ChSTU repository

ЗМІСТ 
 
ВСТУП……………………………………………………………………….4 
РОЗДІЛ 1. Огляд літератури………………………………………………5 
Висновки по розділу 1………………………………………………………6 
РОЗДІЛ 2. Розробка АСУ ТП для дозуючої установки……………….…8 
2.1 Опис технологічного процесу та обладнання……………................8 
2.2 Аналіз та класифікація технологічних змінних, керуючих впливів, 
точок вимірювання, контролю та управления…………………………………….9 
2.3 Перелік вимірюваних змінних процесу і керуючих впливів, а також 
навколишнє середовище і умови експлуатації вимірювального і керуючого 
обладнання. ……………………………………………………………..12 
2.4 Аналіз взаємозв'язку між технологічними змінними, визначення 
основних вимог до ведення процесів, формулювання критеріїв якості та цілей 
управління………………………………………………………………………….15 
2.5 Розробка комплексу технічних засобів АСУ ТП…………………..16 
2.6 Вибір апаратних засобів всіх рівнях управления………………….19 
2.7 Програмне забезпечення всіх рівнях АСУ ТП…………………….22 
2.8 Обмін інформації між рівнями системи……………………………23 
2.9 Розробка загальних алгоритмів функціонування АСУ  технологічним 
процесом……………………………………………………………………………24 
Висновки по розділу 2…………………………………………………..…24 
РОЗДІЛ 3. Розробка та моделювання асинхронних електроприводів з 
скалярним управлінням……………………………………………….................25 
3.1 Визначення параметрів Т – образної схеми заміщення АТ……...26 
3.2 Динамічні характеристики скалярного асинхронного електроприводу 
з автономним інвертором напруги………………………………………………35 
3.3 Підвищення критичного асинхронного моменту електропривода..36 
3.4 Синтез регулятора ваги на основі модульного оптимуму ………41 
Висновки по розділу 3……………………………………………………43 
2 
 
РОЗДІЛ 4. Розробка та моделювання асинхронних електроприводів з 
векторним управлінням……………………………………………………………44 
4.1 Визначення параметрів електроприводу………………………..…44 
4.2 Вибір перетворювача частоти………………………………………48 
4.3 Параметри елементів силового каналу електропривода…………49 
4.4 Параметри механічної системи електропривода…………………50 
4.5 Перевірка вибору асинхронного електроприводу шнекового дозатора 
по моменту…………………………………………………………………………50 
4.6 Розрахункові параметри моделі двигуна…………………………51 
4.7 Природні властивості електродвигуна……………………………52 
4.8 Завдання по моменту………………………………………………54 
4.9 Розрахунок параметрів елементів силового каналу………………57 
4.10 Розрахунок параметрів контуру струму з ПІ регулятором і аналоговим 
датчиком………………………………………………… ………………………59 
4.11 Імітаційна модель та дослідження електроприводу …………... ….61 
Висновки по розділу 4……………………………………………………..72 
ВИСНОВКИ………………………………………………………………..73 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ…………………………….75 
ДОДАТОК Б Акт впровадження…………………………………………78 
ДОДАТОК В Датчики, прилади та системи : Х Міжнародна науково-
технічна конференція, Черкаси, 12-14 вересня 2023 р. : праці 
конференції………………………………………………………………………..79 
ДОДАТОК В Проблеми інформатизації : Восьма Міжнародна науково-
технічна конференція, Баку – Харків – Бельсько-Бяла, 16-17 листопада 2023 р. : 
тези доповідей…….……………………………………………………………..80 
ДОДАТОК Д Презентація кваліфікованої роботи ……………………...81 
  
3 
 
ВСТУП 
 
Розробка та дослідження автоматичної системи управління технологічного 
комплексу порційного вагового дозування сипучих матеріалів, що гарантує 
високу продуктивність за високої точності дозування, на сьогоднішній день 
актуальне. 
Метою даної кваліфікаційної роботи було поставлене підвищення 
продуктивності вертикального порційного дозування сипучих матеріалів, із 
застосуванням ефективного алгоритму управління, асинхронного 
електроприводу шнекового живильника. 
Об'єктом дослідження є технологічний процес подачі сипких матеріалів та 
методи його керування. 
Предметом дослідження була побудова алгоритму керування 
електроприводом шнекового живильника. 
Новизна дослідження полягає в розробці двостадійного технологічного 
процесу дозування сипких матеріалів та розробці системи керування 
електроприводом шнека зі скалярним, векторним та предиктивним керуванням. 
З практичної точки зору, реалізація даного проекту дозволить підвищити 
продуктивність систем дозування без погіршення точності. 
Розроблено технічний процес вертикального порційного дозування 
сипучих матеріалів. Перероблено конструкцію дозатора та розроблено метод 
керування приводом шнекового живильника. Розраховано алгоритм керування 
асинхронним електроприводом шнекового живильника. Побудовано імітаційні 
моделі для скалярного та векторного управління та знято експериментальні 
дослідження.  
  
4 
 
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ 
 
Більшість сучасних виробничих машин оснащується електричними 
приводами, яких вимагається здійснення керованих силових переміщень робочих 
органів окремих механізмів машини. Електроприводом називається 
електромеханічна система, яка складається з перетворювача електроенергії, 
електромеханічного та механічного перетворювача, а також керуючого та 
інформаційного пристрою та пристрою сполучення із зовнішнім електричним, 
механічним, керуючим та інформаційним системами, спрямована на приведення 
в рух виконавчого органу робочих машин та керуючи цими рухами для здійснення 
технологічного процесу [1]. 
Дозування - один з найважливіших технологічних процесів у 
металургійній, хімічній та харчовій промисловості. Точність дозування та 
продуктивність істотно впливають на якість та собівартість виробленої 
підсумкової продукції [2]. 
При експлуатації шнекових дозаторів часто виникають проблеми пов'язані 
з фізико-механічними властивостями продуктів, що дозуються. У цьому виданні 
розглядаються проблеми дозування, пов'язані з фізико-механічними 
властивостями речовини, т.к. гранульований склад, щільність сипучого матеріалу, 
сипкість зернистих матеріалів, кути та коефіцієнти тертя тощо. У виданні 
описується, який вплив має те чи інше властивість речовини, наведено норми для 
низки харчових продуктів та запропоновано шляхи вирішення тих проблем, які 
виникають через ряд властивостей, властивих тим чи іншим речовинам, що 
дозуються. 
Також у виданні розглянуті функціональні схеми дозаторів та його змінних 
т.к. живильники, вимірювальні системи, керуючі системи. 
Проаналізовано основні способи вагового дозування. 
Цю проблему, пов'язану із забезпеченням необхідної точності дозування, 
розглядав автор [1] та запропонував варіант вирішення проблеми, пов'язаної з 
досягнення необхідної точності, який полягає у знаходженні поправок на наступні 
5 
 
цикли дозування через усереднення похибок попередніх зважувань. 
Розглядається дискретне дозування із динамічною похибкою. При цьому 
утворюється випадковий дискретний ряд похибок попередніх циклів дозування. 
У проблемі прогнозування похибка у поточний цикл дозування та попередні 
похибки дозволяють обчислити прогнозовану похибку шляхом їх усереднення, 
тобто отримати поправки на наступні n циклів дозування. Ця процедура 
відноситься до класу моделей ковзного середнього. Частина цього підходу 
реалізована алгоритмі підпрограми зважування компонентів [4]. 
Автор у своїй роботі розглядав проблеми пов'язані з дозуванням сипучих 
матеріалів у хімічній промисловості, особливу увагу приділяючи явищу 
зводоутворення та питанням боротьби з ними; наведено класифікацію 
склепінчастих і стабілізуючих кінцевих пристроїв, описано різні конструкції 
кінцевих стимуляторів, надано рекомендації щодо їх вибору, а також розглянуто 
автоматичні вагові дозатори, бункери, живильники та технологічні схеми 
дозування [5]. 
Автори у своїй роботі розглядали проблему, пов'язану з пристроями для 
вимірювання кутів укосу та обвалення [6]. 
Автор своїй роботі розглядав тертя порошкових матеріалів при дозуванні 
сипких речовин [7]. 
Автор займався питанням взаємозв'язку напруги у зведенні з основними 
параметрами сипучих матеріалів [8]. 
Автор займався питанням виникненням статики у сипучому середовищі 
[9]. 
 
Висновки до розділу 1 
На підставі проведеного аналізу літератури було зроблено висновок, що 
обрана тема є актуальною та затребуваною та своєчасною для наукових розробок. 
У свою чергу з цієї теми є низка не вирішених питань, одним з яких є підвищення 
продуктивності високоточного дозування сипучих речовин. Цьому питання і 
присвячено цю роботу. 
6 
 
Аналіз технологічного процесу дозування сипких матеріалів показав, що 
підвищення точності дозування значно знижує продуктивність технологічного 
процесу, а в свою чергу, підвищення продуктивності знижує точність процесу 
дозування. 
 
7 
 
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА АСУ ТП ДЛЯ ДОЗУЮЧОЇ УСТАНОВКИ 
 
2.1 Опис технологічного процесу та обладнання 
На рис. 2.1 представлено схему реалізації порційного одностадійного 
вагового дозатора вертикального типу. 
 
