РАБОТЫ КАФЕДРЫ ЭАПУ УГТУ-УПИ В ОБЛАСТИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Поляков В.Н., Лихошерст В.И.
"ЭЛЕКТРОТЕХНИКА №9/04" с. 21-24

Одним из направлений научной деятельности кафедры является разработка систем автоматического управления (САУ) промышленными частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами с различными типами полупроводниковых преобразователей частоты. Эти работы были начаты в 1963 г. под руководством профессора В.А. Шубенко, а с 1970 по 1985 гг. научно-исследовательскими работами руководили доценты Р.Т. Шрейнер и В.И. Лихошерст.
        Первые работы кафедры в области частотно-регулируемых асинхронных электроприводов касались перспективного направления - создания частотно-управляемых систем на базе тиристорных и транзисторных регулируемых преобразователей частоты. Одной из важнейших задач этой проблемы была разработка статических преобразователей с диапазоном 0-1000 Гц, получающих питание от сети промышленной частоты. Положительное решение этой задачи искалось на путях создания преобразователей с явно выраженным звеном постоянного тока. На этом этапе исследовались различные схемы силовых цепей, удовлетворяющие требованиям надежности, экономичности и обеспечивающие заданные рабочие характеристики преобразователя [1]. Отрабатывались схемы управления тиристорными и транзисторными ключами, а также схемы их защиты. Решались основные теоретические вопросы анализа электромагнитных процессов в системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД). В частности, была предложена идея и разработан метод двух составляющих для расчёта электромагнитных процессов в системе ПЧ-АД [2]. В эти же годы было положено начало разработок и исследований разомкнутых и замкнутых систем автоматического частотного управления асинхронным электроприводом [1,3].
        Первый этап научно-исследовательских работ позволил определиться со структурами силовых цепей и расчётом электромагнитных процессов ПЧ, нашедших в последующие годы промышленное применение, и перейти к широкому исследованию статических и переходных режимов частотно-регулируемого асинхронного электропривода с замкнутыми системами автоматического регулирования. Одной из важных решаемых теоретических задач этого периода становится разработка методов оптимизации статических и переходных режимов, а также принципов построения оптимизированных асинхронных электроприводов с частотным управлением. Теоретические и экспериментальные исследования были сосредоточены на перспективных системах автоматического частотного управления с регулируемым скольжением [4]. Такие системы позволяют формировать разнообразные механические характеристики и сравнительно просто оптимизировать режимы привода путем регулирования скольжения в функции тока статора и угловой скорости. В этот период обосновываются рациональные подходы, математические модели, постановки и процедуры решения задач оптимизации исследуемых процессов с учётом таких существенных факторов поведения системы ПЧ-АД, как насыщение стали магнитопровода АД, электромагнитные переходные процессы, ограничения по току и напряжению ПЧ.
        Решение вопроса оптимального управления частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами тесно связано с выбором критерия оптимальности. В начале 70-х годов широкое развитие получила концепция рационального частотного управления, основанная на оптимизации режима АД путем управления по минимуму тока статора и минимуму потерь в двигателе. В свете решения задач оптимизации по минимуму тока статора и минимуму потерь в АД на кафедре выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований [4-7].
        В результате установлено, что главным преимуществом режимов минимума тока статора и минимума потерь в АД является возможность получения моментов, значительно превышающих паспортное значение критического момента, при относительных токах статора, более благоприятных, чем в точке номинального режима. Потери в АД при управлении по минимуму тока статора практически не отличаются от минимально достижимых потерь. Управление по минимуму тока статора обеспечивает достаточно высокий коэффициент мощности АД по основным гармоникам тока и напряжению статора. Этот закон инвариантен к угловой скорости вращения и наиболее просто реализуется в системах электропривода с управляемым скольжением. На основании существенных положительных свойств закон управления по минимуму тока статора был рекомендован в качестве универсального принципа технически оптимальной системы частотного управления асинхронным электроприводом.
        Другим важным результатом этих исследований стал вывод о необходимости учёта насыщения главной магнитной цепи двигателя как фактора, имеющего принципиальное значение для правильного решения задачи оптимизации по минимуму тока статора и минимуму потерь в двигателе. В связи с этим были предложены численные и приближенные аналитические методы расчёта законов управления абсолютным скольжением АД, обеспечивающих минимумы тока статора и потерь в двигателе с учётом насыщения главной магнитной цепи [5-10].
        Важно отметить, что работы [4-7] послужили обоснованием возможности построения аналитических систем экстремального управления и явились предпосылками постановки задачи экстремального управления в широком плане [11]. В развитие постановки задачи экстремального управления выполнены [12-15], показывающие что асинхронный электропривод при питании от ПЧ с автономными инверторами напряжения и тока, а также от преобразователя с непосредственной связью обладает экстремальными характеристиками по многим наиболее важным показателям качества. К числу таких показателей качества, кроме тока статора и потерь в двигателе, относятся напряжение статора, активная, реактивная, полная мощности и коэффициент мощности АД по основным гармоникам. Экстремальный характер имеют напряжение и ток питания инверторов, ток, реактивная и полная мощности, потребляемые ПЧ от сети, суммарные потери, КПД и коэффициент мощности системы ПЧ-АД.
        Кроме того, было установлено, что эффективность управлений по частным критериям определяется вариантом преобразователя частоты, диапазоном изменения момента нагрузки и существенно зависит от выбора напряжения питания вентильной схемы ПЧ. Поэтому в общем случае задача оптимизации электропривода должна решаться с учётом функций качества не только двигателя, но и преобразователя частоты.
        Наконец, законы управления, определяющие экстремумы функций качества при изменении скорости двигателя и момента нагрузки, не совпадают. Наиболее важные функции качества, определяющие эффективность функционирования частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, обладают рядом общих свойств, которые позволяют сформулировать задачу многокритериальной оптимизации электропривода [15].
        Одновременно с исследованиями оптимальных статических режимов выполнялись научно-исследовательские работы по оптимизации переходных режимов асинхронных электроприводов. Теоретические исследования вопросов оптимального управления переходными режимами асинхронных электроприводов представляют большие трудности в связи с нелинейностью и высоким порядком дифференциальных уравнений АД. Поэтому решающее значение приобретают вопросы рационального подхода, сочетающего возможности учёта основных, наиболее существенных факторов поведения асинхронного электропривода в динамических режимах и решения задач оптимального управления вариационными методами. С этой целью разработан подход, позволивший впервые доказать возможность достаточно строгого решения задач оптимизации динамических режимов асинхронных машин с учётом электромагнитных переходных явлений и насыщения. Для практически важных оценок качества функционирования электроприводов получены решения задач оптимального быстродействия [16-18] и минимизации энергии потерь с учётом переходных явлений и насыщения вариационными методами [19-21].
        Практическая значимость теоретических и экспериментальных исследований оптимальных статических и переходных режимов состоит в том, что полученные результаты дают возможность уточненного, более строгого установления пределов, которые могут быть достигнуты в направлении улучшения основных показателей качества функционирования асинхронных электроприводов, что важно для обоснования и разработки рациональных структур систем управления электроприводами.
        При создании реальных САУ электроприводами неизбежно возникает задача обеспечения их динамической устойчивости и качества переходных процессов, удовлетворяющего технологическим требованиям. Эта задача решалась в комплексе с вопросами оптимизации режимов асинхронного электропривода [22-24]. Основное внимание было уделено разработке теории оптимизированных САУ с ориентацией поля ротора в системе координат с управляемым скольжением, включающей анализ структур, построение математических моделей, отработку методик синтеза регуляторов и уточненного анализа динамики САУ на цифровой математической модели. С позиции единого подхода были рассмотрены и решены вопросы построения высококачественных систем управления асинхронными электроприводами с различными типами полупроводниковых ПЧ - с непосредственной связью, с автономными инверторами напряжения и тока. Предложенные структуры позволили обеспечить присущие типовым системам подчиненного регулирования нормированные процессы управления моментом и скоростью АД в сочетании с оптимизацией режимов силовой части привода и, в частности, минимизацией потерь энергии в системе ПЧ-АД.
        В последние годы работы кафедры в области частотно-регулируемых асинхронных электроприводов велись в следующих основных направлениях:
        - разработка способов управления напряжением автономных трёхфазных трёхуровневых инверторов напряжения и активных выпрямителей напряжения с широтно-импульсной модуляцией [25, 26];
        - разработка алгоритмов прямого управления моментом АД, математическое моделирование и исследование особенностей режимов электроприводов с прямым управлением момента [27];
        - экстремальное управление асинхронным электроприводом при ограничении мощности преобразователя частоты [28].
        Результаты теоретических исследований нашли практическое применение. Первая опытно-промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований была осуществлена в 1973 г. на Камском кабельном заводе в г. Перми. На приемном устройстве алюминиевого пресса УЗТМ-2Х500ТС был установлен регулируемый асинхронный электропривод с короткозамкнутым двигателем мощностью 14 кВт, 282 об/мин и тиристорным ПЧ с автономным инвертором тока. Испытания электропривода дали положительные результаты.
        В дальнейшем кафедра ЭАПУ принимала участие в разработке унифицированной элементной базы, экспериментальных исследованиях макетов и стендовых испытаниях опытных образцов комплектных асинхронных электроприводов, созданных в НПО "Электропривод" (г. Москва), ВНИИпреобразователь (г. Запорожье). Испытания подтвердили возможность реализации высококачественных процессов частотного управления асинхронными электроприводами с различными типами ПЧ в широком диапазоне мощностей и частот вращения двигателей.
        Результаты научно-исследовательских работ, выполненных на кафедре в области теоретических исследований оптимальных режимов и разработки структур систем управления, нашли практическое применение при формировании НПО "Электропривод", как головной организации Минэлектротехприбора СССР, технической политики в области создания комплектных тиристорных электроприводов переменного тока с частотным управлением на предприятиях отрасли.
        Технические решения и рекомендации по построению замкнутых систем автоматического управления и результаты исследования их режимов использованы в следующих разработках организаций-заказчиков:
        - в серии комплектных частотно-регулируемых электроприводов общепромышленного назначения типа ЭКТ с автономными инверторами тока мощностью 100-400 кВт, разработанной во ВНИИпреобразователе и освоенной в серийном производстве ПО "Преобразователь"; разработка выполнена в рамках комплексного плана ВПО "Союзпреобразоватсль";
        - в серии комплектных частотно-регулируемых электроприводов второго поколения типа ЭКТ-2 с автономным инвертором напряжения мощностью 5-250 кВт (ПО "Преобразователь"); разработка выполнена в рамках государственной целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.023 "Создание и широкое использование в народном хозяйстве силовой полупроводниковой техники";
        - системы автоматического регулирования серии комплектных частотно-регулируемых электроприводов мощностью 315-1250 кВт, предназначенных для подъёмных машин и механизмов горнорудной и угольной промышленности (НПО "Электропривод").
        Результаты работ кафедры использованы также при разработке ряда других технических проектов и при создании опытных образцов частотно-регулируемых асинхронных электроприводов различного назначения на базе инверторных и непосредственных преобразователей частоты в соответствии с заданиями НПО "Электропривод", ПО "Преобразователь", ПО "Уралмаш" (г. Свердловск), заводов "Электровыпрямитель" (г. Саранск), "Камкабель" (г. Пермь) и других организаций.
        Оригинальные элементы разработанных структур защищены 30 авторскими свидетельствами СССР. Приоритетом кафедры ЭАПУ является разработка широкодиапазонного электропривода, который экспонировался на международной электротехнической выставке "Электро-77" в виде действующего образца электропривода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором мощностью 1,1 кВт и диапазоном регулирования скорости 1:1000. На кафедре по тематике частотного управления защищены I докторская и 16 кандидатских диссертаций.

Список литературы

        1. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Лихошерст В.И. Построение преобразователей для частотного управления электроприводами // Электротехника. 1965. №10. С.23-26.
        2. Шубенко В.А., Браславскнй И .Я., Шрейнер Р.Т. Асинхронный электропривод с тиристорным управлением. М: Энергия, 1967.
        3. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.Л. и др. Замкнутые системы частотного управления реверсивным электроприводом переменного тока с независимым и связанным регулированием абсолютного скольжения // Тиристорный управляемый асинхронный электропривод. Свердловск: Урал. ПИ, 1968. С. 263-269.
        4. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.Л. Частотно-управляемый асинхронный электропривод с оптимальным регулированием скольжения // Изв. вузов. Электромеханика. 1970. № 6. С. 676-681.
        5. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.А. Оптимальное частотно-токовое управление асинхронным электроприводом // Изв. вузов. Горный журнал. 1970. № 1. С.161-162.
        6. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.А. Оптимизация частотно-управляемого асинхронного электропривода по минимуму тока // Электричество. 1970. № 9. С. 23-26.
        7. Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н., Воробьев А.С. Бесконтактный тиристорный асинхронный электропривод с частотным управлением по минимуму тока // Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск: Урал. ПИ, 1971. С. 98-101.
