Электропривод, осуществляющий электромеханическое преобразование энергии, широко используется во всех областях деятельности для обеспечения нужд производства и жилищно-коммунального хозяйства, потребляет более 60 % всей вырабатываемой электроэнергии.

Повышение энергетической эффективности может быть достигнуто при использовании регулируемых  электроприводов  для управления технологическими процессами, что в сочетании с возможностями автоматизации может обеспечить оптимальное использование электроэнергии и других ресурсов. Экономический потенциал энергосбережения в электроприводе практически исчерпан, т.к. отдельные компоненты электропривода достаточно совершенны. Вместе с тем остается громадный потенциал, основанный на совершенствовании проектирования систем в целом и оптимизации их параметров.

Развитие математической теории машин переменного тока, создание усовершенствованных силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе, использование современных средств управления, включая микропроцессорные, позволили создать высококачественные и надежные системы регулируемых асинхронных электроприводов, которые становятся основным видом регулируемого электропривода.

В связи с возрастанием цен на энергоносители, в частности на электроэнергию, и ограниченными возможностями увеличения мощности энергогенерирующих установок проблема энергосбережения, в том числе снижения электропотребления, приобретает особую актуальность.

В рамках данной статьи рассмотрено применение
математическая модель, рассчитанная на подъём электромостового крана, приводящийся в действие от асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, смоделированная при помощи программы Matlab 7.12, которая включает в себя пакеты Simulink и Sim Power Systems.

В плане опытного образца был выбран крановый механизм.

Данные проектируемого кранового механизма представлены ниже (табл.1).

Таблица 1 – Исходные данные проектируемого кранового механизма

Для данного кранового механизма был выбран АД с КЗ ротором специальной крановой серии исполнения.

Данные выбранного двигателя представлены ниже (таблице 2).

Таблица 2 – Данные выбранного двигателя.

Далее производиться расчёт динамических характеристик системы.

Данные двигателя содержаться в таблице 2. Значения активных и реактивных сопротивлений обмоток статора и ротора соответственно R₁, Ом, X₁, Ом и R₂‘, Ом, X₂‘, Ом, а также значения реактивного сопротивления рассеяния X_μ, Ом рассчитываются с помощью программы ADpasport математического пакета MathCad, значения сопротивлений представлены ниже, в относительные единицах.

о.е.; о.е.; о.е.; о.е.; о.е.

Определяется общее сопротивление схемы замещения Z_н, Ом с помощью формулы, представленной ниже.

Ом,

где U_нф – фазное сопротивление двигателя, В.

Рассчитываются сопротивления схемы замещения двигателя в Омах

Активное сопротивление статора R₁^* , Ом определяется с помощью выражения.

Ом,

Реактивное сопротивление статора X₁^*, Ом
определяется с помощью выражения

Ом,

Активное сопротивление ротора R₂^* , Ом определяется с помощью выражения

Ом,

Реактивное сопротивление ротора X₂^*, Ом
определяется с помощью выражения

Ом,

Реактивное сопротивление рассеяния X_μ^*, Ом
определяется с помощью выражения

Ом,

Определяются индуктивности рассеяния обмоток двигателя.

Индуктивность рассеяния статора L_1σ, Гн может быть найдена по формуле

Гн,

Индуктивность рассеяния ротора L_2σ, Гн может быть найдена по формуле

Гн,

Взаимоиндуктивность рассеяния статора и ротора L_μ, Гн может быть найдена по формуле.

Гн,

Рассчитываются полные индуктивности обмоток.

Индуктивность статора L₁, Гн определяется с помощью формулы

Гн,

Индуктивность ротора L₂, Гн определяется по формуле

Гн.

На следующем этапе переходим непосредственно к моделированию АД с КЗ ротором для механизма подъёма электромостового крана.

Модель виртуальной машины, питающейся от трёхфазного источника и подключенной выходом к блоку измерения приведена ниже (рис.1).

Рисунок 1. Модель виртуальной машины, питающаяся от трёхфазного источника и подключенная выходом к блоку измерения.

Далее приведены результаты моделирования модели, представленной на рисунке 1. (рис. 2)

Рисунок 2. Графики скорости и момента при пуске и во время переходных процессов.

Для сравнения приведены переходные процессы классической модели асинхронной машины с короткозамкнутым ротором из книги С.Г. Германа-Галкина «Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК».

После сравнения результатов моделирования мы наблюдаем идентичность представленных моделей, т.е. при пуске происходит бросок момента и плавное возрастание скорости, далее при подаче момента нагрузки момент выравнивается, а скорость проседает, но как видно, в нашем случае бросок момента не так велик и протекает плавно. Это осуществляется за счёт правильной настройки трёхфазного программируемого источника напряжения. В свою очередь можно сделать вывод, что снижение пусковых токов и моментов, а также токов и моментов во время переходных процессов производственного цикла – это огромная экономия энергии, что говорит о энергоэффективности данного метода регулировки механизма подъёма (опускания) выбранного электромостового крана.

В работе решается проблема обеспечения энергосбережения с помощью асинхронных двигателей, которые являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Построена  математическая  модель, рассчитанная на подъём электромостового крана, приводящийся в действие от асинхронного электродвигателя с коротко замкнутым ротором,  смоделированная при  помощи программы Matlab 7.12, включающую в себя пакеты Simulink и Sim Power Systems.

Построенная модель механизма подъёма мостового крана с амплитудно-частотным управлением представлена ниже (рис.1).

Рисунок  1. – Эталонная модель виртуальной машины с амплитудно – частотным управлением и подключенная выходом к блоку измерения.

На рисунке ниже представлены результаты моделирования нашей эталонной модели (график скоростей).

Рисунок 2. – График скоростей эталонной модели. 

На изображении ниже представлена адаптивная модель виртуальной машины с амплитудно – частотным управлением, подключенная выходом к блоку измерения (рис. 3).

Рисунок  3. – Адаптивная модель виртуальной машины электромостового крана с амплитудно – частотным управлением, подключенная выходом к блоку измерения.

На рисунке ниже приведено сравнение эталонной системы и подстраивающейся без усилителя (график скоростей). В нашем случае у подстраивающейся системы был увеличен момент инерции в 5, в несколько раз была увеличена сила трения, также подразумевая нагрев, были увеличены в несколько раз сопротивления статора и ротора.

В результате на графике видна просадка скорости у подстраивающейся системы в сравнении с эталонной (рис. 4).

 Рисунок 4. – сравнение эталонной системы и подстраивающейся (график скоростей).

Полученная просадка устраняется усилителем Gain5, коэффициент усилителя в нашем случае составил 15. Результаты моделирования представлены ниже на рисунке 5.

 Рисунок 5. – графики скоростей адаптивной модели виртуальной машины электромостового крана с амплитудно – частотным управлением.

На графике представленном выше мы наблюдаем почти что полную идентичность заданных скоростей.