Повышение работоспособности асинхронного электропривода трубопроводной арматуры при низких температурах

Актуальность темы

Системы управления электроприводов (ЭП) в настоящее время обеспечивают бесперебойную и надёжную работу механизмов во многих областях техники. Функциональные возможности современных ЭП во многом определяются характеристиками применяемых систем управления, а также параметрами силовой части ЭП.

Наибольшее распространение получил асинхронный ЭП на базе силовой полупроводниковой техники с микропроцессорным управляющим устройством, позволяющим организовать регулирование выходных координат ЭП в широком диапазоне, с высоким быстродействием и большой точностью. Существенный вклад в создание и развитие теории систем ЭП переменного тока внесли выдающиеся отечественные и зарубежные учёные — М. М. Ботвинник, И. Я. Браславский, A.A. Булгаков, A.M. Вейнгер, Д. А. Завалишин, Н. Ф. Ильинский, В. И. Ключев, М. П. Костенко, В. В. Рудаков, Ю. А. Сарбатов, О. В. Слежановский, И. М. Чиженко, Р. Т. Шрейнер, В. А. Шубенко, И. И. Эпштейн, G. Schroder, F. Blaschke, J. Holtz, W. Leonard, T.A. Lipo, D.W. Novotny и многие другие.

Актуальной на сегодняшний день является задача повышения работоспособности асинхронного ЭП запорной трубопроводной арматуры (ЗТА) с целью достижения эксплуатационных характеристик при низких температурах окружающей среды.

В процессе эксплуатации нефтяного трубопровода основными функциональными элементами являются элементы запорной трубопроводной арматуры, предназначенные для управления потоками перемещаемой жидкой среды. К элементам ЗТА относятся задвижки, заслонки, краны и вентили. Задвижки широко применяются на магистральных нефтепроводах благодаря небольшому гидравлическому сопротивлению в открытом состоянии и высокой герметичности в закрытом состоянии. Применение для управления ЗТА асинхронного ЭП позволяет обеспечить дистанционный контроль и удовлетворить требования эксплуатации ЭП во взрывоопасной зоне [1].

В состав электропривода запорной трубопроводной арматуры входят система управления, силовой преобразователь, асинхронный двигатель (АД) и редуктор. В качестве силового преобразователя используются преобразователь частоты (ПЧ) или тиристорный регулятор напряжения (ТРН). Система управления предназначена для обеспечения требуемых режимов эксплуатации ЗТА, с учетом изменения внешних условий среды и возмущающих воздействий, поддержки защитных функций и коммуникаций с другими устройствами в составе распределенной промышленной сети.

Электроприводы запорной арматуры магистральных трубопроводов эксплуатируются в различных географических широтах с большими контрастами температуры окружающего воздуха. Особенно большое влияние на работоспособность электропривода оказывают низкие температуры окружающей среды в период запуска агрегатов после длительной остановки. Условия эксплуатации, особенно температура окружающей среды и э связанная с ней температура проходящей жидкости оказывают определяющее влияние на работоспособность и ресурс работы всех элементов электропривода: силового преобразователя, асинхронного двигателя, системы управления, механического преобразователя — редуктора, задвижки запорной арматуры [2].

Существенное влияние на механические характеристики электропривода оказывает изменение активного сопротивления роторной обмотки асинхронного двигателя при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от +20. .-60°С.

Таким образом, для обеспечения устойчивой работы электропривода запорной арматуры в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды необходим учет параметров всех элементов электропривода (редуктора, асинхронного двигателя) и разработка дополнительных блоков, обеспечивающих стабильную работу асинхронного электропривода запорной арматуры в температурном диапазоне +20. .-60°С.

Объектом исследования является асинхронный электропривод с редуктором волнового типа, работающий в широком диапазоне температур окружающей среды.

Предметом исследования является влияние низких температур окружающей среды на электромеханические характеристики асинхронного электропривода.

Целью диссертационной работы является повышение работоспособности частотно-регулируемого электропривода трубопроводной арматуры, работающего при низких температурах окружающей среды.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ особенностей работы запорной арматуры и выделить требования, предъявляемые к асинхронному электроприводу и его нагрузочным характеристикам.

2. Уточнить математическую и имитационную модели асинхронного электродвигателя и редуктора электропривода запорной трубопроводной арматуры с учетом влияния температуры окружающей среды.

3. Разработать адаптивный регулятор системы управления электропривода, позволяющий сформировать требуемый электромагнитный момент асинхронного двигателя в зависимости от температуры окружающей среды.

4. Модифицировать программное обеспечение для организации микроконтроллерного управления асинхронным электроприводом при создании необходимого электромагнитного момента в функции от температуры окружающей среды.

5. Исследовать статические и динамические характеристики электропривода запорной арматуры с учетом изменения температуры окружающей среды на имитационных моделях и экспериментальном стенде.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы: теория электропривода и электрических машин, теория автоматического управления, численное моделирование, а также экспериментальные исследования. Математическое моделирование осуществлялось в среде МАТЬАВ 6.5, а программирование — на языке Си.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных выводов и результатов подтверждается моделированием на основе современных программных продуктов, количественным и качественным соответствием данных теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан алгоритм коррекции параметров регулятора скорости и тока электропривода запорной арматуры, учитывающий влияние температуры окружающей среды на активное сопротивление обмотки ротора и позволяющий обеспечить требуемые показатели качества перемещения задвижки.

2. Создан алгоритм сигнальной адаптации задания электромагнитного момента асинхронного двигателя, учитывающий изменение механических потерь в редукторе электропривода запорной арматуры и низких температурах окружающей среды.

3. Предложено корректирующее устройство и методика выбора его параметров, обеспечивающее уменьшение уровня вибраций в механической части задвижки путем формирования дополнительной составляющей задания электромагнитного момента асинхронного электропривода запорной арматуры.

Практическая ценность диссертационной работы:

1. Разработана программа расчета параметров регуляторов тока и скорости асинхронного электропривода запорной арматуры с учетом влияния температуры окружающей среды.

2. Разработана программа расчета значений сигнальной адаптации электромагнитного момента и параметров корректирующего устройства электропривода запорной арматуры с учетом влияния температуры окружающей среды.

3. Разработана программа расчета корректирующих значений электромагнитного момента асинхронного двигателя с учетом изменения механических потерь в редукторе электропривода запорной арматуры и температуры окружающей среды в реальном времени на базе микропроцессора ТМ8320.

Результаты работы использованы на предприятии ООО НПО «СибМаш», (г. Томск) при создании промышленно выпускаемого асинхронного электропривода марки «ГУСАР», а именно, создание дополнительного программного алгоритма коррекции в программное обеспечение для микроконтроллерной системы управления ЭП, которое позволяет поддерживать постоянным выходное значение момента в зависимости от изменения температуры окружающей среды в диапазоне от +20 до -60°С.

На защиту выносится:

1. Алгоритм коррекции и программа расчета параметров регуляторов скорости и тока асинхронного двигателя, учитывающие влияние температуры окружающей среды на активное сопротивление обмотки ротора, позволяющие обеспечить требуемые показатели качества перемещения рабочего органа трубопроводной арматуры.

2. Алгоритм и программа расчета сигнальной адаптации для задания электромагнитного момента асинхронного двигателя, учитывающие изменение механических потерь в редукторе трубопроводной арматуры и температуры окружающей среды.

3. Вариант корректирующего устройства в виде апериодического звена и его программная реализация для формирования дополнительной составляющей задания электромагнитного момента асинхронного двигателя, что позволяет уменьшить вибрации в механической части электропривода трубопроводной арматуры.

4. Программа расчета характеристик асинхронного электропривода с учетом изменения температуры окружающей среды, позволяющая произвести расчет параметров основных элементов асинхронного электропривода и обеспечить требуемые показатели качества перемещения рабочего органа трубопроводной арматуры.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках следующих конференций: на X международной научно-технической конференции «Решетневские чтения», посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева, г. Красноярск / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т — Красноярск, 2006; на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск: ТПУ 2007; на VII международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск: ТПУ 2007; на серии международных научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», СТТ, ТПУ, г. Томск, 2006;2010 гг.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 7 публикациях, в том числе, двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объём работы составляет 139 страниц, включая 60 рисунков, 13 таблиц и списка литературы из 83 наименований и приложения из 46 страниц.

4.5. Выводы.

1. Результаты исследований работы имитационной модели асинхронного электропривода с векторным управлением при учёте нелинейностей для случая работы в режиме движения и при работе на упор доказывают правильность выполненной работы и позволили модифицировать систему управления ЭП и добиться требуемых показателей качества переходного процесса, а именно, время разгона электропривода не превышает 2с, точность отработки входных сигналов не превышает 5%.

2. По результатам выполненных экспериментов можно сделать вывод о незначительном расхождении между результатами имитационного моделирования и данными эксперимента. Полученная разница не превышает 5%, что свидетельствует о правильной работе разработанных алгоритмов управления асинхронного электропривода, удовлетворяющего требованиям испытаний ЭПЗА.

3. Анализ представленных экспериментальных и расчетных данных показал, что на характер изменения момента на выходном валу редуктора при моделировании температуры и частоты оказывают влияние два противоположных процесса различной физической природы, в частности, при понижении температуры повышаются текущий, критический и пусковой моменты за счет уменьшения активных сопротивлений статора и ротора асинхронного двигателя. Одновременно с этим происходит непрерывное поддержание постоянным момента механических потерь за счет изменения коэффициентов регуляторов в системе управления ЭПЗТА, что приводит к стабилизации момента во всем температурном диапазоне от +20 до -60°С.

Заключение

.

1. Произведено уточнение математической модели, которая позволяет подстраивать параметры АД в зависимости от температуры окружающей среды в режиме реального времени. Имитационная модель является адекватной по отношению к реальному асинхронному двигателю, т.к. отклонения показателей качества отличаются от экспериментальных, не более чем на 5%.

2. Произведенный анализ статических характеристик позволил выявить влияние эффекта вытеснения токов в стержнях ротора на момент АД с учетом температуры окружающей среды. Он заключается в увеличении критического и пускового моментов, а именно, критический момент АД увеличивается на 41%, пусковой момент АД увеличивается на 45% при изменении температуры с +20 до -60°С. Эффект вытеснения тока наиболее выражен при низких температурах, т.к. в этом случае в сечении паза ротора из-за большой неравномерности нагрева внутренняя область паза будет иметь намного большее сопротивление, чем область прилегающая к магнитопроводу, которая имеет малую температуру и обладает меньшим сопротивлением.

3. Созданный алгоритм коррекции и программа расчета параметров регуляторов скорости и тока асинхронного электропривода, позволяют учитывать влияние температуры окружающей среды на активное сопротивление обмотки ротора, а также позволяют обеспечить требуемые показатели качества перемещения рабочего органа трубопроводной арматуры, а именно время разгона всей системы уменьшилось на 24% с и точность позиционирования увеличилась на 80%.

4. Созданный алгоритм и программа расчета сигнальной адаптации задания электромагнитного момента асинхронного двигателя позволяют учитывать изменение механических потерь в редукторе трубопроводной арматуры с учетом температуры окружающей среды в реальном времени на базе микропроцессора ТМБ320, что позволяет снизить момент потерь в редукторе на 60%.

5. Разработаны вариант корректирующего устройства в виде апериодического звена и методика выбора постоянной времени фильтра, позволяющие сформировать дополнительную составляющую задания электромагнитного момента асинхронного двигателя, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний момента в механической части электропривода трубопроводной арматуры на 5,6%.

6. Разработана программа расчета сигнальной величины дополнительного задания на электромагнитный момент с учетом изменения механических потерь в редукторе и температуры окружающей среды в реальном времени на базе контроллера ТМ8320, которая позволяет учитывать потери, возникающие в редукторе при этом автоматически подстраивать систему управления для получения необходимого сигнала на формирование требуемого момента в режиме реального времени.

7. Анализ результатов исследования имитационной модели асинхронного электропривода с векторным управлением при учёте нелинейностей для случая работы в режиме движения и работе на упор, позволил модифицировать систему управления ЭП, а также добиться требуемых показателей качества переходного процесса, а именно, время разгона электропривода не более 2с, точность отработки входных сигналов не более 5%.