Синтез микропроцессорной системы управления шаговым электромагнитным приводом с использованием математического моделирования

В настоящее время приоритетным направлением в развитии энергетики является атомная энергетика. Разработана программа развития атомной энергетики России, основным направлением которой являются АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами мощностью 1000МВт типа ВВЭР-1000. Многолетняя практика сооружения и эксплуатации энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000 подтверждает их надежность и безопасность, что дает основание полагать, что энергоблоки данного типа будут сооружаться и эксплуатироваться и в ближайшие десятилетия.

В качестве основного способа регулирования мощности водо-водяного энергетического реактора используется перемещение поглощающих стержней в активной зоне. Группа поглощающих стержней объединяется в кластер, или орган регулирования (ОР). Каждый ОР перемещается при помощи электропривода.

В настоящее время одним из основных типов электропривода ОР системы управления и защиты (СУЗ) реактора ВВЭР-1000 является шаговый электромагнитный привод (ШЭМ), спроектированный разработчиком реакторной установки — ОКБ «Гидропресс». Разработчиком и изготовителем комплекса электрооборудования (КЭ) СУЗ, который включает в себя в т. ч. систему управления приводами, является ФГУП «НПП ВНИИЭМ».

Важными направлениями развития атомной энергетики России являются модернизация и продление ресурса действующих энергоблоков, а также увеличение срока службы новых реакторных установок до 60 лет. Поставляемый в настоящее время привод СУЗ ШЭМ-3 имеет назначенный срок службы 30 лет. Указанный срок службы обеспечивается при управлении приводом токами стабилизированной формы от КЭ СУЗ с аналоговой аппаратурой управления приводами.

Современные тенденции развития КЭ СУЗ связаны с расширением применения микропроцессорного управления в аппаратуре, в т. ч. в аппаратуре управления приводами ОР СУЗ реакторов ВВЭР. Это открывает новые возможности по увеличению срока службы и надежности системы СУЗ. В частности, в микропроцессорной системе управления может быть реализован алгоритм, снижающий ток, и, как следствие, динамические воздействия при срабатывании электромагнитов привода и тем самым повышающий срок службы и надежность его работы. Имеющийся в настоящее время научно-методический аппарат не позволяет провести разработку и оценку эффективности такого алгоритма. Необходимо усовершенствовать математическую модель контура управления током электромагнита. Усовершенствованная модель контура управления должна учитывать влияние вихревых токов магнитной системы и динамики перемещения привода на ток электромагнита.

Актуальность темы

работы обусловлена тем, что в ней проводятся научные и практические исследования по моделированию, проектированию и изготовлению микропроцессорной системы управления ШЭМ с повышенным сроком службы и надежностью, которые имеют важное значение для энергетики и экономики нашей страны.

В тематике ФГУП «НПП ВНИИЭМ» в настоящее время существует ряд разработок КЭ СУЗ, в которых применяется аппаратура с микропроцессорным управлением приводами ОР СУЗ, что подтверждает практическую востребованность данной работы.

В данной работе рассматривается комплекс научно-технических решений, связанных с синтезом микропроцессорной системы управления приводом типа ШЭМ.

Объект исследования — микропроцессорная система управления шаговым электромагнитным приводом ОР СУЗ реактора ВВЭР.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в контуре управления током электромагнита привода ОР СУЗ реактора ВВЭР.

Целью работы является обеспечение современных требований по увеличению срока службы и надежности СУЗ при помощи анализа электромагнитных процессов в элементах привода ШЭМ и синтеза микропроцессорной системы управления.

Научная задача заключается в синтезе микропроцессорной системы управления шаговым электромагнитным приводом ОР СУЗ, которая включает решение следующих частных задач:

• разработку математических моделей элементов привода и его системы управления, включая анализ электромагнитных процессов, протекающих в ШЭМ;

• синтез алгоритмов управления приводом, обеспечивающих снижение динамических нагрузок, действующих в приводе при срабатывании электромагнита, и введение дополнительного контроля работы привода;

• выбор схемотехнических и программных решений при разработке цифровой аппаратуры управления ШЭМ, позволяющих повысить срок службы и надежность КЭ СУЗ;

• анализ результатов испытаний и эксплуатации разработанной аппаратуры управления приводом ОР с ШЭМ в составе КЭ СУЗ на АЭС с реактором ВВЭР-1000.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• разработана математическая модель замкнутого контура цифрового управления электромагнитом привода ШЭМ, учитывающая влияние вихревых токов магнитной системы и динамики перемещения привода на ток электромагнита;

• на основе анализа полученной модели предложен и реализован новый алгоритм управления, снижающий динамические воздействия при работе привода;

• синтезированы новые схемотехнические и программные решения в аппаратуре управления шаговым электромагнитным приводом, позволяющие увеличить срок службы и надежность привода СУЗ.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

• представлен комплекс научно-технических решений, положенных в основу разработки цифровой аппаратуры управления шаговым электромагнитным приводом ОР СУЗ реактора ВВЭР-1000, успешно эксплуатирующейся на ряде действующих АЭС;

• результаты исследований процессов, протекающих в электромагните привода ШЭМ, могут представлять интерес для разработчиков устройств с управляемыми электромагнитами;

• универсальность моделирования и предложенного алгоритма управления, приведенных в этой работе, позволяют использовать их при разработке перспективных систем управления.

Внедрение результатов.

Разработанная микропроцессорная система управления приводом ШЭМ-3 прошла функциональные и квалификационные испытания и внедрена на 2-м энергоблоке Ростовской АЭС в составе комплекса электрооборудования СУЗ, а также осуществлена поставка оборудования для ряда строящихся АЭС, в т. ч. для нового проекта АЭС-2006.

Основные положения, полученные лично автором и выносимые на защиту:

• математическая модель контура управления током тянущего электромагнита ШЭМ, учитывающая влияние вихревых токов в защитной оболочке привода и динамики перемещения плунжера (якоря) на ток электромагнита;

• алгоритм управления током электромагнита, полученный на основе анализа и синтеза результатов исследования модели, позволяющий снизить динамические воздействия при срабатывании электромагнитов ШЭМ;

• структурные и программные решения, реализованные в микропроцессорной аппаратуре управления приводом ОР с ШЭМ для реактора ВВЭР-1000 с увеличенным сроком службы и надежности СУЗ.

Апробация результатов.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях секции НТС ФГУП «НПП ВНИИЭМ» «Электрооборудование и системы управления для АЭС».

Автор участвовал в VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (АЭП), проходившей с 28 по 30 сентября 2010 года в Тульском Государственном Университете. Доклад автора опубликован в [4].

Публикации по работе:

По теме диссертации в изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 4 статьи [1−4].

— 139-Выводы:

На основе проведенного анализа экспериментальных исследований и испытаний разработанной микропроцессорной системы управления приводом можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментальные исследования микропроцессорной системы управления приводом ШЭМ подтвердили адекватность построенных моделей тянущего электромагнита и микропроцессорной системы управления реальным объектам. Время экспериментального переходного процесса тока в тянущем магните и величина пульсаций близки к значениям, полученным при моделировании работы микропроцессорного контура управления током. Расхождение указанных параметров не превышает 12%. Динамические характеристики построенной модели тянущего электромагнита привода близки к реальному объекту управления. Ошибка во времени перемещения не превышает измерительной погрешности выбранного средства измерения — автоматизированного рабочего места АРМ-ЗА-В;

2. Построенная модель цифрового контура управления током электромагнита привода ШЭМ использована для синтеза микропроцессорной системы управления, обеспечивающей снижение динамических воздействий в управляемом приводе и тем самым повышающей срок службы и надежность его работы;

3. Относительно большие пульсации тока (5А при среднем значении тока 14А) объясняются влиянием вихревых токов, возникающих в элементах конструкции привода.

4. Характерное «проседание» тока на экспериментальном графике подтверждает правильность основного принципа, заложенного в предлагаемый алгоритм управления, т. е. снижение тянущего усилия с ростом скорости плунжера. Даже в случае существенной неточности построенной модели (например, отличие массы груза, наличие большой силы трения, «подпора» кластера теплоносителем) работоспособность предложенного алгоритма управления не нарушается. Независимость предложенного алгоритма управления от дестабилизирующих факторов и погрешностей является его преимуществом. Таким образом, система управления приводом, реализующая предложенный алгоритм, является робастной;

5. Подтверждена принципиальная возможность определения факта совершения перемещения по снижению тока во время движения;

6. Разработанная на основе проведенных исследований микропроцессорная система управления приводом ШЭМ-3 успешно прошла функциональные, квалификационные, предкомплексные и комплексные испытания на 2-м энергоблоке Ростовской АЭС и внедрена в промышленную эксплуатацию в составе комплекса электрооборудования СУЗ. Также осуществлена поставка оборудования для ряда строящихся АЭС, в т. ч. для нового проекта АЭС-2006.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. При помощи математического моделирования процессов, протекающих в системе управления шаговым электромагнитным приводом, решена задача синтеза микропроцессорной системы управления приводом, позволяющей повысить срок службы и надежность его работы;

2. Разработана математическая модель контура управления током тянущего электромагнита ШЭМ, учитывающая влияние вихревых токов в защитной оболочке привода и динамики перемещения плунжера (якоря) на ток электромагнита;

3. На основе анализа результатов исследования разработанных моделей предложен новый алгоритм управления током электромагнита, позволяющий снизить динамические воздействия при срабатывании электромагнитов ШЭМ и тем самым повышающий срок службы и надежность его работы;

4. На основе проведенных исследований разработано устройство управления приводом на микропроцессорной элементной базе. В нем реализованы новые структурные и программные решения, полученные в диссертации.

5. Проведенные экспериментальные исследования привода с разработанной микропроцессорной системой управления подтвердили основные теоретические положения и эффективность предложенного алгоритма управления;

6. Разработанная на основе проведенных исследований система управления приводом ШЭМ-3 успешно прошла функциональные, квалификационные, предкомплексные и комплексные испытания и внедрена на 2-м энергоблоке Ростовской АЭС в составе комплекса электрооборудования СУЗ. Также осуществлена поставка оборудования для ряда строящихся АЭС, в т. ч. для нового проекта АЭС-2006.