Разработка и исследование программно-аппаратного комплекса для испытаний и наладки электроприводов : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.03

Как правило, сложное электротехни- ческое оборудование (электрические аппараты, электрические машины, электри- ческие преобразователи и т.д.) подвергается электрическим испытаниям. Глав- ной целью испытаний электротехнического изделия является проверка соответ- ствия требуемым техническим характеристикам, установление отсутствия дефек- тов, получение исходных данных для последующих профилактических испыта- ний, изучение работы оборудования. Согласно [34—36], проводимые испытания для электроприводов разделяются по видам:
1. Приёмочные испытания – проводятся для проверки соответствия выпуска- емого изделия всем главным техническим требованиям, при этом каждое изделие подвергается контрольным испытаниям.
2. Квалификационныеиспытания–проводятсявобъёмепрограммыприёмоч- ных испытаний на образцах из установочной серии (первой промышленной партии) электроприводов.
3. Приёмо-сдаточные испытания – проводятся после окончания монтажа вновь вводимого в эксплуатацию электропривода для того, чтобы оценить пригодность его к эксплуатации.
4. Периодические испытания – проводятся для оборудования, находящегося в эксплуатации, в том числе, вышедшего из ремонта. Этот вид испытаний служит для определения исправности оборудования.
5. Типовые испытания – проводятся для нового электропривода, который от- личается от старых образцов обновлённой конструкцией, устройством, что- бы проконтролировать соблюдение всех требований и стандартов, которые предъявляются к данному типу оборудования, либо технических условий.
6. Специальные сертификационные испытания – проводятся для исследова- тельских или других целей по специальным программам.
8
Приёмочные, квалификационные, типовые и специальные испытания элек- троприводов, проводимые изготовителем, осуществляются либо в условиях ла- боратории (если электропривод будет работать в стационарных условиях), либо на специальных испытательных полигонах (если речь идёт об изделиях, работаю- щих с крупными, подвижными объектами, например, с подъёмно-транспортными механизмами). Издержки на проведение испытаний в полевых условиях включа- ют в себя затраты на транспортировку, монтаж оборудования, командировочные расходы, аренду полигона. И чем сложнее испытуемая система, например много- двигательный комплекс (электроприводы подъёмно – транспортных механизмов или электроприводы высокой мощности), тем больше затраты на испытания.
Для сокращения как финансовых, так и временных издержек на проведение испытаний сложного электротехнического оборудования возможно применение специальных систем, имитирующих работу силовой части тестируемого оборудо- вания в реальном времени. Для подобных задач в настоящее время применяются различного вида программно – аппаратные симуляторы для моделирования рабо- ты силовой части электротехнического оборудования в реальном времени.Такие симуляторы позволяют принимать аналоговые или цифровые сигналы, обрабаты- вать их, выполнять решение дифференциальных уравнений и выдавать результат в виде цифровых и аналоговых сигналов. Современные аппаратные средства поз- воляют выполнять подобные операции с периодом квантования не более 1 микро- секунды, что может считаться «реальным временем» для большинства промыш- ленных электроприводов.
Подобные системы применяются там, где невозможно провести физические испытания, например в области электроэнергетики, где может имитироваться ра- бота отдельного участка или всей энергосистемы предприятия, района, области или страны. Такие системы также можно применять при испытаниях сложных, мощных электромеханических комплексов, работа с которыми требует больших финансовых и временных издержек.
Актуальность работы, определяющая цели и задачи исследования, заклю-

9
чающиеся в разработке симуляторов реального времени электроприводов, обос- новывается системным подходом к проектированию, изготовлению и вводом в эксплуатацию оборудования на основе современных цифровых технологий. Это подтверждается интересом к данной теме большого круга специалистов, отражён- ного в статьях [14, 18, 19] и докладах [4, 8, 11, 12, 16, 20]. Программно-аппаратные симуляторы силовой части электропривода позволяют испытывать и отлаживать работу систем управления и преобразователей различных типов электроприво- дов, таких как система «Тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока», «Широтно-импульсный преобразователь – двигатель постоянного тока», «Тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель», «Преоб- разователь частоты – асинхронный двигатель».
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями средств для испытаний и наладки систем электроприводов мировое научное сообщество активно начало заниматься в конце 90-х – начале 2000-х годов. На это время при- ходится расцвет цифровых аппаратных средств, таких как программируемые ло- гические интегральные схемы (ПЛИС) типа field-programmable gate array и сило- вых полупроводниковых элементов, например, биполярные транзисторы с изо- лированным затвором. Первые исследования подтвердили возможность созда- ния испытательных стендов электроприводов без применения электромехани- ческой части. Полученные результаты предыдущих исследований дают возмож- ность сконцентрировать свое внимание на структурах испытательных стендов и на системах управления, которые позволят с достаточной точностью воспроиз- вести поведение силовой части электропривода в отсутствие нагрузочного агре- гата. Современные средства моделирования силовых схем и систем управления позволяют более детально изучить электрические процессы, протекающие в си- муляторе, что дает возможность предлагать и анализировать различные решения по построению системы управления испытательного стенда.
Анализ современных тенденций в практике проектирования и наладки элек- тротехнических комплексов и систем и изучение научно-технической информа-