 
Рис. 2.1. Технологічний процес дозування 
 
В склад пристрою входять: живильник 1 з електроприводом 2 і 
платформи для зважування 3. В автоматичному режимі роботи ваговий стакан 4 
заїжджає на платформу для зважування, переміщаючись за допомогою 
стрічкового конвеєра 5. Коли ваговий стакан розміщується в центрі вагового 
столу, ваговий стіл подає сигнал на зупинку електроприводу стрічкового 
конвеєра; після зупинки система подає сигнал на запуск електроприводу 
шнекового живильника. Коли вагова чаша заповнюється до заданої ваги, з 
8 
 
вагового столу надходить керуючий сигнал на зупинку електроприводу 
шнекового живильника. 
Для зниження навантажень (динамічних) на платформу для зважування 
від матеріалу, що падає, застосовую кілька способів управління режимом роботи 
шнекового живильника. 
Перший спосіб зниження динамічних навантажень на платформу для 
зважування. З наближенням дійсної маси до виставленої маси за завданням 
кутова швидкість обертання електроприводу шнекового живильника 
зменшується. 
Другим способом зниження динамічних навантажень на зважувальну 
платформу є двоступінчастий режим роботи електроприводу шнекового 
живильника. На першому ступені електропривод шнекового живильника працює 
з максимальною можливою продуктивністю (номінальна кутова швидкість 
обертання). При досягненні 90% дійсної маси від заданої, кутова швидкість 
обертання електроприводу шнекового живильника знижується до мінімальної 
можливої для даного технологічного процесу. Цей метод значно підвищує 
точність дозування, але знижує продуктивність технологічного процесу 
дозування [2]. 
 
2.2 Аналіз та класифікація технологічних змінних, керуючих 
впливів, точок вимірювання, контролю та управління 
Дозуючі установки, що використовують шнековий живильник для подачі 
сипучої речовини, виготовляються в різних варіантах для різноманітних 
технологічних процесів, відрізняючись лише різними завданнями дозування. 
Для визначення продуктивності достатньо знати діаметр отвору в бункері і 
кутову швидкість обертання шнекового живильника. 
Регулюючи синхронну швидкість обертання, можна змінювати 
продуктивність і точність дозування. Для більш точного аналізу параметрів 
необхідно знати характеристики дозованої речовини (плинність) [2]. 
9 
 
Так як представлені вище спосіб вертикального дозування сипких 
матеріалів знижує продуктивність технологічного процесу дозування, необхідно 
змінити або опрацювати конструкцію установки. 
На рис. 2.2 схема вертикальної шнекової установки для періодичного 
дозування сипучих матеріалів з попередньо зваженими мірними стаканами. 
 
 
Рис. 2.2. Шнековий живильник з попереднім зважуванням тари 
 
Так як вага вимірювального склянки за час експлуатації змінюється через 
налипання продукції, потрібно застосовувати попереднє зважування вагової 
склянки, як показано на рис. 2.2. Таким чином, ми маємо дані про масі 
вимірювального склянки у статичному стані. Всі показання з вагової платформи 
надходять на контролер 6, який, в свою чергу, подає керуючі сигнали на 
електропривод шнекового живильника. 
Установки для дозування сипучих матеріалів, які використовують для 
дозування більше одного шнекового живильника, не суттєво знижують 
продуктивність технологічного процесу при одночасному підвищенні точності 
дозування. 
На рисунку 2.3 проілюстровано вертикальне порційне дозування сипучих 
матеріалів з дозуванням у двоступеневому режимі роботи. 
 
10 
 
 
Рис. 2.3. Схема порційного дозування у два етапи 
 
На першому ступені електропривод шнекового живильника завантажує 
вагову склянку на 90% дійсної маси, від заданої маси. На другому ступені 
здійснюється контрольоване довантаження сипучого матеріалу [2]. 
Більш ефективне і точне порційне дозування здійснюється за схемою, 
показаною на рисунку 2.4. 
 
 
Рис. 2.4. Схема двостадійного дозування з коригуванням довантаження 
Після того як вагова склянка встановлена на вагову платформу на 
контролер подається сигнал. Контролер після отримання та обробки сигналу, 
подає керуючий сигнал включення електроприводу шнекового живильника. На 
11 
 
першому ступені шнековий живильник завантажує у вагову склянку 90% від 
встановленої маси і з вагової платформи подається сигнал на контролер для 
відключення приводу шнекового живильника на першому ступені. 
Після зупинки шнека контролер подає сигнал на ввімкнення 
електроприводу стрічкового конвеєра. З другої вагової платформи надходить 
сигнал про те, що на ній знаходиться контейнер із завантаженим матеріалом. 
Система перераховує різницю між встановленим значенням маси і масою, яка 
вже завантажена у ваговий стакан. Після цього система робить перерахунок на 
час і швидкість завантаження контрольної маси сипучого матеріалу. Час 
дозування другого ступеня дорівнює часу дозування першої щаблі, тобто. 10% 
контрольної маси завантажуються одночасно із завантаженням на першому 
ступені наступної порції. Після завантаження контрольної маси система 
проводить контрольне зважування. Цей спосіб дозування дозволяє істотно 
збільшити продуктивність технологічного процесу без втрати точності. 
Шнекові дозатори переважно підходять для дозування порошкових 
матеріалів, що не прилипають. Для липких продуктів необхідно розробити 
спеціальні моделі з самоочисними шнеками. Для поліпшення заповнення 
сипучого матеріалу в розвантажувальний бункер можна використовувати вал в 
бункері, що провисає. Для продуктів, які легко подрібнюються або містять 
крихкі компоненти, шнекові живильники не використовуються або 
використовуються лише в дуже рідкісних випадках. 
 
2.3 Перелік вимірюваних змінних процесу і керуючих впливів, а 
також навколишнє середовище і умови експлуатації вимірювального і 
керуючого обладнання 
Процес дозування безпосередньо залежить від властивостей сипучого 
матеріалу, які мають вирішальне значення при виборі всього спектру дозуючого 
обладнання [2]. 
 
Збурювальні впливи 
12 
 
 Фізико-механічні властивості багатьох сипучих матеріалів сильно 
змінюються під впливом різних факторів (вологість, температура 
навколишнього середовища, стиснення). Для правильного проведення процесу 
дозування необхідно знати властивості та фізико-механічні характеристики 
матеріалу, що дозується. 
Розглянемо фізико-механічні властивості матеріалу, що дозується, які 
впливають на процес дозування. Фракційний склад матеріалу займає особливе 
місце в ряду характеристик, що визначають точність дозування. Зі збільшенням 
неоднорідності матеріалу, що дозується, зростає миттєве відхилення 
продуктивності живильника від середнього значення і збільшуються похибки 
дозування. Міцність зчеплення між частинками сильно залежить від 
гранулометричного складу. Гранулометричним складом визначаються також 
деякі параметри дозуючих пристроїв і особливо живлять та транспортуючих 
механізмів. 
 Насипна щільність певного сипучого матеріалунепостійна. Залежно від 
фракційного складу, форми частинок, ступеня заповнення пір вологою, 
ущільнення значення насипної щільності одного й того матеріалу можуть 
відхилятися на 200—250%. 
 Вологість матеріалу це відношення маси води, що випарувалася 
(після просушування) до маси всього матеріалу (у вагових відсотках). Вологістю 
визначає рухливість його частинок. Висока вологість, що погіршує 
характеристику дозування сипучого матеріалу. Такий матеріал злипається, що 
сприяє освіті комів у бункері. 
Дозування такого матеріалу вкрай затруднене. 
 Кут укосу необхідно враховувати щодо поперечного корисної 
ємності бункера. 
 Рухливість частинок прийнято оцінювати величиною початкового 
опору зсуву, що характеризує зв'язність сипучого матеріалу, визначаючи силу 
зчеплення частинок. 
13 
 
 Опір зсуву сипучого матеріалу, що контактує зі стінкою бункера, 
підпорядковується приблизно тому ж закону, що і внутрішній опір зсуву. 
 Коефіцієнт зовнішнього тертя сипучого матеріалу про тверді 
поверхні. Коефіцієнт тертя сипучого матеріалу дорівнює тангенсу кута, 
утвореного прямий з віссю абсцис спокійного матеріалу. 
 Граничний діаметр зводоутворювального отвору. Найбільше отвір, 
у якому спостерігається сводообразование, називається сводообразующим 
отвором. Чим більший діаметр сводоутворюючого отвору, тим більше 
зв'язковим виявляється матеріал. При добре сипких матеріалами на розмір 
зводообазного отвору є гранулометричний склад. 
 Коефіцієнт ущільнення сипучого матеріалу. На величину об'ємної 
маси сипучого матеріалу суттєвого впливають особливості її формування, стану 
поверхні частинок, умови руху та ін. Умови формування матеріалу визначають 
початковий коефіцієнт ущільнення та можуть змінювати його досить значно. На 
ущільнення сухих і вологих сипких матеріалів найбільше впливають динамічні 
навантаження і вібрація, тобто. дрібні частинки починають укладаються в пори 
між більшими. 
 
Керуюча координата 
При процесі дозування приймаємо кутову швидкість обертання шнека як 
керуючу координату. Варіатором швидкості якого служить асинхронний двигун, 
регулюючи подачу дозатора, змінюючи швидкість обертання шнека. 
 
