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.

Разновидностью таких установок являются микротурбинные двигатели (МТД). Они работают на разных видах топлива:

• Природный газ высокого или низкого давления по ГОСТ Р 5542-87
  • Биогаз: мусорный газ; газ, получающийся при очистке сточных вод; анаэробный газ;
• Попутный нефтяной газ, факельный газ;
  • Жидкие виды топлива: керосин, дизельное топливо, биодизельное топливо;
• Низкокалорийные газы;
• Газы с нестабильными характеристиками состава;
• Сжиженный газ: природный газ (метан), пропан-бутан;
• Шахтный метан, метан угольных пластов;
• Коксовые газы;
• Сингаз (синтез-газ);

Данный двигатель представляет собой компактное модульное устройство, производящие как электроэнергию, так и тепло низкого и высокого потенциала.

Микротурбина по сравнению с газопоршневыми установками (ГПУ) имеет ряд преимуществ:

- возможность работы в течение длительного времени при низких нагрузках,

- низкий уровень выбросов, вибраций, шума,

- работа без смазок и моторного масла,

- низкая стоимость эксплуатационных расходов

- длительный ресурс до капитального ремонта,

- возможность работы на различных видах топлива

- высокая надежность.

Несмотря на свою компактность и простоту в эксплуатации, микротурбина может выступать как полноценный автономный источник энергии, способный обеспечить теплом и электроэнергией разные объекты: детские сады, образовательные учреждения, торговые центры.

Из групп микротурбин разных моделей и размеров можно смонтировать мини-ТЭЦ мощностью 3-5 МВт.  Что позволяет сократить размеры выделенных бюджетных средств по сравнению с возведением и реконструкцией ТЭЦ и организацией сетевого подключения.

Микротурбины используются в качестве резервного источника энергии на специальных объектах (больницы, военные и стратегические объекты),относящихся к первой категории энергопотребления.

Конструкцию микротурбины придумал и воплотил в жизнь Томас Генри почти 100 лет назад. Но, несмотря на это, в энергетических установках они стали появляться буквально 20-30 лет назад. Использование микротурбин позволило сделать установки энергоэффективными.

В настоящее время на рынке представлено около двадцати производителей установок на базе микротурбинного двигателя. Нами были проанализированы десять лидирующих фирм: Alstomс, Calnetix, Turbec, Centrax, Hitachi, Capstone, Turbec, Pratt&Whitney, Siemens, OPRA.

В данной работе представлены три компании с самыми подходящими, по нашему мнению, для потребителей нормативными параметрами. За основу взяты турбины мощностью  до 100 кВт.

1. Микротурбины Capstone — это оборудование, представляющее собой газовые турбины малой мощности для автономного теплоэнергоснабжения потребителей. Модель Capstone С65, имеющая электрическую мощность 65 кВт. (Таблица 1)

Таблица 1- Capstone С65

2.Микротурбины итальянской фирмы Turbec серии T100. Электрическая мощность 100 кВт. Представляют собой модульные системы, которые предназначены для выработки электроэнергии и тепла. Достоинства и недостатки которой представлены в таблице 2.

Таблица 2- Turbec серии T100

3. Микротурбина Calnetix – Elliott TA-100. Она выпускается с 2004 года и по настоящее время. Основное их применение приходится на малые офисные комплексы, развлекательные и торговые центры. Микротурбина TA-100 – это блочная микротурбинная когенерационная установка, электрической мощностью – 100 кВт.( Таблица 3).

Таблица 3- Calnetix-Elliott TA-100

Микротурбина Capstone С65 рассмотрена мощностью на 35 кВт меньше, чем остальные. По своим параметрам она не уступает установкам в100 кВт.

Главное преимущество всех микротурбин заключается в возможности каскадного использования. Использование каскада МТД дает следующие преимущества:

1. проводить их сервисное обслуживание, не прерывая подачу вырабатываемых энергий на объект;

2. плавно увеличивать и уменьшать тепловую мощность в весенний и осенний периоды отопительного сезона соответственно.

