автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнический комплекс с импульсно-непрерывным регулированием напряжения для защиты от коррозии металлических трубопроводов

4854604

Кривцов Алексей Олегович

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ИМПУЛЬСНО-НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОЕВ 2011

Новочеркасск - 2011

4854604

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Карнаухов Николай Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Пятибратов Георгий Яковлевич

кандидат технических наук, доцент Янкелевич Давыд Исаакович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС) (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 25 февраля 2011 года в 1300 на заседании диссертационного совета Д212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом - на сайте www.npi-tii.ru.

Автореферат разослан «24» января 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета П.Г. Колпахчьян

ОПЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электротехнические комплексы для защиты от коррозии подземных металлических сооружений (ПМС), включая металлические трубопроводы широкого назначения, яиляются неотъемлемой частью оборудования действующих производств по добыче, транспортировке и хранению энергоносителей. Эффективности применения противокоррозийной защиты трубопроводов и предотвращению аварийных ситуаций при их эксплуатации в настоящее время придается большое значение. Поиск путей решения существующей проблемы по продлению срока безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов ведется в направлениях:

- развития пассивной защиты, характеризуемой применением новых полимерных изоляционных материалов для покрытия трубопроводов;

разработки и применения схемотехнических решений преобразовательных устройств электрохимической защиты (УЭХЗ) катодного типа и систем управления ими, реализуемых с использованием новых принципов и режимов работы таких устройств, отвечающих требованиям государственного стандарта (ГОСТ Р51164-98).

Существующие УЭХЗ работают на принципе натекания постоянного тока защиты на трубопровод без учета: «эффекта поляризации-деполяризации» трубопровода, влияния собственных (погонных) параметров трубопровода на естественное перераспределение заряда по длине трубопровода за время деполяризации, фактического состояния преобразовательного устройства, контура «трубопровод-грунт» и системы управления электротехническим комплексом противокоррозийной защиты. В действительности параметры контура «трубопровод-грунт» в процессе эксплуатации изменяются из-за нарушения изоляции трубопровода, сезонных колебаний электропроводности грунта и переходных сопротивлений между трубопроводом и грунтом, а взаимное влияние смежных УЭХЗ при жестких схемах управления не учитывается. Указанные факторы определяют нестабильность потенциала защиты и ведут к снижению эффективности противокоррозийной защиты трубопровода, уменьшению срока его эксплуатации. Поэтому разработка и применение эффективного преобразовательного устройства с новыми принципами управления группой УЭХЗ электротехнического комплекса противокоррозийной защиты является важной и актуальной задачей.

Тема диссертационной работы соответствует научному направлению кафедры «Робототехника и Мехатроника» (ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет») - «Преобразователи устройств электрохимической защиты ПМС от коррозии блуждающими токами» и выполнена в рамках тематики НИР (по подпрограмме 206 «Топливо и энергетика» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным, направлениям науки и техники», 2006 г.). I

Объектом исследования является электротехнический комплекс противокоррозионной защиты металлических трубопроводов, имеющий преобразовательные устройства электроэнергии для формирования защитного электрического потенциала.

Предметом исследовании являются преобразовательные устройства и системы управления электротехническим комплексом противокоррозийной защиты, осуществляющие формирование защитного потенциала на трубопроводе в импульсно-непрерывном режиме с учетом поляризационных, деполяризационных характеристик трубопровода и окружающей среды.

Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных показателей работы электротехнического комплекса противокоррозийной защиты металлического трубопровода благодаря применению преобразовательных устройств импульсно-непрерывного режима, обеспечивающих повышенную эффективность преобразования электроэнергии и естественное перераспределение защитного потенциала по длине трубопровода.

Задачи диссертационной работы:

- осуществить анализ состояния проблемы и определить задачи совершенствования преобразовательных устройств и системы управления противокоррозийной защитой металлического трубопровода;

- обосновать целесообразность применения импульсно-непрерывного режима работы УЭХЗ и требования к форме импульсов выходного напряжения преобразователя;

- разработать математическую модель трубопровода с учетом погонных параметров и выполнить моделирование импульсно-непрерывного режима работы УЭХЗ;

разработать и предложить метод, систему управления преобразовательным устройством по формированию напряжения требуемой формы, обеспечивающие его энергоэффективную работу;

- разработать и предложить систему управления УЭХЗ, обеспечивающие поддержание защитного потенциала трубопровода на расчетном уровне;

- выполнить экспериментальные испытания преобразовательного устройства импульсно-непрерывного режима и реализаций предлагаемых технических решений по его управлению.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы: методы математического моделирования, дифференциальные уравнения в частных производных, разложение в ряд Фурье, методы управления сложными объектами в условиях неопределенности с использованием алгоритмов нечеткой логики; прикладное программирование и компьютерное моделирование; экспериментальные испытания предлагаемых технических разработок.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается коррек-ностыо поставленных в ней задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых математических моделей и

методов, а также подтверждена экспериментальными исследованиями.

Новые научные результаты:

предложен импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ трубопровода от коррозии, отличающийся использованием импульсов трапецеидальной формы и позволяющий поддерживать защитный потенциал трубопровода (за счет эффекта катодной поляризации - деполяризации трубопровода) на заданном уровне;

- разработана обобщенная математическая модель трубопровода в виде ИЬС - контура, позволяющая исследовать влияние погонных параметров трубопровода и изменений грунта на выбор параметров импульса напряжения трапецеидальной формы: его длительность, крутизну переднего и заднего фронтов;

- разработан новый зонный метод формирования изменяемых импульсов напряжения трапецеидальной формы на выходе УЭХЗ, отличающийся совмещением работы устройства переключения секций вторичной обмотки силового трансформатора и фазового управления силовыми полупроводниковыми приборами (СПИ);

- предложено применение алгоритмов нечеткой дошки для создания системы автоматизированного управления УЭХЗ, как сложным объектом в условиях неопределенности.

Практическая ценность работы:

- предложено рациональное схемотехническое построение силовой части преобразователя и системы управления УЭХЗ, позволяющее формировать трапецеидальное выходное напряжение и осуществлять регулирование защитного потенциала трубопровода при повышенной энергетической эффективности преобразования электроэнергии в силовом контуре;

- разработаны рекомендации по созданию системы управления цифрового блока и устройства переключения секций силового трансформатора (ТС), обеспечивающих реализацию импульсно-непрерывного режима по формированию выходного напряжения УЭХЗ при минимизации содержания гармонических составляющих в сети питания и нагрузке;

- предложены структурная схема построения аппаратно-программной части системы управления УЭХЗ для приема, обработки и передачи информации, а также алгоритмы, программные продукты нижнего и верхнего уровней управления электротехническим комплексом УЭХЗ;

- разработан регулятор управления УЭХЗ на базе нечёткой логики, позволяющий поддерживать защитный потенциал на заданном уровне;

- создан учебный стенд, позволяющий экспериментально исследовать работу преобразовательного устройства, систему управления, влияние формы импульса напряжения, параметров контура «трубопровод-грунт» на процессы формирования защитного потенциала в контрольных точках трубопровода.

Основные положения, выносимые на защиту:

- импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ трубопровода от коррозии;

- математическая модель металлического трубопровода для исследования влияния погонных параметров трубопровода, характеристик изоляционного покрытия и параметров трапецеидального импульса выходного напряжения при управлении группой УЭХЗ;

- зонный метод формирования трапецеидального импульса напряжения и управление УЭХЗ при минимуме потерь электроэнергии от гармоник;

- система автоматизированного управления электротехническим комплексом из группы УЭХЗ трубопровода от коррозии.

