Помощь студентам в учебе
АЛГОРИТМЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ПО КРИВЫМ ЗАТУХАНИЯ ФАЗНЫХ ТОКОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ
ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 12
1.1 Роль и место идентификации параметров схемы замещения асинхронной
электрической машины в современном электроприводе с микропроцессорным управлением 12
1.2 Оценка параметров схемы замещения асинхронной машины по
каталожным данным 18
1.3 Оценка параметров схемы замещения асинхронной машины с применением
испытательного оборудования 20
1.4 Методы предварительной идентификации параметров схемы замещения
асинхронной машины с неподвижным ротором средствами преобразователя частоты 23
1.5 Выводы по первой главе 25
ГЛАВА 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАСТРАИВАЕМОЙ МОДЕЛИ
АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ С НЕПОДВИЖНЫМ ФАЗНЫМ РОТОРОМ 26
2.1 Основные допущения при математическом моделировании асинхронной
машины 26
2.2 Общая методика идентификации параметров настраиваемой модели
динамического объекта по кривой затухания тока 30
2.2.1 Способы избавления от знака невязки 33
2.2.2 Выбор метода минимизации целевой функции 33
2.2.3 Описание метода дифференциальной эволюции 36
2.3 Модель асинхронной машины с фазным ротором в неподвижной жестко
связанной с ротором системе координат и, т 42
2.4 Предварительная идентификация индуктивности фазной обмотки
асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми вторичными обмотками по кривой затухания тока ротора 49
2.4.1 Составление настраиваемой регрессионной модели с учетом
ненулевых начальных условиях 49
2.4.2 Решение задачи минимизации целевой функции методом Ньютона . 53
2.4.3 Решение задачи минимизации целевой функции методом
дифференциальной эволюции 63
2.5 Предварительная идентификация параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с замкнутыми
вторичными обмотками по кривой затухания тока ротора 69
2.5.1 Составление настраиваемой регрессионной модели при ненулевых
начальных условиях 69
2.5.2 Решение задачи минимизации целевой функции методом Ньютона . 77
2.5.3 Решение задачи минимизации целевой функции методом
дифференциальной эволюции 81
2.6. Выводы по второй главе 84
ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАСТРАИВАЕМОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ С НЕПОДВИЖНЫМ КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ 85
3.1 Составление настраиваемой регрессионной модели асинхронной машины с
неподвижным короткозамкнутым ротором в неподвижной жестко связанной со статором системе координат а, р при ненулевых начальных условиях 85
3.2 Предварительная идентификация параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным короткозамкнутым ротором по кривой
затухания тока статора методом дифференциальной эволюции 100
3.3 Выводы по третьей главе 103
ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ
ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОЙ
МАШИНЫ С НЕПОДВИЖНЫМ РОТОРОМ 104
4.1 Техническое описание экспериментальной измерительной установки и анализ ее метрологических характеристик 104
4.2 Работа экспериментальной измерительной установки в режиме снятия
кривой затухания фазного тока асинхронной машины 113
4.3 Апробирование алгоритмов предварительной идентификации параметров
схемы замещения асинхронной машины с фазным ротором 116
4.3.1 Описание испытательного оборудования 116
4.3.2 Сравнение экспериментальной кривой затухания фазного тока ротора
асинхронной машины с фазным ротором с разомкнутыми вторичными обмотками и отклика тока настроенной регрессионной модели 117
4.3.3 Сравнение экспериментальной кривой затухания фазного тока ротора
асинхронной машины с фазным ротором с замкнутыми вторичными обмотками и отклика тока настроенной регрессионной модели 120
4.3.4. Анализ регрессионных остатков 123
4.4 Апробирование алгоритмов предварительной идентификации параметров
схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором 126
4.4.1 Описание испытательного оборудования 126
4.4.2 Сравнение экспериментальной кривой затухания фазного тока статора
асинхронной машины с короткозамкнутым ротором и отклика тока настроенной регрессионной модели 128
4.4.3 Описание нагрузочного стенда 130
