Разработка алгебраических методов идентификации параметров асинхронных двигателей на основе дискретных моделей
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ…………………………………… 8
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… 10
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН…………………………………………. 20
1.1 Развитие методов идентификации динамических систем……. 20
1.2 Методы идентификация параметров асинхронных двигателей
на основе анализа частотных характеристик………………… 23
1.3 Методы идентификация параметров асинхронных двигателей
по каталожным данным…………………………………………. 25
1.4 Методы идентификация параметров асинхронных двигателей
на основе измерения активной и реактивной мощностей…….. 28
1.5 Методы идентификация параметров асинхронных двигателей
на основе нейронных сетей……………………………………… 30
1.6 Методы идентификация параметров асинхронных двигателей
на основе генетических алгоритмов……………………………. 32
1.7 Методы идентификация параметров асинхронных двигателей
на основе алгоритмов фаззи-логики…………………………….. 34
1.8 Методы идентификация параметров асинхронных двигателей
на основе алгебраических методов……………………………… 34
1.9 Обобщенный критерий экспертной оценки эффективности
методов идентификации параметров асинхронных двигателей. 35
1.10 Выводы по первой главе…………………………………………. 39
3
2 РАЗРАБОТКА АЛГЕБРАИЧЕСКОГО МЕТОДА
ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ С НЕПОДВИЖНЫМ РОТОРОМ НА ОСНОВЕ
ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ……………………………………………. 41
2.1 Допущения при составлении математических моделей
асинхронного двигателя………………………………………… 41
2.2 Математическая модель асинхронного двигателя в
двухфазной неподвижной системе координат………………… 42
2.3 Постановка проблемы построения дискретной модели
асинхронного электродвигателя………………………………… 56
2.3.1 Основные схемы численного дифференцирования……. 58
2.3.2 Методы отображения производных…………………….. 60
2.3.3 Отображение производных методом прямой разности… 61
2.3.4 Отображение производных методом обратной разности 62
2.3.5 Билинейное преобразование…………………………….. 62
2.4 Создание дискретной модели для метода идентификации
параметров асинхронных двигателей с неподвижным ротором 64
2.4.1 Постановка неккоректных задач………………………… 68
2.4.2 Представление метода наименьших квадратов……….. 72
2.4.3 Создание дискретной модели для идентификации
параметров асинхронного двигателя с неподвижным
ротором с использованием метода обратной разности 74
2.4.4 Создание дискретной модели для идентификации
параметров асинхронного двигателя с неподвижным
ротором с использованием многоточечной
аппроксимации……………………………………………. 75
4
2.4.5 Создание дискретной модели для идентификации
параметров асинхронного двигателя с неподвижным
ротором с использованием билинейного
преобразования…………………………………………… 77
2.5 Сравнительный анализ результатов идентификации
параметров дискретных моделей асинхронного двигателя с
неподвижным ротором на основе различных методов
цифрового дифференцирования………………………………… 78
2.6 Алгебраический метод идентификации параметров
асинхронных двигателей с неподвижным ротором на основе
дискретных моделей и устройство для его осуществления…. 84
2.7 Выводы по второй главе…………………………………………. 86
3 РАЗРАБОТКА АЛГЕБРАИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ…………. 89
3.1 Построение дискретной математической модели
асинхронного двигателя для задачи идентификации………… 89
3.2 Постановка проблемы фильтрации сигналов………………… 93
3.3 Разработка фильтров для обработки сигналов, поступающих с
датчиков…………………………………………………………… 95
3.3.1 Создание процедуры предфильтрации на основе
скользящей средней………………………………………. 98
3.3.2 Разработка процедуры предфильтрации на основе
фильтров Ланцоша……………………………………….. 112
3.3.3 Создание процедуры предфильтрации на основе
фильтров Баттерворта……………………………………. 118
5
3.3.4 Применение разработанных цифровых фильтров-
предфильтраторов для выделения тренда полезных
сигналов с датчиков токов и напряжений статора
регулируемого асинхронного электродвигателя,
включенного по схеме ПЧ-АД…………………………… 123
3.4 Решение задачи идентификации параметров асинхронного
электродвигателя, включенного по схеме ПЧ-АД,
алгебраическим методом на основе дискретной модели……. 131
3.5 Разработка цифрового фильтра для выделения тренда
сигналов оцененных параметров асинхронных
электродвигателей……………………………………………….. 137
3.5.1 Постановка проблемы фильтрации полученных оценок
параметров асинхронного электродвигателя…………. 137
3.5.2 Разработка фильтров для обработки полученных
оценок параметров асинхронного двигателя…………. 139
3.5.3 Решение задачи идентификации параметров
асинхронного электродвигателя, включенного по схеме
ПЧ-АД, с использованием нелинейного
прогнозирующего фильтра на примере двигателей
серии ST, 4А, 5А, АИР. Выработка рекомендаций по
настройке фильтра……………………………………….. 143
3.6 Алгоритм эффективной оценки параметров асинхронных
двигателей регулируемых электроприводов на основе
разностных схем………………………………………………… 163
3.7 Алгебраический метод идентификации параметров
асинхронных двигателей с неподвижным ротором на основе
дискретных моделей и устройство для его осуществления….. 168
3.8 Выводы по третьей главе………………………………………. 170
6
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО
АПРОБАЦИИ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ИДЕНТИФИКАЦИИ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
НА ОСНОВЕ ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ……………………………. 176
4.1 Апробация алгебраических методов идентификация
параметров асинхронных электродвигателей при
подключении АД непосредственно к трехфазной питающей
сети………………………………………………………………… 177
4.1.1 Описание экспериментальной установки для проверки
работоспособности алгебраических методов
идентификации асинхронных электродвигателей при
подключении АД непосредственно к трехфазной
питающей сети……………………………………………. 177
4.1.2 Обработка и обсуждение результатов апробации
алгебраических методов идентификации асинхронного
электродвигателя при подключении АД
непосредственно к трехфазной питающей сети……….. 187
4.1.3 Результаты экспериментального апробирования……… 206
4.2 Апробация алгебраических методов идентификация
параметров асинхронных электродвигателей, подключенных
по схеме «ТРН-АД»……………………………………………… 207
4.2.1 Описание экспериментальной установки для проверки
работоспособности алгебраических методов
идентификации асинхронных электродвигателей,
подключенных по схеме «ТРН-АД»……………………. 207
4.2.2 Обработка и обсуждение результатов апробации
алгебраических методов идентификации асинхронного
электродвигателя, подключенного по схеме «ТРН-АД» 214
4.2.3 Результаты экспериментального апробирования……… 229
7
4.3 Апробация алгебраических методов идентификация
параметров асинхронных электродвигателей в составе
электропривода, включенного по схеме ПЧ-АД………………. 230
4.3.1 Описание экспериментальной установки для проверки
работоспособности алгебраических методов
идентификации асинхронных электродвигателей в
составе электропривода, включенного по схеме ПЧ-АД 230
4.3.2 Обработка и обсуждение результатов апробации
алгебраических методов идентификации асинхронных
электродвигателей в составе электропривода,
включенного по схеме ПЧ-АД…………………………… 232
4.3.3 Результаты экспериментального апробирования……… 239
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………. 240
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННХ ИСТОЧНИКОВ……………………… 244
ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………. 263
8
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АД – асинхронный двигатель;
АД КЗ – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
АИН – автономный инвертора напряжения;
АИП – аналого-импульсный преобразователь;
БИХ-фильтр – фильтр с бесконечной импульсной характеристикой;
БМ – блок мульиметров;
ДН – датчик напряжения;
ДПС – добавочный псевдослучайный сигнал
ДПТ – двигатель постоянного тока;
ДС – датчик скорости;
ДТ – датчик тока;
ИП – источник питания;
КИХ-фильр – фильтр с конечной импульсной характеристикой;
МДС – магнитодвижущая сила;
МНК – метод наименьших квадратов;
МПТ – машина постоянного тока;
ПР – переходный режим;
ПЧ – преобразователь частоты;
СИФУ – система импульсно-фазового управления;
СЛАУ – система линейных алгебраических уравнений;
ТИП – трехфазный источник питания;
ТРН – тиристорный регулятор напряжения;
УР – установившийся режим;
ФБ – фильтр Баттерворта;
ФЛ – фильтр Ланцоша;
ФСС – фильтр на основе скользящей средней;
ШИМ – широтно-импульсная модуляция;
ЭДС – электродвижущая сила;
9
ЭВМ – электронно-вычислительная машина;
ARMA – Autoregressive–moving-average model, модель на основе
авторегрессионного скользящего среднего;
ARMAX – Autoregressive–moving-average model with exogenous inputs model,
модель на основе авторегрессионного скользящего среднего с экзогенными
факторами x;
EMA – exponentially weighted moving average, экспоненциально взвешенное
