CC BY
102
ЕЛЕКТРОН1КА I ЕЛЕКТРОТЕХН1КА
УДК 378.14+621.31
ОН. ВОЙЦЕХОВСЬКИЙ
Херсонський нащональний техшчний ушверситет
Н.Л. ДОН, С О. САВЧЕНКО
Херсонський полiтехнiчний коледж Одеського нацiонального полiтехнiчного унiверситету
МОДЕЛЮВАННЯ РЕЖИМ1В РОБОТИ ТРАНСФОРМАТОРА В СЕРЕДОВИЩ1 MULTISIM
Проанал1зовано Modeni режимiв роботи трансформатора. Запропоновано методику використання комп 'ютерних моделей у сeрeдoвищi Multisim при вивченш рeжимiв роботи трансформатора на лабораторному практикумi з електричних машин у вищих навчальних закладах. Пропонуеться методичне забезпечення до вiртуальнoi лабораторног роботи.
Ключoвi слова: режими роботи трансформатора, Multisim, лабораторний практикум.
А.Н. ВОЙЦЕХОВСКИЙ
Херсонский национальный технический университет
Н.Л. ДОН, С.А. САВЧЕНКО
Херсонский политехнический колледж Одесского национального политехнического университета
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТИ ТРАНСФОРМАТОРА В СРЕДЕ MULTISIM
Проанализированы модели режимов работы трансформатора. Предложена методика использования компьютерных моделей в среде Multisim при изучении режимов работы трансформатора в лабораторном практикуме по электрическим машинам в высших учебных заведениях. Предлагается методическое обеспечение к виртуальной лабораторной работе.
Ключевые слова: режимы работы трансформатора, Multisim, лабораторный практикум.
A.N. VOYTSEKHOVSKIY
Kherson National Technical University
N.L. DON, S.A. SAVCHENKO
Kherson Polytechnic College of
Odessa National Polytechnic University
THE DESIGN OF MODES OF OPERATIONS OF TRANSFORMER IN ENVIRONMENT OF MULTISIM
The model of the modes of operations of the transformer is analyzed. Methods of computer models using in the environment of Multisim of the studying of the modes of transformer operations at the laboratory practical work from electric machines are offered in higher educational establishments. The methodical providing is offered to virtual laboratory work.
Keywords: modes of operations of transformer, Multisim, laboratory practical work.
Постановка проблеми
Розробка електротехшчного пристрою супроводжуеться ф1зичним чи то математичним моделюванням. Ф1зичне моделювання завжди супроводжуеться значними матер1альними витратами через виготовлення макепв та !х апробацш. Нервдко ф1зичне моделювання просто неможливо провести через надвичайну складшсть пристрою. В цьому випадку застосовуеться математичне моделювання з використанням засоб1в та метод1в обчислювально! техшки, особливо якщо модель дозволяе усунути проблеми, що виникають при проведенш вим1рювань на реальних об'ектах.
Необхвдшсть модельних уявлень полягае в тому, що жоден процес не може бути описаний з урахуванням уах умов та обставин, що супроводжують це явище. Звичайно, вивчення р1зних моделей трифазних трансформатор1в у ВНЗ обмежуеться лише лекцшними викладами i рвдко виноситься до
лабораторного практикуму. Цей матерiал важко засвоюеться студентами, осшльки в тдручниках йому видiлений порiвняно малий об'ем.
Анaлiз останшх дослвджень i публiкацiй
Використання iнформацiйних технологш в освiтньому процесi вищого навчального закладу, зокрема при проведеннi лабораторних робгг з дисциплiни «Електричн машини» i3 застосуванням вiртуально! комп'ютерно! лабораторп дозволяе покращити як1сть вивчення принцитв роботи та особливостей електричних машин та електромагнггаих пристро!в [1].