Самыми распространенными недостатками современных установок на базе микротурбинных двигателей являются:

• отсутствие соотношение массогабаритных характеристик и возможности выработки одновременно трех видов энергий;
• в случае малых габаритов, либо низкого выброса вредных
  веществ – коэффициент полезного действия меньше, чем у других моделей;
• высокая стоимость технического обслуживания.

Q = kF × (t – t );

(1)

где	kF – так называемая теплопроходимость камеры БХП;
	Q – тепловая мощность, отводимая из камеры БХП в окружающую среду;
	t , t – среднее арифметическое значение температур, которые измерены возле стенок внутри и снаружи камеры соответственно.

Такой подход позволяет сложные процессы конвективного теплообмена между газовой средой и внутренней стенкой камеры, теплопроводности по толщине многослойной стенки камеры и конвективного теплообмена между внешней стенкой камеры и окружающим воздухом интегрировать с помощью понятия теплопроходимости камеры БХП kF.
В работе [1] предложен метод экспериментального определения теплопроходимости стенок шкафа холодильного прибора в стационарном тепловом режиме. Суть метода заключается в моделировании теплопередачи через стенки шкафа с заменой источника холода источником тепла (нагревателем). Для соблюдения условий подобия процесса теплопередачи, холодильный шкаф устанавливалась вверх дном.
В работе [2] предложен экспериментально-расчетный метод определения теплопроходимости шкафа БХП на примере одной камеры холодильного прибора. В работе [3] экспериментально-расчетный метод определения теплопроходимости шкафа БХП был распространен на двух – и многокамерные приборы с учетом влияния теплопередачи между камерами через внутренние стенки. Экспериментально-расчетный метод [3] позволил повысить точность полученных результатов и снизить продолжительность и трудоемкость экспериментов по определению качества изоляции холодильных шкафов.
Дальнейшее совершенствование экспериментально-расчетного метода возможно путем учета теплопритока в шкаф через уплотнители дверей камер, и определение корректного способа расчета теплопередающей поверхности F в случаях когда толщина изоляции может быть сравнима с размером камер холодильного прибора.
Теплопроходимость каждой камеры холодильного шкафа kF двухкамерного холодильника может быть определена из соотношений:

	Q хк = kF хк × (t хк – t хк);	(2)
	Q мк = kF мк × (t мк – t мк);	(3)

где	kF хк , kF мк – теплопроходимость холодильной и морозильной камеры соответственно;
	Q хк , Q мк – тепловая мощность, отводимая из холодильной и морозильной камер, соответственно;
	t хк , t мк – среднее интегральное значений температур измеряемых на внутренней поверхности стенок холодильной и морозильной камер соответственно;
	t хк , t мк – среднее интегральное значений температур измеряемых на наружной поверхности стенок холодильной и морозильной камер соответственно.

Перенос тепла между камерами холодильного прибора через перегородку может быть определен из соотношений:

	Q хк пер. = kF хк пер. × (t хк пер. – tхк пер.);	(4)
	Q мк пер. = kF мк пер. × (t мк пер. – tмк пер.);	(5)
	t хк пер.= t мк пер.;	(6)
	t мк пер.= t хк пер.;	(7)

Кроме того, в камеры холодильного прибора при его работе поступает, а в экспериментах методом теплового моделирования – отводится определенное количество тепла через уплотнители камер. Тепловая мощность, поступающая или отводящаяся в этом процессе, может быть определена с учетом реальной конструкции магнитного уплотнителя холодильного прибора.

На рисунке приведена схема одной из конструкций магнитного уплотнителя, которая зачастую используется в холодильных приборах. Конструктивно такой уплотнитель имеет три технологические камеры, в одной из которых установлена магнитная вставка, а две другие заполнены воздухом. Для этой конструкции магнитного уплотнителя тепловая мощность отводимая из холодильной камеры прибора через уплотнитель может быть определена из соотношения:

(8)

где	,  - площадь боковой поверхности технологических камер уплотнителя с магнитной вставкой и воздухом, соответственно;
	,  - коэффициенты теплоотдачи от боковой поверхности уплотнителя в окружающую среду и в камеру холодильного прибора, соответственно;
	a,  - ширина прилегания и высота магнитной вставки, соответственно;
	,  - теплопроводность магнитной вставки и материала уплотнителя (резины), соответственно;
	г - толщина стенок уплотнителя;
	,  - тепловое сопротивление воздуха в технологических камерах уплотнителя.

Величины  та  могут быть определены из соотношений:

		(9)
		(10)

где	,  - эффективные коэффициенты теплопроводности воздуха, которые учитывают перенос тепла в технологических камерах уплотнителя как собственно теплопроводностью в воздухе, так и конвекцией.

Эффективные коэффициенты теплопроводности воздуха  и  - в ограниченном пространстве технологических камер уплотнителя могут быть определены из закономерностей переноса тепла в узких щелях [4].

,

(11)

где	- коэффициент теплопроводности воздуха;
	,  - безразмерные коэффициенты, характеризующие влияние переноса тепла конвекцией в общий теплоперенос через технологические камеры уплотнителя [5].

		, ;	(12)
	, ;			(13)

где	- коэффициент, характеризующий зависимость плотности воздуха от температуры;
	- средняя температура в технологической камере магнитного уплотнителя;
	= 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;
	- кинематическая вязкость воздуха при средней температуре в технологической камере магнитного уплотнителя.

Аналогично может быть определена тепловая мощность отводимая из морозильной камеры прибора через уплотнитель. Таким образом, тепловые балансы холодильной и морозильной камеры двухкамерного холодильного прибора в установившемся режиме работы могут быть записаны в виде:

		(14)
		(15)
		(16)

Современные холодильные приборы имеют значительную толщину изоляции, которая сопоставима с размерами, например, морозильной камеры. Вследствие этого внутренняя поверхность камер холодильного прибора может значительно отличаться от внешней. В этих обстоятельствах важно корректно определить расчетную площадь поверхности камер, которая входит в формулы (14), (15). Для расчета теплопередачи в телах произвольной формы обычно рекомендуется применять среднегеометрическое значение этих площадей поверхностей [6]:

, ;

(17)

Уравнения (14) – (16) образуют систему из трех уравнений с тремя неизвестными, которая может быть решена с необходимой точностью методом итераций. Для этого сначала выполняют расчет переноса тепла через перегородку между камерами шкафа с учетом разницы температур возле перегородки в разных камерах шкафа [3]. Затем по формулам (14) – (16) рассчитывают теплопроходимость камер шкафа kF с учетом переноса тепла через перегородку между камерами. Расчеты повторяют до тех пор, пока будет достигнута нужная точность в определении тепловой мощности, отводимой в камерах холодильного прибора.
Этот алгоритм реализован стандартными средствами Microsoft Office. Использование полученных в экспериментах значений температур возле стенок камер шкафа холодильного прибора в расчетах с применением разработанного усовершенствованного метода определения теплопроходимости шкафа двухкамерного (многокамерного) БХП позволяет повысить точность определения эффективной теплопроводности пенополиуретановой изоляции шкафа, при которой расчетное значение kF шкафа с заданной точностью будет соответствовать значению этой же величины, полученной в результате экспериментальных исследований.
Выводы.
Полученное таким образом фактическое значение эффективной теплопроводности пенополиуретановой изоляции шкафа холодильного прибора отражает особенности технологии его изготовления, в определенной мере может быть количественным критерием качества изготовления при серийном производстве холодильных приборов, а также может быть использовано в прогнозирующих расчетах kF шкафа с другими геометрическими размерами при разработке новых моделей БХП.