10
ции в области автоматизированного электропривода позволяет сформулировать цель диссертационной работы, заключающуюся в повышении эффективности проектных и пуско-наладочных работ на основе применения программно – аппа- ратных симуляторов электроприводов.
Для достижения цели, поставленной в работе, сформулированы следующие задачи:
1. Разработка и исследование структуры программно – аппаратных симулято- ров силовой части основных систем электроприводов (HiL-симуляторы).
2. Обоснование выбора аппаратных средств, на основе которых целесообраз- но создание программно – аппаратных симуляторов электроприводов, рабо- тающих в реальном времени.
3. Обоснование выбора метода решения дифференциальных уравнений (ДУ), описывающих поведение имитируемого комплекса электропривода в реаль- ном времени.
4. Исследованиемоделиреальноговремениимитируемыхобъектов,реализуе- мых на ПЛИС, и выбор разрядности данных, при которых аппаратные сред- ства HiL-симулятора будут использоваться рационально.
5. Разработка и исследование структуры силовых программно – аппаратных симуляторов основных систем электроприводов (PHiL-симуляторы).
6. Разработка и исследование топологии силовых цепей для программно – ап- паратных симуляторов основных систем электроприводов.
7. Разработка и исследование системы автоматического регулирования сило- выми программно – аппаратными симуляторами.
Научная новизна определяется тем, что:
1. Обоснован выбор метода решений ДУ для реализации на ПЛИС.
2. Установлена зависимость количества разрядов данных ПЛИС-модели от точности решения уравнений двигателя постоянного тока и асинхронной машины.

11
3. Предложенаструктурасиловогосимуляторадляиспытанийпреобразовате- лей совместно с системами управления.
4. Предложенытопологиисиловыхцепейсимуляторовмассовоприменяемых электроприводов постоянного и переменного тока.
5. Разработан универсальный способ управления силовыми симуляторами, отличающиеся от известных наличием дополнительного математического блока возмущающего воздействия.
Методология и методы диссертационного исследования. В работе ис-
пользовались методы теории электропривода, теории автоматического управле- ния аналоговыми и цифровыми системами, методы математического моделиро- вания нелинейных динамических систем с применением различных пакетов при- кладных программ и численных методов решения, а так же методы эксперимен- тального исследования на стенде для подтверждения теоретически полученных результатов.
Теоретическая и практическая значимость работы для электротехниче- ской отрасли состоит в следующем:
• результаты могут быть использованы при проектировании систем управле- ния сложными электротехническими комплексами.
• обоснована возможность замены реального оборудования электронной на- грузкой для проведения испытаний электроприводов и c имитацией работы технологического оборудования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Рекомендации по выбору методов решения ДУ математических моделей двигателя постоянного тока и асинхронной машины для реализации на ПЛИС, обеспечивающих требуемую точность вычисления. В зависимости от шага расчёта модели реального времени предлагается семейство методов Адамса-Бэшфорта.
2. Результатывычислительногоэксперимента,устанавливающиезависимость

12
количества разрядов данных ПЛИС-модели от точности решения ДУ дви- гателя постоянного тока и асинхронной машины.
3. Структура силового симулятора для испытаний преобразователей совмест- но с системой управления, исключающая дополнительные переключения сигналов обратной связи в контроллере испытуемой системы.
4. Топологии силовых цепей симуляторов для широко распространённых электроприводов постоянного и переменного тока, построенные на основе однотипных базовых комплектов «транзисторная стойка – реактор».
5. Выборбыстродействиясистемыуправлениянагрузочногопреобразователя PHiL-симулятора для электропривода постоянного и переменного тока.
6. Универсальный способ управления силовыми симуляторами с дополни- тельным математическим блоком компенсации возмущающего воздей- ствия.
Степень достоверности результатов работы определяется:
• применением положений теоретических основ электротехники;
• использованием современных апробированных программ для компьютер- ного моделирования электротехнических комплексов;
• подтверждением результатов компьютерного моделирования сходимостью с экспериментальными данными;
• метрологическим обеспечением и точностью измерительной аппаратуры для обработки результатов экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы. Результаты, представленные в работе, ис- пользованы в процессе проектирования и разработки частотных преобразовате- лей в компании «Атерма Экспорт», которые эксплуатируются на объектах аг- ропромышленного комплекса группы компаний «Русагро». Силовые симулято- ры применяются при ремонте частотных преобразователей в компании «Актив- Термокуб».

13
Ряд полученных результатов используются в ФГАОУ ВО «Уральский феде- ральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» в учеб- ном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электро- энергетика и электротехника» на кафедре «Электропривод и автоматизация про- мышленных установок».
Апробация результатов. Основные результаты исследований, изложен- ные в диссертации, представлены на: 16-ой, 18-ой и 20-ой международных научно-технической конференциях «European Conference on Power Electronics and Applications, EPE-ECCE Europe» в 2014, 2016 и 2018 гг.; Международной научно- технической конференции «VIII Международная (XIX Всероссийская) конферен- ция по автоматизированному электроприводу АЭП-2014», г. Саранск, 07-09 ок- тября 2014 г.; Международной научно-технической конференции «Электропри- воды переменного тока (ЭППТ)», г. Екатеринбург, в 2015 и 2018 гг.; 9-ой и 10- ой международной научно-технической конференции «International Conference on Electrical Power Drive Systems», в 2016 и 2018 гг.; Международной научно- технической конференции «Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM)», г. Брашов (Румыния), 25-27 мая 2017 г.; Международной научно- технической конференции «Environment and Electrical Engineering and 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe)», г. Ми- лан (Италия), 06-09 июня 2017 г.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 20 печат- ных работах, которые включают в себя 11 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, 8 из которых индексируются в международной реферативной базе Scopus; 2 тезиса доклада в материалах конференций различного уровня; получен 1 патент РФ на полезную модель, 6 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора заключается в научно-техническом обосновании по- ставленных целей и задач исследования. Все разработки и научные результаты, выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены самим ав- тором или при его непосредственном участии. Экспериментальные исследования

14
и программная реализация выполнялась автором лично. В целом личный вклад в работах, выполненных в соавторстве, составляет не менее 75%.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 13 приложений. Общий объём диссертации – 235 страниц, в том числе 174 страниц основного текста, 154 рисунков, 7 таблицы, список литературы из 97 наименований.