Система управления асинхронным двигателем должна обеспечивать максимальную экономию электроэнергии, иметь высокую надежность и приемлемую стоимость. Такие системы управления позволяют достигнуть высоких показателей требуемых технологических процессов.

Компьютерные технологии позволяют исследовать статические и динамические режимы работы электрических машин, их механические характеристики, условия пуска и технико-экономические показатели с получением количественных результатов.

Целью данной работы является разработка модели асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, привода дутьевого вентилятора, разработанной в пакете Simulink программы МATLAB удовлетворяющей современным высоким технологическим требованиям.

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,

Таблица 1: данные электродвигателя.

Кн =Мп / Мн

Кмах = Ммах / Мном

Кмin = Ммin / Мном

Кi – крат-ть пускового тока

Кном – ном. момент

Мп – пуск. момент

Ммах – максим. момент

Ммin – миним. момент

Определяем номинальный ток электродвигателя:

Номинальный момент эл. двигателя:

Паспортные значения мах. из пусковых моментов:

Таблица 2: номинальные данные электродвигателя.

Определение мах. момента нагрузки на валу эл. двигателя:

Условия проверки эл. двигателя на перегрузки:

– условие выполняется

Коэффициент снижения:

Тогда, мах. момент будет равен:

- условие выполняется

Мах. ток двигателя при P=Pmax

На основании проделанных расчётов строим виртуальную модель АД.

Схема модели для исследования двигателя с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема модели для исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Графический дисплей «wm, M=f(t), is_qd» отображает переходной процесс скорости и момента во времени, эквивалентный ток, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. – Переходной процесс скорости и момента функции времени, эквивалентного тока при пуске и набросе нагрузки.

Аналогичная картина наблюдается при набросе нагрузки. Данные характеристики представлены на рисунках 2.1

Рисунок 2.1 – Динамическая механическая характеристика при пуске и набросе нагрузки, построенная блоком «XY»

Графический дисплей «Va,b,c, Ia,b,c » отображает параметры сети, представленный на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 – Параметры сети.

Из выше приведённых графиков мы видим изменения энергетических характеристик во времени, это очень важно для анализа и улучшения в требуемых режимах. Видим долевые потери энергии на каждом участке системы.

Энергосбережение, увеличение производительности, повышение конкурентоспособности не возможно без применения современного комплектного автоматизированного электропривода.

В позиционных электроприводах внешний входной сигнал системы задает значение перемещения рабочего органа. Позиционный электропривод перемещает рабочий орган из некоторой позиции в некоторую конечную позицию с требуемой точностью остановки в ней.

Основным показателем качества позиционных электроприводов следует считать точность позиционирования, т. е. разность между заданным и отработанным перемещениями в данный момент времени и в данной точке траектории рабочего органа.

Для электроприводов постоянного тока широкое применение нашли системы управления, построенные по принципу подчиненного регулирования координат. При задании перемещения типовой является простая структура с П – регулятором положения и ПИ -  регулятором скорости.

Целью работы является разработка модели системы управления электропривода с нечетким регулятором положения. Для сравнения также будет построена модель с классическим П-регулятором положения, которая позволит оценить разницу в отработке системой управляющего воздействия.

Разрабатываемый регулятор включает в себя три лингвистические переменные: две входных – ошибка е, задание на перемещение се, и одну выходную управление u (рисунок 1). Лингвистические переменные e, се и du имеют пять термов с нечеткими значениями: «большое отрицательное» (BN), «отрицательное» (N), «нулевое» (Z), «положительное» (P) и «большое положительное» (BP). Данное количество термов представляется наиболее удобным и обеспечивает удовлетворительную чувствительность регулятора к изменению состояния системы. В качестве функций принадлежности термам были выбраны треугольные функции, определяемые тремя числами (a, b, c). Границы термов выбраны из условия их симметричности относительно положительных и отрицательных значений входных сигналов. На этапе дефаззификации был использован метод центра тяжести.

Рисунок 1. Функции принадлежности термам лингвистических переменных нечеткого регулятора.

После определения количества термов каждой лингвистической переменной и распределения функций принадлежности были синтезированы нечеткие правила вида

R_i: ЕСЛИe=A_i1 И ce=A_i2, ТО u = B_i ,

База правил приведена в таблице 1.

Таблица 1 – База правил для фаззи-регулятора

В результате проведения моделирования в среде MatLAB получены переходные процессы, представленные на рисунках 2 – 3. На рисунке синяя штриховая линия – переходные процессы в системе с П – регулятором, красная сплошная – в системе с фаззи-регулятором положения.

Рисунок 2. Перемещение электровоза на 300 м.

Рисунок 3. Перемещение электровоза на 21 м.

Использование нечеткого регулятора положения обеспечивает более быстрое реагирование системы на управляющее воздействия с отсутствием  перерегулирования и меньшим «дотягиванием» по положению.

