автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Асинхронный моментный электропривод с векторным управлением для имитации усилий запорной арматуры магистральных нефтепроводов

На правах рукописи

V

/)

I

I

V

Ланграф Сергей Владимирович

АСИНХРОННЫЙ МОМЕНТВОЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ИМИТАЦИИ УСИЛИЙ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

Специальность 05 09 03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗи{и

Томск-2007

003070119

Работа выполнена на кафедре электропривода и электрооборудования Томского политехнического университета.

Защита состоится 30 мая 2007 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.269 03 в 217 ауд. 8-го учебного корпуса Томского политехнического университета по адресу 634050, г Томск, пр Ленина, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу 634034, г Томск, ул Белинского, 55

Автореферат разослан «28» апреля 2007 г.

Научный руководитель- доктор технических наук,

профессор Бекишев Р.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Обрусник В П.

кандидат технических наук, доцент Орлов Ю А.

Ведущее предприятие Научно-производственное объединение

«Сибирский машиностроитель», г.Томск

Ученый секретарь диссертационного совета к.т н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время системы электропривода (ЭП) прочно занимают лидирующее место среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надёжную работу механизмов во многих областях техники и жизнедеятельности человека. Функциональные возможности и эксплуатационные параметры современных ЭП во многом определяются характеристиками применяемых систем управления.

В качестве приводного двигателя в последнее время наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современный асинхронный ЭП реализован на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат ЭП в широком диапазоне, с высоким быстродействием и большой точностью В создание и развитие теории систем ЭП переменного тока большой вклад внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые -ММ Ботвинник, И Я Браславский, А.А Булгаков, A.M. Вейнгер, Д А. Завалишин, Н Ф. Ильинский, В.И. Ключев, М.П Костенко, В В. Рудаков, Ю.А Сарбатов, OB Слежановский, ИМ Чиженко, Р.Т Шрейнер, В А Шубенко, И.И. Эпштейн, F Blaschke, J. Holtz, W Leonard, T A Lipo, D W Novotny и многие другие.

В настоящее время развитие систем асинхронного ЭП с микропроцессорным управлением позволяет путем создания новых программных алгоритмов синтезировать ЭП с широким набором эксплуатационных характеристик, что в свою очередь позволяет удовлетворить требования, накладываемые со стороны самых разных технологических объектов.

При эксплуатации любого трубопровода невозможно обойтись без элементов запорной арматуры (ЗА), предназначенных для управления потоками перемещаемой среды К элементам ЗА относятся задвижки, заслонки, краны и вентили Благодаря небольшому гидравлическому сопротивлению в открытом состоянии и высокой герметичности в закрытом, задвижки широко применяются на магистральных нефтепроводах Необходимость организации дистанционного контроля и требования эксплуатации во взрывоопасной зоне обуславливают широкое применение асинхронного ЭП для управления ЗА

Электропривод запорной арматуры (ЭПЗА) представляет собой сложный мехатронный модуль, объединяющий в своём составе систему управления, силовой преобразователь, асинхронный двигатель и редуктор В качестве силового преобразователя может использоваться преобразователь частоты (ПЧ) или тиристорный регулятор напряжения (ТРН). Известны также конструкции ЭПЗА с прямым управлением от сети при помощи контактора. Система управления обеспечивает требуемые режимы эксплуатации ЗА, адекватную реакцию ЭП на изменение внешних условий, поддержку защитных функций и коммуникаций с другими устройствами.

Системы ЭПЗА широко применяются в технологических процессах при перекачке нефтепродуктов Сбой и нарушение работы ЭПЗА может привести к тяжелым экологическим и экономическим последствиям. В случае превышения допустимого момента, ЭПЗА своим усилием может разрушить корпус задвижки. Если ЭПЗА не развивает требуемого момента, возможна ситуация с заклиниванием задвижки в закрытом состоянии, что также рассматривается как аварийная ситуация

При серийном производстве систем ЭПЗА на этапе экспериментальной проверки показателей функционирования возникает задача проведения сложных нагрузочных испытаний. В данном режиме выполняется проверка ЭПЗА на соответствие требованиям по ограничению и формированию выходного момента. При этом испытательное нагрузочное устройство должно полностью имитировать диаграмму эксплуатационных усилий, прикладываемых со стороны элементов ЗА различных типов.

Для создания нагрузочного усилия самым простым решением является применение механического тормозного устройства в виде барабана и колодок. К основным недостаткам следует отнести сложность стабилизации тормозного момента, шум, повышенную вибрацию и т.д Кроме того, опыт эксплуатации нагрузочного испытательного оборудования датой конструкции в ЗАО «ЭЛЕСИ», (г. Томск) показал, что точность результатов испытаний во многом определяется навыками и опытом оператора, который вручную управляет тормозным механизмом

Нагрузочное усилие можно получить применением генераторов и двигателей постоянного тока с различными типами силовых преобразователей и систем управления На фоне известных недостатков коллекторных машин постоянного тока с интересом рассматривается идея об использовании в качестве испытательного нагрузочного устройства асинхронного ЭП на базе ПЧ с векторным управлением.

Целью диссертационной работы является разработка системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проверки ЭПЗА с возможностью имитации нагрузочных усилий со стороны элементов ЗА различных типов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи-

1. Проанализировать особенности режимов работы ЭПЗА и выделить требования к нагрузочному моментному ЭП испытательного стенда.

2 Разработать математическое описание и динамические имитационные модели компонентов нагрузочного асинхронного ЭП и элементов ЗА.

3. Разработать методику определения структуры и параметров для системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда.

4 Реализовать микропроцессорное управление нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда и провести экспериментальное исследование его работоспособности.

Перечисленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории электрических машин, теории автоматического управления, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях.

Научная повнзна работы заключается в следующем

1. Получено математическое описание нагрузочных усилий в элементах ЗА, отличающееся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением воздействий прикладываемых со стороны компонентов ЗА к выходному звену ЭГОА.

2. На основе классической системы векторного управления АД разработана система управления нагрузочным асинхронным ЭП с переменной структурой, позволяющая в составе испытательного стенда сформировать нагрузочный момент, имитирующий работу компонентов ЗА различных типов, что в свою очередь даёт возможность проведения качественной проверки ЭПЗА.

3. Предложена методика оптимальной настройки модифицированной системы векторного управления АД на основе использования системы относительных единиц и последовательного перехода от имитационной модели АД во вращающейся координатной системе к имитационной модели в стационарной системе координат, что систематизирует и существенно упрощает процесс синтеза структуры и параметров системы векторного управления нагрузочным асинхронным ЭП.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем-

1 В среде Ма{1аЬ разработана имитационная модель процессов в элементах ЗА, что позволило провести анализ и формирование требований к ЭП нагрузочного стенда для испытаний ЭПЗА.