У вiртуальних комп'ютерних лабораторiях активно застосовуеться обчислювальний експеримент, для проведения якого можна ефективно використовувати програмний продукт National Instruments - Multisim (Electronic Workbench), в ньому досить зручно моделювати роботу як силового обладнання, лiнiй електропередач в номiнальних та аваршних режимах, так i самi пристро! електромеханiки [2].
Програмний пакет Multisim дозволяе моделювати електричш схеми пристро!в та вiзуально представляти результата у виглядi осциллограмм, графiкiв характеристик, показiв вiртуальних вимiрювальних приладiв, що сприяе кращому розумiнню принципiв функцюнування реальних схем контролю та керування технологiчними процесами виробництва [3].
Формулювання мети дослiдження
Слiд зазначити, що у б№шосп технiчних вишiв на лабораторному практикумi з електричних машин способи ввiмкиения трифазних траисформаторiв "у натурному виконаннГ не вивчаються як через низку причин матерiального характеру, так i внаслiдок складностi реалiзацi! вiдповiдного лабораторного обладнаиия. Саме тому в кура електричних машин з метою усунення вище зазначеного недолжу пропонуеться методична розробка лабораторно! роботи "Дослщження способiв ввiмкиения трифазних трансформаторiв" та вiдповiдне вiртуальне лабораторне обладнання.
Викладення основного мaтерiaлу дослiдження
Трансформатором називаеться статичний iндуктивний перетворювач, що мае двi або бiльше шдуктивно зв'язаних взаемо нерухомих обмоток i призначений для перетворення за допомогою магттного поля одше! (первинно!) системи змшного струму в iншу (вторинну), що мае iншi характеристики, зокрема, напругу та струм [4,5]. Трансформатори виготовляються за технiчними умовами або зпдно вимог стаидартiв i призначеш виробником для виконання певних функцш по перетворенню електрично! енергп. При номшальних параметрах трансформатор може як завгодно довго працювати, не пере^ваючись вище ввд допустимих норм. В паспорт трансформатора вказують наступнi номшальш величини:
- номiнальна первинна лшшна напруга Um;
- номшальна вторинна лiнiйна напруга иги на розiмкиенiй вториннiй обмотцi при живленш первинно! обмотки напругою Um, номшально! частоти;
- номiнальний лшшний струм 1Ш первинно! обмотки;
- номшальну потужиiсть ;
- номшальний лiнiйний струм вторинно! обмотки 12Н ;
- схема i група сполучень обмоток;
- напруга короткого замикання.
Мета лабораторно! роботи - вивчення особливостей роботи трифазних трансформаторiв при з'еднанш обмоток зiркою, трикутником i зигзагом.
Перед початком моделювання в середовищi Multisim студент повинен самостшно опрацювати лекцiйний матерiал з теми роботи, вивчити основш теоретичнi положення та методику розрахунку, виконати розрахунок параметрiв установки для моделювання схеми пристрою, розглянути шструкцп до роботи в середовищi Multisim [3].
За бажанням викладач може надати вже готову схему для дослщження трансформатора або запропонувати студентам в рамках тдготовки до лабораторно! роботи самостшно створити файл з дослвджуваною моделлю трансформатора.
Модель трифазного трансформатора при ввiмкненнi зiркою чи трикутником наведена на рис.1.
Модель мютить:
- генератор напруги (UA, UB, UC);
- дослiд^ваиий трифазний трансформатор, що фактично складаеться iз трьох однофазних трансформаторiв Tj, Т2, Т3, вториннi обмотки якого можна з'еднувати зiркою чи трикутником перемиканням Si, S2, S3;
- вольтметри U2i, U22 UpE3 для визначення напруги на першiй, другiй частинах вторинного кола та результуючо! напруги;
- осциллограф - для визначення зсуву фаз мiж напругою генератора i UPE3.