Внедрение результатов диссертационного исследования.

УЭХЗ с реализацией импульсно-непрерывного режима работы по защите трубопровода от почвенной коррозии (коррозии блуждающими токами) внедрен в эксплуатацию на действующем трубопроводе в г. Ростов-на-Дону. Результатом внедрения выполненного исследования в учебный процесс ГОУ ВПО ДГТУ является стенд для проведения лабораторных работ, который создан на базе однофазного преобразователя переменного тока в постоянный с плавным и ступенчатым регулированием выходного напряжения изменяемой формы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на седьмом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (INTELS' 2006), (г. Краснодар, НОУ КИИЗ, 2630 июня, 2006г.); на VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (10-12 октября 2007г., ДГТУ); на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ДГТУ в 2007- 2009 г.г.; на «Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студентов, посвященной 80-летию университета ДГТУ» (13-14 мая 2010 г., г. Ростов-на-Дону); на расширенном заседании кафедры «Электропривод и автоматика» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» ЮРГ'ГУ (НПИ, протокол № 4 от 15.11.2010 г., г. Новочеркасск); на расширенном заседании профессорско-преподавательского состава кафедры «Робототехника и мехатроника» ГОУ ВПО «ДГТУ» (протокол № 4 от 25.11.2010 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ: из них - две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, шесть - в трудах вузов и материалах конференций.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, списка литературы из 75 наименований и трех приложений. Объём работы составляет 168 страниц текста, 76 рисунков и 8 таблиц.

А_Е~| ПН ~ • УЭХЗг УЭХЗз ^---— Трубопровод - ^——- - - (Г

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные результаты исследований, выносимые на защиту. Показаны перспективы развития исследований по теме диссертации.

В первом разделе рассмотрено состояние проблемы, существующие методы защиты трубопроводов от почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами. Широкое применение имеет электротехнический комплекс катодной электрохимической защиты (рис.1), в основе которого лежит катодная поляризация .уэхз..

трубопровода отрицательным

потенциалом, создаваемым

А |+"И

непрерывным постоянным током ^ натскания от УЭХЗ. Смещение защитного потенциала в область

отрицательных значений ниже рис. 1. Электротехнический комплекс естественного уровня потенциала катодной электрохимической защиты:

Трубопровода Обеспечивает СНИЖеНИе ТС - силовой трансформатор; А-анодный

заземлнтсль; ГШ - преобразователь нанрнже-

скорости анодного растворения „,,„. СУ -система управления; Д-точка металла, что способствует замедлению дренажа, процесса коррозии.

Общепризнанным в мировой практике критерием противокоррозионной защиты является минимальный поляризационный защитный потенциал (ПЗП) (ит,чми„ = -0,85В),определяемый как разность потенциалов между трубопроводом и «близкой» землей при измерении с помощью медно-сульфатного электрода сравнения (МЭС). Для реального трубопровода минимальный поляризационный защитный потенциал определяется физико-химическими свойствами окружающего грунта и может находиться в диапазоне Ишчмш = -0,5...-1,2 В. Существующий ГОСТ Р51164-98 допускает на магистральных трубопроводах максимальный защитный потенциал до Имщмакс = -3,5 В. Принято минимальный защитный потенциал поддерживать на границе зоны действия УЭХЗ, а максимальный -в точке дренажа. При отключении УЭХЗ происходит медленное снижение поляризационного потенциала с перераспределением накопленного заряда по поверхности трубопровода и понижением защитного потенциала во времени за счет тока утечки изоляции. Данный «эффект последействия» можно использовать для повышения равномерности распределения защитного потенциала по трубопроводу и обеспечения энергосбережения. Однако с полным отключением УЭХЗ на трубопроводе могут возникать коррозионные макропары, вызывающие локальные коррозии, снижающие защищенность трубопровода и сроки его эксплуатации.

Для повышения эффективности противокоррозийной защиты предлагается использовать импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ,

позволяющий использовать «эффект последействия», при котором ПЗП снижается до определенного минимального уровня и исключается образование коррозионных макропар на трубопроводе.

Во втором разделе дается теоретическое обоснование к применению импульсно-непрерывного режима работы УЭХЗ по формированию защитного потенциала трубопровода. При анализе процессов в контуре протекания тока учтены факторы, обусловленные погонными электрическими параметрами трубопровода, как собственная индуктивность и электрическая емкость, обусловливающая накопление заряда и обеспечение «эффекта последействия». Для разных типоразмеров трубопроводов были определены приближенные значения внутренних параметров участка трубопровода (10 км) и для последующих исследований использованы их средние значения:

- электрическая емкость трубопровода, С = 1,731 • 10"4 Ф;

- электрическая индуктивность трубопровода, Ь = 4,78-10 2 Гн;

- продольное электрическое сопротивление трубопровода, Я/ = 11,8-10"2 Ом;

- сопротивление изоляции трубопровода, Я2 = 2000 Ом-м.

При подаче импульсного напряжения трубопровод можно представить цепью с распределенными ЯЬС параметрами. С учетом постоянной распределения потенциалов и токов вдоль трубопровода предложено использовать импульсы напряжения низкой частотой (единицы Гц), при которых длина волны значительно превышает участок рассматриваемого трубопровода (10км). В этом случае трубопровод можно представить в виде ЯЬС - контура с сосредоточенными параметрами (рис.2), а исследование его характеристик выполнить по схеме замещения для двух режимов:

1. Сопротивление изоляции Яшол на единицу длинны более 3 кОм-м, принимаемое при типовых расчетах коррозийной защиты металлических сооружений. Такой режим работы УЭХЗ возможен, когда трубопровод вводится в эксплуатацию и рассматривается повышенное сопротивление изоляционного покрытия >оо, >0).

2, Сопротивление изоляционного покрытия Ята, в процессе эксплуатации уменьшается более чем на порядок, т.е. Яш0„=Я2=тг, 12~уаг.

Так как использование I

«эффекта последействия» ° -°1.

подразумевает включение и У«. ' И и,ш.

отключение напряжения на о_1 Т_о'

трубопроводе, то опираясь на Рис. 2. Схема замещения участка

полученные приближенные «трубопровод-грунт»

значения внутренних электрических параметров трубопровода было произведено исследование переходных процессов на выходе Л/.С-цепи. Для этого были записаны уравнения баланса напряжений для ЯЬС - контура схемы замещения (рис.2) для разных уровней сопротивления изолирующего покрытия через поэлементные составляющие:

и„ ■

dU

RC—+ 1С-dt

a2u

dt*

+ um

u.

R2 \ ■ c R2 j

+ u„

(I)

(2)

Решения уравнений (1) и (2) получены посредством замены переменных через введение безразмерного времени Т, связанного с реальным временем I некоторым коэффициентом пропорциональности /о, т.е. / — ¿о* 7. Аналогично определено и безразмерное напряжение V, входящее в соотношение ишх =11 с - Ь- V. Найдены выражения производных действительного напряжения по действительному времени (как сШ/Ж, так и через производные безразмерного напряжения по безразмерному времени сШсП'и с/'КЛ/Г'.