4.4.4 Инженерная методика настройки векторной системы управления на основе идентифицированных параметров схемы замещения асинхронной
машины с короткозамкнутым ротором 135
4.4.5. Тестирование векторного электропривода, настроенного на основе оцененных параметров схемы замещения, с использованием нагрузочного стенда 142
4.5 Выводы по четвертой главе 144
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 145
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 147
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148
ПРИЛОЖЕНИЯ 162
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ
ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 12
1.1 Роль и место идентификации параметров схемы замещения асинхронной
электрической машины в современном электроприводе с микропроцессорным управлением 12
1.2 Оценка параметров схемы замещения асинхронной машины по
каталожным данным 18
1.3 Оценка параметров схемы замещения асинхронной машины с применением
испытательного оборудования 20
1.4 Методы предварительной идентификации параметров схемы замещения
асинхронной машины с неподвижным ротором средствами преобразователя частоты 23
1.5 Выводы по первой главе 25
ГЛАВА 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАСТРАИВАЕМОЙ МОДЕЛИ
АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ С НЕПОДВИЖНЫМ ФАЗНЫМ РОТОРОМ 26
2.1 Основные допущения при математическом моделировании асинхронной
машины 26
2.2 Общая методика идентификации параметров настраиваемой модели
динамического объекта по кривой затухания тока 30
2.2.1 Способы избавления от знака невязки 33
2.2.2 Выбор метода минимизации целевой функции 33
2.2.3 Описание метода дифференциальной эволюции 36
2.3 Модель асинхронной машины с фазным ротором в неподвижной жестко
связанной с ротором системе координат и, т 42
2.4 Предварительная идентификация индуктивности фазной обмотки
асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми вторичными обмотками по кривой затухания тока ротора 49
2.4.1 Составление настраиваемой регрессионной модели с учетом
ненулевых начальных условиях 49
2.4.2 Решение задачи минимизации целевой функции методом Ньютона . 53
2.4.3 Решение задачи минимизации целевой функции методом
дифференциальной эволюции 63
2.5 Предварительная идентификация параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с замкнутыми
вторичными обмотками по кривой затухания тока ротора 69
2.5.1 Составление настраиваемой регрессионной модели при ненулевых
начальных условиях 69
2.5.2 Решение задачи минимизации целевой функции методом Ньютона . 77
2.5.3 Решение задачи минимизации целевой функции методом
дифференциальной эволюции 81
2.6. Выводы по второй главе 84
ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАСТРАИВАЕМОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ С НЕПОДВИЖНЫМ КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ 85
3.1 Составление настраиваемой регрессионной модели асинхронной машины с
неподвижным короткозамкнутым ротором в неподвижной жестко связанной со статором системе координат а, р при ненулевых начальных условиях 85
3.2 Предварительная идентификация параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным короткозамкнутым ротором по кривой
затухания тока статора методом дифференциальной эволюции 100
3.3 Выводы по третьей главе 103
ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ
ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОЙ
МАШИНЫ С НЕПОДВИЖНЫМ РОТОРОМ 104
4.1 Техническое описание экспериментальной измерительной установки и анализ ее метрологических характеристик 104
4.2 Работа экспериментальной измерительной установки в режиме снятия
кривой затухания фазного тока асинхронной машины 113
4.3 Апробирование алгоритмов предварительной идентификации параметров
схемы замещения асинхронной машины с фазным ротором 116
4.3.1 Описание испытательного оборудования 116
4.3.2 Сравнение экспериментальной кривой затухания фазного тока ротора
асинхронной машины с фазным ротором с разомкнутыми вторичными обмотками и отклика тока настроенной регрессионной модели 117
4.3.3 Сравнение экспериментальной кривой затухания фазного тока ротора
асинхронной машины с фазным ротором с замкнутыми вторичными обмотками и отклика тока настроенной регрессионной модели 120
4.3.4. Анализ регрессионных остатков 123
4.4 Апробирование алгоритмов предварительной идентификации параметров
схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором 126
4.4.1 Описание испытательного оборудования 126
4.4.2 Сравнение экспериментальной кривой затухания фазного тока статора
асинхронной машины с короткозамкнутым ротором и отклика тока настроенной регрессионной модели 128
4.4.3 Описание нагрузочного стенда 130
4.4.4 Инженерная методика настройки векторной системы управления на основе идентифицированных параметров схемы замещения асинхронной
машины с короткозамкнутым ротором 135
4.4.5. Тестирование векторного электропривода, настроенного на основе оцененных параметров схемы замещения, с использованием нагрузочного стенда 142
4.5 Выводы по четвертой главе 144
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 145
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 147
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148
ПРИЛОЖЕНИЯ 162
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день в силу общеизвестных и подтвержденных многими годами успешной эксплуатации положительных качеств асинхронные электрические машины [1, 2] нашли широкое применение в различных сферах промышленности [3]. К основным достоинствам асинхронной машины (АМ) относятся простота конструкции, относительно низкая себестоимость, возможность выдерживать кратковременные токовые перегрузки, отсутствие щёточно-коллекторного узла и дорогостоящих редкоземельных магнитов [4, 5].
Развитие принципов теории управления асинхронными регулируемыми электроприводами (ЭП) привело к появлению различных методов управления [6, 7], реализованных в программном обеспечении (ПО) современных микропроцессорных преобразователей частоты (ПЧ) [8]. К таким методам управления относятся скалярное, векторное и прямое управление моментом в различных модификациях и комбинациях [9-11]. Перечисленные методы управления имеют свои области применения и в разной степени требовательны к наличию информации об электромагнитных параметрах математической модели АМ, применяемой в составе электропривода [12]. Задание некорректных настроек системы управления, базирующихся в наибольшей степени именно на параметрах математической модели АМ, может приводить к ухудшению показателей качества регулирования, снижению энергоэффективности [13-18] либо полной неработоспособности асинхронного ЭП [19].
Для математического описания процессов, происходящих в электрической подсистеме регулируемой АМ, наибольшее распространение получила Т-образная схема замещения без учета потерь в магнитопроводе [20, 21]. Для регулируемых АМ необходимо определять оценки следующих параметров Т-образной схемы замещения: активных сопротивлений статорной и роторной обмоток, индуктивностей рассеяния статорной и роторной обмоток, а также индуктивности главного контура намагничивания. На основе прямых измерений электрических величин в фазных обмотках АМ возможно получить оценки следующих параметров T-образной схемы замещения [22-25]: активного сопротивления статорной обмотки, а также активного сопротивления роторной обмотки для АМ с фазным ротором (ФР) [26-32]. Нахождение остальных оценок электромагнитных параметров T-образной схемы замещения АМ с фазным и короткозамкнутым ротором требует применения методов предварительной [33] и динамической [34] идентификации [35, 36].
Большинство отечественных ПЧ не имеют встроенной универсальной опции по нахождению оценок параметров схемы замещения АМ, что в свою очередь является стандартом для наиболее продвинутых зарубежных производителей, таких как Siemens, Danfoss, ABB, Schneider electric и др [37]. Таким образом, развитие алгоритмов предварительной идентификации особенно актуально при разработке программного обеспечения для ПЧ отечественного производства.
Степень разработанности темы диссертации. Особенность методов предварительной идентификации заключается в определении параметров схемы замещения до ввода АМ в эксплуатацию. Существенный вклад в создание и усовершенствование методов предварительной идентификации внесли многие российские и зарубежные ученые: Каширских В.Г., Ещин Е.К., Копылов И.П., Беспалов В.Я., Анучин А.С., Алямкин Д.И., Панкратов В.В., Нос О.В., Калачев Ю.Н., Шрейнер Р.Т., Зюзев А.М., Ковалев В.З., Глазырин А.С., Боловин Е.В., Виноградов А.Б., Макаров В.Г., Козярук А.Е., Сивокобыленко В.Ф., П. Эйкхофф, B.K. Bose, G. Girrincione, M. Cirincione и другие.
