежать многократного процесса изменения значения это величины, если она используется несколькими блоками.

Блок «Построение механической характеристики» использует программу «n_f_M.m». Данная программа отвечает за построение механической характеристики. Она считывает данные вектора скорости и момента, формирует графическое окно Figure, название характеристики, оси и подписи осей и в полученном окне строит механическую характеристику.

Блок «Построение рабочих характеристик» использует программу «Rabochiе.m». Программа аналогична выше описанной, считывая данные входной и выходной мощности, тока статора, скольжения, КПД и коэффициента мощности она выполняет построение 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-образной схемы замещения к Т-образной и рассчитывает параметры необходимые для моделирования.

Код программ приведён в приложении.

8. Экономическая часть

8.1 Исходные данные

·   количество форм переменной входной информации -два;

·   сложность алгоритма - три;

·   количество форм выходной информации - два;

·   степень новизны комплекса задач - В;

·   сложность алгоритма - три;

·   объём входной информации - до 50000 документострок;

·   сложность организации контроля входной информации - 11;

·   сложность организации контроля выходной информации - 22;

·   использование стандартных типов проектов и моделей - 25 %;

·   проект разрабатывается с учётом обработки информации в режиме работы в реальном времени.

8.2 Îïðåäåëåíèå çàòðàò âðåìåíè íà ðàçðàáîòêó (ÏÌÎ) ïî ñòàäèÿì ïðîåêòèðîâàíèÿ

Ðàñ÷¸ò ïðîèçâåä¸í ïî ëèòåðàòóðå [8] è äàííûå ñâåäåíû â òàáëèöå 8.1.

Òàáëèöà 8.1 - Îïðåäåëåíèå çàòðàò âðåìåíè íà ðàçðàáîòêó ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ ïî ñòàäèÿì ðàçðàáîòêè ïðîåêòà

Ïðîäîëæåíèå òàáëèöû 8.1

Èñõîäÿ èç òàáëèöû íà ðàçðàáîòêó ïðîãðàììíîãî ìàòåìàòè÷åñêîãî îáåñïå÷åíèÿ îäíîìó ÷åëîâåêó òðåáóåòñÿ 179 äíåé. Íîðìà ðàáî÷åãî âðåìåíè íà 2006 ãîä ñîñòàâëÿåò 168 ÷àñîâ â ìåñÿö, ò.å. 168/8=21 äåíü â ìåñÿö.

8.3 Îñíîâíàÿ çàðàáîòíàÿ ïëàòà ïðîãðàììèñòà â ìåñÿö

ÇÏ₁=ÇÏ_Ò12∙(Ê_ð∙Ê_íñ∙Ê_ñåâ - 1)∙Ê_í,   (8.1)

ãäå ÇÏ_Ò12 -òàðèôíàÿ çàðàáîòíàÿ ïëàòà ïðîãðàììèñòà äâåíàäöàòîãî ðàçðÿäà ïî åäèíîé òàðèôíîé ñåòêå, ÇÏ_Ò12= 2317,68ð

Ê_ð- ðàéîííûé êîýôôèöèåíò, Ê_ð=1,3;

Ê_íñ- êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé íåïðåðûâíûé ñòàæ ðàáîòû, Ê_íñ=1,2;

Ê_ñåâ- ñåâåðíûé êîýôôèöèåíò, Ê_ñåâ=1,25;

Ê_í- êîýôôèöèåíò íà÷èñëåíèÿ íà çàðàáîòíóþ ïëàòó, Ê_í=1,85.

ÇÏ₁=2317,68∙(1,3∙1,2∙1,25-1)∙1,85=4073,3 ð.

Ïîëíàÿ çàðàáîòíàÿ ïëàòà ïðîãðàììèñòà â ìåñÿö, ð

ÇÏ₀=ÇÏ₁∙(1+Ð_ÔÑÍ/100)∙(1+Ð_ÄÇ/100),  (8.2)

ãäå Ð_ÔÑÍ - îò÷èñëåíèÿ â ôîíä ñîöèàëüíûõ íóæä, Ð_ÔÑÍ=26 %;

Ð_ÄÇ - îò÷èñëåíèÿ íà äîïîëíèòåëüíóþ çàðàáîòíóþ ïëàòó, Ð_ÄÇ=8 %.

ÇÏ₀=4073,3∙(1+8/100)∙(1+26/100)=5542,9 ð.

Çàòðàòû íà âûïëàòó ÇÏ èñïîëíèòåëþ ïðîãðàììû

ðóá.,   (8.3)

ãäå Í_ÂÐ - ðàñ÷åòíàÿ íîðìà âðåìåíè íà ðàçðàáîòêó ïðîãðàììû, äíåé;

Ô_ÂÐ - ìåñÿ÷íûé ôîíä âðåìåíè, äíåé. Ô_ÂÐ = 21.

8.4 Ðàñ÷åò çàòðàò íà òðåáóþùååñÿ ìàøèííîå âðåìÿ

Ðåçóëüòèðóþùèé ïîïðàâî÷íûé êîýôôèöèåíò

, (8.4)

ãäå Ê₁ - êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé ñòåïåíü íîâèçíû, ãðóïïó ñëîæíîñòè àëãîðèòìà, Ê₁ = 1;

Ê₂ - êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé îáúåì âõîäíîé èíôîðìàöèè, = 1,07.

Çàòðà÷åííîå ìàøèííîå âðåìÿ

,  (8.5)

ãäå ÍÂÐ - âðåìÿ ðàáîòû ÝÂÌ, ÍÂÐ = 66 ÷àñîâ.

  ÷àñîâ.

Çàòðàòû ìàøèííîãî âðåìåíè ðàâíû

 ðóá.,(8.6)

ãäå ÑÒ - ñòîèìîñòü îäíîãî ÷àñà ìàøèííîãî âðåìåíè (ïî äàííûì âû÷èñëèòåëüíîãî öåíòðà ÄÂÃÒÓ), ÑÒ = 65ð.

