gumrfВестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. МакароваVestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova2309-51802500-0551ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»10.21821/2309-5180-2020-12-4-775-788gumrf-69Research ArticleЭлектротехнические комплексы и системы (Закрыт)ELECTRICAL EQUIPMENT AND SYSTEMSОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПО КРИТЕРИЮ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИOPTIMAL CONTROL OF AN ASYNCHRONOUS MOTOR ACCORDING TO THE CRITERION OF ENERGY LOSSESСамосейкоВ. Ф.SamoseikoV. F.samoseyko@mail.ru. kaf_electroprivod@gumrf.ruГуськовВ. О.GuskovV. O.vladimir_guskov@inbox.ruФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»РоссияAdmiral Makarov State University of Maritime and Inland ShippingRussian FederationЗавод «Электросила» - филиал ПАО «Силовые машины»РоссияElectrosila Plant - branch of PJSC “Power machines”Russian Federation202028062022124775788Copyright © Самосейко В.Ф., Гуськов В.О., 20222022Самосейко В.Ф., Гуськов В.О.Samoseiko V.F., Guskov V.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.gumrf.ru/jour/article/view/69

В статье предложен алгоритм управления, позволяющий осуществлять управление асинхронным двигателем оптимально по критерию минимума потерь энергии. В качестве показателя энергоэффективности управления используется отношение электромагнитный момент / потери мощности. Синтез системы управления осуществляется при помощи уравнений напряжения асинхронного двигателя. Применяются уравнения токов ошибок векторного управления, позволяющие перейти от дифференциальных уравнений 4-го порядка, описывающих динамику электромагнитных процессов асинхронного двигателя, к уравнениям 2-го порядка. Управление электромагнитными процессами ведется путем создания двух контуров управления токами намагничивания и нагрузки. Описана операция настройки контуров тока намагничивания и тока нагрузки на «модульный оптимум». В результате синтеза электромагнитных процессов формируется электромагнитный момент асинхронного электродвигателя. Высокое быстродействие и свойство робастности для системы управления обеспечиваются применением контуров виртуальной диссипации. Выполнено моделирование и сравнение предложенной оптимальной системы управления по критерию потерь энергии с системой управления при постоянном токе намагничивания. Выявлены зависимости показателя энергоэффективности от момента сопротивления на валу асинхронного двигателя и скорости вращения ротора асинхронного двигателя для сопоставляемых систем управления. Сравнение по показателю энергоэффективности и качеству динамических процессов выделяет преимущества предложенной системы управления над системой управления при постоянном токе намагничивания. Оптимальное управление по критерию потерь энергии позволяет управлять асинхронным двигателем с более высоким значением показателя энергоэффективности в отличие от системы управления, в которой поддерживается постоянство тока намагничивания. Качество динамических переходных процессов оптимальной системы управления по критерию потерь энергии ненамного уступает качеству динамических процессов системы управления с постоянным током намагничивания.

The control algorithm allowing to control an electric drive with an asynchronous motor optimally according to the criterion of minimum energy losses is represented in this study. The “electromagnetic torque/energy loss” ratio is used as an indicator of energy efficiency control. The synthesis of the control system is carried out by means of the voltage equations of the asynchronous motor. In this study the equations of error currents of vector control are used that allows to come from differential equations of the 4th order describing the dynamic of electromagnetic processes of asynchronous motor to the equations of the 2nd order. Electromagnetic processes are controlled by creating two control loops for magnetizing and load currents. It is described how to adjust the modular optimum of the circuits of the magnetizing current and the load current. As a result of synthesis of electromagnetic processes, electromagnetic torque of the asynchronous motor is formed. High operation speed and robustness for the control system is provided by the use of virtual dissipation loops. Simulation and comparison of the proposed optimal control system by the criterion of energy loss with a control system at the direct magnetizing current are performed. The dependences of the energy efficiency indicator from the moment of resistance on the asynchronous motor shaft and the rotor speed of the asynchronous motor for compared control systems are identified. The comparison by the indicator of energy efficiency and the quality of dynamic process highlights the advantages of the suggested control system. Optimal control according to the criterion of energy losses allows you to control the asynchronous motor with a higher value of energy efficiency indicator, in contrast to a control system where a constant magnetizing current is maintained. The quality of the dynamic processes of the optimal control system according to the criterion of energy losses is not much inferior to the quality of the dynamic processes of the control system with direct magnetizing current.

асинхронный двигательвекторное управлениеоптимальное управлениепоказатель энергоэффективноститок намагничиванияток нагрузкипотери энергииasynchronous motorvector controloptimal controlindicator of energy efficiencymagnetizing currentload currentenergy lossesReferencesСамосейко В. Ф. Теоретические основы управления электроприводом / В. Ф. Самосейко. - СПб.: Элмор, 2007. - 464 c.Самосейко В. Ф. Теоретические основы управления электроприводом / В. Ф. Самосейко. - СПб.: Элмор, 2007. - 464 c.Емельянов А. П. Скалярное управление асинхронным короткозамкнутым двигателем по активной составляющей тока статора / А. П. Емельянов, Б. А. Чуркин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2014. - Т. 14. - № 3. - С. 85-90.Емельянов А. П. Скалярное управление асинхронным короткозамкнутым двигателем по активной составляющей тока статора / А. П. Емельянов, Б. А. Чуркин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2014. - Т. 14. - № 3. - С. 85-90.Фираго Б. И. К вопросу векторного управления асинхронными двигателями / Б. И. Фираго, Д. С. Васильев // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. - 2015. - № 5. - С. 5-16.Фираго Б. И. К вопросу векторного управления асинхронными двигателями / Б. И. Фираго, Д. С. Васильев // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. - 2015. - № 5. - С. 5-16.Мещеряков В. Н. Повышение энергоэффективности асинхронного электропривода с векторным управлением за счет регулирования продольной составляющей тока статора при неполной статической нагрузке / В. Н. Мещеряков, В. В. Данилов // Электротехнические системы и комплексы. - 2018. - № 3 (40). - С. 4-11. DOI: 10.18503/2311-8318-2018-3(40)-4-11.Мещеряков В. Н. Повышение энергоэффективности асинхронного электропривода с векторным управлением за счет регулирования продольной составляющей тока статора при неполной статической нагрузке / В. Н. Мещеряков, В. В. Данилов // Электротехнические системы и комплексы. - 2018. - № 3 (40). - С. 4-11. DOI: 10.18503/2311-8318-2018-3(40)-4-11.Мещеряков В. Н. Оптимизация взаимного положения векторов тока статора и магнитного потока асинхронного двигателя при векторном управлении / В. Н. Мещеряков, П. Н. Левин. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2006. - № 1. - С. 25-27.Мещеряков В. Н. Оптимизация взаимного положения векторов тока статора и магнитного потока асинхронного двигателя при векторном управлении / В. Н. Мещеряков, П. Н. Левин. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2006. - № 1. - С. 25-27.Мещеряков В. Н. Асинхронный электропривод с поддержанием оптимального угла между моментообразующими векторами / В. Н. Мещеряков, П. Е. Цветков, О. В. Мещерякова // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2013. - № 1 (31). - С. 17-21.Мещеряков В. Н. Асинхронный электропривод с поддержанием оптимального угла между моментообразующими векторами / В. Н. Мещеряков, П. Е. Цветков, О. В. Мещерякова // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2013. - № 1 (31). - С. 17-21.Макаров В. Г. Оптимальное управление токами электрических машин / В. Г. Макаров, В. А. Матюшин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 11. - С. 186-194.Макаров В. Г. Оптимальное управление токами электрических машин / В. Г. Макаров, В. А. Матюшин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 11. - С. 186-194.Гарганеев А. Г. Энергосберегающая модификация векторного управления асинхронного двигателя / А. Г. Гарганеев [и др.] // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 7. - С. 130-134.Гарганеев А. Г. Энергосберегающая модификация векторного управления асинхронного двигателя / А. Г. Гарганеев [и др.] // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 7. - С. 130-134.Космодамианский А. С. Системы скалярного управления тяговым асинхронным двигателем / А. С. Космодамианский, В. И. Воробьев, А. А. Пугачев // Электротехника. - 2016. - № 9. - С. 44-50.Космодамианский А. С. Системы скалярного управления тяговым асинхронным двигателем / А. С. Космодамианский, В. И. Воробьев, А. А. Пугачев // Электротехника. - 2016. - № 9. - С. 44-50.Пугачев А. А. Минимизация мощности потерь в электроприводе со скалярной системой управления асинхронным двигателем / А. А. Пугачев // Вестник Череповецкого государственного технического университета. - 2015. - № 3 (64). - С. 32-37.Пугачев А. А. Минимизация мощности потерь в электроприводе со скалярной системой управления асинхронным двигателем / А. А. Пугачев // Вестник Череповецкого государственного технического университета. - 2015. - № 3 (64). - С. 32-37.Васильев Д. А. Энергоэффективное управление асинхронным электродвигателем / Д. А. Васильев [и др.] // Вестник НГИЭИ. - 2019. - № 4 (95). - С 110-115.Васильев Д. А. Энергоэффективное управление асинхронным электродвигателем / Д. А. Васильев [и др.] // Вестник НГИЭИ. - 2019. - № 4 (95). - С 110-115.Носков В. А. М-образная схема замещения асинхронной машины / В. А. Носков // Электричество. - 2012. - № 10. - С. 50-53.Носков В. А. М-образная схема замещения асинхронной машины / В. А. Носков // Электричество. - 2012. - № 10. - С. 50-53.Пат. 2587162 Российская Федерация, МПК H02P 27/06, H02P 23/00, H02P 25/02. Способ энергоэффективного двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя в системе прямого управления моментом / Г. А. Федяева, А. Н. Тарасов, Т. В. Сморудова, Д. В. Конохов; заяв. и патентообл. Брянский государственный технический университет. - № 2015104690/07; заявл. 11.02.2015; опубл. 20.06.2016, Бюл. № 17.Пат. 2587162 Российская Федерация, МПК H02P 27/06, H02P 23/00, H02P 25/02. Способ энергоэффективного двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя в системе прямого управления моментом / Г. А. Федяева, А. Н. Тарасов, Т. В. Сморудова, Д. В. Конохов; заяв. и патентообл. Брянский государственный технический университет. - № 2015104690/07; заявл. 11.02.2015; опубл. 20.06.2016, Бюл. № 17.Пат. 159869 Российская Федерация, МПК H02P 21/12, H02P 25/02, H02P 27/08. Система энергоэффективного двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя с прямым управлением моментом без датчика температуры обмоток / Г. А. Федяева, А. Н. Тарасов, Т. В. Сморудова, Д. В. Конохов; заяв. и патентообл. Брянский государственный технический университет. - № 2015109540/07; заявл. 19.05.2015; опубл. 20.02.2016, Бюл. № 5.Пат. 159869 Российская Федерация, МПК H02P 21/12, H02P 25/02, H02P 27/08. Система энергоэффективного двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя с прямым управлением моментом без датчика температуры обмоток / Г. А. Федяева, А. Н. Тарасов, Т. В. Сморудова, Д. В. Конохов; заяв. и патентообл. Брянский государственный технический университет. - № 2015109540/07; заявл. 19.05.2015; опубл. 20.02.2016, Бюл. № 5.Karlovsky P. Loss Reduction in Induction Motor Drive Using Model Predictive Control / P. Karlovsky, J. Lettl // 2018 10th International Conference on Electronics, Computers and Artificial Intelligence (ECAI). - IEEE, 2018. - Pp. 1-4. DOI: 10.1109/ECAI.2018.8679073.Karlovsky P. Loss Reduction in Induction Motor Drive Using Model Predictive Control / P. Karlovsky, J. Lettl // 2018 10th International Conference on Electronics, Computers and Artificial Intelligence (ECAI). - IEEE, 2018. - Pp. 1-4. DOI: 10.1109/ECAI.2018.8679073.Karlovsky P. Iron Loss Minimization Strategy for Predictive Torque Control of Induction Motor / P. Karlovsky, O. Lipcak, J. Bauer // Electronics. - 2020. - Vol. 9. - Is. 4. - Pp. 566. DOI: 10.3390/electronics9040566.Karlovsky P. Iron Loss Minimization Strategy for Predictive Torque Control of Induction Motor / P. Karlovsky, O. Lipcak, J. Bauer // Electronics. - 2020. - Vol. 9. - Is. 4. - Pp. 566. DOI: 10.3390/electronics9040566.Abdelati R. Optimal control strategy of an induction motor for loss minimization using Pontryaguin principle / R. Abdelati, M. F. Mimouni // European Journal of Control. - 2019. - Vol. 49. - Pp. 94-106. DOI: 10.1016/j.ejcon.2019.02.004.Abdelati R. Optimal control strategy of an induction motor for loss minimization using Pontryaguin principle / R. Abdelati, M. F. Mimouni // European Journal of Control. - 2019. - Vol. 49. - Pp. 94-106. DOI: 10.1016/j.ejcon.2019.02.004.Самосейко В. Ф. Адаптивный алгоритм векторного управления электроприводами с асинхронными электродвигателями / В. Ф. Самосейко // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2019. - Т. 11. - № 1. - С. 156-168. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-1-156-168.Самосейко В. Ф. Адаптивный алгоритм векторного управления электроприводами с асинхронными электродвигателями / В. Ф. Самосейко // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2019. - Т. 11. - № 1. - С. 156-168. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-1-156-168.Пат. 2622183 Российская Федерация, МПК G05B 11/36, H02P 29/00. Быстродействующий адаптивный регулятор частоты вращения электродвигателя / В. А. Хомяк, В. Ф. Самосейко, С. И. Шарашкин, И. В. Гагаринов; заяв. и патентообл. ФГУП «Крыловский государственный научный центр». - № 2015145548; заявл. 22.10.2015; опубл. 13.06.2017, Бюл. № 17.Пат. 2622183 Российская Федерация, МПК G05B 11/36, H02P 29/00. Быстродействующий адаптивный регулятор частоты вращения электродвигателя / В. А. Хомяк, В. Ф. Самосейко, С. И. Шарашкин, И. В. Гагаринов; заяв. и патентообл. ФГУП «Крыловский государственный научный центр». - № 2015145548; заявл. 22.10.2015; опубл. 13.06.2017, Бюл. № 17.Рустамов Г.А. Робастная система управления с повышенным потенциалом / Г. А. Рустамов // Известия Томского политехнического университета. - 2014. - Т. 324. - № 5. - С. 13-20.Рустамов Г.А. Робастная система управления с повышенным потенциалом / Г. А. Рустамов // Известия Томского политехнического университета. - 2014. - Т. 324. - № 5. - С. 13-20.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.