Один взгляд на использование искусственного интеллекта в нейросетях

165 

Возможность 

управления 

частотой 

вращения 

короткозамкнутых 

асинхронных 

электродвигателей (АД) была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность 

удалось лишь с появлением силовых полупроводниковых приборов - сначала тиристоров, а позднее 

транзисторов IGBT. В  настоящее  время  во  всём  мире  широко  реализуется  способ  управления 

асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, 

но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом.  

Принципиальная возможность регулирования скорости АД изменением частоты питающей сети 

f

1 

следует  из  соотношения 



=2



  f

1

(1–s)/ p.

  При  неизменном  напряжении  питания  U

1 

по  мере 

изменения частоты f

1

 

будет также изменяться и магнитный поток двигателя Ф ,

 

поскольку, как уже 

отмечалось, Ф

 

 U 

1 

/ f

1

.

 При снижении частоты f

1 

и неизменном U

1

 

поток возрастет. Это приведет к 

насыщению стали двигателя и как следствие к резкому увеличению тока и его перегреву. Увеличение 

f

1

  вызовет  снижение  потока  и  соответственно  допустимого  момента  АД.  Поэтому  для    сохранения 

высоких энергетических показателей регулирования необходимо с регулированием f

1 

 

одновременно 

в функции частоты и нагрузки двигателя изменять и напряжение питания АД. 

Существует  два  основных  типа  преобразователя  частоты:  с  непосредственной  связью  и  с 

промежуточным контуром постоянного тока. В первом случае выходное напряжение синусоидальной 

формы  формируется  из  участков  синуса  преобразуемого  входного  напряжения.  При  этом 

максимальное значение выходной частоты не может быть равным частоте питающей сети. Частота на 

выходе преобразователя этого типа обычно держит в диапазоне от 0 до 25 – 35 Гц. Но наибольшее 

распространение получили преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока, 

выполненные  на  базе  инвертора  напряжения.  Принцип  работы  инвертора:  переменное  напряжение 

промышленной  сети  выпрямляется  блоком  выпрямительных  диодов  и  фильтруется  батареей 

конденсаторов  большой  емкости  для  минимизации  пульсаций  полученного  напряжения.  Это 

напряжение  подается  на  мостовую  схему,  включающую  шесть  управляемых IGBT транзисторов  с 

диодами, включенными антипараллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной 

полярности,  возникающем  при  работе  с  обмотками  двигателя.  Используя  специальный  алгоритм 

управления - открывая и закрывая перекрестные пары транзисторов, формируют последовательность 

импульсов напряжения разной скважности – это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) в 

фазах двигателя. При этом ток в фазах двигателя приобретает форму синусоид, сдвинутых во времени, 

что достаточно для формирования вращающегося магнитного поля и  вращения двигателя.  Регулируя 

частоту  напряжения  и  амплитуду  сигнала,  мы  можем  менять  скорость  вращения  двигателя.  Так 

возможен диапазон регулирования частоты от 0 до нескольких тысяч Гц. 

Структурная схема такого преобразователя приведена на рисунке. 1. 

 

 

 

Рисунок 1. Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным контуром постоянного тока. 

 

Базовыми  элементами  асинхронного  частотно-регулируемого  электропривода  (рис.2)  являются 

управляемый преобразователь частоты ПЧ (UZF), питающийся от промышленной сети напряжением 

U

с 

  и  частотой  f

с

  и  асинхронный  двигатель  АД  (М),  питающийся  от  ПЧ.  При  необходимости 

согласования мощности и входных напряжений питания собственно ПЧ с сетью между ними может 

устанавливаться  согласующий  трансформатор TV1. Для  ограничения  токов  короткого  замыкания  и 

перенапряжений  на  входе  ПЧ  могут    устанавливаться  токоограничивающие  реакторы L1  и 

дополнительные RC – фильтры Ф1. При необходимости согласования выходного напряжения ПЧ и 

цепи  питания  М  (например,  для  высоковольтных  электрических  машин)  между  ними  могут 

166 

устанавливаться  согласующие  трансформаторы TV2. При  значительном  удалении  двигателя  от 

преобразователя  (при  длине  кабельной  связи  между  ними  более 50 м,  а  для  ряда  преобразователей 

допускается  и  более 200 м)  на  выходе  ПЧ  для  ограничения  перенапряжений  на  его  силовых 

полупроводниковых  элементах  устанавливаются  фильтрующие  дроссели L2, а  также 

помехоподавляющие RC-фильтры Ф2. 