8.5 Ðàñ÷åò ñóììàðíûõ çàòðàò íà ðàçðàáîòêó ÏÌÎ

 ðóá. (8.7)

8.6 Ýêîíîìè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü

Ïîëó÷åííàÿ âèðòóàëüíàÿ ìîäåëü ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû íàìíîãî ïðåâîñõîäèò ïî òåõíè÷åñêèì è ýêîíîìè÷åñêèì âîçìîæíîñòÿì ðåàëüíóþ ôèçè÷åñêóþ ëàáîðàòîðíóþ óñòàíîâêó.  ñîçäàííîé âèðòóàëüíîé ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå èìååòñÿ øèðî÷àéøèé ñïåêòð âîçìîæíîñòåé ïî èññëåäîâàíèþ àñèíõðîííîé ìàøèíû â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ ðàáîòû, ÷òî â ðåàëüíîé ëàáîðàòîðèè òðåáóåò áîëüøèõ ôèíàíñîâûõ ðàñõîäîâ èç-çà äîðîãîâèçíû íåîáõîäèìîãî îáîðóäîâàíèÿ è çàòðàò íà ýëåêòðîýíåðãèþ.

Áîëüøèì ïëþñîì ðàçðàáàòûâàåìûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî âèðòóàëüíóþ ëàáîðàòîðèþ ìîæíî èñïîëüçîâàòü â äèñòàíöèîííîì îáó÷åíèè ñòóäåíòîâ è â ðàçëè÷íûõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèÿõ, ãäå íåò âîçìîæíîñòè ïîðàáîòàòü â ðåàëüíîé ëàáîðàòîðèè. Åäèíñòâåííîå, ÷òî íåîáõîäèìî äëÿ ðàáîòû âèðòóàëüíîé ëàáîðàòîðèè, ýòî íàëè÷èå ïåðñîíàëüíîãî êîìïüþòåðà, êîòîðûé â íàøå âðåìÿ ÿâëÿåòñÿ îáùåäîñòóïíûì è èìååòñÿ â êàæäîì ó÷åáíîì çàâåäåíèè.

9. Îõðàíà òðóäà

9.1 Âîïðîñû ýêñïëóàòàöèè

Íè äëÿ êîãî íå ñåêðåò, ÷òî êîìïüþòåðèçàöèþ ñåãîäíÿ ïðèíÿòî ñ÷èòàòü ïàíàöååé - òîëüêî êîìïüþòåð ìîæåò ïîâûñèòü ýôôåêòèâíîñòü îáðàçîâàíèÿ è ïðîìûøëåííîñòè, áàíêîâñêîãî äåëà è òîðãîâëè, îáúåäèíèòü ÷åðåç Èíòåðíåò âåñü ìèð. È, î÷åâèäíî, ýòà "ïàíäåìèÿ" íåîñòàíîâèìà... Êàê âñÿêèé íîâûé ýòàï â ðàçâèòèè îáùåñòâà, êîìïüþòåðèçàöèÿ íåñåò ñ ñîáîé è íîâûå ïðîáëåìû. È îäíà èç íàèáîëåå âàæíûõ - ýêîëîãè÷åñêàÿ. Ìíîãî ñëîâ â ïå÷àòè è â äðóãèõ ÑÌÈ ñêàçàíî î âðåäíîì âëèÿíèè êîìïüþòåðà íà çäîðîâüå ïîëüçîâàòåëåé. Íåêîòîðûå áîéêèå àâòîðû äàæå ãðîçÿò âûìèðàíèåì ÷åëîâå÷åñòâó, ñèäÿùåìó çà äèñïëåÿìè. Íåîáõîäèìî îáúåêòèâíî îöåíèâàòü ýòè ïðîáëåìû, èáî äëÿ áîðüáû ñ ëþáîé îïàñíîñòüþ, ïðåæäå âñåãî íàäî çíàòü, ÷òî îíà ñîáîé ïðåäñòàâëÿåò! Ó ýêîëîãè÷åñêîé ïðîáëåìû êîìïüþòåðèçàöèè äâå ñîñòàâëÿþùèå. Ïåðâàÿ îïðåäåëÿåòñÿ ôèçèîëîãè÷åñêèìè îñîáåííîñòÿìè ðàáîòû ÷åëîâåêà çà êîìïüþòåðîì. Âòîðàÿ - òåõíè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè ñðåäñòâ êîìïüþòåðèçàöèè. Ýòè ñîñòàâëÿþùèå - "÷åëîâå÷åñêàÿ" è "òåõíè÷åñêàÿ" - òåñíî ïåðåïëåòåíû è âçàèìîçàâèñèìû. Èññëåäîâàíèÿ ïîäîáíûõ ïðîáëåì - ïðåäìåò ýðãîíîìèêè, íàóêè î âçàèìîäåéñòâèè ÷åëîâåêà, îñíîâíîé öåëüþ êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå ñîâåðøåííîé è áåçîïàñíîé òåõíèêè, ìàêñèìàëüíî îðèåíòèðîâàííîé íà ÷åëîâåêà, îðãàíèçàöèÿ ðàáî÷åãî ìåñòà, ïðîôèëàêòèêà òðóäà. Ýðãîíîìèêà èçó÷àåò òðóäîâóþ äåÿòåëüíîñòü â êîìïëåêñå, â íåé îáúåäèíÿþòñÿ íàó÷íûå äèñöèïëèíû, ðàçâèâàâøèåñÿ ïðåæäå íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà.