Не снижающаяся по настоящее время интенсивность публикаций по тематике предварительной идентификации параметров АМ как в отечественных, так и в зарубежных изданиях, подтверждает актуальность выбранной тематики.
Объектом исследования является регулируемая асинхронная электрическая машина в составе рабочего комплекса.
Предметом исследования является математическое и алгоритмическое обеспечение микропроцессорных систем управления, которые осуществляют идентификацию, диагностику и управление асинхронными машинами.
Идея работы заключается в нахождении оценок параметров схемы замещения асинхронных машин в составе рабочих комплексов по кривым затухания фазных токов.
Целью диссертационной работы является разработка и апробирование алгоритмов предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронных машин в составе рабочих комплексов на основе настраиваемых регрессионных моделей с применением классических и метаэвристических методов оптимизации.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Получить настраиваемые регрессионные модели асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором при учете ненулевых начальных условий, описывающие процессы затухания фазного тока, для их дальнейшего применения в алгоритмах предварительной идентификации параметров;
2. Разработать алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с фазным и короткозамкнутым ротором с применением классических и метаэвристических методов оптимизации при условии зашумленности исходных данных;
3. Численно проверить сходимость разработанных алгоритмов предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронных машин с использованием модельных и экспериментальных данных с позиции анализа регрессионных остатков;
4. Произвести апробацию функционирования алгоритма предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором при настройке электропривода с векторной системой управления.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. На основе системы дифференциальных уравнений получены настраиваемые регрессионные модели, аналитически описывающие кривые затухания фазного тока ротора асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками при учете ненулевых начальных условий, позволяющие вычислять частные производные по оцениваемым параметрам схемы замещения;
2. На основе системы дифференциальных уравнений получена настраиваемая регрессионная модель, аналитически описывающая кривую затухания фазного тока статора асинхронной машины с неподвижным короткозамкнутым ротором при учете ненулевых начальных условий, позволяющая вычислять частные производные по оцениваемым параметрам схемы замещения;
3. Разработаны и апробированы алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками по кривым затухания фазного тока ротора методом Ньютона, являющиеся гарантировано сходящимися, что обеспечивается обоснованным выбором начальных приближений;
4. Разработаны и апробированы алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором по кривым затухания фазного тока методом дифференциальной эволюции, являющиеся гарантировано сходящимися не зависимо от способа избавления от знака невязки, что обеспечивается ограничением поискового пространства в заданных пределах, имеющих физический смысл, а также равномерным распределением особей начальной популяции в полученном многомерном поисковом пространстве.
Теоретическая значимость диссертации:
Разработанные настраиваемые регрессионные аналитические математические модели асинхронных машин с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором, описывающие процесс затухания фазного тока, позволяют вычислять частные производные целевой функции по оцениваемым параметрам схемы замещения при учете ненулевых начальных условий.
Практическая значимость диссертации:
1. На базе трехфазного преобразователя частоты реализована электротехническая установка, позволяющая производить и регистрировать характеристики переходного процесса затухания фазных токов в обмотках асинхронных машин, а также определять на их основе оценки параметров схемы замещения с использованием разработанных алгоритмов предварительной идентификации;
2. Подтверждена применимость оценок параметров схемы замещения, полученных с помощью разработанных алгоритмов предварительной идентификации, при настройке векторного электропривода запорной арматуры, испытания которого производились с использованием нагрузочного стенда.
На защиту выносятся:
1. Аналитические выражения, описывающие кривые затухания фазного тока ротора асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками при учете ненулевых начальных условий;
2. Аналитическое выражение, описывающее кривую затухания фазного тока статора асинхронной машины с неподвижным короткозамкнутым ротором при учете ненулевых начальных условий;
3. Разработанные и апробированные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками по кривым затухания фазного тока ротора методом Ньютона;
4. Разработанные и апробированные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором по кривым затухания фазного тока методом дифференциальной эволюции.
Степень достоверности научных исследований и результатов диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, апробированием разработанных алгоритмов предварительной идентификации на электротехнической установке, качественным и количественным сопоставлением модельных и экспериментальных данных.
Методы диссертационного исследования. В диссертационной работе при решении поставленных задач нашли применение теоретические и экспериментальные методы исследования. К теоретическим методам относятся: теория электропривода, теория систем автоматического управления, теория электрических машин, теория дифференциальных уравнений, методы составления и решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, прямое и обратное преобразование Лапласа, методы оптимизации, такие как метод Ньютона и метод дифференциальной эволюции. К экспериментальным методам относятся: моделирование, регрессионный анализ.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Matlab R2020a, Mathcad 14.
Реализация результатов работы. Представленные в диссертационной работе алгоритмы предварительной идентификации реализованы на языке С в программном обеспечении (ПО) микроконтроллера STM32F407VG электротехнической установки, применяемой на предприятии АО «ЭлеСи» (г. Томск) для снятия кривых затухания фазных токов и определения на их основе оценок параметров схемы замещения АМ. Получаемые оценки параметров схемы замещения АМ, согласно представленной в диссертационной работе инженерной методике, применяются для настройки векторной системы управления блока управления электроприводом запорной арматуры ESD-VCX производства АО «ЭлеСи» (г. Томск), что подтверждено соответствующим актом.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Рассматриваемая область исследования соответствует паспорту специальности 05.09.01 - «Электромеханика и электрические аппараты» по пункту 5: «Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надежность, контроль и диагностику функционирования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на II Всероссийской научно-методической конференции «Современные технологии, экономика и образование», г. Томск, 2020 г., с. 23-25; кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок», НГТУ НЭТИ, г. Новосибирск; кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок», УрФУ, г. Екатеринбург; кафедре «Автоматизированного электропривода», МЭИ, г. Москва.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 7 печатных работах, которые включают в себя 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 2 публикации, индексируемые в реферативной базе SCOPUS, 1 публикацию в журнале, входящем в перечень РИНЦ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 тезис доклада в материалах конференции.
Личный вклад автора. Все разработки и научные результаты, выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии. Экспериментальные исследования и программная реализация выполнялась автором лично. Соискатель имеет три статьи в рецензируемых журналах без соавторов.
Развитие принципов теории управления асинхронными регулируемыми электроприводами (ЭП) привело к появлению различных методов управления [6, 7], реализованных в программном обеспечении (ПО) современных микропроцессорных преобразователей частоты (ПЧ) [8]. К таким методам управления относятся скалярное, векторное и прямое управление моментом в различных модификациях и комбинациях [9-11]. Перечисленные методы управления имеют свои области применения и в разной степени требовательны к наличию информации об электромагнитных параметрах математической модели АМ, применяемой в составе электропривода [12]. Задание некорректных настроек системы управления, базирующихся в наибольшей степени именно на параметрах математической модели АМ, может приводить к ухудшению показателей качества регулирования, снижению энергоэффективности [13-18] либо полной неработоспособности асинхронного ЭП [19].
Для математического описания процессов, происходящих в электрической подсистеме регулируемой АМ, наибольшее распространение получила Т-образная схема замещения без учета потерь в магнитопроводе [20, 21]. Для регулируемых АМ необходимо определять оценки следующих параметров Т-образной схемы замещения: активных сопротивлений статорной и роторной обмоток, индуктивностей рассеяния статорной и роторной обмоток, а также индуктивности главного контура намагничивания. На основе прямых измерений электрических величин в фазных обмотках АМ возможно получить оценки следующих параметров T-образной схемы замещения [22-25]: активного сопротивления статорной обмотки, а также активного сопротивления роторной обмотки для АМ с фазным ротором (ФР) [26-32]. Нахождение остальных оценок электромагнитных параметров T-образной схемы замещения АМ с фазным и короткозамкнутым ротором требует применения методов предварительной [33] и динамической [34] идентификации [35, 36].
