Инновационные перспективы Донбасса. Том 2, 2021 г. by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

VI IМЕЖДУНАРОДНЫЙНАУЧНЫЙФОРУМ ДОНЕЦКОЙНАРОДНОЙРЕСПУБЛИКИ

VI I

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

ИнновационныеперспективыДонбасса

XVI

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

Научнот ехническиеаспектыразвития авт отранспортног окомплекса

XI I

Международнаянаучнопракт ическаяконференция

Информатика, управляющиесист емы, мат ематическое икомпьют ерноемоделирование

XXI

Международнаянаучнот ехническаяконференция

Авт оматизацият ехнолог ических объект овипроцессов. Поискмолодых

VI I

Международнаянаучнот ехническаяконференция

Мет аллург ияXXIст олетияг лазамимолодых

Том 2.Перспект ивы развит ияэлект рот ехнических, элект ромеханическихиэнерг осберег ающихсист ем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ ГОУВПО "ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ДОННТУ) СОВЕТ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ДОННТУ ГОУ ВО ЛНР «ЛУГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В. ДАЛЯ» ДОНЕЦКАЯ РЕСПУБЛИКАНСКАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИННОВАЦИОННЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ДОНБАССА Материалы 7-й Международной научно-практической конференции Том 2. Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем

г. Донецк 24-26 мая 2021 года

Донецк – 2021

ББК 65.30 УДК 330.341 (477.61/62)

И 66

Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 24-26 мая 2021 г. – Донецк: ДОННТУ, 2021. Т. 2: Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. – 2021. – 180 с.

Представлены материалы 7-й Международной научно-практической конференции “Инновационные перспективы Донбасса”, состоявшейся 24-26 мая 2021 г. в Донецке на базе ГОУВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ», включающие доклады ученых и специалистов по вопросам приоритетных направлений научно-технического обеспечения инновационного развития Донбасса и формирования механизмов повышения социально-экономической эффективности развития региона. Материалы предназначены для специалистов народного хозяйства, ученых, преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Редакционная коллегия Министр образования и науки ДНР М.Н. Кушаков, ректор ДОННТУ А.Я. Аноприенко, канд. наук по гос. упр. А.Е. Пожидаев, д-р техн. наук Г. Г. Литвинский, канд. техн. наук А.А. Каракозов, канд. техн. наук А.Н. Корчевский, д-р техн. наук Э.Г. Куренный, д-р техн. наук С. П. Еронько, канд. техн. наук С.В. Горбатко, д-р экон. наук Я.В. Хоменко, канд. техн. наук И.В. Филатова, председатель Совета молодых ученых ДОННТУ Е.С. Дубинка. Под общей редакцией Д.В. Бажутина. ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Министерства образования и науки ДНР. Протокол № __ от __ _______ 20__ г. Контактный адрес редакции НИЧ ДонНТУ, ул. Артема, 58, Донецк, 283001 Тел.: +380 (62) 305-35-67. Эл. почта: ipd.donntu.org@gmail.com Интернет: http://ipd.donntu.org

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ОГЛАВЛЕНИЕ Р.В. Курченко, Д.В. Бажутин Определение состояния электромеханических устройств с использованием нейронных сетей ............................................................. 6 М.В. Дёмин, Р.В. Брюшков Определение термодинамических показателей работающего бытового холодильника с целью прогнозирования энергозатрат ......................... 15 В.Ф. Раков, А.А. Еременко, Ю.А. Пасечник Схема аппаратуры для определения фотокаталитической эффективности материала ........................................................................ 20 М.Н. Шевченко, И.И. Ларина К вопросу выбора оптимальных сечений сталеалюминиевых проводов в сетях напряжением 35 – 220 кВ ............................................................ 25 И.А. Бершадский, Н.М. Халявинская, М.А. Покандюк Оценка функции отключения УЗО в математическом пакете Matlab/Simulink .......................................................................................... 30 А.С. Сауткин, С.В. Ковальская Анализ эксплуатационной надежности элегазовых и вакуумных выключателей напряжением 110-220 кВ ................................................ 36 И.А. Бершадский, В.В. Иванилов, А.А. Заболотний Функциональная схема источника питания с динамической защитой для системы освещения горной выработки ............................................ 41 Е.М. Григоренко, А.А. Булгаков Исследование способов ограничения тока однофазных коротких замыканий .................................................................................................. 45 Булгаков А.А., Неволин В.И. Сравнительное сопоставление норм медленных изменений напряжений в системах электроснабжения общего назначения .......... 51 А.В.Веревкин, А.Н.Верзун, А.В.Захаров Разработка системы стереотриангуляции для задач автоматизированного электропривода.................................................... 57

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

М.В. Складчиков, П.И. Розкаряка Разработка алгоритма планирования траектории перемещения для роботизированной системы с использованием контроллера Kinect .... 65 И.Е. Азин, П.И. Розкаряка Разработка системы управления манипулятором с использованием технического зрения ................................................................................. 78 Г.Н. Мангуш, К.Н. Осыченко, Д.В. Полковниченко Исследование возможностей повышения эффективности работы электрических сетей. ................................................................................. 90 Р.Б. Мирзалиев, Д.В. Бажутин Разработка алгоритма управления сортировочным устройством ленточного конвейера с использованием нейронных сетей ................. 97 С.А. Григорьев Разработка алгоритмов для использования в интегрированных программах табличных редакторов для решения задач по расчету установившегося режима электрической сети напряжением 35 кВ и выше.......................................................................................................... 104 В.В. Куцеволов, Г.А. Сокуренко, Д.Н.Мирошник Создание собственной нейронной сети на базе YOLOv3 для детектирования объектов на изображении ........................................... 108 А.В.Захаров, В.В.Ханас Разработка системы управления дифференциальным приводом колесного робота на базе ROS и Raspberry Pi ...................................... 113 К.Н. Кошуба, Б.Н. Кошуба, Э.Г. Куренный Баланс мощностей в электрических сетях с энергосберегающими лампами .................................................................................................... 121 А.В. Светличный, М.Ю. Андрейченко Критерий оценки эффективности работы вентиляторной установки 127 Близнюк А.С. Применение ПИ-регулятора для регулировки уровня жидкости в резервуаре ................................................................................................ 132

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

А.Н.Верзун, Н.А. Савинов, В.В.Коробкин, Э.П. Ступаков, Д.В.Бажутин, Д.Н.Мирошник, А.В.Захаров, А.В.Веревкин Разработка мобильного робота с четырехколесным рулевым механизмом и полным приводом .......................................................... 139 Д.Н. Мирошник, Е.А.Остроух, А.В.Захаров, А.А. Лубенский Современный подход к изучению аналоговой и цифровой электроники в сфере профессиональной деятельности «Мехатроника» ........................................................................................ 144 Д.Н. Мирошник, Е.А.Остроух, Н.А. Савинов, Г.А. Сокуренко Современный подход к изучению замкнутых систем регулирования механических координат электропривода постоянного тока............. 149 Д.Н. Мирошник, А.А.Лубенский Модельно-ориентированное программирование системы управления шаговыми двигателями манипулятора Cobra RS................................. 153 Е.Ю.Яковенко, А.В.Захаров Разработка лабораторного стенда для ознакомления с функциональными возможностями микроконтроллера STM32F407VE ......................................................................................... 158 К.О. Савин, А.А. Чепига, Е.Е. Корытченкова, В.И. Калашников Разработка математической модели вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением ............................................................. 163 С.И. Бондаренко, П.И. Розкаряка Расчет оптимальных по тепловым потерям диаграмм отработки заданного перемещения с ненулевыми начальными и конечными скоростями движения ............................................................................. 168 С.Н. Ткаченко, Я.С .Кошелев Пути совершенствования защиты от тепловой перегрузки асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором ....... 174

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 004.896:62-83

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ Р.В. Курченко, Д.В. Бажутин ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье рассмотрена сверточная нейронная сеть(СНС) и её архитектура с подробным её описанием. Представлена модель асинхронного двигателя с помощью которой получены данные для обучения СНС. Приведены результаты определения неисправностей фазных обмоток нейронной сетью. Ключевые слова: сверточная нейронная сеть, асинхронный двигатель, определение неисправности, структура нейронной сети. The article discusses the convolutional neural network(СNN) and its architecture with its detailed description. A model of an asynchronous motor is presented, which is used to obtain data for CNN training. The results of determining the faults of the phase windings by a neural network are presented. Keywords: convolutional neural network, induction motor, fault detection, neural network structure. В настоящее время приводные системы на базе электродвигателей переменного тока играют ключевую роль в промышленном применении. Подсчитано, что на эти машины приходится примерно 29% мирового и 69% промышленного потребления электроэнергии. При эксплуатации электродвигателей в системах промышленного привода могут возникать различного рода дефекты, препятствующие дальнейшей эксплуатации машины. Согласно статистике, наиболее распространенными дефектами электрических машин являются повреждения статора (37%), ротора (10%) и подшипника (41%). Проведенные статические испытания показывают, что с увеличением номинальной мощности электродвигателей роль механических повреждений в пользу электрических уменьшается. Этот факт обусловливает то, что многие научные центры сосредоточены на разработке диагностических методов, позволяющих частично уменьшить количество электрических повреждений или выявить состояние машины (зарождающуюся неисправность), при котором она еще может быть отремонтирована [1]. Основой для работы диагностических систем является доскональ-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ное знание изменений, происходящих в машине в результате повреждения. Наблюдение за изменениями, происходящими в машинах переменного тока, осуществляется с помощью сигналов, доступных для измерения на исследуемом объекте. Наиболее часто используются токи, напряжения, вибрации, а также поток и температура. Многослойные нейронные сети являются наиболее популярными структурами, используемыми в диагностических методах, в том числе в случае обнаружения неисправностей асинхронных и синхронных двигателей. Помимо возможностей аппроксимации данных, особенно важной задачей диагностических систем на основе нейросетей является классификация повреждений. Методы искусственного интеллекта все чаще ассоциируются с проблемой глубокого обучения. В основе структур глубокого обучения лежат классические нейронные сети. Однако глубокие нейронные сети (ГНН) характеризуются особенностями, отличными от классических неглубоких сетей, что является результатом отказа от универсального правила аппроксимации. Используемые до сих пор структуры, имеющие максимум два скрытых слоя, позволили достичь удовлетворительных результатов. Тем не менее, увеличение структуры позволило получить признаки нейросетей, которые ранее были недостижимы в классических неглубоких структурах. Среди используемых сетевых структур глубокого обучения наиболее часто используются сверточные нейронные сети (СНС). СНС, используемые в диагностических приложениях, характеризуются значительно более высоким уровнем эффективности по сравнению с другими сетями. В диагностических процессах СНС может выступать в качестве системы классификации повреждений, а также предоставлять информацию о степени повреждения. Основными функциями СНС является извлечение признаков высших порядков из анализируемого сигнала с помощью операций свертки. Данные сети не имеют предопределенной архитектуры, методов выбора данных или количества сверточных слоев. Структура СНС должна определят признаки, которые прогрессируют с каждым добавленным сверточным слоем. В представленной структуре СНС первый слой выполняет функцию фильтра базовых признаков, например, минимальных или максимальных значений. Действие последующего сверточного слоя позволяет определить признаки высших порядков таких как расстояние между максимальным и минимальным значениями и т.д. Таким образом структура нейронной сети зависит от типа предоставленной информации, а также от функций выполняемых сетью.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для определения комплексных признаков СНС строится из нескольких наборов слоев (соединенных последовательно или параллельно). Данные структуры улучшают способность сети обобщать данные, что является одной из основных особенностей сверточных сетей. На рис. 1 представлена структура базовой СНС состоящей из нескольких сверточных слоев. Задачей разработанной в данной работе сети является определение неисправностей фазовых обмоток статора АД исходя из информации, получаемой из сигналов фазных токов. 1-ый Сверточный слой

n-ый Сверточный слой

n-ая Функция активации

Входной слой

Рисунок 1 – Структура сверточной нейронной сети Разберем структуру СНС подробнее. Функцией сверточных слоев является обобщение данных путем свертывания входных матриц с использованием фильтров. Каждый фильтр имеет уникальную матрицу случайных значений. При его применении на входные данные создается другая матрица, которая отвечает за один признак. Таким образом меняя количество фильтров мы можем подобрать оптимальное количество признаков. Далее идет слой пакетной нормализации, функция которого состоит в ограничении пакетов данных используемых при обучении. Функция активации выполняет роль фильтра, отсеивая отрицательные значения т.к. нас интересуют только участки содержащие большую информацию. Таким образом отбрасывается шум и пропускается только полезный сигнал. Также преимуществом данной функции является большая эффективность по отношению к другим функциям активации (сигмоида, гиперболический тангенс). Слой пулинга похож на сверточный фильтр, однако при обобщении данных применяется функция определяющая максимальные(среднее) значения. Так выделяется значения, при которых функция активации максимальна. Слой исключения убирает часть нейронов для предотвращения переобучения сети. Полносвязный слой представляет из себя сеть прямого распространения в которой все выходные нейроны связаны со входными.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Связи между нейронами, описаны весами, которые настраиваются во время обучения. Слой Softmax преобразует получаемый сигнал к вероятности классов, таким образом, что сумма всех выходов равняется единице. Также после него можно поместить слой классификации, который выбирает наиболее вероятный выход нейронный сети [3]. Итак, нейронная сеть готова к обучению, следовательно, необходимо заполучить данные подходящие для этого. В данной работе для этих целей используется модель АД с короткозамкнутым ротором, созданная в пакетной среде Matlab. Входными данными для СНС являются фазные токи асинхронного двигателя. Однако для моделирования несиметрии в АД стандартные блоки не подходят, так как в них происходит преобразование к вращающуюся системе координат dq, что приводит к потере важной информации для обучения нейросети. Поэтому моделирование проводится в естественной трехфазной системе координат рис.2.

Рисунок 2 – Модель АД Данная модель позволяет с высокой точностью промоделировать различные неисправности в асинхронном двигателе. В данной работе 9

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

промоделировано только снижение сопротивления в фазе, однако модель не ограничивается этим и способно отобразить влияние различных электрических поломок. Исследуем асинхронный двигатель в нескольких состояниях. Изначально промоделируем АД в нормальном режиме, когда сопротивления обмоток статора равны. Результаты приведены на рисунке 3. и 4. 1.5 Скорость Момент

M/Mn,w/wn

0.5

-0.5

0.05

0.1

0.2 t,c

0.15

0.25

0.3

0.35

0.4

Рисунок 3 – Скорость и момент АД

Рисунок 4 – Ток статора Из графиков видно, что модель работает и соответствует реальности. Из нее можно извлечь и графики тока ротора, но в этой работе они не пригодятся. Следующим шагом станет моделирование внутри виткового КЗ статора посредством уменьшения сопротивления отдельной фазы рис.5 и 6. Эти данные и будут использоваться для обучения. Однако нельзя подать на нейронную сеть синусоиды, перед этим необходимо преобразовать сигнал как показано на рис.7.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1.5 Скорость Момент

M/Mn,w/wn

0.5

-0.5 0

0.05

0.1

0.15

0.2 t,c

0.25

0.3

0.35

0.4

Рисунок 5 – Скорость и момент АД при внутривитковом КЗ

Рисунок 6 – Ток статора при внутри витковом КЗ I A , I B , IC

I вх 2 ⋅ IН

Рисунок 7 – Создание входного слоя сверточной нейронной сети для определения неисправностей в АД – схематическая диаграмма; Iвх – фазные токи статора, IН – значение номинального тока статора Преобразование сигналов тока происходит по следующему алгоритму: 1. Значения тока приводятся к амплитудному номинальному.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

2. Далее вектор этих значений преобразуется в матрицу с соответствующим количеством точек. В нашем случае вектор содержащий две тысячи точек преобразуется в матрицу 50х40. 3. Далее значения в этих матрицах преобразуются в формат uint8 и складываются в трёхмерную матрицу с размерностью 3х50х40, чем формирует RGB изображение. Задачей данной нейронной сети является определить неисправность и в какой фазе она возникла. Следовательно, для обучения необходимо снять данные при неисправности каждой из фаз. Также для корректной работы нейронной сети потребуются и данные снятые со здорового двигателя. После чего все эти матрицы компонуются в одну четырехмерную, где номер четвертого измерения соответствует номеру изображения. Благодаря этому сформирован вектор желаемых выходов необходимый для обучения. Описанная выше СНС была создана на основе библиотеки Keras написанной на высокоуровневом языке Python [2]. Таблица 1 – Параметры нейронной сети Количество слоев свертки

Количество фильтров в каждом слове

30-60-90

Размер фильтров

3х3

Количество слоев пулинга

Метод пулинла

Максимум

Размер пулинга

(3х3),(1х2)

Количество слоев активации

Количество слоев пакетной нормализации

Коэффициент обучения

0.0001

Количество слоев исключения

Вероятность исключения

0.2

Количество полносвязных слоев

Количество нейронов в полносвязном слое

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для обучения данной нейронной сети использовано более 300 изображений. Также были использованы и проверочные данные на которых и проверялась степень работоспособности сети.

Рисунок 8– График точности работы нейронной сети относительно количества эпох При заданных параметрах нейронной сети удалось добиться точности распознания 94%. Данный результат возможно улучшить путем изменения СНС, параметров обучения и количества, используемых для обучения данных. Однако в данном случае точность считается удовлетворительной. Выводы

Из вышесказанного следует что использование нейронный сетей, достаточно эффективно в данном случае. Однако нейронные сети применимы не только к двигателям, но и к другим электрическим приборам, что делает их универсальным инструментом для решения практических задач. Также их функционал не ограничивается определении неисправностей. СНС способна классифицировать все что можно привести к изображению. Используя описанную в данной работе методику можно разработать искусственную нейронную сеть, способную диагностировать широкий спектр неисправностей электрических двигателей любого типа.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок

1. Skowron M. Convolutional neural network-based stator current datadriven incipient stator fault diagnosis of inverter-fed induction motor / M. Skowron, T. Orlowska-Kowalska, M. Wolkiewicz, C. Kowalski // Energies 2020, 13(6) – p. 21. 2. Keras: библиотека глубокого обучения на Python [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru-keras.com/home/, свободный. 3. Wang H. On the Origin of Deep Learning // Computer Science 2017, p. 72 4. Мюллер П. Python для чайников, 2-е изд.: Пер. с англ. - СПб.: ООО "Диалектика", 2019. -416 с.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.56

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТАЮЩЕГО БЫТОВОГО ХОЛОДИЛЬНИКА С ЦЕЛЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ Дёмин М.В.,1 Брюшков Р.В.2 1.ГОВ ПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского», г.Донецк, ДНР 2. Краснодарский филиал РЭУ им. Г.В. Плеханова, г. Краснодар, Россия

В работе проведены экспериментальные исследования при изменяемых параметрах температуры окружающей среды и массовой доли заправки герметичной системы холодильника на температурные показатели испарителя морозильной камеры холодильника, для определения места установки датчика прибора способного сигнализировать о микроутечке из герметичного контура. Ключевые слова: бытовой холодильник – испаритель – изобутан – доза заправки – температура окружающей среды. In this work, experimental studies were carried out with variable parameters of the ambient temperature and the mass fraction of the filling of the sealed system of the refrigerator on the temperature indicators of the evaporator of the freezer compartment of the refrigerator, to determine the installation location of the device sensor capable of signaling a micro-leak from the sealed circuit. Keywords: household refrigerator - evaporator - isobutane - refueling dose - ambient temperature. Стандарты на бытовые холодильники, допускают возможность работы бытовых холодильников при температуре окружающей среды в интервале 16…43оС. В действительности, все характеристики бытового холодильника указываются в его паспорте при температуре окружающей среды 25оС. При этой же температуре устанавливается класс энергопотребления различных моделей бытовых холодильников. Для совершенствования конструкции бытовых холодильников, прогнозирования энергозатрат при их работе необходимо знать динамику изменения термодинамических, теплофизических процессов в компрессорной системе в связи с изменениями температуры окружающей среды и дозы заправки его системы.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Целью данной работы является, проведение эксперимента при изменяемых внешних условиях температуры и массовой доли заправки герметичной системы холодильника на температурные показатели испарителя морозильной камеры холодильника, для определения места установки датчика прибора способного подавать сигнал о наличии микроутечке из герметичного контура. Для решения поставленной цели, выполнены исследования в этом направлении, создан и использован экспериментальный стенд, за основу которого принят бытовой холодильник ДХ-239. Компрессорная система его заправлена 38г изобутана. На линиях всасывания и нагнетания компрессорной системы холодильника установлены приборы измерения давления и температуры. Исследования проводились при фиксированных значениях температуры наружного воздуха: 16, 25, 32, 38, 43оС при настройках терморегулятора, соответствующих минимальному, среднему и максимальному охлаждению. Холодильное и морозильное отделения стенда заполнены пакетами–имитаторами пищевых продуктов в соответствии с ДСТУ 2295-93. Установленное ухудшение теплоэнергетических и теплофизических характеристик работающего стендового холодильника в связи с увеличением температуры окружающей среды обусловлено увеличением теплопритоков в его холодильный шкаф, а также ухудшением воздухотеплообменных процессов в компрессорно – конденсаторной системе, вследствие чего увеличивается температура конденсации хладагента, что приводит к увеличению температуры его кипения в испарителе. На основании полученных экспериментальных данных о температуре и давлении в характерных пунктах компрессорной системы построены термодинамические циклы работы холодильной машины стендового холодильника при температуре наружного воздуха 16, 25, 32, 38 и 43 оС для случая настройке терморегулятора на максимальное охлаждение (рисунок 1). Согласно расчётам на основе известных теоретических положений, следствием изменения термодинамических характеристик построенных циклов является изменение холодильного коэффициента. При температуре окружающей среды tн.в =16 оС СОР=3,05, при tн.в =43 о С СОР=2,04. Повышение температуры окружающей среды от 16 до 43 о С приводит к уменьшению холодильного коэффициента почти на треть - на 33,1%. Следствием уменьшения СОР являются снижение производительности компрессора, большая продолжительность его работы до отключения термостатом и повышенный расход электроэнер-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

гии. При увеличении температуры окружающей среды от 16 до 43 оС КРВ увеличивается от 0,46 до 0,90, расход электроэнергии - от 0,86 до 1,57кВт.час/сут.

Рисунок 1 - Термодинамические циклы работы холодильной машины БХП при температуре наружного воздуха 16 (1), 25 (2), 32 (3), 38 (4) и 42 (5) ºС Установленные выше закономерности распространяются на термодинамические циклы работы холодильной машины стендового холодильника и при двух других настройке терморегулятора. При понижении температуры окружающей среды (от 43 до 16 оС) рассматриваемые процессы становятся обратимыми. В работе так же проведены экспериментальные исследования по удалению хладагента изобутана, из компрессорной системы через заправочный патрубок компрессора. Удаляли хладагент из компрессорной системы БХП по 1,5 г. После каждого выпуска изобутана из компрессорной системы, в период квазистационарного режима работы БХП при оставшейся массе хладагента определяли на различных ее участках его температуру и давление, устанавливали суточный расход электроэнергии, рассчитывали КРВ. На основе результатов экспериментальных исследований построены графики зависимости от массы изобутана в компрессорной системе БХП ДХ - 239 температуры на поверхности испарителя, КРВ, суточного расхода электроэнергии при, соответственно, минимальной, средней и максимальной установках терморегулятора.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

При уменьшении дозы заправки от 38г до 35,0г температура на поверхности испарителя снижается при настройке терморегулятора: минимальной от –26,1 до –29,4оС, средней от –27,5 до –30,6оС, максимальной от –29,5 до –32,5оС. Установлено: на 1г утечки изобутана из компрессорной системы приходится понижение температуры на поверхности испарителя на 1оС, практически, независимо от настройки терморегулятора. По нашим данным, понижение температуры на поверхности испарителя на 1,0…1,5оС может быть диагностическим признаком утечки изобутана из поврежденной компрессорной системы (рисунок 2).

Рисунок 2 – Графики зависимости от массы изобутана (mi) в компрессорной системе БХП Норд 239 температуры на поверхности испарителя tи (7-9), КРВ (1-3), суточного расхода электроэнергии Nc (4-6) при установках терморегулятора, соответственно, минимальной, средней, максимальной (температура окружающей среды 25оС). При удалении из компрессорной системы от 3,0 до 4,5г изобутана линейность понижения температуры на поверхности испарителя прекращается: графики зависимости температуры на поверхности испарителя от дозы заправки изобутана сходятся в одну точку. При дозе заправки изобутана 33,5г температура на поверхности испарителя понижается до –33,8оС. причем ее величина уже не зависит от настройки терморегулятора: компрессор работает в режиме неотключения от электрической сети (КРВ=1). С уменьшением дозы хладагента до 32,5г температура на поверхности испарителя снижается до –35,9оС. Однако при последующем удалении изобутана она начинает линейно увеличиваться: достигает значения –23,7оС при остаточной массе хладагента 30,5г. Уменьшение массы хладагента в компрессорной системе приводит к понижению давления и температуры его конденсации, повышению перегрева паров перед всасыванием их в компрессор. 18

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Анализ построенных циклов показывает, что с уменьшением массы хладагента в компрессорной системе не только увеличивается перегрев паров перед их всасыванием в компрессор, но и уменьшается величина переохлаждения жидкого холодильного агента перед его дросселированием. После удаления из системы 4,5г изобутана в капиллярную трубку поступает не переохлажденный, а насыщенный жидкий хладагент. Начало дросселирования холодильного агента в этом цикле происходит из точки, расположенной на пограничной кривой x=0. Дальнейшее удаление изобутана приводит к тому, что в дросселирующее устройство из конденсатора поступает влажный насыщенный пар - двухфазная система, состоящая из насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара. Выполнен тепловой расчет построенных термодинамических циклов. По результатам расчетов, с уменьшением дозы заправки компрессорной системы изобутаном убывает величина удельной массовой холодопроизводительности, снижается холодильный коэффициент, увеличивается удельная работа сжатия. Таким образом, изменение температурных условий окружающей среды, и удаления холодильного агента из герметичной системы БХП, отражается на термодинамических характеристиках бытового холодильника не только в связи с изменением теплопритоков в холодильный шкаф, но и в связи с существенным изменением термодинамических параметров циклов работы его компрессорной системы. Следовательно, это комплексное влияние температуры окружающей среды, и дозы заправки герметичной компрессорной системы на работу бытовой холодильной техники необходимо учитывать при прогнозе её реального энергопотребления. Перечень ссылок

1. Осокин В.В. Научно – технические основы обеспечения надёжности, технической и экологической безопасности малой холодильной техники, работающей на углеводородах (на примере изобутана). / В.В. Осокин, В.П. Железный, К.А. Ржесик, Ю.А. Селезнёва, В.Г. Матвиенко, А.В. Ландик, Ю.В. Жидков, Г.В. Соколов; М-во образования и науки Украины, Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского. – Донецк: ДонНУЭТ, 2009. – 244с. 2. ДСТУ 2295 – 93 (ГОСТ 16317 – 95) Приборы холодильные электрические бытовые.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 543.422.7+ 544.526.5

СХЕМА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАТЕРИАЛА В.Ф. Раков, А.А. Еременко, Ю.А. Пасечник ГУ «НИИ «Реактивэлектрон»

В статье приведена схема аппаратуры и рассмотрен способ определения фотокаталитической эффективности материала на основе диоксида титана с помощью устройства регистрации результатов экспериментов ЭСИФ1. Фотокаталитическую активность определяли фотометрическим методом в устройстве очистки воды по реакции фотодеградации органического красителя. Ключевые слова: фотокатализатор, очистка воды The article presents a diagram of the equipment and considers a method for determining the photocatalytic efficiency of a material based on titanium dioxide using a device for recording the results of experimental studies ESIF1. Photocatalytic activity was determined by the photometric method in a water purification device by the photodegradation reaction of an organic dye. Keywords: photocatalyst, water purification Каталитическое разрушение микробиологических объектов и токсичных хлорорганических соединений до простейших соединений (вода, углекислый газ, азот, хлорид кальция и магния и пр.) на фотокатализаторе при его облучении, в частности, ультрафиолетовым (далее УФ) светом, является самым эффективным и экологически чистым методом очистки природной воды. После открытия в 1972 г. фотокаталитического эффекта, были опробованы многие виды катализаторов. В итоге наиболее эффективным остается диоксид титана (TiO2) [1,2]. Диоксид титана, обладая высокой фотохимической активностью, способен поглощать энергию УФ-излучения с длиной волны 370-380 нм. В присутствии воды на поверхности диоксида титана образуются два вида соединений: активные радикалы ОН и ионы кислорода, которые активно окисляют органические вещества до СО2 и Н20. Это свойство диоксида титана используется при разработке технологий и оборудования для очистки воды от органических веществ, таких как углеводороды, спирты, эфиры, фенолы, альдегиды, кислоты и др. Типичная установка для обработки воды в слое фотокатализатора состоит из фотокаталитического реактора с УФ лампой, емкости с об-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

рабатываемой жидкостью и насоса [3]. Эффективность фотокатализаторов различными исследователями оценивалась путем контроля скорости разложения в контролируемых условиях тестового красителя, обладающего рядом общих свойств какой-либо группы загрязнителей [4]. Схема аппаратуры для проведения экспериментов и установка, позволяющая проводить фотокаталитическую очистку воды от органических соединений, представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Cхема аппаратуры для проведения экспериментов определения фотокаталитического эффекта при очистке воды от органического красителя:

1. Микронасос ММС; 2. Модуль фотокаталитический (миниреактор проходной) МКФ.000 с УФ светодиодами; 3. Генератор сигналов, 3.1 Усилитель УГС.000; 4. Датчик измерения прозрачности раствора; 5. Блок питания; 6. Калориметр фотоэлектрический КФК-2; 7. Устройство регистрации результатов экспериментальных исследований ЭСИФ1.000; 8. Компьютер; 9. Результат измерений в таблице Exel. Программа Му2.000; 10. Емкость с раствором органического красителя

В отличие от схем экспериментальных исследований, приведенных в [3, 4], в представленной схеме предусмотрен генератор сигналов для последующего исследования фотокаталитических процессов при импульсном воздействии УФ излучения светодиодов на различных частотах и формах сигналов от подаваемого на светодиоды напряжения.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Установка для фотокаталитической очистки воды от органических соединений:

1. фотокаталитический миниреактор проходной; 2. устройство регистрации результатов измерений свойств фотокаталитических материалов ЭСИФ1.000; 3. калориметр фотоэлектрический КФК-2; 4. скриншот работы программы регистрации результатов измерений

С использованием фотокаталитического миниреактора были проведены эксперименты по очистке воды от модельного органического загрязнителя - красителя метиленового синего с начальной концентрацией 61 мг/л. Опыты проводились с постоянным облучением ультрафиолетом. Регистрация результатов измерений свойств фотокаталитических материалов осуществлялась экспериментальной системой регистрации результатов ЭСИФ1, детальное описание которой было представлено ранее на VІ Международном научном форуме «Инновационные перспективы Донбасса» [5]. Условия проведения экспериментов: • температура воздуха в помещении…………………………16оС • объем реакционной камеры …………………………..……7,5 см3 • количество фотокатализатора TiO2 в гранулах 0,3-1 мм ..1,2 г • объем раствора метиленового синего …..………………....60 мл • начальная концентрация раствора……………………….…61 мг/л • производительность микронасоса ……………………....750 мл/час • освещение реакционной камеры: сверху и снизу по 2 УФ диода, 3Вт; 3,6В; 440 мА; 395 нм Как показано на схеме (рисунок 1), обрабатываемая жидкость из циркуляционной емкости поршневым минасосом подается в минире-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

актор, где происходит деструкция загрязняющих веществ в слое фотокатализатора анатаз TiO2 под действием ультрафиолетового света УФ диодов. Затем жидкость проходит через кювету с датчиком измерения прозрачности раствора и через кювету в фотокалориметре КФК-2, где при пропускании света через синий светофильтр измеряется напряжение на фотоэлементе колориметра. Была выполнена калибровка концентрации растворов метиленового синего в дистиллированной воде, результаты калибровки представлены в таблице 1. Таблица 1 Концентрация раствора С мг/л 100 80 50 25 10 Напряжение на фотоэлементе 750 770 900 975 1050 калориметра КФК-2, мВ Результат экспериментов определения фотокаталитического эффекта, регистрируемый устройством ЭСИФ1, представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – График изменения напряжения на фотоэлементе калориметра КФК-2 Увеличение напряжения на фотоэлементе фотокалориметра показывает, что возрастает прозрачность пропускаемого раствора, значит уменьшается концентрация органического красителя. В соответствии с данными предварительной калибровки концентрации растворов метиленового синего в дистиллированной воде за время фотокаталитического воздействия концентрация раствора уменьшилась на 5%, что показывает эффект воздействия при фотокаталитической очистке воды от органических загрязнений.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В фотокаталитическом миниреакторе были установлены УФ светодиоды 395 нм, от которых поступало лишь 5-10% фотонов с требуемой для фотокатализа длиной волны менее 380 нм. Кроме этого, была пониженная температура воздуха в помещении, поэтому несколько увеличено время фотокаталитического воздействия. Выводы

Существующие устройства фотокаталитической очистки воды работают с ограниченными объемами очищаемой воды, многократно пропуская воду через фотокаталитический реактор. Основное преимущество таких систем по сравнению с другими то, что они очищают воду от всей вредной органики, даже имеющей низкие значения ПДК. Эффективность фотокатализаторов большинством разработчиков и исследователей оценивается путем контроля скорости разложения в водном растворе в контролируемых условиях тестового красителя, обладающего рядом общих свойств какой-либо группы загрязнителей. Эффективность фотокатализатора на основе анатаза TiO2 при очистке воды от органического загрязнителя (красителя метиленового синего), облучаемого УФ светодиодами, и работоспособность автоматизированной системы экспериментальных исследований в общей схеме аппаратуры были подтверждены экспериментально.

