20 мая 2018г.
Аннотация: система диагностики и управления постепенно становится неотъемлемой частью технологических процессов, как простых, так и более сложных. Вполне вероятно, что в будущем все процессы будут оснащаться данными системами. Уже сегодня, в таких развитых странах как Япония, Германия, имеются заводы, для функционирования которых необходим всего лишь один человек. Он следит за всеми процессами с экрана центрального компьютера и принимает решения исходя из поступающих данных. В данной статье рассматривается математическая модель системы с возможностью контроля температуры двигателя, скорости вращения вала и токов.
Ключевые слова: электродвигатель, система управления, температура, скорость, ток, математическая модель, MATLAB.
Математическая модель позволяет нам получить представление о процессе функционирования той или иной системы без ее фактического воспроизведения. Другими словами, нам не нужно собирать систему, чтобы понять, как она будет работать. Достаточно смоделировать все происходящие в ней процессы, чтобы получить представление обо всех ее будущих процессах.
В качестве среды моделирования была выбрана программа MATLAB. На рисунке 1 изображена система диагностики и управления электродвигателем.
Условно разделим данную модель на две части: силовая часть, система управления.
К силовой части относятся широтно-импульсная модуляция (Sine Wave (1,2), PWM Generator (2- Level) (1,2)) (далее ШИМ), неуправляемый мост с обратными диодами (IGBT (1,2,3,4,5), VD (1,2,3,4,5)) (далее выпрямитель). ШИМ необходима для генерирования управляющих импульсов. С ее помощью все три фазы двигателя корректно работают, и обеспечивается бесперебойная работа системы. Сгенерированные сигналы раскладываются на противофазные
сигналы и подаются на разные плечи каждой из трех фаз. Задержка по фазе составляет 60°.
Выпрямитель обеспечивает выпрямленным и сглаженным питанием электродвигатель. В схему данного
выпрямителя включены обратные диоды, которые
препятствуют повышению напряжения на коммутирующих транзисторах. На рисунке 2 изображены осциллограммы управляющих напряжений.
Также к силовой части относится LC-фильтр, главная задача которого является защита электродвигателя и сглаживание пульсаций напряжения.
В
систему правления входят: блок мониторинга температуры, блок мониторинга скорости, блок мониторинга токов.
1)
Блок мониторинга температуры – для отслеживания тепловых процессов электродвигателя была смоделирована тепловая модель. На рисунке 3 изображена тепловая модель.
Блок Constant представляет собой тепловые потери двигателя. В них входят: потери в стали – 105,466 Вт, поверхностные потери – 154,204 Вт, потери ротора – 15,31 Вт, потери статора – 20,592 Вт, полные потери в стали – 126,058 Вт, механические потери – 19,386 Вт.
Блок Gain включает в себя коэффициент k.
𝑘 = 𝛼 ∗ 𝑆;
где α – коэффициент теплоотдачи, S – площадь поверхности двигателя.
𝛼 = 10√0,5 = 10 ∗ 0,707 = 7,07;
Площадь поверхности двигателя равняется 0,9732 м2.
Тогда k равен:
𝑘 = 7,07 ∗ 0,9732 = 6,88;
Блок Integrator1 – это то время, за которое нагревается наш двигатель. Это время находится по формуле:
Блок Constant1 представляет собой начальную температуру двигателя. При нормальных условиях примем ее равной 25 °C. На рисунке 4 изображен график нагревания двигателя.
1)
Блок мониторинга скорости – отслеживание скорости происходит за счет момента двигателя. На рисунке 5 изображен блок мониторинга скорости.
Выводим момент двигателя из блока самого двигателя, и подаем его на блок Subtract на вход суммирования. Блок Gain1 представляет собой коэффициент увеличения скорости. Затем интегрируем полученный сигнал и подаем его на вход скорости. Блок Gain2 – это механические потери двигателя. Подаем его на вход вычитания блока Subtract. На рисунке 6 изображен график изменения скорости.
Исходя из параметров двигателя, номинальная скорость вращения вала двигателя равняется 1500 об/мин.
1)
Блок мониторинга токов – для отслеживания токов выводим необходимые токи фаз и блока электродвигателя Asynchronous Machine SI Units. На рисунке 7 изображен блок измерения токов.
Затем
посредством блока BusSelector выводим каждую осциллограмму тока на отдельное окно, для удобства восприятия. На рисунке 8 изображены осциллограммы токов.
Устройством вывода информации для всех трех систем является блок Scope4. Он представляет собой центральный компьютер, на который поступает вся информация обо всех происходящих в данный момент процессах.
Таким образом, была смоделирована система диагностики и управления электроприводом. Были получены все необходимые расчетные данные, которые необходимо будет учитывать при реализации данной системы.
Список литературы
В.Ф. Дядик, С.А. Байдали, Н.С. Криницын. Теория автоматического управления: Учебное пособие.– Томск.: Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2011. – 196с. В.В. Васильев,
Л.А. Симак, А.М. Рыбникова. Математическое и компьютерное моделирование процессов и систем MATLAB/SIMULINK: Учебное пособие. – Киев: Национальный авиационный университет. 2008. – 91 с.
В.И. Будин, Ф.В.
Дремов. Теория автоматического управления в среде MATLAB: Учебное пособие. Самара.: Самарский Государственный технический университет. 2014. – 127 с.