2. В сравнении с существующим способом ручного управления тормозным механизмом значительно повышена точность, информативности эффективность проведения нагрузочных испытаний при проверке ЭПЗА

3. Предложена инженерная методика синтеза регуляторов модифицированной системы векторного управления АД для применения в составе нагрузочного асинхронного ЭП испытательного стенда.

4 Разработано программное обеспечение для организации микроконтроллерного управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проведения испытаний ЭПЗА.

Результаты работы использованы на предприятии ЗАО «ЭЛЕСИ», г Томск при создании экспериментального образца нагрузочного испытательного стенда для проверки ЭПЗА в виде программного обеспечения для микроконтроллерной системы управления нагрузочным асинхронным ЭП Методика оптимальной настройки системы векторного управления АД использовалась при создании экспериментальных установок в лаборатории МУНЦ «Данфосс» при ТПУ и в учебном процессе кафедры ЭПЭО ТПУ при изучении дисциплин «Электропривод переменного тока», «Системы управления электроприводов» и дипломном проектировании студентов

На защиту выносится:

1. Математическая модель ЗА, на основе которой разработана методика формирования нагрузочного момента, позволяющая имитировать работу компонентов ЗА при проведении испытаний ЭПЗА.

2. Методика оптимальной настройки модифицированной системы векторного управления АД дня работы в составе нагрузочного асинхронного ЭП испытательного стенда.

3. Организация микропроцессорной системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда, реализующая функции управления в реальном масштабе времени

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках следующих мероприятий

- на международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», УГТУ-УПИ, г.Екатеринбург, 2003 г.

- на всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях», СибГИУ, г.Новокузнецк, 2004 г.

- на серии всероссийских научно-практических конференций «Современные средства и системы автоматизации», ТУСУР, г.Томск, 2003-2004 гг.

- на международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-2005, УГТУ-УПИ, г.Екатеринбург, 2005 г.

- на международной научно-технической конференций «Электромеханические преобразователи энергии», ТПУ, г Томск 2005 г.

- на всероссийской научно-технической конференции с международным участием. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», ЭЭЭ-2005, НГТУ, г.Новосибирск, 2005 г.

- на межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии», АПТ-2005, НГТИ, г Новоуральск, 2005 г

- на всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и силовая электроника», АЭПЭ-2006, СибГИУ, г.Новокузнецк, 2006 г.

- на международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффекпшность», СЭЭ-2006, НТУ «ХПИ», Украина, г Алушта, 2006г

- на всероссийской конференции-конкурсном отборе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение», ТПУ, г Томск, 2006 г.

- на серии международных научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», СТТ, ТПУ, г.Томск, 2004-2007 гг.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 18 работах, в том числе в 2 статьях в центральной печати, в 15 статьях и тезисах доклада и 1 свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 162 страницы, включая 72 рисунка, 15 таблиц и списка литературы из 70 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе проведён анализ основных требований, предъявляемых к стенду для проведения нагрузочных испытаний ЭПЗА магистральных нефтепроводов

В первом разделе рассматриваются особенности конструкции и эксплуатации ЗА магистральных нефтепроводов. Приводится классификация существующих типов арматуры, основные особенности и отличия

По своей конструкции задвижки представляет собой класс ЗА, в которых запорный орган совершает возвратно-поступательные движения перпендикулярно оси перемещения потока рабочей среды. На рис.1 представлен поперечный разрез задвижки, поясняющий особенности её конструкции

А

Выходной момент ЭПЗА прикладывается к грузовой гайке 1, преобразующей вращательное движение в поступательное перемещение штока 2. Нижний конец штока перемещает клин 3, образующий совместно с седлом 4 межуплотнительное пространство задвижки

На современном этапе в арматуростроении и при эксплуатации ЗА преобладает подход, при котором основную роль в устранении протечек отводят геометрическим и структурным параметрам герметизаторов. В данном случае усилие, прилагаемое к герметизаторам, является строго per-

ламентированным. Превышение установленного усилия влечёт за собой деформацию герметизаторов и, как следствие, потерю внутренней герметичности. Недостаточное усилие приводит к образованию щели в затворе и, следовательно, к появлению протечек.

Для каждого типа задвижек регламентированы паспортные значения усилий уплотнения и срыва клина с уплотненного состояния Данные усилия зависят от материалов, применяемых для изготовления уп-лотнительных поверхностей, их размерных характеристик, условий эксплуатации и других факторов.

Таким образом, требуемый уровень герметизации в задвижке можно получить путём осуществления комплексных мероприятий, которые должны привести к созданию условий, замедляющих процесс изменения исходных функциональных метрических параметров уплотнения. Одно из основных условий в повышении эксплуатационных свойств задвижки это совершенствование характеристик ЭП, который своими ушготнительными усилиями изменяет геометрические размеры уплотняющих поверхностей затвора и тем самым влияет на эксплуатационные свойства трубопроводной арматуры

Во втором разделе определено математическое описание процессов в элементах запорной арматуры, позволяющее подробно рассмотреть механические нагрузки с учётом жесткости конструкции компонентов ЗА

Перечислим основные компоненты задвижки, которые в процессе работы подвержены упругим деформациям- угловая и линейная деформация штока задвижки,

— линейная деформация опор для подставки под ЭПЗА,

— жесткость в компонентах уплотнения,

— отложения в затворе, появляющиеся во время эксплуатации задвижки. Математическое описание для имитационной модели задвижки с

учётом влияния упругих связей получаем при последовательном переходе от многомассовой системы к эквивалентной двухмассовой, (1)

dax

"Ж

J,

= Мзпэа-М12-М,

dM„

dt

Мв=Ъд!2{а} ,-o2) М, 2 =Му+Мв , dco

О)

'2 _

dt

= М12-М„„-М,

с2

dL„

dt

= fi>2 кв

где Мэта - моментное усилие, воздействующее на входной вал задвижки со стороны ЭПЗА,

М,2 -результирующий момент, передаваемый через упругое звено,

Мс1 - момент смешанного трения на валу первой массы (грузовая гайка, упорный подшипник качения),

Мс2 - момент смешанного трения на валу второй массы, приведённый к вращательному движению входного звена задвижки (направляющие штока, герметичное уплотнение штока), Му — упругий момент,

Мв — момент внутреннего трения упругого звена,

Мвш - момент от составляющей веса системы шток-клин, приведенный к

вращательному движению входного звена задвижки,

Мк — момент заклинивания, приведённый к вращательному движению

входного звена задвижки и создаваемый при контакте клина с седлом,

ю, — частота вращения первой массы (входной вал задвижки),

02 — частота вращения второй массы (поступательное перемещение штока

и клина, приведённое к вращательному движению входного вала),

Ьш - линейное перемещение пггока,

ке - коэффициент передачи винта,

3! - момент инерции первой массы (момент инерции входного вала задвижки, грузовой гайки и суммарный момент инерции компонентов ЭПЗА приведённый к входному валу задвижки),

J2 — момент инерции второй массы (инерционность поступательного движения системы нггок-клин приведенная к вращательному движению входного вала),

с<р12 ~ коэффициент эквивалентной угловой жесткости, учитывающий

суммарную упругость элементов задвижки, Ъв12 — коэффициент внутреннего вязкого трения.