После некоторых преобразований получено соотношение

У'(т)+^-У(т)+у(гЬ1. (3)

решение которого возможно с введением коэффициента, характеризующего внутренние электрические параметры трубопровода (ЛАС - контура) при первой производной У'(т) в виде 2-3 для двух рассматриваемых случаев:

Ь

1 )St

R-JC ' 2-4L

2) ¿2 =

R,

+ С ■ R,

2 ■

С

l + *»-R1

Поскольку значения параметров RLC - контура изменяются в широком диапазоне в зависимости от диаметра и материала трубопровода, толщины стенки и характеристик изоляционного покрытия, то исследования выполнены для общего случая, когда

( , ,_ч г

-s-r (т Г. . о

V = l-e

cos (г • + -jA==sm(T -JT-S2 j

(4)

Анализ полученных

зависимостей (рис. 3) показывает, что при резкой подаче или снятии прямоуголного напряжения с трубопровода, в последнем возникает колебательный переходной процесс, при котором наблюдаются перенапряжения (3/ и 32), что не допустимо. (ГОСТ Р51164-98 допускает пульсации напряжения на трубопроводе не более 3%). Для того,

Рнс.З. Временные зависимости выходного напряжения при воздействии импульса напряжения от УЭХЗ

что бы на границу зоны защиты трубопровода импульсы входного напряжения поступали с минимальными искажениями (кривая <5j) предлагается:

1. Подключение к трубопроводу на границе зоны действия УЭХЗ дополнительной емкости (С,)„„), которая исключит колебания на трубопроводе, снизит коэффициент ПЗП, улучшит поляризационно-деполяризационные характеристики трубопровода и повысит равномерность распределения защитного потенциала по трубопроводу;

2. Питание трубопровода осуществлять трапецеидальными импульсами с постоянной составляющей, формируемыми в импульсно-непрерывном режиме работы У ЭХЗ.

В ходе исследования первого способа была построена поверхность, отображающая влияние С()0П на форму импульса выходного напряжения (рис.4). Анализ поверхности показывает, что подключение к трубопроводу конденсатора Q0„ более 2Ф позволяет исключить возможные перенапряжения при изменении параметров '

трубопровода в процессе эксплуатации УЭХЗ.

Для исследования второго способа по определению угла наклона переднего фронта (у) и спада трапецеидального импульса выходного напряжения были приняты следующие значения напряжений трапецеидальных импульсов, допустимых ГОСТом (рис.5):

1) иш = -0,6В, Д£/ = -0,6В;

2) £/,„,„= -0,7В, Ш = -0,4В;

3) {/„„,, =-0,8В, Д(7 =-0,2В; при ПЗП на трубопроводе, U„ut= -0,9В = const.

Исследования показали, для обеспечения коэффициента пульсаций ПЗП меньше 3% угол у не должен превышать:

-у, = 77° (рис.6, кривая 1);

-у2 = 70° (рис.6, кривая 2);

-уз = 54° (рис.6, кривая 3).

Таким образом, при изменении амплитуды трапецеидальных импульсов с целью исключения колебательных процессов и уменьшения коэффициента пульсаций необходимо производить корректировку угла у при управлении.

Рис. 4

Рис. 5

Передний фрсш, град

Рис. 6

Дополнительно уменьшить пульсации на трубопроводе при нмнульсно-

уэхз, , ГуэхзГ УЭХ33 ,

я —_ Ь —— с 1_,_и d

/ ' j__' Трубопровод '_

A/Y

V_y/' 7\/\

Pnc.7

Рис. 8. Зависимость коэффициента пульсаций от угла сдвига импульсов

импульсов выходного

напряжения УЭХЗ относительно соседних станций. Результаты исследования влияния сдвига трапецеидальных импульсов УЭХ32 относительно УЭХЗ) и УЭХЗ3 (рис.7) подтвердили, что сдвиг импульсов УЭХ32 в пределах от 0 до 180° уменьшает пульсации защитного потенциала на границах зон действия УЭХЗ (точки b и с, рис.7). В режиме сдвига импульсов на 180° коэффициент пульсаций Г13П стремится к нулю (рис.8), таким образом, обеспечивая равномерность перераспределения потенциала по всей длине металлического трубопровода..

В третьем разделе приводится теоретическое обоснование способа формирования выходных импульсов УЭХЗ трапецеидальной формы при минимальных потерях электроэнергии от гармонических составляющих в силовых элементах преобразовательного устройства и контуре «трубопровод-грунт». Предложено схемотехническое решение для реализации данного ' способа, структуры устройства и алгоритм переключения выводов трансформатора при релейном (ступенчатом) регулировании напряжения на вторичных обмотках (однофазного, трехфазного) трансформатора. Определены зоны изменения угла управления а симисторами (тиристорами) преобразовательной части УЭХЗ, позволяющие реализовать ресурсосберегающие режимы преобразования электроэнергии с минимальными потерями в силовом трансформаторе (ТС)..

Процессы управления преобразователем на симисторах (тиристорах) обеспечиваются изменением угла управления а в пределах 0-90 эл. град, посредством цифровой системы зонного управления (ЦСЗУ) и микроЭВМ.

Оценка эффективности использования электроэнергии в зависимости от угла управления а при зонном управлении силовыми ключами преобразователя получена посредством анализа изменений коэффициентов мощности (/(„), симметрии (Кс), искажений {Кис) и приведена в виде графических зависимостей (рис.9).

Показано, что при граиичных углах аг управления из диапазона аг - 47-62 эл. град, все приведенные коэффициенты имеют значение > 0,95. Деление угла управления а (от 0 до 90 эл. г рад.) условно на две зоны с разграничением по углу управления аг = 50 эл. град., т.е. 0-50 эл. град, (зона I) и 50-90 эл. град.

(зона II) позволяет выбрать зону наиболее эффективного управления УЭХЗ по углу а с сохранением этих коэффициентов в диапазоне 0,95 - 1,0.

Снижение уровня гармоник г _____ __|

повышает электромагнитную ? ~ - -!.

совместимость СУ и силового оборудования электротехнического комплекса, позволяет возможность радиосвязи для информации о УЭХЗ и системы ими по защите трубопроводов от коррозии в режиме удаленного управления.

Для оценки пульсаций выходного напряжения УЭХЗ

была получена зависимость составляющих в виде

обеспечить

применения

передачи

состоянии

управления

Рис. 9. Зависимости коэффициентов К,„ Кс н Кис от угла управления а относительных значений гармонических

и

"тк

тк

и

= 2

V

1 + ■tg -а

\-кА-т ^tg -а

(5)

в.ср в

где Итк — амплитуда Л-гармоники, Ив.ср. - среднее выпрямленное напряжение; к - номер гармонической составляющей; т„- число фаз.

Анализ графических зависимостей относительных значений гармоник (рис. 10) показал, что расчетные значения амплитуд

гармонических составляющих при работе преобразователя во 11-ой зоне в 10-15 раз превышают амплитудные значения формируемых

гармонических составляющих напряжения в сети питания и контуре «трубопровод-грунт» при управлении УЭХЗ в 1-ой зоне.

Для реализации предложенного (зонного) метода управления преобразовательным устройством разработана структурная схема (рис. 11), включающая: цифровую систему зонного управления (ЦСЗУ), блок управления (БУ), цифровое логическое устройство (ЦЛУ), тиристорный преобразователь (ТП) и релейный симисторный переключатель (ключи УБ1, У82, ) на выводах вторичных обмоток ТС.

