Интеллектуальный электропривод на основе вентильного двигателя для запорной арматуры
На правах рукописи
Шабуров Павел Олегович
интеллектуальный ЭЛЕКТРОПРИВОД
на основе вентильного двигателя
Для ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ
Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Челябинск – 2009
Работа выполнена на кафедре электромеханики и электромеханических систем Южно-Уральского государственного университета.
| Научный руководитель – | доктор технических наук, профессор |
| Воронин Сергей Григорьевич. | |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор |
| Цытович Леонид Игнатьевич; | |
| кандидат технических наук, доцент | |
| Федяев Василий Леонидович. | |
| Ведущее предприятие – | ФГУП «ПО «МАЯК», г. Озерск. |
Защита состоится 25 февраля 2010 г., в 10 часов, в ауд. 1001 на заседании диссертационного совета Д212.298.05 при Южно-Уральском государственном университете (ЮУрГУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ, с авторефератом – на официальном сайте ЮУрГУ www.susu.ac.ru.
Автореферат разослан «___» января 2010 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ, тел./факс: (351) 267-91-72,
| Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор | Ю.С. Усынин |
общая характеристика работы
Актуальность работы обусловлена необходимостью создания высоконадежных исполнительных устройств для систем автоматического управления, органически вписывающихся в общий автоматизированный комплекс, обладающих возможностью самодиагностики и способных реализовать свои функции без вмешательства человека.
Необходимость в таких устройствах возникает в аэрокосмической технике, ядерной и нефтегазовой промышленности. В частности, в технологических процессах нефтегазовой, химической и ядерной промышленности широкое применение находят различные виды запорной арматуры, управляющей потоками жидкости или газа, и автоматизация технологического процесса осуществляется через автоматизацию управления этой арматурой. Отсюда возникает необходимость создания надежного автоматизированного электропривода для управления запорной арматурой (ЭПЗА), обладающего всеми перечисленными выше функциями.
Как отечественные, так и зарубежные конструкции ЭПЗА не удовлетворяют требованиям современного производства, особенно тогда, когда отказ ЭПЗА как исполнительного элемента системы управления (СУ) может привести к остановке производства или другим опасным последствиям. В частности, не всегда обеспечивается контроль и регулирование усилий на закрывание и открывание задвижки, практически нигде не введены или слабо выражены функции самодиагностики и не предусмотрено обеспечение работоспособности при внезапных единичных отказах.
Для устранения существующих недостатков необходимо создавать СУ ЭПЗА другого поколения, управляемые непосредственно от цифрового устройства верхнего уровня, обменивающиеся с ними в непрерывном режиме цифровыми данными, реализующие сложные законы управления закрытием и открытием, с контролем основных выходных и промежуточных координат и параметров, реализующие на этой основе функции самодиагностики и включение в случае необходимости резервных регуляторов или переход на вспомогательные алгоритмы (циклограммы работы). Другими словами, речь идет о создании нового поколения систем управления, которые принято называть интеллектуальными.
В настоящее время в ЭПЗА находят применение не только асинхронные двигатели (АД), но и вентильные двигатели (ВД) с возбуждением от постоянных магнитов. Теория электропривода (ЭП) с ВД в настоящее время разработана достаточно полно для штатных режимов работы привода при отсутствии отказов. Имеется ряд работ, посвященных поведению привода при отказах отдельных элементов (Лозенко В.К., Воронин С.Г., Сандалов В.М., Вигриянов П.Г.). Однако, практически нигде не отражены вопросы исследования методов ликвидации последствий отказов, например, путем изменения алгоритмов работы привода или введение избыточности в отдельные каналы управления. Между тем, такими мерами можно обеспечить работоспособность привода при единичных отказах элементов без ухудшения его выходных характеристик.
Поэтому задача ликвидации последствий отказов очень актуальна для высоконадежных и ответственных производств и имеет большое научное и практическое значение.
Работа выполнена при государственной поддержке в рамках гособоронзаказа для ФГУП «ПО «Маяк» (х/т 2008245, х/т 2009095), при поддержке правительства Челябинской области (шифр гранта 004.07.06-08.БX) и при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «УМНИК» (номер госконтракта 6654 р/8842).
Цель работы – разработка принципов построения и теории высоконадежных интеллектуальных ЭПЗА, обладающих функциями самодиагностики и сохраняющих работоспособность при единичных отказах.
Методы исследований. В работе использовались методы теории надежности, теории графов, теории матриц, теории электромеханического преобразования энергии, цифрового моделирования на ЭВМ.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
– математические модели для расчета надежности ЭПЗА на основе теории графов;
– методика оценки надежности системы с резервированием;
– принцип и алгоритмы самодиагностики датчика положения ротора (ДПР) при выходе из строя одного канала;
– алгоритмы управления, обеспечивающие сохранение работоспособности привода при единичных отказах электронной аппаратуры и электромеханического преобразователя.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием методов описания статических и динамических процессов в математических и компьютерных моделях при общепринятых допущениях, результатами внедрения и эксплуатации ЭПЗА, экспериментальными исследованиями и машинными (ЭВМ) экспериментами.
Значение работы. Научное значение работы заключается в том, что:
1. Получена методика определения неисправности при выходе из строя одного канала любого трехканального ДПР без резервирования и с учетом резервирования, при использовании двух ДПР.
2. Предложены общие соотношения для формирования фазных токов при отказе одной из фаз, обеспечивающие постоянство электромагнитного момента.
3. Предложен метод расчёта надёжности системы в условиях распространения внешних импульсных возмущений по системе, учитывающей структурные особенности системы и характер связей между её элементами.
Практическое значение работы
1. Реализованы алгоритмы управления ЭПЗА, повышающие надежность оборудования при единичных отказах в резервируемых частях ЭП и сохраняющие высокое качество процессов управления.
2. Создана система управления ЭПЗА, обеспечивающая работоспособность при отказе силового или информационного элемента.
3. Разработан комплекс программного обеспечения, включающий математические модели, программы расчета параметров моделей и алгоритмов управления, позволяющий в значительной степени формализовать процесс проектирования.
4. Созданы опытные образцы интеллектуального ЭПЗА нового поколения, обеспечивающие наряду с заданными регулировочными свойствами сохранение работоспособности при единичных отказах.
Реализация результатов работы:
На основе предложенных схем, алгоритмов и программного обеспечения создан электропривод запорной арматуры ИП-1, который проходит сейчас стадию испытаний в ФГУП «ПО «Маяк», г. Озерск.
Результаты работы внедрены в неполноповоротном электроприводе шаровых кранов, выпускаемом ОАО «Кыштымский радиозавод», г. Кыштым.
ЭПЗА используется в электроприводе двери лифта, разрабатываемого НПО «Автоматика», г. Екатеринбург.
Материалы диссертационной работы применяются в лекционных курсах «Электропривод летательных аппаратов», «Микропроцессорные средства и системы» и «Микропроцессорная техника» для студентов специальностей 140601 «Электромеханика» и 140609 «Электрооборудование летательных аппаратов».
Апробация работы. Основные положения работы рассматривались и обсуждались:
– на XXV Всероссийской школе по проблемам науки и технологий, посвящённой 60-ю великой Победы, г. Миасс 2005;
– на IV-й научно-технической конференции «Молодежь в науке» РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров 2005;
– на Всероссийской выставке научно-техническое творчество молодёжи «Путь к обществу, основанному на знаниях» ВВЦ, г. Москва 2006;
– на II-й Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти ТГУ, 2007;
– на XXVII Всероссийской школе по проблемам науки и технологий, посвящённой 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева», г. Миасс 2007;
– на III международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», г. Екатеринбург 2007;
– на научно-технических конференциях ЮУрГУ в 2006–2009 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья. Получен 1 патент РФ на полезную модель. На алгоритмы, используемые в системе управления, получено свидетельство о регистрации программы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 158 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 13 таблиц, список используемой литературы из 123 наименований и 6 приложений.
основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель, научная новизна результатов исследования, представлены сведения о её апробации и основных публикациях по теме, приведены положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и основным задачам, которые возникают в современном производстве при управлении ЭПЗА. Проведено сравнение ЭПЗА по нескольким критериям, из которого заключаем что основой для проектирования и синтеза всей системы является применяемый электромеханический преобразователь (ЭМП).
Основные типы ЭМП: асинхронный двигатель, двигатель постоянного тока, синхронная машина и вентильный двигатель (ВД). Наиболее перспективным является применение ВД в ЭПЗА, в связи с целым рядом преимуществ этой электрической машины по сравнению другими.
Произведено сравнение ЭПЗА различных фирм изготовителей по требованиям, предъявляемым к системе управления:
1. Поворот на заданный угол в заданном направлении с заданной скоростью или ускорением. Поворот до положения «закрыто» или «открыто».
2. Удержание выходного вала в заданном угловом положении.
3. Гарантированное открытие или закрытие механизма (с необходимым моментом).
4. Диагностика основных параметров привода и событий во время работы, уменьшающая вероятность возникновения нештатных ситуаций в процессе производства.
5. Обмен информацией с цифровыми управляющими устройствами или с системой верхнего уровня. Осуществление управления и контроля от них же или с некоторого пульта управления.
6. Наличие активных обратных связей для решения задач регулирования давления, температуры, уровня и других параметров (при наличии соответствующих периферийных датчиков) по заданному алгоритму.
7. Возможность сохранения работоспособности ЭПЗА при единичных отказах.
Выяснено, что во многих приводах отсутствуют или слабо выражены функции самодиагностики, а вопросами сохранения работоспособности ЭПЗА при возникновении единичных отказов занимаются единицы крупных концернов по производству ЭПЗА.
Вторая глава посвящена созданию на основе уравнений в форме Коши, описывающих электромеханическое преобразование энергии в вентильном приводе, математической модели, учитывающей возможные внезапные отказы основных элементов.
За основу взяты разработанные ранее модели ВД в работах Овчинникова И.Е., Бута Д.А., Балагурова В.А., Воронина С.Г. и дополненные возможностью моделирования аварийных режимов, возникающих при работе привода.
При этом в качестве исходной принята схема подключения секций обмотки статора к полупроводниковому коммутатору, показанная на рис. 1. Коммутация секций обмотки статора осуществляется с помощью замыкания и размыкания силовых ключей K1-K6, которые условно показаны на рис. 1 в виде разомкнутых контактов.
На межкоммутационном интервале (МКИ) могут быть открыты два или три ключа. К источнику постоянного тока оказываются подключенными две или три секции обмотки якоря.