На основании системы уравнений (1) получаем структурную схему имитационной модели задвижки с учетом влияния суммарной упругости и зазоров в кинематической цепи, рис 2

М,

(-)

М„„,

'СИ И

Д<Р ,,

д

Аш.т!

Чо

Др",,

м.

м, -м,

•рЬт

9гЧ

м.

о

Л/„,

1

Хр

К,

МКУ

м,

Рис 2. Структурная схема имитационной модели задвижки

Анализ исследований имитационной модели на базе математического описания нагрузочных усилий а элементах задвижки с учётом влияния упругих элементов выявил перекручивание грузовой гайки и наличие механических колебаний в компонентах ЗА при закрытии клина, рис.3.

м- 0.001, Н-м

со 0.1,

род/с

0.9 1 1.1 1-2 1.3 1.4 ( о

Д(р12 ■ 20,

рад

Ш

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 (, С

Рис.3, Графики переходных процессов при закрытии клина задвижки

Третий раздел посвящен обзору систем ЭП для управления ЗА. Рассматриваются различные варианты организации систем ЭПЗА, включая реализацию силового преобразователя и системы управления.

Производством ЭГТЗА занимаются многие российские и зарубежные предприятия, рис.4. ЭП данной конструкции имеют, как правило, исполнение с возможностью установки во взрывоопасной зоне, и включают в свой состав блок управления и редуктор. Блок управления реализует функции управления двигателем, осуществляет защиту и мониторинг состояния системы, а также поддерживает коммуникации с внешними устройствами [3,4].

Рис.4. ЭПЗА производства различных фирм

В рамках четвёртого раздела выделяются общие требования, предъявляемые к ЭПЗА.

В качестве основного требования к ЭПЗА выделяется задача обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов (прежде всего магистральных нефтепроводов) при одновременном снижении эксплуатационных затрат.

Безопасность обеспечивается за счет учета при проектировании ЭП большинства возможньгх эксплуатационных ситуаций, которые могут нарушить его работоспособность. Прежде всего, это связано с работой при отклонениях параметров питающей сети от нормы. Безопасность также обеспечивается за счет увеличения скорости перекрытия затвора задвижки и получения максимального усилия срыва уплотненного клина из седла задвижки [3,4].

Пятый раздел посвящен анализу механической конструкции испытательного стенда и формированию требований к нагрузочному электроприводу для проверки ЭПЗА. На рис.2 представлено устройство испытательного стенда для проведения нагрузочных испытаний [5, 6].

Рис.4. Внешний вид испытательного стенда для нагрузочных испытаний

На рис.4 представлены следующие компоненты нагрузочного стенда:

1 - АД нагрузочного моментного ЭП,

2 - место для установки испытуемого ЭПЗА,

3 - измерительное плечо,

4 — тензометрический датчик момента,

5 - редуктор,

6 — инкрементный датчик скорости,

Моментное усилие, развиваемое за валу АД 1, передаётся к редуктору 5 и далее поступает к выходу испытуемого ЭПЗА, 2, В процессе работы скорость АД измеряется датчиком 6, а крутящий момент, развиваемый между выходным валом и основанием испытуемого ЭПЗА, контролируется с помощью измерительного плеча 3 и те изометрического датчика 4.

С учётом требований к нагрузочному ЭП, предъявляемых с позиции организации качественных испытаний ЭПЗА, определена требуемая мощность АД и силового преобразователя. Применительно к эксплуатационным характеристикам сформированы требования по диапазону регулирования частоты вращения, выходного момента и быстродействия нагрузочного моментного ЭП.

В второй главе рассматривается математическое описание компонентов нагрузочного асинхронного ЭП

На основе второго закона Кирхгофа, закона Фарадея и метода пространственного вектора рассмотрены компактные уравнения для математического описания асинхронной машины: в стационарной системе координат (2) и в системе координат ориентированной по вектору потокосцеп-ления ротора (3).

1

(",а - V«» + ^Ко'гЧ'гр)

= Г {",0 - ГА/> + Р - Кв>гЧ>га) = ггкг>,а -агц/га -0)^,1!

= 1 А I. ¿V,

(2)

л

¿V,

л

— - г,к.1,я - а,

'гКЬц-аг'СгА + Пг'Уга

'^ЬЛи'гаЬр-Ч'грЬа)

<1<Ог 1 I \

-]\т~т»«р>

где 1за, , иш, и5р - компоненты пространственных векторов тока и напряжения статора,

у/га, у/гр — компоненты пространственного вектора потокосцепления ротора, ге, гг, аг, кг, кт — коэффициенты, учитывающие параметры АД, 3 ,(0г,т—момент инерции, частота вращения и момент, развиваемый на валу АД.

Структурная схема имитационной модели, реализованная согласно (2) даёт возможность рассмотреть процессы с наибольшим приближением к реальному АД, что удобно при исследовании статических и динамических режимов, рис.5

Рис 5. Структурная схема имитационной модели АД в стационарной системе координат

Вариант имитационной модели АД во вращающейся системе координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора наиболее удобен для представления АД в качестве объекта при синтезе системы управления ввиду упрощения математического описания (3) и уменьшения перекрёстных связей, рис 6.

= 7~(И« " + кгагУг + 1е°>к1!у)

¿1

~ = - - кг<огуг - 1еюк1а)

¿Уг

л

о = 'А'гу -Рк¥г <1тг 1 / \

(3)

(+)

к;гг

р(1/яг)+1

Мг,

г р(//г>1

X х : х __

л 1/г,

J р (/>,)+!

кг!а.

р(1я)+1

ш.

V,

С

кгг-

5

X

т„,

.гГхР^

1

со.

Рис.6 Структурная схема имитационной модели АД в системе координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора у/г

Несмотря на различные способы организации имитационных моделей в обоих случаях установлена идентичность и соответствие переходных процессов реальному АД, что свидетельствует о правильно выполненной разработке

Для удобства проведения исследований и анализа режимов АД использована система относительных единиц с ориентацией на номинальный режим работы, что позволяет рационально масштабировать уравнения и привести их к виду, удобному для математического моделирования вычислительными средствами с ограниченными ресурсами.

Анализ свойств автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией как дискретно-управляемого объекта с позиций

организации оптимального управления асинхронным ЭП позволил идентифицировать его в виде передаточной функции из последовательного соединения двух инерционных апериодических звеньев первого порядка с соответствующими постоянными времени.