9.2 Âëèÿíèå ðàáîòû çà êîìïüþòåðîì íà îðãàíèçì ÷åëîâåêà

Çðèòåëüíàÿ ðàáîòà - óæå â ïåðâûå ãîäû êîìïüþòåðèçàöèè áûëî îòìå÷åíî ñïåöèôè÷åñêîå çðèòåëüíîå óòîìëåíèå ó ïîëüçîâàòåëåé äèñïëååâ, ïîëó÷èâøåå îáùåå íàçâàíèå "êîìïüþòåðíûé çðèòåëüíûé ñèíäðîì" (CVS-Computer Vision Syndrome). Ïðè÷èí åãî âîçíèêíîâåíèÿ íåñêîëüêî. È, ïðåæäå âñåãî - ñôîðìèðîâàâøàÿñÿ çà ìèëëèîíû ëåò ýâîëþöèè çðèòåëüíàÿ ñèñòåìà ÷åëîâåêà, êîòîðàÿ ïðèñïîñîáëåíà äëÿ âîñïðèÿòèÿ îáúåêòîâ â îòðàæåííîì ñâåòå (êàðòèí ïðèðîäû, ðèñóíêîâ, ïå÷àòíûõ òåêñòîâ è ò. ï.), à íå äëÿ ðàáîòû ñ äèñïëååì. Èçîáðàæåíèå íà äèñïëåå ïðèíöèïèàëüíî îòëè÷àåòñÿ îò ïðèâû÷íûõ ãëàçó îáúåêòîâ íàáëþäåíèÿ - îíî ñâåòèòñÿ; ñîñòîèò èç äèñêðåòíûõ òî÷åê; îíî ìåðöàåò, ò. å. ýòè òî÷êè ñ îïðåäåëåííîé ÷àñòîòîé çàæèãàþòñÿ è ãàñíóò; öâåòíîå êîìïüþòåðíîå èçîáðàæåíèå íå ñîîòâåòñòâóåò åñòåñòâåííûì öâåòàì (ñïåêòðû èçëó÷åíèÿ ëþìèíîôîðîâ îòëè÷àþòñÿ îò ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ çðèòåëüíûõ ïèãìåíòîâ â êîëáî÷êàõ ñåò÷àòêè ãëàçà, êîòîðûå îòâåòñòâåííû çà íàøå öâåòîâîå çðåíèå). Íî íå òîëüêî îñîáåííîñòè èçîáðàæåíèÿ íà ýêðàíå âûçûâàþò çðèòåëüíîå óòîìëåíèå. Ïðè ðàáîòå íà êîìïüþòåðå ÷àñàìè ó ãëàç íå áûâàåò íåîáõîäèìûõ ôàç ðàññëàáëåíèÿ, ãëàçà íàïðÿãàþòñÿ, èõ ðàáîòîñïîñîáíîñòü ñíèæàåòñÿ. Áîëüøóþ íàãðóçêó îðãàí çðåíèÿ èñïûòûâàåò ïðè ââîäå èíôîðìàöèè, òàê êàê ïîëüçîâàòåëü âûíóæäåí ÷àñòî ïåðåâîäèòü âçãëÿä ñ ýêðàíà íà òåêñò è êëàâèàòóðó, íàõîäÿùèåñÿ íà ðàçíîì ðàññòîÿíèè è ïî-ðàçíîìó îñâåùåííûå.  ÷åì æå âûðàæàåòñÿ çðèòåëüíîå óòîìëåíèå? Ñåãîäíÿ óæå ìèëëèîíû ïîëüçîâàòåëåé æàëóþòñÿ íà çàòóìàíèâàíèå çðåíèÿ, òðóäíîñòè ïðè ïåðåíîñå âçãëÿäà ñ áëèæíèõ íà äàëüíèå è ñ äàëüíèõ íà áëèæíèå ïðåäìåòû, êàæóùååñÿ èçìåíåíèå îêðàñêè ïðåäìåòîâ, èõ äâîåíèå, íåïðèÿòíûå îùóùåíèÿ â îáëàñòè ãëàç - ÷óâñòâî ææåíèÿ, "ïåñêà", ïîêðàñíåíèå âåê, áîëè ïðè äâèæåíèè ãëàç.

Ìèêðîòðàâìà - ýòî ïîñòåïåííûé èçíîñ îðãàíèçìà â ðåçóëüòàòå åæåäíåâíûõ íàãðóçîê. Áîëüøèíñòâî íàðóøåíèé â îðãàíèçìå ïðîèñõîäèò èç-çà íàêàïëèâàþùèõñÿ ìèêðîòðàâì. Òàêîé òèï ïîâðåæäåíèé íå âîçíèêàåò âäðóã, êàê ïåðåëîì ðóêè èëè íîãè (ìèêðîòðàâìà). Ïðåæäå, ÷åì âû ïî÷óâñòâóåòå áîëü, ìîæåò ïðîéòè íåñêîëüêî ìåñÿöåâ ñèäåíèÿ â íåïðàâèëüíîé ïîçå èëè ïîâòîðÿþùèõñÿ äâèæåíèé. Áîëü ìîæåò îùóùàòüñÿ ïî-ðàçíîìó: â âèäå ææåíèÿ, êîëþùåé èëè ñòðåëÿþùåé áîëè, ïîêàëûâàíèÿ.

Ïîâòîðÿþùèåñÿ äåéñòâèÿ - ïðèâîäÿò ê íàêîïëåíèþ ïðîäóêòîâ ðàñïàäà â ìûøöàõ. Ýòè ïðîäóêòû è âûçûâàþò áîëåçíåííûå îùóùåíèÿ. Î÷åíü òðóäíî ïðåäîòâðàòèòü ïîâòîðÿþùèåñÿ äâèæåíèÿ êèñòåé è ëàäîíåé ïðè ðàáîòå íà êîìïüþòåðå, îäíàêî ðåãóëÿðíûå ïåðåðûâû è óïðàæíåíèÿ íà ðàñòÿãèâàíèå ìûøö ìîãóò ýòî ïðåäîòâðàòèòü. Îñàíêà - ýòî ïîëîæåíèå, êîòîðîå ïðèíèìàåò âàøå òåëî, êîãäà âû ñèäèòå  çà êîìïüþòåðîì. Ïîñëåäñòâèÿ ïðè íåïðàâèëüíîé îñàíêè: - ãîëîâíûå áîëè,

áîëü â øåå,

áîëü â ðóêàõ è êèñòÿõ.

Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå - Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ êîìïüþòåðíîãî ìîíèòîðà âêëþ÷àåò â ñåáÿ ðåíòãåíîâñêóþ, óëüòðàôèîëåòîâóþ è èíôðàêðàñíóþ îáëàñòè, à òàêæå øèðîêèé äèàïàçîí ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí äðóãèõ ÷àñòîò. Îïàñíîñòü ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé ñïåöèàëèñòû ñ÷èòàþò ïðåíåáðåæèìî ìàëîé, ïîñêîëüêó ýòîò âèä èçëó÷åíèÿ ïîãëîùàåòñÿ âåùåñòâîì ýêðàíà.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé ïðèâëåêàþò áèîëîãè÷åñêèå ýôôåêòû íèçêî÷àñòîòíûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé, êîòîðûå äî íåäàâíåãî âðåìåíè ñ÷èòàëèñü àáñîëþòíî áåçâðåäíûìè, òàê êàê, â îòëè÷èå îò èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé, íèçêî÷àñòîòíûå ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ íå ìîãóò ðàñùåïëÿòü èëè èîíèçèðîâàòü àòîìû, ò.å. íå îáëàäàþò ñâîéñòâàìè, êîòîðûå ðÿä ó÷åíûõ ñâÿçûâàþò ñ âîçíèêíîâåíèåì îïóõîëåé è äðóãèõ çàáîëåâàíèé. Îäíàêî ðåçóëüòàòû ñîòåí ëàáîðàòîðíûõ ýêñïåðèìåíòîâ, íà÷àâøèõñÿ â 60-õ ãîäàõ è ðàçðîñøèõñÿ â 70-õ è 80-õ, ïîêàçûâàëè, ÷òî ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ ñ ÷àñòîòîé 60 Ãö ìîãóò èíèöèàëèçèðîâàòü áèîëîãè÷åñêèå ñäâèãè (âïëîòü äî íàðóøåíèÿ ñèíòåçà ÄÍÊ) â êëåòêàõ æèâîòíûõ. Ýïèäåìèîëîãè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ è ðàáîòû äðóãîãî ðîäà ïîêàçàëè, ÷òî ñóùåñòâóåò íåñîìíåííàÿ ñâÿçü ìåæäó íàõîæäåíèåì â ìåñòàõ, ãäå ïðîõîäÿò ëèíèè ýëåêòðîïåðåäà÷à, è âîçíèêíîâåíèåì îïóõîëè ó äåòåé. Äëÿ òîãî ÷òîáû îãðàíè÷èòü ïîòåíöèàëüíî îïàñíûå èçëó÷åíèÿ âèäåî äèñïëåéíûõ òåðìèíàëîâ ïîëüçîâàòåëü ìîæåò ïðåäïðèíÿòü ñëåäóþùèå øàãè.

9.3 Ôèçèîëîãè÷åñêèå ìåðû áåçîïàñíîñòè ðàáîòû ÷åëîâåêà çà êîìïüþòåðîì

Çðèòåëüíàÿ ïðîôèëàêòèêà - ïëîòíî çàêðûòü ãëàçà ðóêàìè òàê, ÷òîáû ÷åðåç íèõ íå ïðîõîäèë ñâåò. Ñëåäèòü ïðè ýòîì çà òåì, ÷òîáû ïîñàäêà áûëà óäîáíîé. Îñîáîå âíèìàíèå - íà ñïèíó è øåþ, îíè äîëæíû áûòü ïðÿìûìè è ðàññëàáëåííûìè. Çàêðûâ ãëàçà, ïîïûòàòüñÿ óâèäåòü ïåðåä ãëàçàìè àáñîëþòíî ÷åðíûé öâåò. Óäàñòñÿ ýòî íå ñðàçó, ñêîðåå âñåãî, ïîñòîÿííî áóäóò âîçíèêàòü öâåòíûå ïîëîñêè, ðîìáèêè è êëÿêñû. ×åì ÷åðíåå áóäåò öâåò, òåì ëó÷øå ðàññëàáëåíû ãëàçà. Ìíîãèå ëþäåé ñî ñëàáîé áëèçîðóêîñòüþ ìîãóò äîáèòüñÿ ïîëíîãî âîññòàíîâëåíèÿ çðåíèÿ ñðàçó ïîñëå âûïîëíåíèÿ ýòîãî óïðàæíåíèÿ.

Êîìïëåêñ óïðàæíåíèé:

1. Ïëîòíî çàêðûòü è øèðîêî îòêðûòü ãëàçà 6 - 7 ðàç â òå÷åíèå 30 ñåêóíä.

2.       Ïîñìîòðåòü ââåðõ, âíèç, âïðàâî, âëåâî, íå ïîâîðà÷èâàÿ ãîëîâû.

.         Âðàùàòü ãëàçàìè ïî êðóãó âíèç, âïðàâî, ââåðõ, âëåâî è çàòåì â îáðàòíóþ ñòîðîíó.

.         Áûñòðî-áûñòðî ìîðãàòü âåêàìè â òå÷åíèå 1-2 ìèíóò.

.         Çàêðûòü âåêè, à çàòåì ìàññèðîâàòü èõ êðóãîâûìè äâèæåíèÿìè ïàëüöåâ â òå÷åíèå ìèíóòû.

Ïîâòîðÿòü êàæäîå óïðàæíåíèå 2-3 ðàçà ñ èíòåðâàëîì 1-2 ìèíóòû. Âòîðîå è òðåòüå óïðàæíåíèÿ äåëàòü íå òîëüêî ñ îòêðûòûìè, íî è ñ çàêðûòûìè ãëàçàìè. Äåëàòü óïðàæíåíèÿ ðåãóëÿðíî.

Èçáàâëåíèÿ îò ìèêðîòðàâì - öåëü óïðàæíåíèÿ: óêðåïëåíèå ìûøö çàäíåé ñòîðîíû øåè äëÿ óëó÷øåíèÿ îñàíêè è ïðåäîòâðàùåíèÿ áîëåé â îáëàñòè øåè. Óïðàæíåíèå ñïîñîáñòâóåò ïðåäîòâðàùåíèþ:

ñèíäðîìà çàïÿñòíîãî êàíàëà,

âòÿãèâàíèþ øåè âïåðåä,

äèñôóíêöèè âèñî÷íî-íèæíå÷åëþñòíîãî ñóñòàâà,

ãðûæè ìåæïîçâîíî÷íûõ äèñêîâ øåéíîãî îòäåëà,

ñèíäðîìà âåðõíåé àïåðòóðû ãðóäíîé êëåòêè.

Ïîçà: ñèäÿ èëè ñòîÿ, âçãëÿä íàïðàâëåí ïðÿìî, à íå ââåðõ è íå âíèç. Íàäàâèâ óêàçàòåëüíûì ïàëüöåì íà ïîäáîðîäîê, ñäåëàòü äâèæåíèå øååé íàçàä.  ýòîì ïîëîæåíèè ñëåäóåò îñòàâàòüñÿ â òå÷åíèå 5 ñåêóíä.

Ðàçìèíêà - öåëü óïðàæíåíèÿ: ðàñòÿãèâàíèå ìûøö-ðàçãèáàòåëåé çàïÿñòüÿ è ïàëüöåâ (ìûøö, ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç çàïÿñòíûé òóííåëü è âõîäÿùèõ â êèñòü ðóêè). Óâåëè÷åíèå ïðèòîêà êðîâè ïî ñîñóäàì, ïðîõîäÿùèì ÷åðåç çàïÿñòüå è ëàäîíü.