Таким образом, нечеткое регулирование положительно сказывается на динамических свойствах позиционного электропривода, что подтверждено результатами моделирования.

Использование принципов функциональной диагностики с переходом на систему мониторинга технического состояния электропривода даст возможность планировать проведение ремонтов, технического обслуживания, экономически оправданное продление срока службы оборудования, что в свою очередь позволит повысить ресурсоэффективность эксплуатации. Оптимальное прогнозирование снизит трудозатраты на ремонт,  расход запасных частей, простои и дополнительные потери, связанные с перегрузкой и работой изношенного оборудования.   Проведение технического обслуживания в этом случае производится только тогда, когда это необходимо в связи с наступлением высокой вероятности отказа оборудования. Тем самым не нарушается работа исправного механизма из-за вмешательства человека. Для того чтобы оперативно определять  состояние оборудования, контролировать и прогнозировать его работу необходимо наличие нескольких подсистем, которые должны быть объединены в интегрированную информационно аналитическую систему (ИИАС). Процесс разработки, внедрения и интеграция с систем такого рода c ERP является длительным и дорогостоящим, поэтому целесообразно реализовывать её модульно. Каждый модуль является законченной самостоятельной системой реализующей определенную функцию и отключение или вывод из работы других модулей не должен влиять на работу остальных.

Стационарные системы диагностики эффективны для крупных объектов с однотипными приводами, которые имеют постоянную загрузку и скорость вращения. В настоящее время нет готовых систем, которые были бы  унифицированы и могли применятся для различных производств [3]. В основном такие системы специализированны для конкретных машин и оборудования и основаны на вибрационном анализе. Однако для оборудования, которое работает в «тяжелых» условиях при наличии множества паразитных вибраций, а также зачастую невозможность получить доступа к оборудованию применение таких систем не является возможным [1].

При формировании требований к системе необходимо выбрать:  виды диагностики, методы обработки данных и  средства сбора информации, которые позволят реализовать систему при наименьших затратах, максимально используя оборудование и системы, которые уже есть на предприятии. На настоящий момент нет безошибочного метода контроля и диагностики, поскольку могут встречаться нештатные условия эксплуатации электропривода, переходные процессы, обусловленные случайным характером нагрузки и изменением управляющего воздействия, поэтому применяемые диагностические методы должны быть избыточны по физической сути и набору диагностических параметров[2]. В связи с этим входные данные для ИИАС (рисунок 1) можно разбить на ON-Line параметры и Off-Line.

ON-Line параметры необходимы для оперативного контроля и прогнозирования на небольшой промежуток времени достаточного для удовлетворения непрерывности технологического процесса и своевременного обнаружения возможности развития аварии. На основании обработки данных ИИАС сможет заблаговременно сигнализировать о возможной аварии и остановить оборудование в случае необходимости.  В ON-Line входят параметры:

окружающей среды (температура, загазованность, влажность и.т.д.);

двигателя (ток, напряжение, скорость, температура, вибрации, гармонический состав тока и.т.д.);

питающей сети (несимметрия напряжений, отклонение напряжения, отклонение частоты, коэффициенты гармонических составляющих и.т.д.);

технологического процесса (загрузка, положение, время работы и.т.д.).

Off-Line параметры необходимы для последующего моделирования и прогнозирования как на короткий, так и на длительный интервал времени, что, в свою очередь, позволит оптимально организовать плановые ремонты, вывод оборудования из работы и заказ запасных частей. Помимо основных параметров, которые снимаются в  ON-Line режиме для системы необходимы данные о проведенных ремонтах, данные об авариях, данные полученные в результате комплексной и экспресс диагностики. На основании совокупности входных данных ИИАС формирует отчет об износе отдельных узлов электропривода и о вероятности выхода их из строя. На следующем этапе определяются причины износа и  их вклад в износ определенного узла электропривода. На основании этих знаний принимается решение об управлении нагрузкой и о заказе запасных частей, износ которых превышает пороговое значение. Отдельный модуль ИИАС осуществляет расчет дополнительных потерь, которые возникают в электроприводе в результате значительного износа деталей, неудовлетворительном качестве питающего напряжения, перегреве или не оптимальной работы электропривода, по этим данным выдаются рекомендации по энергосбережению.

Рисунок 1. Структурная схема ИИАС контроля, диагностики и оценки остаточного ресурса электропривода.

В результате обработки данных представленная модульная система делает заключение об общем состояние электропривода и прогноз на заданный промежуток времени, на основании которых принимается решение о выводе оборудования в плановый ремонт или проведении комплексной диагностики. Представленная ИИАС контроля, диагностики и оценки остаточного ресурса электропривода, позволит  полностью перейти от системы планово-предупредительных ремонтов к системе обслуживания по фактическому состоянию, а также на основе кратковременных прогнозов предупреждать возникновение серьезных аварий в результате внезапного выхода из строя оборудования.