- опори навантаження RH, що комутують за допомогою перемикачiв S4, Б5, 86 в зiрку чи трикутник (бажано встановити навантаження симетричним, тобто в кожнш фазi опори RH покласти однаковими);
- вольтметри и2 и иЬс для визначення фозно! та лшшно! напруги на вториннiй обмотцi трансформатора;
- амперметри 1Ь I2 и ^ вiдповiдно для визначення фазного струму первинно! обмотки, вторинно! обмотки та лшшного струму;
- осцилограф для визначення кута зсуву фаз мiж напругою та струмом.
Рис. 1. Модель трифазного трансформатора при ввшкнешм зiркою чи трикутником
Пiсля складання схеми необхвдно задати напругу reHeparopiB UA=UB=UC=Ui , для чого слад послвдовно ввдкрити дiалогове BiKHO кожного джерела напруги (рис.2) i внести ввдповвдш корективи.
Аналогiчно задаються параметри моделi трансформатора через панель Transformer Properties. Натискання EDIT ввдкривае панель Sheetl (рис. 3) з основними характристиками трансформатора: N -коефщент трансформаций Ri,R2 - опори обмоток; LE - iндуктивнiсть розсiяння (LE = 0,1 Гн); LM -iндуктивнiсть намагнiчування (LM = 5 Гн).
Щд час моделювання роботи схеми слад наголосити, що навггь у вiртуальному лабораторному практикумi слад зважати на перехiднi процеси i дочекатись усталеного режиму роботи трансформатора.
Студенту слад запропонувати з'еднати вторинш обмотки трансформатора зiркою за допомогою перемикачiв Si, S2 i S3, з використанням клавiш 1, 2 i 3. Споаб з'еднання навантаження фрка чи трикутник) мае вiдповiдати з'еднанню вторинних обмоток. Комутацiя навантаження виконуеться перемикачами S4, S5 i S6.
За стандартною методикою [2,3] слад визначити кут зсуву фази (ф1) мiж векторами напруги та струму в однш фазi А ^i використанням осциллограми). Для цього слад пвдвищити чутливiсть осциллографа за каналом В, шдвести вiзирнi лши (рис.4) i визначити iнтервал часу T2 - T1.
Аналопчну послiдовнiсть дш слад виконати при дослiдженнi роботи трифазного трансформатора iз з'еднанням вторинних обмоток трикутником за допомогою перемикачiв S1, S2 i S3, iз використанням клавiш 1, 2 i 3. При цьому слiд зазначити, що споаб з'еднання навантаження ^рка чи трикутник) мае вщповвдати способу з'еднання вторинних обмоток. Комутащя навантаження виконуеться перемикачами S4, S5 i S6.
Ва описанi вище розрахунки та побудови виконуються i для з'еднання трикутником.
Модель трифазного трансформатора при ввiмкненнi обмоток зигзагом наведена на рис.5.
2S\
Label | Display Value ] Fault | Pins ] Variant |
Voltage (Pk): aaacm V
Voltage offset: V
Frequency (F): | 120 Hz
Time delay: 1° s
Damping factor (1/s):
Phase: | 120 »
AC analysis magnitude: |l V
AC analysis phase: »
Distortion frequency 1 magnitude: h V
Distortion frequency 1 phase: F" »
Distortion frequency 2 magnitude: I. V
Distortion frequency 2 phase: F" °
Tolerance: I» %
Replace.,.
OK Cancel
Help |
PHC. 2. flia^oroBe BÏKHO g^epe^a HanpyrH
Phc. 3. naHem Sheetl Mogeri TpaHc^opMaTopa
Phc. 4. O^urorpaMa g.ra BHîHaneHHH <|);noiM)i<) 3cyBy b Moge^i cxeMH 3'egHaHHH .¡ipuoio
Phc. 5. Moge^b Tpu^aîHoro TpaHC^opMaTopa npu bbîmuiiciiim 3ur3aroM
Модель мютить:
- генератори напруги (иА, ив, ис);
- двi частини обмотки вторинного кола трансформатора в кожнiй фазi (фаза а - Т1Ь Т12; фаза Ь - Т21, Т22; фаза с - Тэ!, Т32);
- вольтметри и21, и22 иРЕ3 для визначення напруги на першш, другiй частинах вторинного кола та результуючо! напруги;
- осцилограф - для визначення зсуву фаз мш напругою генератора i иРЕ3.