скользящее среднее
Generation – генерация
MIMO – multiple-input multiple-output, система, имеющая несколько входов и
несколько выходов;
RSS – Residual Sum of Squares, минимизация суммы квадратов;
signal-input – входной сигнал, сигнал, поданный на вход устройства;
SISO – single-input single-output system, система, имеющая один вход и один
выход;
signal-output – выходной сигнал ,сигнал с выхода устройства;
SMA – simple moving average, арифметическое скользящее среднее;
many-input – несколько входных сигналов, сигналы, поданные на вход
устройства;
many-output – несколько выходных сигналов, сигналы с выхода устройства;
WMA – weighted moving average, линейно взвешенное скользящее среднее
10
Актуальность темы. В настоящее время асинхронные
электродвигатели нашли широкое применение для приводов большинства
общепромышленных механизмов, в связи с их основными достоинствами, а
именно: надежность, относительно малая себестоимость, легкость в
изготовлении, возможность стабильной работы при кратковременных
механических перегрузках. Существуют следующие группы электропривода,
включающие асинхронные электродвигатели (АД), которые осуществляют
автоматизацию и механизацию производственных механизмов и
технологических процессов:
1. Нерегулируемые асинхронные электроприводы. Низкая
эксплуатационная надежность нерегулируемых электроприводов
является их основным недостатком. Данный недостаток связан с
тяжелыми условиями эксплуатации: с частыми пусками и перегрузками
электропривода, со случайным характером нагрузок, которые зачастую
резкопеременные.
2. Электропривод, выполненный по схеме «преобразователь частоты –
асинхронный двигатель» (ПЧ-АД). Преобразователи частоты обычно
используют два вида управления электродвигателем: скалярное и
векторное. Оба метода управления во многом зависят от правильной
оценки параметров асинхронного двигателя и очень чувствительны к
их изменению.
3. Электропривод, выполненный по схеме «тиристорный регулятор
напряжения – асинхронный двигатель» (ТРН-АД). ТРН обеспечивает
плавность пуска АД с заданными параметрами разгона, при этом такой
электропривод существенно дешевле в производстве относительно ПЧ-
АД. Одним из основных недостатком данного метода регулирования
являются большие потери энергии при снижении скорости, что
11
уменьшает коэффициент полезного действия электропривода и
приводит к увеличению энергопотребления.
На основании [1-3], можно сделать вывод, что первый метод
управления электроприводами является устаревшим и заменяется на более
надежные, эффективные и перспективные разработки, чем и являются второй
и третий методы управления. Известно, что оба последних метода
управления во многом зависят от правильной оценки параметров
асинхронного двигателя и очень чувствительны к их изменению. Также
эффективность работы систем управления электроприводов зависит от
текущих значений параметров электродвигателей, таких как активное
сопротивление и индуктивность статорной обмотки, взаимная индуктивность
обмоток статора и ротора, активное сопротивление и индуктивность
роторной обмотки. При наладке электроприводов измеряют лишь активное
сопротивление статорной обмотки, другие же параметры рассчитываются на
основе каталожных данных по эмпирическим методикам [4]. Полученные по
этим методикам значения параметров в свою очередь могут сильно
отличаться от реальных значений [2].
Известно что, значения параметров асинхронных электродвигателей
зависят от теплового состояния и режима работы. Например, в режиме
прямого пуска индуктивность может измениться на 30-40%, а активное
сопротивление ротора – более чем в полтора раза. В свою очередь активное
сопротивление статорной обмотки, зависящее от теплового состояния, может
изменяться на 20-30% в процессе работы двигателя. Данное явление
особенно характерно для повторно-кратковременного режима [1].
Следовательно, есть объективная необходимость в определении текущих
значений параметров электродвигателей непосредственно в процессе работы
электропривода. Однако, большая часть переменных состояния
электродвигателей и электромагнитных параметров недоступна прямому
измерению. В асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором
не представляется возможным или крайне сложно измерить потокосцепления
12
статора и ротора, индуктивность и активное сопротивление роторной
обмотки, а во время работы асинхронного двигателя параметры статора
становятся недоступными для прямого измерения.