Вихідною (вимірюваною величиною) координатою 
Процес дозування передбачає вимірювання початкової маси сипучого 
матеріалу, що дозується в контейнер, на ваговому столі. 
 
2.4 Аналіз взаємозв'язку між технологічними змінними, визначення 
основних вимог до ведення процесів, формулювання критеріїв якості та 
цілей управління 
14 
 
Основні вимоги до АСУ ТП при дозуванні сипучих матеріалів (цукор, 
сіль): 
 Точність дозування; 
  Продуктивність (12 годин) 36 тонн; 
  Можливість розширення бази шляхом встановлення додаткового 
вивантажувального бункера та шнекового живильника; 
 Виконання інтерфейсу управління доступне для некваліфікованого 
персоналу. 
Основні вимоги до характеристик живильників: 
 Можливість керувати витратою дозованої речовини по завданням; 
 Формування витрат із заданою точністю; 
 Мінімізація витрат на транспортування; 
 Вихідний сигнал витрати матеріалу повинен бути лінійним; 
 Стійкість вихідного сигналу витрати до зовнішніх (зовнішніх і 
внутрішніх) збурень; 
Забезпечення високого рівня надійності за рахунок зменшення 
конструктивних та рухомих частин установки; 
 Не сприйнятливість до впливу зовнішнього середовища на стан 
речовини, що дозується; 
 Можливість роботи з пожежонебезпечними та вибухонебезпечними 
речовинами, що дозуються. 
Нині у вагових дозаторах як керуючу систему використовують 
контролери. 
Контролер відповідає за низку функцій: 
 Посилення сигналів від системи, що надходять від вимірювальних 
датчиків; 
 Перетворення отриманих сигналів у вагові компоненти для кожної 
деталі; 
 відстежувати та зберігати вагу кожної деталі або продуктивність 
системи; 
15 
 
 відстежувати та зберігати вагу кожної деталі або продуктивність 
системи; 
Здійснює порівняння отриманих даних із заданими параметрами; 
Подає сигнали, що управляють, на живильник. 
Контролер повинен забезпечувати: 
 Автоматично налаштовує параметри конфігурації вказаного процесу; 
Слідкує за продуктивністю технологічного процесу; 
 Відстеження кутової швидкості обертання шнекового живильника; 
 Відстеження поточної маси у ваговій склянці. 
 
2.5 Розробка комплексу технічних засобів АСУ ТП 
 
2.5.1 Ієрархія рівнів АСУ 
Для забезпечення високої надійності комплекс управління повинен 
здійснюватись за класичною ієрархією рівнів [2]: 
Перший (нижній) рівень включає: датчики та електропривод шнекового 
живильника (ДУ, Дω). 
Другий (середній) рівень включає: пристрої управління (у разі 
мікропроцесорний контролер управління (МКУ)). 
Третій (вищий) рівень включає мережеве обладнання, операторів та 
станції управління. 
Ієрархія рівнів АСУ ТП інжекції сипучих матеріалів показана на рисунку 
2.5. 2.5. Верхній рівень включає в себе віддалене автоматизоване робоче місце 
оператора. Оператор використовує датчики в системі для моніторингу та 
управління рухом конвеєра і швидкістю обертання електричного шнека. Зв'язок 
між верхнім і середнім рівнями здійснюється через послідовний інтерфейс 
передачі даних RS-485. Блок управління займає відразу два рівні. У блоці 
розташована мікроконтролерна плата, а на ній мікропроцесор, який обробляє 
аналогові сигнали струмів та напруг та сигнали з датчиків: швидкості, 
16 
 
положення та маси, що надходять із датчиків нижнього рівня. Мікропроцесор 
формує закладений у нього алгоритм управління рухом конвеєра і шнека. 
Блок керування містить силовий модуль, який відноситься до нижнього 
рівня. Модуль живлення складається з випрямляча і транзисторного інвертора 
напруги. Силовий ключ (IGBT-транзистор) керується ШІМ-модуляцією, а 
алгоритм його імпульсного живлення генерується процесором. 
 
 
Рис. 2.5. Ієрархія рівнів АСУ під час дозування 
 
2.5.2 Блок – схема апаратних засобів автоматизації 
Сигнал з ПК надходить на вхід вагового контролера. Мікроконтролер 
запрограмований на реєстрацію ваги матеріалу, що дозується. Вихідний сигнал 
ваги задає частоту роботи перетворювача, тобто швидкість обертання шнека. 
Після того як вагова склянка встановлена на вагову платформу на контроллер 
подається сигнал. Контролер після отримання та обробки сигналу, подає 
керуючий сигнал включення електроприводу шнекового живильника. На 
першому ступені шнековий живильник завантажує у вагову склянку 90% від 
17 
 
встановленої маси і з вагової платформи подається сигнал на контроллер для 
відключення приводу шнекового живильника на першому ступені [2]. 
Після зупинки шнека контролер подає сигнал на ввімкнення 
електроприводу стрічкового конвеєра. З другої вагової платформи надходить 
сигнал про те, що на ній знаходиться контейнер із завантаженим матеріалом. 
Система перераховує різницю між встановленим значенням маси і масою, яка 
вже завантажена у ваговий стакан. Після цього система робить перерахунок на 
час і швидкість завантаження контрольної маси сипучого матеріалу. Час 
дозування другого ступеня дорівнює часу дозування першої щаблі, тобто. 10% 
контрольної маси завантажуються одночасно із завантаженням на першому 
ступені наступної порції. Після завантаження контрольної маси система 
проводить контрольне зважування. Цей спосіб дозування дозволяє істотно 
збільшити продуктивність технологічного процесу без втрати точності. 
 
 
Рисунок 2.6. Блок – схема апаратних засобів автоматизації: 1 – 
живильник; - Електропривод; - Вагова платформа; - Тара;  Конвеєр; ПК – 
персональний комп'ютер; МКУ - мікропроцесорний контролер управління; ПЧ – 
перетворювач частоти; К – контактори 
 
2.5.3 Функціональна структура системи 
На рис. 2.7 показано функціональна структура системи дозування. 
18 
 
 
Рис. 2.7. Структурно-функціональна схема дозаторної системи 
 
Від мережа ЕП подається живлення на електропривод ЕД і на регулятор 
Р. ЕД перетворює електричну енергію і надає руху передавального механізму 
(редуктор) ПМ. ПМ надає руху виконавчий орган ІО системи (шнек 
живильника). За допомогою ІО з живильника П в тару Т починає надходити 
матеріал, що дозується. За допомогою вимірювальних пристроїв регулятор Р 
здійснює управління системою дозування. 
 
2.6 Вибір апаратних засобів на всіх рівнях управління 
Верхній рівень: 
Спеціальне місце виділене оператору для спостереження та управління 
технологічним процесом за допомогою персонального комп'ютера (DELL Hetton 
Alienware X51 R2 – 4125). 
Характеристики: 
 Вид – Hetton; 
 Тип процесора Core i5 - 4460; 
 Частота процесора – 3200 МГц; 
 Розмір оперативної пам'яті – 8196 Мб; 
19 
 
 Відеопроцесор – GeForce GTX 750 Ti; 
 Розмір відеопам'яті – 2048 Мб; 
 Об'єм жорсткого диска – 1 Тб; 
 Тип оптичного приводу DVD+/-RW. 
 
Середній рівень: 
Включає управляючі мікропроцесорний контролер управління. 
Модульний ПЛК Simatic S7-300/S7-400. 
Simatic S7-300/S7-400 - модульний програмований логічний контролер 
для жорстких умов експлуатації: 
 Робоча температура -40 ... +85 ° С; 
 відносна вологість повітря до 95%; 
 Вібрація 10...500 Гц із прискоренням 5g; 
 Поодинокі удари з піковим прискоренням 100g; 
 
 Багаторазові удари із піковим прискоренням 50g.
 
Модуль ПЛК Simatic S7-300/S7-400 – застосовується у різних сферах 
АСУ ТП: 
 Атомна енергетика; 
 Гірничо-збагачувальна промисловість; 
 Залізничний транспорт; 
 Метрологія; 
 Нафтогазовий комплекс; 
 Будівництво. 
 
Програмні продуктизастосовувані з модульним ПЛК Simatic S7-300/S7-
400: 
 адаптоване середовище розробки CoDeSys (для контролерів вузла 
мережі); 
 Linux; 
20 
 
 Simatic FBUS SDK (комплект розробника прикладного програмного 
забезпечення для шини FBUS); 
 Simatic OPC. 
 
Нижній рівень: 
Датчики маси: цифровий тензодатчик ZET 7010 Характеристики: 
 Живлення, що подається на ПП: 
 постійна напруга – 4,2+-0,2; 
 максимальний струм – 25+-1,5 А; 
 частота оновлення даних – 1 Гц. 
 Інтерфейс передачі RS – 485; 
 Швидкість обміну 4800 – 230 400 біт/с; 
 Контроль чіткості: 
 0 – немає контролю; 
 1 – є контроль; 
 Захист по інтерфейсним входам: 
 перенапруга - 19 В; 
 імпульсна - 28 Ст. 
 