1-2 / Щ

г \ 1 Ц

\ / /II

111, 3, к-2 /

т, 2Л 4 \/ /

\ : / У / 1

т„=3.к=4 Ъ/У У/

--

Я1

60

■ 70 КО 90

(X, •>.'!. г рал

Рис. 10. Зависимости относительных значений второй и четвертой гармоник от угла управления а для разных схем выпрямления

Минимальное напряжение для создания потенциала защиты трубопровода от коррозии создается ТП, подключаемым на напряжение вторичных обмоток И/1 однофазного (трехфазного) ТС. Максимальное значение напряжения, крутизна переднего и заднего фронтов трапецеидального импульса формируются за счет дополнительного напряжения (рис. 12), скорость подъема которого, поддержание уровня и спада осуществляются при управлении симисторами УЯ2,..., (рис.11) программно и совместно (во времени) с тиристорами ТП по разработанному алгоритму. Минимальное напряжение 11 тш = и,ц формируется при угле управления а = (10-15 эл. град.) тиристорами ТП с последующим переключением симпсторов К5>'/ —» и управлением тиристорами по фазам Vа, и'а, I)'с при повышенных напряжениях (обмотки и'1 I- Ш) и изменяющихся углах

управления ал, ая, ас.

Изменение углов управления предусматривает пошаговое их уменьшение в соотношении аА > а и > ас, что позволяет программно регулировать скорость

подъема переднего фронта трапецеидального импульса

щков

Рис. 11. Структурная схема зонного управления симнсторио-тиристориым преобразователем

и'в (Ус-

выходного напряжения УЭХЗ по линии 1 (рис. 12) до значения И,п = итах. Формирование заднего фронта импульса напряжения осуществляется в обратном порядке при работе ключевых элементов /7Л'„ И5У в

соответствии с разработанным алгоритмом. Формирование выходного напряжения УЭХЗ выполняется посредством задаваемых в цикле значений шага изменения угла а и числа участков выпрямленных полупериодов напряжения, количество которых равно числу циклов в алгоритме. Программное управление симисторами, тиристорами при формировании выходного напряжения трапецеидальной формы реализуется от РГС-контроллера посредством БУ, включая ЦЛУ и ЦСЗУ. Совместная реализация зонного метода и релейного изменения преобразуемого входного

напряжения при формировании трапецеидального выходного напряжения ТП позволяют

Рис. 12. Формирование переднего фронта трапецеидального импульса выходного напряжения

изменить традиционные подходы к принципу функционирования СУ ТП, созданию УЭХЗ необходимой мощности, обеспечивая пониженный (в 1,5-2 раза) уровень потерь преобразования электроэнергии и допустимый коэффициент пульсаций (К„< 3%) защитного потенциала трубопровода.

В четвёртом разделе выполнено моделирование системы управления УЭХЗ. Для решения задачи управления УЭХЗ по поддержанию заданного значения ПЗП на трубопроводе в среде с изменяемыми и трудно определяемыми параметрами, характеризующимися неопределенностью и нечеткой информацией, предлагается использовать методы нечеткого управления.

В системе МаЙЬаЬ 7.0 + БтиПпк разработана упрощенная модель нечеткого регулятора (НР) (рис.13) на базе нечеткого контроллера, которая позволяет по значению ошибки (разности заданного ПЗП и текущего значения) и скорости изменения ошибки регулировать средний ПЗП на трубопроводе за счет изменения времени Ь ширины трапецеидального импульса (рис. 14) без изменения углов переднего и заднего фронтов. Модель реализованной схемы к системе управления УЭХЗ приведена на (рис 15).

На рис. 16,а приведены графики функции принадлежности базового терма лингвистической переменной Д/7 (ошибка) и управляющая поверхность (рис. 16,6), построенные с использованием функций программного пакета МаУаЬ.

Рис. 13

Рис. 14

1 ымп

а) б)

Рис. 16. л) функции принадлежности базового терма лингвистической переменной ЛГУ (ошибка); 5) управляющая поверхность (Ь)

При проверке работы нечеткого регулятора на вход модели было подано

внешнее воздействие: ошибка ■ ...........................>•••.............' ' 1

(кривая 1, рис.17,а) - сигнал д" ......--1......... ' .

медленно изменяющийся по .........--*—.......'......—....................................'..................................'

синусоидальному закону, а также производная ошибки -косинусоидальный сигнал (кривая 2). В зависимости от

изменения значений внешних ц / \ ; ц и и Ц и I' \! \! V. -1 « V

воздействий контроллер .....................""................'...............................

формирует управляющий сигнал (рис. 17,6), изменяющий

время

импульсов выходного напряжения УЭХЗ.

Для дистанционного

управления и контроля состояния СУ УЭХЗ предложен аппаратно-программный комплекс (АПК), включающий интеллектуальную систему управления (ИСУ) и автоматизируемую систему

управления (АСУ) (рис.18).

Все УЭХЗ электротехнического комплекса при групповом управлении взаимодействуют по разработанным алгоритмам с детальной конкретизацией задач программного обеспечения (ПО) управление непосредственно осуществляющего опрос всех

МШ1 «)

Рис. 17. (рис. )7,в)

трал ецеидал ы< ых

"Р^нготм правил)*^

Дофазаификатор

I ИСУ

^гтистичввкм | |М ног о факторная данны« модель

! АСУ

АПК

/ Система [^[формирование) 1 управления I I управления I

С устройство \ управления М УЭХЗ )

Рис. 18

. нижнего уровня, выполняющего УЭХЗ, и ПО верхнего уровня, УЭХЗ по радио каналу и обработку информации для принятия решения диспетчером.

В пятом разделе представлены результаты экспериментальных исследований гармонических составляющих защитного тока натекания на трубопровод в зависимости от угла управления СПП симисторно-тиристорного преобразователя (СТП) УЭХЗ и значения индуктивности

сглаживающего дросселя (СД), выполненных на лабораторном стенде мощностью 1 кВт, собранном по схеме (рис. 19). Состав и амплитуды гармоник получены с применением стандартной платы АЦП (L-154), данные обрабатывались с помощью

разработанной программы

спектрального анализа на основе ряда Фурье и пакета Matlab 7.

Исследования проводились при сопротивления RH с учетом изменения индуктивностей переключаемых на вторичной стороне обмоток трансформатора и СД. Значения напряжений для построения графиков определялись в относительных единицах. Причем за единицу принято напряжение 24 В (из шкалы 24-48-96 В), характерное для типовых устройств противокоррозионной защиты, и напряжение, снимаемое с сопротивления Ян при токе 1 натекания 10А. Исследования ов проводились для углов:

I зона - ос= 50 эл.град.; оь

И зона - а=78 эл.град. <н

В результате эксперимента установлено:

- при граничном угле о управления а=50 эл.град. в I зоне преобразователь напряжения обеспечивает уменьшение амплитуд гармоник на 27,8% относительно угла управления а = 78 эл. град., что позволяет выполнить преобразование электроэнергии в первой зоне управления УЭХЗ с минимальными потерями (до 4,2%) от гармоник в трансформаторе и сети питания;

- из-за изменения индуктивности силового контура при переключениях секций обмоток ТС, изменения угла сдвига фаз между напряжением и током нагрузки и с целью исключения режима К.З. необходимо программное или аппаратное обеспечение дополнительной временной задержки, не превышающей 210"4с, при переключении ключей VS1, VS2, VSi на выводах вторичных обмоток ТС;

- необходима дополнительная коррекция в конструкции совмещенного силового модуля с электронно-вычислительным блоком и PIC- контроллером, обеспечивающая дополнительные развязки цепей источника питания и экранированных электронных блоков СУ, сети питания и каналов радиосвязи.