Ïðîôèëàêòèêà ñèíäðîìà çàïÿñòíîãî êàíàëà:

Ïîçà: ñèäÿ èëè ñòîÿ, ëåâàÿ ðóêà âûòÿíóòà íà óðîâíå ïëå÷.

Îòîãíóâ ëåâóþ êèñòü íàçàä, òàê, ÷òîáû ïàëüöû áûëè íàïðàâëåíû â ïîòîëîê,  ïðàâîé ðóêîé îñòîðîæíî ïîòÿíóòü íàçàä ïàëüöû íà ëåâîé ðóêå, íåìíîãî îòãèáàÿ  êèñòü íàçàä.  ýòîì ïîëîæåíèè ñëåäóåò îñòàâàòüñÿ â òå÷åíèå 10 ñåêóíä

Ïðàâèëüíàÿ îñàíêà - ïðè ðàáîòå çà êîìïüþòåðîì ëó÷øå âñåãî ñèäåòü íà 2,5 ñì âûøå, ÷åì îáû÷íî. Óøè äîëæíû ðàñïîëàãàòüñÿ òî÷íî â ïëîñêîñòè ïëå÷. Ïëå÷è äîëæíû ðàñïîëàãàòüñÿ òî÷íî íàä áåäðàìè. Ãîëîâó íóæíî äåðæàòü ðîâíî ïî îòíîøåíèþ ê îáîèì ïëå÷àì, ãîëîâà íå äîëæíà íàêëîíÿòüñÿ ê îäíîìó ïëå÷ó. Ïðè âçãëÿäå âíèç, ãîëîâà äîëæíà íàõîäèòüñÿ òî÷íî íàä øååé, à íå íàêëîíÿòüñÿ âïåðåä.

Çàùèòà îò ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ - ïîñêîëüêó èñòî÷íèê âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ êîìïüþòåðà - ñòðî÷íûé òðàíñôîðìàòîð - ïîìåùàåòñÿ â çàäíåé èëè áîêîâîé ÷àñòè òåðìèíàëà, óðîâåíü èçëó÷åíèÿ ñî ñòîðîíû çàäíåé ïàíåëè äèñïëåÿ âûøå, ïðè÷åì ñòåíêè êîðïóñà íå ýêðàíèðóþò èçëó÷åíèÿ. Ïîëüçîâàòåëè äîëæíû íàõîäèòñÿ íå áëèæå ÷åì íà 1.2 ì îò çàäíèõ èëè áîêîâûõ ïîâåðõíîñòåé ñîñåäíèõ òåðìèíàëîâ. Ðÿä ñïåöèàëèñòîâ ðåêîìåíäóåò ñèäåòü íà ðàññòîÿíèè 70 ñì îò ýêðàíà ñâîåãî äèñïëåÿ. Êðîìå âñåãî ïðî÷åãî íà ýêðàí ìîíèòîðà ðåêîìåíäóåòñÿ óñòàíàâëèâàòü ñïåöèàëüíûå ôèëüòðû. Õîòÿ ôèëüòðû è íå ïîëíîñòüþ ïîãëîùàþò ìàãíèòíîå ïîëå, îíè âñå æå ÷àñòè÷íî ýêðàíèðóþò åãî, à òàêæå óñòðàíÿþò ñòàòè÷åñêèå ïîëÿ. Ïðè ýòîì ñëåäóåò îòìåòèòü ôèëüòðû ERGOSTAR (íà 99% îñëàáåâàþùèå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîå ïîëå, íà 95-99% (â çàâèñèìîñòè îò ÷àñòîòû) ïîäàâëÿþùèå ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, èñêëþ÷àþùèå ìåðöàíèå ýêðàíà è áëèêè). Ôèëüòð âñåãäà äîëæåí áûòü çàçåìëåí. Ê èíîìó êëàññó áîëåçíåé, ñâÿçàííûõ ñ ðàáîòîé íà êîìïüþòåðå, ÿâëÿþòñÿ áîëåçíè, ñâÿçàííûå ñ ïåðåóòîìëåíèåì çðåíèÿ. Ê èõ ÷èñëó ìîæíî îòíåñòè âîçíèêíîâåíèå áëèçîðóêîñòè è ïåðåóòîìëåíèÿ ãëàç, à òàêæå ñâÿçàííûìè ñ íèìè ìèãðåíÿìè, ãîëîâíûìè áîëÿìè, ðàçäðàæèòåëüíîñòüþ, íåðâíîìó íàïðÿæåíèþ, ñòðåññó è ò.ï. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ýòèõ áîëåçíåé ñëåäóåò ðåãóëÿðíî ñîâåðøàòü ïåðåðûâû â ðàáîòå è äåëàòü óïðàæíåíèÿ, ðàññëàáëÿþùèå ãëàçà. Ñëåäóåò òàêæå ó÷åñòü, ÷òî îïòèìàëüíûé ïåðåïàä ÿðêîñòè â ïîëå çðåíèÿ íå äîëæåí ïðåâûøàòü 10.

9.4 Òåõíè÷åñêèå ìåòîäû óâåëè÷åíèÿ áåçîïàñíîñòè ðàáîòû çà êîìïüþòåðîì

Ðàáî÷åå ïðîñòðàíñòâî - íàó÷íàÿ îðãàíèçàöèÿ ðàáî÷åãî ïðîñòðàíñòâà áàçèðóåòñÿ íà äàííûõ î ñðåäíåé çîíå îõâàòà ðóê ÷åëîâåêà - 35 - 40 ñì. Áëèæíåé çîíå ñîîòâåòñòâóåò îáëàñòü, îõâàòûâàåìàÿ ðóêîé ñ ïðèæàòûì ê òóëîâèùó ëîêòåì, äàëüíåé çîíå - îáëàñòü âûòÿíóòîé ðóêè.