Датчики швидкості: абсолютний енкодер – E6C – N 
 Тип - багатооборотний; 
 Діапазон (мін./макс.) – 500; 
 Габарити – D 50 (суцільний або повний вал); 
Макс. навантаження (Н) - радіальна 30/осьова 20; 
 
Ступінь захисту – IP50; 
 
 Макс. частота оборотів - 1500 обр / хв. 
 
Контактори: контактор DILM12-01 з котушкою керування 230 B. 
Характеристики: 
 Артикул виробника - 276865 
21 
 
 Тип - DILM12-01(230V 50HZ, 240V 60HZ) 
 Номінальний струм, А - 12 
 Категорія застосування - AC3 
 Кількість силових контактів – 3 
 Напруга управління, В - 230 B AC 
 Номінальна напруга, В – 690 
 
Перетворювач частоти: Schneider Electric. 
 
Таблиця 2.1 – Параметри перетворювача частоти 
Максимальна 
Номінальний Максимальний 
Типорозмір потужність 
вихідний струм, А струм, А 
двигуна, кВт 
ANV312HU15N4 1,1 3,4 4,3 
 
2.7 Програмне забезпечення на всіх рівнях АСУ ТП 
МехВIOS Dеvelоpmеnt Studiо – середовище призначене для розробки та 
моделювання програмного забезпечення вбудованого в системи управління 
електричними приводами. Також може застосовуватися на технологічних 
комплексах. Програмується логічними контролерами. 
Це програмне середовище дозволяє: 
▪ Створювати необхідне для тих. Процес управління електричними 
приводами, ТК, ПЛК; 
▪ Виконувати моделювання роботи всіх систем; 
▪ виконувати перепрограмування програми для нових робіт, для 
мікроконтролера; 
▪ Встановлювати необхідні бібліотеки під час заміни мікроконтролерів. 
 
 
 
22 
 
2.8 Обмін інформації між рівнями системи 
Сучасна техніка має безліч різноманітних входів та виходів обмінюватись 
даними з іншими пристроями. Існують як дротові, і бездротові інтерфейси. 
Одним з дуже поширених провідних інтерфейсів є універсальна послідовна 
шина, або USB. Майже не один сучасний пристрій, що працює з інформацією, 
не обходиться без нього. Останній, найсучаснішою версією є USB 3.0, швидкість 
якої сягає 4,8 Гбіт/с. 
RS-485 інтерфейс зв'язку Найпоширеніший промисловий стандарт, що 
реалізується двонаправленою збалансованою лінією передачі підтримування 
багатоточкових з'єднань, забезпечуючи створення мереж із кількістю вузлів до 
32 (64, 128 – залежить від навантажувальних характеристик мікросхем) та 
передачі на відстань до 1200 м. 
Передача інформації RS-485 може здійснюватися на швидкості до 10 
Мбіт/с. Відстань та швидкість передачі даних, з якими інтерфейс може успішно 
використовуватися, залежать від багатьох моментів (довжина лінії, типу 
проводів, наявність перешкод, наявність та величина термінатора тощо), які 
повинні враховуватися при розробці схеми з'єднань пристроїв у системі. 
Взаємодія між верхнім (робоча станція) і середнім (контролер) рівнями 
відбувається через інтерфейс RS-485. 
Взаємодія між середнім (контролер) і нижнім (ПЧ) рівнями відбувається 
через інтерфейс RS-485. 
 
 
 
 
 
 
 
 
23 
 
2.9 Розробка загальних алгоритмів функціонування АСУ 
технологічним процесом 
 
Рисунок 2.8. Загальний алгоритм формування подій роботи АСУ ТП 
 
Висновки до розділу 2 
Проведені дослідження показують, що для досягнення необхідної 
точності при незначному зменшенні продуктивності технологічного процесу 
дозування можна забезпечити досягненням оптимального режиму роботи і 
внесенням конструктивної зміни до конструктивної установки. 
  
24 
 
РОЗДІЛ 3. РОЗРОБКА ТА МОДЕЛЮВАННЯ 
АСИНХРОННИХЕЛЕКТРОПРИВОДІВ ІЗ СКАЛЯРНИМ 
УПРАВЛІННЯМ 
 
Для механізмів, що працюють у невеликому діапазоні регулювання 
швидкості і не потребують високої якості перехідних процесів, найчастіше 
застосовуються асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором, що 
отримують живлення від перетворювачів частоти зі скалярною системою 
керування. До таких механізмів насамперед належать насоси, вентилятори, 
компресори, конвеєри та інші загальнопромислові та допоміжні механізми 
технологічних комплексів. 
Скалярне керування засноване на зміні частоти і напруги, що подається 
U
на двигун, за певними законами 1 = const, де n 1. Вид залежність 
f n
1
визначається певним характером навантаження механізму. Незалежною дією є 
частота, яка визначає швидкість двигуна, значення напруги на цій частоті 
визначає магнітний потік двигуна і, в кінцевому рахунку, тип механічних 
властивостей, значення пускового і граничного моментів двигуна. 
Скалярні електроприводи є найпростішими, і такі електроприводи 
виробляються в більшості технологічно розвинених країн, де розробки були 
припинені як існуючими, так і новоствореними компаніями та науково-
дослідними інститутами. 
Функціональна схема електроприводу ПЧ – АТ, що реалізує закони 
U
управління класу 1 = const , наведено рис. 3.1. 
f n
1
Основними елементами асинхронного електроприводу зі скалярним 
регулюванням частоти є наступні: 
 М - асинхронний двигун; 
 ПЧ – перетворювач частоти; 
 ПКП, ПКО – прямий та зворотний координатні перетворювачі; 
25 
 
 ПЧН - перетворювач "частота - напруга"; 
 ЗІ – задатчик інтенсивності; 
ДСА, ДСС – датчики струму двигуна; 
 
 Елемент порівняння допустимого максимального I1зmax та фактичного 
значення діючого фазного струму двигуна I1ос; 
 РОС – регулятор обмеження струму. 
 
 
Рис. 3.1 – Функціональна схема скалярної системи перетворювач частоти 
– асинхронний двигун 
 
У масовому регульованому асинхронному електроприводі 
загальнопромислового призначення широке поширення на сьогоднішній день 
мають ПЧ зі ланкою постійного струму, побудовані за схемою «некерований 
випрямляч – інвертор напруги». Інвертор напруги виконується на транзисторах 
IGBT. Так як IGBT-транзистори перемикаються при великих частотах, форма 
струму, що протікає через обмотки двигуна M близька до синусоїдальної. 
 
3.1 Визначення параметрів Т – подібної схеми заміщення АТ 
Довідкові технічні дані асинхронного електродвигуна шнекового 
живильника [12]. 
 
 
26 
 
 
Таблиця 3.1 - Довідникові дані асинхронного двигуна серії RA90S4 [11] 
Висота Рном, n0, nном, ККД, 
cos   J,  
осі, мм кВт оберт/хв оберт/хв % 
90 1,1 1500 1420 80,1 0,71 5,5 2,3 2,6 0,0034 
Номінальний струм статора двигуна: 
 
                  (3.1.1) 
 
де PH - Номінальна потужність, кВт; 
U1н  - Номінальна фазна напруга, В; 
cos  - Коефіцієнт потужності, о.е.; 
H  - ККД. 
Струм статора двигуна при частковому завантаженні: 
 
            (3.1.2) 
 
cos рж = cos K = 0.710.986 = 0.63               (3.1.3) 
 
де K  - Коефіцієнт, що залежить від потужності двигуна; 
cos рж - коефіцієнт потужності при розвантаженні, о. 
H рж  - ККД при завантаженні практично дорівнює . 
Номінальний струм статора двигуна: 
 
27 
 
              (3.1.4) 
 
де sH  - номінальне ковзання 
Критичне ковзання: 
 
 
 
де kmax - кратність максимального моменту, о. 
  - Коефіцієнт знаходиться в діапазоні 0,6 - 2,25, β = 1. 
Коефіцієнти: 
 
 
де ki  - Кратність пускового струму; 
m  - Кількість фаз. 
Активний опір на роторі: 
28 
 
 
   (3.1.9) 
 
Активний опір на статорі: 
 
R 
1 =C1 R2   =1.055 5.253 0.75 = 5.542 Ом   (3.1.10) 
 
Індуктивний опір короткого замикання: 
 
X =  C R 
KH 1 2 = 2.947 1.055 5.253=16.33Ом    (3.1.11) 
 
Індуктивний опір роторної обмотки, наведеної до статорний: 
 
 Х 16.33
X = 0.58 КН = 0.58 = 8.978 Ом          (3.1.12) 
2H
С1 1.055
 
Індуктивний опір обмотки статора: 
 
X1H = 0.42  Х КН = 0.42 16.33 = 6.859 Ом                           (3.1.13) 
 
За знайденими значенням С 
1,R2 , X KH  , визначаємо критичне ковзання: 
 
                      (3.1.14) 
 
Так як  sk1 = sk ,то коефіцієнт  , то коефіцієнт вибрано правильно. 
29 
 
Для знаходження ЕРС гілки намагнічування: 
визначили sin = 0.704 . 
 
     (3.1.15) 
 
Індуктивний опір контуру намагнічування: 
 
E1 194.334
X  = = =109.726 Ом               (3.1.16) 
H
I0 1.77
 
Розрахунок та побудова природних механічних та 
електромеханічних характеристик асинхронного двигуна серії RA180M4. 
Синхронна кутова швидкість: 
 
2   f 2 3.14 50
0 = = =157.08 рад / с               (3.1.17) 
p 2
 
де f - Промислова частота мережі, Гц; 
p - Число пар полюсів. 
Природна механічна характеристика асинхронного двигуна 
 
                  (3.1.18) 
 
Механічна характеристика, розрахована та побудована, за формулою 
(3.1.18), у математичному середовищі програми Mathcad, наведена на рис. 3.1. 
30 
 
 
 
Рис. 3.1. Природна механічна характеристика 
 
Для повного аналізу механічної характеристики визначаємо додаткові 
параметри двигуна. 
Критичний момент при руховому режимі: 
 
      (3.1.19) 
 
Номінальна кутова швидкість: 
 
H =0  (1− SH ) =157.08  (1− 0.053) =148.75 Рад / c   (3.1.20) 
 
Номінальний момент: 
 
РН 1.1103
М Н = = = 7.4 Н  м                             (3.1.21) 
Н 148.75
31 
 
Максимальний момент: 
 
Мmax = kmax M H = 2.6 7.4 =19.23 Н  м                    (3.1.22) 
 
Мінімальний момент: 
 
Мmin = kmin M H = 0.9 7.4 = 6.66Н  м                  (3.1.23) 
 
Отримані параметри природної механічної характеристики асинхронного 
двигуна серії RA90S4 представлені у таблиці 3. 
 
Таблиця 3 – Параметри природної механічної характеристики 
Mпуск, Mкрит, Mmax, Mmin, Mnom, 
Н*м Н*м Н*м Н*м Н*м 
12,7 20,3 19,23 6.655 7,4 
Кутова Кутова Кутова Кутова Кутова 
швидкість, швидкість, швидкість, швидкість, швидкість, 
радий/с радий/с радий/с радий/с радий/с 
0 110 125,5 150,6 148,75 
 
Було проаналізовано параметри, отримані з каталожних даних, і 
підтверджено, що вони відповідають отриманим графікам механічних 
властивостей. Таким чином, можна дійти невтішного висновку, що певні 
параметри схеми заміщення за каталожними даними були правильними. 
Струми ротора викликали прослизання в обмотках статора: 
 
                                    (3.1.24) 
32 
 
Електромеханічна характеристика ротора, розрахована та побудована, за 
формулою (3.1.24), у математичному середовищі програми Mathcad, наведена 
рис. 3.2. 
 
 
Рис. 3.2.  Природна електромеханічна характеристика ротора АТ 
 
Струм статора: 
 
I = I 2 2
1 0 + I2 + 2  I0  I

2 sin2                        (3.1.25) 
 
Електромеханічна характеристика статора, розрахована та побудована, за 
формулою (3.1.25), у математичному середовищі програми Mathcad, наведена 
рис. 3.3. 
33 
 
 
Рис. 3.3. Природна електромеханічна характеристика  статора АТ 
 
Номінальний струм ротора, приведений до обмотки статора, 
номінальному ковзанні: 
 
      (3.1.26) 
 
Струм статора: 
 
     (3.1.27) 
  
34 
 
                        (3.1.28) 
Аналіз розрахунків показує, що отримані номінальні значення струму на 
статорі АТ, визначений на його електромеханічній характеристиці, збігається із 
значенням, порахованим за каталожними даними. Можна дійти невтішного 
висновку, що певні параметри схеми обміну, заснованої на даних каталогу, є 
правильними. 
 
3.2 Динамічні характеристики скалярного асинхронного 
електроприводу з автономним інвертором напруги 
Для дослідження якості перехідних процесів при пуску двигуна та 
регулюванні швидкості в системах "перетворювач частоти - асинхронний 
двигун" в програмному середовищі MATLAB (Simulink) було створено 
імітаційну модель електроприводу, принципову електричну схему якої наведено 
на рисунку 13. В імітаційній моделі електроприводу враховані активні та 
провідно-кабельні витрати, необхідні для з'єднання перетворювача частоти з 
мережею та двигуном, а також падіння напруги на напівпровідникових 
приладах. 
 
Рис. 3.4. Схема живлення імітаційної моделі скалярного асинхронного 
електроприводу з частотно-швидкісним керуванням. 
35 
 
 
Перехідний процес запуску скалярного асинхронного електроприводу 
шнекового живильника від уставки інтенсивності з подальшим плавним 
збільшенням навантаження при заповненому бункері показано на рисунку 
3.4.3.4. Пуск зроблений з початковою частотою f1нач = 20 Гц . У момент часу 
t =1.5 c Шнековий живильник почав знижувати кутову швидкість обертання. 
 
 
Рис. 3.4. Графік нижньої граничної характеристики пускового 
перехідного процесу скалярного асинхронного електроприводу шнекового 
живильника 
 
Проаналізовано графік статичних механічних параметрів на рис. 3.3 та 
графік перехідної характеристики на рис. 3.4. Аналіз графіка статичних 
механічних параметрів на рис. 3.3 та перехідної характеристики на рис. 3.4 
показує, що основні параметри електропривода враховані вірно, а програмне 
середовище MATLAB (Simulink) 3.4 видно, що результати імітаційного 
моделювання електропривода в програмному середовищі MATLAB (Simulink) 
узгоджуються зі статичними характеристиками, розрахованими в MathCAD, з 
визначуваними похибками в контрольних точках. 
36 
 
 
3.3 Підвищення критичного асинхронного моменту 
електроприводу 
В таблиці 4 представлені Довідникові дані для кабелю ВВГ. 
 
 Таблиця 4 – Довідникові дані кабелю ВВГ 
Переріз, 
мм 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 
RКАБ, 
Ом/км 12,1 7,41 4,61 3,08 1,83 1,15 0,727 0,524 0,387 
 
По номінальному струму двигуна (I1 = 2,925 A) вибираємо кабель 
перетином 2,5 мм2. Довжину приймаємо 10 м. 
Для синусоїдальних систем ШІМ амплітуда U1fm і струм U1f є фазовими 
значеннями першої гармоніки вихідної напруги інвертора при частоті вихідної 
напруги 50 Гц: 
U1m = 0.5 Ud = 256.5 B
U                                    (3.3.2) 
U d
1 = =181.37B
2  2
 
На практиці найпростішим способом підвищення критичного моменту 
асинхронного електроприводу при його розробці є введення сигналу управління 
інвертором U y1A,U y1B ,U y1C  третьої гармоніки. Напруга кожної фази при 
номінальній частоті, у цьому випадку, збільшується з  
U1 =181.37 B к U11 = 209.3 B  а третя гармоніка напруги моменту не створює 
[13]. 
Використовуваний у роботі механізм має характеристику 3, наведену рис. 
3.5. 
37 
 
 
Рис. 3.5. Механічні характеристики механізмів 
 
Для коректного керування електроприводом перетворювач частоти з 
ланкою постійного струму повинен працювати відповідно до закону керування. 
Регулювання частоти та напруги за цим законом дає залежності, показані на рис. 
3.6.3.6. 
 
 
2
Рис. 3.6. Закон управління U / f = const  
 
Наступні рівняння були використані для врахування падіння напруги на 
діодах і IGBT та опору кабелю UVD =1,UVT = 5 . 
Природна механічна характеристика асинхронного двигуна з 
урахуванням третьої гармоніки: 
38 
 
      (3.3.3) 
де R1 - Активний опір обмотки статора; 
Rкаб- Додатковий активний опір кабелю, проводів, що з'єднують обмотки 
статора асинхронного двигуна та перетворювач частоти; 
R'
2 – активний опір обмотки ротора, наведений до обмотування статора; 
X – Індуктивний опір намагнічених контурів при номінальній частоті 
мережі живлення f1н; 
 – синхронна кутова швидкість; 
UVD - фазне напруження обмоток статора асинхронного двигуна; 
UVT - Відносна частота напруги інвертора. 
 
 
Рис. 3.7. Сімейство механічних характеристик при регулюванні 
 
Механічні характеристики: 
 
60  f
0 =  f  – при зменшенні частоти синхронна швидкість 
p
знижується; 
39 
 
 
 
Критичні момент і ковзання обернено пропорційні частоті. 
M п = 2 М К  sК  f −  Пусковий момент обернено пропорційний квадрату 
частоти. 
Аналіз механічних характеристик електроприводу (рис. 3.7) показує, що 
14,3% моменту двигуна не використовується при введенні третьої гармоніки в 
напругу керування інвертором. Контрольні точки, отримані за наслідками 
експерименту, збігаються з теоретичними. Однак, тривала робота 
електроприводу на характеристиці із частотою перетворювача f = 20 Гц  (рис. 
3.7) неможлива через перевищення струмом статора номінального значення. На 
нижній межі регулювання швидкості тривала робота електроприводу можлива 
при корекції вольт – частотної характеристики системи управління 
перетворювачем частоти (блок ПЧН, рис. 2.9). 
Графіки перехідних процесів пуску асинхронного електроприводу на 
частоту f = 20 Гц  з корекцією вольт – частотної характеристики наведено рис. 
3.8. 
 