Рис. 19

включении в силовои контур

KS2=1. л-7Н°

M

Г «риампм

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение важной научно-технической задачи по созданию электротехнического комплекса с применением преобразовательного устройства импульсно-непрерывпого режима, отвечающего современным требованиям к защите металлических трубопроводов от коррозии. Представленные в работе материалы исследований позволяют сформулировать следующие основные выводы, научные и практические результаты:

1. Предложен метод импульсно-непрерывного формирования защитного потенциала металлического трубопровода от коррозии с использованием его естественных параметров и «поляризационных -деполяризационнмх» характеристик, позволяющих создать условия для равномерного перераспределения заряда по трубопроводу и поддержания заданного уровня защитного потенциала при минимально допустимой составляющей постоянного напряжения на трубопроводе.

2. Определены принципы реализации импульсно-непрерывного режима с использованием трапецеидальных импульсов и технические требования к УЭХЗ, исключающие перенапряжение на трубопроводе, Показано, что реализовать такой режим можно при сохранении коэффициента <5 в пределах 0,9-1,1 с подключением к трубопроводу дополнительной емкости С<)0„>2Ф, а так же возможной коррекции угола переднего и заднего фронта трапецеидальных импульсов. Уменьшение пульсаций на трубопроводе можно добиться также сдвигом фазы трапецеидального импульса в пределах 0-180 эл. град, относительно смежных УЭХЗ.

3. Деление полного (0-90 эл.град.) угла управления а полупроводниковыми ключами условно на две зоны: I- (0-50 эл.град.) и II -(50-90 эл.град.) при формировании трапецеидального импульса выходного напряжения преобразовательного устройства позволяет провести преобразование электроэнергии в I -ой зоне с повышенным коэффициентом энергетической эффективности (не менее 0,95) и сниженными в 10-15 раз относительными значениями амплитуд гармонических составляющих на стороне выпрямленного напряжения и в сети промышленного питания.

4. Снижение гармонических составляющих при формировании трапецеидального импульса выходного напряжения УЭХЗ позволяет уменьшить потери в силовом трансформаторе на гистерезис и потери, обусловленные вихревыми токами в стали, в обмотках и нагревом сердечника. Уменьшение потерь преобразования электроэнергии на 4,2% сопровождается снижением массы (сердечника) силового трансформатора, улучшением массогабаритных показателей УЭХЗ и снижением стоимости электротехнического комплекса.

5. Введение нечеткого управления УЭХЗ по защите трубопровода от коррозии позволяет поддерживать ПЗП на заданном уровне, изменяя

длительность трапецеидального импульса с целыо обеспечения расчетного среднего значения защитного потенциала (JUcp = -0,75...-1,05В) с точностью (± 0,012В) при коэффициенте пульсаций защитного потенциала менее 2,8% в изменяемых условиях окружающей среды.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Регулятор мощности устройства электрохимической защиты. Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности (Известия ИУИ АП). - Ростов и/Дон: ИУИ АП, 2004г. №3. С. 3-5.

2. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. О тепловых режимах и электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей. Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности (Известия ИУИ АП). - Ростов н/Дон: ИУИ АП, 2004г. № 3. С. 8-13.

3. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Электрохимическая защита магистральных газопроводов с "элементами" искусственного интеллекта. Сборник научных трудов седьмого международного симпозиума по интеллектуальным системам. Краснодар. 2006г. С. 582-586.

4. Карнаухов Н.Ф., Ковалев A.B., Кривцов А.О. Управление устройствами электрохимической защиты. Труды VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону, 2007г. С. 168-173.

5. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О., Ковалев A.B. Информационный канал управления комплекса электрохимической защиты. Труды VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону, 2007г. С. 116-121.

6. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Моделирование импульсно-непрерывного режима работы устройства электрохимической защиты при формировании защитного потенциала протяженного нефтепровода. Вестник ДГТУ. - Технические науки, часть II. 2009г. С. 48-60.

7. Кривцов А.О., Карнаухов Н.Ф. Аппаратно-программный комплекс управления противокоррозионной защиты магистрального трубопровода. Вестник ДГТУ. Т.10, №6 -2010г., С.881-889.

Все основные положения диссертации разработаны автором. В работах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежит: в работах [1, 2] -разработка методов снижения потерь преобразования электроэнергии и постановка задачи обеспечения электромагнитной совместимости компонентов УЭХЗ; [3, 4, 5, 7] ~ разработка структуры системы автоматизированного управления УЭХЗ; [6] - разработка схемы замещения протяженного трубопровода в виде RLC - контура.

В печать2#¿&2011.

Объём 'СОусп. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. З^каз №29. ТиражЦена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

Список принятых сокращений.

Введение.

Раздел 1. Анализ коррозионных процессов в контуре «трубопровод-грунт» при работе катодной защиты непрерывного режима по поддержанию защитного потенциала на трубопроводе. Состояние вопроса.

1.1 Анализ процессов коррозии металлических трубопроводов и мероприятий по снижению факторов коррозионного разрушения.

1.2 Анализ влияния катодной поляризации поверхности трубопровода на уровень защищенности от коррозии.

1.3 Анализ недостатков устройств электрохимической защиты трубопроводов от коррозии при формировании защитного потенциала внешним током натекания непрерывного режима.

Выводы по первому разделу.

Раздел 2. Теоретическое обоснование к применению импульсно-непрерывного режима работы УЭХЗ с учетом естественных параметров трубопровода.

2.1 Обоснование к выбору режима работы УЭХЗ с учетом деполяризационных характеристик системы «трубопровод-грунт».

2.2 Определение электрических параметров трубопровода с покрытием.

2.2.1 Применение метода зеркальных отображений к оценке емкости трубопровода.

2.2.2 Приближенное определение погонной ёмкости трубопровода с учетом параметров защитного покрытия.

2.2.3 Определение погонной индуктивности металлического трубопровода по конструктивным параметрам.

2.2.4 Определение усредненного значения продольного сопротивления и сопротивления изоляционного покрытия трубопровода.

2.3 Особенности формирования защитного потенциала трубопровода в непрерывном и импульсно - непрерывном режимах работы УЭХЗ.

2.3.1 Исследование влияния покрытия и параметров трубопровода на входное сопротивление контура «трубопровод-грунт».

2.3.2 Особенности применения импульсно - непрерывного режима работы УЭХЗ для формирования защитного потенциала.

2.4 Исследование влияния дополнительной емкости на характер прохождения импульса напряжения в трубопроводе.

2.5 Математическое представление импульса входного напряжения и условия прохождения импульса по трубопроводу.

2.6 Исследование импульсно-непрерывного режима защиты трубопровода от коррозии.

Выводы по второму разделу.

Раздел 3. Разработка и построение преобразователя УЭХЗ с улучшенными энергетическими характеристиками.

3.1 Разработка метода повышения энергетической эффективности тиристорного преобразователя при фазовом управлении.

3.2 Теоретическое обоснование к оценке потерь в силовом трансформаторе при управлении тиристорным преобразователем.

3.3 Разработка метода снижения гармонических составляющих напряжения при управлении ТП по минимуму потребления энергии.

3.4 Оценка уровня пульсаций напряжения на выходе УЭХЗ во второй зоне регулирования угла управления.

3.5 Разработка и исследование зонного метода управления тиристорным преобразователем.

3.6 Разработка алгоритма переключений СИИ преобразователя УЭХЗ.

Выводы по третьему разделу.

Раздел 4. Моделирование УЭХЗ импульсно-непрерывного режима и разработка аппаратно-программного комплекса.

