Розробка та дослідження замкненої системи перетворювач частоти–асинхронний двигун зі скалярним керуванням на моделі в MATLAB
Автор: Жеребецький Данило-Петро Володимирович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Розвиток електроприводів змінного струму є ключовим напрямом сучасної електромеханіки та автоматизації. На сьогодні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором залишаються найпоширенішими у промисловості завдяки їх простоті конструкції, високій надійності, невибагливості в експлуатації та відносно низькій вартості. Одним з найбільш ефективних способів керування такими двигунами є застосування частотних перетворювачів (ПЧ), які дозволяють регулювати швидкість обертання шляхом зміни частоти та амплітуди напруги живлення. У багатьох типових задачах використовується скалярний закон керування U/f = const, що забезпечує достатньо стабільну роботу електропривода при зміні навантаження та швидкості. Попри появу більш досконалих векторних та прямокерованих методів, скалярне керування зберігає актуальність через простоту реалізації, мінімальні вимоги до обчислювальних ресурсів, відсутність потреби у знанні повних параметрів двигуна та достатню якість регулювання у більшості технологічних процесів. Саме тому детальне моделювання таких систем є актуальним завданням, що дозволяє оцінити їх динаміку, виявити особливості та обмеження, а також підвищити якість і надійність експлуатації частотних електроприводів. Магістерська робота спрямована на створення повноцінної моделі замкненої системи електропривода ПЧ–АД у середовищі MATLAB/Simulink, що включає математичну модель асинхронного двигуна, модель трифазного інвертора, контур регулювання швидкості та систему керування типу U/f. Модель повинна відтворювати реальні процеси перетворення електроенергії, електромагнітні взаємодії всередині машини та поведінку електропривода в різних режимах роботи ? перехідних, усталених і аварійних. Актуальність роботи зумовлена необхідністю точного аналізу характеристик сучасних частотних електроприводів у широкому діапазоні навантажень і швидкостей, а також потребою у створенні цифрових моделей для задач оптимізації, діагностики та програмування систем керування. MATLAB/Simulink є одним із найпоширеніших середовищ моделювання електромеханічних систем, що дозволяє поєднати фізичні моделі двигунів, силових електронних перетворювачів та керуючих алгоритмів в єдиному середовищі. Бібліотеки Simscape Electrical та Simulink Control Design надають інструменти для створення цифрових прототипів електроприводів, дозволяючи відтворювати складні нелінійні процеси та досліджувати їх вплив на роботу системи. В першому розділі пояснювальної записки розглянуто загальні відомості про систему перетворювач частоти – асинхронний двигун зі скалярним керуванням. Також розглянуті методи керування асинхронними двигунами та особливості скалярного регулювання у замкнених системах приводу. Об’єкт дослідження – замкнений електропривод перетворювач частоти з асинхронним двигуном та зворотним зв’язком. Предмет дослідження – перехідні процеси в замкненому електроприводі перетворювач частоти з асинхронним двигуном, зокрема плавний запуск, накид навантаження, зміна параметрів регулятора швидкості. Мета дослідження: розробити ефективну модель замкненої системи ПЧ-АД з скалярним керуванням. В другому розділі розглянуто загальні принципи побудови замкнених систем електроприводу, структуру замкненої системи ПЧ–АД із скалярним керуванням, цілі синтезу регулятора швидкості, методи синтезу регулятора швидкості, методику синтезу ПІ регулятора, особливості синтезу для різних режимів роботи ПЧ–АД та реалізація контуру швидкості в MATLAB/Simulink. В третьому розділі здійснено порівняльний аналіз методів налаштування регуляторів (Зіглер-Ніколс, CHR, Кун-Астрьом) для лінеаризованої моделі ПЧ-АД. В четвертому розділі розглянута розробка в MATLAB моделі перетворювача частоти зі скалярним керуванням з асинхронним двигуном та зворотним зв’язком за швидкістю в MATLAB. В п’ятому розділі здійснено дослідження моделі перетворювача частоти зі скалярним керуванням з асинхронним двигуном та зворотним зв’язком за швидкістю в MATLAB в режимі запуску та усталеної роботи. Ключові слова: перетворювач частоти, асинхронний двигун, скалярне керування, модель. Перелік використаних літературних джерел: 1. El-Shahat A. Induction Motors – Recent Advances New Perspectives and Applications. – IntechOpen, 2023. 2. Bahrami-Fard M., Chen T., Winchell E. A., Fahimi B. Integrated induction motor drive for variable speed industrial applications // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2025. – DOI: 10.1109/TPEL.2025.3532880. 3. Graciola C. L., Goedtel A., Angelico B. A. Energy efficiency optimization strategy for scalar control of three-phase induction motors // Journal of Control Automation and Electrical Systems. – 2022. – Vol. 33. – P. 1032–1043. 4. Adigintla S., Aware M. V. Robust fractional order speed controllers for induction motor under parameter variations and low speed operating regions // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. – 2023. – Vol. 70, No. 3. – P. 1119–1123. 5. Nemouchi B., Rezgui S. E., Benalla H., Nebti K. Adaptive fractional PI controller for speed control of asynchronous motor // Proc. Int. Conf. Advances in Electronics, Control and Communication Systems (ICAECCS). – Blida, Algeria, 2023. – P. 1–5. – DOI: 10.1109/ICAECCS56710.2023.10104802.