Определение текущих значений параметров асинхронных
электродвигателей возможно путем проведения динамической
идентификации переменных состояния и параметров электродвигателя.
Существенный вклад в создание и усовершенствование методов
идентификации внесли множество российских и зарубежных ученых:
Беспалов В.Я., Вольдек А.И., Воронин А.А., Жерве Г.К., Зюзев А.М.,
Каширских В.Г., Копылов И.П., Котин Д.А., Макаров В.Г., Печуркин Ю.И.,
Резник Д.В., Рогозин Г.Г., Родкин Д.И., Ромашкин Ю.В.,
Сивокобыленко В.Ф., Сидельников Б.В., Широков Н.Г., Шрейнер Р.Т.,
Шубенко В.А., B.K. Bose, G. Calolino, T.W. Chan, A. Chikhi, M.K. Choi, G.
Girrincione, M. Cirincione, R.A. Fisher, C.F. Gauss, B.L. Ho, M. Jancovie, R.E.
Kalman, Y. Koubaa, A.C. Megherbi, M. Pucci, M.G. Simoes, G.C.D. Sousa и
другие.
Анализ имеющихся работ показывает, что при разработке методов
идентификации параметров асинхронных двигателей, разработчики
сталкиваются со следующими проблемами:
1. Сложность определения значений всех электромагнитных параметров
машин переменного тока в реальном времени;
2. Нецелесообразность использования дорогих или неудобных в
эксплуатации датчиков: датчики крутящего момента, потокосцепления,
ускорения, температуры и другие;
3. Сложность избавления от естественных стационарных и наведенных
импульсных шумов в измерительной системе;
4. Проблема дискретизации сигналов измерительной системы по времени
и квантование по уровню;
5. Невозможность получения идеального решения задачи идентификации
в силу наличия противоречия между быстродействием, высокой
13
точностью, надежностью и наименьшими затратами на процедуру
идентификации.
Большой объем научных работ в данном направлении и тот факт, что
интенсивность публикаций до настоящего времени не снижается, говорит о
том, что вопрос разработки методов идентификации параметров
асинхронных двигателей до сих пор окончательно не решен и является
актуальным.
Объектами исследования являются асинхронные двигатели,
эксплуатирующиеся в составе рабочих комплексов, включающих
микропроцессорные системы управления электроприводами.
Предметом исследования является математическое и
алгоритмическое обеспечение микропроцессорных систем, осуществляющие
идентификацию, диагностику и управление асинхронными двигателями.
Идея работы заключается в разработке методов идентификации
параметров асинхронных двигателей с использованием преимуществ
алгебраического подхода и дискретных моделей.
Целью диссертационной работы разработка и апробирование
алгебраических методов идентификации параметров асинхронных
двигателей регулируемых электроприводов на основе дискретных моделей в
режиме реального времени, функционирующих в условиях изменения
режима работы, флуктуаций параметров и помехах в измерительных цепях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Разработать методы идентификации параметров асинхронных
двигателей, обеспечивающие быстродействие, высокую точность,
несмещенность оценок.
2. Создать имитационные модель регулируемого асинхронного двигателя
для проверки методов идентификации в различных режимах работы, в
частности при импульсно-фазовом и широтно-импульсном
регулировании напряжения, подаваемого на обмотки статора.
14
3. Предложить алгоритмы обработки текущей информации при
динамической идентификации параметров асинхронного двигателя,
позволяющие учесть совокупность требований обусловленных
дискретизацией сигналов измерительной системы по времени,
квантованием по уровню, наличием стационарных и импульсных
шумов в измерительной системе, необходимостью постфильтрации
полученных оценок параметров, сложностью реализации цифрового
дифференцирования измерительных сигналов.
4. Провести экспериментальное апробирование разработанных
алгебраических методов идентификации параметров асинхронных
двигателей на основе дискретных моделей в различных режимах
работы двигателя и оценить полученные результаты.
Научные положения выносимые на защиту:
1. Выявление преимуществ алгебраических методов идентификации
параметров асинхронных двигателей по результатам критического
экспертного анализа
2. Разработка метода алгебраической идентификации параметров
асинхронных двигателей с неподвижным ротором на основе дискретных
моделей.
