Электрические машины, электропривод и системы интеллектуального управления электротехническими комплексами

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, 
ЭЛЕКТРОПРИВОД 
И СИСТЕМЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
УПРАВЛЕНИЯ 
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ 
КОМПЛЕКСАМИ

А.Е. Поляков, А.В. Чесноков, Е.М. Филимонова

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия для учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального образования 
по укрупненной группе специальностей 15.02.00 «Машиностроение» 
и специальности 13.02.10 «Электрические машины и аппараты» 
(протокол № 12 от 24.06.2019)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК 621.313(075.32)
ББК 31.261я723
 
П54

Поляков А.Е.
П54  
Электрические машины, электропривод и системы интеллектуального управления электротехническими комплексами : учебное пособие / А.Е. Поляков, А.В. Чесноков, Е.М. Филимонова. — Москва : 
ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 224 с. — (Среднее профессиональное 
образование).

ISBN 978-5-00091-720-6 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-015614-9 (ИНФРА-М)

Учебное пособие содержит краткие теоретические сведения по основам автоматизированного электропривода. Дана краткая информация 
о регулируемых сложных динамических объектах легкой и текстильной 
промышленности. Существенное внимание уделено рабочим свойствам, 
показателям и характеристикам электрических машин, измерительным 
и электромагнитным преобразователям управляемых электротехнических 
комплексов. Рассмотрены современные средства оптимального управления, методы автоматического регулирования, вопросы промышленного 
применения, а также возможность использования интеллектуальных технологий для управления энергосберегающими режимами.
Для студентов образовательных организаций среднего профессионального образования, обучающихся по УГС 15.02.00 «Машиностроение», специальности 13.02.10 «Электрические машины и аппараты».

УДК 621.313(075.32)
ББК 31.261я723

Р е ц е н з е н т ы:
Немцов М.В. — доктор технических наук, профессор кафедры электротехники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»;
Травин А.Л. — кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и микропроцессорной электроники Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

ISBN 978-5-00091-720-6 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-015614-9 (ИНФРА-М)

© Поляков А.Е., Чесноков А.В., 
Филимонова Е.М., 2020
© ФОРУМ, 2020

Введение
Основные направления
повышения эффективности эксплуатации
управляемых электротехнических комплексов
технологического оборудования

Существенным резервом энергосбережения является оптимальное управление динамическими объектами по минимуму затрат энергии в условиях реальной эксплуатации при изменении параметров
объектов, режимов работы, ограничений, заданий на конечное состояние. Применение регулируемого электропривода обеспечивает
энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за
счет регулирования технологических параметров волокнистых и нетканых материалов (натяжения, вытяжки, линейной плотности).
Автоматизация производства нетканых материалов выдвинула
ряд проблем, связанных с улучшением качества управления электромеханическими системами технологического оборудования, основным видом регулируемого электропривода которого служат комплектные системы постоянного и переменного тока. Высокие требования технологического регламента к процессу формирования,
транспортирования и наматывания волокнистого материала тесно
связаны со скоростными режимами и точностью их реализации, обеспечивающими синхронизацию движений рабочих органов машин и
аппаратов при оптимальных энерготехнологических показателях и заданных ограничениях. Автоматизация электромеханических систем
технологического оборудования для производства химических волокон и нитей требует расширения и усложнения функций управления
в связи с необходимостью осуществлять обмен информацией с устройствами управления различных уровней, обеспечивать непрерыв