Ðàáîòà ñ êëàâèàòóðîé - íåïðàâèëüíîå ïîëîæåíèå ðóê ïðè ïå÷àòè íà êëàâèàòóðå ïðèâîäèò ê õðîíè÷åñêèì ðàñòÿæåíèÿì êèñòè. Âàæíî íå ñòîëüêî îòîäâèíóòü êëàâèàòóðó îò êðàÿ ñòîëà è îïåðåòü êèñòè î ñïåöèàëüíóþ ïëîùàäêó, ñêîëüêî äåðæàòü ëîêòè ïàðàëëåëüíî ïîâåðõíîñòè ñòîëà è ïîä ïðÿìûì óãëîì ê ïëå÷ó. Ïîýòîìó êëàâèàòóðà äîëæíà ðàñïîëàãàòüñÿ â 10 - 15 ñì (â çàâèñèìîñòè îò äëèíû ëîêòÿ) îò êðàÿ ñòîëà.  ýòîì ñëó÷àå íàãðóçêà ïðèõîäèòñÿ íå íà êèñòü, â êîòîðîé âåíû è ñóõîæèëèÿ íàõîäÿòñÿ áëèçêî ê ïîâåðõíîñòè êîæè, à íà áîëåå "ìÿñèñòóþ" ÷àñòü ëîêòÿ. Ñîâðåìåííûå, ýðãîíîìè÷íûå ìîäåëè èìåþò îïòèìàëüíóþ ïëîùàäü äëÿ êëàâèàòóðû çà ñ÷åò ðàñïîëîæåíèÿ ìîíèòîðà â ñàìîé øèðîêîé ÷àñòè ñòîëà. Ãëóáèíà ñòîëà äîëæíà ïîçâîëÿåò ïîëíîñòüþ ïîëîæèòü ëîêòè íà ñòîë, îòîäâèíóâ êëàâèàòóðó ê ìîíèòîðó.  Ðàñïîëîæåíèå ìîíèòîðà - Ìîíèòîð, êàê ïðàâèëî, ðàñïîëàãàåòñÿ ÷ðåçìåðíî áëèçêî. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî íàó÷íûõ òåîðèé, ïî ðàçíîìó îïðåäåëÿþùèõ çíà÷èìûå ôàêòîðû è îïòèìàëüíûå ðàññòîÿíèÿ îò ãëàçà äî ìîíèòîðà. Íàïðèìåð, ðåêîìåíäóåòñÿ äåðæàòü ìîíèòîð íà ðàññòîÿíèè âûòÿíóòîé ðóêè. Íî ïðè ýòîì, ÷åëîâåê äîëæåí èìåòü âîçìîæíîñòü ñàì ðåøàòü, íàñêîëüêî äàëåêî áóäåò ñòîÿòü ìîíèòîð.

Èìåííî ïîýòîìó êîíñòðóêöèÿ ñîâðåìåííûõ ñòîëîâ ïîçâîëÿåò ìåíÿòü ãëóáèíó ïîëîæåíèÿ ìîíèòîðà â øèðîêîì äèàïàçîíå. Âåðõíÿÿ ãðàíèöà íà óðîâíå ãëàç èëè íå íèæå 15 ñì íèæå óðîâíÿ ãëàç.

Âíóòðåííèé îáúåì - çíà÷èìûì ôàêòîðîì ÿâëÿåòñÿ ïîä ïðîñòðàíñòâî ñòîëåøíèöåé. Âûñîòà íàøèõ ñòîëîâ ñîîòâåòñòâóåò îáùåïðèíÿòûì ñòàíäàðòàì, è ñîñòàâëÿåò 74 ñì. Òàêæå íåîáõîäèìî ó÷åñòü, ÷òî ïðîñòðàíñòâà ïîä êðåñëîì è ñòîëîì äîëæíî áûòü äîñòàòî÷íî, ÷òîáû áûëî óäîáíî ñãèáàòü è ðàçãèáàòü êîëåíè.

Êðåñëî - êàçàëîñü áû, òðåáîâàíèÿ ê íåìó ñôîðìóëèðîâàòü ïðåäåëüíî ïðîñòî, - îíî äîëæíî áûòü óäîáíûì. Íî ýòî åùå íå âñå. Êðåñëî äîëæíî îáåñïå÷èâàòü ôèçèîëîãè÷åñêè ðàöèîíàëüíóþ ðàáî÷óþ ïîçó, ïðè êîòîðîé íå íàðóøàåòñÿ öèðêóëÿöèÿ êðîâè è íå ïðîèñõîäèò äðóãèõ âðåäíûõ âîçäåéñòâèé. Êðåñëî îáÿçàòåëüíî äîëæíî áûòü ñ ïîäëîêîòíèêàìè è èìåòü âîçìîæíîñòü ïîâîðîòà, èçìåíåíèÿ âûñîòû è óãëà íàêëîíà ñèäåíüÿ è ñïèíêè. Æåëàòåëüíî èìåòü âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâêè âûñîòû è ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ïîäëîêîòíèêàìè, ðàññòîÿíèÿ îò ñïèíêè äî ïåðåäíåãî êðàÿ ñèäåíüÿ. Âàæíî, ÷òîáû âñå ðåãóëèðîâêè áûëè íåçàâèñèìûìè, ëåãêî îñóùåñòâèìûìè è èìåëè íàäåæíóþ ôèêñàöèþ. Êðåñëî äîëæíî áûòü ðåãóëèðóåìûì, ñ âîçìîæíîñòü âðàùåíèÿ, ÷òîáû äîòÿíóòüñÿ äî äàëåêî ðàñïîëîæåííûõ ïðåäìåòîâ.

Ïîëîæåíèå çà êîìïüþòåðîì - ðåãóëèðóåìîå, îáîðóäîâàíèå äîëæíî áûòü òàêèì, ÷òîáû ìîæíî áûëî ïðèíÿòü ñëåäóþùåå ïîëîæåíèå:

ïîñòàâüòå ñòóïíè ïëîñêî íà ïîë èëè íà ïîäíîæêó,

ïîÿñíèöà ñëåãêà âûãíóòà, îïèðàåòñÿ íà ñïèíêó êðåñëà,

ðóêè äîëæíû óäîáíî ðàñïîëàãàòüñÿ ïî ñòîðîíàì,

ëèíèÿ ïëå÷ äîëæíà ðàñïîëàãàòüñÿ ïðÿìî íàä ëèíèåé áåäåð,

ïðåäïëå÷üÿ ìîæíî ïîëîæèòü íà ìÿãêèå ïîäëîêîòíèêè íà òàêîé âûñîòå, ÷òîáû çàïÿñòüÿ ðàñïîëàãàëèñü ÷óòü íèæå, ÷åì ëîêòè,

ëîêòè ñîãíóòû è íàõîäÿòñÿ ïðèìåðíî â 3 ñì îò êîðïóñà,

çàïÿñòüÿ äîëæíû ïðèíÿòü íåéòðàëüíîå ïîëîæåíèå (íè ïîäíÿòû, íè îïóùåíû).

