Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010, № 3. Часть 4

Федеральное агентство по образованию 
 
Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
              65 лет Победы  
в Великой Отечественной войне 
 80 лет 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 3 
 
 
Часть 4 
 
 
 
 
 
 
Издательство ТулГУ 
Тула 2010 

ISSN 2071-6168 
 
УДК 62-83 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 
Ч. 4. 262 с. 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области автоматизированного электропривода, теоретические основы электропривода, 
программные и технические средства технологического применения автоматизированного электропривода в машиностроении, нефтегазовой и оборонной промышленности, энерго- и ресурсосбережение средствами электропривода, вопросы подготовки и переподготовки инженерных и 
научных кадров по электроприводу.  
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, В.А. АЛФЕРОВ, И.А. БАТАНИНА, 
О.И. БОРИСКИН, 
В.И. ИВАНОВ, 
В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, 
А.Н. ЧУКОВ, Е.А. ФЕДОРОВА, А.А. ХАДАРЦЕВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), В.С Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), 
В.Б. Морозов (отв. секретарь), А.Е. Гвоздев, А.Н. Иноземцев, А.Б.  Копылов, 
Е.А. Макарецкий, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, П.Г. Сидоров, В.М. Степанов, 
А.А.Трещёв, С.С. Яковлев, А.С. Ямников 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
© Авторы научных статей, 2010 
© Издательство ТулГУ, 2010 

ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ СРЕДСТВАМИ  
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
 
 
УДК 620.9:502.14:62.83 
И.Я. Браславский, д-р техн. наук, проф, зав. кафедрой, (343) 375-45-66, 
braslav@ep.etf.ustu.ru (Россия, Екатеринбург, УрФУ), 
А.В. Костылев, канд. техн. наук, доц., (343) 375-45-66, 
kostylev@ep.etf.ustu.ru (Россия, Екатеринбург, УрФУ), 
Д.В. Цибанов, асп., (343) 375-45-66,  
dmitry.tsibanоv@gmail.com (Россия, Екатеринбург, УрФУ) 
 
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ  
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ  
С ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ 
 
Рассматривается возможность оптимизации энергопотребления частотнорегулируемых электроприводов при работе с циклической нагрузкой. Приводится алгоритм работы системы. Выполнено сравнение потерь энергии исследуемого варианта с 
оптимальным управлением по минимуму тока статора в статических режимах. 
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, оптимизации энергопотребления, алгоритм работы системы, сравнение потерь энергии. 
 
Введение 
Энергосбережение, снижение электропотребления, как направление 
инженерной деятельности,  приобретает в последнее время особую актуальность. Энергосбережение является наиболее дешевым и безопасным 
способом увеличения энергогенерирующих мощностей поскольку затраты 
на экономию одного киловатта мощности обходится в 4 - 5 раз дешевле, 
чем стоимость вновь вводимого киловатта мощности [1]. С другой стороны, развитие интеллектуальных возможностей управляющих систем позволяет рассмотреть новые подходы к решению известных задач обеспечения энергоэффективности.  
В данной работе рассматривается задача обеспечения энергоэффективной работы частотно-регулируемых электроприводов с переменной, 
плавно меняющейся нагрузкой (такой характер нагрузки имеют, например, 

Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 4 

 
4

станки-качалки) при использовании поисковых алгоритмов оптимизации. 
Несмотря на широкую известность поисковых экстремальных систем регулирования, широкое применение они получают только последнее время 
благодаря доступности мощных управляющих цифровых систем. 
Принцип работы поисковой системы основан на вариации закона 
периодического изменения потока ротора для асинхронного электропривода с векторным управлением с целью минимизации потерь энергии на 
цикле нагрузки. Для механизмов, работающих продолжительное время, 
оптимизация может быть выполнена непосредственно на объекте без предварительного обучения и настройки. Это существенно сокращает время на 
проектирование и наладку оборудования, а также обеспечивает универсализацию подхода. 
Модель исследуемой системы 
Для решения задачи оптимизации используется упрощённая модель 
векторной системы регулирования без учета динамики контуров регулирования токов статора. Также предполагется идеальной ориентация системы 
координат. Такое допущение возможно при анализе относительно медленных процессов в объекте. Структурная схема исследуемой системы приведена на рис. 1. 
 