4.1 Информационная подсистема управления аппаратно-программным комплексом.

4.2 Разработка системы управления УЭХЗ с применением нечеткого регулятора.

4.3 Разработка структурной схемы УЭХЗ с интеллектуальным управлением.

4.4 Разработка программного обеспечения УЭХЗ.

4.4.1 Конкретизация задачи программного обеспечения нижнего уровня.

4.2.2 Программное обеспечение верхнего уровня.

Выводы по четвертому разделу.

Раздел 5. Экспериментальное исследование формирователя выходного напряжения УЭХЗ трапецеидальной формы.

5.1 Экспериментальные исследования блока управления УЭХЗ.

5.2 Экспериментальное исследование гармонических составляющих тока защиты трубопровода при зонном регулировании выходного напряжения УЭХЗ.

Выводы по пятому разделу.

Защита от коррозии подземных металлических сооружений (ПМС), которыми являются и транспортные трубопроводы различного назначения, является задачей достаточно сложной и рассматривается как комплексная научно-техническая проблема XXI - века. Решение этой проблемы является актуальной задачей, поскольку человечество обслуживается различными видами транспорта, например: железнодорожным (электрическим) и трубопроводным и др. Трубопроводный транспорт находит все большее применение, обусловленное растущими тепло - и водоснабжающими системами, а также системами транспортирования энергоресурсов значительных объемов на большие расстояния, в частности, нефтепродуктов и природного газа. Поскольку подземные трубопроводы укладываются в почвенные и грунтовые слои, коррозийная активность которых связана с их структурой и гранулометрическим составом, влажностью, уровнем минерализации вод, кислотностью, воздухопроницаемостью, удельным сопротивлением и наличием токов в земле и т.д., то наблюдается разрушение металла трубопровода под влиянием как почвенной, так и электрохимической коррозии.

В настоящее время разработано несколько видов пассивных и активных коррозийных защит, широко применяемых для поддержания транспортных трубопроводов в рабочем состоянии. К активным защитам относят катодную защиту, когда защищаемый металл трубопровода находится под отрицательным потенциалом в диапазоне 0,85 - 3,5 В (т.е. в качестве катода), а к положительному полюсу подсоединяется дополнительный электрод (заземление), поляризуемый (при этом анодно) внешним током от источника постоянного тока. При смещении потенциала из указанного диапазона активизируются коррозийные процессы: с уменьшением потенциала по модулю развивается локальная (местная, язвенная) коррозия, с увеличением коррозионное растрескивание изоляции под напряжением. Сегодня парк существующих типов и находящихся в эксплуатации УЭХЗ не отвечает требованиям ресурсосбережения потребляемой электроэнергии, поскольку силовая часть преобразователей электроэнергии работает по «жестким» режимам и структурным схемам, не адаптированным к изменяющимся параметрам грунтовых пород и электрических (погонных) параметров трубопровода, не имеет дистанционно управляемых режимов работы и диагностики. Преобразование электроэнергии в упомянутых УЭХЗ осуществляется без учета естественных параметров трубопровода (погонных емкости и индуктивности), поляризационных и деполяризационных характеристик трубопровода. Существуют УЭХЗ, работающие в импульсном режиме, когда электрохимическая защита трубопровода обеспечивается включением УЭХЗ на определенное время с последующим выключением. Такой режим работы не допустим, т.к. полное снятие защитного потенциала с трубопровода может привести к образованию катодно-анодных зон на трубопроводе, сопровождаемое появлением локальной (язвенной) коррозии на защищаемом трубопроводе. В структуре системы управления (СУ) УЭХЗ отсутствует аппаратно-программная составляющая управления, позволяющая проводить режимы диагностики и дистанционного диспетчерского управления с целью проверки работоспособности УЭХЗ, а также уменьшение влияния изменяющихся параметров контура «трубопровод-грунт» на эксплуатацию трубопровода и эффективность электрохимической защиты в целом. В процессе проектирования УЭХЗ трубопроводов, естественно, всегда сопутствуют компромиссные решения между задачей по увеличению протяженности защитной зоны (при минимальном числе УЭХЗ) и затратной составляющей на капиталовложения и эксплуатацию электрохимической защиты. За последнее десятилетие созданы хорошо развитые методы, средства и программное обеспечение для систем коррозийного мониторинга трубопроводов, включающие: методы контроля коррозии, оборудование для установки и извлечения датчиков скорости коррозии, приборы контроля скорости коррозии системы Моникор-Зонд (производитель «ИПТЭР»). Программный продукт «Экстра» (версия 4.4) предназначен для проведения паспортизации трубопроводов и анализа текущего состояния трубопроводного фонда на базе реальных, диагностических и расчетных величин коррозийной опасности, возможной при транспортировке обводненных газожидкостных смесей. Более совершенной является автоматизированная система электрохимической защиты магистральных газопроводов, основанная на интеллектуальных информационных технологиях с использованием программного обеспечения и возможностей SCADA- системы TRACE MODE, включенных в систему «Икар» (для HAK «Нефтегаз Украина») с установками катодной защиты УКЗ «Мрия».

Однако указанные системы управления, УЭХЗ разработаны традиционно на принципе использования постоянного тока (натекания) для защиты трубопроводов от электрохимической коррозии, имеют недостатки, в частности:

- при токе натекания 1защ из-за нестабильности входного сопротивления контура «трубопровод-грунт», нарушения изоляционного покрытия трубопровода значение тока ijau, может изменяться, что сопровождается неравномерностью распределения защитного потенциала (рзащ по длине трубопровода и неопределенностью изменения расчетного потенциала защиты <Рзащ• Недопустимые уровни защитного потенциала (рзащ могут формироваться при появлении анодно-катодных зон, обусловленных блуждающими токами электрифицированного транспорта, взаимным влиянием УЭХЗ и присоединенных к ним других ПМС с анодными заземлениями;

- непрерывный режим работы УЭХЗ характеризуется потреблением электрической энергии на защиту трубопровода от коррозии, постоянными коммутационными потерями электрической энергии в силовых элементах и потерями от гармонических составляющих формируемого тока, заниженными массогабаритными показателями УЭХЗ в целом;

- проектирование таких УЭХЗ ведется без учета собственных параметров трубопровода и его поляризационных и деполяризационных характеристик, что снижает эффективность работы существующих УЭХЗ в части равномерности распределения заряда по трубопроводу и потребления электроэнергии;

- импульсное регулирование тока натекания по схеме полного прерывания тока контура «трубопровод-грунт» ведет к перенапряжениям в изоляционном покрытии трубопровода, снижает уровень сопротивления изоляции трубопровода.

Проведенный анализ существующих принципов организации и технических решений устройств электрохимической защиты трубопроводов показал, что для повышения эффективности работы УЭХЗ по защите трубопроводов от коррозии целесообразно использовать такие возможности:

- уменьшить потери преобразования электроэнергии за счет применения метода зонного управления формированием выходных импульсов УЭХЗ при снижении потерь от гармонических составляющих в 1,5-2 раза и введением импульсно-непрерывного режима работы преобразователя;

- улучшить качество выравнивания (поддержания) защитного потенциала на трубопроводе с коэффициентом пульсации не более 3% обеспечить за счет использования естественного перераспределения заряда по поверхности трубопровода во время формирования пониженного уровня выходного напряжения УЭХЗ с учетом поляризационных, деполяризационных характеристик трубопровода;

- исключить возможность формирования переходных (волновых) процессов в трубопроводе можно при питании его в точке дренажа напряжением УЭХЗ, работающем в импульсно-непрерывном режиме по формированию импульсов трапецеидальной формы, и программным изменением переднего и заднего фронтов (углов подъема и спада) импульсов в диапазоне от 77 до 45 град.

Предлагаемый импульсно-непрерывный режим формирования тока защиты трубопровода заключается в подаче на трубопровод импульсного напряжения трапецеидальной формы с постоянной минимальной составляющей отрицательного напряжения, предусмотренного требованиями государственного стандарта (ГОСТ Р51164-98). Причем амплитуда максимального напряжения изменяется с учетом обеспечения усредненного (расчетного) потенциала защиты в контролируемой точке трубопровода в автоматическом режиме работы системы управления. Для обеспечения трапецеидальной форы и регулируемых параметров импульсов выходного напряжения УЭХЗ предложен зонный метод управления силовыми полупроводниковыми приборами (СПИ), позволяющий осуществлять преобразование электроэнергии (из переменного напряжения в импульсное постоянное) при изменении угла управления а только в I -й зоне (0-50 эл. град, из диапазона 0-90 эл. град.) при незначительном уровне гармонических составляющих тока в сети питания и контуре «трубопровод-грунт», минимальных потерях в силовом трансформаторе. Формирование переднего и заднего фронтов трапецеидального импульса производится соответственно алгоритму переключения СПП УЭХЗ с переменным шагом h изменения угла управления а по сигналам управления PIC - контроллера. Процесс контроля, управления режимами работы группы УЭХЗ трубопровода выполняется и поддерживается разработанным аппаратно-программным комплексом (АПК) в соответствии с алгоритмами решения задачи управления. Взаимное влияние УЭХЗ, изменение параметров контура «трубопровод-грунт» и окружающей среды, наличие блуждающих токов контролируются соответствующими датчиками. Управление таким сложным объектом (группой УЭХЗ в условиях неопределенности изменения среды) предложено осуществлять с использованием алгоритмов нечеткой логики.

Выводы по пятому разделу

Экспериментально установлено:

1. Подтверждена возможность формирования трапецеидального импульса выходного напряжения преобразовательной части УЭХЗ с переключением СПП по разработанному алгоритму. Программное управление тиристорным преобразователем (ТП) с релейным (симисторным) переключением выводов вторичных обмоток силового трансформатора (СТ) обеспечивает формирование трапецеидального напряжения с заданными (передним и задним) фронтами в диапазоне от 45-77°.

2. Определена зона и пространственное расположение печатных плат системы управления УЭХЗ с минимальным влиянием помех силового преобразователя с учетом дополнительного магнитного экранирования платы управления микропроцессорного модуля.

3. При граничном угле управления (50 эл. град, и индуктивности контура 0,15 мГн) преобразователь напряжения обеспечивает уменьшение амплитуд гармоник на 27,8 % относительно угла управления 78 эл. град. Если управление УЭХЗ осуществляется в 1-й зоне (с углами управления от 10 до 50 эл. град.), то общее уменьшение потерь при преобразовании электроэнергии составляет до 4,2%;

4. Переключение обмоток силового трансформатора при формировании трапецеидального напряжения УЭХЗ для исключения режимов короткого замыкания переключаемых секций целесообразно осуществлять с минимальной дополнительной временной задержкой, не превышающей 2 • 10~4 с.

5. Необходима дополнительная коррекция в конструкции совмещенного силового модуля с ЦСЗУ, обеспечивающая дополнительные развязки цепей источника питания и экранирования электронных блоков системы управления , сети питания и каналов радиосвязи.

148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение важной научно-технической задачи по созданию электротехнического комплекса с применением преобразовательного устройства импульсно-непрерывного режима, отвечающего современным требованиям к защите металлических трубопроводов от коррозии. Представленные в работе материалы исследований позволяют сформулировать следующие основные выводы, научные и практические результаты:

1. Предложен метод импульсно-непрерывного формирования защитного потенциала металлического трубопровода от коррозии с использованием его естественных параметров и «поляризационных - деполяризационных» характеристик, позволяющих создать условия для равномерного перераспределения заряда по трубопроводу и поддержания заданного уровня защитного потенциала при минимально допустимой составляющей постоянного напряжения на трубопроводе.

2. Определены принципы реализации импульсно-непрерывного режима с использованием трапецеидальных импульсов и технические требования к УЭХЗ, исключающие перенапряжение на трубопроводе, Показано, что реализовать такой режим можно при сохранении коэффициента д в пределах 0,9-1,1 с подключением к трубопроводу дополнительной емкости Сдоп>2Ф, а так же возможной коррекции угла переднего и заднего фронта трапецеидальных импульсов. Уменьшение пульсаций на трубопроводе можно добиться также сдвигом фазы трапецеидального импульса в пределах 0-180 эл. град, относительно смежных УЭХЗ.

3. Деление полного (0-90 эл. град.) угла управления а полупроводниковыми ключами условно на две зоны: I- (0-50 эл. град.) и II -(50-90 эл.град.) при формировании трапецеидального импульса выходного напряжения преобразовательного устройства позволяет провести преобразование электроэнергии в I -ой зоне с повышенным коэффициентом энергетической эффективности (не менее 0,95) и сниженными в 10-15 раз относительными значениями амплитуд гармонических составляющих на стороне выпрямленного напряжения и в сети промышленного питания.

4. Снижение гармонических составляющих при формировании трапецеидального импульса выходного напряжения УЭХЗ позволяет уменьшить потери в силовом трансформаторе на гистерезис и потери, обусловленные вихревыми токами в стали, в обмотках и нагревом сердечника. Уменьшение потерь преобразования электроэнергии на 4,2% сопровождается снижением массы (сердечника) силового трансформатора, улучшением массогабаритных показателей УЭХЗ и снижением стоимости электротехнического комплекса.

5. Введение нечеткого управления УЭХЗ по защите трубопровода от коррозии позволяет поддерживать ПЗП на заданном уровне, изменяя длительность трапецеидального импульса с целью обеспечения расчетного среднего значения защитного потенциала (иср = -0,75.-1,05В) с точностью (± 0,012В) при коэффициенте пульсаций защитного потенциала менее 2,8% в изменяемых условиях окружающей среды.

1. Ф.М. Мустафин. Обзор методов защиты трубопроводов от коррозии изоляционными покрытиями. — Нефтегазовое дело, 2003. http://www. Ogbus.ru.

2. Воронин В.И., Воронина Т.С. Изоляционные покрытия подземных нефтегазопроводов. -М.: ВНИИОЭНГ, 1990.- 198 с.

3. Учайкин B.C. Антикоррозийное трехслойное полиэтиленовое покрытие стальных труб диаметром 530 1420 мм. // Трансп. и нефтепродуктов. - 1999. № 9-10. с. 15-17.

4. Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводов: Учебное пособие. Волгоград: НП ИПД «Авторское перо», 2005. 235 с

5. Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии / Остапенко В.Н., Ягупольская JI.H., Лукович В.В. и др. Отв. Ред. Пилянкевич А.Н. -ВНИПИтрансгаз. Киев: Наук. Думка, 1988. -192 с.

6. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М.: Изд-во АН СССР,-591 с.

7. Колотыркин Я.М., Флорианович Г.М. Аномальное растворение металлов. Экспериментальные факты и их теоретическое толкование // Защита металлов. 1984. - 20, № 1. - с. 14-24.

8. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976.- 586 с.

9. Стрижевский И.В. Подземная коррозия и методы защиты. М.: Металлургия, 1986. - 112 с.

