СОЗДАНИЕ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ТОЧНОЙ НАСТРОЙКИ И ОТЛАДКИ СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

APPLICATION OF MODBUS PROTOCOL IN SHIPBOARD INFORMATION-MEASURING SYSTEMS

Sobolev Alexandr Sergeevich

Student, Kerch State Marine University,

Russia, Kerch

Gadeev Alexandr Vasilevych

scientific adviser, Dr. of Philosophy Sciences, professor, Kerch State Marine University,

Russia, Kerch

АННОТАЦИЯ

В данной стать рассматривается метода настройки частотного электропривода, основанный на показателях предварительно созданной иммитационной модели в среде моделирования Matlab. Такой метода позволяет значительно ускорить и упростить процесс настройки преобразователя частоты, а также максимально повысить энергоэффективность работы частотного электропривода.

ABSTRACT

This article discusses a method for tuning a frequency electric drive based on the indicators of a previously created simulation model in the Matlab modeling environment. This method can significantly speed up and simplify the process of tuning the frequency converter, as well as maximize the energy efficiency of the frequency drive.

Ключевые слова: разработка, измерения, управление, моделирование, частотное регулирование, Matlab.

Keywords: development, measurement, control, modeling, frequency regulation, Matlab.

Наиболее оптимальных показателей энергоэффективности работы частотных электроприводов получается достичь лишь при максимально точной настройке частотного преобразователя. Зачастую настройка частотных преобразователей производится эксперементальным путем либо, что является крайне трудозатратным способом, либо на основании изначально известных параметров электропривода. Зачастую номинальные параметры электропривода, особенно не нового, могут отличаться от реальных в силу различных факторов, поэтому и такой метода тоже не всегда позволяет достичь максимальной энергоэффективности.

В данной стать рассматривается метода настройки частотного электропривода, основанный на показателях предварительно созданной иммитационной модели в среде моделирования Matlab. Такой метода позволяет значительно ускорить и упростить процесс настройки преобразователя частоты, а также максимально повысить энергоэффективность работы частотного электропривода.

Разработка иммитационной модели

В данном разделе произведена оценка нагрузки электродвигателя поршневой компрессорной установки. Нагрузка рассчитана с использование индикаторной диаграммы компрессора мощностью 2.2 кВт. Так же получен график изменения момента нагрузки на валу компрессора в зависимости от угла поворота, использующийся при моделировании векторной системы управления асинхронным двигателем. Так же построены и исследованы пусковые характеристики электродвигателя поршневой компрессорной установки, применяя математическую модель неравномерного момента нагрузки. Зависимость момента нагрузки на валу привода от угла поворота представлена в виде математической модели. Так же построены графики переходных процессов по скорости привода и по его току с учетом различных значений момента инерции двигателя и маховика. Численное моделирование показало, что при неравномерной периодической нагрузке без маховика, пуск АД выполняется при номинальных значениях, но при уставновишемся режиме работы наблюдаются весомые пульсации тока (более 10%). Определено, что при добавлении момента инерции маховика в модель, создающим дополнительный момент инерции, пульсации скорости вращения и тока уменьшаются, но увеличивается время пуска электродвигателя.

Для проведения исследований системы векторного управления необходимо использовать математическую имитационную модель асинхронного электропривода с частотным векторным управлением. Данная модель состоит из структурных блоков. Основным устройством является асинхронный электропривод, получающий питание от IGBT инвертора.

А. Постоянная нагрузка на валу

При моделировании начальное задание скорости составляет 120 рад/с. Двигатель запускается вхолостую и выходит на заданную скорость без нагрузки. После выхода на заданную скорость происходит сброс нагрузки на вал в момент времени t = 2 с. Далее при t = 3 с происходит снижение задания скорости до 70 рад/с.  И в момент времени 4 с происходит увеличение задания скорости до 80 рад/с.

Результаты моделирования представлены на рисунке.

По графикам переходных процессов момента и токов при изменении скорости, видно, как регуляторы качественно отрабатывают задающие и возмущающие воздействия. Перерегулирование по скорости не превышает 5% от заданной скорости, следовательно переходный процесс при изменении значения заданной скорости является завершенным при первом достижении ротором заданной скорости вращения.

Б. Переменная нагрузка на валу

При моделировании с переменной нагрузкой на валу, которая зависит от угла поворота вала, временные отрезки разгона, подключения нагрузки и изменения скорости вращения идентичны временным отрезкам при моделировании с постоянной нагрузкой. Результаты имитационного моделирования при переменной нагрузке приведены на рисунках 1 и 2.

Так как среднее значение подаваемой нагрузки на вал электродвигателя значительно не изменилось, переходные процессы и перерегулирование по скорости идентичный полученным значениям при моделировании с постоянным моментом нагрузки. Однако при установившейся скорости вращения видны пульсации скорости вращения и значения тока, являющиеся дрожанием электродвигателя в реальных условиях.

Рисунок 1. Результаты моделирования при переменной нагрузке на валу. (а – скорость вращение вала, б – среднеквадратичное значение тока статора, в - нагрузка на валу, г – электромагнитный момент)

Результаты настройки частотного электропривода на основании полученной модели

Сперва устройство частотного управления электроприводом компрессорной установки было запущено без предварительной настройки, основанной на результатах проведенного моделирования. Как можно увидеть на рисунке 3, на питающем электропривод сигнале присутствуют значительные пульсации тока, что крайне негативно влияет на общую энергоэффективность всей установки.

Рисунок 2. Результаты измерений физической модели без предварительной настройки

Исходя из результатов моделирования были определены оптимальные параметры питания электропривода компрессорной установки от преобразователя частоты, на основании которых была произведена настройка частотного преобразователя с целью минимизировать пульсации на питающем электропривод сигнале. На рисунке 4 показано, что после настройки основанной на результатах моделирования, пульсации на питающем электропривод сигнале сократились во всем диапазоне, как в режиме работы при номинальных параметрах на максимальной скорости, так и в режимах частотного регулирования, когда скорость вращения вала электропривода значительно меньше номинальной.

Рисунок 4. Результаты измерений физической модели в режиме частотного регулирования после предварительной настройки

Результаты моделирования с переменной нагрузкой на валу электропривода показали наличие пульсаций скорости вращения и тока статора. Созданная модель векторного управления может применяться для создания программной части системы управления частотно-регулируемым электроприводом в датчиковом режиме (с использованием энкодера или датчика Холла).

По результатам полученным при моделировании были подобраны оптимальные параметры питания электропривода компрессорной установки. Это позволило сгладить пульсации, питающего электропривод, сигнала, что привело к значительному росту энергоэффективности компрессорной установки, а так же продлению ее срока службы из-за стабилизации температурного режима электропривода при минимизировании пульсаций питающего сигнала.

Заключение

В данной статье было произведено исследование в среде имитационного моделирования Matlab, на основании полученной модели выявлены оптимальные параметры по настройке частотного преобразователя, питающего электропривод с переменной нагрузкой на валу. Это позволило значительно сократить пульсации питающего электропривод сигнала, что привело к значительному росту энергоэффективности всей установки.

Список литературы:

1. Сыромятников И. А. Режим работы асинхронных и синхронных электродвигателей: Учебник. —2005. — 560 с.
2. Раймонд Мэк. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому. —2008. — 272 с.
3. ОВЕН ПЧВ3 преобразователи частоты векторные для насосов и вентиляторов, [электронный ресурс] режим доступа: https://owen.ru/product/preobrazovatel_chastoti_oven_pchv3, дата обращения: 01.06.2020.