 
 
Рис. 1. Структурная схема векторной САР скорости: 
РПС – регулятор потокосцепления ротора; ЗПС – звено 
потокосцепления; РС – регулятор скорости; РМ – регулятор момента 
 
Отметим, что в оптимизируемой системе решение технологической 
задачи (регулирование скорости) выполняется независимо от оптимизации 
энергопотребления. Таким образом, технологический процесс не требует 
коррекции. 
Анализ потерь мощности выполнялся путём интегрирования выражений для составляющих потерь по времени, вычисление составляющих 
потерь производилось по методике, предложенной в [2]: 
 

)
(
2
2

r
r
s
s
N
ýë
i
r
i
r
p
+
ξ
=
Δ
 – электрические потери, 

Энерго- и ресурсосбережение средствами электропривода 

 
5

⎟⎟
⎠

⎞
⎜⎜
⎝

⎛
ψ
ψ
ω
+
ω
=
Δ
mN

m
s
â
s
ã
ìàã
k
k
p
)
(
2

 
– магнитные потери, 

2
s
äîá
äîá
i
k
p
=
Δ
 – добавочные потери. 
 
Механические потери были исключены из рассмотрения, поскольку 
при данной постановке задачи система работает практически с неизменной 
скоростью, что делает эти потери постоянными. 
Механическая нагрузка представлена периодическим полигармоническим сигналом 
∑
+
ω
=
co
i
i
c
m
t
a
m
)
sin(
 Для упрощения представления 
результатов здесь рассмотрены процессы только при синусоидальном изменении момента нагрузки со смещением 
co
m
 и периодом 10 с. Назовем 
данный процесс тестовым. 
В качестве алгоритма оптимизации может быть рассмотрено несколько вариантов в зависимости от сложности математического представления оптимизируемой зависимости потокосцепления. Так.  при 
сплайновом представлении кривой с большим количеством параметров 
хорошо зарекомендовал себя метод генетической оптимизации [4]. Однако 
в данном случае количество параметров невелико, что позволяет воспользоваться более простыми методами, например симплексной оптимизации. 
При наличии возможности корректного измерения параметров двигателя 
следует минимизировать непосредственно вычисленные потери энергии за 
цикл. Однако, если это нежелательно (например, при существенных изменениях параметров), целесообразно минимизировать значение интеграла 
квадрата тока статора на цикле нагрузки. Ухудшение энергоэффективности в данном случае незначительно [3]. 
 Процессы в системе электропривода с циклической нагрузкой 
Амплитуда, фаза и начальная точка синусоиды момента нагрузки 
подбирались так, чтобы потери в системе были близки к потерям при работе с постоянной нагрузке в номинальном режиме. Полученное при данных 
параметрах синусоиды значение потерь энергии ΔWN принято за базовое 
значение. 
Для оценки алгоритма оптимизации в сравнении рассмотрены три 
варианта управления потокосцеплением ротора при заданном тестовом 
графике нагрузки: 

1. 
rN
r
ψ
=
ψ*
, графики потерь энергии для данного случая приведены на рис.2.; 
2. 
(
)
(
)
t
f
r
α
=
Ψ
sin
*
. Графики потерь энергии, переходных процессов 
по
r
Ψ  и si  для данного случая приведены на рис.3 и рис.4 соответственно; 

Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 4 

 
6

3. 
rÎÏ
r
Ψ
=
Ψ*
 – оптимальное управление АД по минимуму тока 
статора [4]. Графики потерь энергии, переходных процессов по 
 и 
 для 
данного случая приведены на рис.5 и рис.6 соответственно. 
 