ный контроль состояния, а также надежную защиту от нарушений
нормального режима.
Имеется большое количество технологического и общефабричного оборудования, в котором требуется создать определенный оптимальный скоростной режим при осуществлении технологических
процессов. В одних случаях необходимы поддержание или синхронизация скоростей вращения узлов и механизмов, в других — изменение
частоты вращения по заданному закону или регулирование ее в широких пределах.
В отрасли преимущественное применение находят нерегулируемые асинхронные короткозамкнутые двигатели как наиболее простые
по конструкции, экономичные и надежные в работе.
Снижение потерь электроэнергии как в самих асинхронных двигателях (АД), так и в питающих сетях можно достичь путем: оптимального проектирования и улучшения технологии при изготовлении
АД; применения комплектных электронных и микропроцессорных
устройств для управления АД; рационального выбора электропривода
для конкретной электромеханической системы.
Первые два способа снижения потерь электроэнергии требуют
исследований и конструкторских разработок. Появление и развитие
третьего способа обусловлено тем, что эксплуатационные режимы
асинхронных приводов характеризуются отклонением реальной нагрузки АД от нагрузки, на которую рассчитан двигатель и которой соответствуют оптимальные значения его энергетических показателей.
Существование таких режимов определяется выбором завышенного
по мощности двигателя, а также переменным по времени характером
нагрузки АД. Использование завышенного по мощности АД для привода объясняется, с одной стороны, несовершенством методик выбора двигателей, с другой — запасом по надежности с учетом тяжелых
динамических режимов работы электромеханических систем технологического оборудования. Переменный во времени характер нагрузки диктуется особенностями технологического цикла машин, аппаратов и механизмов, использующих АД. Указанные эксплуатационные
режимы асинхронного привода характеризуются низкими значениями его энергетических показателей — коэффициента мощности
(cosϕ) и коэффициента полезного действия (КПД).
При примерно одинаковой установленной мощности двигателей
потребление электроэнергии в США вдвое меньше, чем в РФ, что

4
Введение

объясняется весьма низким коэффициентом использования оборудования. Так, для АД мощностью 0,75—100 кВт средняя годовая наработка составляет в России 1044 ч, в США — 2020 ч. Кроме того, в России в настоящее время наблюдается тенденция к снижению коэффициента использования оборудования. При доведении уровня годовой
наработки электродвигателей в России до ее уровня в США потребность в АД должна снизиться в 1,5—2 раза.
Снижение энергозатрат при эксплуатации технологического оборудования достигается выбором рациональных (в отдельных случаях
оптимальных) скоростных режимов его электромеханических систем,
определяемых энергетическими показателями и требованиями к технологическим процессам.
Основной задачей энергохозяйств по производству нетканых материалов является обеспечение надежной и бесперебойной работы
технологического оборудования. Последнее может быть достигнуто
как за счет реализации малозатратных технических решений, так и за
счет частичной модернизации энерготехнологического оборудования.
Исследования авторов по вопросам повышения эффективности
эксплуатации управляемых электромеханических систем технологического и общефабричного оборудования проводились по следующим основным направлениям.
Первым направлением является разработка и внедрение на технологическом и вспомогательном оборудовании специальных технических средств, обеспечивающих в нерегулируемом электроприводе
минимизацию влияния отклонения нагрузки и качественных показателей электроэнергии от номинальных значений на энергетические
показатели. Авторами предложена методика внедрения микропроцессорных регуляторов напряжения типа МРН000 для низковольтных
АД, которые кроме выполнения функций энергосбережения управляют режимами пуска и торможения, в отдельных случаях регулируют
частоту и момент вращения, а также осуществляют защиту и диагностику, т. е. повышают технический уровень привода в целом, увеличивают его надежность. С учетом многофункциональности применения МРН000 такое решение оказывается экономически целесообразным для электромеханических систем с переменной нагрузкой даже
при относительно высокой цене энергосберегающего устройства.
Вторым направлением энергосбережения является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому для отдельных видов

Основные направления повышения эффективности...
5

технологического оборудования. Этот объективный процесс, обусловленный повышением технического уровня технологического
оборудования, в котором используется электропривод, часто дает
возможность рационального и оптимального решения задач управления скоростными режимами.
Как правило, при переходе к регулируемому электроприводу экономия энергии достигается как за счет применения самого привода,
так и за счет улучшения технологического процесса, который привод
обслуживает.
Технологическое оборудование производства нетканых материалов обладает рядом особенностей, сказывающихся на постановке и
методах решения задач повышения эффективности энергоресурсосбережения и их реализации за счет управления скоростными режимами. Вследствие этого важнейшей эксплуатационной характеристикой машин и механизмов является соответствие между фактическими
и конструктивно заданными законами движения рабочих органов.
В качестве управляемых признаков при этом выступают перемещения, линейная скорость и частота вращения рабочих органов, ускорения отдельных элементов машин, а также перечень показателей
систем автоматического регулирования (САР), характеризующих статические и динамические свойства электромеханических систем
(ЭМС).
Для эффективного использования перечисленных признаков необходимо осуществить кинематический и динамический анализ
функционирования технологического оборудования по технологическим и энергетическим параметрам.
Типичным, наиболее употребительным средством теоретического
исследования являются математические модели машин и их узлов,
описываемые системами дифференциальных уравнений. Несмотря на
упрощения, возникающие при составлении математической модели
реального объекта, системы дифференциальных уравнений отличаются большой сложностью, связанной с учетом нелинейностей характеристик, переменности параметров и т. п. Решение таких уравнений
представляет собой самостоятельную, но тесно связанную с проблемой анализа и расчета ресурсосберегающих режимов ЭМС задачу.
Повышение производительности оборудования путем увеличения
рабочих скоростей и мощности передаваемых потоков материала,
улучшение качества изделий — все это требует повышения точности

6
Введение

управления электромеханическими системами, часто в условиях возрастающих возмущающих воздействий как со стороны силовых механизмов, так и со стороны питающей электрической сети.
Компьютерные технологии в настоящее время располагают методами и средствами, составляющими резерв повышения точности
управления процессом транспортирования и наматывания волокнистого материала. За счет усложнения структуры САР при компенсации возмущений может быть не только повышена точность управления, но и снижена сложность цепей обратных связей.
Формирование, транспортирование и наматывание волокнистых
материалов представляет собой один из сложнейших технологических процессов как изза разнообразия состава волокон, так изза
сильного влияния программы и точности управления натяжением на
прочность волокнистого продукта.
Важнейшим является вопрос о закономерностях управления процессом формирования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта с целью получения тел наматывания с заданными
свойствами.
Основной проблемой при разработке САР процессами формирования, транспортирования и наматывания волокнистого материала
является обеспечение согласования линейных скоростей рабочих органов.
Нестационарность работы электроприводов как объектов управления процессами формирования, транспортирования и наматывания зависит от способов управления электродвигателями постоянного и переменного тока и от свойств механизмов в процессе эксплуатации. Изменение режимных показателей электроприводов происходит
вследствие изменения параметров электрической сети, электромагнитных контуров в цепи «преобразователь—двигатель», передаточных
коэффициентов преобразователей, потока возбуждения двигателей,
моментов инерции механизмов, частот упругих механических колебаний, параметров гибких передач, взаимного изменения механических
параметров в многосвязных системах многодвигательных ЭМС. Кроме того, могут наблюдаться значительные изменения по спектральному составу и интенсивности возмущающих и управляющих воздействий, что может приводить к существенному увеличению динамических ошибок системы и к необходимости коррекции параметров
регулирования для минимизации этих ошибок.

Основные направления повышения эффективности...
7

При проектировании САР сложных ЭМС важно осуществить
анализ и классификацию возмущающих воздействий на привод со
стороны внешних факторов, вызывающих отклонение частоты вращения привода от заданной программы и тем самым нарушающих
нормальное течение технологического процесса.
Традиционно возмущения условно разделены на статические и
динамические. К статическим возмущениям относятся воздействия,
возникающие при изменении момента сопротивления наматывающего механизма (НМ) по мере наработки продукта, и колебания напряжения сети, которые оказывают влияние на базовый скоростной
режим электропривода. К динамическим воздействиям относятся
воздействия, вызывающие изменение параметров передаточной
функции привода и, следовательно, влияющие на точность процесса
наматывания волокнистых материалов. К этим возмущениям следует
отнести изменения момента инерции в процессе наработки волокнистого материала, а также изменения момента сопротивления при изменении установочной частоты вращения рабочих органов НМ. Если
динамика привода описывается нелинейными дифференциальными
уравнениями, то к динамическим возмущениям следует отнести изменение частоты вращения при переходе к наматыванию очередного
слоя холста или полотна, что приводит к изменению электромеханической постоянной времени.
Для управляемых ЭМС с транспортирующими и наматывающими механизмами характерны и значимы режимы пуска, торможения,
регулирования частоты вращения в зависимости от диаметра наматывания, стабилизации скоростного режима в процессе наматывания
продукта его транспортирования через силовые узлы и механизмы согласно скоростной диаграмме.
Для транспортирующих механизмов электромеханической системы производства нетканых материалов рекомендуется параметрическая оптимизация — когда при заданной структуре и функциональных воздействиях на систему определены значения параметров, при
которых наилучшим образом удовлетворяются заданные показатели
качества.
При проектировании и практической реализации используется,
как правило, модульный принцип, при котором компонуется система
управления, удовлетворяющая заданным критериям качества и техническим условиям, из типовых модулей (блоков). Это включает в

8
Введение

себя необходимость разработки способов коррекции системы, когда
при известном математическом описании системы определяются
структура и параметры дополнительных корректирующих устройств,
обеспечивающих ее заданные качественные показатели в статических
и динамических режимах.
Авторами предложена методика расчета и проектирования сложных динамических объектов, в которой излагаются основные принципы построения управляемых электромеханических систем с транспортирующими и наматывающими механизмами в свете современного состояния теории и методов математического описания систем
управления.
Выбору скоростной диаграммы процессов формирования, транспортирования и наматывания волокнистого материала должно предшествовать технологическое исследование управляемого процесса с
целью установления наиболее рационального скоростного режима.
В настоящее время отсутствуют управляющие устройства, способные решать в реальном времени задачи синтеза оптимального энергосберегающего управления на множестве состояний функционирования.
По существу такие управляющие устройства должны представлять собой интеллектуальные системы, обладающие возможностями
на основе вводимых исходных данных оперативно определять вид
функции оптимального управления, рассчитывать ее параметры, выбирать наилучшую стратегию управления.
Перспективным направлением является разработка интеллектуальных систем и, в первую очередь, создание для них математического и программного обеспечения, что возможно лишь на базе современных информационных технологий, позволяющих в полном объеме использовать базу знаний экспертной системы.
В последние годы наиболее перспективным направлением признаны технологии искусственного интеллекта в системах управления
электроприводами, где находят применение так называемые нечеткие
алгоритмы регулирования. Нечеткое управление (на основе методов
теории нечетких множеств) используется при недостаточном знании
объекта управления, отсутствии опыта управления им, в нелинейных
системах, идентификация которых слишком трудоемка, а также в
случаях, когда по условию задачи необходимо использовать знания
эксперта. Регуляторы, построенные на базе этой инновационной

Основные направления повышения эффективности...
9

концепции, в ряде случаев способны обеспечить наиболее высокие
показатели качества переходных процессов по сравнению с классическими регуляторами. Кроме того, используя технологию синтеза нечетких алгоритмов управления, возможно провести оптимизацию
сложных контуров регулирования без проведения всесторонних математических исследований. Широкому распространению fuzzyсистем
управления способствует программная система MATLAB, в составе
которой имеется пакет программ по fuzzyлогике. Fuzzy Logic Toolbox
позволяет создавать и редактировать fuzzyсистемы управления с нечеткой логикой, называемые в терминах программной системы
MATLAB — Fuzzy Inference System или FIS. Эти системы можно создавать, используя как графические инструменты, так и команды рабочего окна MATLAB. Кроме того, указанная система включает в
себя пакет моделирования динамических систем Simulink, который, в
свою очередь, позволяет при помощи стандартных блоков, входящих
в библиотеку, сформировать одноконтурную или многоконтурную
системы управления с аналоговым или fuzzyрегулятором.

10
Введение