 

М 

Ф2

Uc,fc

 

   

U1,f1 

 

u

u

    u

f

 

UZF

Uc,fc 

L1 

TV1

Ф1

L2

TV2

 

Рис. 2 Состав силовой части системы ПЧ-АД 

 

Поэтому  асинхронные  машины  с  частотным  регулированием  могут  быть  применены  во  многих 

отраслях  промышленности.  Асинхронные  двигатели  используются  в  приводе  насосов,  вентиляторов, 

регуляторов давления, приводе моталок, разматывателей, ножниц, прессов, карусельной машины и т.п. 

В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы 

управления  электродвигателем,  реализуя  ту  или  иную  зависимость  между  скоростью  вращения 

электродвигателем и выходным напряжением.  

Наличие  в  составе  микропроцессоров  запоминающих  устройств  большого  объема  позволяет 

реализовать  достаточно  сложные  алгоритмы  обработки  данных  и  сделать  энергетические  объекты 

«информационно прозрачными».  

Возможность энергосбережения средствами электропривода на практике реализуется следующими 

путями. Первый путь – правильный выбор двигателей по мощности имеет особо  важное значение для 

массовых  электроприводов  продолжительного  режима  работы.  Второй  путь – использование 

специальных  энергосберегающих двигателей (также при условии правильности выбора по мощности), в 

которых за счет увеличения массы активных материалов (сталь, медь) повышены номинальные значения 

КПД и соsφ. Этот путь особенно важен для приводов, работающих с постоянной нагрузкой. Третий путь 

– оптимизация электроприводов по критерию минимума потерь энергии (или максимума энергетической 

эффективности).  В  настоящее  время  по  мере  обострения  энергетических  проблем  возрастает 

необходимость  решения  подобных  задач,  а  развитие  силовой  преобразовательной  техники  и 

микроэлектроники уже создало необходимые предпосылки для их решения.  

Проведенные  за  последние  годы  исследования  показывают,  что  наряду  с  улучшением 

технологических  характеристик  механизмов,  переход  к  регулируемому  электроприводу  может 

обеспечить  в  среднем  снижение  на 20-30% электроэнергии,  потребляемой  электродвигателями,  что 

позволяет  экономить    более 10% производимой  электроэнергии [3]. Дополнительные  затраты 

связанные с применением регулируемого электропривода окупаются в течении 1-3 года.                             

Одной  из  основных  задач  теории  автоматического  регулирования  является  задача  определения 

оптимальных параметров системы регулирования, которые удовлетворяют условиям устойчивости и 

динамическим  характеристикам  переходного  процесса  этой  системы.  В  работах [1-3] рассмотрена 

методика расчета оптимальных параметров системы автоматического регулирования, основанная на 

сочетании  прямого  метода  Ляпунова  и  квадратичного  интегрального  критерия  качества  системы 

регулирования.  Однако  расчет  параметров  системы  автоматического  регулирования,  описываемая 

линейными  дифференциальными  уравнениями  высокого  порядка (n>3), требует  большого  объёма 

вычислений [1] . В  связи  с  этим  применение  ЭВМ,  в  данном  случае,  является  необходимостью. 

Рассмотрим задачу определения параметра k дифференциального уравнения третьего порядка [1] по 

предложенному ниже алгоритму. 

Дифференциальное уравнение с неизвестным параметром k  имеет следующий вид: 

                                  

0

2

2

3

3









kx

dt

dx

dt

x

d

dt

x

d

a

                                                      (1) 

 

с начальными условиями  

1

0



x

, 

0

0

0



 x

x

. 

167 

Положив 

25

,

0



a

  и 

;

1

x

x



2

x

x



; 

3

x

x



,  запишем  уравнение (1)  в    виде  системы 

дифференциальных уравнений первого порядка: 

 

2

1

x

dt

dx 

, 

    

                                     

3

2

x

dt

dx 

,                                                                       (2) 

3

2

1

3

4

4

4

x

x

kx

dt

dx









. 

 

В этом случае функцию Ляпунова можно записать в следующем виде: 

 

                                    

2

3

2

2

2

1

x

x

x

U







.                                                                  (3) 

 

Производная  функции  Ляпунова  по  времени,  с  учетом  системы  уравнений (2), запишется 

следующим образом: 

 

                                   

)

4

4

4

(

3

2

1

3

3

2

2

1

x

x

kx

x

S

x

x

S

x

x

S

dt

dU

























.                        (4) 

 

Функция 

S

 представляет собой положительно определенную форму вида [3]: 

 

                       

2

3

33

3

2

23

2

2

22

3

1

13

2

1

12

2

1

11

x

A

x

x

A

x

A

x

x

A

x

x

A

x

A

S













,                         (5) 

 

частные производные, которой по каждой переменной запишутся: 

 

;

2

3

13

2

12

1

11

1

x

A

x

A

x

A

dx

S









 

                            

                            

;

2

3

23

1

12

2

22

2

x

A

x

A

x

A

dx

S









                                                          (6) 

 

.