9.5 Òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê ïîìåùåíèÿì äëÿ ÝÂÌ

Îñâåùåííîñòü. Ïîìåùåíèÿ äëÿ ÝÂÌ äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü 1 ðàçðÿäó çðèòåëüíîé ðàáîòû, ïîäðàçðÿäû Â è Ã. Ïðè ýòîì, â ñèëó ñïåöèôèêè ðàáîòû íà ÝÂÌ, îñâåùåíèå äîëæíî áûòü èñêóññòâåííûì. Íîðìû îñâåùåííîñòè ïðèâåäåíû â òàáëèöå 9.1 [10].

Òàáëèöà 9.1 - Íîðìû îñâåùåííîñòè

Øóì.  çàëàõ äëÿ ÝÂÌ ïðåäåëüíî äîïóñòèìûé ýêâèâàëåíòíûé óðîâåíü øóìà íå äîëæåí ïðåâûøàòü 50 äÁ.

 ïîìåùåíèÿõ, ãäå ðàáîòàþò èíæåíåðíî-òåõíè÷åñêèå ðàáîòíèêè, îñóùåñòâëÿþùèå ëàáîðàòîðíûé, àíàëèòè÷åñêèé èëè èçìåðèòåëüíûé êîíòðîëü ýêâèâàëåíòíûé óðîâåíü øóìà íå äîëæåí ïðåâûøàòü 50 äÁ.  ïîìåùåíèÿõ îïåðàòîðîâ ÝÂÌ áåç äèñïëååâ ýêâèâàëåíòíûé óðîâåíü øóìà íå äîëæåí ïðåâûøàòü 65 äÁ.

Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè çâóêîâîãî äàâëåíèÿ ïî îòäåëüíûì ãðóïïàì ÷àñòîò ïðèâåäåíû â òàáëèöå 9.2 [11].

Òàáëèöà 9.2 - Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè çâóêîâîãî äàâëåíèÿ ïî îòäåëüíûì ãðóïïàì ÷àñòîò

Ýëåêòðîáåçîïàñíîñòü. ÝÂÌ IBM PC ñ òî÷êè çðåíèÿ ýëåêòðîáåçîïàñíîñòè íå òðåáóåò çàçåìëåíèÿ èëè çàíóëåíèÿ. Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè òîêîâ è íàïðÿæåíèé ïðèêîñíîâåíèÿ ïðèâåäåíû â òàáëèöå 9.3 [12].

Òàáëèöà 9.3 - Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè òîêîâ è íàïðÿæåíèé ïðèêîñíîâåíèÿ

Ìèêðîêëèìàò. Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè òåìïåðàòóðû, îòíîñèòåëüíîé âëàæíîñòè è ñêîðîñòè äâèæåíèÿ âåòðà ïðèâåäåíû â òàáëèöå 9.4 [13].

Òàáëèöà 9.4 - Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè òåìïåðàòóðû, îòíîñèòåëüíîé âëàæíîñòè è ñêîðîñòè äâèæåíèÿ âåòðà

Ñîäåðæàíèå âðåäíûõ õèìè÷åñêèõ âåùåñòâ â âîçäóõå íå äîëæíî ïðåâûøàòü ñðåäíåñóòî÷íûõ êîíöåíòðàöèé äëÿ àòìîñôåðíîãî âîçäóõà.

Çàêëþ÷åíèå

 äàííîé äèïëîìíîé ðàáîòå áûëè ðàññìîòðåíû âîïðîñû ðàçðàáîòêè âèðòóàëüíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî èññëåäîâàíèþ àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé ñåðèè 4À ñ êîðîòêîçàìêíóòûì è ôàçíûì ðîòîðîì. Îïèñàíû óñòðîéñòâî, ïðèíöèï äåéñòâèÿ è ñïîñîáû ðåãóëèðîâàíèÿ ñêîðîñòè àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé.

Ðàññìîòðåíî ìàòåìàòè÷åñêîå îïèñàíèå îáîáù¸ííîé àñèíõðîííîé ìàøèíû è ïðèâåäåíû óðàâíåíèÿ äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ ÀÄ â íåïîäâèæíîé ñèñòåìå êîîðäèíàò. Ïî ýòèì óðàâíåíèÿì ñîñòàâëåíà ñõåìà ìîäåëè ÀÄ è ïðîâåä¸í àíàëèç ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ â ÀÄ è ñíÿòû äèíàìè÷åñêàÿ è ñòàòè÷åñêàÿ ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè.

Ïîñòàâëåííàÿ çàäà÷à ðåàëèçîâàíà â íàãëÿäíîì è ýôôåêòèâíîì ñðåäñòâå âèçóàëüíîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ìîäåëåé - ïàêåòå Simulink ïðîãðàììû MATLAB.

Ýòîò ïàêåò òàêæå èñïîëüçîâàëñÿ ïðè ðàçðàáîòêå ìåòîäèêè âûïîëíåíèÿ âèðòóàëüíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî èññëåäîâàíèþ àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé ñåðèè 4À ñ êîðîòêîçàìêíóòûì è ôàçíûì ðîòîðîì. Ïî ýòîé ìåòîäèêå áûëî ïðîâåäåíî èññëåäîâàíèå ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ, ïóñêîâûõ ñâîéñòâ, ñíÿòèå åñòåñòâåííûõ è èñêóññòâåííûõ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ïðè èçìåíåíèè ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ, ÷àñòîòû òîêà è ââîäå äîáàâî÷íîãî ñîïðîòèâëåíèÿ â öåïü ôàçíîãî ðîòîðà, à òàêæå ñíÿòèå ðàáî÷èõ õàðàêòåðèñòèê.

Âûïîëíåíèå äàííîé ðàáîòû èìååò ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå, è áóäåò èñïîëüçîâàòüñÿ â ëàáîðàòîðèè ýëåêòðè÷åñêèõ ìàøèí êàôåäðû ÀÓÒÑ.