Механическая система компонентов передач нагрузочного момент-ного ЭП представлена в виде эквивалентной двухмассовой системы, где в качестве основной упругости рассматривается ременная передача, соединяющая АД с редуктором.

Третья глава посвящена вопросам синтеза структуры и определения параметров системы управления нагрузочным асинхронным ЭП.

Для решения задачи формирования нагрузочного момента, имитирующего усилия, прикладываемые к ЭПЗА со стороны элементов ЗА, на основе математического описания (1) создано устройство для имитации нагрузочных моментов с программной реализацией Здесь и далее в работе под определением данного модуля будем подразумевать имитационный формирователь моментов нагрузки (ИФМН).

В соответствии с требованиями к работе испытательного стенда сигнал на выходе ИФМН должен полностью имитировать рабочие режимы различных типов ЗА при перемещении клина задвижки, задавая требуемое значение для ограничения нагрузочного момента тптах в функции угла поворота выходного звена ЭПЗА, имитируя свойства упругости ЗА

На рис.7 представлена функциональная схема системы векторного управления нагрузочным асинхронным ЭП для случая работы в режиме упора Система базируется на имитационной модели АД во вращающихся координатах, сориентированных по вектору потокосцепления ротора и представляет собой классическую структуру векторного управления с дополнительным внешним контуром положения. Для поддержания высокой стабильности характеристик и максимального быстродействия используется режим работы при задании постоянного потокосцепления ротора.

I и..

к эпза

Рис 7 Функциональная схема системы векторного управления моментным асинхронным ЭП для случая работы в режиме упора

При синтезе регуляторов для управления составляющими вектора тока статора и потокосцеплением ротора использовался метод определения желаемой передаточной функции с настройкой на модульный оптимум Для контуров управления частотой вращения и положением, ввиду минимизации ошибки по возмущению использована настройка на симметричный оптимум [15, 17, 18] По итогам синтеза регуляторов показатели качества в линеаризованной системе соответствуют ожидаемым значениям.

Для минимизации взаимного влияния между перекрёстными контурами управления потокосцеплением ротора и скорости использовано их преднамеренное разделение по быстродействию При синтезе регуляторов малая не-компенсируемая постоянная времени для контура скорости принята в четыре раза большей, чем аналогичная постоянная времени для контура управления потокосцеплением. Это дало возможность уменьшения взаимного влияния перекрёстных контуров в оптимизированной системе асинхронного ЭП.

Для решения задачи косвенного определения переменных параметров АД, недоступных для прямого измерения, но необходимых для организации качественного векторного управления использовано устройство вычисления переменных на базе обращенной имитационной модели АД с автоматической системой для компенсации внешних возмущений [13, 14]

В четвёртой главе рассматриваются вопросы экспериментального исследования работы нагрузочного асинхронного ЭП. Перед использованием разработанной системы управления в составе реального асинхронного ЭП с ПЧ производилась предварительная проверка работоспособности и оценка показателей качества. В данном случае наиболее удобным инструментом для проверки является метод имитационного моделирования эксплуатационных режимов работы разрабатываемой системы. На рис.8, представлены графики переходных процессов в имитационной модели моментного асинхронного ЭП при имитации нагрузочных усилий ЗА в режиме стопорения клина.

Рис.8 Переходные процессы в имитационной модели моментного асинхронного ЭП при имитации нагрузочных усилий ЗА в режиме стопорения клина

Анализ графиков переходных процессов на рис 8 показывает, что нагрузочный моментный ЭП выполняет имитационное формирование усилий, прикладываемых со стороны ЗА и соответствует требованиям, предъявляемым при проведении испытании ЭПЗА.

На рис.9 представлена аппаратная реализация моментного асинхронного ЭП для создания усилий, имитирующих работу ЗА. Система управления организована на базе цифрового сигнального микропроцессора TMS320F2812 компании Texas Instruments из специализированной серии С2000, предназначенной для управления ЭП. На микроконтроллер возложены функции мониторинга состояния системы осуществляемого с помощью датчиков в звене выпрямленного напряжения и датчиков тока статора АД [1, 2]. Контроль за положением и скоростью системы выполняется с помощью импульсных квадратурных датчиков положения (ДП), установленном на выходном валу ЭПЗА, и скорости (ДС), расположенном на валу АД

Необходимый набор защитных функций, система векторного управления и формирователь моментных усилий реализованы программно на базе ресурсов микропроцессора.

Рис 9 Аппаратная реализация моментного асинхронного ЭП

Среда программирования Code Composer Studio 3 1 и аппаратные средства для отладки микропроцессора TMS320F2812 позволяют выполнить программную реализацию системы управления и дают возможность получить графики работы в режиме реального времени. На рис.10 представлены экспериментальные графики переходных процессов в моментном

асинхронном ЭП при имитации нагрузочных усилий в режиме стопорения клина. Параметры работы ЭП аналогичны рассмотренным ранее при имитационном моделировании, рис.9.

Рис 10. Переходные процессы в моментом асинхронном ЭП при имитации нагрузочных усилий ЗА в режиме стопорения клина

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о незначительном расхождении между результатами имитационного моделирования и данными эксперимента, что свидетельствует о правильности выполненной работы.

В заключении сформулированы основные научные результаты работы, рекомендации по их применению, описана их новизна и практическая значимость

В приложении представлены имитационные модели, реализованные в программном пакете МайаЬ, а также приведены сведения о внедрении результатов выполненной работы в производство и учебный процесс

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в работе исследования позволили получить следующие основные результаты:

1. По итогам исследований и проведения анализа математической имитационной модели запорной арматуры определены особенности изменения формы кривой, необходимой для имитации моментаых усилий запорной арматуры магистральных нефтепроводов применительно к ЭПЗА. На основе полученных данных разработан алгоритм имитационного формирования нагрузки для моментного ЭП, позволяющий имитировать нагрузочные усилия со стороны ЗА, что даёт возможность организовать проведение качественных испытаний ЭПЗА различных типов.

2. На базе метода пространственного вектора предложены математические описания процессов в АД с последовательным переходом к имитационным моделям в виде двух вариантов структурных схем: в стационарной системе координат и во вращающейся с ориентацией по вектору пото-косцепления ротора. Первый вариант удобен при исследовании и анализе режимов работы АД, а второй даёт возможность рассмотреть АД с позиций объекта оптимального управления и создает предпосылки для разработки качественных систем управления.

3 Предложена методика синтеза структуры и параметров для оптимальной настройки системы векторного управления асинхронным нагрузочным ЭП Благодаря предложенному варианту определения малых не-компенсируемых постоянных времени, данная методика позволила минимизировать взаимное влияние перекрёстных контуров управления пото-косцеплением ротора и скорости

4 Разработано программное обеспечение для микроконтроллерной системы управления асинхронным моментным ЭП, применяемым в составе нагрузочного стенда для организации приемочных испытаний ЭПЗА в заводских условиях.

5 Предложенные в работе решения используются на предприятии ЗАО «ЭЛЕСИ» г.Томск для организации и проведения испытаний серийно выпускаемых ЭПЗА. Проведение испытаний в автоматизированном режиме позволило более чем в два раза снизить время, необходимое для проверки ЭПЗА при одновременном улучшении качества настройки, что в итоге улучшает режимы работы ЗА и повышает безопасность эксплуатации нефтепроводов

Основпые положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах.

1. Антропов А А., Гарганеев А Г, Каракулов А С , Ланграф С В , Нечаев MA Опыт разработки преобразователя частоты для асинхронного электропривода общепромышленного применения//Электротехника. -2005 г. -№ 9 - С 23-26

2 Антропов А А , Гарганеев А Г., Каракулов А С., Ланграф С. В , Нечаев M А Серия преобразователей частоты компании ЭЛЕСИ для общепромышленного применения//Сборник трудов конференции ЭГПТГ-2005, УГТУ-УПИ, 2005. С. 85-89

3. Антропов A.A., Гарганеев А.Г, Каракулов А С , Ланграф C.B., Че-ремисин В.Н. Интеллектуальные электроприводы ЗАО «ЭлеСи» для за-порно-регулирующей арматуры//Сб. материалов 5 Конгресса нефтегазо-промышленников России (8-10 сентября 2004). Казань.-2004 - С. 120- 122.

4. Гарганеев А.Г., Каракулов А.С , Ланграф С В , Саидов В.С Особенности применения и принципы построения электроприводов запорной арматуры трубопроводного транспорта нефтепродуктов// Техшчна електродинамжа, тематичний випуск, Силова електрошка та

енергоефектившсть, Частина 2, 1нститут електродинашки HAH Укрщни, Khïb 2006.

5. Гарганеев А.Г, Ланграф С.В Испытательный стенд для проверки электроприводов запорной арматуры// Техтчна електродинамЬса, тема-тичний випуск, Силова електрошка та енергоефектившсть, Частина 5, 1нститут електродинамши HAH Украши, Кшв 2006

6 Гарганеев А.Г, Ланграф С В. Стенд для нагрузочных испытаний электроприводов Материалы Ш-ей всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и силовая электроника» (АЭПЭ-2006), Новокузнецк 2006.

7 Гарганеев А.Г, Яровой А.Т, Бабушкина Л Ю , Каракулов А.С , Ланграф С.В , Расстригин А.А Энергосберегающая модификация векторного управления асинхронного двигателя Известия Томского политехнического университета, №7 2005, Т 308, Изд-во ТПУ, 2005, С.130-134

8. Дементьев Ю H, Ланграф C.B. Управление моментом в асинхронном электроприводе вращающей печи барабанного типа. Сборник трудов международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», Екатеринбург, 2003 г.

9. Каракулов А.С , Красилёв В.В , Ланграф C.B., Марьянов А Ю. Регулирование момента электропривода в системе асинхронный двигатель -тиристорный регулятор напряжения// Труды V межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии» (АПТ-2005) Новоуральский государственный технический институт, Но-воуральск - 2005

10. Каракулов А С., Ланграф С .В Оптимизация использования процессорного времени в многозадачных приложениях систем управления электроприводов. // Материалы международной научно-технической конференции, «Электромеханические преобразователи энергии» 20-22 октября 2005 г., Томск- ТПУ С 127-134

11 Каракулов А С , Ланграф С.В. Способ разработки многозадачного программного обеспечения для управления преобразователем частоты //Материалы второй научно-технической конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (ЭЭЭ-2005) Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск - 2005. С 83-86

12. Каракулов АС, Ланграф СВ. Процедура идентификации мо-ментного усилия электроприводов запорной арматуры магистральных нефтепроводов Авторское свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006613464 Роспатент. Москва, 5.10 2006.

13. Ланграф С.В Определение момента асинхронного двигателя в статическом режиме// Материалы пятой научно-практической конференции (Томск, 21-22 октября 2004 г.). Изд-во Томского университета систем управления и радиоэлектроники, 2004. С. 53,54.

14. Ланграф С.В Косвенное определение момента в асинхронном электроприводе // Труды Х-ой Международной научно-практической кон-

ференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», ГНУ, Томск 2004г.

15. Ланграф C.B. Оптимизация систем векторного управления асинхронных электроприводов // Материалы ХП-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ-2006), Изд-во ТПУ, 2006, С. 68-70.

16 Ланграф C.B. Разработка программных алгоритмов энергоэффективного управления тиристорными устройствами плавного пуска асинхронных двигателей // Материалы Всероссийской конференции конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение», Томск- Изд-во ТПУ, 2006.

17. Расстригин А.А., Ланграф C.B. Математическая модель системы векторного управления асинхронным двигателем // Материалы международной научно-технической конференции, «Электромеханические преобразователи энергии» (ЭПЭ-2005): Изд-во "ЛГУ, 2005г, С.209-213.

18 Langraf S V, Obraztsov K-V. Optimization of vector control system induction motor drives // Modern techniques and technologies. MTT-2006. Proceedings of the 12-th International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists, 27-31 March, 2006 Tomsk, Russia. Изд. ТПУ. - P 68-70

Личный вклад автора

Автором единолично написано четыре работы [13—16]. В работах, написанных в соавторстве, вклад автора состоит в следующем- анализ режимов эксплуатации ЭПЗА [3-6] (25%), оптимизация систем управления асинхронными ЭП [7-9, 17, 18] (50%), косвенное определения переменных АД, недоступных для прямого измерения [12] (75%), разработка программных алгоритмов для микроконтроллерного управления [1,2, 10,11] (50%).

Тираж 110 экз Подписано в печать 27 04.2007 г

Отпечатано в КЦ «Позитив» 634050 г Томск, пр Ленина 34а

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ.

1.1. Конструкция и эксплуатация запорной арматуры.

1.2. Математическое описание процессов в элементах запорной арматуры.

1.3. Обзор систем электропривода для запорной арматуры.

1.4. Требования, предъявляемые к электроприводам запорной арматуры

1.5. Формирование требований к нагрузочному электроприводу испытательного стенда для проверки электроприводов запорной арматуры.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ НАГРУЗОЧНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

2.1. Математическое описание процессов в асинхронном двигателе.

2.1.1. Система относительных единиц.

2.1.2. Стационарная система координат.

2.1.3. Система координат с принудительной ориентацией по вектору потокосцепления ротора.

2.2. Инвертор напряжения.

2.3. Элементы механической передачи нагрузочного электропривода.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗОЧНЫМ

МОМЕНТНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ.

3.1. Имитационный формирователь моментов нагрузки.

3.2. Синтез структуры и параметров для оптимальной настройки системы векторного управления асинхронным электроприводом.

3.2.1. Контуры управления составляющими вектора тока статора.