2.1. Разработка метода алгебраической идентификации параметров
асинхронных двигателей с неподвижным ротором и его апробация.
2.2. Сравнительный анализ методов построения дискретных моделей
асинхронного двигателя для решения задачи идентификации параметров
асинхронных двигателей.
3. Разработка и апробирование метода алгебраической идентификации
параметров асинхронных двигателей на основе дискретных моделей
4. Сравнительный анализ алгоритмов фильтрации сигналов,
поступающих с датчиков, как неотъемлемая часть решения задачи
идентификации параметров асинхронных двигателей.
15
5. Разработка структуры нелинейного прогнозирующего фильтра-
постфильтратора для выделения тренда полученных оценок и выработка
рекомендаций по настройке фильтра
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов
диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных
задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью
используемой при исследовании математической модели, проверкой
результатов на экспериментальной установке, качественным и
количественным сопоставлением данных теоретических исследований с
экспериментальными данными.
Методы исследования. В диссертационной работе для решения
поставленных задач нашли применение теоретические и экспериментальные
методы исследований. К теоретическим относятся: теория систем
автоматического управления, теория электропривода, теория электрических
машин, теория дифференциальных и разностных уравнений, а также методы
составления и решения систем линейных и нелинейных алгебраических
уравнений, методы численного дифференцирования, численные методы
решения задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных
уравнений, численные методы аппроксимации и сглаживания
экспериментальных данных, метод наименьших квадратов, уравнения Парка-
Горева, метод пространства состояний, билинейное преобразование.
Экспериментальные исследования проводились на экспериментальных
установках, где для измерения качества разработанных методов
идентификации применялась относительная интегральная грешность.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработан и апробирован на математических моделях метод
алгебраической идентификации параметров асинхронных двигателей с
неподвижным ротором отличающийся тем, что математическая модель
двигателя представлена в дискретном виде; процедура идентификации
позволяет определять активное сопротивление и эквивалентную
16
индуктивность обмотки статора, приведенные к статору активное
сопротивление и эквивалентную индуктивность обмотки ротора,
индуктивность, обусловленную магнитным потоком в воздушном
зазоре асинхронных двигателей на основании данных, получаемых с
датчиков тока и напряжения в режиме реального времени с допустимой
в инженерной практике погрешностью.
2. Разработан и экспериментально апробирован метод алгебраической
идентификации параметров Т-образной схемы замещения асинхронных
двигателей регулируемых электроприводов отличающийся тем, что
математическая модель двигателя представлена в дискретном виде;
алгоритм идентификации предполагает предварительную фильтрацию
сигналов с датчиков; асимптотически устойчивый тренд оценок
параметров Т-образной схемы замещения обеспечивается при
изменении режима работы двигателя, наличии помех в измерительных
цепях, при этом преодолена уязвимость операции цифрового
дифференцирования сигналов.
3. На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлено
свойство робастности алгебраического метода идентификации
параметров асинхронных двигателей на основе дискретных моделей,
возникающее благодаря разработанному алгоритму нелинейной
прогнозирующей фильтрации оценок, при этом обеспечивается
нечувствительность к следующим нестационарным возмущениям:
перекос фаз трехфазной питающей сети; наличие токовых пауз,
несинусоидальность токов и напряжений питающей сети при
подключении двигателя по схеме «тиристорный регулятор напряжения
– асинхронный двигатель»; дополнительная шумовая составляющая,
вызванная наличием широтно-импульсной модуляции статорного
напряжения при подключении двигателя по схеме «преобразователь
частоты – асинхронный двигатель».
17
Практическая ценность работы:
1. Разработаны технические решения по разработке и совершенствованию
методов идентификации параметров асинхронных двигателей,
эксплуатирующихся в составе рабочих комплексов, в режиме
реального времени, отраженные в патентах Российской Федерации на
изобретение №2564692, №2570363. Эти технические решения
позволяют обеспечить малую чувствительность разработанного метода
идентификации к следующим факторам: флуктуации параметров,
наличию в измерительной системе шумовой составляющей и
импульсных помех, изменениям режима работы и способу
регулирования асинхронного двигателя.
2. Разработанные способы и алгоритмы оценивания параметров полезны
как при диагностике функционирования и своевременной замене
выходящих из строя асинхронных электродвигателей, так и при
настройке систем управления электроприводов.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований внедрены в ООО «Завод ПСА «ЭлеСи», а
также в учебную деятельность ФГАОУ ВО НИ ТПУ, что подтверждено
соответствующими актами.