Як i в попередньому етапi, викладач може запропонувати студенту самому змоделювати режим роботи трансформатора, або може надати вже готову схему для дослвдження.
Студент згiдно до варiанту мае встановити параметри генераторiв (и1, i трансформаторiв (Дь Я2, МЫ), опiр навантаження RH=500 Ом (за вказiвкою викладача).
Пiсля ввiмкнення схеми слiд визначити покази вольтметрiв и21, и22 та иРЕЗ. За стандартною методикою слд визначити фазовий зсув (ф) мiж вектором напруги первинно! обмотки та результуючим вектором напруги на вториннш обмотцi за осцилограмою (рис.6), що дозволить побудувати векторну дiаграму для даного типу з'еднання. До речi, визначений зсув фаз (ф) мiж вектором первинно! обмотки та результуючим вектором напруги мае ствпасти з кутом, отриманим в результата побудови за експериментальними значеннями напруги: и21, и22 i иРЕЗ.
Рис. 6. Осцилограма для визначення фазового зсуву в моделi схеми з'еднання загзагом
Обов'язково слд запропонувати студентам визначити та пояснити виникнення похибки за результатами побудови.
В рамках лабораторно! роботи студент сам мае впевнитись у достовiрностi отриманих результатав шляхом перевiрки спiввiдношень помiж фазними та лшшними струмами та напругами. Лише пiсля цього з використанням дослщжувано! схеми та показiв вимiрювальних приладiв можна запропонувати студенту побудувати векторну дiаграму та безпосередньо визначити групу з'еднання трифазного трансформатора.
Таким чином, програмний пакет Multisim дозволяе моделювати електричш схеми пристро!в та вiзуально представляти результати у виглядi осциллограмм, графшв характеристик, показiв вiртуальних вимiрювальних приладiв, що сприяе кращому розумiнню принцитв функцiонування реальних схем контролю та керування технологiчними процесами виробництва.
Висновки
Досконале вивчення способiв ввiмкнення трифазних трансформаторiв дозволить давати бiльш наочне та глибоке пояснення основним поняттям електромехашки.
Використання у викладаннi дисциплши «Електричш машини» подiбних моделей е важливим елементом освiтнього процесу при поясненш понятiйного апарату та схем реалiзацi!, як1 не завжди можливо дослiджувати за допомогою прямого лабораторного експерименту. Лабораторний практикум можна виконувати як в комп'ютерних класах навчального закладу, так i вдома на персональному комп'ютер^ що е особливо актуальним шд час дистанцiйного навчання.
Вважаемо, що запропонована методична розробка лабораторно! роботи може бути використана при пiдготовцi та проведеннi лабораторного практикуму з електричних машин у техшчному вищому навчальному закладi.
Список використанот лгтератури
1. Дон Н.Л. Використання шформацшних технологiй в оргашзацп навчального процесу з дисциплiни «Електричш машини» / Н.Л. Дон // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2015. - №1(52). - С.141-145.
2. Семёнов А.С. Исследование режимов работы однофазного трансформатора путем математического моделирования // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - № 5-3. - С. 391-395.
3. Хернитер М.Е. Электронное моделирование в Multisim / М.Е. Хернитер. - М.: ДМК, 2010. -488с.
4. Запрняк М. В. Електричш машини: шдручник / М.В.Запрняк, Б.1.Невзлш. - 2-ге вид., перероб. i доповн. - Кшв: Знання, 2009. - 399 с.
5. Онушко В. В. Електричш машини: навч. поабник / В. В. Онушко, О. В. Шефер. - Полтава: ПолтНТУ, 2010. - 487 с.