Ðàçðàáîòàííûå âèðòóàëüíûå ëàáîðàòîðíûå ðàáîòû íàìíîãî ïðåâîñõîäÿò ïî òåõíè÷åñêèì è ýêîíîìè÷åñêèì âîçìîæíîñòÿì ðåàëüíóþ ôèçè÷åñêóþ ëàáîðàòîðíóþ óñòàíîâêó.  íèõ èìååòñÿ øèðî÷àéøèé ñïåêòð âîçìîæíîñòåé ïî èññëåäîâàíèþ àñèíõðîííîé ìàøèíû â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ ðàáîòû, ÷òî â ðåàëüíîé ëàáîðàòîðèè òðåáóåò áîëüøèõ ôèíàíñîâûõ ðàñõîäîâ èç-çà äîðîãîâèçíû íåîáõîäèìîãî îáîðóäîâàíèÿ. Íî îíè íå ÿâëÿþòñÿ ïîëíîé çàìåíîé ðåàëüíîé ôèçè÷åñêîé ëàáîðàòîðèè, à òîëüêî äîïîëíÿþò å¸, ïóò¸ì ïîäãîòîâêè ñòóäåíòîâ, òàê êàê ñòóäåíòû äîëæíû ïîëó÷èòü ïðàêòè÷åñêèå íàâûêè ðàáîòû â ëàáîðàòîðèè.

Áîëüøèì ïëþñîì ðàçðàáîòàííûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî âèðòóàëüíóþ ëàáîðàòîðíóþ ìîæíî èñïîëüçîâàòü â äèñòàíöèîííîì îáó÷åíèè ñòóäåíòîâ è â ðàçëè÷íûõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèÿõ, ãäå íåò âîçìîæíîñòè ïîðàáîòàòü â ðåàëüíîé ëàáîðàòîðèè. Åäèíñòâåííîå, ÷òî íåîáõîäèìî äëÿ ðàáîòû âèðòóàëüíîé ëàáîðàòîðíîé, ýòî íàëè÷èå ïåðñîíàëüíîãî êîìïüþòåðà, êîòîðûé â íàøå âðåìÿ ÿâëÿåòñÿ îáùåäîñòóïíûì è èìååòñÿ â êàæäîì ó÷åáíîì çàâåäåíèè.

Ïðîèçâåä¸í ðàñ÷¸ò ñòîèìîñòè çàòðàò íà ðàçðàáîòêó ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ è ýêîíîìè÷åñêèé ýôôåêò îò èñïîëüçîâàíèÿ âèðòóàëüíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò.

Ðàññìîòðåíà òåõíèêà áåçîïàñíîñòè, ýêñïëóàòàöèÿ è âëèÿíèå ðàáîòû çà êîìïüþòåðîì íà îðãàíèçì ÷åëîâåêà.

Ñïèñîê èñïîëüçîâàííûõ èñòî÷íèêîâ

1Ãåðìàí - Ãàëêèí Ñ.Ã. Êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ñèñòåì â MATLAB 6.0: Ó÷åáíîå ïîñîáèå - ÑÏá.: Êîðîíà ïðèíò, 2001. 320 ñ.

Ëàçàðåâ Þ. Ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññîâ è ñèñòåì â MATLAB. Ó÷åáíûé êóðñ. - ÑÏá.: Ïèòåð; Êèåâ: Èçäàòåëüñêàÿ ãðóïïà BHV, 2005. 512 ñ.: èë.

Êèòàåâ Â. Å., Øëÿïèíòîõ Ë. Ñ. Ýëåêòðîòåõíèêà ñ îñíîâàìè ïðîìûøëåííîé ýëåêòðîíèêè. Ó÷åáíîå ïîñîáèå äëÿ ïðîô.-òåõí. ó÷åáíûõ çàâåäåíèé. Èçä. 2-å, ïåðåðàáîò. è äîï. Ì., «Âûñø. øêîëà», 1968. 416 ñ. ñ èë.

ßêîâëåâ Ã.Ñ., Ìàãàðøàê Á.Ã., Ìàíèêèí À. È. Ñóäîâûå ýëåêòðè÷åñêèå ìàøèíû. Ë., «Ñóäîñòðîåíèå», 1972, 384 ñ.

Ñåðãååâ Â.Ä. Ìåòîäè÷åñêèå óêàçàíèÿ ê ëàáîðàòîðíûì ðàáîòàì ¹4 è ¹5 «Èññëåäîâàíèå òð¸õôàçíîãî àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ». Ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèé îòäåë ÄÂÏÈ, 1991. 24 ñ.

Êðàâ÷èê À.Ý., Øëàô Ì.Ì., Àôîíèí Â.È., Ñîáîëåíñêàÿ Å.À. Àñèíõðîííûå äâèãàòåëè ñåðèè 4À: Ñïðàâî÷íèê/À90 - Ì.: Ýíåðãîèçäàò, 1982. 504 ñ., èë.

Ñïðàâî÷íèê ïî ýëåêòðè÷åñêèì ìàøèíàì:  2ò./Ñ74. Ïîä îáù. ðåä. Êîïûëîâà È.Ï. è Êëîíîâà Á.Ê. Ò.1.-Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1988. 456 ñ., èë.

Òèïîâûå íîðìû âðåìåíè íà ïðîãðàììèðîâàíèå çàäà÷ íà ÝÂÌ. - ìåòîä. óêàçàíèÿ Ì., Ýêîíîìèêà 1989. 125ñ.

Îõðàíà òðóäà / Ïîä ðåä. Á. À. Êíÿçåâñêîãî. -Ì.: Âûñøàÿ øêîëà, 1992. 311 ñ.

ÑÍèÏ 23-05-95 Íîðìû îñâåùåííîñòè

ÃÎÑÒ 12.1.038-82 Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè òîêîâ è íàïðÿæåíèé ïðèêîñíîâåíèÿ

ÃÎÑÒ 12.1.003-81 Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè çâóêîâîãî äàâëåíèÿ ïî îòäåëüíûì ãðóïïàì ÷àñòîò

ÑíèÏ 2.2.2 542-96 Ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå óðîâíè òåìïåðàòóðû, îòíîñèòåëüíîé âëàæíîñòè è ñêîðîñòè äâèæåíèÿ âåòðà

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru