автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности асинхронного электропривода методом многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы

КУЗНЕЦОВА ОЛЬГА АЛЕКСЕЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТОДОМ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2009

1 о ДЕК 2009

003488336

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доиент

Сушкин Вячеслав Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Терехов Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доиент Исаев Андрей Станиславович

Ведущая организация: ООО "Электроспецприбор"

Защита состоится » декабря 2009 г. в ¡4.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.12 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: г. Тула. Пр. Ленина, д. 92. гл. корп.. ауд. 005.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Отзывы на автореферат {в двух экземплярах, заверенный печатью) просим направлять по адресу: 300600, г. Тула, Пр. Ленина, д. 92, Ученому секретарю.

Автореферат разослан «'&'» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.271.12 д.т.н., проф.

М.Ю. Елагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Электропривод, осуществляющий электромеханическое преобразование энергии, широко используется во всех областях деятельности для обеспечения нужд производства и жилищно-коммунального хозяйства, потребляет более 60 % всей вырабатываемой электроэнергии.

Повышение энергетической эффективности может быть достигнуто при использовании регулируемых электроприводов для управления технологическими процессами, что в сочетании с возможностями автоматизации может обеспечить оптимальное использование электроэнергии.

"... экономический потенциал энергосбережения в электроприводе практически исчерпан, т.к. отдельные компоненты электропривода достаточно совершенны. Вместе с тем остается громадный потенциал, основанный на совершенствовании проектирования систем в целом и оптимизации их параметров."*

Среди регулируемых электроприводов доминирующее положение занимают частотно-регулируемые асинхронные электроприводы, их массовое применение позволяет решать не только технологические задачи, но и проблемы энерго- и ресурсосбережения.

Значения конструктивных, режимных параметров и законов управления устанавливают эксплуатационные, энергетические, динамические характеристики асинхронного электропривода, которые в свою очередь определяют эффективность функционирования технологического оборудования.

При разработке автоматизированного электропривода необходимо учитывать такие требования как уменьшение времени переходного процесса, точность и диапазон ре1-улирования, энергетические свойства, которые обычно характеризуются необходимой мощностью, коэффициентами полезного действия привода, преобразования электрической и механической энергии двигателя, соя^ и удельным расходом энергии на единицу полезного продукта.

Таким образом, электрический привод, являясь энергосиловой установкой, должен обладать высокими динамическими и энергетическими свойствами, определяемыми критериями, которые имеют часто противоречивый характер. Эти критерии и их экстремальные значения не могут быть реализованы одновременно. Поэтому принимаемое решение должно обеспечивать наилучшее сочетание всех показателей.

Улучшение энергетических показателей возможно осуществить также за счет разработки новых алгоритмов управления, учитывающих оптимальные конструктивные и режимные параметры электрического привода, полученные в результате оптимизации по нескольким критериям.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных методикам оптимального проектирования электрических машин и электроприводов,

*Н.Ф. Ильинский, В.В. Москаленко Электропривод: энерго- и ресурсосбережение. С.5.

научная проблема создания электропривода, оптимального по конструкции и режимам работы, остается до конца не решенной.

Поэтому повышение энергоэффективности асинхронного электропривода методом многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы актуально и представляет интерес в настоящее время.

Объектом исследования является регулируемый привод переменного тока, в состав которого входит асинхронный электродвигатель с коротко-замкнутым ротором.

Цель работы - повышение эффективности работы асинхронного электропривода как составной части технологического оборудования путем определения оптимальной совокупности параметров и режимов работы привода и разработка на её основе алгоритма управления, обеспечивающего улучшение энергетических и динамических показателей.

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. разработана проблемно-ориентированная модель оптимизационного расчета асинхронного электропривода, позволяющая исследовать и оценивать энергетические и динамические процессы привода;

2. выполнен поиск оптимальной совокупности параметров асинхронного электропривода "адаптивным методом исследования пространства параметров" (АМИПП) по энергетическим и динамическим критериям;

3. установлена для асинхронного электродвигателя взаимная связь между суммарными потерями и электромагнитным моментом;

4. определены значения аппроксимирующего полинома управляющего воздействия для частотно-регулируемого электропривода.

> Методы исследования. В работе использованы методы дифференциального и интй-рального исчисления, методы теории электрических цепей, методы автоматического управления, математическая теория равномерно распределенных ЛПТ - последовательностей, языки программирования высокого уровня, методы моделирования на ЭВМ с применением современных интегрированных пакетов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов работы подтверждаются корректным использованием математического аппарата, согласованностью теоретических выводов и данных экспериментальных исследований, использованием современных численных методов, а также экспериментальной проверкой расчетных результатов.

Новизна научных результатов диссертационной работы состоит в установлении закономерностей влияния магнитного поля двигателя на энергетические и динамические процессы электропривода, разработке и формализации процедуры поиска оптимальных параметров электропривода, обеспечивающих повышение эффективности работы привода путем оптимизации и синтеза алгоритма управления. Разработан новый численный метод формирования оптимального управляющего воздействия для частотно-регулируемого электропривода.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- определение оптимальных конструктивных и режимных параметров асинхронного элетропривода с учетом критериев, дающих количественные и качественные оценки энергетических и динамических процессов электропривода;

- в многомерном пространстве варьируемых параметров асинхронного электропривода существует с нечеткими границами область, являющаяся отображением гиперповерхности Парето-оптимапьного множества расчетных вариантов исследуемого (проектируемого) электропривода;

- адаптивное зондирование пространства варьируемых параметров привода выделяет множество эффективных расчетных вариантов и позволяет повысить производительность метода исследования пространства параметров;

- численный метод решения задачи построения оптимального управления на основе аппроксимации полиномом Лагранжа и зондирования точками ЛПТ- последовательности позволяет уменьшить количество оптимизируемых параметров и получить приближенное оптимальное программное управление электроприводом.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР "Разработать способ и систему оптимального группового управления насосными агрегатами с целью экономии электрической энергии в системах водоснабжения и водоотве-дения" № ГШ 72/Д0174-Ц, выполненной в рамках регионального гранта, НИОКР ПТ447 "Оптимизация энергетических потоков систем учета контроля и управления " и Г1.477 "Разработка методики расчетов параметров энергосберегающих систем группового управления электроприводами".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция "Мехатронные системы (теория и проектирование)", г. Тула, 2006 г.;

2. Первая международная научно-практическая конференция "Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта", г. Тула, 2006 г.;

3. 4-ая Всероссийская научно-практическая конференция "Системы управления электротехническими объектами", г. Тула, 2007 г.;

4. V Международная (XVI Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, АЭП-2007, г. Санкт-Петербург, 2007 г.;

5. XII Международная конференция "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты", МКЭЭЭ 2008, г. Алушта, 2008 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 статьях, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложе-

ний. Основная часть содержит 147 с, 49 рисунков, 16 таблиц. Список литературы из 119 наименований на 12 страницах, 2 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы предмет, цель и задачи исследования, методы исследования, новизна научных результатов и их практическая значимость, приведены данные о структуре и объеме диссертации.

В lu jmoii главе проведен анализ и выполнено обобщение современного развития асинхронного частотно-регулируемого электропривода, приведены основные предпосылки оптимизации параметров и режимов работы.

Диссертационная работа опирается на достижения отечественной школы управления частотно-регулируемыми асинхронными двигателями (Клю-чев В.И., Поздеев А.Д., Сандлер A.C., Слежановский О.В., Булгаков A.A., Бродовский В.Н., Шрейнер Р.Т., Фираго Б.И., Ильинский Н.Ф., Браславский И.Я., Остриров В.Н., Козярук А.Е., Копылов И.П.), на современную теорию цифрового управления (Терехов В.М., Осипов О.И., Рассудов J1.H.) и опыт разработки цифровых систем управления двигателями (Ивоботенко Б.А., Ца-ценкин В.К., Балковой А.П., Козаченко В.Ф.) и проблемы энергосбережения в электроприводе (Ключев В.И., Ильинский Н.Ф., Браславский И.Я., Шрейнер Р.Т., Поляков В.Н.).

В главе дана оценка и развитие выбранного ЛП-поиска. Основным преимуществом данного метода является систематический просмотр многомерных областей пространства параметров. В качестве расчетных точек в пространстве параметров используются точки равномерно распределенных последовательностей. Для этих целей были применены так называемые ЛПТ- последовательности (точки Соболя И.М.), которые обладают наилучшими характеристиками равномерности среди всех известных в настоящее время равномерно распределенных последовательностей.

АМИГ1П является продолжением работ, проводимых в Тульском государственном университете Сушкиным В.А. и Мерцаловым А.Н. в области создания программного обеспечения по выбору оптимальных параметров машин и конструкций на основе ЛПТ— последовательности за счет введения адаптации процедуры поиска.

Приведена постановка задачи многокритериальной оптимизации параметров электропривода производственного механизма (ПМ) с учетом ограничений, необходимых для выполнения технологической задачи: G{Xm)CG{XM)CG(X), Х = ХМ = ХТП, XeGx; ХмеОХс,гдв

X — (m,Lj\ - вектор состояния асинхронного двигателя (АД); Хс = (тс,ис) -вектор состояния производственного механизма; Xfß =(>птпМгп) " ЕектоР состояния технологического процесса; G^, G\'c - соответственно допустимые области состояния по X и Хс; in, и - момент и частота вращения

асинхронного двигателя; тс, шс - момент сопротивления и частота вращения рабочего органа механизма, приведенные к валу электродвигателя.

Регулирование режимов работы асинхронного электродвигателя обеспечивается за счет преобразователя частоты (ПЧ) (рис. 1), выход которого изменяет напряжение и частоту напряжения при изменении управляющего вектора и на входе ПЧ.

Рис. 1. Условие выполнения технологической задачи

Для решения поставленной задачи определения оптимального управления введем вектор управления U, с помощью которого можно воздействовать на электропривод О = •■ •>"«)> & - допустимая область; где щ,и2,...,1/„ - реальные управляющие воздействия, формируемые за счет изменения конструктивных параметров привода и механизма, либо за счет изменения управляющих параметров, действующих на регулируемый привод.

Математическая модель асинхронного электропривода в работе представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений

x = f(x,u), (1)

где х = [jcj .. .xnf - вектор состояния системы, и = [г/j ...и^ - вектор управления, х G К", usGç K.k, к S п, G - ограниченное множество.

Задано начальное состояние объекта управления

«(0) =

о о

Х1 —хп

(2)

Заданы функционалы, определяющие критерии качества управления

_

^ = С, (х(//)) + /^(х(/),и(»))«й, 1 = \,М, (3)

о

где - длительность процесса управления.

Необходимо оптимизировать (синтезировать) систему в виде

11 = Е(х,Ч), (4)

где g(■) - искомая структура управления, ч = [<г/(- вектор параметров системы управления, я £ О С К.", р - ограниченное множество.

В первой главе дан обзор состояния работ по оптимизации электропривода, даны постановка задачи оптимизации параметров и постановка задачи определения оптимального управления асинхронного электропривода.

Во второй главе разработана математическая модель оптимизационного расчета асинхронного электропривода, обеспечивающая вычисление

необходимого количества критериев. Основные блоки математической модели оптимизационного расчета представлены на рис.2.

Модели оп

лмппи Нлрьирусмыс ;

п<)|>а\}офы

-------г---—-1 ---------------------- »

Энергстч.скяя модель ЛД

'Лккфо-исхаипчссклч молсль "ЭП

Дмнампчсскач модсль ЛД

КрНТСри.иЫП.Ю

оценки ЭП

Рис. 2. Структурная схема модели процесса оптимизации асинхронного электропривода

В основу разработки модели оптимизационного расчета положены комплексно-векторные уравнения обобщенной электрической машины во вращающейся. системе координат.

_ -г- „ <Л£>Г . т - - „ ¿'¡¡¡у . , -г

= <Л+ «г = +-7Г +

а! си

Ф* - + ; Фг = + ¿»Л; «5 = «*« + ; ^=«/•« + .л'™;

где напряжение статора, Я5, Яг - сопротивление статора и ротора, ¡г-ток статора, ротора, ф5,фг,ф1П- потокосцепления статора, ротора и взаимоиндукции.

Перечисленные величины векторов токов и потоков при соответствующем изменении модуля, модуля и аргумента вектора, проекций вектора на оси, использованы в модели оптимизационного расчета при формировании структур системы управления асинхронным электроприводом.

В зависимости от расчета принимается одно из уравнений электромагнитного момента, выраженного через пространственные векторы в комплексно-векторной форме:

М = ;;„/.„, 1т(]Г.Т*м = рп1т 1т • ф*М = р„Ьт 1т¡Тг -ф*}.

Разработана обобщенная математическая модель электропривода (рис. 3), учитывающая энергетические и динамические процессы в нем. Блок-схема модели оптимизационного расчета электропривода имеет модульную структуру (блоки 1-7), позволяющую решать задачи различного класса.

Блоки 1-5 построены по аналогии с предложенной Шрейнером Р.Т. структурой. Такая модель дает полное представление о процессах, протекающих в машине при произвольном характере изменения внешних воздействий.*

*Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами Изд. Штиинца, 1982, с. 58.

1 - блок преобразования внешних воздействий;

2 - блок для решения уравнений электромагнитных контуров;

.. 3 - блок обратного преоб-^ разования координат;

4 - блок решения уравнений электромеханического преобразования энергии;

5 - блок решения уравнений механической части привода;

6 - блок вычисляет критерии, принятые при оптимизации асинхронного элек-

Рис. 3. Блок-схема математической модели оп- тропривода; тимизационного расчета 7 - блок формирования

варьируемых параметров

Для обоснования адекватности математической модели были проведены исследования прямого пуска двигателя 4A100L4Y3 в лабораторных условиях. Лабораторный стенд состоит из асинхронного двигателя 4A100L4Y3, инвертора OMRON 3G3FV, измерительной аппаратуры (цифрового осциллографа GDS 2204, Power Quality Analyzer Fluke 434, цифрового тахометра KM 6003, датчиков напряжения, токов фирмы LEM). Оценка переходных процессов по интегрированным энергетическим показателям модели и измерительным приборам подтвердили полученные теоретические результаты. Ошибка не превышает 11,5 %. Результаты моделирования прямого пуска двигателя приведены на рис. 4 и рис. 5.

Для исследования влияния параметров и режимов работы на эффективность работы асинхронного электропривода в диссертационной работе рассмотрены вопросы подбора двигателя для данного оборудования за счет варьирования момента инерции, подбора скольжения, активных сопротивлений, что в итоге определяет типоразмер двигателя и выполнение условия 0(ХС)

Вопросы выбора оптимальных конструктивных параметров осуществляются при выполнении условия X = ХС.

Исследование взаимодействия электродвигателя с механической частью привода рассмотрено на примере динамической системы вибрационного грохота ГИСЛ62, расчетная схема которого приведена на рис. 6-1, где т -масса дебалансов; >щ - масса пластины; п»2 - масса груза; ф - угол наклона пластины; " Угол отклонения дебалансов; - координаты со-

ответственно первого и второго вибровозбудителей; - эксцентриситеты дебалансов; с,с0 - жесткости пружин; / - расстояние между центром пластины и пружиной.

Таким образом, во второй главе разработаны модели оптимизационного расчета одно - и двухмассовой системы ЭП, привода вибрационного грохота и привода центробежного насосного агрегата. Определены возможные варьируемые параметры и диапазон их изменения.

В третьей главе выполнены исследования многокритериальной оптимизации процессов асинхронного электропривода в диалоговой системе АМИПП, которая используется как инструментальное средство, обеспечивающее решение задачи оптимизации при варьировании параметров до 51, критериев оптимизации до 20 и возможного числа испытаний (количество расчетных вариантов) до 10000.

На рис. 2 приведена структура модели решения задачи оптимизации асинхронною электропривода, включающая блок формирования варьируемых параметров, модель асинхронного электропривода и блок вычисления критериальных оценок. Вычисление критериев осуществляется под управле-

нием диалоговой системы АМИПП. Система обладает по сравнению с ЛП-поиском адаптивной настройкой на поиск оптимальной области. Алгоритм формирования расчетных вариантов и эффективного множества приведен на рис. 8 - 9.

Рис. 8. Алгоритм формиро- Рис. 9. Формирование эффективного множест-вания расчетных вариантов ва расчетных вариантов

Для оценки эффективности работы электропривода в диссертационной

т

работе рассматриваются следующие критерии: F\= j(UsaIsa+UsßIsßjdt,

О

Дж, min - энергия, поступающая из сети к обмоткам двигателя;

Т Т

/'2 = jPMex(t)dt= jM(i)w(t)dt, Дж~ max - энергия, затрачиваемая на со-

вершение полезной работы двигателя; Fj = Т^ =

2 W,„

(^saIsa+Usß/sß)

, с, min -

M{t)wit)

постоянная преобразования магнитной энергии; Ьл=—. . , . \г—, o.e.,

M(I)lü(I) + ZPa

, o.e., max •• кри-

max - энергетический КПД; F5 = Нэ =

терий, оценивающий электрическое преобразование энергии;

\Мш0\ + \М\

Fb = tlM =

\M(jj\

, o.e., max - критерий, оценивающии механи-

_fV(S)

ческое преобразование энергии; F-j =—i—Дж/рад, min - удельный расход энергии; Fg = Wm = (/si/js +1, Им, min - критерий, учитывающий

энергию магнитной системы; Fg = +1?Rr)^t,dt, Дж, min - энергия на

компенсацию активных потерь; /"¡0 = — М,:/(ш)) Л, Нм, шт - бли-

0

зость механических характеристик.

При варьировании напряжения на зажимах двигателя с постоянными моментом сопротивления и инерции получены таблицы испытаний для критериев - Р\0. Парные полиноминальные регрессионные зависимости для критериев Г^Рц,!^ и Г-; от энергии магнитного поля (рис. 10-13):

F, = 333045 - 312%SWm + 99122!V£

-10398,7Ж?г;

F4 == -8,71 + Ю,4Жт -3,78№^ 4- 0,46И^; F6 = -16,53 + 15,79^ш - 4,85^ + 0,49^; F7 = 225,99-216,72Wm +69,55W% -7,420^.

2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 энергия магнитного поля - \Л/т

Рис. 10. Зависимость КПД от энергии магнитного поля

й 7300

S 7300

S

2 6300

«

г о. 6300

е>

Л 5300

5300

4800

/ : а

J \

■

: КГ L, j --л ■

2,7 2,9 3,1 3,3

энергия магнитного поля - ЧЧт

Рис. 11. Зависимость удельных действий от энергии магнитного поля

0,48

2,5 2,7 2,9 3,1 3,3

энергия магнитного поля - №т

Рис. 12. Зависимость энергии из сети от энергии магнитного поля

2,5 2,7 2,9 3,1 3,3

Е'нергия магнитного поля - УУт

Рис. 13. Зависимость Н,„ от энергии магнитного поля

Сформированное множество расчетных вариантов асинхронного электропривода можно охарактеризовать коэффициентом совершенства привода в целом кс, коэффициентом совершенства критерия и мерой достижения предельного состояния .

Оценка состояния электромеханического преобразователя (ЭМП) анализируется с помощью векторной диаграммы, рис. 14, где представлены следующие пространственные вектора: напряжение щ, токи статора, ротора и намагничивания ,ТГ и Тт, потокосцепления статора, ротора и взаимоиндук-

строения оптимальной системы управления электропривода. Взаимное позиционирование составляющих вектора V связано с преобразованием энергии, получаемой из сети, в механическую по известным законам.

Уравнение баланса энергии: 1¥е = ¡¥т + 1Уер + + ,

где \Уе - энергия, подводимая к двигателю из сети; 1Ут - магнитная энергия, запасенная в магнитном поле; Шер - энергия на компенсацию электрических потерь; Щ!1е/, - механическая энергия на валу двигателя; IVф - энергия остальных потерь.

Процессы электромеханического преобразования носят инерционный характер. В установившихся режимах энергия, полученная от источника питания за любой временной интервал, равна энергии, переданной сопряженному механизму, и энергии, затрачиваемой на работу.

При этом энергия 1Уе остается постоянной, а ее значение определяется в виде суммы энергий возбуждающих контуров электрической машины.

Потокосцепления и токи являются функцией времени и угла поворота ротора. Вместе с тем энергия, накапливаемая в магнитной системе АД, не зависит от угла поворота ротора.

Скалярное произведение векторов зависит от угла между изображающими векторами, но не связано с углом поворота ротора. Поэтому, несмотря на зависимость всех компонентов от вращения вала ротора, энергия 1¥е не зависит от его положения. Для управления электромагнитным моментом необходимо регулировать токи или напряжения, изменяя энергию, подводимую к обмоткам двигателя.

Установлена взаимная связь между суммарными потерями и электромагнитным моментом, которая формирует алгоритм управления:

р М-р

>'Р

-------------------1------------

(/,5с<«6 + 1тхт-р0)5'т{^0 {¡гХ'П'Ро +

где (5 = ; у;, агез'чг^ф^ /; Ч>1 ;

'к

сох<р0=—-¿-^и-—; 51П(р =-

1',,Л!'т + 2/-<-гМ,Л 3РР'Фт'.ч

При оптимизации конструктивных параметров грохота было достигнуто снижение амплитуды колебаний момента на валу электродвигателя на 20 %, уменьшение температуры нагрева и увеличение срока службы двигателя.

Критерии момент, неравномер- частота, неравномер- амплиту-

Нм ность ат с' ность аш да, мм

Базовый 216,3 132,7 101,0 38,26 3,5

вариант

Модель 2 194,1 54,75 102,3 17,89 6,5

Улучшение 10,3% 58,7% 1,2% 53,2% требование ТЗ

В третьей главе рассмотрены вопросы оптимизации параметров с применением АМИПП и установлены основные закономерности векторных взаимодействий и преобразования энергии в асинхронном двигателе.

В четвертой главе рассмотрены теоретические вопросы, связанные с оптимизацией процессов управления асинхронного электропривода.

В главе решается задача определения оптимального управляющего воздействия пуска асинхронного двигателя.

Синтез структуры управления представляет собой создание алгоритма для вычислительного устройства с учетом динамических и энергетических процессов привода.

С этой целью для задачи (1)-(3) найдем решение (4) с помощью ограниченного управления

и*<и <и**.

Управление ищется как функция координат пространства состояния

и = ¥>(х,<1)

где ^(х.ч) - искомое математическое выражение, представляющее собой однозначное непрерывное отображение, я - вектор искомых параметров.

Управляющие точки 0?,•,/,■) равномерно распределены на интервале ['О>'*]> где 'о и 'к ' начальная и конечная границы интервала соответственно. Для того чтобы равномерно распределить управляющие точки по интересующему нас интервалу, положим

'0+'('*-'о)/^-Для каждого набора управляющих точек строится кривая, определенная коэффициентами полинома Лагранжа _у(/).

По кривой определяем закон управления

и*, если у{1)<и* и(<)= и**, если у([)> и**, >>(/), иначе

где и** и и*

верхняя и нижняя

граница управления соответственно.

Рис. 15. Формирование значений коэффициентов полиномов для

шоЛ?21>—'9м) и 'кк

Закон управления, соответствующий оптимальным значениям параметров я = [£/1...<7дг]Г, определяет вид функции управления у(1) в соответствии с критериями У*] - /'¡о.

Т

Для поиска оптимальных значений параметров Ч = исполь-

зуются точки ЛГ1Т - последовательности.

0,4 '),"- О"

Рис. 15. Графики оптимальных напряжения и частоты

Рис. 16. График отношения

напряжения к частоте

В главе представлены результаты исследований оптимизации режимов работы асинхронного электропривода при разработке системы управления привода насосного агрегата.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритмы управления асинхронного двигателя насосного агрегата и группового управления насосными агрегатами первого и второго подъема от одного частотного преобразователя.

Э20 ЭОО 2вС! 2&С 2*0 220 2СЮ 1вО 1вО 1 4С1 1 20

V"

2,: 2,4 20 2 Я

Рис. 18. Изменение частоты вращения Рис. 19. Характер изменения

давления в сети

Режимы работы насосных агрегатов, а, следовательно, и каждого двигателя, определены на основе выполненной оптимизации в зависимости от необходимого расхода. Общее управление осуществляется микропроцессором. Режим работы насосного агрегата предусматривал автоматический пуск по предложенному алгоритму для напряжения 1)т и угловой скорости до выхода на заданный режим работы, графики приведены на рис. 18-19.

Экономический эффект от применения результатов исследования определяется уменьшением затрат на пуск, регулирование и поддержание режима работы.

В таблице представлен результат внедрения оптимального автоматического управления насосными агрегатами (НА) 1-го и 2-го подъема ВЗС "Пет-

Вариант управления Насосные агрегаты Потребляемая электроэнергия за сутки, кВт-ч/сттки Примечание

Ручное управление оператором Скважина 1 1800 По данным журнала ВЗС "Петровский"

Скважина 2 1800

НА 1 1265

НА 2 770

Итого: 5635

Автоматическое управление Скважина 1 230 Частотный преобразователь подключен к насосным агрегатам: скважина1 и 2 подъема. Управление микроконтроллером

Скважина2 1800

НА 1 445

НА 2 1016

Итого: 3491

Эффективность: | 2144 38,1%

В четвертой главе представлена методика синтеза оптимального управляющего воздействия и представлены результаты оптимизации режимов работы системы водоснабжения водозабора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная задача повышения энергоэффективности асинхронного электропривода методом многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы, позволяющая определить оптимальную совокупность параметров электропривода и алгоритм эффективного управления. Реализация поставленной задачи позволяет снизить нагруженность элементов привода, удельный расход энергии, повысить КПД, кратность момента и быстродействие.

По результатам исследования в работе сделаны следующие выводы:

1. Разработана проблемно-ориентированная модель оптимизационного расчета асинхронного электропривода, формирующая за счет изменения варьируемых параметров множество расчетных вариантов привода с учетом энергетических и динамических критериев.

Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований показало, что предложенная методика позволяет рассчитывать статические и динамические режимы работы электропривода с погрешностью 5-14%

2. Определены оптимальные конструктивные и режимные параметры асинхронного электропривода с учетом критериев, дающих количественные и качественные оценки энергетических и динамических процессов электропривода.

Оптимальные конструктивные параметры асинхронного электропривода вибрационного грохота уменьшают амплитуду момента на 10,3%, неравномерность момента на 58,7%, частоты вращения на 53,2%. Оптимальные параметры позволили получить заданную амплитуду колебания сита.

3. В многомерном пространстве варьируемых параметров асинхронного электропривода существует с нечеткими границами область, являющаяся отображением гиперповерхности Парето-оптимального множества расчетных вариантов исследуемого (проектируемого) электропривода.

4. Установлено, что адаптивное зондирование пространства варьируемых параметров привода выделяет множество эффективных расчетных вариантов и повышает производительность метода исследования пространства параметров.

Расчетная модель электропривода содержит сложные функциональные ограничения, поэтому предложенный алгоритм распознавания эффективного множества увеличивает до 60% производительность поиска оптимальных расчетных вариантов асинхронного электропривода путем исключения не эффективных точек.

5. Разработанный численный метод решения задачи построения оптимального управления на основе аппроксимации полиномом Лагранжа и зон-

дирования точками ЛПГ - последовательности, позволяет уменьшить количество оптимизируемых параметров и получить приближенное оптимальное программное управление электроприводом.

Оптимальное управление осуществляется изменением мгновенного значения задающего напряжения и частоты, аппроксимированными коэффициентами полинома. Эффективность определяется приближением динамической механической характеристики к статической на 17,5%, увеличением КПД на 3,2%, уменьшением потерь на 11,2%.

6. Определены функции энергетического состояния, которые устанавливают зависимость между механическими силами, потерями и энергией магнитного поля с помощью аргументов, определяющих алгоритм управления. Учет величины энергии магнитного поля асинхронного двигателя позволяет изменять значения основных критериев.

7. Предельно допустимый вариант расчета, определенный на эффективном множестве расчетных вариантов, устанавливает, что уровень совершенства асинхронного электропривода может быть улучшен с 0,4 до 0,5 за счет применения оптимальной совокупности варьируемых параметров.

8. Установлена зависимость энергетических затрат и динамических свойств асинхронного короткозамкнутого двигателя от положения вектора тока статора относительно вектора потокосцелления ротора.

9. Применение частотного преобразователя с оптимальным алгоритмом управления для электропривода насосных агрегатов) первого и второго подъема "Петровского" водозабора снизило расход электрической энергии на 11,9% (765 кВт-ч/сутки).

10. Применение автоматизированной системы группового управления электропривода насосных агрегатов первого и второго подъема "Петровского" водозабора'на основе одного частотного преобразователя с разработанным оптимальным алгоритмом управления снизило расход электрической энергии на 38,1 % (2144 кВт-ч/сутки).

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Кузнецова О. А. Модель асинхронной машины для оптимизационных исследований частотно-регулируемого электропривода / О. А. Кузнецова Н Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, электрооборудование н энергосбережение. Bi.ni. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 99-103.

2. Кузнецова О. А. Система автоматическою управления частотно-регулируемого электропривода на основе методов нечеткой логики / О. А. Кузнецова, В. А. Сушкин // Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, электрооборудование и энергосбережение. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006.-С. 103-107.

3. Сушкин В. А. Оптимизационная модель, электромеханического преобразователя энергии / В. А. Сушкин, О. А. Кузнецова // Изв. ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы

управления. Вып. 3. Системы управления. Том 2.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2006- С. 198-202.

4. Сушкин В. А. Энергетические показатели асинхронного электропривода при различных способах управления / В. А. Сушкин, О. А. Кузнецова // Изв. "ГулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 3. Системы управления. Том.2.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 202-206.

5. Кузнецова О. А. Многокритериальная оптимизация сложных электромеханических систем / O.A. Кузнецова / Системы управления электротехническими объектами. Вып. 4. Со, научных трудов четвертой Всероссийской научно-практической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ. 2006. - С.174-176.

6. Кузнецова О. А. Многокритериальная оптимизация электропривода с учетом динамических и энергетических показателей . O.A. Кузнецова. В.А. Сушкин / Труды V международной (XVI Всероссийской) научной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007»: 18-21 сентября 2007 г. - Санкт-Петербург. 2007. - С. 139-141.'

7. Кузнецова О. А. Опенка энергетических показателей электропривода адаптивным методом исследования пространства параметров / О. А. Кузнецова / Труды XIÍ Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии. электрические материалы и компоненты" МКЭЭЭ-2008. Институт электротехники МЭИ (ТУ), Москва, 2008. - С. 212.

8. Кузнецова О. А. Адаптация процесса поиска эффективного множества расчетных вариантов электромеханических систем / О. А. Кузнецова. В. А. Сушкин / Труды XII Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии. электрические материалы и компоненты" МКЭЭЭ-2008: Институт электротехники МЭИ (ТУ). Москва, 2008. - С. 213.

9. Степанов В.М. Математическая формулировка и решение задачи управления насосными агрегатами 1-го и 2-го подъема с аккумулирующими емкостями / Степанов В.М., Горелов Ю.И., Кузнецова O.A., Сушкин В.А., Плеханов О.В. // Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, электрооборудование и энергосбережение. Выл. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 233-243.

10. Степанов В.М. Обоснование оптимальных параметров системы управления / Степанов В.М., Горелов Ю.И., Кузнецова O.A., Сушкин В.А., Плеханов O.B. П Изв. ТулГУ. Сер. Электроснабжение, электрооборудование и энергосбережение. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 243-245.

Личный вклад автора.

Все основные положения диссертации разработаны автором лично.

В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в [2] -методика расчета с нечетким регулятором, в [3, 4] - показатели и методика вычислений, в [6, 8, 9, 10] - показатели, методика вычислений и алгоритм формирования оптимального множества.

Кузнецова Ольга Алексеевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТОДОМ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 19.11.2009. Формат бумаги 60*84 1/16. Бумага офсетная. Усл.печ.л. i,¿, Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 035"

ГОУ ВПО Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92

Отпечатано в Издательстве ТудГУ 300600, г. Тула, просп. Ленина, 95

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

1.1 Энергоэффективность работы асинхронного электропривода . Л

1.2 Состояние работ по оптимизации электропривода.

1.3 Постановка задачи оптимизации параметров асинхронного электропривода.

1.4 Постановка задачи оптимального управления асинхронного электропривода.

1.5 Выводы.

2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИОННОГО РАСЧЕТА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

2.1 Разработка модели асинхронного электропривода как объекта оптимизации.

2.2 Преобразование энергии магнитного поля в асинхронном двигателе.

2.3 Математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2.4 Представление результатов расчетов в относительных единицах.

2.5 Моделирование процессов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2.6 Лабораторные исследования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

2.7 Обобщенная математическая модель механической части асинхронного электропривода вибрационного грохота.

2.8 Обобщенная математическая модель гидравлической части асинхронного электропривода центробежного насосного агрегата.

2.9 Выводы.

3 ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

3.1 Особенности динамической системы асинхронного электропривода.

3.2 Параметры и параметрические ограничения модели оптимизационного расчета электропривода.

3.3 Критерии асинхронного электропривода.

3.4 Функциональные и критериальные ограничения.

3.5 Применение ЛПт- последовательности при разработке адаптивного метода исследования пространства параметров.

3.6 Разработка адаптивного метода исследования пространства параметров.

3.7 Оценка эффективности расчетных вариантов упорядоченной таблицы испытаний оптимизационного расчета асинхронного электропривода.

3.8 Достоверность принимаемого оптимального варианта.

3.9 Оптимизация параметров асинхронного электропривода.

ЗЛО Основные закономерности векторных взаимодействий и преобразования энергии в асинхронном двигателе.

3.11 Оптимизация асинхронного электропривода вибрационного грохота.

3.12 Выводы.

4 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1 Оптимальное управляющее воздействие асинхронного электропривода.

4.2 Аппроксимирующий полином.

4.3 Формирование управляющего воздействия.

4.4 Определение управляющего воздействия для асинхронного привода.

4.5 Оптимизация режимов работы системы водоснабжения с емкостями.

4.7 Выводы.

Актуальность темы. Электропривод, осуществляющий электромеханическое преобразование энергии, широко используется во всех областях деятельности для обеспечения нужд производства и жилищно-коммунального хозяйства, потребляет более 60 % всей вырабатываемой электроэнергии.

Повышение энергетической эффективности может быть достигнуто при использовании регулируемых электроприводов для управления технологическими процессами, что в сочетании с возможностями автоматизации может обеспечить оптимальное использование электроэнергии и других ресурсов. экономический потенциал энергосбережения в электроприводе практически исчерпан, т.к. отдельные компоненты электропривода достаточно совершенны. Вместе с тем остается громадный потенциал, основанный на совершенствовании проектирования систем в целом и оптимизации их параметров"*.

Среди регулируемых электроприводов доминирующее положение занимают частотно-регулируемые асинхронные электроприводы, их массовое применение позволяет решать не только технологические задачи, но и проблемы энерго - и ресурсосбережения.

Значения конструктивных, режимных параметров и законов управления устанавливают эксплуатационные, энергетические и динамические характеристики асинхронного электропривода, которые в свою очередь определяют эффективность функционирования технологического оборудования.

При разработке автоматизированного электропривода необходимо учитывать такие требования как уменьшение времени переходного процесса, точность и диапазон регулирования, энергетические свойства,

Н.Ф. Ильинский, В.В. Москаленко Электропривод: энерго- и ресурсосбережение. С.5. которые обычно характеризуются необходимой мощностью, коэффициентами полезного действия привода, преобразования электрической и механической энергии двигателя, coscp и удельным расходом энергии на единицу полезного продукта.

Таким образом, электрический привод, являясь энергосиловой установкой, должен обладать высокими динамическими и энергетическими свойствами, определяемыми критериями, которые имеют часто противоречивый характер.

Так как критерии имеют противоречивый характер и их экстремальные значения не могут быть реализованы одновременно, то принимаемое решение должно обеспечивать наилучшее сочетание всех показателей.

Улучшение энергетических показателей можно осуществить также за счет разработки новых алгоритмов управления, учитывающих оптимальные конструктивные и режимные параметры электрического привода, полученные в результате оптимизации по нескольким критериям.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных методикам оптимального проектирования электрических машин и электроприводов, научная проблема создания электропривода, оптимального по конструкции и режимам работы, остается до конца не решенной.

Поэтому повышение энергоэффективности асинхронного электропривода методом многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы актуально и представляет интерес в настоящее время.

Объектом исследования является регулируемый привод переменного тока, в состав которого входит асинхронный электродвигатель с ко-роткозамкнутым ротором.

Цель работы - повышение эффективности работы асинхронного электропривода как составной части технологического оборудования путем определения оптимальной совокупности параметров и режимов работы привода и разработка на её основе алгоритма управления, обеспечивающего улучшение энергетических и динамических показателей.

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. разработана проблемно-ориентированная модель оптимизационного расчета асинхронного электропривода, позволяющая исследовать и оценивать энергетические и динамические процессы привода;

2. выполнен поиск оптимальной совокупности параметров асинхронного электропривода "адаптивным методом исследования пространства параметров" (АМИПП) по энергетическим и динамическим критериям;

3. установлена для асинхронного электродвигателя взаимная связь между суммарными потерями и электромагнитным моментом;

4. определены значения аппроксимирующего полинома управляющего воздействия для частотно-регулируемого электропривода.

Методы исследования. В работе использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, методы теории электрических цепей, методы автоматического управления, математическая теория равномерно распределенных ЛПТ - последовательностей, языки программирования высокого уровня, методы моделирования на ЭВМ с применением современных интегрированных пакетов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов работы подтверждаются корректным использованием математического аппарата, согласованностью теоретических выводов и данных экспериментальных исследований, использованием современных численных методов, а также экспериментальной проверкой расчетных результатов.

Новизна научных результатов диссертационной работы состоит в установлении закономерностей влияния магнитного поля двигателя на энергетические и динамические процессы электропривода, разработке и формализации процедуры поиска оптимальных параметров электропривода, обеспечивающих повышение эффективности работы привода путем оптимизации и синтеза алгоритма управления. Разработан новый численный метод формирования оптимального управляющего воздействия для частотно-регулируемого электропривода.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- определение оптимальных конструктивных и режимных параметров асинхронного электропривода с учетом критериев, дающих количественные и качественные оценки энергетических и динамических процессов электропривода;

- в многомерном пространстве варьируемых параметров асинхронного электропривода существует с нечеткими границами область, являющаяся отображением гиперповерхности Парето-оптимального множества расчетных вариантов исследуемого (проектируемого) электропривода;

- адаптивное зондирование пространства варьируемых параметров привода выделяет множество эффективных расчетных вариантов и позволяет повысить производительность метода исследования пространства параметров;

- численный метод решения задачи построения оптимального управления на основе аппроксимации полиномом Лагранжа и зондирования точками ЛПГ- последовательности позволяет уменьшить количество оптимизируемых параметров и получить приближенное оптимальное программное управление электроприводом.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР "Разработать способ и систему оптимального группового управления насосными агрегатами с целью экономии электрической энергии в системах водоснабжения и во-доотведения" № ГШ 72/Д0174-Ц, выполненной в рамках регионального гранта, НИОКР ПТ447 "Оптимизация энергетических потоков систем учета контроля и управления " и П.477 "Разработка методики расчетов параметров энергосберегающих систем группового управления электроприводами", а также в учебном процессе ТулГУ по дисциплинам "Теория электропривода" и "Системы управления электроприводом".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция "Мехатронные системы (теория и проектирование)", г. Тула, 2006 г.;

2. Первая международная научно-практическая конференция "Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта", г. Тула, 2006 г.;

3. 4-ая Всероссийская научно-практическая конференция "Системы управления электротехническими объектами", г. Тула, 2007 г.;

4. V Международная (XVI Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, АЭП-2007, г. Санкт-Петербург, 2007 г.;

5. XII Международная конференция "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты", МКЭЭЭ 2008, г. Алушта, 2008 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 10 статьях, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть содержит 147 страниц, 49 рисунков, 16 таблиц. Список литературы из 119 наименований на 12 страницах.

4.7 Выводы

На основании проведенного анализа работ по оптимальному управлению асинхронного электропривода как нелинейного динамического объекте и проведенных исследований, в диссертационной работе предложен методу основанный на формировании управляющего воздействия аппроксимируьо щим каноническим полиномом с вычислением оптимальных значений интер> валов и амплитуд ЛПТ - последовательностью.

Предлагаемый способ определения оптимального управляющего воздействия базируется на использовании нелинейной динамической модели асинхронного электропривода. Поэтому на первом этапе оптимизации не определяется исходное многообразие асинхронного электропривода как в методе АКАР.

Метод позволяет уменьшить количество оптимизируемых параметров за счет использования опорных точек, оптимально расположенных на заданном отрезке времени, вместо точек дискретизации.

На основе разработанного метода получено приближенное оптимальное программное управление асинхронным электроприводом. Оптимальное управление можно формировать как с учетом одного критерия, так нескольких критериев. В этом случае обеспечивается оптимизация энергетических и динамических характеристик, представленных соответственно критериями. Оптимальный способ пуска асинхронного двигателя позволяет: -улучшить эксплуатационные характеристики электродвигателя и электропривода в целом;

-повысить КПД электродвигателя; -повысить надежность электродвигателя;

-уменьшить динамические нагрузки на механическое передаточное устройство.

На основе проведенных в этой главе исследований и расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Построены математические модели отдельных функциональных частей комплекса и модель комплекса в целом.

2. Построенные математические модели функциональных частей комплекса адекватны друг другу по уровням принятых допущений.

3. Определены коэффициенты разработанной математической модели комплекса, соответствующие реальной насосной установке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате теоретических и экспериментальных исследовании решена актуальная задача повышения энергоэффективности асинхронного электропривода методом многокритериальной оптимизации параметров и режимов работы, позволяющая определить оптимальную совокупность параметров электропривода и алгоритм эффективного управления. Реализация поставленной задачи позволяет снизить нагруженность элементов привода, удельный расход энергии, повысить КПД, кратность момента и быстродействие.

По результатам исследования в работе сделаны следующие выводы: 1. Разработана проблемно-ориентированная модель оптимизационного расчета асинхронного электропривода, формирующая за счет изменения варьируемых параметров множество расчетных вариантов привода с учетом энергетических и динамических критериев.

Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований показало, что предложенная методика позволяет рассчитывать статические и динамические режимы работы электропривода с погрешностью 514%.

2. Определены оптимальные конструктивные и режимные параметры асинхронного электропривода с учетом критериев, дающих количественные и качественные оценки энергетических и динамических процессов электропривода.

Оптимальные конструктивные параметры асинхронного электропривода вибрационного грохота уменьшают амплитуду момента на 10,3%, неравномерность момента на 58,7%, частоты вращения на 53,2%. Оптимальные параметры позволили получить заданную амплитуду колебания сита.

3. В многомерном пространстве варьируемых параметров асинхронного электропривода существует с нечеткими границами область, являющаяся отображением гиперповерхности Парето-оптимального множества расчетных вариантов исследуемого (проектируемого) электропривода.

4. Установлено, что адаптивное зондирование пространства варьируемых параметров привода выделяет множество эффективных расчетных вариантов и повышает производительность метода исследования пространства параметров.

Расчетная модель электропривода содержит сложные функциональные ограничения, поэтому предложенный алгоритм распознавания эффективного множества увеличивает до 60% производительность поиска оптимальных расчетных вариантов асинхронного электропривода путем исключения не эффективных точек.

5. Разработанный численный метод решения задачи построения оптимального управления на основе аппроксимации полиномом Лагранжа и зондирования точками ЛПТ - последовательности, позволяет уменьшить количество оптимизируемых параметров и получить приближенное оптимальное программное управление электроприводом.

Оптимальное управление осуществляется изменением мгновенного значения задающего напряжения и частоты, аппроксимированными коэффициентами полинома. Эффективность определяется приближением динамической механической характеристики к статической на 17,5%, увеличением КПД на 3,2%, уменьшением потерь на 11,2%.

6. Определены функции энергетического состояния, которые устанавливают зависимость между механическими силами, потерями и энергией магнитного поля с помощью аргументов, определяющих алгоритм управления. Учет величины энергии магнитного поля асинхронного двигателя позволяет изменять значения основных критериев.

7. Предельно допустимый вариант расчета, определенный на эффективном множестве расчетных вариантов, устанавливает, что уровень совершенства асинхронного электропривода может быть улучшен с 0,4 до 0,5 за счет применения оптимальной совокупности варьируемых параметров.

8. Установлена зависимость энергетических затрат и динамических свойств асинхронного короткозамкнутого двигателя от положения вектора тока статора относительно вектора потокосцепления ротора.

9. Применение частотного преобразователя с оптимальным алгоритмом управления для электропривода насосных агрегатов первого и второго подъема "Петровского" водозабора снизило расход электрической энергии на 11,9% (765 кВт-ч/сутки).

10. Применение автоматизированной системы группового управления электропривода насосных агрегатов первого и второго подъема "Петровского" водозабора на основе одного частотного преобразователя с разработанным оптимальным алгоритмом управления снизило расход электрической энергии на 38,1 % (2144 кВт-ч/сутки).

1. Абрамов Б. И. Энергосбережение средствами электропривода вкоммунальном хозяйстве города / Б. И. Абрамов, Г. М. Иванов, Б. С. Лезнов // Электротехника. 2001. - №1. - С 59-63.

2. Алферов В.Г., Терехов В.М., Цаценкин В.К. Многокритериальная оптимизация следящих электроприводов опорно-поворотных устройств в кн. Автоматизированный электропривод /под общ. ред. Н.Ф.Ильинского, М.Г. Юнькова. М.: Энергоатомиздат, 1990. - С. 112-118.

3. Антонова Г.М. Сеточные методы равномерного зондирования для исследования и оптимизации динамических стохастических систем / Г.М. Антонова. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2007. - 224 с.

4. Аоки М. Введение в методы оптимизации. Перев. с англ. / М. Аоки. -М.: Наука, 1977.-344 с.

5. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: пер. с англ. / Б. Бан-ди. -М.: Радио и связь, 1988. 128 с.

6. Башарин А.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ : учеб. пособие для вузов./ А. В. Башарин, Ю. В. Постников. -3-е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 512 е.: ил.

7. Башарин А.В. Управление электроприводами / А. В. Башарин, В. А. Новиков, Г. Г. Соколовский. Л.: Энергоиздат, 1982. - 391 е.: ил.

8. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 576 е.: ил.

9. Ю.Боченков Б.М. Оптимизация электропривода переменного тока по векторному критерию качества / Б.М. Боченков, Ю.П. Филюшов / Электротехника. 2007. № 8, С.13-17.

10. П.Браславский И.Я. Математические модели для определения энергопотребления различными типами асинхронных электроприводов и примеры их использования / И. Я. Браславский, Ю. В. Плотников // Электротехника. -2005.-№9.-С. 14-18.

11. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Иш-матов, В.Н. Поляков; под ред. И.Я. Браславского. М.: Издательский центр «Академия», 2004. -256 е.: ил.

12. Браславский И.Я. Некоторые результаты энергетического обследования электроприводов промышленных предприятий / И.Я. Браславский, В .В. Куцин, Е.Г. Казаков // Электротехника. 2004. - № 9. - С. 43-45.

13. Браславский И.Я. Энерго- и ресурсосберегающие технологии на основе регулируемых асинхронных электроприводов / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, Ю.В. Плотников // Электротехника. 2004. - № 9. - С. 33-39.

14. Брахман Т.Б. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике / Т.Б. Брахман. М.: Радио и связь, 1984, - 288 с.

15. Бродовский В. Н. Приводы с частотно-токовым управлением Под ред. В. Н. Бродовского. / В.Н. Бродовский, Е.С.Иванов М.: Энергия, 1974.168 с.

16. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями / А. А. Булгаков. М.: Наука, 1966. - 295 е.: ил.

17. Важнов А. И. Электрические машины: учебник / А. И. Важнов. Д.: Энергия, 1968.-768 с.

18. Вайсберг JI.A. Проектирование и расчет вибрационных грохотов / JI.A. Вайсберг -М.: Недра, 1986. 143 с.

19. Войнова Т. В. Математическая модель для исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта регулирования и для прямого процессорного управления / Т. В. Войнова // Электротехника. 1998. - № 6. - С. 51-61.

20. ГОСТ Р 50369-92. Электроприводы. Термины и определения. — Введ. 1992-21-10. М.: Госстандарт России: Издательство стандартов, 1993. - 16 с.

21. Дмитриев Б. Ф. К вопросу о построении универсальной математической модели обобщенной электрической машины в программной среде Mat-Lab-Simulink / Б.Ф. Дмитриев, А.И. Черевко, Д.А. Гаврилов // Электротехника. 2005. - № 7. - С. 3-8.

22. Дьяконов В. П. MATLAB 6.0/6.1/6.5/6.5+SPl+Simulink 4/5. Обработка сигналов и изображений / В. П. Дьяконов. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. -592 с.

23. Дьяконов В. П. Математические пакеты расширения MATLAB: справочник. / В. П. Дьяконов, В. Круглов. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

24. Епифанов А. П. Электромеханические преобразователи энергии: учеб. пособие / А. П. Епифанов СПб: Издательство «Лань», 2004. - 208 с.

25. Закон «Об энергосбережении» от 3 апреля 1996 г. № 28-ФЗ.

26. Зима Е.А. Метод энергооптимального управления асинхронными электроприводами //Сб. науч. тр. /Новосиб. гос. техн. ун-т. Новосибирск: НГТУ, 2002. - № 3 (29). - С 3-10.

27. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учебник для вузов. в 2-х т. Том 1 / А.В. Иванов-Смоленский 3-е изд., - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 652 с.

28. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учебник для вузов. в 2-х т., Том 2 / А.В. Иванов-Смоленский 3-е изд., - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 532 с.

29. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование / А.В. Иванов-Смоленский М.: Энергия, 1969. - 304 с.

30. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: учеб. пособие для вузов, -2-е изд., перераб. и доп. /Н.Ф. Ильинский М.: Издательство МЭИ, 2003. -224 е.: ил.

31. Ильинский Н.Ф. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н. Ф. Ильинский, В.В. Москаленко. М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 208 с.

32. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации : Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений /М. П. Белов и др.; под ред. В. А. Новикова, Л. М. Чернигова. М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 368 с.

33. Инкин А. И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин. Учеб. пособие / А.И. Инкин Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2002.-464 с.

34. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник / В. И. Ключев. 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 2001, - 704 с.

35. Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока / К. П. Ковач. И. Рац. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.

36. Козаченко В.Ф. Заказные разработки микропроцессорных контроллеров управления комплектными электроприводами и преобразователями энергии // Электронные компоненты. 2005. - № 3 . - С 144-147.

37. Козярук А.Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов / А.Е. Козярук, В.В. Рудаков СПб: Санкт-Петербургская Электротехническая компания, 2004 - 127 с.

38. Колесников А.А. Проектирование многокритериальных систем управления промышленными объектами. / А.А. Колесников, А.Г. Гельфгат. — М.: Энергоатомиздат, 1993. 304 с.

39. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии / И. П. Копылов. М.: Энергия. 1973.-400 с.

40. Копылов И.П. Развитие методов и средств макромоделирования электрических машин /И.П. Копылов, Т.Т. Амбарцумова // Электротехника. — 2007.-№7.-С. 19-24.

41. Костышин B.C. Моделирование режимов работы центробежных насосов на основе электрогидравлической аналогии /B.C. Костышин. Ивано-Франковск, 2000. 163 с.

42. Кравчик А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник. / А. Э. Кравчик и др.. -М.: Энергоиздат, 1982. 146 с.

43. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б.С. Лезнов. — М.: Энергоатомиздат, 2006. -360 с.

44. Лопухина Е.М. Автоматизированное проектирование электрических машин малой мощности / Е.М. Лопухина, Г.А. Семенчуков М.: Высшая школа, 2002.-511 с.

45. Лыщинский Г.П., Гуревич В.А., Семиков Ю.И. Выбор силовых параметров электропривода методом «предпочтительного критерия» в кн. Автоматизированный электропривод /под общ. ред. Н.Ф.Ильинского, М.Г. Юнькова. -М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 158-164.

46. Мещеряков В.Н. Структурно-топологический анализ моделей вентильного индукторного и асинхронного двигателей / В.Н. Мещеряков, А.А. Петунин // Электротехника. 2004. - № 9. - С. 47-51.

47. Миляшов А.Н. Многокритериальная оптимизация электромехано-тронной системы / А.Н. Миляшов // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: сб. Томск, 2003. - С. 190-191.

48. Мищенко В.А. Оптимальный по минимуму потерь закон частотного управления асинхронным двигателем / В. А. Мищенко, Р. Т. Шрейнер, В. А. Шубенко // Изв. вузов. Электротехника. 1969. - № 8. - С. 115-118.

49. Мищенко В.А. Теория, способы и системы векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока / В. А. Мищенко. М.: Информэлектро, 2002. - 168 с.

50. Мищенко В.А. Фазовый принцип векторного управления динамикой асинхронного электропривода / В. А. Мищенко // Электротехника. — 2008. -№ 1.-С. 2-9.

51. Многокритериальная оптимизация: Математические аспекты / Б. А. Березовский, Ю. М. Барышников, В. И. Борзенко, JI. М. Кемпнер. М.: Наука, 1989, - 128 с.

52. Мощинский Ю.А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным /Ю.А. Мощинский, В.Я. Беспалов, А.А. Карякин // Электричество. 1998. - №4, - С. 11-18.

53. Ногин В.Д. Основы теории оптимизации: учеб. пособ. / под ред. И.О. Протодъяконова./ В.Д. Ногин, И.О. Протодьяконов, И.И. Евлампиев -М.: Высш. шк., 1986, 384 с.

54. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход / В. Д. Ногин. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 176 с.

55. Олейников В.А. Основы оптимального и экстремального управления / В. А. Олейников, Н. С. Зотов, А. М. Пришвин. М.: Высш. шк., 1969. -259 с.бЗ.Онищенко Г.Б. Электропривод турбомеханизмов / Г. Б. Онищенко, М. Г. Юньков. М.: Энергия, 1972. - 240 с.

56. Панкратов В.В. Метод многокритериальной оптимизации алгоритмов векторного управления асинхронными электроприводами / В. В. Панкратов, Е. А. Зима // Изв. вузов. Электромеханика. 2002. - № 2. - С. 44-49.

57. Петров Ю.П. Оптимальное управление электрическим приводом с учетом ограничений по нагреву / Ю. П. Петров. Л.: Энергия, 1971. - 144 с.

58. Подиновский В.В. Оптимизация по последовательно применяемым критериям /В. В. Подиновский, В. М. Гаврилов. М.: Сов. радио, 1975. - 192 с.

59. Подиновский В.В. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. / В. В. Подиновский, В.Д. Ногин М.: Наука. 1982. - 256 с.

60. Поляков В.Н. Обобщение задач оптимизации установившихся режимов электрических двигателей / В. Н. Поляков, Р. Т. Шрейнер // Электротехника. 2005 - № 9. - С. 18-22.

61. Поляков В.Н. Экстремальное управление электрическими двигателями : моногр. / В.Н. Поляков, Р.Т. Шрейнер; под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р.Т. Шрейнера. Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. -420 с.

62. Понтрягин JI.C. Математическая теория оптимальных процессов / JI.C. Понтрягин и др. -4-е изд. М.: Наука, Главная ред. Физ.-мат. Литературы, 1983.-392 с.

63. Попов А.Н. Синергетический синтез законов энергосберегающего управления электромеханическими системами. / А.Н. Попов. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 67 с.

64. Растригин Л.А. Системы экстремального управления / Л.А. Растри-гин -М.: Наука, 1974. 630 с.

65. Растригин Л.А. Адаптация сложных систем / Л. А. Растригин Рига: Зинатне, 1981.-375 с.

66. Растригин Л.А. Современные принципы управления сложными объектами / Л. А. Растригин. М.: Сов. радио, 1980. - 232 с.

67. Решмин Б.И. Уточненная модель асинхронного двигателя как объект для построения системы управления / Б.И. Решмин // Электротехника. -2005. № 7. -С.14-19.

68. Сандлер А.С. Частотное управление асинхронными двигателями / А. С. Сандлер, Р. С. Сарбатов. М.: Энергия. 1966. - 144 с.

69. Саушев А.В. Метод построения границы области работоспособности электротехнических объектов /А.В. Саушев // Электричество, 1990. - № 4. - С.14-19.

70. Системы автоматизированного управления электроприводами: учеб. пособие / Г. И. Гульков и др.; под общ. ред. Ю. Н. Петренко. Минск: Новое знание, 2004. - 394 с.

71. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О. В. Слежановский и др.. М.: Энергоатомиздат, 1983. — 256 с.

72. Соболь И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями : учебное пособие для вузов / И.М. Соболь, Р. Б. Статников. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Дрофа, 2006. — 175 е.: ил.

73. Соболь И.М. Постановка некоторых задач оптимального проектирования при помощи ЭВМ / И.М. Соболь, Р.Б. Статников: — Препринт № 24. -М.: Институт прикладной математики АН СССР, 1977.

74. Соболь И.М. ЛП-поиск и задачи оптимального конструирования / И.М. Соболь, Р.Б. Статников // Проблемы случайного поиска. Рига: Зинат-не, 1972. -№ 1.-С. 177-135.

75. Современная прикладная теория управления: Оптимизационный подход в теории управления / под ред. А.А. Колесникова. 4.1. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. - 400 с.

76. Современная прикладная теория управления: Синергетический подход в теории управления / под ред. А.А. Колесникова. Ч.И. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. - 559 с.

77. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.Г. Соколовский. М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 272 с.

78. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы Теория, конструирование и применение: пер. с англ. / А.И. Степанов; под ред. В.И. Поликовско-го М.: Машгиз, 1060, 464 с.

79. Сушкин В.А. Постановка задачи оптимального проектирования системы привода исполнительного органа стругового агрегата. В кн.: Механизация горных работ на угольных шахтах. Тула, ТПИ, 1979, с. 93-99.

80. Сушкин В.А. Эффективное множество расчетных вариантов оценки электромеханических систем. / О.А. Кузнецова, В.А. Сушкин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - 80 с.

81. Терехов В. М. Системы управления электроприводов: учебник / В. М. Терехов, О. И. Осипов; Под ред. В. М. Терехова. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 304 с.

82. Уайлд Д. Оптимальное проектирование: пер. с англ. / Д. Уайлд. -М.: Мир, 1981.-272 с.

83. Уайт Д. Электромеханическое преобразование энергии, перев. с англ., / Д. Уайт, Г. Вудсон. М. - Л.: Энергия, 1964. - 528 с.

84. Усольцев А. А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие / А. А. Усольцев. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002. - 43 с.

85. Уткин В. И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления / В. И. Уткин // М.: Наука, 1981. - 386 с.

86. Фильц Р.В. Математические основы теории электромеханических преобразований / Р.В Фильц // Киев: Наукова думка, 1979. - 208 с.

87. Фираго Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока / Б. И. Фираго, JI. Б. Павлячик. Минск: Техноперспектива, 2006. - 363 с.

88. Флоренцев С.Н. Силовая электроника начала тысячелетия / С.Н. Флоренцев // Электротехника. 2003. - № 6. - С 3-9.

89. Хеллман О. Введение в теорию оптимального поиска. — Пер. с англ. / под ред. Н.Н.Моисеева. М.: Наука. 1985. — 248 с.

90. Чиликин М. Г. Общий курс электропривода: учебник / М. Г. Чи-ликин, А. С. Сандлер. 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1981. -576 с.

91. Шалтянис В. Исследование эффективности ЛП-поиска на классе многоэкстремальных задач / В. Шалтянис // В кн. Теория оптимальных решений. Вильнюс, 1976. - вып. 2. - С. 59-65.

92. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р. Т. Шрейнер Екатеринбург: УрО РАН, 2000. - 654 с.

93. Шрейнер Р. Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами моногр. / Р. Т. Шрейнер, Ю. А. Дмитриенко. Кишинев: Штиинца, 1982. — 234 с.

94. Шрейнер Р. Т. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления: учеб. пособие / Р.Т. Шрейнер и др.; под ред. проф. д.т.н. Р.Т. Шрейнера. Екатеринбург: ГОУ ВПО «Рос. Гос. проф.-пед. ун-т», 2008. 361 с.

95. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения: пер. с англ. / Р. Штойер. М.: Радио и связь, 1992. - 504 с.

96. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: практ. пособие / Под ред. В.А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе / Ильинский Н. Ф. и др. М.: Высш. шк., 1989. -127 с.

97. Эпштейн И. И. Автоматизитованный электропривод переменного тока /И. И. Эпштейн. М.: Энергоиздат, 1982. - 192 с.

98. Юргенсон Т. С. Поиск оптимизационного решения при проектировании электрических машин / Т. С. Юргенсон // Электротехника. 2004. -№7-С. 31-33.

99. Austin Hughes Electric motors and drives: fundamentals, types,and applications 1993 Pp 339.

100. Blachke F. Das Prinzip der Feldorientierung die Grundlage fur die TRANSVEKTOR-Regeling von Drehfeldmaschinen Text. / F. Blachke // Sie-mens-Z. 1971. Bd.45. H. 10. S. 757-760.

101. Floter W. Die Transvector Regelung fur den feldorientierten Betrieb einer Asynchronmashine / W. Floter, H. Ripperger // Siemens Z. -1971. - Bd. 45. -№ 10.-S. 761-764.

102. K. Harms, W. Leonhard, Parameter adaptive control of induction motor based on steady-state machine model, I Europ. Conf. on Power Electr. and Ap-plic., Brussel, 1995.

103. N. K. De, P.K. Sen Electric Drivers 2006 p324.

104. Power Converter Circuits. W. Shepherd and L. Zhang. Marcel Dekker, Inc. 270 Madison Ave. New York, NY 10016. ISBN# 0-8247-5054-3. Phone + 800 228 1160

105. Sakae Yamamura AC motors high-performanse applications: analysis and control 1986-Pp: 215.

106. Sobol' I.M., Myshetskaya E.E. Convergence Estimates for Crude Approximations of a Pareto Set. Computers&Maths with Applies, 2002. Vol.44. -Pp.877-886.

107. Statnikov R.B., Bordetsky A., Statnikov A. Multicriteria Analysis of Real-Life Engineering Optimization Problems: Statement and Solution // Nonlinear Analysis. 2005. - № 63. - Pp.e 685-e 696.