2

2

23

1

13

3

33

3

x

A

x

A

x

A

dx

S









 

 

Исходя  из  условия  устойчивости[2],  на  основе  уравнений (3), (4) и (6), после  несложных 

преобразований, получим следующее уравнение 

 

 

.

0

)

4

4

4

)(

2

(

)

2

(

)

2

(

3

2

1

2

23

1

13

3

33

3

3

23

1

12

2

22

2

3

13

2

12

1

11

2

3

2

2

2

1































x

x

kx

x

A

x

A

x

A

x

x

A

x

A

x

A

x

x

A

x

A

x

A

x

x

x

                            (7) 

 

Уравнение (7) является нелинейным уравнением с неизвестным параметром 

k

 и неизвестными 

коэффициентами 

ij

A

. Для определения параметра 

k

 уравнение (7) будем рассматривать как функцию 

многих переменных 

i

x

.  Определение параметра 

k

 осуществляется следующим образом. С помощью 

датчика  случайных  чисел  коэффициентам 

ij

A

  и  параметру 

k

  присваиваются  значения  случайных 

чисел. Методом сканирования [4], при заданных значениях  

ij

A

 и  

k

, определяется оптимум функции 

(7).  При  достижении  оптимума  функции (7) заданное  случайное  значение 

k

  является  результатом 

решения  поставленной  задачи.  В  связи  использованием  датчика  случайных  чисел,  решение  задачи 

168 

производится  несколько  раз  по  предложенному  алгоритму  (рисунок 1), что  дает  возможность 

получить  более  точный  результат  решаемой  задачи.  Окончательный  выбор  соответствующего 

параметра 

k

  осуществляется  по  переходному  процессу  переменных   

i

x

  (2), так  как  суждение  о 

качестве  переходного  процесса  переменных 

i

x

  обеспечивает    выбор  наиболее  приемлемого 

параметра  

k

. Переходные процессы переменных 

1

x

 и 

2

x

 уравнений (2) представлены на рисунке 1.  

 

 

 

Рисунок 1- Переходные процессы переменных 

1

x

 и 

2

x

 уравнений (2)  . 

 

Параметр 

k

  системы  уравнений (2) рассчитанный  по  программе  алгоритма [4] (рисунок 1) в 

системе MATLAB получается равным 

k

= 0.657. В [1] коэффициент 

k

 равен 

k

=0.648.   

 

Выводы 

1.  Современный  электропривод,  благодаря  возможностям  управления  все  в  большей  степени 

позволяет  повышать  производительность  и  качество  технологических  процессов  при  эффективном 

расходовании энергии.  

2. Разработан алгоритм синтеза параметра системы дифференциальных уравнений для ЭВМ.  

3. Алгоритм синтеза параметра системы дифференциальных уравнений может быть  использован 

для синтеза нескольких параметров системы дифференциальных уравнений более высокого порядка.  

4.  Конечная  цель  работы  состоит  в  создании  совокупности  математических  и  компьютерных 

моделей  динамических  процессов,  определяющих  уровень  функциональных  показателей 

электромеханических  систем,  а  также  в  применении  этих  моделей  для  поиска  и  исследования 

алгоритмов эффективного управления. 

 

ЛИТЕРАТУРА 

1. Бедельбаев А.К. Устойчивость нелинейных систем автоматического   регулирования. - АЛМА-АТА.:АН 

КазССР,1960. 

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.:Физматгиз,1966. 

3.  Олейников  В.А.,  Зотов  Н.С.,  Пришвин  А.М.  Основы  оптимального  и  экстремального  управления. – 

М.:Высшая школа, 1969. 

4. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. -М.: Химия, 1975.  

 

REFERENCES 

1. Bedelbaev A. K. Stability of nonlinear systems of automatic regulation.-ALMA-ATA.:AnKazSSR,1960. 

2. Besekerskiy V. A., Popov, E. P. Theory of automatic control systems. - Moscow:Fizmatgiz,Moscow(1966). 

3. Oleinikov, V. A., Zotov N. With., A. M. Prishvin basis of the optimum and extreme control.-

M.:Higher,school,1969. 

4. Boyarinov, A. I., V. V. Kafarov optimization Techniques in chemical engineering. -M.:Chemistry,1975. 

 

169 

Жайлаубай А., Дараев А., Куттыбаева А., Мельничук В. 

жүктеу/скачать 19,96 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: