Синтез регулятора напряжения автономного инвертора асинхронного электропривода с использованием ненормированных полиномов

Введение. В настоящее время актуальной задачей является разработка новых подходов к регулированию асинхронных электроприводов с повышенными требованиями к виброшумовым характеристикам и спектральному составу выходных токов автономного инвертора. Основные проблемы, с которыми сталкивается разработчик данного класса электроприводов: относительно низкая результативность известных технических решений вследствие ограничений применяемых методов синтеза регуляторов; жесткие требования к энергомассогабаритным показателям. Представлен оригинальный метод генерации управляющих сигналов автономным инвертором электропривода переменного тока. 
Метод. Предлагается использование регулирования по отклонению величины амплитуды обобщенного вектора выходного напряжения автономного инвертора. В качестве отправной точки процедуры синтеза регулятора — формируется желаемая передаточная функция замкнутой системы. Динамические процессы в рассматриваемой системе будет определять характеристический полином, тип которого может быть произвольным. Сравниваются два вида регуляторов: на основе фильтра Баттерворда и полинома Ньютона. Предложено использовать билинейное преобразование для реализации полученных непрерывных функций в дискретной форме записи для программной реализации в MATLAB Simulink и дальнейшей микропроцессорной отработки. 
Основные результаты. Благодаря разработанной модели, учитывающей дискретное формирование сигналов управления, получен спектральный состав выходных токов преобразователя электропривода и вольт-частотные выходные характеристики при параметрических возмущениях, создаваемых возмущениями в объекте управления. Показано, что наибольшей эффективностью обладает регулятор, в основе которого используется фильтр Баттерворда в сравнении как с разомкнутой, так и замкнутой системой с регулятором на базе полинома Ньютона. 
Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы при разработке малошумных электроприводов, применяемых в объектах специального назначения.

1. Al Rakib M.A., Rahman M.M., Hossain M.M., Rahman M.A., Samad M., Abbas F.I. Induction motor based speed and direction controller // European Journal of Engineering and Technology Research. 2022. V. 7. N 6. P. 82–86. https://doi.org/10.24018/ejeng.2022.7.6.2868

2. Jumaa F.A., Aljanabi M., Duhis A.H., Abed J.K. PWM inverter with digital microcontroller for speed control applications // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. V. 1076. N 1. P. 012003. https://doi.org/10.1088/1757-899x/1076/1/012003

3. Richardson M.T., Patterson V., Parchment A. Microcontroller based space vector pulse width modulation speed control of three-phase induction motor // Proc. of the SoutheastCon. 2021. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/southeastcon45413.2021.9401922

4. Pietrzak P., Pietrzak P., Wolkiewicz M. Microcontroller-based embedded system for the diagnosis of stator winding faults and unbalanced supply voltage of the induction motors // Energies. 2024. V. 17. N 2. P. 387. https://doi.org/10.3390/en17020387

5. Rajeswaran N., Thangaraj R., Mihet-Popa L., Krishna Vajjala K.V., Ozer O. FPGA implementation of AI-based inverter IGBT open circuit fault diagnosis of induction motor drives // Micromachines. 2022. V. 13. N 5. P. 663. https://doi.org/10.3390/mi13050663

6. Zhou X., Giangrande P., Ji Y., Zhao W., Ijaz S., Galea M. Insulation for rotating low-voltage electrical machines: degradation, lifetime modeling, and accelerated aging tests // Energies. 2024. V. 17. N 9. P. 1987. https://doi.org/10.3390/en17091987

7. Chirindo M., Mushenya J., Khan M.A., Barendse P.S. Non-intrusive efficiency estimation of inverter-fed induction motors // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2023. V. 38. N 3. P. 1845–1854. https://doi.org/10.1109/tec.2023.3242173

8. Amirpour S., Soltanipour S., Thiringer T., Katta P. Adaptive determination of optimum switching frequency in SiC-PWM-based motor drives: a speed-dependent core loss correction approach // IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society. 2025. V. 6. P. 883–897. https://doi.org/10.1109/ojies.2025.3569349

9. Богданов А.А., Быстров Е.А. Анализ влияния алгоритма и режимов работы трехфазного инвертора на спектральный состав выходных токов // Современные проблемы машиностроения. 2021. C. 57–58.

10. Гарганеев А.Г., Абуэльсауд Р.С. Система электроснабжения на основе управления автономным инвертором с прогнозирующей моделью // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2018. Т. 21. № 1. С. 106–111. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2018-21-1-106-111

11. Cortes P., Rodrigues J., Quevedo D.E., Silva C. Predictive current control strategy with imposed load current spectrum // IEEE Transactions on Power Electronics. 2008. V. 23. N 2. P. 612–618. https://doi.org/10.1109/tpel.2007.915605

12. Shilin A.A., Bukreev V.G., Perevoshchikov F.V. Synthesis and implementation of λ-approach of slide control in heat-consumption system // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2022. V. 22. N 3. P. 501–508. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-3-501-508

13. Utkin V.I. Sliding Modes in Control and Optimization. Springer, 1992. 286 p.

14. Анучин А.С., Кульманов В.И., Стжелецки Р., Демидова Г.Л. Силовой преобразователь с активным подавлением высших гармоник для систем электроснабжения летательных аппаратов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. Т. 63. № 5. С. 417–428. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-5-417-428

15. Swami R.K., Kumar V., Joshi R.R. FPGA-based Implementation of Fuzzy Logic DTC for induction motor drive fed by matrix converter // IETE Journal of Research. 2022. V. 68. N 2. P. 1418–1426. https://doi.org/10.1080/03772063.2019.1649212

16. Аббас M.Х.А., Косарева-Володько О.В. Обзор исследований надежности электропитания за счет использования контроллеров на основе алгоритмов искусственного интеллекта // Горное оборудование и электромеханика. 2023. № 3 (167). С. 29–34. https://doi.org/10.26730/1816-4528-2023-3-29-34

17. Самойлов Л.К., Денисенко Д.Ю., Титов А.Е. Максимальные динамические погрешности фильтров лежандра в системах контроля и управления // Известия ЮФУ. Технические науки. 2024. № 2 (238). C. 164–175. https://doi.org/10.18522/2311-3103-2024-2-164-175

18. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 373 с.

19. Малёв Н.А. Исследование цифровых моделей чувствительности следящего электропривода // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 1 (61). С. 52–69.

20. Стрижнев А.Г., Русакович А.Н. Автоматизированный синтез цифровых регуляторов на основе дискретных передаточных функций объектов управления // Информатика. 2013. № 3 (39). С. 105–114.

21. Пиляев С.Н., Труфанов В.В., Афоничева Д.Д. Повышение энергоэффективности технологических установок на основе скалярного управления асинхронным электроприводом // Тенденции развития технических средств и технологий в АПК. 2021. Т. 2. С. 127–132.

22. Анучин А.С. Широтно-импульсная модуляция методом реализации мгновенных фазных потенциалов для трехфазных инверторов напряжения // Труды V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП2007. 2007. С. 263–265.