Большинство отечественных ПЧ не имеют встроенной универсальной опции по нахождению оценок параметров схемы замещения АМ, что в свою очередь является стандартом для наиболее продвинутых зарубежных производителей, таких как Siemens, Danfoss, ABB, Schneider electric и др [37]. Таким образом, развитие алгоритмов предварительной идентификации особенно актуально при разработке программного обеспечения для ПЧ отечественного производства.
Степень разработанности темы диссертации. Особенность методов предварительной идентификации заключается в определении параметров схемы замещения до ввода АМ в эксплуатацию. Существенный вклад в создание и усовершенствование методов предварительной идентификации внесли многие российские и зарубежные ученые: Каширских В.Г., Ещин Е.К., Копылов И.П., Беспалов В.Я., Анучин А.С., Алямкин Д.И., Панкратов В.В., Нос О.В., Калачев Ю.Н., Шрейнер Р.Т., Зюзев А.М., Ковалев В.З., Глазырин А.С., Боловин Е.В., Виноградов А.Б., Макаров В.Г., Козярук А.Е., Сивокобыленко В.Ф., П. Эйкхофф, B.K. Bose, G. Girrincione, M. Cirincione и другие.
Не снижающаяся по настоящее время интенсивность публикаций по тематике предварительной идентификации параметров АМ как в отечественных, так и в зарубежных изданиях, подтверждает актуальность выбранной тематики.
Объектом исследования является регулируемая асинхронная электрическая машина в составе рабочего комплекса.
Предметом исследования является математическое и алгоритмическое обеспечение микропроцессорных систем управления, которые осуществляют идентификацию, диагностику и управление асинхронными машинами.
Идея работы заключается в нахождении оценок параметров схемы замещения асинхронных машин в составе рабочих комплексов по кривым затухания фазных токов.
Целью диссертационной работы является разработка и апробирование алгоритмов предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронных машин в составе рабочих комплексов на основе настраиваемых регрессионных моделей с применением классических и метаэвристических методов оптимизации.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Получить настраиваемые регрессионные модели асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором при учете ненулевых начальных условий, описывающие процессы затухания фазного тока, для их дальнейшего применения в алгоритмах предварительной идентификации параметров;
2. Разработать алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с фазным и короткозамкнутым ротором с применением классических и метаэвристических методов оптимизации при условии зашумленности исходных данных;
3. Численно проверить сходимость разработанных алгоритмов предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронных машин с использованием модельных и экспериментальных данных с позиции анализа регрессионных остатков;
4. Произвести апробацию функционирования алгоритма предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором при настройке электропривода с векторной системой управления.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. На основе системы дифференциальных уравнений получены настраиваемые регрессионные модели, аналитически описывающие кривые затухания фазного тока ротора асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками при учете ненулевых начальных условий, позволяющие вычислять частные производные по оцениваемым параметрам схемы замещения;
2. На основе системы дифференциальных уравнений получена настраиваемая регрессионная модель, аналитически описывающая кривую затухания фазного тока статора асинхронной машины с неподвижным короткозамкнутым ротором при учете ненулевых начальных условий, позволяющая вычислять частные производные по оцениваемым параметрам схемы замещения;
3. Разработаны и апробированы алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками по кривым затухания фазного тока ротора методом Ньютона, являющиеся гарантировано сходящимися, что обеспечивается обоснованным выбором начальных приближений;
4. Разработаны и апробированы алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором по кривым затухания фазного тока методом дифференциальной эволюции, являющиеся гарантировано сходящимися не зависимо от способа избавления от знака невязки, что обеспечивается ограничением поискового пространства в заданных пределах, имеющих физический смысл, а также равномерным распределением особей начальной популяции в полученном многомерном поисковом пространстве.
Теоретическая значимость диссертации:
Разработанные настраиваемые регрессионные аналитические математические модели асинхронных машин с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором, описывающие процесс затухания фазного тока, позволяют вычислять частные производные целевой функции по оцениваемым параметрам схемы замещения при учете ненулевых начальных условий.
Практическая значимость диссертации:
1. На базе трехфазного преобразователя частоты реализована электротехническая установка, позволяющая производить и регистрировать характеристики переходного процесса затухания фазных токов в обмотках асинхронных машин, а также определять на их основе оценки параметров схемы замещения с использованием разработанных алгоритмов предварительной идентификации;
2. Подтверждена применимость оценок параметров схемы замещения, полученных с помощью разработанных алгоритмов предварительной идентификации, при настройке векторного электропривода запорной арматуры, испытания которого производились с использованием нагрузочного стенда.
На защиту выносятся:
1. Аналитические выражения, описывающие кривые затухания фазного тока ротора асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками при учете ненулевых начальных условий;
2. Аналитическое выражение, описывающее кривую затухания фазного тока статора асинхронной машины с неподвижным короткозамкнутым ротором при учете ненулевых начальных условий;
3. Разработанные и апробированные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками по кривым затухания фазного тока ротора методом Ньютона;
4. Разработанные и апробированные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором по кривым затухания фазного тока методом дифференциальной эволюции.
Степень достоверности научных исследований и результатов диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, апробированием разработанных алгоритмов предварительной идентификации на электротехнической установке, качественным и количественным сопоставлением модельных и экспериментальных данных.
Методы диссертационного исследования. В диссертационной работе при решении поставленных задач нашли применение теоретические и экспериментальные методы исследования. К теоретическим методам относятся: теория электропривода, теория систем автоматического управления, теория электрических машин, теория дифференциальных уравнений, методы составления и решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, прямое и обратное преобразование Лапласа, методы оптимизации, такие как метод Ньютона и метод дифференциальной эволюции. К экспериментальным методам относятся: моделирование, регрессионный анализ.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Matlab R2020a, Mathcad 14.
Реализация результатов работы. Представленные в диссертационной работе алгоритмы предварительной идентификации реализованы на языке С в программном обеспечении (ПО) микроконтроллера STM32F407VG электротехнической установки, применяемой на предприятии АО «ЭлеСи» (г. Томск) для снятия кривых затухания фазных токов и определения на их основе оценок параметров схемы замещения АМ. Получаемые оценки параметров схемы замещения АМ, согласно представленной в диссертационной работе инженерной методике, применяются для настройки векторной системы управления блока управления электроприводом запорной арматуры ESD-VCX производства АО «ЭлеСи» (г. Томск), что подтверждено соответствующим актом.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Рассматриваемая область исследования соответствует паспорту специальности 05.09.01 - «Электромеханика и электрические аппараты» по пункту 5: «Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надежность, контроль и диагностику функционирования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на II Всероссийской научно-методической конференции «Современные технологии, экономика и образование», г. Томск, 2020 г., с. 23-25; кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок», НГТУ НЭТИ, г. Новосибирск; кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок», УрФУ, г. Екатеринбург; кафедре «Автоматизированного электропривода», МЭИ, г. Москва.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 7 печатных работах, которые включают в себя 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 2 публикации, индексируемые в реферативной базе SCOPUS, 1 публикацию в журнале, входящем в перечень РИНЦ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 тезис доклада в материалах конференции.
Личный вклад автора. Все разработки и научные результаты, выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии. Экспериментальные исследования и программная реализация выполнялась автором лично. Соискатель имеет три статьи в рецензируемых журналах без соавторов.
1. Полученные на основании системы дифференциальных уравнений аналитические выражения, описывающие кривые затухания фазного тока асинхронной машины с фазным и короткозамкнутым ротором, позволяют вычислять частные производные по оцениваемым параметрам схемы замещения. Это делает возможным их применение в качестве настраиваемых регрессионных моделей при построении алгоритмов предварительной идентификации, как с помощью классических, так и с помощью метаэвристических методов оптимизации оцениваемых параметров.
2. Разработанные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками по кривой затухания фазного тока ротора методом Ньютона демонстрируют гарантированную сходимость, что обеспечивается обоснованным выбором начальных приближений. Алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения методом Ньютона демонстрируют высокую скорость сходимости, однако составление итерационной процедуры требует вычисления значительного числа частных производных целевой функции по оцениваемым параметрам, что затрудняет их программную реализацию.
3. Разработанные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором по кривым затухания фазного тока методом дифференциальной эволюции демонстрируют гарантированную сходимость не зависимо от способа избавления от знака невязки, что обеспечивается ограничением поискового пространства в заданных пределах, имеющих физический смысл. Алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения методом дифференциальной эволюции демонстрируют более низкую скорость сходимости по сравнению с методом Ньютона. Это, однако, компенсируется простотой программной реализации итерационной процедуры, для организации которой не требуется вычисление частных производных целевой функции по оцениваемым параметрам.
4. На основании данных, полученных на электротехнической установке, произведена апробация разработанных алгоритмов предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с фазным и короткозамкнутым ротором методами Ньютона и дифференциальной эволюции. Анализ регрессионных остатков с использованием трех критериев: визуального анализа, критерия Стьюдента и критерия Дарби-Уотсона, а также определенный уровень интегральной погрешности (не более 5%) свидетельствуют о корректности допущений, принятых при составлении настраиваемых регрессионных моделей для рассматриваемого режима работы асинхронной машины, а также об устойчивой сходимости разработанных алгоритмов предварительной идентификации.
5. Произведенная на базе нагрузочного стенда апробация функционирования разработанного алгоритма предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в составе электропривода запорной арматуры свидетельствует о применимости на практике полученных оценок параметров при настройке векторной системы управления.
2. Разработанные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным ротором с разомкнутыми и замкнутыми вторичными обмотками по кривой затухания фазного тока ротора методом Ньютона демонстрируют гарантированную сходимость, что обеспечивается обоснованным выбором начальных приближений. Алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения методом Ньютона демонстрируют высокую скорость сходимости, однако составление итерационной процедуры требует вычисления значительного числа частных производных целевой функции по оцениваемым параметрам, что затрудняет их программную реализацию.
3. Разработанные алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с неподвижным фазным и короткозамкнутым ротором по кривым затухания фазного тока методом дифференциальной эволюции демонстрируют гарантированную сходимость не зависимо от способа избавления от знака невязки, что обеспечивается ограничением поискового пространства в заданных пределах, имеющих физический смысл. Алгоритмы предварительной идентификации параметров схемы замещения методом дифференциальной эволюции демонстрируют более низкую скорость сходимости по сравнению с методом Ньютона. Это, однако, компенсируется простотой программной реализации итерационной процедуры, для организации которой не требуется вычисление частных производных целевой функции по оцениваемым параметрам.
4. На основании данных, полученных на электротехнической установке, произведена апробация разработанных алгоритмов предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с фазным и короткозамкнутым ротором методами Ньютона и дифференциальной эволюции. Анализ регрессионных остатков с использованием трех критериев: визуального анализа, критерия Стьюдента и критерия Дарби-Уотсона, а также определенный уровень интегральной погрешности (не более 5%) свидетельствуют о корректности допущений, принятых при составлении настраиваемых регрессионных моделей для рассматриваемого режима работы асинхронной машины, а также об устойчивой сходимости разработанных алгоритмов предварительной идентификации.
5. Произведенная на базе нагрузочного стенда апробация функционирования разработанного алгоритма предварительной идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в составе электропривода запорной арматуры свидетельствует о применимости на практике полученных оценок параметров при настройке векторной системы управления.
