Аннотация. 
Энергосберегающие регуляторы для систем автоматизированного электропривода

В статье представлен подход к нахождению алгоритмов автоматического управления электрическими приводами постоянного и переменного тока, обеспечивающих минимизацию потерь энергии во всем диапазоне механической нагрузки. Данный подход основан на использовании математических условий минимизации потерь в электрических двигателях и применении теории и методов синергетического синтеза нелинейных систем управления. В качестве примера рассмотрено решение задачи синтеза алгоритмов энергосберегающего управления асинхронным электроприводом. Теоретические выводы подтверждены результатами компьютерного моделирования замкнутой системы.

Ключевые слова: электрический привод, автоматическое управление, задача синтеза регулятора, энергосбережение.

Проблема энергосберегающего управления электроприводами

В последние годы отмечается интенсификация фундаментальных и прикладных исследований, направленных на поиск путей рационального использования энергетических ресурсов и создание энергосберегающих технологий. Энергосбережение входит в число приоритетных направлений развития науки, техники и технологий в РФ, составляет основу различных научно-технических программ федерального и отраслевого уровня, а соответствующие разработки обладают очевидным инновационным потенциалом. электрический ток асинхронный Основным потребителем электрической энергии являются электрические приводы (ЭП), работающие в составе различных промышленных и транспортных установок и агрегатов. Для повышения энергетической эффективности процессов в ЭП используются разные технические решения, связанные с изменением режимов работы силовых преобразователей [1, 2]; рациональным выбором структуры всей системы; использованием автоматических регуляторов и др.

Отдельный интерес представляет задача нахождения алгоритмов энергосберегающего управления, позволяющих существенно снизить уровень энергетических потерь в силовых каналах ЭП при заданных характеристиках полезной нагрузки со стороны приводимого механизма.

При проектировании автоматических регуляторов для систем промышленного и тягового ЭП, как правило, используется принцип подчиненного регулирования, предложенный полувека назад и основанный на идее определения параметров типовых регуляторов (П, ПИ, ПИД), исходя из желаемых свойств замкнутой линейной системы. Применение таких алгоритмов для ЭП переменных тока (системы типа «Transvector») основано на искусственной сепарации каналов управления и игнорировании внутрисистемных взаимодействий. Это приводит к снижению надежности системы и трудностях настройки регуляторов. Очевидно также, что алгоритмическая база существующих систем управления ЭП морально устарела.

Несмотря на появление новых направлений теории автоматического и совершенствование элементной базы современных микропроцессорных систем управления, существенного прорыва в решении проблемы проектирования энергосберегающих регуляторов для ЭП не наблюдается. Потребители предпочитают использовать готовые технические решения, закупая ЭП зарубежных производителей со встроенными и морально устаревшими алгоритмами управления и пытаясь состыковать их с конкретным технологическим оборудованием. При этом вопросы максимального эффективного использования электроэнергии в силовых каналах ЭП зачастую даже не поднимаются.

Анализ публикаций по тематике энергосберегающего управления ЭП показывает, что задача нахождения алгоритмов энергосберегающего управления ЭП решается одним из трех способов [3 — 6]. Первый из них основан на контроле энергетических показателей системы (коэффициента мощности, скольжения) с компенсацией их отклонения от заданного значения посредством типового регулятора. Второй подход предполагает использование математической модели ЭП для формирования критериев управления ЭП. При этом считается, что структура системы управления (алгоритм управления) остается стандартной. Третий подход использует принцип текущего поиска (текущей адаптации), основанный на оптимизации переменных ЭП (максимум КПД, минимум потребляемой мощности и др.) в процессе эксплуатации.

Таким образом, при организации энергосберегающего управления ЭП задача синтеза как задача определения структуры энергосберегающего регулятора фактически не решается, а используются типовые решения. Исключение составляют отдельные результаты, полученные для определенных типов ЭП и основанные на использовании упрощенных моделей динамики [7, 8].

Принципиальное отличие подхода, который излагается в настоящей статье, от существующих, состоит в том, что алгоритмы автоматического управления ЭП получаются аналитическим путем на основании наиболее адекватных нелинейных моделей динамики, а также формализованных условий минимизации потерь энергии. Таким образом, энергосберегающих эффект, заключающийся в обеспечении максимального КПД электрического двигателя при варьировании скорости и механической нагрузки, будет достигаться за счет самого алгоритма, а не за счет реализации поисковых процедур и дополнительной настройки системы.