Основное содержание диссертации соответствует научной
специальности по классификатору ВАК:
05.09.03 Электротехнические комплексы и системы – П.4.
Исследование работоспособности и качества функционирования
электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при
разнообразных внешних воздействиях.
05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты П. 5.
Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих
проектирование, надежность, контроль и диагностику функционирования
электрических, электромеханических преобразователей и электрических
аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов.
18
Апробация работы. Результаты диссертационной работы
докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих научных
мероприятиях: Международной научно-практической конференции
«Динамикатана съвременната наука -2012», г. София (Болгария), 17–25 июня
2012 г.; Международной научно-практической конференции «Vedecky Pokrok
na Prelomu Tysyachalety», г. Прага (Чехия), 27 мая – 5 июня 2012 г.;
Международной научно-практической конференции «Aktualne problemy
nowjczesnych nauk-2012» г. Прага (Чехия), 27 июня – 5 июля 2012г.; XII
Региональной научно-практической студенческой конференции
«Электротехника, электромеханика и электротехнологии», г. Томск, 4-8 июня
2012г.; I Международной научной конференции молодых ученых
«Электротехника. Энергетика. Машиностроение», г. Новосибирск, 2 – 6
декабря 2014 г.; Международной научно-практической конференции
«Перспективы развития науки и образования», г. Тамбов, 28 февраля 2015г.;
VII Международной научной конференции молодых ученых
«Электротехника. Электротехнология. Энергетика», г. Новосибирск, 9-12
июня 2015г.; VII Международной научно-технической конференции
«Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 14-16 октября
2015 г.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 23
печатных работах, которые включают в себя 6 статей в журналах,
рекомендуемых ВАК, 3 публикации, индексируемые в реферативной базе
SCOPUS, 2 патента на полезную модель, 2 патента на изобретение, 2
свидетельства о регистрации электронного ресурса, 8 тезисов докладов в
материалах конференций различного уровня
Личный вклад автора. Все разработки и научные результаты,
выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены самим
автором или при его непосредственном участии. Экспериментальные
исследования и программная реализация выполнялась автором лично. В
19
целом общий авторский вклад в работах, выполненных в соавторстве,
составляет не менее 60%.
20
В диссертации изложены новые научно обоснованные технические
решения в виде методов и алгоритмов идентификации параметров
асинхронных двигателей, эксплуатирующихся в составе рабочих комплексов,
в режиме реального времени. При этом двигатель функционирует в условиях
изменения режима работы, флуктуаций параметров и наличии помех в
измерительных цепях. Внедрение разработанных способов и алгоритмов
способствует повышению конкурентоспособности отечественной
промышленной продукции за счет дальнейшего развития автоматизации
технологических процессов, непрерывной диагностики функционирования и
своевременной замене выходящих из строя асинхронных электродвигателей,
что приводит к уменьшению эксплуатационных затрат и простоя
технологического оборудования. Выполненные в диссертационной работе
научные исследования представлены следующими новыми результатами:
1. Предложен и апробирован способ алгебраической идентификации
параметров асинхронных двигателей с неподвижным ротором
регулируемых электроприводов на основе дискретной модели в режиме
реального времени. Подтверждением оригинальности предложенного
способа являются следующие обоснованные положения:
1.1. Предложены способы создания дискретных моделей асинхронных
электродвигателей, необходимых для решения задачи идентификации
параметров двигателей. Проведен сравнительный анализ полученных
моделей и на основании сформулированных требований к процедуре
идентификации выбран наиболее оптимальный способ создания
дискретной модели. Наиболее точные оценки параметров асинхронного
двигателя с неподвижным ротором получены на основе дискретной
модели составленной с применением билинейного преобразования. В
среднем погрешность оценок полученных при использовании модели
на основе билинейного преобразования в два и четыре раза меньше,
чем с использованием моделей на основе многоточечной
241
аппроксимации и прямой разности соответственно. Время переходного
процесса оценивания составил не более 0,2 секунды.
1.2. В результате математического моделирования получены оценки
параметров асинхронного двигателя с неподвижным ротором на основе
дискретной модели в режиме реального времени с погрешностью не
более 4%.