 
Рис. 3.8. Графіки перехідного процесу пуску скалярного асинхронного 
електроприводу з корекцією вольт – частотної характеристики 
40 
 
Аналіз графіків перехідних процесів (рис. 3.8) показує, що електропривод 
розганяється до кутової швидкості, яка визначається частотою перетворювача 
f = 20 Гц , Значення струму статора не повинно перевищувати номінального 
значення. Усталені значення швидкості та моменту збігаються зі значеннями 
статичної характеристики з похибками, що визначаються кроком інтегрування. 
Результати розрахунку статичних та динамічних режимів роботи 
асинхронного електроприводу зі скалярним керуванням, а також 
експериментальні дослідження дозволяють зробити такі висновки: 
 Облік активних та індуктивних опорів перетворювача та мережі 
живлення має визначальне значення при розрахунку з малою похибкою як 
статичних, так і перехідних режимів скалярних асинхронних частотно-
регульованих електроприводів; 
 Керуюча напруга інвертора дволанкового ШІМ-перетворювача 
частоти повинна містити третю гармоніку синусоїдальної напруги. В іншому 
випадку коефіцієнт використання скалярного електроприводу за моментом 
становитиме приблизно 37,4%. 
 
3.4 Синтез регулятора ваги на основі модульного оптимуму 
В системах дозування будь-яке перерегулювання перехідного процесу є 
перевагою, що позначається на точності дозування, тому його необхідно 
виключити, застосовуючи налаштування з перерегулюванням, що дорівнює 
нулю. 
Розімкнутий контур зважування, налаштований на модульний оптимум, 
повинен мати наступну передатну функцію [3]: 
 
                     (3.4.1) 
 
Де Tμв- Мала постійна часу контуру ваги. 
41 
 
Припустимо невелику нескомпенсовану константу у ваговому контурі, 
що дорівнює транспортній затримці шнекового живильника Tμв= Ттз. 
Протікання процесів за контуром ваги носить повільний характер у 
порівнянні з процесами електроприводу, що регулюється. У цій автоматичній 
системі регульований привід можна вважати пропорційною ланкою. 
 

K = max                                                 (3.4.2) 
реп
рв max
 
Передатна функція розімкнутого контуру ваги (рисунок19) аналізованої 
системи визначається так [3]: 
 
                      (3.4.3) 
Структурна схема контуру ваги представлена на рис. 3.9. 
 
 
Рис. 3.9. Структурна схема лінеаризованого контуру ваги 
 
На рис. 3.9 прийняті такі позначення: 
Wрв(Р)- Передавальна функція регулятора ваги; 
Kш- Коефіцієнт передачі шнека; 
Ттз- Постійна часу транспортної затримки. 
Передавальна функція вагового регулятора визначається шляхом 
прирівнювання передавальної функції розімкнутого вагового контуру до 
бажаної. 
42 
 
          (3.4.4) 
де - Коефіцієнт посилення регулятора ваги. 
Таким чином, при настроюванні контуру ваги на лінійний оптимум 
отримуємо регулятор ваги пропорційного типу з коефіцієнтом передачі kpв. 
 
Висновки до розділу 3 
У цій роботі проаналізовано технологічний процес двоступінчастого 
дозування, який теоретично здатний підвищити продуктивність дозатора, без 
втрат точно, при порівнянні з аналогами дозування на одному ступені. 
 
  
43 
 
РОЗДІЛ 4. РОЗРОБКА ТА МОДЕЛЮВАННЯ АСИНХРОННИХ 
ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ З ВЕКТОРНИМ УПРАВЛІННЯМ 
 
4.1 Визначення параметрів електроприводу 
Довідкові технічні дані асинхронного електродвигуна шнекового 
живильника [14]. 
 
Таблиця 4 - Довідникові дані асинхронного двигуна серії RA90S4[11] 
 
При номінальній 
n , Uдв.н Pдв.н навантаженні 
0
Типо- про/м ., ., SН, , Sk, 
розмір ін У кВт %  % % Jдв., mП mДо mM ki дв 
RA90S4 1500 380 1,1 5,3 0,71 80,1 32 0,00034 2,3 2,6 0,9 5,5 
 
Синхронна частота обертання кутового двигуна: 
 
                    (4.1.1) 
 
де – синхронна частота обертання, об/хв. 
Номінальна кутова частота обертання двигуна: 
 
  (4.1.2) 
 
де - номінальне ковзання електродвигуна, %. 
Номінальний струм статора двигуна: 
44 
 
                  (4.1.3) 
 
Номінальний момент двигуна: 
 
                           (4.1.4) 
 
Коефіцієнт завантаження електродвигуна приймаємо рівним pz = 0.75 . 
ККД електродвигуна при частковому завантаженніz = 0.71. 
Коефіцієнт потужності при частковому завантаженніcosz = 0.71. 
Струм статора двигуна при частковому завантаженні: 
 
                 (4.1.5) 
  
Струм холостого ходу двигуна:  
 
                   (4.1.6) 
Розрахунковий коефіцієнт:  
 
45 
 
              (4.1.7) 
 
Критичне ковзання: 
 
          (4.1.8) 
 
Активний опір ротора, приведений до обмотки статора асинхронного 
двигуна: 
 
           (4.1.9) 
 
Активний опір статора: 
 
R 
1 =C1 R2   =1.035 5.13 1.75 = 9.29 Ом                (4.1.10) 
 
Коефіцієнт, що виражає відношення індуктивного опору короткого 
замикання до індуктивного активного опору ротора: 
 
46 
 
                (4.1.11) 
 
Індуктивний опір короткого замикання у номінальному режимі: 
 
X =  C 
KH 1 R2 =1.95 1.035 5.13=10.4 Ом                  (4.1.12) 
 
Індуктивний опір розсіювання обмотки ротора, що наведена до обмотки 
статора в номінальному режимі: 
 
 X 2H 10.4
X 2H = 0.58  = 0.58  = 5.807 Ом                      (4.1.13) 
C1 1.035
 
Наведено індуктивність обмотки ротора, зумовлену потоком, що 
розсіюється, в номінальному режимі:  

 X 2H 5.807
L2H = = = 0.018 Гц                         (4.1.14) 
2   f1H 2 3.14 50
 
Індуктивний опір обмотки статора: 
 
X1H = 0.42  X KH = 0.42 10.4 = 4.35 Ом               (4.1.15) 
 
Індуктивність обмотки статора, обумовлена потоком розсіювання в 
номінальному режимі: 
 
X1H 4.35
L1H = = = 0.014 Гн                (4.1.16) 
2   f1H 2 3.14 50
 
47 
 
Для знаходження ЕРС гілки намагнічування визначили: 
 
       (4.1.17) 
 
Індуктивний опір контуру намагнічування: 
 
E1 191.94
X  = = =168.01Ом                    (4.1.18) 
H
I0 1.1
 
Результуюча індуктивність, обумовлена магнітним потоком у 
повітряному зазорі: 
 
X H 168.01
LH = = = 0.535 Гн                (4.1.19) 
2   f1H 2 3.14 50
 
Перевірка умов: 
 
М ДВ.Н .  М ЕМ .Н .1 1.1М ДВ.Н .                            (4.1.20) 
7.4  8.116  8.134
 
М ДВ.Н .  М ЕМ .Н .2 1.1М ДВ.Н .                                (4.1.21) 
7.4  8.04  8.134
 
4.2 Вибір перетворювача частоти 
Вибираємо перетворювач частоти Schneider Electric Altivar 312 
ANV312HU15N4. 
Параметри перетворювач частоти: 
48 
 
 Максимальна потужність двигуна – 1,1 кВт; 
 Номінальний струм – 34 А; 
 Максимальний струм – 4,8 А. 
 
4.3 Параметри елементів силового каналу електроприводу 
З урахуванням ШІМ вихідної напруги інвертора [8]. 
Напруга мережі живлення UC = (380 − 420)B . 
Частоту fшим = 5000 Гц та період Тшим =1/ fшим = 0.0002 c . 
 ШІМ вихідної напруги інвертора враховуємо в системі керування 
інвертора та в системі керування електроприводом. 
Вибираємо параметри мережевого трансформатора чи реактора 
відповідно до табл. 2 для розрахункового значення номінального струму 
обмотки фази: 
  
3 UH 3 220
IPH = IPH  = 3.4  = 3.1 A                      (4.3.1) 
UC 420
 
Таблиця 4.5 - Довідникові дані силової лінії 
Iрфн, А 12.3 20.5 41 82 165 265 410 660 820 
Lр, мГн 3 2 1 0.5 0.25 0.156 0.1 0.064 0.05 
Rр, мОм 450 265 100 37 13 7.2 3.8 2.1 1.4 
Idн, А 15 25 50 100 200 320 500 800 1000 
 
Приймаємо Rp = 0.45,Oм. L = 3 10−3, Гн  
p
Приймаємо С =100 1.110−6 = 0.00185 мкф  
 
 
 
 
 
49 
 
 
 
4.4 Параметри механічної системи електроприводу 
 Момент інерції механізму - ; Jм = (0.9 −1.1) 0.5 кг  м2  
 ККД механізму - ;пер = 0.85  
 Передатна кількість редуктора- ; iред. = 3.24  
 ККД редуктора - ;  ред = 0.95  
 Максимальна швидкість механізму - ;nmax = 400 об / хв  
 Мінімальна швидкість механізму - . nmin = 4 об / хв  
 
4.5 Перевірка вибору асинхронного електроприводу шнекового 
дозатора за моментом 
Визначення необхідних швидкостей електродвигуна та діапазону 
регулювання [7]: 
 
nДВ.швид.змін. = nmax  iред = 400 3.24 =1296 обе / хв           (4.5.1) 
 
Розрахунок формули для визначення наведених квалу двигуна моментів 
навантаження: 
 
(1−пер  ред ) (1− 0.85 0.95)
a = b = = = 0.107   (4.5.2) 
2 пер  ред 2  .0.85 0.95
 
Наведений максимальний статичний момент навантаження:  
 
М с прив.макс 15
М с прив.макс = (1+ а + b)  = (1+ 0.107 + 0.107)  = 5.8 Н  м  (4.5.3) 
iред 3.14
 
50 
 
Наведений максимальний статичний момент навантаження: 
М с прив.макс 15
М с прив.мін = а  = 0.107  = 0.51 Н  м                 (4.5.4) 
iред 3.14
 
Номінальна потужність двигуна: 
 
             (4.5.5) 
 
По отриманої необхідної потужності двигуна видно, що двигун RA90S4 
потужністю 1,1 кВт вибрано правильно. 
 
4.6 Розрахункові параметри моделі двигуна 
 
L1 = L1 + Lm = 0.014 + 0.339 = 0.353 Гн                     (4.6.1) 
 
L  = L 
2 2 + Lm = 0.019 + 0.339 = 0.358 Гн                  (4.6.2) 
 
L 2 0.3392
 =1− m =1− = 0.091                      (4.6.3) 
L  L  0.353 0.358
1 2
 
 L 2
m 0.3392
R1е = R1 + R2  = 8.888+ 4.95  =13.327 Ом              (4.6.4) 
2 0.3582
L2
 
51 
 
  L1 0.0910.353
T = = = 0.0024006 c                    (4.6.5) 
1е
R1е 13.3
 
L 
2 0.358
T2 = = = 0.07233 c                                (4.6.6) 
R  4.95
2
 
R 
2  Lm = 4.95 0.339 =1.678                              (4.6.7) 
 
Lm 0.339
= = 0.94692737                                 (4.6.8) 
L  0.358
2
 
 Lm 0.339
R2  = 4.95  =13.09                               (4.6.9) 
2 0.3582
L2
 
3 Lm 3 0.339
  z p =   2 = 2.8408                          (4.6.10) 
2 L  2 0.58
2
 
4.7 Природні характеристики електродвигуна 
Природна механічна характеристика електродвигуна: 
 
         (4.7.1) 
 
Критичний момент: 
 
    (4.7.2) 
52 
 
 
Пусковий момент: 
 
Mkп = mk 0 M H =19.26 Н  м                              (4.7.3) 
 
Критична кутова швидкість:  
  
wk = (1− sK ) 0 = 97.39 рад / с                         (4.7.4) 
 
Номінальна кутова швидкість: 
 
wH =0  (1− sH ) =148.75рад / с                   (4.7.5) 
 
На рис. 4.10 представлено природну механічну характеристику 
електродвигуна. 
 
Рис. 4.10. Природна механічна характеристика електродвигуна 
 
Природна електромеханічна характеристика електродвигуна 
Струм ротора, приведений до обмотки статора, від ковзання: 
 
53 
 
U
I  = 1H
2 = 2.133A                   (4.7.6) 
R  R  R 
 (R 2
1 + ) + X 2 1 2 2
KH + ( )
sH sH  X H
Струм статора: 
  
I 2 2
1 = I0 + I2 + 2  I  I 2
0 2  sin2 = 3.054A  
 
X
sin KH
2 =                                  (4.7.7) 
R 
(R1 +
2 ) + X 2
KH
sH
 
На рис. 4.11 представлено природну електромеханічну характеристику 
електродвигуна. 
 
Рис. 4.11. Природна електромеханічна характеристика електродвигуна 
 
4.8 Завдання по моменту 
Максимальний момент електроприводу: 
 
M max = 2 M H + (MC ) =15 H  м                             (4.8.1) 
54 
 
де k - Коефіцієнт погіршення тепловіддачі двигуна при нерухомому 
роторі приймаємо рівним k = 0,9. 
Тривалий момент електроприводу: 
 
2 M
Мдл.доп. = М Н  (k  (1− k)  ) = 7.304 H  м                     (4.8.2) 
H
 
Статичний момент навантаження електроприводу: 
 
М с = 0.75 М Н + МС = 6.267 Н  м                  (4.8.3) 
  
Мінімальне навантаження електроприводу: 
 
М мін = 0.107 М Н + МС =1.461 Н  м                         (4.8.4) 
 
На рис. 4.12 представлена природна механічна характеристика 
електродвигуна з урахуванням коефіцієнта погіршення тепловіддачі двигуна та 
навантажень. 
 
Рис. 4.12. Природна механічна характеристика електродвигуна з 
урахуванням коефіцієнта погіршення тепловіддачі двигуна та навантажень. 
55 
 
Тривало-допустимий струм електроприводу: 
 
2 I
Iдл.доп. = IН  (k  (1− k)  ) = 2.638 A                       (4.8.5) 
H
 
Максимальний струм електроприводу: 
 
                (4.8.6) 
 
Струм при мінімальному навантаженні електроприводу: 
 
            (4.8.7) 
 
Струм при максимальному навантаженні електроприводу: 
 
                    (4.8.8) 
 
На рис. 4.13 представлена природна електромеханічна характеристика 
електродвигуна з урахуванням коефіцієнта погіршення тепловіддачі двигуна та 
навантажень. 
56 
 
 
Рис. 4.13. Природна електромеханічна характеристика електродвигуна з 
урахуванням коефіцієнта погіршення тепловіддачі двигуна та навантажень 
 
4.9 Розрахунок параметрів елементів силового каналу 
Включає ШІМ вихідної напруги інвертора.Номінальна напруга двигуна 
U1фн = 220 В . 
Напруга мережі живленняUС = (380  420) В  . 
Система управління електроприводом формує два керуючі сигнали  
u* (t) та u* (t)  Керуюча напруга послідовно перетворюється в керуючу напругу 
1d 1q
u1 (t) ,u1 (t)  а потім трифазнимu1 (t) ,u1b (t) та u1с (t)  інвертором з одиничною 
максимальною амплітудою [15]. 
Коефіцієнт перетворення напруг управління kпреоб =1. Максимальна 
вихідна напруга і коефіцієнт підсилення інвертора при одній амплітуді сигналу, 
що управляють, залежно від змін напруги мережі: 
57 
 
2  3 U1фн 2  3  220
Ud = = = 567.25 В                 (4.9.1) 
max 0.95
 
UD 567.25
U = = = 420.185 В                           (4.9.2) 
С
1.35 1.35
 
U 567.25
K (U ) = D
u C = = 327.502                    (4.9.3) 
1.35 3
 
З умови Iеп.макс  I І .макс що відповідає 60 секундам роботи, тоді: 
  
Iеп.макс = I1ф.макс = 4.811 А                          (4.9.4) 
 
modI 1max = 2  Iеп.max = 2  4.811= 6.803 A             (4.9.5) 
 
I1dH = 2  I0 = 2 1.807 = 2.555 A                (4.9.6) 
 
2 2 2 2
 I1q max = mod Imax − I1dH = 6.803 − 2.555 = 6.306 A         (4.9.7) 
 
m U 2  R 
M емн =
1H 2 = 8.117 Н  м  
s R  R  R 
 H
0   (( 1 2 )2 + (R + 2 )2
1
100 sH s
 X H
H
100 100
 
3 L
М m
ем.макс = (   z p )  2H  I1qмакс =15.513  
2 L 
2
 
М ем.макс = М ем.макс − M cДВ =14.791 Н  м  
58 
 
4.10 Розрахунок параметрів контуру струму з ПІ-регулятором та 
аналоговими датчиками. 
Максимальний струм електроприводу Iеп.макс = 4.811 А  
Приймаємо розрядність датчика nацп.дт =10  
З умови Iвим.макс T  2  I  
еп.макс А
При T =1.2 . 
 
Iвим.макс 1.2  2  4.811= 8.165А  
 
Приймаємо – Iвим.макс =10А . 
 
n
0.5 2 ацп .дт 0.5 210
kдт = = = 51.2 (1 / А)  
Iвим.макс 10
 
Приймаємо – Nвід.Макс =1. 
 
1 1
k  
т = = = 0.1(1/ А)
Iвим.макс 10
 
1 1
kос.т = = = 0.0019513  
n
0.5  2 ацт.дт 512
 
2  I
N = еп.макс 2  60
ет.макс = = 0.6803781 
Iвим.макс 512
 
Приймаємо: 
 
1 1
T −4  
ос.т =Tпк.т =Tзу.і =Tшим = = = 2 10 c
fшим 5000
59 
 
 
Відповідає частоті 5000 Гц. 
Приймаємо – Тф.от = 0 . nT = 2 . aT = 2 . 
 