Введение

Возможность проводить имитационное моделирование работы сложных технических систем, в частности работы таких востребованных в промышленности электрических машин как асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, открывает большие возможности для современных учёных, пытающихся какими-либо способами улучшить качество управления [1] данными объектами. Стоит отметить, что асинхронные двигатели в силу своей конструкции пребывают в условиях неопределенности информации. Автором в работах [2-4] была проанализирована возможность повышения качества управления асинхронным двигателем путем включения в контур его управления адаптивного нейроконтроллера, что в свою очередь могло бы привести к повышению срока службы и энергоэффективности работы данной электрической машины. Далее было принято решение проанализировать документации и отзывы на известные программные обеспечения, которые бы могли производить моделирование работы асинхронного двигателя с возможностью включения в его контур управления адаптивного нейроконтроллера, с целью продолжения выявления преимуществ последнего.

Описание программных обеспечений

Первым проанализированным обеспечением был Matlab/Simulink. Это среда, которая 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. Математический аппарат, использующийся в данной среде, предельно приближен к современному математическому аппарату инженера и ученого. Одной из основных особенностей системы Matlab является наличие в ней наглядного и эффективного средства составления программных моделей — пакета визуального программирования Simulink. Главым недостатком данной среды является ее дороговизна.

GNU Octave – свободная система для математических вычислений, при этом синтаксис языка идентичен синтаксису языка Matlab и грамотно написанные скрипты могут запускаться как в Octave, так и в Matlab. Другими словами это свободный аналог Matlab. У данного бесплатного аналога есть достаточно много достоинств, в частности возможность запуска файлов формата .mat, то есть другими словами выгруженные Workspace, рабочие пространства из Matlab. Однако главным недостатком данной программы является то, что Octave является консольной программой, без графической оболочки, то есть без возможности строить схемы путем перетаскивания блоков.

Jigrein – редактор чертежей моделей сложных технических систем, инструмент конфигурирования математических ядер. Данная программа также является коммерческой, она является своего рода аналогом программ Simulink и VisSim. Достоинствами данной программы является ее “необычный” интерфейс и возможность строить схемы, а также проводить запуск в окне браузера. Однако недостатком данного продукта является то, что данные, полученные с помощью данной программы, нельзя выгрузить или сохранить, другими словами программа лишь строит графики по начерченным схемам, не позволяя впоследствии работать с полученными данными.

Matlab Compiler Runtime – это свободно распространяемый набор dll-библиотек для полной поддержки языка Matlab без его установки.  Данный набор, по сути, позволяет на компьютерах, на которых нет установленной коммерческой версии Matlab, запускать программы с выгрузкой данных рассчитанных с помощью данного набора библиотек, простыми словами эти библиотеки содержать математическое ядро, компилятор языка Matlab. Главным недостатком данного набора библиотек является отсутствие графической оболочки.

Scilab/Xcos – это мощное открытое окружение для инженерных и научных расчётов, при этом это самая полная общедоступная альтернатива Matlab. В состав пакета входит утилита, позволяющая конвертировать документы Matlab в Scilab. Xcos — инструменты для редактирования блочных диаграмм и симуляции (аналог Simulink в пакете Matlab). Достоинства Scilab: открытость; функциональность; большое количество справочной информации; программирование алгоритмов через встроенный процедурный язык; поддержка языков высокого уровня, т.е. программирование без жёсткой привязки к языку; работа в режиме интерпретатора; малый объём, занимаемый на жёстком диске [5]. Недостаток в достаточно малом количестве инструментов в Xcos для построения схем, что усложняет разработку специфических и сложных систем, например систем векторного управления асинхронным двигателем.

Помимо анализа документаций и отзывов на данные программы также были изучены документации на такие коммерческие продукты как VisSim; LabView, достаточно серьезный и известный программный продукт, обладающий огромным количеством достоинств и возможностей, но при этом достаточно дорогой; Универсальный механизм (UM) [6], российский программный продукт, анализ демоверсии которого привел к выводу, что это весьма серьезная программы для моделирования процессов различного рода, в частности, работы асинхронного двигателя, большим достоинством данного продукта является возможность создания dll-библиотек из моделей Matlab, другими словами возможность внедрения в программу Simulink-моделей. Недостатком данных продуктов является их дороговизна.