2. Предложены и апробированы способ и алгоритм алгебраической
идентификации параметров Т-образной схемы замещения асинхронных
двигателей регулируемых электроприводов на основе дискретных
моделей в режиме реального времени с применением нелинейного
прогнозирующего фильтра. Подтверждением оригинальности
предложенного способа и алгоритма являются следующие
обоснованные положения:
2.1. Проанализированы наиболее перспективные алгоритмы построения
фильтров предварительной фильтрации информационных сигналов.
Данные фильтры являются неотъемлемой частью решения задачи
идентификации асинхронных двигателей регулируемых
электроприводов на основе дискретных моделей в режиме реального
времени. Рассмотренные фильтры были реализованы и их
сравнительный анализ показал, что фильтры Баттерворта являются
наиболее привлекательными для решения задачи выделения тренда
полезных сигналов поступающих после ШИМ-модуляции.
2.2. Разработан алгоритм и структура нелинейного прогнозирующего
фильтра, применяемого для выделения асимптотически устойчивого
тренда оценок параметров асинхронного двигателя в режиме реального
времени. Продемонстрирована работоспособность данного алгоритма
при условии наличия шумовой составляющей и импульсных помех, в
среднем превышающих на 3-4 порядка величину оцениваемого
параметра, в некоторых случаях достигающих величину в 88-157 раз
больше величины оцениваемого параметра.
242
2.3. В результате математического моделирования получены оценки
параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя с
погрешностью не более 5%.
2.4. Проведена идентификация параметров Т-образной схемы замещения
имитационных моделей асинхронных двигателей серий 5А, АИР, ST,
6А. На основании проведенной работы были сформулированы общие
рекомендации по настройке коэффициентов нелинейного
прогнозирующего фильтра для оценки каждого параметра двигателей
вышеуказанных серий.
2.5. Эффективность способа оценки параметров асинхронных двигателей
регулируемого электропривода на основе дискретных моделей в
режиме реального времени доказана экспериментально, путем
сравнения измеренных и оцененных траекторий переходных процессов
модуля результирующего вектора тока статора и угловой скорости
ротора. Был проведен ряд экспериментов на различных
экспериментальных установках при различных режимах работы
двигателя:
2.5.1. Установка, предназначенная для исследования разработанных
алгебраических методов идентификации параметров асинхронных
электродвигателей, питающихся напрямую от сети. Погрешности,
рассчитанные на основе относительных интегральных значений
модулей невязок фактических и модельных значений угловой скорости
вращения вала составили: при пуске на холостом ходе – 2,71 %, при
набросе нагрузки и работе под нагрузкой – 1,94 %, при сбросе нагрузки
и работе на холостом ходу – 1,98 %, при торможении двигателя – 3,72
%. Относительные интегральные погрешности переходных процессов
результирующего вектора тока статора составили: при пуске на
холостом ходе – 2,26 %, при набросе нагрузки и работе под нагрузкой –
1,94 %, при сбросе нагрузки и работе на холостом ходу – 2,35 %.
243
2.5.2. Установка, предназначенная для исследования разработанных
алгебраических методов идентификации параметров асинхронных
электродвигателей, подключенных по схеме «тиристорный регулятор
напряжения – асинхронный двигатель». Погрешности, рассчитанные на
основе относительных интегральных значений модулей невязок
фактических и модельных значений угловой скорости вращения вала
составили: при угле управления α=0° – 5,41 %, при α=20° – 6,24 %, при
α=40° – 7,54 %, при α=60° – 8,04 %, при α=65° – 8,62 %. Относительные
интегральные погрешности переходных процессов результирующего
вектора тока статора составили: при угле управления α=0° – 5,11 %,
при α=20° – 7,32 %, при α=40° – 12,54 %, при α=60° – 15,45 %, при
α=65° – 16,57 %.
2.5.3. Установка, предназначенная для исследования разработанных
алгебраических методов идентификации параметров асинхронного
электропривода, выполненного по схеме преобразователь частоты –
асинхронный двигатель. Погрешность, рассчитанная на основе
относительного интегрального значения модуля невязки фактического
и модельного значений угловой скорости вращения вала составила
8,3 %.
244
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.5 (9 отзывов)
5 (44 отзыва)
4.4 (93 отзыва)
5 (14 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.8 (13 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