Tос.Т 2 10−4
Tте = + Tзу.Н + Tф.от = + 2 10−4 + 0 = 3 10−4 с  
nт 2
 
Т =Т = 2.4006 10−3
РТ 1е  
 
T
k = 1е  R1е
PT =1.62807  
kH  kT  aH Tте
 
ТТ = aТ Tте = 2 3 10−4 = 6 10−4 с  
 
 
Приймаємо - Nptqдоп =1 
Приймаємо – . Nptqдоп = 12 − Nptq2  
Коефіцієнт компенсаційного негативного зворотного зв'язку регулятора 
струму Id  
 
I
kкомп.d = (  L  z )  вим.max вим.max 10  200
1 p = (0.091 0.353  2)  = 0.39  (4.10.12)  
kH 327.502
 
Коефіцієнт компенсаційного позитивного зворотного зв'язку регулятора 
струму Iq  
L L 
k m 1 вим.max
комп.q = ( +  )  2H  zp 
L   k
2 Lm H
                  (4.10.13) 
0.339 0.353 200
= ( + 0.091 ) 0.866 2  =1.1
0.358 0.339 327.502
60 
 
4.11 Імітаційна модель та дослідження електроприводу 
На рис. 4.14 показана принципова функціональна схема індуктивного 
приводу з частотно-векторним керуванням з використанням моделі трифазного 
інвертора напруги з ШІМ. [14-15]. 
 
Рис. 4.14. Базова функціональна схема асинхронного електроприводу з 
частотним векторним керуванням трифазного моделлю інвертора напруги з 
ШІМ 
На рис. 4.15 представлена імітаційна модель електричної частини 
силового каналу системи «перетворювач частоти – асинхронний електродвигун» 
 
 
Рис. 4.15. Перетворювач частоти - імітаційна модель електричної частини 
силового каналу системи асинхронних двигунів. 
61 
 
На рис. 4.16 показано імітаційну модель механічної частини силового 
каналу системи перетворювач частоти - асинхронний двигун. 
 
 
Рис. 4.16 Імітаційна модель механічної частини силового каналу системи 
перетворювач частоти - асинхронний двигун. 
 
На рис. 4.17 показано імітаційну модель блоку розрахунку керування та 
перетворення координат системи векторного керування для регульованого 
асинхронного електропривода без датчика потоку двигуна. 
 
Рис. 4.17 Імітаційна модель блоку обчислення керування та перетворення 
координат системи векторного керування з регульованим асинхронним 
електроприводом без датчиків потокозчеплення двигуна 
62 
 
. 
 
Рис. 4.18 Імітаційна модель контуру швидкості з аналоговими датчиками 
та внутрішнім контуром струму I1q 
 
На рис. 4.19 представлена імітаційна модель контуру потокосцепления з 
внутрішнім контуром струму I1d. 
 
Рис. 4.19. Імітаційна модель контуру потокозчеплення із внутрішнім 
контуром струму I1d 
63 
 
На рис. 4.20 представлена імітаційна модель блоку САР потокозчеплення 
ротора  із внутрішнім контуром струму I1d. 
 
 
 
Рис. 4.20. Імітаційна модель блоку САР потокозчеплення ротора 2d  із 
внутрішнім контуром струму I1d 
 
На рис. 4.21 показано імітаційну модель блоку САР швидкості двигуна з 
імпульсним датчиком і внутрішнім контуром струму I1q. 
 
 
Рисунок 4.21: Імітаційна модель блоку САР швидкості двигуна з 
датчиком імпульсів та внутрішнім контуром струму I1q 
 
На рис. 4.22 представлена схема розрахунку потокозчеплень і кута 
повороту обертової координатної системи з використанням значень струмів i1, i1 
та кутової швидкості двигуна. 
64 
 
 
Рис. 4.22. Схема розрахунку потокозчеплень і кута повороту 
координатної системи, що обертається, з використанням значень струмів i1, i1 та 
кутової швидкості двигуна 
 
Перехідні процеси АТ при пуску на холостому ході 
 
Рис. 4.23: Імітаційна модель механічної частини силового каналу системи 
перетворювач частоти - асинхронний двигун під час пуску на холостому ходу 
 
65 
 
 
Рис. 4.24. Перехідні процеси АТ під час пуску на холостому ході 
 
Перехідні процеси артеріального тиску при пуску на мінімальному 
навантаженні. 
 
Рис. 4.25: Імітаційна модель механічної частини силового каналу системи 
перетворювач частоти - асинхронний двигун. 
66 
 
 
Рис. 4.26. Перехідні процеси АТ під час пуску на мінімальному 
навантаженні 
 
Перехідні процеси АТ при пуску на повному навантаженні 
 
Рис. 4.27: Імітаційна модель механічної частини силового каналу системи 
перетворювач частоти - асинхронний двигун при повному навантаженні 
67 
 
 
Рис. 4.28. Перехідні процеси АТ при повному навантаженні, напруга 
мережі UЗ=342 В 
 
 
Рис. 4.29. Перехідні процеси АТ при повному навантаженні напруга 
мережі UЗ=380 В 
68 
 
 
Рис. 4.30. Перехідні процеси АТ при повному навантаженні напруга 
мережі UЗ=418 В 
 
Перехідні процеси АТ при накиданні та скиданні навантаження  
 
Рис. 4.31 - Імітаційна модель механічної частини силового каналу 
системи "перетворювач частоти - асинхронний двигун" під час переривання 
навантаження та скидання навантаження  
69 
 
 
Рис. 4.32. Перехідні процеси АТ при накиданні та скиданні навантаження  
 
Перехідні процеси АТ під час скидання та накидання навантаження на 
повному навантаженні 
 
Рисунок 4.33. Імітаційна модель механічної частини силового каналу 
системи "перетворювач частоти - асинхронний двигун" під час повного 
переривання навантаження та переривання навантаження 
70 
 
 
Рис. 4.34. Перехідні процеси АТ під час скидання та накидання 
навантаження на повному навантаженні 
Перехідні процеси АТ із S – задатчиком при повному навантаженні. 
Скидання та накидання навантаження 
 
Рис. 4.35. Імітаційна модель S – задатчика інтенсивності 
71 
 
 
Рис. 4.36. Перехідні процеси АТ з S – задатчиком при повному 
навантаженні скидання та накидання навантаження 
 
Висновки до розділу 4 
Розраховані системи керування зі скалярним, векторним керуванням 
переглянуто систему предиктивного управління стосовно системи 
двоступінчастого дозування. Побудовано імітаційні моделі для скалярно вектор 
управління. Зняті експериментальні дані показують, що система з векторним 
керуванням підвищує показник якості, управління електроприводу шнекового 
живильника, що призводить до збільшення якості дозуючої установки. 
 
  
72 
 
ВИСНОВКИ 
 
Дозування є одним з найважливіших технологічних процесів в 
металургійній, хімічній та харчовій промисловості, де точність і продуктивність є 
важливими показниками якості. 
Аналіз існуючих технологічних процесів дозування сипких матеріалів 
показує, що підвищення точності дозування значно знижує продуктивність 
технологічного процесу і, в свою чергу, підвищення продуктивності знижує 
точність процесу дозування. Для вирішення цієї проблеми в даній роботі було 
розроблено високоточний технологічний процес дозування сипких матеріалів. 
Для досягнення необхідної точності дозування з незначним зниженням 
продуктивності потрібні наступні рішення: 
 Переробка конструкції дозатора; 
 застосування розробленого алгоритму керування. 
Конструкція була модифікована наступним чином: додано другий 
дозуючий бункер зі шнековим живильником. Розроблено алгоритм керування, 
який забезпечує синхронну роботу двох дозаторів. Перший дозатор забезпечує 
завантаження сипучого матеріалу в тару з максимально можливою швидкістю на 
90% від заданої оператором контрольної маси, а другий дозатор одночасно 
забезпечує завантаження сипучого матеріалу в тару на 10% від контрольної маси, 
після чого система виконує контрольне зважування. Контрольне зважування 
використовується для порівняння отриманих даних з даними, заданими 
оператором. Таким чином, була розроблена система дозування з необхідною 
точністю з мінімальною втратою продуктивності. 
Для керування електроприводами шнекових живильників розроблено 
скалярні та векторні системи керування. 
Для керування електроприводом шнекового живильника використовуються 
системи векторного керування, які можуть керувати не тільки величиною і 
частотою напруги, але й фазою. Векторне керування забезпечує високу 
продуктивність у порівнянні зі скалярним керуванням і має ряд переваг, таких як 
73 
 
 Висока точність регулювання швидкості; 
 Плавний пуск і плавне обертання двигуна у всьому діапазоні частот; 
 Швидка реакція на зміну навантаження; 
 розширений діапазон регулювання. 
Недоліком цієї системи є складність структури системи керування. 
У цій роботі розглядається можливість використання системи 
предиктивного керування для електроприводу гвинтових живильників. Цей метод 
все частіше використовується в промислових системах керування і має свої 
переваги. Однією з них є те, що параметри, які необхідно регулювати, є 
мінімальними. Для успішного застосування предиктивного керування була 
запропонована модель об'єкта з необхідною достовірністю і точністю. 
За допомогою моделі об'єкта керування можна передбачити майбутню 
поведінку системи залежно від типу керуючого впливу. В результаті була створена 
структура предиктивної системи керування дозатором та проаналізовані всі 
елементи цієї структури. Визначено координати входів і виходів, при яких працює 
система. 
74 
 
 
75