CC BY
84
Панкин А.М., Иванов А.Ю.
Институт ядерной энергетики, г. Сосновый Бор
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ
Введение
При создании систем диагностирования (СД) сложных технических объектов, необходимо определить задачи, которые эти системы должны решать после ввода объектов в эксплуатацию. Если это не сделано на этапе проектирования и самого объекта и его СД, то возникает множество вопросов, которые необходимо решать в процессе эксплуатации. Одна группа вопросов относится к сути самого процесса диагностирования, реализованного в предложенной системе. Основной вопрос может быть сформулирован следующим образом: позволяет ли рассматриваемая система отслеживать изменение технического состояния объекта в процессе отработки им заданного ресурса? И на основе, каких контролируемых параметров (диагностических признаков) определяется техническое состояние объекта во время проведения диагностических измерений? Есть и другие вопросы, которые давно уже сформулированы в технической диагностике, как в науке, и отражены в ряде нормативных документов [1]. К сожалению, множество предлагаемых в настоящее время вариантов систем, претендующих на роль СД, не решают задач диагностики и в лучшем случае ориентированы на решение задач допускового контроля по ряду параметров. В такой ситуации актуальной является такая постановка вопроса: чем диагностика отличается от контроля? Для ответа на подобный вопрос необходимо обратиться к задачам, которые были сформулированы в технической диагностике около тридцати лет назад:
- контроль технического состояния (КТС);
- поиск дефекта;
- прогнозирование технического состояния объекта.
Таким образом, если при проведении контроля решается задача КТС, то мы имеем дело с системой диагностирования, в противном случае речь может идти, лишь о системе допускового контроля по каким-то величинам (уровень вибраций, величина тока или напряжения и т. д.).
Для решения задачи КТС, то есть задачи диагностики технического состояния объекта в текущий момент времени, требуется глубинное погружение в структурную и функциональную схемы объекта. Необходимо изучить влияние ряда внешних факторов и режимов работы контролируемого объекта на выполняемые им рабочие функции. Эти функции зависят от ряда структурных параметров объекта, которые определяются как диагностические признаки (ДП) объекта (параметры и характеристики). Таким образом, изменение ДП в процессе эксплуатации объекта приводит к изменению его рабочих функций, которые в какой-то момент времени уже не будут удовлетворять установленным требованиям. Если при этом объект по каким-то причинам не может быть восстановлен или отремонтирован (неремонтопригодность, экономическая нецелесообразность), то считают, что данный объект подошел к своему предельному состоянию (выработал ресурс) и должен быть выведен из дальнейшей эксплуатации.
Для установления связей между диагностическими признаками (после того как ДП определены) и рабочими функциями требуется моделирование процессов в объекте то есть построение математической модели объекта.
Для идентификации ДП по непосредственно измеряемым при диагностировании величинам строится диагностическая модель объекта.
Последовательность решения этих и других вопросов, возникающих при создании диагностического программного обеспечения для новых СД, составляет основную часть методологии диагностирования, которая ранее уже была представлена в ряде работ [2-3].
В данной работе рассматривается построение математической модели асинхронного электродвигателя для решения в последующем задачи технического обслуживания и ремонта по техническому состоянию. Моделирование было выполнено в программной среде Matlab Simulink.
Асинхронные машины получили наиболее широкое применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом электрических машин переменного тока. Область применения асинхронных двигателей весьма широка - от привода устройств автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного оборудования. Большое количество таких двигателей используется в электроприводной арматуре и другом оборудовании действующих и строящихся АЭС РФ.
1. Моделирование асинхронного электродвигателя в программе MATLAB
1.1. Запускаем программу MATLAB, установленную на компьютере.
1.2. Открываем рабочее поле Model, в котором будем составлять схему. Для этого в меню File выбираем команду New далее Model.
1.3. Нажимаем на символ "Simulink library browser". В открывшемся окне появится список пакетов программы.
Для создания модели электродвигателя будем использовать пакеты Simulink и SimPower Systems.
1.4. Из раздела Machines, добавляем модель асинхронного двигателя, Asynchronous Machine SI Units и перетаскиваем в окно Model.
1.5. Далее из раздела Electrical Sources выбираем источник напряжения 3 - Phase Source.
Параметры источника можно задать, вызвав окно Block Parameters двойным щелчком ЛКМ по элементу.
1.6. Для отображения параметров электрической машины добавляется блок Machines Measurement Demux.
Существует возможность выбора необходимых для вывода параметров из имеющихся. В данной схеме выводятся: токи обмотки ротора, значения угловой скорости и электромагнитного момента на
валу.
1.7. Из пакета Sinks, основной библиотеки Simulink, добавляем блоки для визуализации данных "Display".
1.8. Добавляем в схему заземление.
1.9. Для получения момента сопротивления движению используем генератор сигнала "Step".
1.10. Для того что бы получить значения активной и реактивной мощности добавим блоки " Three-phase V-1 measurement " и " Active&reactive power".
1.11. Соединяем отдельные блоки между собой линиями связей. Схема готова.
2. Работа асинхронного электродвигателя при разных режимах
2.1. Электродвигатель в исправном состоянии и выдает паспортные характеристики
1
Характеристика магнитного момента
2
Характеристика магнитного момента.
Увеличение нагрузки на валу может возникнуть по разным причинам: -износ подшипника;
-ухудшение свойств масла;
-низкий уровень масла и др.
3
Видно, что с увеличением нагрузки на валу скорость вращения вала изменяется не существенно, два остальных параметра: магнитный момент и токи на фазах изменяются в значительной степени.
Допустить, чтобы токи увеличивались, нельзя, так как с их увеличением резко падает время работы катушек, а также возможно сгорание обмотки.
Следовательно, работу асинхронного электродвигателя можно контролировать при помощи получения данных о магнитном моменте и токах, а также делать прогноз его дальнейшей работоспособности.
2.3. Во входном параметре двигателя изменим количество полюсов; нагрузку на валу не увели-
Характеристика магнитного момента.
2.4. Увеличим нагрузку на валу
4
Характеристика магнитного момента.
Из выполненного с моделью опыта можно сделать вывод, что при выходе из строя одной из катушек, будет наблюдаться спад скорости вращения вала и при дальнейшей работе двигатель остановится.
Данный дефект может возникнуть вследствие перенапряжения сети или замыкания в катушке.
5
Заключение
Данная математическая модель асинхронного электродвигателя может быть применена для создания диагностической модели, при помощи которой будет собрана база данных по дефектам. Также непосредственно данная модель может служить для мониторинга важных элементов АЭС.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. М. : Изд-во стандартов,
1990.
2. Панкин А.М. Некоторые вопросы методологии диагностирования непрерывных технических объектов // Тр. междунар. симпоз. "Надежность и качество ”. Пенза. 24.05-31.05.2010. Пенза, 2010.
Т.1. С. 42-48.
4. Панкин А. М. Введение в теорию диагностирования электротехнических систем / А. М. Панкин. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - 264 с.
6