Перечень ссылок

1. Сидак И.Л. Фотокаталитические устройства и способы очистки воды / И.Л. Сидак, В.Ф. Раков., В.М. Погибко // VI Международный Научный форум Донецкой Народной Республики. – Том 4: Перспективные направления развития экологии и химической технологии, 26-28 мая 2020. – Донецк: Донецкая политехника, 2020. – С. 30-34. 2. Новые окислительные технологии очистки воды и сточных вод. – URL: http://mvkniipr.ru/downloads/zar_news/15.04.2015-2.pdf 3. Марцуль В. Н. Фотокаталитическая очистка природных и сточных вод / В.Н. Марцуль, О.А. Самстыко, В.П. Капориков // Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов. – Минск: БГТУ, 2012. – С. 117-121. 4. Баглов А.В., Радионов А.А., Е.Б., Чубенко В А . Установка для фотокаталитической очистки воды от органических загрязнений в проточном реакторе // Доклады БГУИР. – 2018. – № 4 (114) – С. 45-50. 5. Еременко А.А., Раков В.Ф., Спиридонов Н.А. Разработка системы регистрации результатов измерений свойств фотокаталитических материалов / VІ Международный Научный форум Донецкой Народной Республики. – Том 2: Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем, Т26-28 мая 2020. – Донецк: Донецкая политехника, 2020. – C. 217221.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

К ВОПРОСУ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ СТАЛЕАЛЮМИНИЕВЫХ ПРОВОДОВ В СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ 35 – 220 кВ

М.Н. Шевченко, И.И. Ларина ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Анализируется допущение метода выбора сечения по экономической плотности тока о прямолинейности зависимости капвложений в строительство линий электропередачи от сечения провода. Получены значения экономической плотности тока в новых экономических условиях. Ключевые слова: экономическая плотность тока, сечение провода, приведенные затраты, линейная зависимость The assumption of the method of the cross-section selecting according to the economic current density about the straightness of the dependence of capital investment in the construction of power transmission lines on the cross-section of the wire is analyzed. The economic current density values in the new economic conditions are obtained. Keywords: economic current density, wire cross-section, reduced costs, linear dependence В условиях действия рыночных отношений в электроэнергетике выдвигается требование конкурентоспособности энергоснабжающих организаций. Оно может быть достигнуто за счет снижения собственных издержек на ее транспорт. Экономическая эффективность сооружения и эксплуатации электрических сетей зависит от их рационального построения. Это связано со значительными капиталовложениями, расходом проводникового материала и потерями электроэнергии, которые согласно статистике составляют до 15% отпущенной в сеть электроэнергии. Основная часть этих потерь связана с наличием активных сопротивлений у линий и трансформаторов (потери на нагрев). В ЛЭП потери достигают до 65% [1]. Радикальным способом их снижения является уменьшение активных сопротивлений проводов и жил кабелей, т.е. использование энергосберегающих проводов. Так, активное сопротивление проводов марки AERO-Z на 13-14 % ниже сопротивлений проводов марки АС. Но их стоимость значительно превышает стоимость проводов обычной конструкции.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

При обычных температурах и использовании алюминия или меди снижение активного сопротивления связано только с увеличением сечений проводов и жил кабелей. Стоимость токоведущей части воздушных ЛЭП напряжением 110 кВ и выше составляет третью часть стоимости сооружения ЛЭП [2]. При постоянном росте тарифов на электроэнергию снижение потерь электроэнергии в проводах имеет существенное значение. Метод выбора сечений проводов по экономической плотности тока рекомендуется ПУЭ в качестве основного при напряжениях до 220 кВ включительно. Экономическая плотность тока соответствует экономическому сечению проводника, которое, в свою очередь, соответствует минимуму приведенных затрат на сооружение линии электропередач. Она определяется по формуле: jÝÊ =

( E Í + p ËÝÏ ) , 3 ⋅ bC ⋅ ρ ⋅ τ M

(1)

где Ен – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; pлэп – норма отчислений на эксплуатацию ЛЭП; bс - средний тариф на электроэнергию; ρ – удельное сопротивление материала; τм – время максимальных потерь. Задача выбора сечений по экономической плотности тока была решена при ряде допущений. Одним из основных допущений является допущение о прямолинейной зависимости капвложений от сечения провода k0 = f (F). В работе проанализирована правомерность этого предположения. Для этого была рассчитана стоимость монтажа и проводов ( ∆K F ) при использовании стальных и железобетонных опор. Её значение определялось как разность между стоимостью двухцепных II

опор с подвеской двух ( K дл.л. ) и одной цепи ( K дл.л. ): II I ∆K F = K дв. л. - K дв.л. .

По этой стоимости рассчитывался коэффициент, определяющий наклон зависимости k0 = f (F) относительно горизонтальной оси для каждой марки провода сечением F: k 0'' = ∆K F / F

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

и его среднее значение

k 0" ср = k 0" / n ,

где n – количество марок проводов, которые используются для разного типа опор при различных напряжениях. Расчеты были выполнены для I – IV районов по гололеду при использовании стальных и железобетонных опор. Результаты расчётов для напряжения 110 кВ для III района по гололеду при использовании железобетонных опор приведены в таблице 1. Таблица 1 – Значения k 0'' и k 0'' ср. для ВЛЭП напряжением 110 кВ Параметр II K дв. л. ,

тыс.у.е. I K дв. л. ,

тыс.у.е. ΔКF, тыс.у.е. тыс.у.е. k 0'' , км·мм2

Район

Тип опор

по гололеду

2х цная 2х цная, 1 цепь

III

Сечения сталеалюминевых проводов, мм2

70/11

95/16

120/19 150/24 185/29 240/32

21,4

20,4

22,2

23,6

18,6

17,8

16,9

18,4

18,6

19,2

2,8

3,2

3,5

3,8

5,8

0,027

0,0242

0,040 0,0337 0,0292 0,0253

Среднее значение

тыс.у.е. км·мм2

k 0'' ср.,

0,0299

На рис. 1 приведены графики зависимости ΔКF напряжения 110 кВ для III и IV районов по гололеду.

= f (F) для

т у.е .ΔКF y = 0,0182x + 1,4088

y = 0,0181x + 1,7773

6 4 2

100

125

150

175

200

225

250

мм2

Рисунок 1 – Зависимость капитальных вложений от сечения ЛЭП при использовании железобетонных опор в сети 110 кВ в ІІІ ( ) и ІV ( ) районах по гололеду

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Анализ графиков зависимости капвложений от сечения ЛЭП для напряжений 35-220 кВ подтверждает правомерность принятого предположения о ее линейности. Исключение составляют зависимости: - при напряжении 35 кВ для железобетонных опор во ІІ районе по гололеду и для стальных опор в ІV районе по гололеду; - при напряжении 110 кВ для стальных опор в IV районе по гололёду; - при напряжении 150 кВ для стальных опор в І и ІІ районах по гололёду. На основании выполненного анализа нельзя окончательно определить район по гололёду, для которого бы определение сечений проводов по экономической плотности тока приводило бы к существенным погрешностям. Нормирование экономической плотности тока было проведено более 50 лет назад и больше не пересматривалось. На современном этапе изменились все экономические показатели, в соответствии с которыми проходило нормирование. В литературе [1] приводятся значения экономической плотности тока, учитывающие изменение экономических показателей, но они не вошли в новую редакцию ПУЭ. Величина экономической плотности тока указывается в ПУЭ в зависимости от времени использования максимальной нагрузки Тм для трех диапазонов – до 3500 часов, от 3500 до 5000 часов и свыше 5000 часов. Большой диапазон изменения Тм считается недостатком метода. В работе рассчитана величина экономической плотности тока при изменении Тм с интервалом в 1000 часов. Расчеты были выполнены для напряжений 35 - 220 кВ для I – IV районов по гололеду при следующих экономических показателях: Ен = 0,2, pлеп=7,2%, bС = 3,69 тыс. руб./МВт·ч. Значения экономической плотности тока для напряжения 110 кВ при использовании железобетонных опор приведено в табл. 2. Таблица 2 – Значение экономической плотности тока, А/мм2 Тм 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8700

I район 1,97 1,36 1,04 0,84 0,71 0,61 0,53 0,48 0,44

II район 2,03 1,41 1,07 0,87 0,73 0,63 0,55 0,49 0,46

III район 1,99 1,38 1,05 0,85 0,71 0,62 0,54 0,48 0,45

IV район 2,26 1,56 1,19 0,96 0,81 0,70 0,61 0,55 0,51

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Так как в каждом интервале функцию jЭК = f(Тм) в первом приближении можно считать линейной, то среднее значение для интервала рассчитывается, как полусумма ординат на границах интервалов:

jÝÊ =

jÝÊ i + jÝÊ i +1 2

где і – номер интервала. На рис. 2 показано изменение средних значений плотности тока. 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8700 I район

II район

III район

IV район

Рисунок 2 – Изменение средних значений плотности тока в I – IV районах по гололеду Анализ расчетов показал, что плотность тока в разных районах по гололеду мало отличаются между собой. Выводы

При напряжениях 35 и 220 кВ целесообразно выполнить нормирование плотности тока отдельно для І и ІІ, ІІІ и ІV районов, а при напряжении 110 кВ – отдельно для І – ІІІ и ІV районов.

Перечень ссылок

1. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д.Л. Файбисовича. – 4-е изд., перераб. и доп. - М: Изд-во ЭНАС, 2012. – 376 с. 2. Файбисович Д. Л. Предложения по унификации сечений проводов воздушных линий напряжением 110 – 750 кВ / Д. Л. Файбисович // Энергетик, 2003, № 3. С. 21 – 22.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.3-1.9

ОЦЕНКА ФУНКЦИИ ОТКЛЮЧЕНИЯ УЗО В МАТЕМАТИЧЕСКОМ ПАКЕТЕ MATLAB/SIMULINK

И.А. Бершадский, Н.М. Халявинская, М.А. Покандюк ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Приведены результаты математического моделирования функциональности УЗО в пакете Matlab/Simulink и рассчитаны величины токов, протекающих через человека, с учетом продолжительности их воздействия в режиме однофазной утечки. Показаны параметры безопасного режима прикосновения. Ключевые слова: УЗО, ток утечки, модель, однофазная нагрузка, Matlab. The results of mathematical modeling of the RCD functionality in the Matlab / Simulink package are presented and the values of currents flowing through a person in the single-phase leakage mode are calculated, taking into account the duration of its exposure. Touch safe options are shown. Keywords: RCD, leakage current, model, single-phase load, Matlab. Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке [1]. При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО, кроме тока нагрузки I1, протекает дополнительный ток — ток утечки (IΔ), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным) (рис. 1). Неравенство токов в первичных обмотках (I1 + IΔ в фазном проводнике и I2, равный I1, в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение уставки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3. Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 1 – Устройство УЗО:1 ─ дифференциальный трансформатор тока; 2 ─ пусковой орган; 3 ─ исполнительный механизм. Работу УЗО в различных режимах электрической сети удобно моделировать в математическом пакете Matlab/Simulink. Для этого необходимо реализовать структурную схему УЗО (рис. 2) с использованием блоков моделирования и стандартных математических функций пакета. Основой такой модели может стать разработанная Rodney Tan структура однофазного выключателя дифференциального тока (Single Phase Residual Current Circuit Breaker Block) [2]. Проанализируем работу однофазного УЗО с использованием математической модели (рис. 2). В качестве объектов для моделирования будет взята условная жилая квартира с однофазной сетью электропитания и с подключением защитного РЕ-проводника к PEN-проводнику цепи, питающей электроприемник, до защитно-коммутационного аппарата. Используя такой наиболее распространенный защищаемый УЗО объект, проведем ряд математических расчетов с помощью прикладного математического пакета Matlab.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Имитация прямого прикосновения к токоведущей части сети электропитания 220В, 50Гц, сопротивление человека 1000 Ом, пол 100 Ом. 2

AC Voltage Source

Single Phase Load with Leakage Current

УЗО

Discrete, Ts = 5e-05 s.

Human

powergui

Scope

Load Voltage & Current RMS 1 Leakage Current

From

Shoes floor

Статус УЗО

Scope1

RMS B

RMS

From1

0.3218 Время срабатывания

RMS1 1 Shoes floor Current

Рисунок 2 – Схема компьютерной модели прямого прикосновения человека к токоведущей части: 1 – питающая сеть 220 В, 50 Гц; 2 – блок моделирования УЗО; 3 – блок моделирования человека и сопротивления между человеком и землей (рис.3); 4 – блок моделирования однофазной нагрузки с током утечки (рис. 4) Компьютерная математическая модель состоит из 4-х основных блоков: 1) Питающая сеть 220 В, 50 Гц; 2) Блок моделирования УЗО; 3) Блок моделирования человека и сопротивления между человеком и землей; 4) Блок моделирования однофазной нагрузки с током утечки

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

L 1

Clock

Relational Operator 1

LT Leakage Time

Breaker

Leakage Resistance

N 2

Рисунок 3 - Блок моделирования человека и сопротивления между человеком и землей L 1

Clock

Relational Operator

Load

LT Leakage Time

c 2

Breaker

+ Leakage Resistance

N 2

Рисунок 4 - Блок моделирования однофазной нагрузки с током утечки Из полученных осциллограмм видно начало протекания тока через тело человека (0,3 с) – точка 1 (рис. 5). Момент прикосновения совпадает с началом нового периода синусоиды. С этого момента величина протекающего тока возрастает от 0 до 0,2044А – точка 3 (рис. 5 б). В момент 0,3018 c (в этот момент ток, протекающий через тело человека достигает 30 мА – точка 2 на рис. 5 б) моделируемое УЗО (чувствительность 30 мА) почувствовало прикосновение и после выдержки времени (0,02 с) подало сигнал на отключение.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 5 - Осциллограммы напряжения и тока протекающего через тело человека (УЗО 30мА): а - кривая напряжения: амплитудная характеристика; б - токовая кривая: действующее значение; в токовая кривая: амплитудная характеристика Теоретически, с учетом совпадения момента прикосновения с началом нового периода синусоиды и выдержкой на отключение 20 мс, УЗО должно было отключить питание ровно в конце периода. Однако с учетом нарастания величины поражающего тока от 0 до значения в 30 мА, окончательное отключение произойдет в момент 0,3218 с (рис. 5б – вертикальный срез (3)), что совпало с началом положительной полуволны следующего периода синусоиды после прикосновения, и на осциллограмме мы видим третью полуволну, объяснимую тем, что происходит моделирование состояния разомкнутых контактов выключателя с горением дуги между ними, которая пропадает в момент следующего перехода через 0 (верикальный срез (4)). Кроме того, моделируется режим индуктивной нагрузки, при котором наблюдается отставание тока от напряжения сети. Только начиная с момента времени 0,3315 с (вертикальный срез (5)) ток, протекающий через человека, начинает снижаться. По полученной кривой тока мы видим, что максимальный ток 204,4 мА (рис. 5б) протекал очень короткое время, всего 12 мс. Вывод

Согласно ГОСТ [3] при действующем значении тока через человека 0,2 А допускается его предельно допустимая продолжительность воздействия не более 180 мс. УЗО спасло жизнь человека, не допустив долгосрочного протекания такого большого тока, который через пару секунд мог бы вызвать фибрилляцию серд-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ца, а затем паралич сердечной мышцы, что подтверждает безопасность данной ситуации.

Перечень ссылок 1. Монаков В. К. УЗО. Теория и практика [Текст] : Энергосервис, 2007. — 368 с. — ISBN 5-900835-99-5. 2. Single Phase Residual Current Circuit Breaker Block [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/63160-single-phase-residualcurrent-circuit-breaker-block?s_tid=prof_contriblnk 3. ГОСТ 12.1.038-82 Государственный стандарт союза ССР. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. [Текст] : РАЗРАБОТАНО И ВНЕСЕНО Всесоюзным Центральным Советом Профессиональных Союзов / РАЗРАБОТЧИКИ А.С.Дальнов (руководитель темы); Г.П.Саверский; Н.Л.Неведомский; И.Н.Дорожкин / УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30.06.82 № 2987.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕГАЗОВЫХ И ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 110-220 кВ

А.С. Сауткин, С.В. Ковальская ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Рассмотрены основные тенденции научного развития, исследования, разработки и создания техники для управления и механизации технологических процессов, широко применяемых в электроэнергетической отрасли. Ключевые слова: эксплуатация, выключатель, элегаз, вакуум, надежность, напряжение The main trends of scientific development, research, development and creation of equipment for the management and mechanization of technological processes that are widely used in the electric power industry are considered. Key words: exploitation, switch, SF6 gas, vacuum, reliability, electrical voltage. В настоящее время для существования техногенной цивилизации, основанной на машинном производстве, совершенствовании и разработке новых машин и технических решений, прогрессивное развитие в области электроэнергетики является одной из основных задач устойчивого развития как отрасли, от которой напрямую зависят перспективы эволюционирования всех иных направлений хозяйственной деятельности человека. На сегодняшний день рынок электросилового оборудования выпускает большой спектр коммутационных аппаратов от разъединителей различного типа до выключателей. Они отличаются как материалом изготовления, так и эксплуатационной надежностью. Основные изменения в развитии энергооборудования претерпели силовые коммутационные выключатели – за счет изменения среды дугогашения. Основной задачей силовых выключателей является отключение тока короткого замыкания. Силовые выключатели предназначены для осуществления коммутации как в нормальных режимах работы, так и в аварийных. Основным показателем надежности работы электрооборудования является эксплуатационная надежность, которая определяется как

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

среднее время наработки до отказа оборудования или частота отказов оборудования. В работе был проведен анализ эксплуатационной надежности элегазовых [3,4] и вакуумных [1,2] выключателей для промышленных предприятий на примере выключателей напряжения 110-220 кВ следующих фирм: Asea Brown Boveri (ABB) и УП «Беладрия», НПД «Контакт». Для проведения анализа выбраны выключатели номинальным напряжением 110-220 кВ с номинальным током 2000 А. В табл. 1 приведены сравнительные технические характеристики выключателей. Таблица 1 – Технические характеристики выключателей ВБПВБП–220 110IIILTB III– HPL Техническая характеристика 31,5/2000 145D1/B 31,5/2000 245B1 УХЛ1 УХЛ1 Номинальное напряжение, 110 110 220 220 кВ Наибольшее рабочее 126 126 252 252 напряжение, кВ Номинальный ток, А 2000 3150 2000 4000 Номинальный ток 31,5 31,5/40 31,5 50 отключения, кА Предельный сквозной ток, кА: Начальное эффективное значение периодической 31,5 31,5 31,5 31,5 составляющей Амплитудное значение 80,3 80/102 80,3 80 Предельный ток термиче31,5 31,5 31,5 31,5 ской устойчивости (для ( t = 3 с) ( t = 3 с) ( t = 3 с) ( t = 3 с) промежутка времени), кА Собственное время отклю0,0190,03 0,014 чения выключателя с 0,05 0,025 приводом, с, не более Время отключения (до погасания дуги) выключателя с 0,012 0,04 0,055 0,04 приводом, с, не более Собственное время включения выключателя с 0,085 0,04 0,085 0,06 приводом, с

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Продолжение табл.1

ВБПВБП–220 110IIILTB III– HPL Техническая характеристика 31,5/2000 145D1/B 31,5/2000 245B1 УХЛ1 УХЛ1 Минимальная бестоковая пауза при автоматическом 0,3 0,3 0,3 0,3 повторном включении (АПВ), с Механический ресурс 2000 1360 2500 4280 выключателя Для определения надежности необходимо проведение комплексного сравнительного анализа выключателей, трудоемкость техобслуживания и периодичность ремонта. Расчет надежности выключателей среднего класса напряжения производится по показателю среднего времени безотказной работы выключателя. Обработка эксплуатационной информации о надежности работы выключателей на промышленных предприятиях производится по следующей схеме: наработка исходных данных для моделирования, составление выборок, подбор показателей надежности, расчет надежности, итоговый анализ показателей надежности. Сравнительный анализ приведен в табл. 2, 3, 4. Таблица 2 – Трудоемкость техобслуживания силовых выключателей ВБПВБП–220 110IIILTB III– HPL Тип выключателя 245B1 31,5/2000 145D1/B 31,5/2000 УХЛ1 УХЛ1 Число коммутаций в нормальном режиме

10000

7-10

Техобслуживание привода

Сложное

Простое

Техобслуживание полюсов

Сложное Сложное Сложное

Сложное

Период техобслуживания (лет)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 3 – Периодичность ремонта выключателей Периодичность Периодичность Выключатели текущего ремонта, месяц капремонта, лет ВБП-110III31,5/2000 УХЛ1 LTB 145D1/B ВБП–220 III– 31,5/2000 УХЛ1 HPL 245B1

Не требует

Визуальный осмотр каждые 1-2 года

Не требует

Визуальный осмотр каждые 1-2 года

Таблица 4 - Отказы собственно выключателей с приводами в различных режимах Распределение отказов, %, по напряжениям, кВ

Отказ

110

220

В статическом состоянии

30,0

18,2

При оперативных переключениях

20,0

36,3

При отключении КЗ

50,0

45,5

Итого

100

Выводы

Сравнительный анализ надежности силовых выключателей 110-220 кВ по показателю среднего времени безотказной работы выключателя показал: 1. Механическая долговечность, определяемая числом коммутационных циклов значительно выше у вакуумных выключателей по сравнению с элегазовыми.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

2.Эксплуатационная долговечность, определяемая трудоемкостью технического обслуживания и ремонта, у вакуумных выключателей выше, чем у элегазовых выключателей. 3. Для промышленных предприятий характерно отключение силовым выключателем значительных нагрузок, что наиболее эффективно обеспечивают вакуумные выключатели. 4. Периодичность ремонтов коммутационных агрегатов в виде высоковольтных выключателей осуществляется ежегодно согласно графика ППР, а так как вакуумные выключатели не требуют во время проведения ППР осуществлять ремонт полюсов, следовательно, сокращается время проведения ремонта и сокращения трудозатрат. 5. Периодичность технического обслуживания выключателей на промышленных предприятиях значительно выше (приблизительно в 10 раз) по сравнению с выключателями сетевых организаций, что предъявляет повышенные требования к их надежности. Отсюда следует, что вакуумные выключатели по всем направлениям опережают элегазовые.

Перечень ссылок

1. Вакуумные выключатели 110 кВ: технические характеристики ВБП-110III31,5/2000 УХЛ1. — Текст: электронный: [сайт]. — URL: http://www.rele.by/katalog/vakuumnye-kommutacionnye-apparaty/vakuumnyevyklyuchateli-110-kv.html (дата обращения: 28.04.2021). 2. Вакуумные выключатели, контакторы, камеры - НПП Контакт: технические характеристики ВБП–220 III–31,5/2000 УХЛ1. — Текст: электронный: [сайт]. — URL: http://http://www.kontakt-saratov.ru/vikl_220_kv.html (дата обращения 28.04.2021). 3. Выключатели колонковые элегазовые [Электронный ресурс] – 2835 Кб. – 1 файл. – Системные требования Acrobar Reader. http://www.gerconltd.ru/files/spr_hbl.pdf 4. Технические характеристики элегазовых выключателей АББ типа LTB D и LTB E: Технические характеристики по ГОСТ Р 52565-2006, Технические характеристики по стандартам МЭК. — Текст: электронный: [сайт]. — URL: http://pokroff.com/info/spravka/tehnicheskie-harakteristiki-elegazovyh-vyklyuchateleiabb-tipa-ltb-d-i-ltb-e.html (дата обращения 29.04.2021).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316.9

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ С ДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТОЙ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ И.А. Бершадский, В.В. Иванилов, А.А. Заболотний ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

Приведены результаты обоснования параметров безопасности и фунциональной схемы источника питания с повышенной искробезопасной мощностью, предназначенного для создания искробезопасных систем освещения очистных и подготовительных выработок угольных шахт. Даны характеристики шунтирующего ограничителя напряжения и последовательного токоограничивающего устройства. Ключевые слова: искробезопасность, источник питания, нагрузка, освещение The results of substantiating the safety parameters and the functional circuit of the power supply with increased intrinsically safe power, intended for the creation of spark-safe lighting systems for the treatment and preparatory workings of coal mines, are presented. The characteristics of a shunt voltage limiter and a series current-limiting device are given. Keywords: intrinsic safety, power supply, load, lighting Принимая во внимание особый интерес к внедрению искробезопасных систем освещения для очистных и подготовительных выработок, при разработке схемотехнических решений источника питания важно учитывать некоторые особенности данных подземных участков угольных шахт. Для подземных потребителей очистных и подготовительных выработок применяют трёхфазный переменный ток (напряжение 660/1140 В промышленной частоты 50 Гц). Следовательно, источник питания должен быть рассчитан для подключения к данной сети и состоять из трех функциональных узлов: сетевого трансформатора, преобразователя напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока и барьера искрозащиты (рис.1). В разработанной функциональной схеме источника питания учтены специфические требования ГОСТов к построению электрических цепей с видом взрывозащиты «Искробезопасная электрическая цепь «i». В частности, обеспечено: гальваническое разделение искробезопасных цепей от сети за счет трансформатора; гальваническое разделение между искробезопасными цепями выходных каналов за счет

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

преобразователей АС/DC, позволяющее использовать контрольный кабель для подключения всех каналов без дополнительных конструктивных в них мер, таких как экранирование, заземление жил.

Рисунок 1 – Функциональная схема источника питания с динамической защитой для системы освещения В функциональной схеме барьера искрозащиты (рис. 1) учтены и реализованы результаты анализа характеристик искробезопасных источников питания систем освещения: применен способ искусственного сокращения длительности разряда, как наиболее эффективный метод увеличения искробезопасной мощности; искусственное сокращение длительности разряда основано на принципе отключении цепи питания от участка с разрядом, который характеризуется наиболее результативным ограничением энергии разряда в случае подключения кабельных линий. Исходя из нелинейной вольтамперной характеристики барьера искрозащиты, в нем реализованы два защитных узла в соответствии с требованиями ГОСТов: шунтирующий ограничитель напряжения, который обеспечивает максимальное выходное напряжение Uо (выделен пунктиром на рис. 2); последовательное токоограничительное устройство, которое обеспечивает максимальное выходной ток Iо. Шунтирующий ограничитель напряжения. Ограничение уровня напряжения достигается за счет шунтирования выходной искробезопасной цепи с помощью управляемых полупроводниковых ключей 1 и 2, например, тиристоров. Схемы сравнения Uо формируют сигнал на открытие «снижение сопротивления» ключам при достижении уровня напряжения 36 В выходной цепи. Быстродействие (время срабатывания тиристоров) ограничения напряжения в аварийном режиме преобразователя AC/DC (рис. 1) при увеличении их управляющего сигнала составляет 3..4 мкс [1].

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Функциональная схема барьера искрозащиты источника питания с динамической защитой для системы освещения КУОШ В соответствии с требованиями ГОСТов искробезопасные цепи уровня ib не должны вызывать воспламенение при нормальной эксплуатации и введении одного учитываемого и всех неучитываемых повреждений, создающих наиболее опасные условия. В связи с этим в схему введено независимое дублирование узлов. Последовательное токоограничительное устройство. Состоит из последовательных управляемых полупроводниковых силовых ключей, шунтов для измерения силы тока нагрузки источника и скорости ее изменения, схем сравнения измеренных параметров тока, а также схем плавного включения. В качестве управляемых полупроводниковых силовых ключей целесообразно остановиться на полевых или биполярных транзисторах, обеспечивающих приемлемое быстродействие 20…50 нс. Для определения силы тока нагрузки источника используем резистор (шунт), падение напряжения на котором пропорционально измеряемой величине. В качестве элементов сравнения измеренных значений тока принят биполярный транзистор, включенный по известной

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

схеме. Для обеспечения требуемого ограничения силы тока на заданном уровне используются две независимые схемы сравнения Iо, которые переводят ключи в линейный режим работы при падении напряжения на шунте 0,5..0,6 В. Соответственно ток уставки определяется соотношением к сопротивлению шунта Iуст=0,6/Rш. В данном режиме происходит стабилизация (ограничение) силы тока на уровне уставки за счет быстродействующего управления сопротивлением ключей. Как упоминалось ранее, наиболее эффективным устройством контроля начала аварийного разряда (измерения скорости изменения силы тока) в искробезопасных цепях является дроссель. Анализ способов реализации сравнения сигнала dI/dt показал, что особенно результативным является выделение полезного сигнала на база – эмиттерных переходах биполярных транзистров, подключенных эмиттерами относительно дросселя. Сигнал с шунта подается на отдельные схемы сравнения. При превышении модулем скорости изменения силы тока в нагрузке заданного значения они воздействуют на соответствующие силовые ключи и разрывают цепь питания нагрузки. Для достижения максимальной эффективности динамической искрозащиты при коммутации цепи нагрузки энергия источника питания почти полностью должна рассеивается на сопротивлениях силовых ключей и минимально выделяться в электрический разряд. Данное условие достигается сокращением времени срабатывания защиты Ти до нескольких микросекунд [2]. Выводы

Обоснованы параметры и разработана функциональная схема источника питания напряжением 36 В с повышенной искробезопасной мощностью 180 Вт, который может использоваться для горных выработок с системой освещения типа КУОШ.

Перечень ссылок

1. Бершадский, И.А. Тестирование метода бескамерной тепловой оценки искробезопасности схемы источника питания / И.А. Бершадский, Ал. А. Дубинский // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. научных трудов УкрНИИВЭ. – Донецк , 2011. – С. 230 - 240. 2. Красик, Я. Л. Увеличение мощности искробезопасных систем путем сокращения длительности коммутационных разрядов: Автореф. дис. на соиск. учен.степени канд. техн. наук. – М., 1970. – 15 с. – ИГД им. А. А. Скочинского.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Е.М. Григоренко, А.А. Булгаков ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Выполнены расчёты режимов однофазного короткого замыкания и исследованы мероприятия, которые используются в энергосистемах для снижения величины токов однофазных коротких замыканий (КЗ). Оценена эффективность мероприятий. Ключевые слова. Однофазное короткое замыкание, электрическая система, ограничение тока. The calculations of single-phase short circuit mode were conducted and the measures used in energy systems to reduce the single-phase short circuit current values were researched. The efficiency of such measures was estimated. Keywords: single-phase short circuit, energy system, current limitation Постановка задачи. Основным расчетным видом короткого замыкания в высоковольтных электрических системах является трехфазное короткое замыкание. Ток трехфазного короткого замыкания считается наибольшим возможным, и именно по нему проводится проверка отключающей способности коммутационного оборудования, проверка оборудования на стойкость к токам КЗ, наладка релейной защиты и др. Токи несимметричного короткого замыкания, как правило, меньше трехфазного тока. Поэтому можно считать, что если оборудование выдерживает ток трехфазного короткого замыкания, то и для несимметричных замыканий его стойкость будет обеспечена. Однако в реальных электрических системах бывают случаи, когда ток однофазного короткого замыкания превышает ток трехфазного в той же точке. В этих случаях необходимо или проводить дополнительные расчеты оборудования для тока однофазного КЗ, или ограничивать ток. Целью работы является расчёт и анализ мероприятий по ограничению токов однофазного КЗ. Схема исследуемой сети. Схема для проведения расчёта и исследования представлена на рис.1. В системе присутствуют автотрансформатор (АТ), трансформаторы (Т1-Т2), генератор (G), син-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

хронный компенсатор (GC), эквивалентная система (GS). Точка однофазного КЗ находится на стороне среднего напряжения АТ.

Рисунок 1 – Схема для проведения расчётов Мероприятия по ограничению токов КЗ. Одним из путей ограничения тока несимметричного КЗ является увеличение сопротивления нулевой последовательности (НП) системы. Для исследуемой электрической системы схема нулевой последовательности показана на рис.2. Рассмотрим возможные мероприятия для ограничения тока однофазного КЗ.

Рисунок 2 – Схема нулевой последовательности Расчет режимов однофазного КЗ проводим методом симметричных составляющих [1, 2]. Расчет проводим в относительных единицах (о.е.) методом приближенного приведения параметров схемы замещения. Результаты расчёта параметров методом приближённого приве-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

дения, заносим в текстовый документ (sz_0) рис. 3 и с его помощью производим расчёт с использованием Mathcad.

Рисунок 3 ̶ Данные для расчета по схеме замещения нулевой последовательности Первое мероприятие по ограничению токов КЗ заключается в исследовании разземлении части нейтралей трансформаторов в электрической системе. При разземлении нейтрали трансформатора Т1 схема НП примет вид, показанный на рис. 4. Для расчета этого режима вносим коррективы в текстовый документ (sz_0) рис. 5. Результаты приведены в табл. 1.

Рисунок 4 ̶ Схема нулевой последовательности после разземления Т1

Рисунок 5 ̶ Данные для расчета по схеме замещения нулевой последовательности после разземления нейтрали Т1 47

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Вторым мероприятием проводится разземление грозозащитного троса на воздушной линии электропередачи (ЛЭП) [4]. Структурно схема замещения НП не изменяется (рис.2), однако увеличиваются значения сопротивлений НП для ЛЭП. При заземленном с двух сторон грозозащитном тросе отношение X 0 / X 1 принималось равным 3, а при разземленном тросе – 3,5. Рассчитываем сопротивления НП для ЛЭП: – до разземления тросов

X W 10 = 3 ⋅ X W 1 = 3 ⋅ 0,91 = 2,73 о.е. X W 20 = X W 30 = 3 ⋅ X W 20 = 3 ⋅ 0,76 = 2,73 о.е. X5 =

X W 10 ⋅ ( X W 30 + X W 20 ) 2,73 ⋅ (2,28 + 2,28) = = 1,708 о.е. X W 10 + X W 20 + X W 30 2,73 + 2,28 + 2,28

– после разземления тросов

X W 10 = 3,5 ⋅ X W 1 = 3,5 ⋅ 0,91 = 3,185 о.е. X W 20 = X W 30 = 3,5 ⋅ X W 2 = 3,5 ⋅ 0,76 = 2,66 о.е. X5 =

3,185 ⋅ ( 2,66 + 2,66) = 1,992о.е. 3,185 + 2,66 + 2,66

Эквивалентное сопротивление в ветви 5 при разземлении троса увеличилось с 1,708 о.е. до 1,992 о.е. Выполняем расчеты однофазного КЗ при новых значениях сопротивлений НП для ЛЭП. Третьим мероприятием рассматривается введения дополнительного (реактивного и активного) сопротивления в нейтраль трансформатора Т1. Расчет сопротивления НП трансформатора Т1 производим по формулам при добавлении реактивного

X Σ = XT + 3 ⋅ X N и активного сопротивления:

(1)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

X Σ ≈ Z Σ = X T2 + (3 ⋅ RN ) . (2) Величину дополнительного сопротивления в нейтрали принимаем равной 30% от сопротивления Т1. Рассчитываем случаи установки активного и реактивного сопротивлений по отдельности и вместе. Результаты расчетов сводим в табл.1 Эффективность применения мероприятий. В табл. 1 показаны величины суммарного сопротивления нулевой последовательности системы (Z0Σ.о.е.), добавочное сопротивления при расчета по правилу эквивалентности прямой последовательностей (XΔ, о.е), ток прямой последовательности (Ik1, кА) и суммарный ток однофазного КЗ (IΣk, кА). 2

Таблица 1– Результаты расчетов Мероприятие

Z0Σ.о.е.

XΔ, о.е.

Ik1, кА.

IΣk1, кА.

Исходный режим (нет мероприятий)

0,356

2,195

4,55

13,65

Разземлена нейтраль трансформатора Т1

0,428

2,267

4,41

13,23

Разземлён грозозащитный трос

0,363

2,202

4,52

13,56

0,367

2,206

4,53

13,59

0,361

2,2

4,54

13,62

RN и XN

0,369

2,208

4,52

13,56

Введено дополнительное сопротивление в нейтраль трансформатора Т1

Из табл. 1 видно, что наиболее эффективным мероприятием по ограничению тока однофазного КЗ в исследуемой системе является разземление нейтрали трансформатора Т1, так как суммарный ток на 2,4% меньше, чем при введении дополнительных реактивного и активного сопротивлений в нейтраль трансформатора Т1. Этот способ не нуждается в дополнительных капитальных вложениях. Следующим по эффективности идут такие мероприятия: одновременное добавление реактивного и активного сопротивления в

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

нейтраль трансформатора Т1 и разземление грозозащитного троса на воздушных ЛЭП. Наименее эффективным мероприятием оказалось введение дополнительного активного сопротивления в нейтраль Т1, при этом суммарный ток однофазного КЗ уменьшается всего на 30А. Выводы

Был произведён расчёт и анализ мероприятий по ограничению токов однофазного короткого замыкания КЗ. Наиболее эффективным из рассмотренных мероприятий оказалось разземление нейтрали трансформатора Т1, что позволило уменьшить ток КЗ на 420 А.

Перечень ссылок

1. Переходные процессы в системах электроснабжения // В.Н. Винославский, Г.Г. Пивняк, Л.Н. Несен и др. – К.: Выща шк. Головное издательство, 1989.422 с. 2. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. – М.: Энергия, 1970. – 520 с. 3. ГОСТ Р 52735-2007 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ. Дата введения 2008-07-01. 4. Руководящие указания по ограничению токов однофазных коротких замыканий в электрических сетях 110-220 кВ энергосистем. Введ. 10.12.84.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

СРАВНИТЕЛЬНОЕ СОПОСТАВЛЕНИЕ НОРМ МЕДЛЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНЧЕНИЯ А.А. Булгаков, В.И. Неволин ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

Сопоставлены нормы на медленные изменения напряжения в стандартах Российской Федерации на качество электрической энергии. Дан пример расчета отклонений напряжения при случайной помехе. Ключевые слова. качество электроэнергии, случайная помеха, медленные изменения напряжения, стандарт. The norms for slow voltage change present in the Russian Federation standards and electric energy quality were compared. An example of calculating voltage deviations in terms of random disturbance is given. Keywords: electric energy quality, random disturbance, slow voltage change, standard Постановка задачи. Качество электрической энергии (КЭ): степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных значений показателей качества электрической энергии [1]. Нормы на качество электрической энергии регламентируются стандартом [2], которому предшествовал стандарт [3]. Важнейшим локальным параметром режима работы электрической системы является напряжение. Одним из основных показателей КЭ в системах электроснабжения являются медленные изменения напряжения. Занижение оценки этого показателя приводит к снижению производительности работы асинхронных двигателей, к ухудшению качества освещения, что влечет за собою снижение производительности труда, повышенной утомляемости и браку на производстве, а завышение – к необоснованному увеличению капитальных затрат при проектировании систем электроснабжения, увеличение потерь в электродвигателях, в следствии преждевременному старению изоляции. Целью данной статьи является сопоставление норм на медленные изменения напряжения действующего в Российской Федерации

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

стандарта на КЭ [2] и стандарта [3], который действовал с 1997-по 2010гг. Медленные изменения напряжения электропитания обычно обусловлены изменениями нагрузки электрической сети. В действующем стандарте [2] медленные изменения напряжения рассчитываются отдельно для отрицательного δU(-) и положительного δU(+) отклонения напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии от номинального значения, в %. �𝑈𝑈0 − 𝑈𝑈𝑚𝑚(−) � 𝛿𝛿𝑈𝑈(−) = � � · 100; 𝑈𝑈0 �𝑈𝑈𝑚𝑚(+) − 𝑈𝑈0 � 𝛿𝛿𝑈𝑈(+) = � � · 100. 𝑈𝑈0

(1)

где 𝑈𝑈𝑚𝑚(−), 𝑈𝑈𝑚𝑚(+) – значение напряжения электропитания, меньше 𝑈𝑈0 и больше 𝑈𝑈0 соответственно, усредненные в интервале времени 10 минут, 𝑈𝑈0 – напряжение, равное стандартному номинальному напряжению 𝑈𝑈ном. В [3] использовался термин «отклонения напряжения», значения установившегося отклонения напряжения 𝑈𝑈𝑦𝑦 вычисляют по формуле в процентах: 𝛿𝛿𝑈𝑈𝑦𝑦 =

𝑈𝑈𝑦𝑦 − 𝑈𝑈ном · 100, 𝑈𝑈ном

(2)

где 𝑈𝑈ном - номинальное междуфазное (фазное) напряжение, В, кВ, 𝑈𝑈𝑦𝑦 – значение усредненного напряжения на интервале 1 минута. Нормирование и сопоставление стандартов. В действующей электрической сети производятся замеры и рассчитываются показатели качества электроэнергии, которые сравниваются с нормируемыми значениями. Формулы (1) и (2) имеют идентичную структуру, однако интервалы усреднения (объединения результатов) различны. В [3] усреднение проводится на интервале 1 минута, а в [2] это время составляет 10 минут. В действующем стандарте [2] для отклонений напряжения устанавливается время измерения равное 7 суток, а стандарт [3] регламентирует для измерений 24 часа. В стандарте [3] для отклонений напряжения нормировались нормально допустимые и предельно до-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

пустимые значения, нормы на которые составляли ± 5 % и ± 10% соответственно. Нормально допустимые значения рассчитывались с интегральной вероятностью 95% времени, а предельные – 100%. В стандарте [2] норма, соответствующая 95% времени, исключена. А так же исключены термины «нормально и предельно допустимые» значения. Стандарт [3] содержал приложение для расчёта показателей КЭ по отклонению напряжения, в свою же очередь действующий стандарт [2] такого приложения не содержит и ссылается стандарт [4]. Практические расчеты. Сетевые 1 помехи в общем случае содержат элемент случайности и носят вероятностный характер. Для наглядного сравнения норм стандартов используем модель сетевой помехи в виде случайного процесса. Исходное напряжение проставляется как сумма некоторой неизменной части и случайной помехи. Для получения исходного (модельного) процесса изменения напряжения была выполнена имитация случайного стационарного процесса длительностью в одни сутки с шагом дискретизации 1 с. (86400 ординат). Рассчитаны числовые характеристики случайной составляющей напряжения: среднее значение равно 0 о.е. и среднеквадратическое отклонение 0,115 о.е. Для получения случайного процесса с экспоненциальной автокорреляционной функцией можно использовать методы [5-7]. При моделировании был применен метод на основе непрерывных дробей. На рис. 1 представлен фрагмент модельного процесса изменения напряжения длительностью 3600 с.

1,5 U(t) о.е 1 0,5

t, с 0

3000 1000 2000 Рисунок 1 – Фрагмент исходного модельного графика изменения напряжения (3600 с.)

Для проверки соблюдения норм действующего стандарта [2] и стандарта [3] на отклонение напряжения было выполнено среднеквадратичное 10-минутное и 1-минутное усреднение. Соответствующие 1

В стандарте [3] использовался термин «кондуктивные».

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

усредненные среднеквадратичные напряжения Uθ показаны на рис 2. График с 10- минутным усреднением является более сглаженным, чем с 1-минутным. Определяются максимальное и минимальное значения усредненного процесса изменения напряжения. При условии, если отклонения напряжения не превышают ±10 %, то нормы стандарта соблюдаются. Uθ

1,1 о.е

1 – 10–минутное усреднение 2 – 1–минутное усреднение

2 1

0,9

t 0

2000

1000

3000

Рисунок 2 – График отклонения напряжения с учетом коэффициентов усреднения Для расчета вероятностной нормы построена интегральная функция распределения (рис. 3) усредненного графика. Расчетные максимальное и минимальное значения отклонений напряжения с заданной интегральной вероятностью 95% составили 𝑈𝑈𝑦𝑦max = 1,0519 о.е. и 𝑈𝑈𝑦𝑦min = 0,964 о.е. соответственно. Расчеты максимальных значений согласно стандартов [2] и [3] сводим в табл. 1, где используются обозначения из [2]. Таблица 1 – Сравнение медленных изменений напряжения Фактические Нормы, % значения, % Показатель ГОСТ ГОСТ 1 мин. 10 мин. 13109-97 32144-2013 усреднение усреднение 𝑈𝑈𝑚𝑚(+)

100 %

10,38

4,72

95%

−

5,19

−

𝑈𝑈𝑚𝑚(−)

100%

-10

-9,67

-1,16

95%

-5

−

-3,607

−

𝑈𝑈𝑚𝑚(+) 𝑈𝑈𝑚𝑚(−)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1 F(U)

0,95

0,8

0,6

0,4

0,2 0,05

U, о.е.

Uymin 1 0,9 Uymax 1,1 Рисунок 3 – Интегральная функция распределения среднеквадратичных усредненных значений напряжения (интервал усреднения: 1 мин) Вначале оценим выполнение норм стандартов. Для рассматриваемой сетевой помехи нормы действующего стандарта [2] на медленные изменения напряжения выполняются: 4,72% < 10% и |–1,16|% < |–10|%, а стандарта [3] не выполняются, поскольку 10,38% > 10% и 5,19% > 5%. Как видно из табл.1 фактические значения отклонений напряжения при 1 минутном и 10 минутном усреднении исходного процесса различны: 10-минутные значения существенно меньше по абсолютной величине. Для рассматриваемого примера недетерминированной стационарной сетевой помехи отличие для максимальных значений составило 10,38%/4,72% = 2,2 раза, а для минимальных – 9,67%/1,16% = 8,3 раз.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

Действующий ГОСТ 32144-2013 на качество электрической энергии предъявляет существенно более мягкие требования к нормированию медленных изменений напряжения, чем предшествующий ему ГОСТ 13109-97.

Перечень ссылок

1. ГОСТ Р 54130-2010. Межгосударственный стандарт. Качество электрической энергии. Термины и определения. Введ. с 01.07.2012. 2. ГОСТ 32144-2013. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. с 01.07.2014. 3. ГОСТ 13109-97. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – Введ. с 01.01.2000. 4. ГОСТ Р 51317.4.30-2008. Межгосударственный стандарт. Электрическая энергия. Методы измерений показателей качества электрической энергии. - Введ. с 01.01.2010. 5. Куренный, Э.Г. Статистическое моделирование нормальных случайных процессов в заводских электрических сетях / Э.Г. Куренный, Е.Н. Дмитриева // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1977. − №5. − С. 128-140. 6. Карташов, В.Я. Цифровое моделирование стационарных случайных процессов с заданной корреляционной функцией на основе метода непрерывных дробей / Карташов В.Я., Новосельцева М.А. // Управление большими системами. Выпуск 31. – М.: ИПУ РАН, 2010г. с 49-91. 7. Куренный, Э.Г. «Эстафетный» метод имитации случайных электроэнергетических процессов / Э.Г. Куренный, Н.Н. Погребняк // Техническая электродинамика. – 1990. − №3. – С. 3-6.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.5:62-83

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СТЕРЕОТРИАНГУЛЯЦИИ ДЛЯ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

А.В.Веревкин, А.Н.Верзун, А.В.Захаров ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье описывается разработка алгоритма поиска координат точки в реальном времени с использованием библиотеки OpenCV в Python для задач автоматизированного электропривода. Ключевые слова: веб камера, калибровка, диспарантность, карта глубины, Python, OpenCV, расстояние The article describes the development of an algorithm for finding the coordinates of a point in real time using the OpenCV library in Python for automated drive tasks. Keywords: web camera, calibration, disparance, depth map, Python, OpenCV, distance В настоящее время компьютерное зрение является важной областью исследований. Оно включает такие методы как получение, обработка, анализ и понимание изображений. Методы компьютерного зрения пытаются моделировать сложную визуальную среду с использованием различных математических методов. Одна из целей компьютерного зрения - определить мир, который мы видим, на основе одного или нескольких изображений и реструктурировать его свойства, такие как освещение, форма и распределение цвета. Стереозрение - это область компьютерного зрения, которая решает важную исследовательскую проблему: восстановление трехмерных координат точек для оценки глубины. Система стереозрения состоит из стереокамеры, а именно двух камер, расположенных горизонтально (т.е. одна слева, а другая справа). Затем два изображения, снятые одновременно этими камерами, обрабатываются для восстановления визуальной информации о глубине [1]. Задача состоит в том, чтобы определить лучший метод аппроксимации различий между видами, показанными на двух изображениях, для отображения соответствия окружающей среды. Интуитивно карта диспаратности представляет соответствующие пиксели, сдвинутые по горизонтали между левым и правым изображениями. Новые методы и приемы решения этой проблемы разрабатываются каждый год и демонстрируют тенденцию к повышению точности и затрат времени.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Еще одно устройство, которое используется для получения информации о глубине, - это датчик времени пролета (ToF) или структурированный датчик света. Такое устройство представляет собой разновидность активного сенсора, в отличие от классической камеры стереовидения. Такие устройства, как Microsoft Kinect, дешевы и вызывают повышенный интерес к приложениям компьютерного зрения. Однако эти активные датчики страдают некоторыми характерными проблемами. Во-первых, они подвержены систематическим ошибкам, таким как шум и неоднозначность, которые связаны с конкретным используемым датчиком. Во-вторых, они подвержены несистематическим ошибкам, таким как рассеяние и размытость при движении. Согласно сравнительному анализу, выполненному Foix et al., Kim et al. и Zhang et al., устройства ToF удовлетворительно работают только на максимальном расстоянии примерно 5–7 метров и слишком чувствительны для использования на открытом воздухе, особенно в очень ярких местах. Из-за этих ограничений датчиков ToF, датчики стереовидения более надежны и прочны; они могут создавать карты диспаратности с высоким разрешением и подходят как для внутренних, так и для наружных сред [2]. При обработке карты диспаратности стереозрения количество требуемых вычислений увеличивается с увеличением количества пикселей на изображение. Это явление приводит к тому, что проблема согласования становится сложной в вычислительном отношении [3]. Улучшения и снижение вычислительной сложности, которые были достигнуты с последними достижениями в области аппаратных технологий, были полезны для продвижения исследований в области стереозрения. Таким образом, основной мотивацией для аппаратной реализации является обеспечение обработки в реальном времени [4]. В приложениях стереозрения в реальном времени, таких как автономное вождение, трехмерные игры и автономная роботизированная навигация, требуются быстрые, но точные оценки глубины [5]. Следовательно, для повышения скорости обработки необходимо дополнительное оборудование обработки. Цель работы: изучение принципа работы стереозрения, а также разработка алгоритма получения координат точки в пространстве в режиме реального времени с использованием библиотеки OpenCV в Python. Основным преимуществом стереозрения является определения расстояния. Принцип работы стереосистемы можно сравнить с человеческим зрением. Человеческие глаза находятся на некотором расстоянии друг от друга, поэтому видят одно и то же изображение, но

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

под разным углом, а мозг, в свою очередь по разности этих изображений может определить расстояние до необходимого объекта. Поэтому для реализации стереосистемы необходимо использовать не менее двух камер. Определение расстояния до какой-либо точки осуществляется с помощью триангуляции. Предполагается, что оба проекционных изображения компланарны, и что горизонтальная строка пикселей левого изображения выровнена с соответствующей горизонтальной строкой пикселей левого изображения. Принцип работы триангуляции показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принцип работы триангуляция Точка P находится в окружающей среде и отображается на pl и pr на левом и правом изображениях с соответствующими координатами xl и xr . Это позволяет нам ввести новую величину - диспаратность: d= xl − xr Видно, что чем дальше точка P, тем меньше размер d. Таким образом, несоответствие обратно пропорционально расстоянию. Для расчета расстояния можно использовать следующую формулу: = Z f * T / ( xl − xr )

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Можно увидеть, что существует нелинейная зависимость между несоответствием и расстоянием. Когда диспаратность близка к 0, небольшие различия диспаратности приводят к большим различиям расстояний. Небольшие различия в несоответствии не приводят к слишком большим различиям в расстояниях. Из этого можно сделать вывод, что стереозрение имеет высокое разрешение по глубине только для объектов, находящихся близко к камере. Этот метод работает только в том случае, если конфигурация стереокамеры идеальна. Однако на самом деле это не так. Следовательно, левое и правое изображения математически выравниваются параллельно. Конечно, камеры должны быть физически расположены параллельно, хотя бы приблизительно. Для решении данной задачи был создан программный код на Python с использованием библиотеки OpneCV. Данный язык был выбран, так как имеется большое количество документации, связанной с ним. Для создания стереосистемы и дальнейшей работы с ней необходимо определить внутренние параметры каждой из камер. Для хорошей работы системы прежде всего необходимо жестко закрепить две камеры таким образом, чтобы максимально выровнять два изображения по x и по y. После этого можно приступить к расчету внутренних параметров камер. Библиотека OpenCV, используя определенные функции, позволяет произвести расчет параметров. Этот процесс называется калибровкой. Для калибровки необходима шахматная доска (рисунок 2). Благодаря библиотеке OpenCV и некоторым ее функциям есть возможность для написания программы, которая в свою очередь получает изображения для последующей калибровки. Программа была написана следующим образом: когда углы шахматной доски распознаются обеими камерами, открываются два окна с распознанным изображением для каждой камеры. Затем изображения либо сохраняются, либо удаляются пользователем. Если изображения получены с камер удовлетворительны и углы хорошо распознаны их необходимо сохранить так как они понадобятся для калибровки в основной программе (рисунок 3). OpenCV рекомендует иметь как минимум 10 изображений для каждой камеры, чтобы получить хорошую калибровку. В данном случае для хороших результатов было необходимо по 60 снимков на каждую камеру. Чтобы откалибровать камеры, код Python ищет углы на шахматной доске на каждом изображении для каждой камеры с помощью функции OpenCV: cv2.findChesssboardCorners.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Шахматная доска для калибровки.

Рисунок 3 – Поиск углов на калибровочной доске Положение углов для каждого изображения затем сохраняется в одном векторе изображения, а точки объекта для 3D-сцены сохраняются в другом векторе. Эти Imgpoints и Objpoints затем используются в функции cv2.calibeCamera (), которая возвращает на выходе матрицу камеры, коэффициенты искажения, векторы поворота и сдвига. Также следует учесть, в каком диапазоне будет работать система. Изменяя расстояние между камерами, можно изменить рабочий диа-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

пазон (рисунок 4). Чем больше расстояние между камерами, тем точнее можно будет оценить расстояние для удаленных объектов. При расстоянии между камерами 120 мм нормальная работа системы начинается с 1.3 метра, а при расстоянии между камерами 80 мм рабочий диапазон смещается, и хорошие результаты можно получить уже на 50 см. 0.07

Естествнное освещения Среднее освещение Хорошее освещение

0.06

Ошибка, м

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0 0.5

1.5

Расстояние до камер, м

Рисунок 4 – Зависимость рабочего диапазона от расстояния между камерами В ходе эксперимента было установлено, что на результаты измерений влияет и освещение. При хорошем освещении в помещении где установлена система можно получить достаточно точные данные. При плохом освещении ошибка для удаленных объектов растет (рисунок 5). Поэтому этот фактор также необходимо учитывать для стабильной работы стереозрения. С учетом всех вышеперечисленных факторов был получен достаточно хороший результат работы системы (рисунок 6). Выводы

В работе предложен алгоритм поиск координат точки который был реализован на языке Python с использованием библиотеки OpenCV. Программа позволяет определить положение необходимого объекта в пространстве и его расстояние до него нажатием мышью. С учетом хорошего освещения и расстоянием между камерами 80 см погрешность измерений составляет 2 см на расстоянии 1 метр.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 0.07 Без освещение Среднее освещение Полное освещение

0.06

Ошибка, м

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0 0.5

1.5

Расстояние до камер, м

Рисунок 5 – Влияние освещения на работу системы

Рисунок 6 – Результат работы системы

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Перечень ссылок

1.Основы стереозрения. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://habr.com/ru/post/130300//. 2. Стереозрение слежение за объектом. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://center-avtomatiki.com/stereozrenie-slezhenie-za-obektom/. 3. Hartley R. Multiple View Geometry in Computer Vision. / Harley R. Zisserman A. // Cambridge University Press 2000, 2003 4. Bradski G. Learning OpenCV. / G. Bradski, A. Kaehler // O’Reilly Media, Inc., 1005 Gravenstein Highway North, Sebastopol 2008 5. Howse J. OpenCV Compucter Vision with Python. / J. Howse // ackt Publishing Ltd. 2013

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.5:62-83

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПЛАНИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНТРОЛЛЕРА KINECT М.В. Складчиков, П.И. Розкаряка ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

В работе рассмотрен принцип планирования траектории перемещения роботизированной системой. В результате получен отлаженный алгоритм планирования траекторий для опорнодвигательного аппарата антропоморфного робота, реализована возможность голосового управления датчиком Kinect Xbox360, создана имитационная модель в среде MSC Adams, разработана система управления на базе отладочной платы STM32F407VE, позволяющая формировать задание на роботизированную систему в двух режимах. Были проведены опыты проверки работоспособности алгоритма на модели и реальном объекте. Ключевые слова: антропоморфный робот, планирование траектории, задатчик интенсивности, Kinect, C#, компьютерное зрение, Matlab, Simulink, Waijung, MSC Adams, Skeleton Tracking, Human Tracking, Motion Capture The paper considers the principle of trajectory planning for robotic system motion. As a result, a debugged trajectory planning algorithm for the musculoskeletal system of an anthropomorphic robot was obtained, the voice control option for Kinect Xbox360 sensor was implemented, a simulation model in the MSC Adams environment was created, a control system based on the STM32F407VE evaluation board was developed, which allows generating a task for the robotic system in two modes. Experiments to test the algorithm's performance were conducted on a model and a real object. Keywords: anthropomorphic robot, robot, trajectory planning, intensity setter, kinect, C#, computer vision, Matlab, Simulink, Waijung, MSC Adams, skeleton tracking, human tracking, motion capture Робототехника как наука развивается стремительно, что с каждым днем все более увеличивает интерес к данной области. Отдельного внимания заслуживают антропоморфные роботы. Они могут заменить человека в различных сферах деятельности. Например, в промышленности, военной сфере, медицине [1,2]. Для снижения финан-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

совых затрат на оплату труда, роботизированные системы начали всё чаще применять в промышленных сферах. Также роботы применяются в тех областях, где человек может подвергаться влиянию опасных сред (радиоактивность, работа на высоте, работа при экстремальных температурах). Ввиду большого количества сфер применения и разнообразия задач, необходимо разрабатывать алгоритмы управления и задающие устройства для решения конкретной задачи. Формирование задание в таком случае может быть автоматическим (перед системой ставится задача, указываются ограничения и управляющее воздействие полностью формируется алгоритмом), полуавтоматическим (человек формирует управляющее воздействие, а система корректирует его по указанным требованиям с учетом ограничений) и полностью ручным. Для автоматического и полуавтоматического управления необходимо создание алгоритмов для планирования траектории движения объекта управления. При полуавтоматическом управлении роботу доверяется только часть работы. Это приводит к необходимости уточнения алгоритма движения оператором. Для использования таких алгоритмов необходимо устройства ввода. Зачастую, такими устройствами выступают девайсы с компьютерным зрением. Наиболее распространённые варианты – Kinect, Asus Xtion Pro, Leap Motion и т.п. Kinect оснащён тремя камерами (2 камеры глубины и 1 цветная камера) [3]. Благодаря алгоритму работы датчик позволяет получать данные о положении каждого сустава в трехмерном пространстве, а также получать информацию о расстоянии до каждого из них (рис. 1).

Рисунок 1 – Skeleton Tracking в Kinect 66

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Принцип работы Asus Xtion Pro схож с алгоритмом работы Kinect, но имеет меньшее количество камер, что снижает его производительность и количество отслеживаемых суставов [4]. Несмотря на снижение эффективности работы данный девайс имеет меньшие габариты, что предоставляет возможность установки его в труднодоступные места. Оба устройства не имеют возможности отслеживания положения суставов кистей. Это сужает их круг применения в областях, связанных с алгоритмами Hand Tracking. Например, когда следует отслеживать перемещение рук. Для таких задач используется Leap Motion [5,6]. Наиболее частое применение описанных девайсов – игровая индустрия. Кроме этого, они находят своё применение и в других сферах, например, в робототехнике, медицине, педагогике [8-18]. При рассмотрении данного подхода медиками [17, 18] была доказана эффективность использования средств компьютерного зрения для улучшения состояния пациентов. Находясь в виртуальной среде, пациент мог получить необходимый опыт или выполнять сложные для него движения в безопасной среде. Целью данной работы является разработка алгоритма планирования траектории для роботизированной системы, которая позволит формировать задание, измеряя угол между суставами тела человека, используя технологию Motion Capture. В качестве объекта для проверки работоспособности алгоритма был выбран опорнодвигательный аппарат антропоморфного робота [19]. Конструкция робота (рис.2) была воссоздана с помощью технологии 3D-печати. В качестве устройства для ввода был выбран Kinect Xbox360. Он дешевле представленных аналогов и отвечает необходимым требованиям к алгоритму. Контроллер относительно прост в программировании за счёт наличия стандартного ПО. К его достоинствам можно отнести: • простота реализации алгоритмов управления; • относительная точность отслеживания координат; • большое количество отслеживаемых суставов; • относительно низкая цена в сравнении с аналогами. Для реализации алгоритма отслеживания координат суставов Kinect использует заложенную структуру тела человека в ПО (рис. 3).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Чертёж объекта управления head

hand right wrist right

shoulder center hand left wrist left

elbow right

elbow left

shoulder right spine

shoulder left hip center hip left

hip right

knee right

knee left ankle left foot left

ankle right foot right

Рисунок 3 – Карта скелета Kinect Рассмотрим алгоритм работы Kinect более подробно. Цветная камера получает снимки с частотой 30 FPS. Помимо цветной камеры девайс получает кадры с камеры глубины (частота аналогична цвет-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ной камере). Также происходит считывание информации с камеры глубины. На основании информации, полученной с камер, Kinect вычисляет расстояние до подвижного объекта и максимальную зону видимости. Далее контроллер начинает сравнивать полученные кадры с заложенной структурой тела человека (рис. 3). В результате сравнения Kinect помечает на кадрах текущее положение каждого сустава по оси Z. Проецируя данное изображение (положение) на оси XY, контроллер вычисляет положение сустава на данной плоскости. Причём сегментация тела происходит сверху вниз (head- foot left(right)) (рис. 3). Если человек выйдет за пределы зоны видимости или изображение будет нечётким, контроллер начнёт предполагать положение «невидимого» сустава относительно известных в соответствие с заложенной структурой тела человека. Поэтому, в качестве точек, между которыми будет вычисляться угол, были выбраны суставы правой руки. При их использовании значительно уменьшается вероятность, что они не попадут в зону действия датчика. Для алгоритма были использованы следующие суставы (в соответствие с рис. 3): hand right; elbow right; shoulder right. Для пояснения принципа работы описанной методики можно обратиться к функциональной схеме планирования траектории (рис. 4).

Рисунок 4 – Функциональная схема Контроллеру необходимо фиксировать положение суставов правой руки. Следующий шаг – нахождение угла между суставами:    a ,b,c    (1) cos a , b , c =    a⋅b ⋅c

(

)

(

)

где: a, b, c – координаты суставов hand right; elbow right; shoulder right по трём осям (X, Y, Z).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для написания основной программы была использована среда разработки Visual Studio 2019 Community и специализированная библиотека для Kinect – Microsoft Kinect SDK. Язык программирования – C#. Основная задача, которая решается с помощью Kinect – отслеживание перемещения и получение координат суставов правой руки. При реализации «ручного управления» оператор формирует управляющее воздействие. При большом темпе изменения сигнала или превышения максимально-допустимого значения угла робот может потерять равновесие. Поэтому сформированный сигнал следует обрабатывать перед подачей на управляющий вход сервопривода. Эту функцию обеспечивает задатчик интенсивности (ЗИ). Для правильного функционирования системы работу ЗИ следует реализовать в режиме реального времени. ОС Windows не обладает такими характеристиками, поэтому часть алгоритма была перенесена на отладочную плату STM32F407VE. Когда сигнал сформирован, его необходимо «передать» на управляющий вход каждого сервопривода робота. Для управления сервоприводами робота была использована ШИМ. Для правильной реализации задающего воздействия на сервопривод было решено сформировать два режима работы: 1. Ручной режим (пользователь формирует задание, а алгоритм следит за темпом изменения сигнала и его максимальными значениями. При необходимости сигнал ограничивается). 2. Автоматический (алгоритм самостоятельно формирует задание). При управлении роботом в ручном режиме пользователю необходимо помимо формирования сигнала управлять работой контроллера (переход в другой режим формирования сигнала, прекращение работы контроллера). Оператору следует управлять работой контроллера, не отвлекаясь от формирования сигнала. Поэтому возникла задача дистанционного управления контроллером с помощью алгоритма голосового управления. Для решения данной задачи были сформированы команды с использованием библиотеки Microsoft.Speech.Recognition. В таблице 1 приведены команды с пояснениями. Чтобы пользователь мог корректировать работу устройства, в систему голосового управления была добавлена функция голосовых оповещений, которая информирует пользователя о ключевых событиях в работе алгоритма. Это осуществляется с помощью заранее заготовленных голосовых оповещений, а также информация дублируется выводом на экран.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Голосовая команда Старт

Таблица 1 – Голосовые команды Действие

Включение Kinect и проверка всех устройств Переход из любой точки алгоритма к ручРучной режим ному управлению Автоматический Переход из любой точки алгоритма к авторежим* матическому управлению Остановка любого алгоритма управления и Стоп возвращение робота в исходное положение * – при переходе из ручного режима в автоматический система хранит предыдущее значение задания. Алгоритм автоматического управления начинает работать только в том случае, когда робот вернулся в исходное положение. В качестве периферийного устройства для передачи данных из основной программы на плату выбран последовательный порт. Для его конфигурации использована библиотека System.IO.Ports. Для передачи пакета данных числовые значения преобразуются в единое слово. В таблице 2 приведены параметры слова и даны краткие пояснения к ним. Таблица 2 – Элементы сформированного слова для передачи по UART Кодовое обозначение Пояснения Mode

Значение режима работы

Previous_task

Предыдущее значение задания при ручном управлении

Current_task

Текущее задание при ручном управлении

Automatic_assignment

Задание при автоматическом режиме работы

Starting_position

Возвращение робота в исходное положение (угол задания равен 0)

На рисунке 5 приведена главная структурная схема в Simulink.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ [eps]

Eps

Switch

Mode

Mode Module: USART2_Rx Automatic assignment

[Q]

Switch Mode [Automatic assignment]

Previous task Packet: Ascii Transfer: Blocking Ts (sec): 0 Starting position

[Q] [Automatic assignment]

Mode

Eps

[eps]

Previous Zero task Initial State Q Automatic Out assignment Starting position Auto

1 Signal 2

PWM_for_robot

Current Out Hand task mode

Current task UART Rx

Saturation_Speed_Hand _mode

Рисунок 5 – Основная структурная схема в Simulink Управляющей подсистемой является Switch Mode (рисунок 6). 2Q 1 Eps [reset]

<= 0

NOT AND

R !Q S-R Flip-Flop

2 Mode

== 2 3

== 1 == 2 AND

mode = 1

[reset] mode = 3 + mode = 2

1 Switch

Рисунок 6 – Подсистема Switch Mode Данная подсистема отвечает за логику работы системы. Блок S-R Flip-Flop необходим для запуска автоматического режима при возвращении робота в исходное положение после ручного режима. Подсистемой для автоматического управления является модель, представленная на рисунке 7.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1 Q 2 Automatic assignment 3 Starting position

−

ϕt

+ +

1 z

NOT

1 Out

Рисунок 7 – Подсистема Auto На рис. 7 сигнал Q разрешает работу, когда произошел переход в автоматический режим и робот вернулся в исходное положение. При работе в автоматическом режиме темп изменения сигнала – постоянная величина. В ручном режиме темп задаётся скоростью изменения сигнала оператором и корректируется ЗИ. Когда скорость изменения сигнала будет близка к критической, программа оповестит оператора о возможной аварийной ситуации. Дельнейшее увеличение темпа изменения сигнала приведёт к его ограничению. При дальнейшем увеличении темпа пользователь будет оповещён о коррекции сигнала и алгоритм начнёт ограничивать задание. Подсистема Initial State необходима для возвращения робота в исходное положение при переходе от ручного к автоматическому варианту формирования задания. Перед тем как переходить к отработке алгоритма на реальном объекте его следовало проверить на модели. В качестве программы для моделирования была выбрана среда MSC Adams (см. рис. 8).

Рисунок 8 – Готовый вариант модели в MSC Adams

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ϕ ,o

С целью проверки правильности алгоритма были получены графики и настроена взаимная работа между Matlab и MSC Adams. Для этого необходимо было сформировать модель с помощью специального пакета в MSC Adams и запустить её в Matlab. На вход сформированной модели были поданы сигналы (рис. 9). 40 30 20 10 0 0

t,c 5

3 2 1 0

t,c

Рисунок 9 – Диаграммы работы алгоритма В моменты времени [0 t1], [t2 t3] оператор работает в ручном режиме и темп изменения сигнала меньше настройки ЗИ (сигнал не корректируется). В момент времени t2 оператор увеличил темп и алгоритм его начал ограничивать. В момент времени t3 прозвучала команда «Автоматический режим» и за период [t3 t4] робот возвращается в исходное положение. Далее алгоритм переходит на работу в автоматическом режиме. В момент времени t5 была произнесена ключевая команда «Стоп», робот вернулся в исходное положение, а контроллер завершил свою работу. После моделирования были получены графики отработки управляющего воздействия (рис. 10).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ Управляющее воздействие Результат работы модели

ϕ ,o

-10

t,c

Рисунок 10 – Результат работы модели в MSC Adams На рисунке 11 представлены изображения результата работы готового алгоритма. Проверка работоспособности была проведена как на модели, так и на реальном объекте.

а б в Рисунок 11 – Демонстрация работы алгоритма при: а) задании 0о, б) задании около 15о, в) задании около 35о Выводы

В результате выполнения данной работы был реализован алгоритм планирования траектории с использованием контроллера Kinect Xbox 360. Для возможности удалённого управления было реализовано голосовое управление и голосовое сопровождение пользователя. Также создана логика формирования задания средствами Matlab/Simulink. Была реализована модель средствами MSC Adams и установлена связь между данным пакетом и Matlab/Simulimk. После проверки ра-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ботоспособности описанной методики она была применена и опробована на реальном объекте. В результате данной проверки были получены результаты, позволяющие констатировать работоспособность методики планирования траектории перемещения.

Перечень ссылок

1. Управление роботом с использованием контроллера Kinect Xbox 360. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.prorobot.ru/07/robot_kinect_pr2.php. 2. Управление семейством роботов iRobot и PR2. Демонстрации совместной работы ROS Kinect и Xbox 360. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/post/108927/. 3. Обзор контроллера Kinect Xbox 360. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://xakep.ru/2011/09/21/56900/. 4. Официальный сайт контроллера Asus Xtion Pro. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.asus.com/ru/3D-Sensor/Xtion_PRO_LIVE/overview/. 5. Официальная страница Leap Motion. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ultraleap.com/. 6. Обзор технологии Leap Motion. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/company/rozetked/blog/190404/. 7. Большакова А. А. Планирование траектории движения мобильного робота. / А. А. Большакова, М. Ф. Степанов, А. М. Степанов, Ю. А. Ульянина. // Вестник Саратовского государственного технического университета 2010, с. 176-180. 8. Turgali B. K. A comprehensive leap motion database for hand gesture recognition. / B. K. Turgali // Academy 2018, p. 36-41. 9. Большакова А. А. Планирование траектории движения мобильного робота. / А. А. Большакова, М. Ф. Степанов, А. М. Степанов, Ю. А. Ульянина. // Вестник Саратовского государственного технического университета 2010, с. 176-180. 10. Белоглазов Д. А. Гибридный метод планирования траектории подвижных объектов на основе виртуальных полей. / Д. А. Белоглазов, В. В. Соловьев, И. О. Шаповалов. // Известия Южного федерального университета. Технические науки 2018, с. 197-209. 11. Шашок В. Н. Планирование маршрута движения наземным роботом в недетерминированной местности / В. Н. Шашок, С. И. Филиппов, Д. В. Багаев, А. Н. Малышев, А. А. Кобзев, В. А. Соловьев, Ю. Е. Мишулин, В. А. Немонтов. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки 2015, с. 149-159. 12. Белоглазов Д. А. Разработка метода планирования траектории перемещения мобильного автономного робота в трехмерной среде на основе аппарата нечёткой логики. / Д. А. Белоглазов, Е. Ю. Косенко, В. В. Соловьёв, А. Е. Титов, И. О. Шаповалов. // Инженерный вестник Дона 2015, №4. 13. Моторин Д. Е. Алгоритм разрешения коллизий при планировании движения группы роботов в условиях пространственно-ситуационной неопределённости. / Д. Е. Моторин, С. Г. Попов, Л. М. Курочкин. // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика, телекоммуникации и управление 2017, №2 – с. 32-44. 14. Щербаков В. С. Результаты сравнительного анализа алгоритмов планирования траектории движения объекта с учётом его угловых координат в трех-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

мерном пространств с препятствиями. / В. С. Щербаков, М. С. Корытов. // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожной академии 2011, №1 (19) – с. 68-74. 15. Бжихатлов И. А. Исследование колебаний платформы двуного шагающего робота. / И. А. Бжихатлов, В. С. Громов. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение 2020, №3 – с. 278-285. 16. Ковальчук А. К. Формирование упрощённой траектории движения двуногого шагающего робота. / А. К. Ковальчук, Д. Б. Кулаков, С. Е. Семенов. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение 2011, с. 51-58. 17. Карякин Н. Н. Технология виртуальной реальности в комплексной медицинской реабилитации пациентов с детским церебральным параличом. / Н. Н. Карякин, Г. Е. Шейко, М. Г. Воловик, А. Н. Белова. // Бюллетень сибирской медицины 2020, №19(2) – с. 142-152. 18. Воловик М. Г. Технология виртуальной реальности в комплексной медицинской реабилитации пациентов с ограниченными возможностями. / М. Г. Воловик, В. В. Борзиков, А. М. Г. Воловик, В. В. Борзиков, А. Н. Кузнецов, Д. И. Базаров, А. Г. Полякова. // Современные технологии в медицине 2018, №10(4) – с. 173-182. 19. Азин И. Е., Розкаряка П. И. Опыт разработки прототипа двуногого шагающего робота с использованием среды MATLAB //ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ И ОТЛАДКИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ. – 2019. – С. 14-22.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 004.896:621.865.8

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ И.Е. Азин, П.И. Розкаряка ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

В работе представлен опыт разработки однокаскадной системы управления манипулятором с использованием технического зрения. Создана имитационная модель шестизвенного роботаманипулятора в среде MATLAB, которая подтверждает правильность решения прямой и обратной задачи кинематики, а также позволяет проводить отладку алгоритмов управления. Обратная задача кинематики решена численным и аналитическим методами. Приведено программное и аппаратное обеспечение устройства. Результаты работы подтверждаются экспериментально путем сравнения расчетной и реальной траектории движения схвата роботаманипулятора. Ключевые слова: робот-манипулятор, обратная задача кинематики, имитационная модель, MATLAB, Simulink, Simscape Multibody, Raspberry Pi 4, PCA9685, Python, OpenCV, техническое зрение, машинное зрение, компьютерное зрение, серводвигатель, сервомотор The paper describes the development process of a single-stage manipulator control system using technical vision. A simulation model of a sixlink robot arm has been created in the MATLAB environment, which confirms the correctness of solving the direct and inverse kinematics problems, and allows debugging of control algorithms. The inverse kinematics problem is solved both numerically and analytically. The software and hardware of the device is presented. The obtained results are confirmed experimentally by comparing the calculated and real trajectories of the robotic arm gripper. Keywords: manipulator, robotic arm, forward kinematics problem, inverse kinematics problem, simulation model, MATLAB, Simulink, Simscape Multibody, Raspberry Pi 4, PCA9685, OpenCV, Python, technical vision, machine vision, computer vision, servo motor Многозвенные роботы-манипуляторы с техническим зрением используются как в составе сборочных линий, так и отдельных установок во множестве отраслей. Вот неполный перечень задач, которые могут решать подобные установки: упаковка и укладка, промышлен-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ная сборка, подъем и перемещение деталей, сортировка, контроль качества и отбраковка, нанесение клея, краски, сварочные работы, пайка, обработка материалов, решение строительных задач [1]. Манипуляторы используются для замены ручного труда человека, как с целью автоматизации производства, так и для ограничения влияния вредных и опасных сред на персонал; используются на непрерывных сборочных линиях, где необходима точность позиционирования. Растущая потребность в снижении эксплуатационных расходов на предприятиях является основной движущей силой мирового рынка робототехники. Снижение расходов может быть достигнуто за счет уменьшения ошибок в производственном процессе, потерь сырья и количества несчастных случаев, повышения технологической гибкости и производительности предприятия, улучшения условий труда и степени безопасности сотрудников [2]. Учитывая рост спроса на робототехническую продукцию [3], в частности, на роботов-манипуляторов, актуальными вопросами становятся снижение издержек на их производство, улучшение показателей отказоустойчивости и реставрации отслуживших механизмов. Снижения издержек и повышения отказоустойчивости можно достичь уменьшением количества компонентов системы. В данной работе описан процесс создания однокаскадной системы управления манипулятором с техническим зрением, где само зрение и алгоритм управления реализован на базе микрокомпьютера Raspberry Pi 4. В качестве программного обеспечения технического зрения в работе использована библиотека OpenCV. Эта библиотека имеет широкий инструментарий в области обработки изображений, а также лучшую пользовательскую поддержку даже по сравнению с коммерческими аналогами [4]. В ходе данной работы создана имитационная модель роботаманипулятора в среде MATLAB. Это необходимо для того, чтобы проводить отладку прямой задачи кинематики (ПЗК) и обратной задачи кинематики (ОЗК) не на реальном оборудовании, тем самым обезопасить его от механических повреждений при неизбежных ошибках. Для создания модели (рис. 1) использовалась библиотека Simulink Simscape Multibody, для численного решения ОЗК – Oрtimization Toolbox. Данная модель (рис. 1) описывает робота с кинематической схемой, показанной на рис. 2. На ней изображен манипулятор с шестью вращающимися степенями свободы. Похожая кинематика используется, например, в промышленном роботе Kuka. Применение имитационной модели при наличии чертежа устройства позволяет более наглядно исследовать поведение объекта при подаче управляю-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

щих сигналов. Среда MATLAB предлагает все необходимые инструменты для создания подобных моделей, позволяет визуализировать движение робота в трехмерном пространстве (рис. 3), получать координаты любой точки объекта и представлять их графически [5].

в Рисунок 1 – Имитационная модель робота-манипулятора в среде MATLAB (а), подсистема Link (б), подсистема Gripper (в) 80

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Кинематическая схема исследуемого робота

Рисунок 3 – Визуализация движения робота в среде моделирования MATLAB

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Решение ПЗК и ОЗК численным методом реализовано с применением однородных матриц преобразования. Для данной кинематической схемы (рис. 2) они будут выглядеть так: cos(ϕ1 ) − sin(ϕ1 ) 0 0  1 0 0 0  sin(ϕ1 ) cos(ϕ1 ) 0 0  ; P 0 1 0 l2  ; = R1 = 0 0 1 0  1 0 0 1 l1   0 0 0 0 1  0 0 1  0 0 0 1 0 cos(ϕ 2 ) − sin(ϕ 2 ) 0  R2 = ;P 0 sin(ϕ 2 ) cos(ϕ 2 ) 0  2 0 0 0 1  0 0 0 1 0 cos(ϕ3 ) − sin(ϕ3 ) 0   R3 = ;P 0 sin(ϕ3 ) cos(ϕ3 ) 0  3 0 0 0 1   cos(ϕ 4 ) 0 sin(ϕ 4 ) 0  0 1 0 0 ; P R4 = − sin(ϕ 4 ) 0 cos(ϕ 4 ) 0  4  0 0 0 1  0 0 0 1 0 cos(ϕ5 ) − sin(ϕ5 ) 0  ;P R5 = 0 sin(ϕ5 ) cos(ϕ5 ) 0  5 0 0 0 1 

1 0 0 0  0 1 0 0  ; 0 0 1 l3  0 0 0 1  1 0 0 0  0 1 0 0  ;  0 0 1 l4  0 0 0 1  (1) 1 0 0 0  0 1 0 l5  ; 0 0 1 0  0 0 0 1  1 0 0 −l6  0 1 0 l7  ; 0 0 1 l8  0 0 0 1   cos(ϕ6 ) 0 sin(ϕ6 ) 0  1 0 0 0  0 1 0 0  ; P 0 1 0 l9  ; R6 = − sin(ϕ6 ) 0 cos(ϕ6 ) 0  6 0 0 1 0   0 0 0 0 1  0 0 1  где Pi – однородные матрицы сдвига, Ri – однородные матрицы поворота. Тогда результирующая матрица: (2) T = R1 ⋅ P1 ⋅ R2 ⋅ P2 ⋅ R3 ⋅ P3 ⋅ R4 ⋅ P4 ⋅ R5 ⋅ P5 ⋅ R6 ⋅ P6 . Подставляя в матрицы (1) известные углы суставов робота (φ1φ6), выполняя матричное умножение (2), можно получить координаты положения схвата T1 в виде отдельных элементов результирующей матрицы Т: T14  T1 = T24  . (3) T34  Тогда (3) является решением ПЗК [6]. Таким же образом можно получить координаты любого промежуточного звена. ОЗК можно решить численно при заданном Р0:

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

 x P0 =  y  ;  z  (4) минимизируя разницу между Т1 и Р0:  x − T14  ∆P = P0 − T1 =  y − T24  ;  z − T34  (5) где Р0 – заданные координаты положения схвата. В среде MATLAB для решения задачи использована функция fsolve библиотеки Optimization Toolbox. Однако, численные методы решения имеют некоторые недостатки, связанные с устойчивостью, сходимостью и скоростью вычисления. Поэтому ОЗК была решена еще и аналитически. Аналитический метод в свою очередь имеет свои недостатки – для данной кинематики не может существовать однозначного решения. Однако, так как робот применяется для работы в одной плоскости, используя техническое зрение, можно вовсе пренебречь движением суставов φ4 и φ6 (т.е. φ4=φ6=0). Теперь, если задать ориентацию схвата по отношению к рабочей плоскости, задача решаема. Аналитическое решение начинается с представления манипулятора в виде проекции на плоскость XY (рис. 4).

Рисунок 4 – Проекция манипулятора на плоскость XY На рис. 4 использованы следующие обозначения: (6) γ1 + γ 2 = ϕ1. Такой вид проекция приобретает из-за смещения схвата вдоль оси OX (рис. 2).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

= d = n

x2 + y 2 ;

d + l6 ; x γ 1 = arcsin   ; d  l  γ 2 = arcsin  6  . d  Определив угол φ1, переходим на вид А (рис. 5). 2

(7) (8) (9) (10)

Рисунок 5 – Вид А На рис. 5 ω – заданный угол ориентации схвата. Так как φ4=φ6=0 находим а1 и а2: a1 =

= a2 тогда:

l82 + ( l7 + l9 ) ; 2

l52 + l42 ;

c=1 a1 ⋅ cos (ω ) ;

c= a1 ⋅ sin (ω ) . 2 Вычислим вспомогательные прямые m1, m2, b, f: m1 = n − c1 − l2 ; m2 =z + c2 − l1 ;

= b

m12 + m22 ;

(11) (12) (13) (14) (15) (16) (17)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Вычисляем φ2:

(n − l

− c1 ) + ( z − l1 ) . 2

 l32 + b 2 − a22  β1 = arccos  ;  2 ⋅ l3 ⋅ b 

(19)

 f 2 + b 2 − c22  ; ⋅ ⋅ f b 2  

(20)

β 2 = arccos 

 m1  ; f  

β 3 = arcsin  Вычисляем φ3:

ϕ2 =π − ( β1 + β 2 + β 3 ) . l   l5 

ϕn = arctg  4  ;

Вычисляем φ5:

(18)

 l32 + a22 − b 2  ϕ3 p = arccos  ;  2 ⋅ l3 ⋅ a2  π ϕ3 = ϕ3 p − − ϕ n . 2  c1  ; c  2

α1 = arctg 

(24) (25)

 a + b − l3  α 3 = arccos  2 ; 2 a b ⋅ ⋅ 2    l  ϕ s = arctg  8  ;  l7 + l9  ϕ5 =π − (α1 + α 2 + α 3 − ϕ s ) . 2

(23)

(26)

c +b − f  α 2 = arccos  2 ;  2 ⋅ c2 ⋅ b  2

(21) (22)

(27)

(28) (29)

(30) Описанный выше алгоритм решения ОЗК реализован на языке программирования Python. Для потоковой обработки изображения и решения обратной задачи кинематики не подойдут привычные микроконтроллеры. Эти задачи требуют существенной вычислительной мощности. Поэтому в качестве вычислительного устройства в этой работе используется одно-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

платный компьютер Raspberry Pi 4. Его основные достоинства: малый размер, низкое энергопотребление, полноценная операционная система, свободное программное обеспечение, низкая цена. Благодаря наличию аппаратных портов ввода-вывода он позволяет программировать реальные устройства, физические системы и объекты. Движения обеспечиваются восемью серводвигателями DS3218 (табл. 1), для управления которыми необходимо формировать сигнал ШИМ. Raspberry Pi 4 имеет лишь два аппаратно-поддерживаемых канала ШИМ, а программные решения не обеспечат необходимое качество сигнала для управления сервомоторами. Данная проблема решается использованием внешнего модуля ШИМ. В данной работе используется модуль PCA9685, который также обеспечивает гальваническую развязку. Это шестнадцатиканальный двенадцатиразрядный контроллер с настраиваемой частотой ШИМ в пределах от 24 до 1526 Гц. Управление PCA9685 осуществляется с помощью библиотеки Adafruit CircuitPython ServoKit по интерфейсу I2C. На рис. 6 представлена функциональная схема устройства. Таблица 1 – Технические характеристики DS3218 Угол поворота 270° Напряжение питания 4,8 – 6,8 В Скорость при 6,8 В – 0,14 с/60°, при 5 В – 0,16 с/60° Крутящий момент при 6,8 В – 21,5 кг*см, при 5 В – 19 кг*см Размеры 40,5 х 20 х 40 мм Вес комплекта 60 г

Рисунок 6 – Функциональная схема устройства На рис. 7 показан внешний вид установки. Вверху располагается веб-камера, обеспечивающая манипулятору вид сверху на рабочую плоскость.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

а б Рисунок 7 – Внешний вид системы технического зрения (а), используемый манипулятор (б) На рис.8 показан пример работы программы технического зрения на основе выделения спектра цветов. Программа определяет координаты цветового пятна в плоскости XY, затем решает ОЗК, определяет углы поворота серводвигателей и перемещает в полученные техническим зрением координаты схват манипулятора.

Рисунок 8 – Демонстрация работы технического зрения Работоспособность системы проверялась сравнением реальной и расчетной траектории перемещения схвата манипулятора в плоскости XY (Z=const) при динамическом задании траектории (рис. 9). На

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

рис. 10 приведены графики ошибки позиционирования схвата. На нем видно, что максимальная ошибка не превышает 1,5 мм. Trajectory

420

400

380

Y, mm

360

340

320 Real

300

Calculated

280

260 -150

-100

-50

100

X, mm

Рисунок 9 – Реальная и расчетная траектории перемещения схвата Working error

1.5

1 X Y

, mm

0.5

-0.5

-1

-1.5 0

100

150

200

250

300

350

Number of frame

Рисунок 10 – Ошибка позиционирования схвата по осям X и Y Проанализируем причины возникновения ошибки позиционирования и способы ее минимизации. Во-первых, необходимо с большой точностью определить положение осей вращения в пространстве, так как для манипуляторов с последовательной кинематикой ошибка будет накапливаться и нелинейно возрастать на каждой степени свободы, что в результате приведет к неверному решению обратной задачи кинематики. Во-вторых, на ошибку позиционирования влияет дис-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

кретность перемещения выбранного привода. В-третьих, необходимо учитывать влияние окружающей среды на оптический датчик. Так смена освещения, затенение может существенно повлиять на получаемую точность отработки (ломаная форма траектории на рис. 9). Также будет справедливо упомянуть и другие общие источники погрешностей, таких как точность расчета и механические люфты конструкции. Необходимо отметить, что в работе не рассматривается влияние смещения оптической оси, а допускается, что она располагается в центре кадра и перпендикулярна рабочей поверхности [7, 8], что также приводит к погрешности. Влиянием всех перечисленных факторов можно объяснить величину ошибки позиционирования на рис. 10. Выводы

Для улучшения точности позиционирования схвата шестизвенного роботаманипулятора рекомендуется провести калибровку камеры, чтобы исключить влияние смещения оптической оси и ракурсного искажения, заменить используемые сервомоторы на двигатели постоянного тока с системой подчиненного регулирования по положению.

Перечень ссылок

1 Коллаборативные роботы Universal Robots [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.siemens-pro.ru/universal-robots/ (дата обращения: 05.04.2021). 2 Роботы-манипуляторы, что они могут и где применяются [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://top3dshop.ru/blog/manipulator-robotsfeatures-and-applications.html (дата обращения: 05.04.2021). 3 Использование промышленных роботов: обзор рынка робототехники в России и мире [Электронный ресурс]. – https://delprof.ru/press-center/openanalytics/ispolzovanie-promyshlennykh-robotov-obzor-rynka-robototekhniki-v-rossii-imire/ (дата обращения: 05.04.2021). 4 Jeeva B. et al. Design and development of automated intelligent robot using OpenCV //2018 International Conference on Design Innovations for 3Cs Compute Communicate Control (ICDI3C). – IEEE, 2018. – С. 92-96. 5 Азин И. Е., Розкаряка П. И. Опыт разработки прототипа двуногого шагающего робота с использованием среды MATLAB //ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ И ОТЛАДКИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ. – 2019. – С. 14-22. 6 Фурман А., Сёмкин К. И. Разработка управляющих программ промышленных роботов //Курс лекций. Минск. – 2008. 7 Chen Q., Wu H., Wada T. Camera calibration with two arbitrary coplanar circles //European Conference on Computer Vision. – Springer, Berlin, Heidelberg, 2004. – С. 521-532. 8 Du F., Brady M. Self-calibration of the intrinsic parameters of cameras for active vision systems //Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. – IEEE, 1993. – С. 477-482.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.316

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Г.Н. Мангуш, К.Н. Осыченко, Д.В. Полковниченко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

В работе проведено исследование возможностей повышения эффективности работы электрических сетей за счет внедрения мероприятий по снижению потерь электроэнергии. Выполнен расчет технической эффективности внедрения данных мероприятий на примере сетей ГУП ДНР «Региональная энергопоставляющая компания». Ключевые слова: электрическая сеть, эффективность, потери, трансформатор, реактивная мощность, напряжение, компенсирующее устройство. The paper studies the possibilities of improving the efficiency of electric networks by implementing measures to reduce electricity losses. The calculation of the technical efficiency of the implementation of these measures is carried out on the example of the networks of the State Unitary Enterprise of the DPR «Regional electric supply company». Keywords: electrical network, efficiency, losses, transformer, reactive power, voltage, compensating device. Международный опыт энергосбережения и повышения энергетической эффективности свидетельствует о существовании в промышленно развитых странах общих подходов к решению этих важнейших общемировых проблем, которые с каждым годом становятся все более актуальными. Эти подходы находят отражение в международных и национальных нормативно-правовых актах и стандартах, отраслевых нормах, государственной и технической политике, регламентах и правилах и основываются на следующих основных принципах: - энергетическая эффективность должна обеспечиваться не любыми, а технико-экономически обоснованными средствами; - энергетическая эффективность передачи и распределения электроэнергии не должна ограничиваться только энергосбережением в электрических сетях, но также улучшением экономических показателей, в первую очередь, снижением стоимости услуг и ограничений подключения потребителей к электрическим сетям;

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

- энергетическая эффективность решающим образом зависит от заинтересованного и квалифицированного участия персонала электросетевых компаний, в первую очередь, руководства этих компаний [1]. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, кризисные явления в стране в целом и в энергетике в частности отрицательным образом влияют на такой важный показатель энергетической эффективности передачи и распределения электроэнергии, как ее потери в электрических сетях. Сверхнормативные потери электроэнергии в электрических сетях – это прямые финансовые убытки электросетевых компаний. Экономию от снижения потерь можно было бы направить на техническое переоснащение сетей; увеличение зарплаты персонала; совершенствование организации передачи и распределения электроэнергии; повышение надежности и качества электроснабжения потребителей; уменьшение тарифов на электроэнергию [2]. Целью работы является исследование возможностей повышения эффективности работы электрических сетей ГУП ДНР «Региональная энергопоставляющая компания» за счет внедрения мероприятий по снижению потерь электроэнергии. Исследования проводились на примере электрических сетей технической единицы «Центральные электрические сети» ГУП ДНР «РЭК». Расчет параметров режима электрической сети проводился с использованием программного комплекса "Расчет, анализ и оптимизация технологических потерь" (РАОТП) [3]. Анализ потерь электроэнергии осуществляется со следующими целями: - выявление зон и конкретных элементов с повышенными техническими потерями; - выявление фидеров 6-20 кВ и линий 0,4 кВ с повышенными коммерческими потерями; - оценка влияния на технические потери основных параметров поступления и отпуска электроэнергии из сети на основе сопоставительных расчетов потерь при различных значениях параметров или по нормативной характеристике потерь; - определение количественных целей по снижению потерь для различных служб и подразделений энергосистемы. Выявление зон и конкретных элементов сети с повышенными техническими потерями проводят на основе результатов расчета потерь и их структуры. В первом приближении к очагам нагрузоч-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ных потерь относят линии с плотностью тока более 1 А/мм2, а к очагам потерь холостого хода - трансформаторы, загруженные в режиме максимальных нагрузок менее чем на 50 % на однотрансформаторных подстанциях и менее чем на 35 % - на двухтрансформаторных подстанциях [4]. Анализ результатов расчета максимального режима работы исследуемой сети показал, что только у 14,5 % трансформаторов коэффициент загрузки находится в экономически целесообразных пределах (S% ≥ 35%). Исходя из зависимости, приведенной на рис.1 [5], КПД трансформатора и, соответственно, потери в нем прямопропорционально зависят от загрузки.

Рисунок 1 – Зависимость КПД трансформатора с сердечником из электротехнической стали от загрузки Завышенные мощности трансформаторов потребительских подстанций увеличивают удельный расход на трансформацию, т.е. величину потерь мощности в трансформаторе на единицу передаваемой мощности. Понижение нагрузки масляного трехфазного трансформатора с 0,7 до 0,1 увеличивает удельный расход электроэнергии на трансформацию 1 кВА мощности в 1,8...2,1 раза в зависимости от мощности трансформатора, т. е. имеет место перерасход электроэнергии (прямые потери энергии). Низкая загруженность трансформаторов вызывает рост реактивной мощности, расходуемой на трансформацию 1 кВА потребляемой мощности, увеличиваются перетоки реактивной мощности по линиям электропередачи (ЛЭП). Таким образом, при снижении коэффициента загрузки трансформаторов увеличивается потребление активной и реактивной мощности, причем нарастание потребления трансформатором реактивной мощности происходит более быстрыми темпами, чем ак92

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

тивной: коэффициент реактивной мощности увеличивается для трансформаторов ТМ 630...25 кВА в 1,5...2,1 раза (рис.2) [6].

Рисунок 2 – Коэффициент реактивной мощности при изменении нагрузки трансформатора Кроме всего прочего, работа трансформаторов потребительских подстанций в режиме недогрузки приводит к замораживанию капиталовложений, удорожению сетей, к увеличению годовой суммы амортизационных отчислений и, тем самым, к дополнительному увеличению себестоимости передачи электроэнергии. Исследованиями установлено, что снижение загрузки трансформаторов с 65 до 8% повышает себестоимость передачи электроэнергии в 16 раз [7]. Анализ результатов расчетов показал, что только 21% ЛЭП исследуемой сети имеют загрузку более 30 %. ЛЭП являются источниками реактивной мощности. Линия обладает межпроводной емкостью и каждый провод - емкостью на землю. Под действием приложенного напряжения через эти емкости протекает ток, называемый зарядным током линии Iз, и он опережающий. Зарядный ток Iз и напряжение линии U определяют величину зарядной мощности линии Qз, которая может рассматриваться как Qз, генерируемая линией. Зарядная мощность зависит от напряжения линии, ее длины и конструкции. ЛЭП является в то же время и потребителем реактивной мощности, что связано с ее индуктивным сопротивлением. Это сопротивление и напряжение линии определяют величину потерь реактивной мощности в ЛЭП ∆Qл . При низких нагрузках ЛЭП Qз могут превышать ∆Qл, что приводит к повышению напряжения в узлах, а, соответственно, к возможному нарушению показателей качества электроэнергии [8].

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Одним из мероприятий, которое может повысить эффективность работы электрических сетей ГУП ДНР «РЭК», является отключение слабозагруженных трансформаторов подстанций. В работе рассмотрена техническая эффективность данного мероприятия. В результате отключения одного из трансформаторов на 35 подстанциях потери активной мощности в трансформаторах в целом по сети снижаются на 47,15 %, а реактивной мощности на 31,15 %. При этом на 7 подстанциях после отключения одного из трансформаторов снижение потерь активной мощности сопровождаются ростом потерь реактивной мощности. В табл.1 приведены потери в целом по исследуемой электрической сети после отключения части трансформаторов. Таблица 1 – Изменение потерь мощности в электрической сети после отключения части трансформаторов Режим До отключения Т После отключения Т

∆Pхх, МВт

∆Qхх, Мвар

∆Pнг, МВт

∆Qнг, Мвар

∆P∑, МВт

∆Q∑, Мвар

17,6

48,9

26,5

149,5

44,1

198,4

16,2

35,5

25,8

153,5

189

δ∆P∑, %

δ∆Q∑, %

5,0

4,97

Как видно из табл.1 потери активной мощности в целом по сети после отключения части трансформаторов на подстанциях уменьшились на 5%, а реактивной мощности – на 4,97 %. Анализ существующих нагрузок подстанций позволил провести выбор приоритетных подстанций для установки устройств компенсации реактивной мощности (КРМ) – батарей статических конденсаторов (БСК). Расчет требуемой мощности БСК для 5 выбранных подстанций выполнялся по формуле: QКУ = Pф1(tgϕ1 – tgϕЭК), где tgϕЭК=0,25. В табл.2 приведены величины потерь мощности в сети до и после установки устройств КРМ. Расчеты показали, что установка устройств КРМ приводит к ожидаемому росту напряжения в узлах схемы за счет снижения перетоков реактивной мощности через элементы сети. Однако при этом могут нарушаться требования к качеству электрической энергии, что приводит к необходимости применения устройств регулирования напряжения (например, устройств РПН силовых трансформаторов).

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 2 – Величина потерь мощности в сети до и после установки устройств КРМ Режим Без КУ С КУ

∆Pхх, МВт 16,2 16,2

∆Qхх, Мвар 35,5 35,5

∆Pнг, МВт 25,8 25,1

∆Qнг, Мвар 153,5 152,8

∆P∑, МВт 42 41,3

∆Q∑, Мвар 189 188,3

δ∆P∑, %

δ∆Q∑, %

1,7

0,37

В целом техническая эффективность применения устройств КРМ для электрических сетей ГУП ДНР «РЭК» в сложившихся в настоящий момент экономических условиях достаточно низкая, что вызвано слабой загрузкой сетей в связи с простоем большого количества промышленных потребителей. При этом установка устройств КРМ для самих потребителей позволяет значительно снизить плату за потребление реактивной мощности, которая в настоящее время в ДНР осуществляется в соответствии с [9]. На стороне высшего напряжения в цепи трансформаторов 8 подстанций сети предусмотрены отделитель и короткозамыкатель. Такие схемы имели широкое распространение в 60-70 годы ХХ века. Однако они не очень хорошо показали себя в эксплуатации, поэтому постепенно шла замена блоков отделитель-короткозамыкатель на выключатели. В последние годы упрощенные схемы без выключателей в цепях трансформаторов не рекомендуются для проектирования в IV и особом районах по гололеду, к которым относится территория рассматриваемого района. Поэтому предлагается осуществить замену блоков отделитель-короткозамыкатель на элегазовые выключатели, что позволит повысить надежность электроснабжения потребителей. согласно [10], удельная повреждаемость выключателей 110 кВ (на 100 шт.) составляет 0,5 1/год, а отделителей и короткозамыкателей (на 100 шт.) составляет 2 1/год. Выводы

Проведенные в работе исследования показали слабую загрузку элементов исследуемой электрической сети в сложившихся тяжелых экономических условиях. При этом значительная часть действующего оборудования морально и физически устарела, что негативно сказывается на надежности электроснабжения потребителей и величине потерь электроэнергии при ее транспортировке. Это требует проведения комплексной и последовательной модернизации электрических сетей. В настоящее время достаточно эффективным мероприятием по снижению потерь электроэнергии является отключении слабозагруженных трансформаторов на подстанциях. Расчеты показали, что это может позволить снизить потери активной мощности в трансформаторах сети на 47,15 %, а в целом по сети на 5%.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Применение устройств КРМ в сложившихся в настоящий момент условиях не оправдано для самих электросетевых компаний в связи с очень низкой технической эффективностью.

Перечень ссылок

1. Воротницкий, В.Э. Повышение энергетической эффективности электрических сетей – проблема комплексная [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://energy.s-kon.ru/v-e-vorotnickyi-povyshenie-energeticheskoi-effektivnostielektricheskih-elektricheskih-setei-problema-kompleksnaya/ 2. Воротницкий, В.Э. Снижение потерь электроэнергии в электрических сетях. Динамика, структура, методы анализа и мероприятий / В.Э. Воротницкий, М.А. Калинкина, Е.В. Комкова, В.И. Пятигор // Энергосбережение, 2013. – №2. – С. 90-94. 3. Инструкции пользователя программного комплекса "Расчет, анализ и оптимизация технологических потерь" (РАОТП). - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». Факультет электроэнерготехники и автоматики. Отраслевая научно-исследовательская лаборатория «Автоматизация управления электрическими сетями высших классов напряжения», Киев. - 2015. 4. Железко, Ю.С. Инструкция по нормированию, анализу и снижению потерь электроэнергии в электрических сетях энергоснабжающих организаций / Ю.С. Железко. - Москва, ВНИИЭ, 2002. 5. Данилевич, Я.Б. Распределительные трансформаторы нового поколения из аморфной стали / Я.Б. Данилевич, К.С. Иванов [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://transform.ru/articles/html/03project/proj000063.article. 6. Качество сельского электроснабжения комплексный подход качество сельского электроснабжения. Комплексный подход [Электронный ресурс] Режим доступа: https://textarchive.ru/c-2735839-p6.html. 7. Низамутдинов, Р.Г. Эффективность электрификации сельского хозяйства и пути ее повышения [Текст] : Автореферат дис. на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук. (08.00.05) / Казан. с.-х. ин-т им. М. Горького. - Казань : [б. и.], 1975. - 24 с. 8. Мельников М.А. Электроснабжение промышленных предприятий. Учеб. пособие / М.А. Мельников. – Томск: Изд. ТПУ, 2000. – 144 с. 9. Методика обчислення плати за перетікання реактивної електроенергії. Наказ Міністерства палива та енергетики України від 17 січня 2002 року № 19. Зареєстровано в Міністерстві юстиції України 1 лютого 2002 р. за № 93/6381. 10. Пособие к курсовому и дипломному проектированию для электроэнергетических специальностей вузов: Учеб. пособие для студентов электроэнергет. спец. Вузов, 2-е изд., перераб и доп./ В.М. Блок, Г.К. Обушев, Л.Б. Паперно и др.; Под ред. В.М. Блок. – М.: Высш. шк., 1990. – 383 с.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.5:62-83

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ СОРТИРОВОЧНЫМ УСТРОЙСТВОМ ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ Р.Б. Мирзалиев, Д.В. Бажутин ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В работе рассмотрены вопросы разработки системы управления сортировочным устройством ленточного конвейера с использованием алгоритмов распознавания изображений нейронными сетями. Приведен анализ возможности применения нейронных сетей для управления системами электропривода. Приведена блок-схема алгоритма управления, записываемого в память микроконтроллера, и графики, демонстрирующие ее работу. Ключевые слова: ленточный конвейер, сортировочное устройство, нейронные сети, распознавание изображений, позиционное управление The article presents the development of control system for belt conveyor produce sorting unit using image recognition via neural networks. The analysis of neural networks application for electric drive motion control is presented. The block-diagram of developed control algorithm to be uploaded into microcontroller memory and time diagrams showing its operation are presented. Keywords: belt conveyor, produce sorting unit, neural networks, image recognition, positioning control В настоящее время системы искусственного интеллекта все глубже внедряются в автоматизированные системы управления производственными процессами. Спектр решаемых ими задач постоянно расширяется, а структура усложняется, что требует определенных навыков и знаний от инженера-разработчика, работающего в этой области. С этой точки зрения актуальной прикладной задачей является разработка несложных методик применения нейронных сетей в задачах автоматизации, принимая во внимание особенности используемого оборудования [1]. Особое внимание при этом необходимо уделить особенностям применения современных программных средств для создания и обучения нейронных сетей. Одна из областей промышленности, в которой нейросетевые алго-

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ритмы получили широкое распространений, являются ленточные конвейеры с сортировочными устройствами, использующие алгоритмы распознавания изображений для сортировки готовой продукции по расположенным в определенных точках емкостям. Ключевыми требованиями к работе системы распознавания образов в этих устройствах являются точность распознавания и время реакции, т.е. интервал времени от первого попадания объекта в кадр до получения информации о нем [2]. Целью работы является разработка системы автоматического управления позиционным электроприводом сортировочного устройства ленточного конвейера с использованием нейросетевых алгоритмов распознавания изображений. На рис. 1 приведено схематическое изображение сортировочного устройства.

2 1 7

Рисунок 1 – Сортировочное устройство Сортируемый объект 1 перемещается по ленте конвейера и попадает в область видимости камеры 2. Сигнал с камеры поступает на вычислительное устройство 3, на котором запускается алгоритм распознавания изображений, результат работы которого передается через последовательный интерфейс на управляющий микроконтроллер 4. Результатом работы является номер заранее запомненного образа, который наилучшим образом соответствуем распознаваемому предмету. При этом каждому из запомненных образов поставлено в соответствие положение сортировочных направляющих 7, приводимых в движения двигателем 6 посредством намоточного устройства. Соответственно,

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

микроконтроллер в соответствии с полученным номером образа формирует управляющий сигнал для силового преобразователя 5, питающего двигатель. Исходя из этого можно сформулировать основные части алгоритма управления сортировочным устройством: 1. Получение информации по последовательному порту. 2. Формирование траектории движения сортировочного устройства в соответствии с полученной информацией. 3. Измерение положения путем обработки сигнала импульсного датчика положения (энкодера). 4. Реализация алгоритма регулирования положения для обеспечения быстрого и точного позиционирования. 5. Перевод сортировочного устройства в исходное положение по окончании работы. Реализация алгоритмов распознавания изображения предъявляет определенные требования к вычислительному устройству, в частности, к объему оперативной и Flash-памяти, что не позволяет использовать для этих целей недорогие микроконтроллеры серий Arduino или STM32. Для этих целей рекомендуется использовать персональные или одноплатные компьютеры, при этом использование выделенный графических процессоров ПК позволяет значительно ускорить работу алгоритма, что позволяет повысить скорость перемещения объектов на ленте. Основным критерием выбора алгоритма распознавания образов является простота его настройки и скорость работы. Большинство из существующих на данный момент алгоритмов основаны на работе сверточных нейронных сетей, которые имеют структуру, показанную на рис. 2.

Рисунок 2 – Структура сверточной нейронной сети Непосредственно алгоритмы распознавания делятся по принципу действия на классифицирующие и регрессионные.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Классифицирующие алгоритмы выделяют объект на изображении и классифицируют его с помощью сверточных нейронных сетей. Работа алгоритма делится на этапы поиска и классификации. Принцип работы основан на делении изображения на отдельные сегменты и выполнении операция распознавания для каждого из них. В этом же заключается основной недостаток таких систем – низкое быстродействие. Точность работы при этом остается достаточно высокой. Регрессионные алгоритмы предсказывают классы и определяют границы объекта по всему изображению за один цикл алгоритма, после чего происходит изменение параметров и повторное выполнение операций. За счет такого подхода обеспечивается существенное увеличение скорости работы за счет снижения точности. Двумя наиболее известными примерами из этой группы являются алгоритмы семейства YOLO (You Only Look Once) и SSD (Single Shot Multibox Detector). В рамках данной работы рассматривается алгоритм YOLO v4 из-за относительно невысоких требований к вычислительной мощности компьютера и простоты реализации [3]. Для корректной работы алгоритма распознавания изображений необходимо подготовить набор исходных данных, представляющий собой большое количество фотографий объектов, и текстовый файл, содержащий информацию об именах фотографий, их расположении, номере изображенного на них объекта и координатах рамки, его ограничивающей. Чем больше информации об объектах будет подготовлено, тем выше будет точность распознавания. На рис.3 показан пример работы алгоритма.

Рисунок 3 – Работа алгоритма распознавания изображений Среднее быстродействие составило 2 кадра в секунду, что является достаточным для реализации поставленной задачи.

100

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Система регулирования положения сортировочного механизма должна обеспечить максимально быстрое и достаточно точное позиционирования в фиксированных точках. Исходя из этого можно сделать вывод о целесообразности использования позиционной системы регулирования положения с задатчиком положения, формирующим Sобразную траекторию движения, построенную по принципу максимального быстродействия. Структурная схема задатчика положения показана на рис.4.

Рисунок 4 – Структурная схема задатчика положения Нелинейный элемент (НЭ) на этой схеме формирует параболическую функцию, обеспечивающую формирования траектории без перерегулирования и дотягивания при любом значении заданного перемещения. Блок ограничения (БО) ограничивает максимальную скорость движения привода, величина которой определяется технологическими требованиями. С учетом наличия постоянно действующей активно-реактивной нагрузки на валу двигателя, а также особенностей работы силового преобразователя, уровень ограничения устанавливаем на уровне 0.7 ωн. Используемый в экспериментальной установке двигатель имеет номинальную мощность 14.4 Вт при номинальном токе 1.2 А. При этом результаты экспериментальных исследований показывают, что постоянная времени якорной цепи соизмерима с периодом ШИМ преобразователя, что делает затруднительной реализацию трехконтурной системы подчиненного регулирования положения. В связи с этим рассмотрим синтез одноконтурной системы позиционирования. Структурная схема такой системы показана на рис. 5. Регулятор положения принимаем пропорционально-дифференцирующим, коэффициенты которого рассчитываются по формулам: CJ = kp = ; kd 2ξ Tk p ; . T2

101

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

На рис. 6 показаны результаты работы разработанной системы позиционирования.

Рисунок 5 – Структурная схема системы позиционирования 400

350

300

250

200

150

100

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

1.4

1.6

1.8

Рисунок 6 – Сигналы заданного (синий) и измеренного (красный) положения Анализируя графики можно отметить достаточно большое запаздывание между заданным и измеренным сигналами, что объясняется наличием значительного трения в редукторе двигателя, а также неоптимальным выбором постоянной времени регулятора. Кроме того, на завершающем этапе позиционирования наблюдается дотягивание, которое можно объяснить этим же явлением, а также определенными проблемами, возникающими при регистрации сигнала. В целом, качество регулирования можно считать удовлетворительным. В дальнейшем необходимо провести исследования с целью устранить или снизить влияние этих явлений с учетом веса всей конструкции сортировочного устройства. С учетом всех изложенных пунктов блок-схема алгоритма управления электроприводом будет иметь вид, показанный на рис. 7.

102

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Начало

Измерение положения

Новое перемещение? -

φз.нов=φз.получ-φз.пред

Формирование траектории (ЗП) Вычисление задающего воздействия Конец

Рисунок 7 – Блок-схема алгоритма управления Выводы

Использование нейронных сетей позволяет реализовать быструю и точную сортировку продукции, перемещаемой ленточными конвейерами. Используя современные программные пакеты можно добиться достаточно высокой точности сортировки. Разработанный алгоритм управления обеспечивает приемлемое качество работы, однако необходимо провести дополнительные исследования для улучшения формы переходных процессов.

Перечень ссылок

1. Кравченко, С.В. Проблемы детектирования объекта на изображении в задачах глубокого обучения в области компьютерного зрения на основе свёрточных нейронных сетей / С.В. Кравченко, А.В. Алексеев, Ю.А. Орлова, И.Л. Гринин, Д.С. Матюшечкин – Инновации и Инвестиции №6, 2020 – c. 194-197. 2. Лепский, А.Е. Математические методы распознавания образов: Курс лекций. / А.Е. Лепский, А.Г. Броневич – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. –155 с. 3. YOLO Algorithm and YOLO Object Detection: An Introduction [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://appsilon.com/object-detection-yolo-algorithm/.

103

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.311

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ ПРОГРАММАХ ТАБЛИЧНЫХ РЕДАКТОРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО РАСЧЕТУ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 35 кВ И ВЫШЕ С.А. Григорьев ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

Рассмотрены вопросы разработки и внедрения вычислительных моделей для предварительного проектирования и анализа электрических сетей напряжением 35 кВ и выше, критерии использования данных алгоритмов. Ключевые слова: программирование, анализ, электроснабжение, табличные редакторы, методика The issues of development and implementation of computational models for the preliminary design and analysis of electrical networks with a voltage of 35 kV and higher, the criteria for using these algorithms are considered. Keywords: programming, analysis, power supply, table editors, methodology Научные исследования, в области изучения методов расчета установившихся режимов электрических сетей, показывают, что для решения неизбежных проблем сложности реализации подобных проектов, перспективно использование табличных редакторов. Главное преимущество подобного программного обеспечения − их относительные простота освоения и наглядность результатов. Использование данных оболочек лишь улучшает восприятие процесса пользователем. Экономический потенциал при использовании подобных бесплатных табличных редакторов говорит сам за себя. Это в очередной раз доказывает необходимость разработки и использования подобных алгоритмов [1]. Обобщенно можно отметить следующие достоинства табличных редакторов: простота освоения, наглядность расчетного процесса, повсеместная доступность (онлайн таблицы Google или Yandex), интеграция и взаимозаменяемость одними программными продуктами других [2]. Целью данной работы стала разработка алгоритма для расчета

104

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

установившегося режима электрической сети. В решении проблем алгоритмизации табличных редакторов целесообразно использовать современное программное обеспечение со встроенными программными редакторами (макросы в среде Visual Basic for Application для Microsoft Office Excel). Программная реализация позволяет обеспечить выполнение методик на автоматическом уровне, упростить выполнение однотипных расчетов и наглядно обосновать выводы [3]. Оценить экономическую целесообразность использования различных схем энергоснабжения, для обоснования эффективности регионального энергоснабжения применяются разные методики [4]. Из известных, можно выделить следующие: оценка экономической целесообразности; расчет приведенных затрат; определение себестоимости энергии; методика, учитывающая удаленность снабжаемого объекта от источника питания; оценка эффективности инвестиционных проектов; долгосрочный анализ денежных потоков. Изучив и проанализировав существующие алгоритмы расчета установившегося режима электрической сети, можно сделать следующие выводы. Каждая из методик имеет свои ограничения по применению [3]. Ограничения зависят от множества факторов, которые обусловлены исходными данными и самой целью расчета подобного режима, а также необходимой точностью результирующих величин. С помощью встроенной программной среды Excel были созданы таблицы исходных данных для расчета режима. В дальнейшем база данных может быть дополнена и усовершенствована, в зависимости от целей и задач пользователей, а также для простоты и удобства выбора оборудования, необходимого для конкретных целей. Создаваемая база данных, может включать в себя следующие разделы: 1. Исходные данные для расчета. 2. Результаты расчета максимального режима с учетом компенсирующих установок. 3. Результаты расчета максимального режима без учета компенсирующих установок. 4. Результаты расчета минимального режима с учетом компенсирующих установок. 5. Результаты расчета минимального режима без учета компенсирующих установок. 6. Справочные данные по силовым трансформаторам, а также линиям электропередач, в том числе укрупненные показатели стоимости оборудования для проектных расчетов. С помощью приложения Microsoft Excel, и с использованием разработанной базы данных и методик технико-экономического расчета,

105

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

для сравнения различных вариантов энергоснабжения группы потребителей I и II категорий надежности, была создана программа для оптимального выбора варианта энергоснабжения и расчета установившегося режима электрической сети окончательного варианта схемы. Данная разработка ориентирована в первую очередь на упрощение проектных расчетов, проводимых в рамках кафедры, но ее использование возможно и вне ее. Программа состоит из нескольких модулей, с возможностью дополнения или увеличения их числа: − проектирование вариантов схем электроснабжения группы потребителей; − сравнение капитальных вложений, издержек и минимума приведенных затрат для различных вариантов энергоснабжения; − расчет установившегося режима электрической сети выбранного окончательного варианта схемы; − справочные данные по оборудованию для расчета [5]. Программа проста в использовании. Для работы с ней необходимо запустить исполняемый файл, открыть лист расчета и следовать приведенным в нем инструкциям. Порядок расчета потокораспределения следующий: 1. Потокораспределение ветвей трансформаторов подстанций потребителей, кроме узловой подстанции. 2. Потокораспределение линейных ветвей, примыкающих к вышеназванным ветвям (радиальные линии электропередач). 3. Потокораспределение линейных ветвей с разветвлениями (магистральные линии электропередач). 4. Потокораспределение замкнутых линейных ветвей (кольцевые линии электропередач). 5. Потокораспределение на узловой подстанции и в сети на стороне ее высшего напряжения (сеть внешнего электроснабжения). 6. По достижении расчетным модулем источника питания, программа делает проход в обратном порядке для расчета узловых напряжений. 7. Если имеется понизительно-распределительная узловая подстанция, в момент возврата модуля по узлам производится расчет устройств регулирования под нагрузкой либо переключения без возбуждения на трехобмоточном трансформаторе либо автотрансформаторе, после чего продолжается пункт 6. 8. По достижении подстанций потребителей, производится расчет устройств регулирования под нагрузкой трансформаторов. 9. Выводятся зарядные мощности узлов схемы, потери мощности

106

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

в воздушных линиях, потери мощности в трансформаторах, расчет КПД всей схемы. В приложении Microsoft Excel возможно получение данных в виде диаграмм, что позволяет улучшить наглядное представление полученных результатов и усилит визуальное восприятие данных. В результате проведенных расчетов можно сделать вывод, что полный переход на использование табличных редакторов при проектировании и расчете электрических сетей имеет больше положительных сторон, чем отрицательных. Однако использование подобных программ может быть ограничено правообладателем, что весьма возможно в нынешних условиях. При изменении каких-либо исходных данных (например, при введении новых потребителей или изменении мощности потребления отдельных потребителей), с использованием программной реализации расчета режима, можно будет быстро и просто повторить расчеты и скорректировать выводы. Скорость выполнения подобных операций зависит лишь от скорости работы оператора и вычислительных мощностей ЭВМ, на которой производятся расчеты. Исполняемый файл, для удобства использования, снабжен диалоговыми окнами встроенного редактора VBA. Это существенно упрощает ввод исходных данных и их изменение в дальнейшем. Выводы

Технические разработки ГОУ ВПО «ДОННТУ» являются базой для упрощения расчетной части по проектированию и расчетам электрических сетей. Они могут быть использованы для внедрения в различные отрасли промышленности, а также для проектного либо учебного использования.

Перечень ссылок

1. Инструкция пользователя InorXL 1.3.0 beta / Машалов Е. В. – Екатеринбург, 2013. – 39 с. – URL: http://inorxl.com/static/downloads/Manual.pdf (дата обращения: 28.04.2021). 2. Microsoft Office Excel 2007 / В. А. Долженков, А. Б. Стученков. – СПб.: БХВ-Петербург, 2007. – 1200 с.: ил. – URL: https://avidreaders.ru/readbook/microsoft-office-excel-2007.html (дата обращения: 28.04.2021). 3. Гуляева, И.Б. Оценка эффективности регионального энергоснабжения (ДНР) с использованием солнечной энергии / И.Б. Гуляева, С.А. Григорьев, Ю.Н. Кивгила // Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 26-28 мая 2020 г. – Донецк: ДонНТУ, 2020. Т. 2: 2. Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем. – 2020. – С. 201-205. 4. Идельчик, В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. – Москва: Энергоатмиздат, 1989. – 592 с. 5. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / Под ред. И.А. Баумштейна и М.В. Хомякова. – М.: Энергоиздат, 1981. – 656 с.

107

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 004.032.26

СОЗДАНИЕ СОБСТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ НА БАЗЕ YOLOV3 ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ИЗОБРАЖЕНИИ В.В. Куцеволов, Г.А. Сокуренко, Д.Н. Мирошник ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье описывается процесс создания и трансферного обучения сверточной нейронной сети на базе YOLOv3 на языке Python, затронуты аспекты и факторы, которые влияют на задачи детектирования объекта. Ключевые слова: Python, свёрточные сети, нейронные сети, детектирование, трансферное обучение The article describes the process of creating and transfer training of a convolutional neural network based on YOLOv3 using Python, the aspects and factors that affect the tasks of object detection are considered. Keywords: Python, convolutional networks, neural networks, detection, transfer training В задачах робототехники особое внимание уделяется процессу детектирования [1]. Для реализации подобной задач как правило используют собственные алгоритмы или сверточные нейросети, которые построены с помощью импортированных библиотек глубокого обучения, таких как TensorFlow, Кeras, Pytorch [2,3,4] или же библиотек которые базируются на них. Задача детектирования имеет множество решений реализации, на этапе проектирования необходимо брать во внимания ряд факторов. 1. Изменение окружения объекта в процессе детектирования. 2. Количество объектов, которые подлежат детектированию. 3. Наличие характерных особенностей объектов. 4. Скорость обнаружения объектов на изображении. 5. Доступные аппаратные возможности для решения поставленной задачи. 6. Физическое наличие объекта у разработчика, с целью детального проведения внешнего анализа данного объекта. 7. Язык программирования, на котором ведется разработка система и т.д. Анализ предыдущих факторов позволяет определить подход, который будет наиболее приемлемым в той или иной задаче детектирования. 108

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Если окружение детектируемого объекта не подлежит изменению относительно объекта (объект статичен и находится на заводе, в офисе и т.д.), а также имеет специфичные внешние особенности, то целесообразным представляется разработка алгоритма без использования готовых решений. Разработанный вручную алгоритм, как правило, обладает наилучшими характеристиками по быстродействию относительно алгоритмов, которые базируются на нейросетях. Целью работы является разработка системы распознавания объектов с использованием нейронных сетей для применения в задачах управления робототехническими устройствами. Система, которая базируется на нейронных сетях, автоматически на стадии обучения выделяет признаки объекта. Нейронная сеть, которая используется в задачах компьютерного зрения, как правило, имеет свёрточную структуру. Структура свёрточной сети имеет высокие показатели в задачах классификации, сегментации и детектирования, так как имеет высокий показатель качества найденных признаков. Создание нейронной сети имеет два пути реализации, первый вариант подразумевает создание сверточной нейронной сети с нуля и обучение ее также с нуля, при этом необходимо иметь доступ к мощным ресурсам ПК и огромное количество времени. Второй вариант по трансферному принципу переобучить последние пару слоёвейронной сети под необходимые задачи. Такой подход экономичен как с точки зрения ресурсов оборудования, так и с точки зрения затраченного времени. YOLO [5] – это самая популярная архитектура свёрточной нейронной сети на данный момент, которая используется в задачах компьютерного зрения. Особенностью данной архитектуры выступает то, что сверточные сети других разработчиков применяют свёрточные нейронные сети несколько раз к разным регионам изображений, а данная сеть применяется один раз ко всему изображению целиком. Сеть делит изображение на своеобразную сетку и анализирует содержание ячеек, на основании этого анализа предсказывает вероятность того, что там есть искомый объект. Данный разработчик имеет множество перспективных вариаций нейросети, таких как YOLOv3, YOLOv4, YOLOv5. YOLOv3 – это усовершенствованная версия YOLO [6], она имеет в своей структуре 106 слоёв (см. рис.1) и обладает лучшими характеристиками при детектировании мелких объектов по сравнению с ее предшественниками, а также данная версия сети является единственной сетью YOLO, которая поддерживает трансферное обучение в библиотеке глубокого обучения ImageAI [7], которая в свою очередь

109

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

использует в своем составе библиотеку Tensorflow. Библиотека глубокого обучения ImageAI создана для того, чтобы разработчик имел возможность создавать системы с автономными возможностями глубокого обучения.

Рисунок 1 – Архитектура нейросети YOLOv3 Простота реализации задачи достигается за счет использования языка Python, так как данный язык программирования обладает свойствами динамической типизации. В качестве объектов обнаружения выступают два объекта, которые изображены рисунке 2.

Рисунок 2 – Объекты детектирования Следующим этапом разработки выступает разметка всех фотографий с помощью инструмента LabellMG [8]. Это делается с целью указания системе расположения искомых объектов для обучения. При

110

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

этом необходимо создать правильную структуру иерархии папок, соблюдая инструкцию официального сайта ImageAI [7]. Ниже представлен код для обучения новых моделей обнаружения [9,10] (см.рис.3).

Рисунок 3 – Код на языке python для обучения нейросети Для реализации глубоко обучения необходимо создать базу фотографий (см.рис.4) этих объектов, при этом чем больше фотоснимков, тем более автономна работа сети. Результат работы обученной нейросети продемонстрирован на рисунке 5.

Рисунок 4 – База фотографий для обучения нейросети Выводы

В работе рассмотрен процесс создания и обучения свёрточной нейросети на базе YOLOv3, которая в последующем используется для детектирования двух объектов. Описан подход к решению задач детектирования c использованием программного пакета ImageAI.

111

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 5 – Результат работы созданной нейросети Перечень ссылок

1. Компьютерное зрение. Лекция для Малого ШАДа Яндекса. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://habr.com/ru/company/yandex/blog/203136/. 2. Официальный сайт TensorFlow. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.tensorflow.org/. 3. Официальный сайт Keras. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://keras.io/. 4. Официальный сайт Pytorch. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://pytorch.org/. 5. Object Tracking на YOLO и DeepSort. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://habr.com/ru/company/yandex/blog/203136/. 6. Распознование объектов в режиме реального времени на iOS с помощью YOLOv3. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://habr.com/ru/post/460869/. 7. Официальный сайт ImageAI. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://imageai.readthedocs.io/en/latest/. 8. Руководство пользователя LabellMG. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://pythondigest.ru/view/27799/. 9. Куцеволов В.В., Мирошник Д.Н. Разработка системы управления движением наземного мобильного робота с использованием нейросети YOLOv3// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать седьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (11–12 марта 2021 г., Москва): Тез. докл. — М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“», 2021.- CC.1178. 10. Лабеев А. В., Мирошник Д. Н. Разработка манипулятора с тремя степенями свободы и устройства схвата для мобильного наземного робота/ Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать седьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (11–12 марта 2021 г., Москва): Тез. докл. — М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“», 2021.- CC.1180.

112

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.3.078

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ПРИВОДОМ КОЛЕСНОГО РОБОТА НА БАЗЕ ROS И RASPBERRY PI

А.В. Захаров, В.В. Ханас ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье описывается система управления дифференциальным приводом колёсного робота при помощи операционной системы ROS, в которую входит: синтез контура регулирования скорости, создание программы для микроконтроллера Arduino Nano и Raspberry Pi для управления роботом с клавиатуры. Ключевые слова: микроконтроллер, контур скорости, дифференциальный привод, двигатель постоянного тока, ROS, Arduino, Raspberry PI The article describes a control system for the differential drive of a wheeled robot using the ROS operating system, which includes: synthesis of a speed control loop, creating a program for the Arduino Nano microcontroller and Raspberry Pi to control the robot from the keyboard. Keywords: microcontroller, speed control, differential drive, DC motor, ROS, Arduino, Raspberry PI Дифференциальный привод – это один из основных приводных механизмов, которые сегодня используются в роботах. Дифференциальный привод требует частого обновления информации о скоростивращения колес. Чаще всего он применяется на роботах с двумя колесами и роликами. Его также можно использовать для независимого управления каждым колесом, используя независимые управляющие сигналы. Дифференциальный привод, представляющий интерес в данной работе, работает на основе разницы угловых скоростей двух колес. Большинство домашних мобильных роботов не двигаются как машина. Для примера, можно рассмотреть платформу мобильного робота, показанную на рис. 1 а. Это пример самого популярного способа управлять мобильными роботами[1]. Есть два основных колеса, каждое из которых прикреплено к собственному двигателю. Остальные два колеса (не видно на рис. 1 а) размещается сзади и спереди, чтобы пассивно вращаться, предотвращая опрокидывание робота.

113

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Целью работы является собрать колёсный робот и осуществить управление им при помощи клавиатуры, используя операционную систему для роботов. Чтобы построить простую модель ограничений, возникающих изза дифференциального привода, необходимо только расстояние L между двумя колесами и радиус колеса r (рис.1 б). Вектор действия напрямую определяет две угловые скорости вращения колеса (например, в радианах в секунду).

а) б) Рисунок 1 – Робот с дифференциальным приводом (а) и параметры обычного робота с дифференциальным приводом (б) Если робот движется вперед по прямой, то скорость вращения обоих колес должна быть одинаковой[2]. Если робот должен вращаться по часовой стрелке, то колеса обязаны вращаться в противоположных направлениях с одинаковыми скоростями (рис. 2). Для этого необходимо разместить основания рамы кузова в центре оси между колесами. Благодаря этому никакого линейного перемещения не происходит.

Рисунок 2 - Чистое поступательное движение (a); чистое вращение (б) На основании этих наблюдений уравнение перехода конфигурации имеет вид

114

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ 𝑟𝑟

𝑥𝑥̇ = (𝑢𝑢𝑙𝑙 + 𝑢𝑢𝑟𝑟 )cos 𝜃𝜃 2 𝑟𝑟 𝑦𝑦̇ = (𝑢𝑢𝑙𝑙 + 𝑢𝑢𝑟𝑟 )sin 𝜃𝜃 2 𝑟𝑟 𝜃𝜃̇ = (𝑢𝑢𝑙𝑙 − 𝑢𝑢𝑟𝑟 ) 𝐿𝐿

Поступательная часть содержит части cos 𝜃𝜃 и sin 𝜃𝜃, как и у простого автомобиля, потому что дифференциальный привод движется в том направлении, куда направлены его ведущие колеса. Скорость движения зависит от среднего значения угловых скоростей колес. Чтобы увидеть это, можно рассмотреть случай, когда одно колесо неподвижно, а другое вращается. Вначале робот перемещается со скоростью 1/2 от скорости вращения обоих колес. Скорость вращения 𝜃𝜃̇ пропорциональна изменению угловых скоростей колес. Скорость вращения робота линейно растет с радиусом колеса, но линейно уменьшается по отношению к расстоянию между колесами. Робот оборудован двумя мотор-редукторами напряжением 3В – 8В, номинальным током 200мА и скоростью холостого хода 180 об/мин при питании 6 В. Передаточное число редуктора 1:48. Управление двигателями осуществляется драйвером L298N (рис. 3), так как напрямую управлять двигателями с Arduino Nano не является возможным из-за высоких токов.

Рисунок 3 – Драйвер управления двигателями L298N Данный драйвер позволяет управлять сразу двумя двигателями постоянного тока, с помощью которого возможно регулировать скорость вращения валов двигателей используя ШИМ-сигнал, а так же осуществлять реверс. Считывание скорости вращения валов мотор-редукторов осуществляется при помощи модулей с оптическим датчиком скорости вращения FC-03, который обеспечивает подсчёт импульсов, 115

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

возникающих при вращении диска с прорезями, прикрепленного к обратной от колеса стороне выходного вала. Питание микрокомпьютера Raspberry Pi осуществляется от трёх литий-ионных аккумуляторных батарей INR18650 с номинальным напряжением 3,7В и ёмкостью 2600мАч. Так как выходное напряжение от трёх батарей превышает номинальное напряжение питания микрокомпьютера в 5В, установлен понижающий DC-DC преобразователь TPS40057, способный преобразовывать входное напряжение от 35В до 9В в стабилизированное 5В с максимальным током до 5А. Чтобы убедиться в работоспособности китайского модуля, был произведен тест. На рисунке 4 показана осциллограмма выходного напряжения преобразователя при тестировании под нагрузкой 1,75Ом после двадцати минут работы.

Рисунок 4 – Осциллограмма выходного напряжения DC-DC преобразователя Для Arduino Nano написан скетч, позволяющий принимать в качестве подписчика (см. рис. 6) задание на перемещение робота из Raspberry Pi через USB/UART а так же обрабатывать данные с энкодеров, которые преобразовываются в сигналы скорости вращения колёс и поступают на вход программного ПИ-регулятора скорости, на выходе которого формируется требуемый ШИМ-сигнал, подаваемый на драйвер управления двигателями L298N. Таким образом формируется замкнутый контур регулирования скорости для двух двигателей робота. На рисунке 5 можно увидеть принципиальную схему подключения всех элементов. Недостатком всей системы является количество прорезей на диске энкодера равное двадцати импульсам на оборот, что сказывается на точности измерения скорости вращения колес робота.

116

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Как говорилось ранее, для управления роботом с клавиатуры в работе используется широко используемая в робототехнике операционная система для роботов ROS, установленная на Raspberry Pi. Её назначением является создание программного обеспечения, позволяющего работать с различными роботами, лишь внеся небольшие изменения в код[3]. Эта идея позволяет создавать функциональность, которая может быть достаточно просто перенесена для использования различными роботами, избежав постоянного «изобретения колеса».

Рисунок 5 – Принципиальная схема подключения элементов робота ROS предполагает создание множества независимых нод, которые взаимодействуют друг с другом[4]. Существуют три основных способа (концепции) коммуникации: 1) Топик (Topic), которая обеспечивает синхронную однонаправленную передачу/прием сообщений. 2) Сервис (Service), которая обеспечивает синхронное двунаправленное взаимодействие: запрос / ответ сообщения. 3) Действие (Action), которое обеспечивает асинхронное двунаправленное взаимодействие с шагами: цель-результатобратную связь. Наглядно рассмотреть принцип обмена сообщениями в среде ROS можно на рисунке 6. В данной работе нет необходимости построения сложных переплетенных графов, а значит можно обойтись лишь одним единственным топиком, при помощи

117

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

которого нода-мастер будет передавать задание на Arduino Uno, которая, в свою очередь, является нодой-подписчиком.

Рисунок 6 – Схема обмена сообщениями в ROS между нодами Чтобы плата Arduino выступала в роли ноды-подписчика, применен протокол rosserial_arduino, предназначенный для передачи типовых сообщений ROS по последовательному порту на плату Arduino. Для корректной работы библиотека rosserial устанавливается как в саму ROS, так и в Arduino IDE. После проделанных манипуляций в скетч были добавлены строки, объявляющие Arduino Nano подписчиком, который подписывается на топик /cmd_vel с сообщениями типа twist, содержащие задание на линейное и угловое перемещение, публикуемое из ноды-мастера при помощи пакета teleop_twist_keyboard. Этот пакет позволяет задавать линейную и угловую скорость а так же направление движения робота при помощи отдельных клавиш на клавиатуре. Вызов всех нод и пакетов выполняется автоматически при подаче питания на робот при помощи launch-файлов в рабочей среде ROS. В ROS существуют инструменты для визуализации (Rviz) и моделирования роботов (Gazebo), которыми можно управлять из терминала, используя стандартные пакеты. Таким образом, имея модель своего робота в любой среде САПР, такой как SolidWorks (рис. 7), можно протестировать написанные программы в среде симуляции. Однако, ROS требует, чтобы файлы были в формате URDF – унифицированном формате описания роботов [5]. Это формат XML-файла, используемого в ROS для описания сех элементов робота. В нём перечислены все кинематические свойства звеньев и соединений. 118

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 7 – Модель робота в среде SolidWorks В SolidWorks существует удобный плагин для экспорта сборки в формате URDF. Файл URDF это цепочка ссылок из родительских и дочерних элементов модели, описанная в XML типами сопряжений. Дерево сопряжений строится вручную, выбирая соседние элементы сборки и указывая тип сопряжения между ними (рис. 8). В данном случае основание робота - base link, а двигатель левого колеса – дочерний элемент с типом сопряжения static, так как двигатель жестко прикреплен к основанию. В свою очередь – двигатель является родительским элементом для дочернего левого колеса с типом сопряжения continuous и так далее для всех элементов модели робота.

Рисунок 8 – Пример модели робота в виде дерева сопряжений По завершению построения дерева элементов утилита позволяет настроить ориентацию всей модели в пространстве, цвет, текстуру, тип материалов всех элементов робота, а также массу и моменты инерции звеньев, после чего утилита создаёт пакет, в котором будут

119

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

представлены каталоги текстур, мешей, URDF-файла и launch-файлов, для вызова модели в среде визуализации. После этого остаётся просто поместить этот каталог в рабочую среду ROS и работать с моделью в среде визуализации. Выводы

Для достижения более качественного регулирования скорости требуются датчики скорости с большим количеством импульсом на оборот. Так же большое влияние на качество перемещения робота оказывает качество всех компонентов, из которых состоит робот. Более сложные проекты, использующие ROS, требуют большого количества оперативной памяти микрокомпьютера.

Перечень ссылок

1. Бурдаков С.Ф., Мирошник И.В., Стельмаков Р.Э. Системы управления движением колесных роботов//Санкт-Петербург: - "Наука", 2001 2. Градецкий В.Г., Вешников В.Б., Калиничеко С.В. Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. - М.: Наука,2001 3. Quigley M. ROS: an open-source Robot Operating System [Электронный ресурс].–Режимдоступа: http://www.willowgarage.com/sites/default/files/icraoss09ROS.pdf 4 Джозеф Л. Изучение робототехники с использованием Python / пер. с анг. А. В. Корягина. – М.: ДМК Пресс, 2019. – 250 с. 5. Create your own urdf file [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials/Create%20your%20own%20urdf%20file

120

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.327:621.311

БАЛАНС МОЩНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМИ ЛАМПАМИ

К.Н. Кошуба, Б.Н. Кошуба, Э.Г. Куренный ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» Для решения задач энергосбережения составляется баланс полных мощностей в сетях с энергосберегающими лампами. Полная действительная мощность рассчитывается без разложения кривых тока на гармоники. Мощности симметричных составляющих вычисляются по первой гармонике. Мощность искажений предложено определять без расчета параметров высших гармоник. Ключевые слова: электроснабжение, сети освещения, несинусоидальность токов, баланс мощностей To solve the problems of energy saving, a balance of full possibilities is drawn up in networks with energy-saving lamps. The total actual power is calculated without decomposing the current curves into harmonics. The powers of the symmetric components are calculated from the primary harmonic. The power of the distortion is proposed to be determined without calculating the parameters of the higher harmonics. Keywords: power supply, lighting networks, non-sinusoidal currents, power losses Энергосберегающие лампы (ЛЭ) имеют нелинейные вольтамперные характеристики. Это приводит к несинусоидальности токов в сетях электроснабжения [1, 2 и др.]. Мощность одной ЛЭ невелика, но совместно с группой ламп и другим электронным оборудованием (компьютеры, бытовая техника и др.) их воздействие на ЭМС оказалось весьма существенным, что на-сегодня делает проблему уменьшения несинусоидальности токов в сетях 380/220 В актуальной во всех странах мира [3, 4 и др.]. Для технико-экономического обоснования выбора средств компенсации несинусоидальности необходимо иметь баланс полных мощностей в осветительной сети. Обычно составляющая мощности от несинусоидальности вычисляется по сумме квадратов действующих значений гармоник тока [5]. Согласно ГОСТ [6] наибольшее значение порядка n учитываемых гармоник равно 40, что усложняет расчеты. Целью статьи является разработка метода расчета мощностей в сети с ЛЭ без вычисления высших гармоник, на базе общего метода [7].

121

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Сущность метода. Исходными для расчетов являются кривые i(t) мгновенных значений тока. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) имеют ярко выраженную импульсную нагрузку (рис. 1, кривая 1). В зависимости от принятой схемы управления светодиодами токи светодиодных ламп (СДЛ) могут содержать импульсы или более сглаженные кривые тока (кривая 2). К фазам и нулевому проводу может быть подключено разное количество ламп lA, lB,и lC. Абсциссы начала всех кривых тока в фазе А примем равными нулю. Тогда абсциссы начала кривых в фазе В будут равны t+tf/3, а в фазе С ‒ t-tf/3, где tf = 20 мс есть длительность цикла синусоиды напряжения частотой 50 Гц. Расчеты выполняются в два этапа. На первом этапе определяется действительная полная мощность Sд по Дрехслеру [5]. Для этого вначале путем суммирования кривых тока ламп находятся кривые iA∑(t), iB∑(t) и iC∑(t) токов фаз, а по ним – кривая тока в нулевом проводе: 𝑖𝑖0∑ (𝑡𝑡) = 𝑖𝑖A∑ (𝑡𝑡) + 𝑖𝑖B∑ (𝑡𝑡) + 𝑖𝑖C∑ (𝑡𝑡) . (1)

Далее вычисляются эффективные (действующие) значение токов фаз (индексы опущены): 1 tf 2 � 𝐼𝐼э = � 𝑖𝑖 (t)𝑑𝑑𝑑𝑑 . tf 0

(2)

В проектной практике система фазных синусоидальных напряжений считается симметричной: UA = UB = UC = U. В этом случае формула для действительной мощности имеет вид [5, п. 4.2.1]: 2 2 2 2 Sд = √3𝑈𝑈�𝐼𝐼𝐴𝐴∑ + 𝐼𝐼𝐵𝐵∑ + 𝐼𝐼𝐶𝐶∑ + 𝑚𝑚 ∙ 𝐼𝐼0∑ .

(3)

Здесь m есть отношение активных сопротивлений нулевого и фазных проводов. На втором этапе рассчитываются действующие значения I1 тока и фаза φ1 первой гармоники. Соответствующая кривая тока:

𝑖𝑖1 (𝑡𝑡) = √2 ∙ 𝐼𝐼1 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(100𝜋𝜋𝜋𝜋 + φ1 ). Затем методом симметричных составляющих вычисляются полные мощности, относящиеся к первой гармонике: в фазных проводах Sa – прямой последовательности и Sb обратной последовательности (пульсирующая мощность), а также S0 – нулевой последовательности (скрытая мощность). Активная и реактивная мощности: 𝑃𝑃 = 𝑆𝑆𝑎𝑎 cosφ1 , 𝑄𝑄 = 𝑃𝑃 tgφ1 122

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 1 ‒ Кривая токов: 1 – КЛЛ, 32 Вт, Uн = 230 В (Realux 32 W); 2 – СДЛ, 14 Вт, Uн = 230 В (Philips 14 W LED) являются составными частями полной мощности прямой последовательности. Квадраты всех мощностей суммируются: 𝑆𝑆12 = 𝑆𝑆𝑎𝑎2 + 𝑆𝑆𝑏𝑏2 + 𝑆𝑆02 (3𝑚𝑚 + 1) = 𝑃𝑃2 + 𝑄𝑄2 + 𝑆𝑆𝑏𝑏2 + 𝑆𝑆02 (3𝑚𝑚 + 1) .

(4)

Множитель перед 𝑆𝑆02 учитывает то, что ток нулевой последовательности протекает по трем фазам и одному нулевому проводу. Из (3) и (4) найдем искомую мощность искажений: 𝐷𝐷 = �𝑆𝑆д2 − 𝑆𝑆12 .

(5)

Баланс мощностей. Для краткости алгоритм решения проиллюстрируем на примерах подключения к фазе А одной КЛЛ или СДЛ (lA = 1, lB = lC = 0), приняв m=1 и напряжение U равным номинальному напряжению Uн лампы. Для возможности сопоставления параметров режима разных ламп введем системы относительных единиц (о.е., символ ⁎) с базовыми величинами: Pн для мощностей, 𝐼𝐼𝑃𝑃н =Pн/Uн для токов, 𝐼𝐼𝑃𝑃2н r для потерь активной мощности. В о.е. кривая тока: i⁎(t)=i(t)/ 𝐼𝐼𝑃𝑃н =Uн i(t)/Pн . 123

(6)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рассмотрим вначале КЛЛ с кривой тока 1 на рис.1 с Рн=32 Вт, Uн=230 В, 𝐼𝐼𝑃𝑃н =0,139 А. Эффективное значение Iэ=0,209 А. В фазе А и нулевом проводе протекает ток iA=i0=i. Согласно (3) в этом случае действительная мощность: Sд=UнIэ√1 + 𝑚𝑚 = 230·0,209·√1 + 1 = 67,872 ВА, Sд⁎=Sд/Pн= 2,121 о.е.

Первая гармоника тока имеет действующее значение I1= 0,125 A и фазу φемк = 1,529 рад. Она разлагается на три трехфазные системы прямой, обратной и нулевой последовательностей [8, § 154]. Поскольку ток протекает только в фазе А, то модули векторов всех последовательностей одинаковы: Ia1=Ib1=I01=I1/3= 0,0416 А. Здесь система четырехпроводная, для которой формула (4.18) из [5] дает полные мощности последовательностей: Sa=Sb=√3Uн(I1/3) = UнI1/√3 = 16,599 ВА, Sa⁎=Sb⁎= 0,519 о.е, S0= √3Uн(I1/3) √3𝑚𝑚 + 1= 33,198 ВА, S0⁎= 1,037 о.е.

С учетом (4) полная мощность первой гармоники: S1= UнI1√1 + 3𝑚𝑚 = 40,659 ВА, S1⁎= 1,271 о.е.

Мощность искажений:

D =�𝑆𝑆д2 − 𝑆𝑆12 = 54,347 ВА, D⁎= 1,698 о.е.

Результаты расчетов представлены в табл.1 и на рис.2. Реактивные мощности ламп отрицательны, поэтому их компенсация не требуется. Мощности обратных последовательностей довольно велики оттого, что рассмотрен пример с одной лампой. В практике количество ламп значительно больше, поэтому доля S0 невелика, так как обычно используют четырехпроводную сеть с равномерным или близким к нему распределением ламп между фазами. Доля мощностей искажений для КЛЛ составляет 80,07 %, а для СДЛ 80,43%. С экономической точки зрения [4, стр. 138] целесообразно компенсировать наибольшие гармоники. В этом случае потребуется расчет высших гармоник (обычно до n=15-17, а не до 40).

124

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 1 – Баланс мощностей , о.е. Лампа

P⁎

КЛЛ

СДЛ

Q⁎

Sa⁎

Sb⁎

S0⁎

S1⁎

D⁎

Sд⁎

-0,898 0,519

0,519

1,037

1,271

1,698

2,121

-0,689 0,398

0,398

0,797

0,976

1,321

1,642

2,5

Sд⁎

D⁎

1,5 1

S0⁎ S0⁎

P⁎P⁎ Sa⁎ Sa⁎

0,5

S1⁎

Sд⁎

D⁎

S1⁎

Sb⁎ Sb⁎

КЛЛ СДЛ

0 -0,5 -1

Q⁎ Q⁎

-1,5

Рисунок 2 ‒ Баланс мощностей для КЛЛ и СДЛ. Выводы

Для решения задач энергосбережения и улучшения качества напряжения необходимо исходить из баланса полных мощностей. С целью уменьшения погрешностей расчета и объема расчетов одну из составляющих ‒ полную мощность искажений целесообразно вычислять по предложенному методу без вычисления параметров высших гармоник.

Перечень ссылок

1. Кузнецов В.Г., Куренный Э.Г., Лютый А.П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. ‒ Донецк: Норд-Пресс, 2005. ‒ 250 с. 2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения. ‒ М.: Энергоатомиздат, 2000. ‒ 331 с. 3. Григорьев О., Петухов В., Соколов В., Красилов И. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ. // Новости электротехники, 2002, №6(18); 2003, №1(19). ‒ С. 54-56. 4. Шидловский А. К., Жаркин А. Ф. Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях. ‒ Киев: Наукова Думка, 2005. ‒ 210. 5. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке. ‒ М.: Энергоатомиздат, 1985. ‒ 112 с.

125

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

6. ГОСТ 32144 ‒ 2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения (EN 50160:2010, NEQ). ‒ Введ. с 01.06.2014. 7. Куренный Э. Г., Дмитриева Е. Н., Ленко В. Г. Расчет нагрузок низковольтных электрических сетей по мгновенным значениям токов электроприемников// Электричество, 2010, №3. ‒ с. 2-6. 8. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. ‒ М.: Высшая школа, 1964. ‒ 750 с.

126

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62.83.523:621.63

КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ

А.В. Светличный, М.Ю. Андрейченко ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Рассмотрена энергетическая диаграмма вентиляторной установки. В качестве критерия для оценки эффективности ее работы предложено использовать удельные затраты электрической энергии на кубический метр поданного воздуха. Ключевые слова: вентиляторная установка, энергоэффективность, частотное регулирование The energy diagram of the fan installation is considered. As a criterion for evaluating the efficiency of its operation, it is proposed to use the specific cost of electric energy per cubic meter of supplied air. Keywords: fan installation, energy efficiency, frequency control По режимам работы вентиляторные установки делятся на две группы – с постоянной и регулируемой производительностью. Структурная схема электропривода вентилятора с постоянной производительностью [1] представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Структурная схема вентиляторной установки с нерегулируемой производительностью

127

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

На рисунке приняты следующие обозначения; ТР – сетевой трансформатор, Л линия электропередачи между трансформатором и приводным электродвигателем, АД – асинхронный электродвигатель, ПУ – передаточное устройство, ВН – вентилятор, ВВ – входные, выходные устройства вентилятора. Вентиляторная установка получает питание от электрической сети, потребляя от нее мощность NЭ1. Сетевой трансформатор ТР согласует напряжение питающей сети с напряжением электродвигателя АД. В магнитопроводе и обмотках трансформатора происходят потери ΔNтр и в питающую линию поступает мощность NЭ2. 𝑁𝑁Э2 = 𝑁𝑁Э1 − ∆𝑁𝑁тр .

Мощность потерь в трансформаторе зависит от нагрузки и для каждого ее значения может быть определен коэффициент полезного действия трансформатора 𝑁𝑁Э2 𝑁𝑁Э2 𝜂𝜂ТР = = . 𝑁𝑁Э1 𝑁𝑁Э2 + ∆𝑁𝑁ТР Жилы кабеля, соединяющего трансформатор с асинхронным электродвигателем, обладают сопротивлением Rл и в нем происходят потери пропорциональные квадрату протекающего тока ∆𝑁𝑁л = 3𝐼𝐼л2 𝑅𝑅л .

Соответственно, к электродвигателю поступает мощность 𝑁𝑁Э3 = 𝑁𝑁Э2 − ∆𝑁𝑁л .

Аналогично с трансформатором для каждого значения тока нагрузки можно ввести понятие коэффициента полезного действия линии, определяемого как 𝑁𝑁Э3 𝑁𝑁Э3 = . 𝜂𝜂л = 𝑁𝑁Э2 𝑁𝑁Э3 + ∆𝑁𝑁л Электрическая мощность NЭ3, подведенная к электродвигателю, преобразуется в нем в механическую Nм1. Этот процесс сопровождается потерями в стали и обмотках электрической машины ΔNАД. Эффективность преобразования электрической энергии в механическую характеризуется коэффициентом полезного действия электродвигателя 𝑁𝑁М1 𝑁𝑁м1 𝜂𝜂АД = = . 𝑁𝑁Э3 𝑁𝑁М1 + ∆𝑁𝑁АД В случае непрямого кинематического сопряжения вала двигателя с рабочим колесом вентилятора, в передаточном устройстве могут возникать потери механической энергии ΔNПУ. Соответственно к рабочему колесу вентилятора подводится механическая мощность

128

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

𝑁𝑁м2 = 𝑁𝑁м1 − ∆𝑁𝑁ПУ .

Коэффициент полезного действия передаточного устройства определяется по формуле 𝑁𝑁М2 𝑁𝑁м2 𝜂𝜂ПУ = = . 𝑁𝑁М1 𝑁𝑁М2 + ∆𝑁𝑁ПУ Вентилятор преобразует механическую мощность, подведенную к его валу в гидравлическую, определяемую произведением объема подаваемого воздуха V на полное давление Р 𝑁𝑁г1 = 𝑃𝑃𝑃𝑃.

Процесс преобразования механической энергии в гидравлическую сопровождается потерями мощности ΔNВН, и величина выдаваемой вентилятором гидравлической мощности Nг1 находится из разности 𝑁𝑁Г1 = 𝑁𝑁м2 − ∆𝑁𝑁ВН . Коэффициент полезного действия вентилятора 𝑁𝑁Г1 𝑁𝑁Г1 = . 𝜂𝜂ВН = 𝑁𝑁М2 𝑁𝑁Г1 + ∆𝑁𝑁ВН Часть создаваемой вентилятором гидравлической мощности NГ1 теряется во входных и выходных конструктивных частях воздуховода [2]. В результате в воздушную сеть, на которую работает вентилятор поступает гидравлическая мощность NГ2 , меньшая на величину потерь ΔNВВ 𝑁𝑁Г2 = 𝑁𝑁Г1 − ∆𝑁𝑁ВВ . Коэффициент полезного действия входных и выходных воздуховодных устройств определяется по формуле 𝑁𝑁Г2 𝑁𝑁Г2 𝜂𝜂ВВ = = . 𝑁𝑁Г1 𝑁𝑁Г2 + ∆𝑁𝑁ВВ В итоге общий коэффициент полезного действия вентиляторной установки, определяемый отношением гидравлической мощности NГ2 к поступающей к трансформатору электрической мощности NЭ1 равен 𝜂𝜂ВУ = 𝜂𝜂ВВ ∗ 𝜂𝜂ВН ∗ 𝜂𝜂ПУ ∗ 𝜂𝜂АД ∗ 𝜂𝜂Л ∗ 𝜂𝜂ТР .

Структурная схема, представленная на рис. 1 показывает, что в состав вентиляторной установки входит большое количество различного оборудования и осуществляется преобразование энергии из электрической в механическую и далее в гидравлическую. Изменение коэффициента полезного действия каждого компонента установки приводит к изменению общего коэффициента полезного действия. Поскольку измерение КПД каждого элемента по отдельности яв-

129

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ляется достаточно трудоемкой задачей и в конечном счете нас интересует конечный результат, то целесообразно интегральный показатель, характеризующий эффективность работы установки и оценивать влияние изменения отдельных составляющих по нему. Для такого показателя надо использовать параметры, которые можно измерить для возможности его экспериментального определения. Поскольку входным параметром для вентиляторной установки является количество электрической энергии, а выходом – количество поданного в воздушную сеть газа, то в качестве интегрального показателя эффективности работы вентиляторной установки можно принять удельный расход электроэнергии на кубический метод, поступившего в вентиляционную систему воздуха. Для этого предлагается ввести показатель удельных затрат электроэнергии на кубический метр нагнетаемого воздуха qv, (кВт*час/м3), равный отношению потребленной вентиляторной установки электроэнергии W, (кВт*час) к объему подачи V(м3) за время работы. 𝑊𝑊 𝑞𝑞в = . 𝑉𝑉 Рассмотрим применение этого показателя для оценки изменения состояния воздушного тракта. В начальный момент времени вентиляторная установка на базе ВДН 18 работала в точке А1 (рис.2). После изменений в воздушной сети ее сопротивление увеличилось и вентиляторная установка работает в точке B1. Параметры, определяемые по аэродинамическим характеристикам для этих точек представлены в таблице 1. Таблица 1 – Параметры работы вентилятора при изменении сопротивления сети Подача, м3/час Подача, м3/с Давление, Па Коэффициент сети Механическая мощность, кВт

150000 41,67 3940 2,27 185

125000 34,72 4320 3,58 178

Принимая значения коэффициентов полезного действия электрического оборудования ηдв =0,94, ηл =0,99, ηтр =0,95, определим подводимую к трансформатору электрическую мощность Nэ1, Nэ2 ,кВт. При работе в точке А1 𝑁𝑁м1 185 𝑁𝑁Э1 = = = 209,2. 𝜂𝜂дв 𝜂𝜂л 𝜂𝜂тр 0,94 ∗ 0,99 ∗ 0,95 При работе в точке B1 𝑁𝑁м2 178 𝑁𝑁Э2 = = = 201,3. 𝜂𝜂дв 𝜂𝜂л 𝜂𝜂тр 0,94 ∗ 0,99 ∗ 0,95 130

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Удельные затраты электроэнергии qв1 и qв2, Вт/м3 для первого и второго случая составят 𝑊𝑊1 𝑁𝑁1 ∗ 1000 ∗ 209.2 ∗ 1000 ∗ 𝑞𝑞в1 = = = = 1.39. 𝑉𝑉1 𝑄𝑄1 150000

Рисунок 2 – Характеристики воздушной сети при изменении сопротивления 𝑊𝑊2 𝑁𝑁2 ∗ 1000 ∗ 201.3 ∗ 1000 ∗ = = = 1.61. 𝑞𝑞в2 = 𝑉𝑉2 𝑄𝑄2 125000 Относительное ухудшение показателя δqв, % удельных энергозатрат составляет 𝑞𝑞в2 − 𝑞𝑞в1 1,61 − 1,39 𝛿𝛿𝑞𝑞в = ∗ 100 = ∗ 100 = 11,6. 𝑞𝑞в1 1,39 Зная показатель удельных затрат электроэнергии для вентиляторной установки можно рассчитывать количество затрачиваемой электроэнергии за заданный период работы. Например, вентиляторная установка на базе ВДН-18 работает 12 часов в сутки с производительностью Q, равной 1,5*105 м3/час. Показатель удельных затрат электроэнергии qв составляет 1,39 Вт*час/м3. Затраты электроэнергии W, кВт*час за 5 рабочих дней составят 1.39 𝑊𝑊 = 5 ∗ 12 ∗ 1.5 ∗ 105 ∗ = 1.25 ∗ 104 . 1000 Перечень ссылок

1. Васильев, Б. Ю. Электропривод. Энергетика электропривода : учебник / Б. Ю. Васильев. — Москва : СОЛОН-ПРЕСС, 2016. — 270 c. 2. Энергоснабжение и надежность вентиляторных установок / Г. Г. Вахвахов. - М. : Стройиздат, 1989. - 173 с.

131

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 681.521

ПРИМЕНЕНИЕ ПИ-РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ

А.С. Близнюк ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» Приведена математическая модель резервуара с жидкостью в программном пакете Matlab/Simulink. Рассмотрено поддержание желаемого уровня жидкости с применением ПИ-регулятора. Приведены соответствующие графики. Ключевые слова: математическая модель, ПИ-регулятор, автоматическое регулирование, объект управления The mathematical model of the tank with liquid in the software package Matlab/Simulink is presented. The maintenance of the desired liquid level with the use of PI regulator is considered. The corresponding graphs are given. Keywords: mathematical model, PI-controller, automatic regulation, control object Необходимость в исследовании работоспособности проектируемого объекта управления всегда является первостепенной задачей проектировщика, поскольку она позволяет изучить объект исследования в различных режимах и позволяет выявить на ранних этапах возникающие проблемы, связанные с системой автоматического регулирования. При разработке системы управления объектом существует необходимость в создании математического описания рассматриваемого процесса [1]. Зачастую это математическое описание является сложным и нелинейным, что затрудняет использование стандартных методик синтеза регуляторов. Например, гидродинамичческие процессы в резервуаре с водой в самом общем случае описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Однако на их основании можно получить упрощенную математическую модель и использовать ее для синтеза система автоматического регулирования уровня жидкости. Получение такой модели позволяет проводить отладку алгоритмов управления с целью достижения желаемых показателей качества регулирования, что обусловлено необходимостью использовать эмпирический метод определения коэффициентов регулятора.

132

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Целью работы является получение упрощенной математической модели резервуара с жидкостью и разработка системы автоматического регулирования ее уровня за счет изменения объема поступающего в него жидкости за единицу времени. На рис. 1 приведен объект управления: резервуар с жидкостью 1, с входным 3 и выходным 6 трубопроводом, входной 3 и выходной 4 дроссельными заслонками, а также с ультразвуковым датчиком уровня жидкости 5.

Рисунок 1 – Объект управления: 1 – резервуар с жидкостью; 2 – трубопровод притока; 3 – заслонка на входе; 4 – заслонка на выходе резервуара; 5 – ультразвуковой датчик уровня; 6 – выходной трубопровод Для математического описания данного объекта управления воспользуемся уравнением Бернулли для реальной (вязкой) жидкости в форме напоров [2] для сечений 1–1 — 2–2 и 3–3 — 4–4. Для начала рассмотрим сечение 3–3 — 4–4, непосредственно сам резервуар, пользуясь уравнением Бернулли:

a3 ⋅ v3ср 2 a4 ⋅ v4 ср 2 P3 P4 Z 3−3 + + = Z 4− 4 + + + ∑ h3−4 . 2⋅ g 2⋅ g ρ⋅ g ρ⋅ g

(1)

Здесь Z3-3 – геометрическая высота, относительно конечного сечения, равна уровню высоты жидкости, м; Z4-4 – высота, относительно конечного сечения, принимается равной 0; Р3, Р4 – гидростатическое давление в рассматриваемых сечениях, Па; 133

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ходя

ρ – плотность воды, рассматривается при 200 С, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; υ3ср – средняя скорость жидкости на входе сечения 3–3, м/с; υ4ср – средняя скорость на выходе сечения, рассчитывается ис-

из уравнения; ∑h3-4 – суммарная потеря полного напора на участке между рассматриваемыми сечениями, характеризуется местными потерями и потерями напора на трение по длине; a3, a4 – безразмерный коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей. Преобразуя формулу (1) согласно [3], получаем выражение для скорости в выходном сечении V4ср:

v4 ср

 P3 − P4  H + ρ⋅ g ⋅2⋅ g   =   S 2  a4 ⋅ 1 −  vix   + ζ м 3   S   bak  

(2)

где ζм3 – местное сопротивление, то есть внезапное сужение в сечении 4 – 4. Зная скорость в рассматриваемом сечении, можно определить расход на выходе из резервуара. Расход – объем жидкости, истекающий через живое сечение выходного отверстия в единицу времени: Q= V4 ср ⋅ Svix vix

(3)

где Svix – живое сечение трубы выходного трубопровода (принимается равным внутреннему диаметру трубы), м2. Если объем это расход, тогда за время dt вытечет объем: dV = Qvix dt

(4)

Чтобы определить, на какую высоту будет изменяться уровень жидкости в баке за такт квантования dH, необходимо воспользоваться математической формулой объема цилиндра, поскольку в работе рассматривается цилиндрический бак: Vцил= H ⋅ Sцил ,

(5)

H – высота цилиндра, в нашем случае резервуара Hрез, м; Sцил – площадь поперечного сечения цилиндра (резервуара) 2 Sрез, м . где

134

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Отсюда высота цилиндра (резервуара) Hрез равна отношению его объема к площади поперечного сечения Sрез, подставляя вместо объема формулу расхода (3), получаем: H= рез

Qvix V4ср ⋅ Svix . = S рез S рез

(6)

Пользуясь формулой (4), перепишем формулу (6), добавив время dt, заменив Hрез на dH и добавив в правую часть знак -: V4 ср ⋅ Svix V ⋅S V ⋅S dH H рез = ⇒ dH = − 4 ср vix dt ⇒ = − 4 ср vix . S рез S рез dt S рез

(7)

Интегрируя формулу (7) получим изменение уровня жидкости в резервуаре, а именно – уменьшение уровня. Пользуясь формулой (7), можно определить расход в сечении 1–1 — 2–2, то есть расход на входе в резервуар Qvx, заменив V4ср на V2ср, Svix на Svx и заменив знак - на +: dH V2ср ⋅ Svx = dt S рез

где м/c.

(8)

Svx – сечение трубы входного трубопровода, м2; V2ср – входная скорость магистрали (задается по усмотрению),

Интегрируя формулу (8), получим изменение уровня жидкости в резервуаре, а именно – прибавку уровня. Суммируя входной Qvx и выходной Qvix расходы, получим полноценную модель, имитирующую процессы наполнения и отбора жидкости в резервуаре, регулировать интенсивность которых можно с помощью дроссельных заслонок на входе и выходе. Оценим возможности пропорционального закона регулирования уровня жидкости, построив ступенчатые графики наполнения резервуара при постоянном возмущающем воздействии. Моделирование проводилось при входной скорости Vvx = 3 м/с и степени открытия выходной заслонки, равной 0.5. На рис. 2 приведен ступенчатый график изменения уровня жидкости с П-регулятором и постоянным открытием заслонки на выходе резервуара, а на рис.3 – уровни открытия заслонок. Анализ графиков показывает наличие статической ошибки регулирования, вызванной наличием возмущающего воздействия. Из этого можно сделать вывод, что П-регулятор не в состоянии обеспечить качественное регулирование заданной координаты.

135

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1 0.9 0.8 0.7

H,м

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

200

400

600 t,c

800

1000

1200

0.5

Открытие заслонки на выходе

Открытие заслонки на входе

Рисунок 2 – График изменения уровня жидкости в резервуаре с Прегулятором, ступенчатой подачей задания и постоянным возмущающим воздействием

200

400

600 t,c

800

1000

1200

200

400

600 t,c

800

1000

1200

2 1 0 -1

Рисунок 3 – Графики открытия заслонок на входе и выходе с Прегулятором Для устранения статической ошибки необходимо дополнить регулятор интегральным каналом, получив таким образом ПИ-регулятор [5], обеспечивающий поддержание входной заслонки в открытом состоянии до того момента, пока уровень жидкости не достигнет заданного значения.

136

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

На рис. 4 и 5 изображены графики, демонстрирующие изменение уровня жидкости при постоянном значении возмущающего воздействия в системе с ПИ-регулятором. Графики показывают отсутствие статической ошибки, что свидетельствует о целесообразности применения ПИ-регулятора для точного регулирования уровня жидкости. 1 0.9 0.8 0.7

H,м

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

200

400

600 t,c

800

1000

1200

0.5

Открытие заслонки на выходе

Открытие заслонки на входе

Рисунок 4 – График изменения уровня жидкости в резервуаре с ПИрегулятором, ступенчатой подачей задания и постоянным возмущающим воздействием

200

400

600 t,c

800

1000

1200

200

400

600 t,c

800

1000

1200

2 1 0 -1

Рисунок 5 – Графики открытия заслонок на входе и выходе

137

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

В статье был рассмотрен объект управления, рассмотрено его краткое математическое описание и приведены графики наполнения и опустошения резервуара при разных коэффициентах открытия заслонок. Также была рассмотрена система регулирования уровня жидкости с П- и ПИ-регуляторами, а также были построены соответствующие графики, проанализировав которые можно сделать вывод, что в зависимости от требований к системе автоматического регулирования может применяться пропорциональный или пропорциональный закон регулирования.

Перечень ссылок

1. Штерензон В. А. Моделирование технологических процессов: конспект лекций — Екатеринбург: Изд-во Российского государственного профессионально-педагогического университета, 2010. — 66 с. 2. Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика: ч. 1. — М.: Физматгиз, 1963. — 584 c. 3. Лекция 6 Кинематика и динамика реальной жидкости [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://studizba.com/lectures/5-gidravlika-i-pnevmatika/197lekcii-2012/2409-lekciya-6.html, свободный. 4. Применение регуляторов для улучшения качества работы систем автоматического управления [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://studfile.net/preview/1462541/page:2/, свободный. 5. Воронов А.А. Теория автоматического управления. — М.: Энергия, 1986. — 367 с.

138

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.865

РАЗРАБОТКА МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ЧЕТЫРЕХКОЛЕСНЫМ РУЛЕВЫМ МЕХАНИЗМОМ И ПОЛНЫМ ПРИВОДОМ

А.Н.Верзун, Н.А. Савинов, В.В.Коробкин, Э.П. Ступаков, Д.В.Бажутин, Д.Н.Мирошник, А.В.Захаров, А.В.Веревкин ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье описывается разработка мобильного робота с четырехколесным рулевым управлением и полным приводом. Описаны достоинства подобного механизма, для которого разработана и напечатана 3Д модель гибкого вала, синтезирована система управления четырьмя приводными двигателями и углами поворота колес, предложена функциональная схема управления движением. Ключевые слова: мобильный робот, четырехколесное управление, гибкий вал The article describes the development of a mobile robot with fourwheel steering and four-wheel drive. The advantages of such mechanism are described, for which a 3D model of a flexible shaft has been developed and printed, a control system for four drive motors and wheel steering angles has been synthesized, and a functional diagram of motion control has been developed Keywords: mobile robot, four-wheel steering, flexible shaft В последнее время проектировщики стали уделять больше внимания не только безопасности и комфорту в автомобиле, но и оптимизации характеристик рулевого управления. Недостатком поворотов механизма со стандартным рулевым механизмом (рис.1,а) является занос на больших скоростях и большой радиус разворота на низких скоростях [1]. Система рулевого управления является одной из основных систем управления автомобилем и предназначена для синхронизации рулевого колеса и угла поворота. Основной задачей рулевого управления является обеспечение поворота и поддержание заданного направления движения. Противофазное четырехколесное рулевое управление (4WS) улучшает маневренность в виде уменьшения радиуса разворота на небольших скоростях (рис.1,б). При более высокой скорости задние ко-

139

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

леса могут синхронно поворачивать в том же направлении, что и передние (рис.1,в). В этом случае колеса двигаются с одинаковой скоростью и занос исключается. В обоих случаях целью является исключение проскальзывания при одновременном повышении маневренности [2-5]. В случае использования полного привода повышается проходимость участков с низкими коэффициентами сцепления дороги с колесами. Сложность такого управления заключается в том, что скорости колес при поворотах отличаются, из-за чего требуется наличие системы управления скоростями и углами поворота колес. Четырехколесное рулевое управление применяется в легковых автомобилях Lamborghini, Mercedes, Audi, Honda, и других грузовиках, автобусах, где маневренность очень важна [3].

а)

б)

в)

Рисунок 1 – Варианты работы механизма а) обычное рулевое управление б) противофазное рулевое управление, в) синфазное рулевое управление Цель работы: разработка мобильного робота с четырехколесным рулевым управлением и полным приводом. На рис.2 показан внешний вид разработанного прототипа. Он приводится в движение от четырех двигателей постоянного тока, передающих крутящий момент колесам посредством системы гибкого вала. Этот узел был спроектирован в САПР Компас-3D и изготовлен по технологии 3D-печати [6]. Сборочная модель гибкого вала показана на рис. 3. Управление углами поворота колес осуществляется посредством рычажных механизмов, приводимых в движение сервоприводами. Управление движение осуществляет микроконтроллер серии STM32F4.

140

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Внешний вид прототипа

Рисунок 3 – Конструкция гибкого вала с креплением под колеса и двигатель Основной сложностью реализации точного и надежного управления движением устройства является отсутствие возможности прямого воздействия на переменные, характеризующие это движение: продольную и поперечную скорости, а также скорость поворота вокруг собственной оси. Решением этой проблемы является вывод уравнений прямой и обратной задач кинематики, позволяющий определить взаимосвязь данных величин с углами поворота колес и скоростью их вращения. Для вывода уравнений прямой и обратной задач кинематики составим кинематическую схему, приведенную на рис. 4. Результирующие выражения приведены в [7]. Таким образом алгоритм управления движением должен включать в себя модули решения обратной задачи кинематики и регулирования механических координат, т.е. система управления будет двухуровневой. Дополнительно можно предусмотреть модуль одометрии, который на основании решения прямой задачи кинематики будет определять текущее положение устройства. На рисунке 5 приведена структурная схема разработанной системы управления движением, показывающая взаимосвязь между отдельными ее модулями. 141

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 4 – Упрощенная двухколесная система: 𝜔𝜔𝑓𝑓 – скорость переднего колеса, 𝜔𝜔𝑟𝑟 - скорость заднего колеса, 𝜑𝜑𝑓𝑓 – передний угол поворота, 𝜑𝜑𝑟𝑟 – задний угол поворота, 𝑣𝑣𝑥𝑥 - линейная скорость по Х, 𝑣𝑣𝑦𝑦 – линейная скорость по Y,𝜔𝜔–угловая скорость Lf, Lr, R

Управляющее воздействие

ω, Vx,Vy

ωf*, ωr* Обратная кинематика

Контур регулирования скорости

ωf ωr

φf*, φr* Контур регулирования положения (Servo)

φf, φr

Прямая кинеманика

Vx Vy ω

VX VY

2 2 И

X И Y И

Вектор расположения

Нижний уровень

Рисунок 5 –Функциональная схема управления движением прототипа На блок обратной кинематики поступает управляющее воздействие линейной и угловой скорости, производится расчет заданных значений углов поворота (φf*, φr*) и угловых скоростей передних и задних колес (ωf*, ωr*). Для регулирования данных координат используются одноконтурные системы автоматического регулирования, что связано с маленькой мощностью установленных двигателей и большой сложностью реализации измерений токов. Синтез регуляторов скорости проводился эмпирически на основании экспериментальных данных. Было установлено, что пропорционально-интегральные регуляторы обеспечивают приемлемое быстродействие и точность работы системы. Из этого можно сделать вывод, что предложенная структура системы управления движения в состоянии обеспечить качественную отработку заданной траектории движения. Предложенный подход может быть использован в аналогичных устройствах большей мощности, независимо от типа использованных электродвигателей.

142

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Выводы

В работе предложен прототип с четырехколесным рулевым управлением и полным приводом с использованием конструкции гибкого вала. Для предложенного прототипа обоснована функциональная схема системы управления, разработана система регулирования частоты вращения колес. 250

Двигатель Двигатель Двигатель Двигатель

1 2 3 4

200

Скорость, об/мин

150

100

0.5

1.5

2 Время, сек

2.5

3.5

Рисунок 6 – Отклики системы регулирования частоты вращения колес Перечень ссылок

1. Study of 4 Wheel Steering Systems to Reduce Turning Radius and Increase Stability [Электронныйресурс]. – Режимдоступа: https://www.researchgate.net/publication/281450446_Study_of_4_Wheel_Steering_Sys tems_to_Reduce_Turning_Radius_and_Increase_Stability 2.Технология 4WS (+HICAS) [Электронныйресурс]. – Режим доступа: https://carguts.ru/articles/4ws/ 3. Задняя подруливающая подвеска, разновидности и принцип работы [Электронныйресурс]. – Режим доступа: https://tj-service.ru/rekomendatsii/zadnyaya-podrulivayushhaya-podveska-raznovidnosti-i-printsip-raboty 4. Optimal Vehicle Control of Four-Wheel Steering [Электронныйресурс]. – Режимдоступа:https://clck.ru/VVNEi 5. Тумасов А.В., Вашурин А.С., Торопов Е.И. [и др.] Оценка устойчивости автомобилей, оснащенных электронными системами помощи водителю, по результатам виртуально-физических испытаний // Актуальные вопросы машиноведения. 2018. №7. С. 27–31. ISSN 2306-3084. 6. Гибкий вал [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://clck.ru/UqoEx/ 7. Mobile Robotics Simulation Toolbox [Электронный ресурс]/ Mathworks. — Режим доступа: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/66586mobile-robotics-simulation-toolbox , свободный. — Загл. с экрана.

143

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 378:004.94

СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ АНАЛОГОВОЙ И ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ В СФЕРЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ «МЕХАТРОНИКА» Д.Н. Мирошник, Е.А.Остроух, А.В.Захаров, А.А. Лубенский ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье предложены темы для изучения дисциплины «Электроника и микросхемотехника» в области профессиональной деятельности «Мехатроника». Также даны рекомендации относительно использования программного обеспечения и аппаратной базы лабораторного стенда. Ключевые слова: проектирование печатных плат, моделирование, микроконтроллер, мехатроника The article offers topics for studying the discipline "Electronics and microcircuitry" in the field of professional activity "Mechatronics". Also, recommendations were given regarding the use of software and hardware base of the laboratory stand. Keywords: circuit boards design, modelling, microcontroller, mechatronics Предмет «Электроника и микросхемотехника» быстро устаревает с появлением новых полупроводников, микросхем, датчиков, микроконтроллеров [1]. Все это неразрывно связано со специальностями относящимися к таким областям как автоматизация, автоматизированный электропривод, мехатроника, робототехника. В данных областях используется множество аналоговых и цифровых датчиков, микроконтроллеры, выполняющие роль цифровой системы управления, различные задающие устройства. В дисциплине важным в обучении является не только теоретическое рассмотрение физики простейших аналоговых и цифровых устройств, но и закрепление их свойств с помощью программ имитационного моделирования. В современном подходе к обучению электронике также должны быть рассмотрены основы работы с современным цифровым электронным осциллографом, паяльной станцией, макетными платами, экспериментами с современными сложными интегральными микросхемами, основы программирования микроконтроллеров, основные принципы создания и производства печатных плат. Для формирования вышеперечисленных навыков необходимо:

144

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1) выполнять лабораторные работы на стендах и на персональном компьютере, желательно по одинаковой или близкой тематике; 2) очертить круг практических тем, которые крайне важны для современной специальности, остальные вынести на лекции; 3) в случае возможности выполнения курсовой работы, вести обучение проектированию простейших печатных плат, включая такие этапы как, расчет, подбор современного электронного оборудования (включая сложные интегральные микросхемы), моделирование, создание печатной платы. Цель работы: обосновать использование программного обеспечения и электронного аппаратного оборудования для задач изучения и проектирования электронных устройств разной степени сложности. На первом этапе необходимо понимать, что оптимизация по темам лабораторных работ крайне важна. Учить нужно не просто то, что используется, в некоторых случаях нужно выбирать, что более целесообразно изучать с точки зрения времени, которое отводится на лабораторные работы. На втором этапе важно понимать, что обучить всему невозможно, но важно показать направление изучения, понизить «порог входа» в дисциплину и мотивировать конкретными примерами из профессиональной деятельности. По каждой из тем предполагается работа на ПК и на реальном стенде (рис.1). Здесь студенты в первый раз знакомятся с современными осциллографами, паяльными станциями, макетными платами, микроконтроллерной платформой «Arduino» и т.п. При этом мотивацией к обучению является использование практических занятий, что заставляет обучающихся подготавливаться к работам. В противном случае практический материал усвоен не будет. Одной из важнейших тем изучения дисциплины является «Транзисторы, диоды и микроконтроллер». Здесь обязательно должна быть получена выходная характеристика транзистора для схемы ОЭ с закреплением понятия ключевого режим работы. Также необходимо показать, как транзисторы подключают выходные порты микроконтроллера, что такое схема «открытый коллектор» и как ее можно использовать. Отдельное внимание заслуживает тематика выхода из строя микроконтроллеров, паразитного питания, согласования уровней 5В и 3.3В, защитных диодов. При использовании платы Arduino и программной среды Arduino IDE можно сформировать высокочастотный сигнал и при помощи специализированной микросхемы преобразовать уровень 5В к значению 3.3В.

145

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 1 – Фото оборудования стенда Одной из важнейших тем изучения дисциплины является «Транзисторы, диоды и микроконтроллер». Здесь обязательно должна быть отснята выходная характеристика транзистора для схемы ОЭ с закреплением понятия ключевой режим работы. Также необходимо показать, как транзисторы подключают выходные порты микроконтроллера, что такое схема «открытый коллектор» и как ее можно использовать. Отдельное внимание заслуживает тематика выхода из строя микроконтроллеров, паразитного питания, согласования уровней 5В и 3.3В, защитных диодов. При использовании платы Arduino и программной среды Arduino IDE можно сформировать высокочастотный сигнал и при помощи специализированной микросхемы преобразовать уровень 5В к значению 3.3В. Аналогичным образом изучается тема «Выпрямители». В теме «Простейшие источники питания, фильтры и линейные стабилизаторы» можно разобраться с особенностями фильтрации маломощной и мощной нагрузки, тонкостями работы с линейными стабилизаторами, опасностями питания микроконтроллеров. Однако не все программные среды поддерживают линейные стабилизаторы и это проблема в обучении. Обучение можно замещать обычным стабилитроном или схемой параметрического стабилизатора в источниках питания, но данные темы не всегда оправданы для использования в профессиональной деятельности. Отдельное место занимает тема «Возможности операционного усилителя». Это одна из важнейших тем, поскольку использование усилителя в дифференциальном включении обеспечивает масштабирование сигнала датчика и входа АЦП микроконтроллера. С точки зрения практических задач можно использовать схему компаратора 146

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для профессиональных задач в области «Мехатроники» важное место занимает тема «Реализация заданной логической функции». Конечно, важно попробовать смоделировать заданную функцию (рис.2,а), но еще более интересным выглядит вопрос использования микроконтроллера (рис.2,б) для реализации заданной логической функции.

а) б) Рисунок 2 – Изучение логических функций: а) Схема в «Electronics Workbench»; б) Подтверждение заданной функции при помощи платы Arduino В разделе цифровой электроники изучается множество типовых цифровых устройств, которые можно моделировать и следом составить программу реализации типового счетчика, триггера или шифратора в среде Arduino IDE. Возможности АЦП и ЦАП также являются очень важными для рассматриваемых областей. Изучение вопросов быстродействия или взаимосвязи разрядности АЦП и его погрешности очень важны с точки зрения будущей профессиональной деятельности. Данный вопрос может быть решен также за счет наглядности программной среды Arduino IDE, которая устраняет преграды в освоении данной темы. Для изучения простейших задач моделирования типовых электронных устройств следует обратить внимание на программу «Electronics Workbench» [2-3]. Во-первых, она очень простая, и на ее освоение не нужно тратить много времени. Во-вторых, программа самая дешевая. В-третьих, ее поддерживают все версии Windows и она совершенно не требовательна к ресурсам. Однако использование простой программной среды еще не дает глубину в понимании электронных устройств. Гораздо большую глубину понимания процессов в электронных схемах дает среда Proteus [4-5] за счет использования математических моделей реальных полупроводниковых элементов. Из недостатков данной среды можно выделить стоимость программного обеспечения

147

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

и нехватку корпусов современных интегральных микросхем, что затрудняет производство печатных плат. Последний недостаток с легкостью может быть скомпенсирован при помощи облачной среды EasyEDA [6]. Она бесплатная и очень функциональная (рис.4,5).

а) б) Рисунок 4 – Макет печатной платы источника питания в EasyEDA и его 3D вид Выводы

В работе обозначены семь тем для изучения дисциплины «Электроника и микросхемотехника» в области профессиональной деятельности «Мехатроника». Также были даны рекомендации относительно использования программного обеспечения и аппаратной части лабораторного стенда.

Перечень ссылок

1. Impact of Flipped Learning Approach on Students Motivation for Learning Digital Electronics Course / R. Dutta, A. Mantri, G. Singh [et al.] // Integration of Education. – 2020. – Vol. 24. – No 3(100). – P. 453-464. – DOI 10.15507/19919468.100.024.202003.453-464. 2. Шегетаева, А. К. Electronics Workbench бағдарламалық ортада сандық сұлбаларды модельдеу / А. К. Шегетаева // Автоматика. Информатика. – 2020. – No 1. – P. 51-56. 3. Лавриненко, М. М. Применение программы моделирования электрических и электронных устройств Electronics Workbench : Учебно-методическое пособие / М. М. Лавриненко. – Москва : Общество с ограниченной ответственностью "Проспект", 2020. – 64 с. – ISBN 9785392309641. – DOI 10.31085/9785392309641-2020-64. 4. Колесникова, Т. Работа с микроконтроллерами STM32 семейства CortexM3 в программной среде Proteus 8.11 / Т. Колесникова // Компоненты и технологии. – 2021. – № 2(235). – С. 84-94. 5. Разработка энергосберегающей схемы блока питания на основе элемента пельтье для предпускового подогревателя / Г. И. Гаптуллазянова, И. А. Барков, В. М. Литвин [и др.] // Вестник Технологического университета. – 2019. – Т. 22. – № 6. – С. 102-107. 6. Сергеева, М. Д. Анализ систем автоматизированного проектирования печатных плат / М. Д. Сергеева, С. В. Кузьмина, Г. М. Борисов // Технологии инженерных и информационных систем. – 2021. – № 1. – С. 59-71.

148

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.3+378:004.94+ 62-5

СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА Д.Н. Мирошник, Е.А.Остроух, Н.А. Савинов, Г.А. Сокуренко ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»

В статье предложены подходы в обучении интегрирующие моделирование и эксперименты замкнутых систем регулирования механических координат электропривода постоянного тока. Ключевые слова: моделирование, микроконтроллер, электропривод, система управления The article proposes approaches in teaching that integrate modeling and experiments of closed-loop control systems for the mechanical coordinates of a direct current electric drive. Keywords: modelling, microcontroller, electric drive, control system Стандартный подход к изучению замкнутых систем регулирования электропривода постоянного тока предполагает использование относительных единиц, чем обеспечивается упрощение понимания процессов [1]. Однако при этом теряется понимание физики процессов, происходящих в замкнутых системах регулирования. Также размывается грань между регулирующей частью объекта управления и ним самим, а датчик с единичным коэффициентом передачи зачастую рассматривается с безынерционной обратной связью, что не всегда соответствует действительности. Анализ современных тенденций в образовательных программах направления «Электропривод и автоматика», можно сделать вывод о необходимости разработки универсального лабораторного стенда, который был бы универсальным средством для исследования систем электропривода постоянного тока. Такой стенд должен удовлетворять требованиям: 1. Низкие требования к владению языками программирования. 2. Легкий переход от одной изучаемой системы к другой. 3. Простота расширения функциональных возможностей и замены вышедших из строя компонентов. Этим требованиям полностью удовлетворяет ранее разработанный лабораторный стенд, описание конструкции которого приведено в [2].

149

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

В основу данного стенда положена отладочная плата STM32F4 Discobery, которая счет модельно-ориентированного метода программирования при помощи программной среды MATLAB и его приложения Waijung [3-4], обеспечивает достаточно простой переход между исследуемыми моделями. Кроме того, большим преимуществом модельно-ориентированного программирования является автоматическое генерирование программного кода из структурной схемы. Студенты, имеющие навыки разработки подобных схем в программной среде Simulink, получают возможность проводить проверку работоспособности алгоритмов управления без необходимости изучения дополнительных языков программирования. Рассмотрим пример использования данного лабораторного стенда для исследования систем автоматического регулирования положения. Конструкция стенда предусматривает возможность измерения скорости вращения вала двигатели и угла его поворота с помощью диска энкодера и двух оптронов. Обработка сигналов энкодеров по квадратурному принципу заложена в библиотеку Waijung, следовательно, предварительная реализация подобного алгоритма от студентов не требуется. Первым этапом разработки замкнутой системы автоматического регулирования является получение информации о двигателе в разомкнутой системе. Для этого одним из известных методов анализируется переходная функция скорости двигателя. На основании полученных данных разрабатывается конечная модель системы регулирования, которая используется для автоматического генерирования программного кода. Пример такой модели показан на рис.1. [angle_zad]

Module: UART5_Rx READY Packet: Binary Transfer: Non-Blocking single Ts (sec): 0

phiz

delta

gamma

pwm*

pwm

CH1:A8/B13

Dir

boolean

NOT

UART Rx ANGLE CONTROLLER

Timer: 8 Input pins [CH_A, CH_B]: [C6,C7] RST Counter: No Ts (sec): 0 Position (count)

Encoder Read

Port: D Speed (MHz): 100 Type (PP/OD): Push Pull PD14 Ts (sec): 0 PD12

Digital Output

ZP Direction

Timer: TIM1 Deadtime (sec): 1e-006 Period (sec): 1e-4 Ts (sec): 0

Advanved PWM

double

NOT

direction encoder

2*pi/32

z-1

2400/32

single

filtr 100ms Module: UART5_Setup Baud (Bps): 115200 DMA Buffer: 2048/2048 Tx/Rx Pin: C12/D2 UART Setup

single single

[angle_zad] single

single

Counter Izmerenie n

K Ts

single

Module: UART5_Tx Packet: Binary Transfer: Non-Blocking Ts (sec): 0

single UART Tx

Waijung: 15.04a Compiler: GNU ARM MCU: STM32F407VG Auto Compile Download: ON Full Chip Erase: ON Auto run app: ON Execution Profiler: None Base Ts (sec): 0.025 Target Setup

Рисунок 1 – Модель программы управления, реализующей одноконтурное управление углом поворота, с задатчиком положения 150

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для большей наглядности в данной модели задатчик и регулятор положения приведены в виде подсистем. Конечным этапом проведения лабораторной работы является сравнение результатов, полученных на идеализированной математической модели в среде Simulink, с экспериментальными данными. Сравнение результатов работы стенда и математической модели представлено на рисунке 2.

а) n,об/мин 700 600 500

n*,об/мин

400 300 200

эксперимент

100 0

моделирование 2

12 t,c

б) Рисунок 2 – Результаты работы стенда и модели а) угловые перемещения; б) частоты вращения двигателя

151

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Из рисунка 2 видно, что угловые скорости практически совпадают, а угол поворота реального электропривода имеет ошибку, что связано с присутствием нагрузки и невозможностью компенсации статизма системы. Следует отметить, что из-за особенностей лабораторного стенда в замкнутой системе регулирования скорости, следует обязательно фильтровать сигнал обратной связи и ослаблять коэффициент передачи регулятора скорости. Подобные исследования приводят к пониманию процессов в замкнутых системах регулирования, с учетом не только математики, но и физики. Также интерес вызывают инерционности вычисления скорости, фильтрации скорости, дискретности системы регулирования. Все эти особенности могут быть учтены в модели и дадут понимание процессов. Выводы

В работе обозначен подход интеграции моделирования и модельноориентированного программирования замкнутых систем регулирования механических координат электропривода постоянного тока. Концепция разработанного стенда позволяет добавлять контуры (тока), изменять структуру СУ, масштабировать на промышленные привода, изменять коэффициенты передачи обратной связи и получать навыки настройки замкнутых систем опытным путем

Перечень ссылок

1. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2015. - 373 с. 2. Мирошник, Д. Н. Разработка лабораторного стенда с использованием инкрементального датчика положения / Д. Н. Мирошник, Е. Ю. Золотов // Инновационные перспективы Донбасса : Материалы 2-й Международной научнопрактической конференции, Донецк, 25–26 мая 2016 года. – Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2016. – С. 140-144. 3. Polyuschenkov, I. Methodology of model-oriented programming technique in development of electric drive / I. Polyuschenkov // 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019, Sochi, 25–29 марта 2019 года. – Sochi, 2019. – P. 8742917. – DOI 10.1109/ICIEAM.2019.8742917. 4. Мирошник, Д. Н. Разработка мобильного робота на базе STM32F4 / Д. Н. Мирошник, Н. Е. Поляков, А. А. Сухов // Инновационные перспективы Донбасса: Материалы 2-й Международной научно-практической конференции, Донецк, 25– 26 мая 2016 года. – Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2016. – С. 227-230.

152

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.3+62-5 МОДЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ МАНИПУЛЯТОРА COBRA RS Д.Н. Мирошник, А.А.Лубенский ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье предложен прототип системы управления биполярным шаговым двигателем с возможностью изменения режимов управления, задания диаграммы движения и частотным заполнением. Ключевые слова: шаговый мотор, микроконтроллер, электропривод, система управления, манипулятор The article proposes a prototype of a control system for a bipolar stepper motor with the ability to change control modes, set up a motion pattern and frequency filling. Keywords: stepper motor, microcontroller, electric drive, control system, manipulator Модельно-ориентированное программирование позволяет существенно сократить время написания программного кода для микроконтроллеров, осуществляющих управление движением электромеханических систем. Это достигается за счет алгоритмов автоматического генерирования кода из компьютерных моделей, например, представленных в виде блок-схем. При этом разработка таких моделей является достаточно простой задачей, а процесс отладки программы занимает гораздо меньше времени из-за наглядности представления алгоритма в виде блок-схем, при этом увеличение сложности объекта управления не приводит к существенному усложнению процесса отладки или разработки. Особый интерес вызывает использование модельноориентированного программирования для разработки алгоритмов управления промышленными манипуляторами, поскольку системы управления подобными объектами имеют довольно сложную структуру. В первую очередь это обусловлено необходимостью преобразования задания на перемещения рабочего органа в траектории движения отдельных звеньев путем решения обратной задачи кинематики. Целью работы является разработка системы управления шаговыми двигателями робота-манипулятора с использованием преимуществ модельно-ориентированного программирования, обеспечивающей ре-

153

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ализацию различных методов управления, отработку заданной траектории движения. В качестве объекта исследований выступает промышленный манипулятор Cobra RS (рис.1), встроенный блок управления шаговыми двигателями в котором вышел из строя. Помимо задачи восстановления работоспособности устройства также ставится задача модернизации его электрической части с помощью современной элементной базы.

Рисунок 1 - Внешний вид исполнительного органа манипулятора Cobra RS Для подобного манипулятора необходимо использование двухуровневой системы управления, в которой верхний уровень обеспечивает формирование заданий на перемещение сочленений, а нижний уровень обеспечивает требуемые перемещения. Обе задачи достаточно сложны по своей структуре, поэтому было принято решение начать работу с нижнего уровня. Питание обмоток двигателей в модернизированной системе обеспечивается платой L6205n, а в качестве управляющего микроконтроллера выбрана отладочная плата STM32F4VG, для которой в среде Matlab/Simulink имеется библиотека модельно-ориентированного программирования Waijung. Для разработки системы управления шаговыми двигателями использован метод модельно-ориентированного программирования [2]. Внешний вид программы представлен на рис.2.

154

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Port: A Speed (MHz): 100 Type (PU/PD): None Ts (sec): 0.0025 Digital Input

PA0

Button Pressed (Normal) Debounce count: 4 Debouce1

100

Inc Rst

Count Up

Cnt Hit 0

1/z K Ts z-1

rezh

2 3 4

-10

speed

Out1_driv er

PD12

Out1_driv er2

PD13

Out1_driv er4

PD14

Out1_driv er3

PD15

SU stepper motor

Port: D Speed (MHz): 100 Type (PP/OD): Push Pull Ts (sec): 2.5e-005 Digital Output1

Waijung: 15.04a Compiler: GNU ARM MCU: STM32F407VG Auto Compile Download: ON Full Chip Erase: ON Auto run app: ON Execution Profiler: None Base Ts (sec): 25e-6 Target Setup

Рисунок 2 – Внешний вид программы управления шаговым двигателем Переключение режимов работы шаговых двигателей осуществляется путем считывания дискретного сигнала, поступающего от кнопки. Этот сигнал управляет счетчиком, увеличение выходного сигнала которого обеспечивает последовательную смену возможных режимов работы системы. Для обеспечения надежности выбора режима работы при обработке дискретного сигнала предусмотрена защита от «дребезга». При разработке системы управления шаговыми двигателями робота-манипулятора необходимо предусмотреть возможность изменения алгоритма формирования управляющих импульсов с целью повышения точности позиционирования или выработки большего момента. При разработке системы управления из этих соображений были выбраны полношаговый режим с перекрытием фаз и без него, а также полушаговый режим. В системе также предусмотрена отработка заранее заданных траекторий, что на рис. 2 показано в виде задатчика интенсивности. Сигнал задающего устройства для ручного или автоматического режимов работы устройства подается в подсистему, преобразующую этот сигнал в последовательность управляющих импульсов в соответствии с выбранным алгоритмом управления. Структура этой подсистемы показана на рис. 3. Важной особенностью практической реализации подобного алгоритма управления шаговыми двигателями является отказ от традиционного способа вычисления тригонометрических функций и переход к табличным зависимостям. При таком подходе существенно сокращается время вычислений, что позволило добиться стабильной работы системы при шаге дискретности 25 мкс. Одной из важных задач, возникающих при разработке систем управления манипуляторами, является снижение энергопотребления, что связано с необходимостью обеспечить нормативный тепловой режим работы двигателей. 155

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1 rezh

AND 0

sin

2 speed

2*pi

in3 in4

full_step

|u|

in2

-1

z-1 2*pi

in1

-1 in

K Ts

1 Out1_driver

dead time1

AND 2

2 Out1_driver2

dead time 3

in1

cos

in2

3 AND

in3

in4

4 Out1_driver3

dead time 5

full_step_per in1 in2

5 AND

in3 in4

dead time 7

3 Out1_driver4

half_step

Рисунок 3 – Внешний вид подпрограммы «SU stepper motor» Достичь этого можно за счет применения частотного заполнения управляющих импульсов, т.е. формирования высокочастотной последовательности импульсов нужной амплитуды суммарной длительностью, равной требуемой длительности подключения фазы двигателя к источнику питания. При таком подходе уменьшается уровень потребляемого двигателями тока, что позволяет уменьшить их нагрев в процессе работы без существенного снижения производительности. Также при таком решении можно использовать меньшие значения емкости конденсаторного фильтра на входе силового преобразователя. На рис. 4 показаны осциллограммы управляющих импульсов, поступающих на одну фазу двигателя. Выводы

В работе разработана система управления шаговым двигателем манипулятора Securia Cobra RS3. Ее особенностью является использование разных режимов управления шаговым двигателем, частотное заполнение импульсов управления и возможность задания тахограммы движения.

Перечень ссылок

1. Мымриков, А. А. Опыт организации обмена данными между ПК и роботом-манипулятором / А. А. Мымриков, П. И. Розкаряка // Инновационные перспективы Донбасса : Материалы 4-й международной научно-практической конференции, Донецк, 22–25 мая 2018 года. – Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2018. – С. 108-114. 2. Polyuschenkov, I. Methodology of model-oriented programming technique in development of electric drive / I. Polyuschenkov // 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019, Sochi, 25–29 марта 2019 года. – Sochi, 2019. – P. 8742917. – DOI 10.1109/ICIEAM.2019.8742917.

156

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

а)

б)

в)

Рисунок 4 – Напряжение на одной из обмоток двигателя при заданной частоте 10 Гц: а) шаговый режим; б) шаговый режим с перекрытием; в)полушаговый режим 157

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 004.312.46

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ОЗНАКОМЛЕНИЯ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА STM32F407VE

Е.Ю.Яковенко, А.В.Захаров ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» В статье описывается разработка лабораторного стенда для ознакомления с микроконтроллером STM32F407VE и распространённым оборудованием Ключевые слова: 3D модель, Компас-3D, STM32, датчики, модули, двигатель, лазерная резка, лабораторный стенд The article describes the development of a laboratory bench for acquaintance with the STM32F407VE microcontroller and common equipment. Keywords: 3D model, Kompas-3D, STM32, sensors, modules, motor, laser cutting, laboratory bench Учебно-лабораторные стенды создаются специально для ВУЗов, техникумов и прочих учебных заведений, позволяя обучающимся в условиях, максимально приближенных к реальным, применять свои знания на практике без боязни ошибиться. Доступ к электрической части у таких стендов закрыт, что исключает возможность возникновения аварийных ситуаций вследствие ошибок в схеме подключений. Основным назначением лабораторных работ является закрепление теоретического, прежде всего, лекционного материала, а также приобретение навыков в планировании экспериментов, наблюдение за явлениями и процессами регистрации приборных измерений, знакомство с методами исследований и испытаний. При этом функциональные возможности лабораторного стенда должны охватывать наиболее широко используемые периферийные устройства, применяемые в автоматизированных электромеханических системах. Целью работы является разработка стенда для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Элементы автоматизированного электропривода», включающего в себя достаточное количество устройств и элементов для получения базовых знаний и понятий о работе с микроконтроллерами STM32 в области робототехники и мехатроники [1]. Дополнительным условием является хорошая воспроизводимость конструкции и модульный принцип построения электрической части, что

158

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

является необходимым условием для создания дополнительных экземпляров. При проектировании лабораторного стенда необходимо обеспечить выполнение следующих условий: 1. Надежное исполнение механической части. 2. Наличие электрических защит. 3. Наличие конструктивных решений, обеспечивающих устойчивость корпуса и хорошее сцепление с поверхностью. 4. Возможность свободного вращение установленных двигателей. 5. Наличие раздельного питания двигателей и микроконтроллера. Исходя из требований к разрабатываемому стенду, а также проанализировав наиболее часто используемые в робототехнике периферийные устройства [2], можно выделить основные группы устройств, которые должны быть включены в состав лабораторного стенда: - плата управления; - устройства ввода информации – механический энкодер и кнопки; - устройства вывода информации – светодиоды и ЖК-дисплей; - исполнительные электромеханические устройства: двигатель постоянного тока, сервопривод и питающий их преобразователь; - датчики: ультразвуковой датчик приближения, энкодер, датчик тока; - интерфейсные разъемы и средства коммуникации: встроенные протоколы связи, программатор, адаптер USB-TTL и Bluetooth-модуль. При изучении элементов автоматизированного электропривода основное внимание должно уделяться изучению принципов функционирования отдельных устройств и базовых принципов управления ими с помощью микроконтроллеров. Это накладывает ограничения с точки зрения сложности написания управляющих программ для лабораторного стенда, исходя из которых предпочтительным является использование микроконтроллеров, поддерживающих технология модельноориентированного программирования из среды Matlab/Simulink. С этой точки зрения интерес представляют микроконтроллеры семейства STM32F4, для которых существует несколько библиотек, поддерживающих модельно-ориентированное программирование. В рамках данной работы был использован микроконтроллер STM32F407, выбор которого обусловлен необходимостью запаса по вычислительной мощности и количеству разъемов входа/выхода. Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда приведена на рис. 1. С целью упрощения схемы сам микроконтроллер в ней не приведен. Для каждого из использованных элементов указаны номера разъемов, к которым он подключается.

159

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 1 – Принципиальная схема разработанного стенда С учетом перечисленных ранее требований к разрабатываемому стенду, важным этапом является проектирование корпуса. Достаточно удобным, быстрым и недорогим способом является применение САПР для 3D-моделирования с последующим разбиением созданной модели на составные части, перевод их в двухмерные изображения и последующее изготовление с помощью технологии лазерной резки [3]. При таком подходе, используя известные габариты периферийных устройств можно добиться наиболее эргономичного расположения периферийных устройств и управляющих элементов. Трехмерная модель разработанного корпуса в САПР Компас-3D приведена на рис. 2.

160

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Рисунок 2 – Разработанный корпус стенда Разработанный лабораторный стенд позволяет проводить следующие лабораторные работы: 1. Исследование модулей цифрового ввода и вывода на примере автоматического и ручного управления светодиодами. 2. Исследование принципов передачи данных через последовательный порт и работы с ЖК-дисплеем. 3. Исследование принципов управления сервоприводами и двигателями постоянного тока, а также различных методик измерения скорости вращения вала. 4. Исследование работы датчиков. Преимуществом использования подобных лабораторных стендов в образовательном процессе является их универсальность, которая заключается в постоянстве схемы электрических соединений. Работы нужных устройств и настройка методов управления ими осуществляется программно. За счет использования модельно-ориентированного программирования процесс разработки управляющих программ существенно сокращается. В частности, нет необходимости программировать модули микроконтроллера, например, таймеры, вручную. Программный код генерируется автоматических с помощью блок-схем, составленных из

161

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

интуитивно понятных блоков или блоков, содержащих подробное описание принципов их работы и вводимых параметрах. Пример такой блок-схемы показан на рис. 3.

Рисунок 3 – Пример управляющей программы в виде блок-схемы Таким образом разработанный лабораторный стенд позволяет в значительной степени ознакомиться с базовыми элементами систем автоматизированного электропривода и способов управления ими посредством микроконтроллера STM32F4. Используемое периферийное оборудование позволяет подробно изучить наиболее востребованные функции, реализуемые на этом микроконтроллере, а гибкость и простота программирования позволяет без значительных усилий расширять функционал данного стенда и осуществлять переход между исследуемыми режимами его работы. Перечень ссылок

1. Типовой комплект учебного оборудования «Микроконтроллеры и микропроцессорная техника", исполнение настольное МК [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://labstand.ru/catalog/miikrokontrollery_i_mikroprotsessornaya_tekhnika/tipovoy_komplekt_uchebnogo_oborudovaniya_mikrokontrollery_i_mikropro tsessornaya_tekhnika_1390?success=Y 2. Самые популярные датчики для Arduino [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://electrik.info/microcontroller/1447-samye-populyarnye-datchiki-dlyaarduino.html 3. Технология лазерной резки по дереву [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://derevo-s.ru/oborudovanie/stanki/lazernaya-rezka-fanery

162

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЕНТИЛЬНОИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

К.О. Савин1, А.А. Чепига2, Е.Е. Корытченкова1, В.И. Калашников1 1- ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» 2 -НИУ «Московский энергетический институт», г. Москва, Россия В данной статье рассматривается один из подходов к разработке математической модели ВИД с самовозбуждением при помощи схемы замещения магнитной цепи и анализа изменения магнитных проводимостей при повороте вала двигателя. Ключевые слова: Вентильно-индукторный двигатель, магнитодвижущая сила, проводимость, матрица индуктивностей, потокосцепление, коэнергия This article discusses one of the approaches to the development of a mathematical model of a Switched Reluctance Motor self-excited type with the help of a magnetic circuit equivalent circuit and analysis of the change in magnetic conductivity when the motor shaft is turned. Keywords: Switched Reluctance Motor, magnetomotive force, conductivity, inductance matrix, flux linkage, co-energy Введение. Вентильно-индукторный двигатель называют приводом XXI века. Однако он еще далек от совершенства. Дело в непроработанности многих вопросов управления, которые исходят из отсутствия качественной математической модели двигателя. Стремление разработчиков существенно упростить и удешевить электромеханический преобразователь энергии привело к созданию нового класса двигателей с пассивным ферромагнитным ротором и сосредоточенными катушками на статоре. Конструкции этих машин известны уже более 100 лет, но только с развитием современной силовой электроники и микропроцессорной техники они стали рассматриваться как возможные конкуренты массово применяемых сегодня асинхронных двигателей и вентильных двигателей на базе синхронных машин с постоянными магнитами. Очевидная простота, надежность вентильноиндукторного двигателя и его технологичность обманчивы. Для обеспечения качественного управления моментом и скоростью необходима достаточно сложная высокопроизводительная цифровая система управления. При этом сложность системы и ее структура во многом определяются типом ВИД: чем проще конструкция собственно двига-

163

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

теля, тем более сложными оказываются структуры и алгоритмы управления [1]. Анализ проблемы. Вентильно-индукторные двигатели делятся на три типа: с самовозбуждением, с независимым возбуждением и магнитоэлектрические. Самые простые по конструкции — двигатели с самовозбуждением. Их прототип — классические шаговые двигатели. Построение системы векторного управления для такого двигателя — сложная и неблагодарная задача. Чаще всего система управления строится по схеме «электронный коммутатор — двигатель» с регулированием фазного тока и угла коммутации [2]. Однако камнем преткновения для разработчиков стало отсутствие на просторах интернета точной (не упрощенной) математической модели данного двигателя. Далее будет рассматривается подход к построению математической модели ВИД с самовозбуждением при помощи схемы замещения магнитной цепи. В качестве примера будем рассматривать ВИД в конфигурации 8/6 (рисунок 1):

Рисунок 1 – Электропривод ВИД с самовозбуждением Для данного двигателя составим магнитную схему замещения (рисунок 1). На этой схеме FA, FB, FC, FD – магнитодвижущая сила (МДС) фазных обмоток, λ1, λ2, λ3, λ4 – собственные проводимости воздушных зазоров фазных зон в зависимости от электрического положения вала ротора, которые определяются соотношениями (1).

164

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

λ1

λ2

λ3

λ4

λ1

λ2

λ3

λ4

Рисунок 2 – Магнитная схема замещения ВИД с самовозбуждением  λ1=  λ=  2  λ=  3  λ 4 = 

λ0 λ + cos θ; 2 2 λ0 λ + cos(θ − 90°); 2 2 λ0 λ + cos(θ − 180°); 2 2 λ0 λ + cos(θ + 90°), 2 2

(1)

где λ0 и λ – значения нулевой и первых гармоник проводимостей зубцового деления (даются справочниках в соответствии с заданными конструктивными параметрами машины). Рассмотрим методику получения матрицы индуктивностей на примере расчета собственной индуктивности фазы А по формуле (2): ΨA λ2 λ2 3 1 2 2 L11= = w1 ⋅ ( ⋅ λ 0 + ⋅ λ ⋅ cos θ − ⋅ w1 ⋅ cos(2 ⋅ θ) − ), iA 4 2 8 ⋅ λ0 8λ 0

(2)

где iA – ток фазы А, w1 – количество витков обмотки фазы А, ΨA – потокосцепление фазы А, определяющееся выражением (3): Ψ A= iA ⋅ Λ1Σ ⋅ w12 ,

(3)

где Λ1Σ – входная проводимость при наличии МДС только в фазе А (таким образом МДС остальных фаз при расчете не учитываются). Аналогичным образом можно рассчитать оставшиеся собственные и взаимоиндуктивности для каждой фазы двигателя.

165

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для определения электромагнитного момента машины в соответствии с теорией электромеханического преобразования энергии необходимо рассчитать либо магнитную энергию Wf, либо коэнергию Wco системы. Последнее сделать существенно проще в соответствии с формулой (4): iA

iС

Wco = ∫ ψ AdiA + ∫ ψ BdiB + ∫ ψC diC + ∫ ψ DdiD .

(4)

Электромагнитный момент в свою очередь будет равен частной производной от коэнегии по механической координате (5): M эм = Nr ⋅

∂Wco (iA , iB , iC , iD , θэл ) , ∂θэл

(5)

Где Nr – число пар полюсов двигателя. В соответствии с рассчитанными параметрами двигателя и всем известным уравнением движения, можно построить структурную схему ВИД с самовозбуждением (рисунок 3): UA UB UC UD

 1 Ψ p

−1

 I

 M = M f ( I , θэл )

θэл

1 ω 1 θ мех p p

Mc Nr

Рисунок 3 – Структурная схема ВИД с самовозбуждением Результаты проверки работоспособности модели в шаговом режиме.

Рисунок 4 – График работы тока с парной коммутацией

166

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ а)

б)

в)

Рисунок 5 – а) График отработки задания положения двигателя, б) график скорости, в) график момента Модель отрабатывает задание положения, шагая на электрический угол, за один период. Выводы

Можно сделать вывод, что полученная структура ВИД с самовозбуждением справедлива при любых способах управления двигателем (шаговый или вентильный режим), при любой схемотехнике силового преобразователя – инверторе напряжения или инверторе тока. На ее основе можно качественно и количественно сравнивать различные структуры и алгоритмы управления. Приведен пример реализации шагового режима вентильно-индукторным двигателем. Стоить отметить, что при питании от идеализированного инвертора тока уравнения электрического равновесия в системе исключаются - двигатель описывается только одним уравнением электромагнитного момента в функции токов фаз и текущего положения ротора.

Перечень ссылок

1. A. Anuchin, D. Grishchuk, A. Zharkov, Y. Prudnikova and L. Gosteva, "Realtime model of switched reluctance drive for educational purposes," 2016 57th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), 2016, pp. 1-5. 2. D. Savkin, A. Anuchin, V. Kulmanov, Y. Vagapov and I. Gulyaev, "Real-time model of switched reluctance drive based on a LUT magnetization curve for educational purposes," 2017 15th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 2017, pp. 480-483.

167

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 62.83

РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПО ТЕПЛОВЫМ ПОТЕРЯМ ДИАГРАММ ОТРАБОТКИ ЗАДАННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ С НЕНУЛЕВЫМИ НАЧАЛЬНЫМИ И КОНЕЧНЫМИ СКОРОСТЯМИ ДВИЖЕНИЯ С.И. Бондаренко, П.И. Розкаряка ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»

В работе синтезированы варианты симметричных траекторий ускорения, скорости и перемещения, минимизирующих тепловые потери от токов, пропорциональных динамическому моменту двигателя, при наличии ограничения на скорость и ненулевых начальных и конечных скоростях вращения электропривода. Получены аналитические выражения для расчета параметров диаграмм. Ключевые слова: задающее устройство, оптимальные диаграммы, позиционное регулирование, минимум тепловых потерь, симметричные диаграммы движения, ограничение координат. Symmetric reference trajectories for acceleration, speed and position ensuring minimum current heat losses proportional to the motor dynamic torque considering speed and acceleration constraints and nonzero initial electric drive speed were synthesized. The analytical expressions for optimal trajectories calculation were obtained. Keywords: motion profile, optimal profile, position control, heat losses minimization; symmetric motion profile, coordinate restriction. Задача снижения энергопотребления в системах электропривода рассматривается уже в течение многих лет. Сейчас это особенно актуально для автономных систем, которые питаются от аккумуляторных батарей – электромобили, мобильные роботы и т.д. В [1] приведен обзор и анализ основных подходов по снижению энергопотребления в системах электропривода, которое достигается разработкой алгоритмов управления, снижающих или минимизирующих потери электроэнергии. На основании математических моделей отдельных видов потерь в виде аналитических выражений формируют подлежащий минимизации функционал и синтезируют оптимальное управление с учетом ограничений на координаты привода и на управление [2]. При решении подобного рода оптимизационных задач используют уравнения Эйлера-Лагранжа, а также принцип максимума Понтрягина.

168

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Для систем позиционного электропривода, осуществляющих перемещение в горизонтальной плоскости с однозонным регулированием скорости, наиболее существенными являются потери в меди от тока, пропорционального динамическому моменту двигателя. Это справедливо для электроприводов на базе асинхронного двигателя, синхронного двигателя с постоянными магнитами, а также двигателя постоянного тока независимого возбуждения [3]. Если поиск оптимального управления осуществляют в функции времени, то задача сводится к синтезу задающего устройства в системе программного управления. Найденные таким образом зависимости положения и его производных (скорость, ускорение, рывок) от времени называют оптимальными траекториями или оптимальными диаграммами [4]. Каждому из критериев оптимизации соответствуют различные формы диаграмм: трапецеидальные, параболические, с sобразной формой ускорения/замедления, экспоненциальные и множество других. Многообразие оптимальных траекторий зависит не только от минимизируемого критерия качества, но и от наличия и величин ограничений на регулируемые координаты привода и на управляющее воздействие. В большинстве работ при синтезе оптимальных траекторий для систем позиционного электропривода учитываются ограничения на скорость и ускорение. Во многих работах дополнительно учитывается ограничение на рывок, а в некоторых даже ограничение на производную от рывка, например, с целью подавления вибраций в высокоточных применениях [5]. При этом в литературе отсутствуют оптимальные диаграммы, учитывающие ненулевые начальные и конечные скорости вращения позиционного электропривода. Целью данной работы является синтез симметричных траекторий ускорения, скорости и перемещения, минимизирующих тепловые потери от токов, пропорциональных динамическому моменту двигателя, при наличии ограничений на скорость и ускорение при ненулевых начальных и конечных скоростях вращения электропривода. В [2] доказано, что минимум потерь при отсутствии ограничений на координаты привода и управляющее воздействие обеспечивается при параболической диаграмме скорости и, соответственно, треугольной диаграмме ускорения. При учете указанных ограничений форма траекторий изменяется в зависимости от соотношения заданного перемещения и времени его отработки. При этом возможны следующие варианты: 1) диаграмма без ограничений (рис. 1); 2) ускорение ограничено при разгоне и при замедлении (рис. 2);

169

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

3) ограничена величина допустимой скорости (рис. 3); 4) ограничены величины допустимой скорости и ускорения (рис.4). Рассмотрим вывод формул для определения узловых точек изменения ускорения диаграммы с ограничением скорости (рис. 2). Как было сказано ранее, такая диаграмма симметрична, времена разгона и торможения равны друг другу t 2 = t 4 , начальная и конечная скорости также равны ω н = ωк . При известном заданном перемещении ϕ з , желаемом времени отработки перемещения t 0 , ограничении на максимальную скорость ω 0 необходимо найти ускорение при разгоне и торможении ε1 , времена t 2 , t 4 и время работы на установившейся скорости t 3 . Для этого запишем выражение для максимальной скорости: ω 0 = ωн +

ε 1t 2 ; 2

(1)

время работы с установившейся скоростью t 3 = t 0 − 2t 2 ;

(2)

и перемещение на всех участках:  ε1t 22   2 ωн t 2 + + ω0 (t0 − 2t 2 ) = ϕ з .  3  

(3)

Подставляя в (3) выражения (1) и (2), получаем начальное ускорение: ε1 =

4(ω0 − ωн )2 . 3(t0 ω0 − ϕ з )

(4)

Аналогичным образом получаем выражения для других приведенных диаграмм. Результаты расчетов приведены в табл. 1. Также в таблице приведены формулы для вычисления максимальных скоростей ω max для диаграмм без ограничения скорости. Эти формулы необходимы для определения типа диаграммы при известных заданном перемещении ϕ з , желаемом времени отработки перемещения t 0 , начальной скорости ω н , ограничении на максимальную скорость ω 0 и ускорение ε 0 .

170

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ϕз

ε,ω, ϕ

ωmax ωн ε1

ωк

− ε1

Рисунок 1 – Оптимальная по тепловым потерям диаграмма без ограничений ε,ω, ϕ

ϕз

ω0 ε1 ωн

ωк

t3 t0

− ε1

Рисунок 2 – Оптимальная по тепловым потерям диаграмма с ограничением скорости

171

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

ϕз

ε,ω, ϕ

ωmax ε0 ωн

ωк

− ε0

Рисунок 3 – Оптимальная по тепловым потерям диаграмма с ограничением ускорения ε,ω, ϕ

ϕз ω0

ε0 ωн

ωк

− ε0

Рисунок 4 – Оптимальная по тепловым потерям диаграмма с ограничением скорости и ускорения

172

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

Таблица 1 Результаты расчетов узловых точек диаграмм Диаграмма

Формулы для расчета узловых точек

Рисунок 1

ε1 =

Рисунок 2

ε1 =

Рисунок 3

Рисунок 4

t2 = 3

t2 = 2 3

6 (ϕ з − ωн t0 ) t02

; t2 =

t0 εt ; ωmax = ωн + 1 2 ; 2 2

ω − ωн 4(ω0 − ωн )2 ; t2 = 2 0 ; t 3 = t 0 − 2t 2 ε1 3(t0 ω0 − ϕ з )

ε0 t02 + 4ωн t0 − 4 ϕ з 2 ε0

; t1 =

t0 εt − t 2 ; ωmax = ωн + ε1t1 + 1 2 2 2

ε0 t0 ω0 − ε0 ϕ з − ω02 − ωн2 + 2ω0 ωн ε0

t 3 = t0 − t 2 −

2ω0 ε0

; t1 =

ω0 − ωн t 2 − ; ε0 2

Выводы

Полученные аналитические выражения могут быть использованы в задающих устройствах для формирования оптимальных законов управления позиционными механизмами, работающими с ненулевыми начальными и конечными скоростями движения.

Перечень ссылок

1 . Giovanni Carabin, Erich Wehrle and Renato Vidoni, A Review on EnergySaving Optimization Methods for Robotic and Automatic Systems, Robotics 2017, 6, 39; doi:10.3390/robotics6040039. 2 . Петров Ю. П. Оптимальное управление электрическим приводом с учетом ограничений по нагреву. Л.: Энергия, 1971. – 144 с. 3 O. Tolochko and P. Rozkariaka, "Asymmetric Reference Trajectories for Energy Efficiency Position Electric Drives," 2018 X International Conference on Electrical Power Drive Systems (ICEPDS), 2018, pp. 1-7, doi: 10.1109/ICEPDS.2018.8571602. 4 L. Biagiotti and C. Melchiorri, Trajectory planning for automatic machines and robots: Springer Science & Business Media, 2008. 514p. 5 Huaizhong Li, “A Jerk-constrained Asymmetric Motion Profile for High-speed Motion Stages to Reduce Residual Vibration”, Int. J. of Computer Applications in Technology, 2016 Vol.53, No.2, pp.149 – 156.

173

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

УДК 621.313

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ СИСТЕМЫ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С.Н. Ткаченко, Я.С. Кошелев ГОУВПО «Донецкий Национальный Технический Университет»

Работа посвящена совершенствованию тепловой защиты обмотки короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя на основе контроля режимных параметров. Предложенный алгоритм защиты основан на косвенном определении температуры нагрева обмотки ротора путём сравнения активного сопротивления ротора прямой последовательности, измеренного в горячем или текущем состоянии, с известным значением холодного состояния. Работоспособность предложенной тепловой защиты проверена на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования для асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт и напряжением статора 0,4 кВ. Ключевые слова: асинхронный двигатель, тепловая защита обмотка короткозамкнутого ротора, режимные параметры, температура нагрева, входное активное сопротивление прямой последовательности The work is devoted to improving the thermal protection of the squirrel-cage rotor winding of an induction motor based on the control of operating parameters. The proposed protection algorithm is based on the indirect determination of the heating temperature of the rotor winding by comparing the positive sequence rotor resistance, measured in the hot or current state, with the known value in the cold state. The performance of the proposed thermal protection was tested on a PC using mathematical simulation methods for an induction motor with a rated power of 5.5 kW and a stator voltage of 0.4 kV. Keywords: asynchronous motor, thermal protection, squirrel-cage winding, operating parameters, heating temperature, input positive sequence resistance Постановка задачи. Асинхронные электродвигатели (АЭД) с короткозамкнутым ротором (КЗР) благодаря относительной надёжности и простоты конструкции нашли широкое применение в качестве электроприводной машины механизмов и агрегатов различных промышленных предприятий, бытовых установок, в системах электро174

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

снабжения сельского хозяйства, а также механизмов системы собственных нужд тепловых и атомных электростанций. Однако, несмотря на распространенность, процент повреждаемости колеблется от 25 до 30% за один год от общего количества машин, находящихся в эксплуатации [1]-[5]. Одним из путей сокращения повреждаемости АЭД с КЗР возможно за счёт дальнейшего совершенствования систем релейной защиты и автоматики (РЗиА). Исходя из изложенного выше материала можно сделать вывод об актуальности задачи дальнейшего совершенствования алгоритмов РЗиА присоединения «кабельасинхронный электродвигатель». Анализ публикаций. Вопросам модернизации систем РЗиА посвящено достаточное количество научных работ [1]-[9]. Однако наибольший интерес с позиции построения в сочетании цифровыми стандартными защитами эффективного защитного комплекса присоединения «кабель-АЭД» представляют алгоритмы косвенного определения температуры нагрева обмотки КЗР на основе контроля параметров текущего режима, представленные в [9]. Однако вышеуказанные защиты, требуют дальнейшего совершенствования для их применения с позиции увеличения точности. Результаты исследований. В качестве базисного алгоритма ТЗ АЭД с КЗР будем использовать алгоритм, изложенный в [9]. Температура нагрева обмотки короткозамкнутого ротора асинхронной машины в данном алгоритме определяется косвенно в темпе процесса путём сравнения величины активного сопротивления обмотки КЗР прямой последовательности (ПП), измеренного в горячем состоянии на основе контроля режимных параметров (мгновенных значений фазных токов и напряжений, а также величины скольжения) со значением активного сопротивления, измеренного в исходном или холодном состоянии. В отличие от базисного алгоритма ТЗР [T] для улучшения работы будем производить дополнительное сглаживание рассчитываемых в процессе работы величин. Аналогично ТЗР, представленной в [6], для алгоритма защиты будем использовать эквивалентную схему замещения (ЭСЗ) с одним контуром цепи ротора и контуром потерь в стали магнитопровода статора (рис.1.). В данной работе все вычисления будем производить в системе относительных единиц (о.е.). Для корректной работы ТЗР необходимо знать параметры избранной ЭСЗ (активное сопротивление обмотки статора RS, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора XσS, сопротивление взаимоиндукции Xµ, функциональные зависимости активного сопро175

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

тивления обмотки КЗР RR(s) и индуктивного сопротивления рассеяния обмотки КЗР XσR(s) от скольжения s, которые в данной работе будем определять, используя методику, изложенную в [10]. Зависимости RR(s) и XσR(s) для учёта скин-эффекта в обмотке ротора представим в виде линейных функций (1), аналогично [9], что позволит использовать усовершенствованную ТЗР на микропроцессорных платформах небольшой вычислительной мощности. sHOM = s 1 R R R

R ( s= ) R

+ (R

− RRsHOM ) ⋅ ( s − sHOM ) ⋅ s −1 ,

sHOM =s 1 = s 1 σR σR σR σR

X ( s= ) X

+ (X

−X

) ⋅ (1 − s ),

(1)

где RRs =1 и X σsR=1 – активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки КЗР АЭД при скольжении равном s = 1; – активное сопротивление и индуктивное сопротивление RRsHOM и X σsHOM R рассеяния обмотки КЗР АЭД при номинальном скольжении sНОМ; RS

XσS IS.1

US.1

RFE

RR(s) s

XσFE

XσR(s)

Xμ

Рисeyjr 1 – Одноконтурная ЭСЗ АЭД с КЗР ПП с контуром потерь в стали статора и учётом вытеснения тока в обмотке ротора Последовательность вычислительных операций определения температуры нагрева обмотки ротора, производимых на каждом шаге работы микроконтроллера, включает: – Измерение мгновенных значений фазных токов (ia, ib, ic) и напряжений (ua, ub, uc) машины; – Измерение скольжения s датчиком положения ротора (ДПР); – При наличии встроенного в обмотку статора АЭД термодатчика (ТД) выполняем измерение температуры нагрева обмотки статора VS; – Вычисление средних значений и модулей обобщённых векторов тока и напряжения (IS1, US1) и мощности (Р1) прямой последовательности (ПП):

176

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

1 I S .1 = ⋅ (iα − iβ.n ) 2 + (iα.n + iβ ) 2 , 2 1 U S .1 =⋅ (uα − uβn ) 2 + (uα.n + uβ ) 2 , 2 (uα − uβ.n ) ⋅ (iα − iβ.n ) (uα.n + uβ ) ⋅ (iα.n + iβ ) = + P1 ; 4 4

(2)

где iα = iа, i= (ub − uc ) / 3, iα.n, iβ.n, uα.n, uβ.n – (ib − ic ) / 3, uα = uа, u= β β значения токов и напряжений статора в осях α, β измеренных для моментов времени t и сдвинутого на четверть периода промышленной частоты 5 Гц; – Вычисление входных активного и индуктивного сопротивлений ПП АЭД: P RBX.1 = 21= , X BX .1 I S .1

U S .1  2   − RBX .1 ;  I S.1 

(3)

– Выполнение коррекции активных сопротивлений обмотки статора и контура потерь в стали статора от температуры: RS (VS= RS ⋅ ) RS .= K

(1 + α ⋅ VS ) , (1 + α ⋅ VSнач )

(4)

(1 + α ⋅ VS ) RFE (V= RFE= RFE ⋅ ; S) .K (1 + α ⋅ VSнач )

где VS – текущее значение температуры нагрева обмотки статора, измеряемое ТД, 0С; – Вычисление сопротивлений и проводимостей ротора и ветви намагничивания: RR.µ = RBX .1 − RS . K − RКБ , X R.µ = X BX .1 − X σS − X КБ , g R.µ = g FE =

RR.µ RR2.µ + X R2.µ

, bR.µ =

X R.µ RR2.µ + X R2.µ

RFE . K X , bFE = 2 σ FE 2 ; 2 RFE . K + X σ FE R + X σ FE 2 FE . K

– Определение проводимостей ротора 177

(5) (6) (7)

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

= g R g R.µ − g FE , bR = bR.µ − bFE − X µ−1;

(8)

– Вычисление активного сопротивления обмотки короткозамкнутого ротора АЭД в горячем состоянии гор R = R (s)

gR ⋅ s; g + bR2 2 R

(9)

– Вычисление значения RRисх для текущего значения скольжения s используя зависимость (1); – Определение текущего значения температуры нагрева обмотки КЗР АЭД на основе сравнения активного сопротивления ротора в горячем состоянии RRгор ( s ) и известного сопротивления в холодном (исходном) состоянии RRисх = RRисх ( s ) :  RR гор ( s ) - RR исх ( s )  VR  = ⋅ (235 + VR нач ) + VR нач  ,0С. исх RR ( s )  

(10)

В отличии от алгоритма ТЗР, представленного в [9], будем выполнять процедуру усреднения используя формулу среднеквадратического отклонения (11) не только для входных сопротивлений ПП и температуры нагрева обмотки КЗР, но и RX =

1 m ⋅ ∑ (RX ) 2 ; m 1

(11)

Правильность работы предложенной усовершенствованной ТЗР АЭД с КЗР проверена на ПЭВМ на математической модели, основанной на полых дифференциальных уравнениях аналогично [9], с использованием методов математического моделирования на примере асинхронного двигателя типа АИР112-М4, каталожные данные которого представлены в табл. 1. Параметры ЭСЗ данной машины были определены на основе данных каталога, уточнённых из эксперимента, по методике, изложенной в [9], и представлены в табл. 2. Также работоспособность проверена на специализированном экспериментальном стенде для вышеуказанного АЭД типа АИР112М4. Для регистрации параметров текущего режима использовался эмулятор цифрового терминала релейной защиты и автоматики на основе современной ПЭВМ и платы АЦП PCI-шины типа L-Card®783M.

178

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

PНОМ, кВт

UНОМ, кВ

IНОМ, A

cosφНОМ

ηНОМ

MП/МНОМ

MМАКС/ МНОМ

IП/IНОМ

sНОМ

Таблица 1 – Каталожные данные АЭД с КЗР типа АИР112-М4

5,5

0,4

11,43

0,86

0,855

2,5

0,047

Таблица 2 – Параметры ЭСЗ АЭД с КЗР типа АИР112-М4 RRS =1 X σSR=1 RRsHOM X σsHOM RS XσS Xμ RFE XσFE R 0,066 0,08 2,312 12,30 25,17 0,04 0,041 0,052 0,065 По результатам проведенного опыта подачи на статор в течение одного часа пониженного напряжения 49 В при заторможенном роторе температура нагрева обмотки КЗР, определённая по предложенному усовершенствованному алгоритму в конце эксперимента составила 43,58 0С. При этом температура обмотки КЗР, рассчитанная по базисному алгоритму [9] составила 43,470С. Температура обмотки КЗР АЭД, измеренная в процессе эксперимента с помощью ТД, составила 43,7 0С. Из изложенного выше материала следует, что предложенный алгоритм ТЗР работает более точно в диапазоне допустимого отклонения ±5 %. Выводы

1. Предложена усовершенствованная тепловая защита обмотки короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров текущего режима. 2. Предложено для повышения точности косвенного определения температуры нагрева обмотки ротора по данным измерения параметров текущего режима усреднять, как входное сопротивление прямой последовательности, сопротивление ротора прямой последовательности в горячем состоянии, так и значение косвенно определяемой температуры. 3. Работоспособность предложенной системы защиты и прогноза срока службы проверена, как на ПЭВМ с использованием методов математического моделирования, так и экспериментально для асинхронного электродвигателя мощностью 5,5 кВт и напряжением статора 0,4 кВ.

Перечень ссылок

1. Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ / С.Л. Кужеков, Л.Б. Паперно – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 248 с. 2. Релейная защита электродвигателей напряжением 6-10 кВ терминалами БМРЗ: Методика расчета / С. А. Гондуров, С. В. Михалев, М. Г. Пирогов, А. Л. Соловьев. – М.: НТФ «Энергопрогресс», 2014. – 92 с.: ил. [Библиотечка электротехника. приложение к журналу «Энергетик»; Вып. 9 (189)].

179

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ

3. R. M. Shivpuje and S. D. Patil, "Microcontroller based fault detection and protection system for induction motor," 2017 International Conference on Intelligent Computing and Control Systems (ICICCS), Madurai, 2017, pp. 1187-1191; 4. Ziuzev, A. M. On Heating Induction Motor Rotor at Start-Up of High-Inertia Mechanisms [Text] / A. M. Ziuzev, V. P. Metelkov // Proceedings of 2018 17th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED). – 2018. – P.1-5; 5. SEL-710 Реле защиты электродвигателя / Schweitzer Engineering Laboratories,2019 12 с; 6. Zocholl S.E. On the protection of thermal processes power delivery / S.E. Zocholl, G. Benmouyal // IEEE Transactions on Vol.20, Issue 2 – 2005. – P.: 1240-1246; 7. Whatley, P. Enhanced motor protection with the slip-dependent thermal model: a case study / P. Whatley, M. Lanier, L. Underwood, S. Zocholl // Protective Relay Engineers, 61st Annual Conference. – 2008. – P. 204-214; 8. Gao, Z. Model reduction perspective on thermal models for induction machine overload relays / Z. Gao, R.S. Colby, T.G. Habetler, R.G. Harley // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2008. – Vol. 55. – Issue: 10. – P. 3525-3534; 9. Ткаченко С.Н. Совершенствование цифровой системы защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором системы собственных нужд электростанций / С.Н. Ткаченко, В.В. Иванов // Инновационные перспективы Донбасса. Материалы 6-й Международной научно-практической конференции. 2020. Издательство: Донецкий национальный технический университет (Донецк). 2020 – С. 170-177; 10. Ткаченко С.Н. Метод идентификации параметров эквивалентных схем замещения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором / С.Н. Ткаченко // Сборник научных трудов ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет». Серия «Электротехника и энергетика». – выпуск 1 (16). – Донецк, 2014. – С. 210-215.

180