3.2.2. Контур управления потокосцеплением ротора.

3.2.3. Контур управления частотой вращения.

3.2.4. Контур управления положением.

3.3. Система косвенного определения переменных асинхронного двигателя, недоступных для прямого измерения.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ НАГРУЗОЧНОГО МОМЕНТНОГО АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1. Исследование динамических характеристик нагрузочного моментного электропривода методом численного моделирования в среде Matlab.

4.1.1. Линеаризованная система нагрузочного электропривода.

4.1.2. Система нагрузочного электропривода с учётом нелинейностей.

4.2. Исследование динамических характеристик разработанной системы

4.2.1. Описание экспериментальной установки.

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований.

4.3. Выводы.

Актуальность темы. В настоящее время системы электропривода (ЭП) прочно занимают лидирующее место среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надёжную работу механизмов во многих областях техники и жизнедеятельности человека. Функциональные возможности и эксплуатационные параметры современных ЭП во многом определяются характеристиками применяемых систем управления.

В качестве приводного двигателя в последнее время наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Изобретённая ещё в конце XIX века N. Tesla и модернизированная М.О. Доливо-Добровольским простая и надёжная конструкция трёхфазного АД явилась прообразом для большинства современных электродвигателей данного типа. Первые системы управления позволяли обеспечить работу АД лишь в режиме пуска-останова и не предполагали регулирование частоты вращения, что долгое время сдерживало широкое применение асинхронного ЭП.

Современный асинхронный ЭП реализован на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат ЭП в широком диапазоне, с высоким быстродействием и большой точностью. В создание и развитие теории систем ЭП переменного тока большой вклад внесли выдающиеся отечественные и зарубежные учёные - М.М. Ботвинник, И.Я. Браславский, A.A. Булгаков, A.M. Вейн-гер, 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. Шрей-нер, В.А. Шубенко, И.И. Эпштейн, F. Blaschke, J. Holtz, W. Leonard, T.A. Lipo, D.W. Novotny и многие другие.

В настоящее время развитие систем асинхронного ЭП с микропроцессорным управлением позволяет путём создания новых программных алгоритмов синтезировать ЭП с широким набором эксплуатационных характеристик, что в свою очередь позволяет удовлетворить требования, накладываемые со стороны самых разных технологических объектов.

При эксплуатации любого трубопровода невозможно обойтись без элементов запорной арматуры (ЗА), предназначенных для управления потоками перемещаемой среды. К элементам ЗА относятся задвижки, заслонки, краны и вентили. Благодаря небольшому гидравлическому сопротивлению в открытом состоянии и высокой герметичности в закрытом, задвижки широко применяются на магистральных нефтепроводах. Необходимость организации дистанционного контроля и требования эксплуатации во взрывоопасной зоне обуславливают применение для управления ЗА именно асинхронного ЭП.

Электропривод запорной арматуры (ЭПЗА) представляет собой сложный мехатронный модуль, объединяющий в своём составе систему управления, силовой преобразователь, асинхронный двигатель и редуктор. В качестве силового преобразователя может использоваться преобразователь частоты (ПЧ) или тиристорный регулятор напряжения (ТРН). Известны конструкции ЭПЗА с нерегулируемым силовым преобразователем в виде контактора. Система управления обеспечивает требуемые режимы эксплуатации ЗА, адекватную реакцию ЭП на изменение внешних условий, поддержку защитных функций и коммуникаций с другими устройствами.

Системы ЭПЗА широко применяются в технологических процессах при перекачке нефтепродуктов. Сбой и нарушение работы ЭПЗА может привести к тяжелым экологическим и экономическим последствиям. В случае превышения допустимого момента, ЭПЗА своим усилием может разрушить корпус задвижки. Если ЭПЗА не развивает требуемого момента, возможна ситуация с заклиниванием задвижки в закрытом состоянии, что также рассматривается как аварийная ситуация.

При серийном производстве систем ЭПЗА на этапе экспериментальной проверки показателей функционирования возникает задача проведения сложных нагрузочных испытаний. В данном режиме выполняется проверка ЭПЗА на соответствие требованиям по ограничению и формированию выходного момента. При этом испытательное нагрузочное устройство должно полностью имитировать диаграмму эксплуатационных усилий, прикладываемых со стороны элементов ЗА различных типов.

Для создания нагрузочного усилия самым простым решением является применение механического тормозного устройства в виде барабана и колодок. К основным недостаткам следует отнести сложность стабилизации тормозного момента, шум, повышенную вибрацию и т.д. Кроме того, опыт эксплуатации нагрузочного испытательного оборудования данной конструкции в ЗАО «ЭЛЕСИ», (г. Томск) показал, что точность результатов испытаний во многом определяется навыками и опытом оператора, который вручную управляет тормозным механизмом.

Нагрузочное усилие можно получить применением генераторов и двигателей постоянного тока с различными типами силовых преобразователей и систем управления. На фоне известных недостатков коллекторных машин постоянного тока с интересом рассматривается идея об использовании в качестве испытательного нагрузочного устройства асинхронного моментного ЭП на базе ПЧ с векторной системой управления.

Целью диссертационной работы является разработка системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проверки ЭПЗА с возможностью имитации нагрузочных усилий со стороны элементов ЗА различных типов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать особенности режимов работы ЭПЗА и выделить требования к нагрузочному ЭП испытательного стенда.

2. Разработать математическое описание и динамические имитационные модели компонентов нагрузочного асинхронного ЭП и элементов ЗА.

3. Разработать методику определения структуры и параметров для системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда.

4. Реализовать микропроцессорное управление нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда и провести экспериментальное исследование его работоспособности.

Перечисленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории электрических машин, теории автоматического управления, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получено математическое описание нагрузочных усилий в элементах ЗА, отличающееся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением воздействий прикладываемых со стороны компонентов ЗА к выходному звену ЭПЗА.

2. На основе классической системы векторного управления АД разработана система управления нагрузочным асинхронным ЭП с переменной структурой, позволяющая в составе испытательного стенда сформировать нагрузочный момент, имитирующий работу компонентов ЗА различных типов, что в свою очередь даёт возможность проведения качественной проверки ЭПЗА.

3. Предложена методика оптимальной настройки модифицированной системы векторного управления АД на основе использования системы относительных единиц и последовательного перехода от имитационной модели АД во вращающейся координатной системе к имитационной модели в стационарной системе координат, что систематизирует и существенно упрощает процесс синтеза структуры и параметров системы векторного управления нагрузочным асинхронным ЭП.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. В среде Ма^аЬ разработана имитационная модель процессов в элементах ЗА, что позволило провести анализ и формирование требований к ЭП нагрузочного стенда для испытаний ЭПЗА.

2. В сравнении с существующим способом ручного управления тормозным механизмом значительно повышена точность, информативность и эффективность проведения нагрузочных испытаний при проверке ЭПЗА.

3. Предложена инженерная методика синтеза регуляторов модифицированной системы векторного управления АД для применения в составе нагрузочного асинхронного ЭП испытательного стенда.

4. Разработано программное обеспечение для организации микроконтроллерного управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проведения испытаний ЭПЗА.

Результаты работы использованы на предприятии ЗАО «ЭЛЕСИ», г.Томск при создании экспериментального образца нагрузочного испытательного стенда для проверки ЭПЗА в виде программного обеспечения для микроконтроллерной системы управления нагрузочным асинхронным ЭП. Методика оптимальной настройки системы векторного управления АД использовалась при создании экспериментальных установок в лаборатории МУНЦ «Данфосс» при ТПУ и в учебном процессе кафедры ЭПЭО ТПУ при изучении дисциплин «Электропривод переменного тока», «Системы управления электроприводов» и дипломном проектировании студентов.

На защиту выносится:

1. Математическая модель ЗА, на основе которой разработана методика формирования нагрузочного момента, позволяющая имитировать работу компонентов ЗА при проведении испытаний ЭПЗА.

2. Методика оптимальной настройки модифицированной системы векторного управления АД для работы в составе нагрузочного асинхронного ЭП испытательного стенда.

3. Организация микропроцессорной системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда, реализующая функции управления в реальном масштабе времени.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках следующих мероприятий:

- на международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», УГТУ-УПИ, г.Екатеринбург, 2003 г.

- на всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях», СибГИУ, г.Новокузнецк, 2004 г.

- на серии всероссийских научно-практических конференций «Современные средства и системы автоматизации», ТУСУР, г.Томск, 2003-2004 гг.

- на международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-2005, УГТУ-УПИ, г.Екатеринбург, 2005 г.

- на международной научно-технической конференций «Электромеханические преобразователи энергии», ТПУ, г.Томск 2005 г.

- на всероссийской научно-технической конференции с международным участием. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», ЭЭЭ-2005, НГТУ, г.Новосибирск, 2005 г.

- на межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии», АПТ-2005, НГТИ, г.Новоуральск, 2005 г.

- на всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и силовая электроника», АЭПЭ-2006, СибГИУ, г.Новокузнецк, 2006 г.

- на международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность», СЭЭ-2006, НТУ «ХПИ», Украина, г.Алушта, 2006г.

- на всероссийской конференции-конкурсном отборе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение», ТПУ, г.Томск, 2006 г.

- на серии международных научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», СТТ, ТПУ, г.Томск, 2004-2007 гг.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 18 работах, в том числе в 2 статьях в центральной печати, в 15 статьях и тезисах доклада и 1 свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 162 страницы, включая 72 рисунка, 15 таблиц и списка литературы из 70 наименований.

4.3. Выводы

1. С помощью метода имитационного моделирования произведена проверка функционирования разработанной системы векторного управления асинхронным моментным ЭП. Анализ полученных результатов применительно к оценке взаимного влияния перекрёстных контуров потокосцепления ротора и скорости показывает, что для потокосцепления ротора максимальные отклонения не превышают величины = 9.02% при изменении частоты вращения и <т2 =0.63% при приложении возмущения со стороны нагрузки.

Применительно к контуру скорости, сколько-нибудь значительное влияние со стороны контура потокосцепления ротора отсутствует.

2. Переход к имитационной модели АД в стационарной системе координат потребовал введения координатных преобразователей для связи с системой управления. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о незначительном влиянии на качество переходных процессов в системе асинхронного ЭП с координатными преобразователями, что доказывает допустимость применения предложенной методики для оптимизации системы модифицированного векторного управления.

3. Результаты исследований работы имитационной модели системы нагрузочного моментного ЭП с векторным управлением при учёте нелинейно-стей для случая работы в режиме движения и при упоре доказывают правильность выполненной работы и создают предпосылки для перехода к созданию системы управления реальным асинхронным моментным ЭП с микроконтроллерным управлением.

4. Анализируя итоги выполненных экспериментов можно сделать вывод о незначительном расхождении между результатами имитационного моделирования и данными эксперимента, что свидетельствует о правильной работе разработанного асинхронного моментного ЭП, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к проверочному оборудованию при проведении нагрузочных испытаний ЭПЗА.

135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. В результате исследований и проведения анализа математической имитационной модели ЗА определены особенности изменения формы кривой, необходимой для имитации моментных усилий запорной арматуры магистральных нефтепроводов применительно к ЭПЗА. На основе полученных данных разработан алгоритм имитационного формирования нагрузки для моментного ЭП, позволяющий имитировать нагрузочные усилия со стороны ЗА, что даёт возможность организовать проведение качественных испытаний ЭПЗА различных типов.

2. На базе метода пространственного вектора предложены математические описания процессов в АД в виде комбинации двух вариантов структурных схем: в стационарной системе координат и во вращающейся с ориентацией по вектору потокосцепления ротора. Первый вариант удобен при исследовании и анализе режимов работы АД, а второй даёт возможность рассмотреть АД с позиций объекта оптимального управления и существенно упрощает разработку системы векторного управления.

3. Предложена методика синтеза структуры и параметров для оптимальной настройки системы векторного управления асинхронным нагрузочным ЭП. Благодаря предложенному методу определения малых неком-пенсируемых постоянных времени, данная методика позволила минимизировать взаимное влияние перекрёстных контуров управления потокосцеп-лением ротора и скорости.

4. Разработано программное обеспечение для микроконтроллерной системы управления асинхронным моментным ЭП, применяемым в составе нагрузочного стенда для организации приёмочных испытаний ЭПЗА в заводских условиях.

5. Основные закономерности и зависимости, выявленные при анализе конструкции и исследовании особенностей режимов работы ЗА, могут оказаться полезными при разработке новых качественных систем управления ЭПЗА.

6. Предложенные в работе решения используются на производственном предприятии ЗАО «ЭЛЕСИ» г. Томск для организации и проведения испытаний серийно выпускаемых ЭПЗА. Проведение испытаний в автоматизированном режиме позволило более чем в два раза снизить время, необходимое для проверки ЭПЗА при одновременном улучшении качества настройки, что в итоге улучшает режимы работы ЗА и повышает безопасность эксплуатации нефтепроводов.

1. Антропов A.A., Гарганеев А.Г., Каракулов A.C., Ланграф C.B., Нечаев М.А. Опыт разработки преобразователя частоты для асинхронного электропривода общепромышленного применения//Электротехника. № 9.2005. С.23-26

2. Антропов A.A., Гарганеев А.Г., Каракулов A.C., Ланграф C.B., Нечаев М. А. Серия преобразователей частоты компании ЭЛЕСИ для общепромышленного применения//Сборник трудов конференции ЭППТ-2005, УГТУ-УПИ, 2005. С. 85-89.