Итоговая таблица

В таблице 1 представлены результаты анализа всем рассмотренных программных обеспечений с учетом их явных достоинств (+), незначительных достоинств (+-) и недостатков (-):

Таблица 1

Заключение

В результате анализа и изучения документаций по всем перечисленным программным обеспечениям было выявлено, что у всех этих программ есть те или иные недостатки, то есть идеальная программа для моделирования сложной технической системы на данный момент пока не разработана. Как видно среда Matlab/Simulink среди всех проанализированных продуктов обладает наибольшим количеством достоинств, единственным недостатком является лишь ее дороговизна. При этом стоит отметить, что свободно распространяемая программа Scilab/Xcos, судя по итоговой таблице достоинств, также находится на лидирующих позициях. Если же учитывать лишь возможность моделирования в данной программе не слишком сложных технических систем, например, асинхронного двигателя без адаптивного нейроконтроллера, то данную программу можно назвать лучшим выбором из всех проанализированных в данной статье в силу ее многофункциональности, свободности и графических возможностей.

Данный вопрос для нашей страны трудно переоценить,  учитывая холодный климат. Низкие температуры, в совокупности со старыми нормами вынуждают тратить в разы больше энергии на поддержание комфортных условий в помещениях, ресурсы (газ, нефть, уголь и т.п.), так и затраты на переработку этих ресурсов. В итоге, повышаются затраты потребителя. Можно увидеть, что энергопотребления в данный момент неуклонно растет. Энергоэффективность поможет частично решить данную проблему, путем более эффективного распределения энергии.

В настоящее время существует несколько подходов по повышению энергоэффективности здания.

1. Метод «пассивного дома» – основное внимание уделяется теплоизоляции сооружения. Конструкция имеет низкую теплопроводность, что заметно снижает тепловые потери, вкупе с затратами на отопление.

1. Метод «дома с нулевым энергопотреблением» – активное использование альтернативных энергетических источников (солнечные батареи, тепловые насосы и т.п.).
2. Метод «активного дома» – вывод из предыдущих двух методов. Максимальная теплоизоляция здания и подключение к нему альтернативных источников энергии. Все необходимое тепло оно вырабатывает самостоятельно.

В Таблице 1 приведены значения теплопотерь  различных типов домов.

Таблица 1

Рис. 2. Методы повышения теплоизоляции здания.

Рис. 3. Применение альтернативных источников.

К инженерно-конструктивным решениям можно отнести:

• Повышение теплоизоляции ограждающих конструкций.
• Остекление балконов и лоджий.
• Расположение прозрачных конструкций на южную сторону.
• Установка управляемых прозрачных конструкций.
• Применение комплекса напольного низкотемпературного отопления.

Основные альтернативным источникам энергии: геотермальный, солнечный и ветровой источники энергии.

• Энергия ветра. В России, ветровые ресурсы ограничены, лишь на крайнем севере ветер достаточной силы для рационального применения ветрогенераторов.
• Энергия солнца. В большей части территории России способности солнечной энергетики очень неплохи, что делает актуальным ее применение.
• Энергия земли. Россия обладает огромными геотермальными ресурсами практически на всей территории, примерно в 10 раз больше запасов органического топлива (нефть, газ).

Сегодня, энергоэффективное строительство не развито. Данные дома скорее являются явными исключениями. Виной тому несколько факторов, выделяются два основных.

1)    Отсутствие актуальной нормативно-правовой базы для данного направления в строительстве.

2)    Высокая стоимость энергоэффективных зданий. Не смотря на окупаемость, средняя разница в цене 50–70%.

Выходом из сложившейся ситуации является создание актуальной нормативной базы для энергоэффективного строительства, и ее дальнейшее внедрение.