        8. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н. Расчет характеристик асинхронного двигателя при одном экстремальном частотном управлении // Управляемый тиристорный электропривод постоянного и переменного тока: Труды Урал. ПИ. 1971. Вып. 192. С. 40-48.
        9. Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н. К расчету оптимального по минимуму потерь закона частотного управления асинхронным электродвигателем // Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск: Урал. ПИ, 1971. С. 96-98.
        10. Гильдебранд А.Д., Лихошерст В.И., Поляков В.Н. К построению итерационного метода расчёта закона частотного управления по минимуму тока статора асинхронного двигателя // Автоматизированный вентильный электропривод: Межвуз. сб. науч. трудов. Пермь: Перм. ПИ, 1988. С. 12-17.
        11. Шрейнер Р.Т. Задачи экстремального частотного управления асинхронными электроприводами // Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск: Урал. ПИ, 1971. С. 92-96.
        12. Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н., Гильдебранд А.Д. и др. Управление асинхронным частотным электроприводом при ограничениях // Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск: Урал. ПИ, 1971. С. 101-104.
        13. Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н. Экстремальное частотное управление асинхронными электродвигателями // Электротехника. 1973. № 9. С. 10-13.
        14. Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н. К выбору законов частотного управления асинхронными электроприводами // Электроэнергетика и автоматика. Кишинев: Штиинца, 1975. Нин. 23. С. 3 17.
        15. Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н. К вопросу оптимизации режимов частотно-регулируемых электроприводов при заданном графике нагрузки // Регулируемый электропривод высокоинерционных механизмов. Кишинев: Штиинца, 1980.С. 119-129.
        16. Шрейнер Р. Т., Гильдебранд А.Д. Оптимальное по быстродействию частотное управление скоростью асинхронного электропривода в замкнутых системах регулирования // Электричество. 1973. № 10. С. 22-27.
        17. Шрейнер Р.Т., Гильдебранд А.Д., Карагодин М.С. Управление потокосцеплением ротора асинхронного двигателя при частотно-токовом регулировании // Электричество. 1971. №10. С. 13-18.
        18. Шрейнер Р.Т., Карагодин М.С. Исследование оптимальных по быстродействию процессов изменения скорости асинхронного двигателя при частотном управлении // Изв. вузов. Электромеханика. Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотреблення. 1973. №9. С. 1013-1019.
        19. Шрейнер Р.Т., Кривицкий М.Я. Оптимальное по минимуму потерь управление частотно-регулируемым асинхронным электроприводом в механическом переходном процессе // Изв. вузов. Электромеханика. 1972. № 8. С. 881-886.
        20. Шрейнер Р.Т., Кривицкий М.Я. Оптимальное частотное управление асинхронным электроприводом с учётом электромагнитных явлений // Электротехника. 1974. №1.С. 14-24.
        21. Шрейнер Р.Т., Кривицкий М.Я. Оптимальное по минимуму потерь частотное управление асинхронным электроприводом в механическом переходном процессе// Изв. вузов. Электромеханика. 1975. № 1. С. 85-81.
        22. Томашевский Н.И., Шрейнер Р.Т., Федоренко А.А. Анализ и синтез систем частотного управления электроприводами с автономными инверторами напряжения // Электротехника. 1977. № 9. С. 32-35.
        23. Шрейнер Р.Т., Гильдебранд А.Д., Федоренко А.А. Исследование системы автоматического управления асинхронным электроприводом с автономным инвертором напряжения // Преобразовательные устройства в тиристорном электроприводе. Кишинёв: Штиинца, 1977. С. 3-Ю.
        24. Шрейнер Р.Т., Дмитренко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинёв: Штиинца, 1982.
        25. Лихошерст В.И. Управление вектором выходного напряжения трехфазного трехуровнего АИН с ШИМ // Электромеханика и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2000. С. 431-440.
        26. Лихошерст В.И. Установившиеся режимы трехфазных выпрямительно-инверторных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией. // Электроприводы переменного тока: Труды 12-й научно-технической конференции(13-16марта2001 г.). Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. С. 56-59.
        27. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Адаптивная система прямого управления моментом асинхронного двигателя//Электротехника. 2001. № П. С. 35-39.
        28. Поляков В.Н., Таран А.А., Шрейнер Р.Т. Алгоритм численного решения задачи экстремального управления асинхронным электроприводом при ограничениях по току и напряжению // Электротехника. 2001. № 11. С. 45-49..