3. Афанасьев А.Ю. Моментный электропривод Казань: Изд-во Казанского ГТУ, 1997. - 250 с.

4. Б. Керниган, Д. Ритчи. Язык программирования Си: пер. с англ. 3-е изд., испр. - СПб.: Невский Диалект, 2001. - 352 с.

5. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.-392 с.

6. Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов М.: Академия, 2004. - 576 с.

7. Берестов В.М., Харитонов С.А. Алгоритм управления многоуровневым инвертором напряжения / Электротехника №10,2006, С. 41 46.

8. Бесекерский В.А., Попов Е.В. Теория систем автоматического управления. Изд. 4-е, перераб. и доп. СПб, Изд-во «Профессия», 2004. - 752с.

9. Борисов В.И., Готман В.И. Основы переходных процессов в электрических системах. 41. Учебное пособие. Изд-во ТПИ, 1969. 385с.

10. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением М. : Энергоатомиздат, 1988.-224 с.

11. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. 3-е перераб. изд. - М.: Энергоиздат, 1982, - 216 с.

12. Гарганеев А.Г., Ланграф C.B. Испытательный стенд для проверки электроприводов запорной арматуры// Техшчна електродинамка, тематичний випуск, Силова електрошка та енергоефектившсть, Частина 5, 1нститут електродинамки HAH Украши, Кшв 2006.

13. Гарганеев А.Г., Ланграф C.B. Стенд для нагрузочных испытаний электроприводов. Материалы Ш-ей Всероссийская научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и силовая электроника» (АЭПЭ-2006), Новокузнецк 2006.

14. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

15. Гончаров Ю. Технология разработки eXpressDSP. Часть III. Ядро реального времени DSP/BIOS // CHIP NEWS. 2001. № 6. С.23-26

16. Горев A.A. Переходные процессы в синхронных машинах. Госэнергоиздат, 1950.

17. Гошко А.И. Арматура трубопроводная целевого назначения. Выбор. Эксплуатация. Ремонт. М.: Машиностроение, 2003 - 432 с.

18. Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Акбердин A.M. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. 475 с.

19. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 : Основы применения: Полное руководство пользователя М.: СОЛОН-Пресс, 2002. - 768 с.

20. Изосимов Д.Б., Байда C.B. Алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции трехфазного инвертора напряжения //Электротехника №4, 2004, С.21-31.

21. Каракулов A.C., Ланграф C.B. Процедура идентификации моментного усилия электроприводов запорной арматуры магистральных нефтепроводов. Авторское свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006613464. Роспатент. Москва, 5.10.2006.

22. Каракулов A.C., Ланграф C.B. Разработка системы управления электроприводом запорной арматуры методом разделения математических моделей объектов управления // Известия ВУЗов. Электромеханика, №3, 2006. С. 54-56.

23. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. 2-е изд.перераб.и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704 с.

24. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока/ Пер. с нем. М. Л.: Госэнергоиздат, 1963. 735 с.

25. Козаченко В.Ф., Грибачев С.А. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instrumenst TMS32x24x для высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами// CHIP NEWS. 1998. № 11-12. С. 2-6.

26. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высшая школа, 2001. 274 с.

27. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB: учебный курс СПб.: Питер, 2005.- 512 с.

28. Ланграф C.B. Косвенное определение момента в асинхронном электроприводе. Труды Х-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», ТПУ, Томск 2004г.

29. Ланграф C.B. Определение момента асинхронного двигателя в статическом режиме// Материалы пятой научно-практической конференции (Томск, 21-22 октября 2004 г.). Изд-во Томского университета систем управления и радиоэлектроники, 2004. С. 53, 54.

30. Ланграф C.B. Оптимизация систем векторного управления асинхронных электроприводов. Материалы XII-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ-2006), Изд-во ТПУ, 2006, С. 68-70.

31. Лукас В.А. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990. - 416 с.

32. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: учебное пособие- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 416 с.

33. Олссон Г., Дж. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления.- СПб.: Невский Диалект, 2001. 557 с.

34. Расстригин A.A., Ланграф C.B. Математическая модель системы векторного управления асинхронным двигателем. Материалы международной научно-технической конференции, «Электромеханические преобразователи энергии» (ЭПЭ-2005): Изд-во ТПУ, 2005г., С.209-213.

35. Ротач В.Я. Теория автоматического упарвления: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2004. - 400с.

36. Сандлер A.C. Электропривод и автоматизация металлорежущих станков: учебное пособие. -М. : Высшая школа, 1972. 439 с.

37. Сейнов C.B. Трубопроводная арматура. Исследования. Производство. Ремонт. М.: Машиностроение, 2002. - 392 с.

38. Сейнов C.B., Сейнов Ю.С. Задвижки клиновые. Использование. Техническое обслуживание. Ремонт. Технический справочник из серии «Эксплуатация и ремонт арматуры, трубопроводов, оборудования. М.: Инструмент, 2003. - 144 с.

39. Справочник по автоматизированному электроприводу /Под.ред. В.А. Елисеева и A.B. Шинянского. -М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

40. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов : учебник для вузов М. : Академия, 2005. - 301 с.

41. Трубопроводный транспорт нефти./ Г.Г.Васильев, Г.Е. Коробков, А.А.Коршак и др.; под ред. С.М. Вайнштока. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. - 407 с.

42. Удут Л.С., Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 6. -Механическая система электропривода постоянного тока: Учебное пособие. Томск: Изд. ТПУ, 2004. -144с.

43. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. -Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 654 с.

44. Шрейнер Р.Т., Дмитриенко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами Кишинев: Изд-во Штиинца, 1982. - 223 с.

45. Шрейнер Р.Т., Кривовяз В.К., Калыгин А.И. Координатная стратегия управления непосредственными преобразователями с ШИМ для электроприводов переменного тока / Электротехника №6, 2003, С. 39 47.

46. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. -М.: Энергоиздат, 1982. 192 с.

47. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ.высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков; под ред. И.Я. Браславского М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256с.

48. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientierung die Grundlage fur die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen // Siemens Zietschrift, 1971. Bd. 45, H. 10.-S. 757-760.

49. C. Lascu, I. Boldea, and F. Blaabjerg. A modified direct torque control for induction motor sensorless drive, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 36, no. 1, pp. 122130, January/February 2000.

50. Giovanna Oriti, Alexander L. Julian, Thomas A. Lipo. A New Space Vector Modulation Strategy for Common Mode Voltage Reduction IEEE IAS Annual Meeting, 1995 pp. 2451-2458.

51. Habetler T.G., Divan D.M. Control strategies for direct torque control using discrete pulse modulation. // IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 27, Sept./Oct., 1991.-p. 893-901

52. Joachim Holtz. Methods for Speed Sensorless Control of AC Drives. Sensorless Control of AC Motors. IEEE Press Book, 1996.