 
Рис. 2. Потери энергии W
Δ
 при 
rN
r
Ψ
=
Ψ*
: 
1 –
Σ
ΔW ; 2 – 
ýë
W
Δ
; 3 –
ìàã
W
Δ
; 4 –
äîá
W
Δ

 
 
Рис. 3. Потери энергии W
Δ
 при
(
)
(
)
t
f
r
α
=
Ψ
sin
*
: 
1 –
Σ
ΔW ; 2 – 
ýë
W
Δ
; 3 –
ìàã
W
Δ
; 4 –
äîá
W
Δ
 
 
Как следует из представленных зависимостей, поисковая оптимизация дает вполне удовлетворительные результаты по снижению потерь 
энергии. Для данного тестового цикла выигрыш по потерям составил порядка 12 %. Более того, начиная с определенных частот, результат становится несколько лучше, чем в традиционной оптимальной системе, что 

Энерго- и ресурсосбережение средствами электропривода 

 
7

объясняется конечной динамикой традиционного регулятора потокосцепления. 
 
 

 
 
Рис. 4. Переходные процессы по 
r
Ψ  и si  при
(
)
(
)
t
f
r
α
=
Ψ
sin
*
 
 

 
 
Рис. 5. Потери энергии W
Δ
 при
rÎÏ
r
Ψ
=
Ψ*
: 
1 –
Σ
ΔW ; 2 – 
ýë
W
Δ
; 3 –
ìàã
W
Δ
; 4 –
äîá
W
Δ

Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 4 

 
8

 
Рис. 6. Переходные процессы по 
r
Ψ  и si при 
rÎÏ
r
Ψ
=
Ψ*
 
 
Число итераций в данном тесте составило около 100 циклов. В пересчете на время это составляет примерно 18 мин. Впрочем, для более 
сложного графика нагрузки время оптимизации безусловно увеличится. 
Тем не менее, при продолжительной работе механизма с незначительно 
меняющейся нагрузкой это вполне допустимо. При этом важно отметить, 
что процесс оптимизации не нарушает технологического процесса. 
При работе на реальном объекте данная система должна непрерывно отслеживать изменения нагрузки, контролируя степень неоптимальности процесса, и вносить необходимые коррекции. 
В перспективе для систем подобного класса следует рассмотреть 
алгоритмы оптимизации для циклических нагрузок любого характера.  
 
Список литературы 
 
1. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пособие для вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 
256 с. 
2. Шрейнер Р.Т. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления: учеб. пособие; под 
ред. проф. д-ра техн. наук Р.Т. Шрейнера. Екатеринбург: Рос. гос. проф.пед. ун-т. 2008. 361 с. 
3. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами: учеб. пособие. Кишинёв: Штинница, 1982. 224 с. 
4. Braslavsky I. Ya., Kostylev A.V., Stepanyuk D.P. Optimization of 
Starting Process of the Frequency Controlled Induction Motor // Abstracts of 

Энерго- и ресурсосбережение средствами электропривода 

 
9

13th International Power Electronics and Motion Control Conference EPEPEMC 2008, Poznan. Poland, 2008. P. 41-42. 
 
I. Braslavskij, A. Kosty'lyov, D. Cibanov 
Optimization of power consumption of frequency controlled electrical drives with periodic load 
The opportunity to optimize the losses in frequency controlled electrical drives with 
periodic load are considered in this paper. The optimization system algorithm is described. 
The comparison of energy losses in proposed system with optimal control system for minimizing the stator current in static mode had been performed. 
Keywords: frequency controlled electrical drive, optimization of power consumption, 
optimization system algorithm, comparison of energy losses. 
 
Получено 06.07.10 
 
 
УДК 620.9:502.14:62.83 
В.И. Афонин, канд. техн. наук, ведущий науч. сотр.,  
(4922) 33-13-37, rodionovrv@mail.ru  
(Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), 
О.В. Кругликов, исп. директор, (4922) 33-13-37, 
rodionovrv@mail.ru (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), 
Р.В. Родионов, канд. техн. наук, науч. сотр., (4922) 33-13-37, 
rodionovrv@mail.ru (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ»), 
Ю.В. Чернышев, зам. гл. технолога, (4922) 33-13-37,  
rodionovrv@mail.ru (Россия, Владимир, ОАО «НИПТИЭМ») 
 
БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ЛИФТОВЫЙ ПРИВОД – ИННОВАЦИОННОЕ 
ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
 
Приводятся основные этапы разработки и внедрения безредукторной лебедки. 
Рассматриваются некоторые аспекты испытаний безредукторных лифтовых приводов. 
Ключевые слова: безредукторный привод, кабина лифта, двигатель, лебедка. 
 
Основной особенностью развития лифтостроения конца ХХ и начала ХХI столетия является постоянное совершенствование приводов лифтов. С середины прошлого века на смену традиционным редукторным приводам 
пришли 
безредукторные 
переменного 
тока. 
Асинхронные 
односкоростные двигатели с короткозамкнутым ротором специально спроектированы для таких приводов. Это тихоходные двигатели (60…200 мин
1) с большим вращающим моментом (от 200 Нм). Система частотного регулирования с обратной связью по скорости и положению, а также контроль нагрузки в кабине обеспечивают необходимую плавность хода и 
точность остановки. В приводах современных лифтов для упрощения механической части и повышения комфортности передачу движения от дви

Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Ч. 4 

 
10

гателя к исполнительному механизму (канатоведущему шкиву) осуществляют без использования редуктора. Наряду с экономией редукторов и, соответственно, уменьшением габаритов лебедки, а также потерь при передачах, в безредукторных приводах имеются условия для осуществления 
благоприятного динамического режима, и поэтому возможна реализация 
более высоких скоростей перемещения и точности позиционирования. 
Применение безредукторных приводов позволяет преодолеть ограничения 
по мощности и частоте вращения, присущие редукторам.  В рамках целевой программы «Реконструкция и капитальный ремонт «жилищного фонда» на предприятиях концерна «Русэлпром» (г. Москва, Владимир) был 
разработан лифтовый привод с безредукторной лебедкой на базе асинхронного двигателя. Данный привод предназначен для использования на 
массовых пассажирских лифтах грузоподъемностью до 1000 кг и скоростью перемещения 1 и 1,6 м/с. (табл.1). Основными составными частями 
привода (рис.1) являются электродвигатель с датчиком обратной связи , 
вал привода – он же вал ротора электродвигателя, две системы торможения – тормоз лебедки, канатоведущий шкив (КВШ), защитный каркасносетчатый кожух. Ротор электродвигателя и КВШ установлены на одном 
валу, вращающемся в двух шариковых подшипниках. При такой схеме 
подшипники электродвигателя освобождаются от радиальных нагрузок со 
стороны лифтового оборудования и систем торможения. Две независимых 
нормально замкнутых системы торможения взаимодействуют с тормозным 
диском, расположенным на одном валу с КВШ, т. е., обеспечивается неразрывная кинематическая связь между тормозом и КВШ. Каждая из систем торможения приводится в действие пружиной и электромагнитом постоянного тока, имеет устройство для ручного растормаживания и 
способна удерживать кабину лифта с номинальным грузом.  Две независимых нормально замкнутых системы торможения взаимодействуют с тормозным диском, расположенным на одном валу с КВШ, т. е., обеспечивается неразрывная кинематическая связь между тормозом и КВШ. Каждая 
из систем торможения приводится в действие пружиной и электромагнитом постоянного тока, имеет устройство для ручного растормаживания и 
способна удерживать кабину лифта с номинальным грузом. 
На приводе применен КВШ ∅320 мм с полукруглой канавкой без 
подреза под канат ∅8 мм. Обхват КВШ канатом 270°. Чтобы горизонтальная и вертикальная ветви канатов, сбегающие с КВШ на отводной блок и 
кабину соответственно, не касались друг друга, привод установлен на раме 
лебедки под углом 4,5°. Работа лебедки начинается с подачи команды на 
движение кабины лифта. При этом преобразователь частоты (ПЧ) подает 
электропитание на двигатель таким образом, чтобы на валу двигателя создался вращающий момент, уравновешивающий разницу между моментами 
на канатоведущем шкиве от веса кабины и противовеса. Вращающий момент с вала двигателя передается на КВШ, снимая нагрузку с тормоза. По