10. Сборник нормативных документов для работников строительных и эксплуатационных организаций газового хозяйства РСФСР. Защита подземных трубопроводов от коррозии. Л.: Недра. 1991.-221 с.

11. ГОСТ 9.602-89. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. М.: Изд. стандартов.- 1989.- 51 с.

12. Ткаченко В.Н. Поле токов защиты в плохо изолированной трубопроводной сети. Практика противокоррозионной защиты, 2005, №3 с 6163

13. Остапенко В.Н., Жапакова Ф.Н. Методы расчета электрических полей при электрохимической защите металлических сооружений от коррозии. Киев: Наук. Думка. 1980.

14. Красноярский В.В., Цикерман Л.Я. Коррозия и защша подземных металлических сооружений. М.: Высшая школа, 1986.

15. Акользин П.А. Коррозия и защита металлов теплоэнергетического оборудования.- М.: Энергоиздат, 1982.-304 с.

16. Кузнецов М.В., Новоселов В.Ф., Тугунов П.И., Котов В.Ф. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров. М.: Недра, 1992. - 240 с.

17. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. М.: Изд. стандартов,- 1998.- 48 с.

18. Карнаухов Н.Ф., Бондаренко A.B. Система управления станцией катодной электрохимической защиты с триггерным эффектом // Проектирование технологических машин: Сб. науч. тр. / Под ред. А.В.Пуша. — М.: Изд-во "Станкин", 1997. Вып. 5.

19. Поссе A.B. Схемы и режимы электропередач постоянного тока. — Л.: Энергия. -1973.-302 с.

20. Йоссель Ю.А., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. М. Энергоиздат. 1981г.

21. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. Москва. -1974.-831 с.

22. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. Изд. третье, перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. -1986. - 488 с.

23. ВСН 2-106-78. Инструкция по проектированию и расчету электрохимической защиты магистральных трубопроводов и промысловых объектов. ВНИИСТ, 1980г.

24. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. Учеб. пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб., и доп. М.: «Сов. Радио, 1975. -320 с.

25. Бэкман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии. Справ, изд./ Пер. с нем. М.: Металлургия, 1984.- 496 с.

26. Радченко С.Г. Математическое моделирование технологических процессов в машиностроении. К.: ЗАО "Укрспецмонтажпроект", 1998, 274с.

27. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил A.B., Страхов C.B. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. М.: «Энергия», 1975. 750 с.

28. Каганов З.Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

29. Киселев Н.В., Мядзель В.Н., Рассудов JI.H. Электроприводы с распределенными параметрами. JL: Судостроение, 1985. 220 с.

30. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс.— СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. 512с.

31. Лейбман М.Е. Импульсная техника. Государственное научно-техническое издательство «Оборонгиз». -М.: 1960. 206 с.

32. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М., «Энергия», 1974г. 256с.

33. Гельман М.В., Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. -М.: Энергия, 1975.

34. Фишлер Я. Л. и др. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1989.

35. Краснопрошина A.A. и др. Электроника и микросхемотехника. 4.2. Электронные устройства промышленной автоматики. К.: Высш. шк., 1989. 302с.

36. Патент РФ на изобретение № 2189687 «Устройство преобразования переменного напряжения в регулируемое выпрямленное напряжения», авторы: Проус В.Н., Зиновьев Н.Д. Опубликовано 09.01.2001.

37. Патент РФ на изобретение № 2278458 «Устройство для запуска сетевого преобразователя напряжения», авторы: Карнаухов Н.Ф., Зиновьев Н.Д., Шошиашвили М.Э., Пяткин Г.А. Опубликовано 20.06.2006.

38. Маевский O.A. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М.: Энергия, 1978.

39. Дж. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер. Гармоники в электрических системах: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1990.

40. Булгаков A.A. Новая теория управляемых выпрямителей. Изд-во "Наука", 1970.

41. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986.

42. Файнштейн В.Г. Микропроцессорные системы управления тиристорными электроприводами/ В.Г. Файнштейн, Э.Г.Файнштейн. ¡VI.: Энергоатомиздат, 1986. -240 с.

43. Окунь С.С. и др. Трансформаторные и трансформаторно-тиристорные регуляторы напряжения. -М.: Энергия, 1970.

44. Применение гибридных фильтров для улучшения качества электроэнергии. Электричество, 1995, № 10.

45. Скаржепа В.А., Шелехов К.В. Цифровое управление тиристорными преобразователями. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1984.

46. Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. 2-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. -344с.

47. Лохин В.М., Захаров В.Н. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения. Мехатроника, №2, 2001.- С. 2735.

48. Алиев Р. А. Управление производством при нечёткой исходной информации, М.: Энергоатомиздат, 1991. - 240 с.

49. К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи. Прикладные нечеткие системы. Под редакцией: Т. Тэрано, М. Сугэно. Пер. с япон. канд. тех. наук Ю.Н. Чернышова - М.: Мир, 1993, 368с.

50. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Электрохимическая защита магистральных газопроводов с "элементами" искусственного интеллекта. Сборник научных трудов седьмого международного симпозиума по интеллектуальным системам. Краснодар. 2006г. С. 582-586.

51. Понамарев A.C. Нечеткие множества в задачах автоматизированного управления и принятия решений. Учебное пособие. Харьков НТУ «ХПИ» 2005, 232с.

52. Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде Matläb и fiizzyTECH.- СПб.: БХВ—Петербург, 2005, 736с.

53. Змитрович А.И. Интеллектуальные информационные системы. -Минск: НТООО «ТетраСистемс», 1997. 367с.

54. Аверин А.Н., и др. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта /Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука, 1986. 312с.

55. Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB.- М.: Горячая линия Телеком, 2007. 288с.

56. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Моделирование импульсно-непрерывного режима работы устройства электрохимической защиты при формировании защитного потенциала протяженного нефтепровода. Вестник ДГТУ. Технические науки, часть II. 2009г. С. 48-60.

57. Кузнецов А. В. Промышленные компьютеры фирмы Advantech/ Современные технологии автоматизации, 1997, № 1, с. 12-20.

58. Кривцов А.О., Карнаухов Н.Ф., Аппаратно-программный комплекс управления противокоррозионной защитой магистрального трубопровода. Вестник ДГТУ. №10 Технические науки, часть II. 2010 г. С. 881-893.

59. Бабков A.B., Лапшин В.В. Автоматизированная система мониторинга и управления станций катодной защиты магистральных трубопроводов. Журнал. Промышленные АСУ и контроллеры. №05 2007г.

60. Cathode corrosion-protection facility remote monitoring system/ Kajyama Fumio. Tokyo gas со LTD. JP2004028795 2004-01-29.

61. Карнаухов Н.Ф., Кривцов A.O., Ковалев A.B. Информационный канал управления комплекса электрохимической защиты. Труды VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону, 2007г. С.116-121.

62. Карнаухов Н.Ф., Ковалев A.B., Кривцов А.О. Управление устройствами электрохимической защиты. Труды VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону, 2007г. С. 168-173.

63. Гумеров А.Г., Медведев А.П., Фаритов А.Т. Методы, средства и программное обеспечение для систем коррозионного мониторинга трубопроводов. Журнал Нефть и Газ. Транспорт и подготовка нефти. №10. 2002 г.

64. ГОСТ Р51318.11-99 (СИСПР 11-97) Совместимость технических средств электромагнитная. Радио помехи индустриальные от промышленных, научных, медицинских и бытовых (ПНМБ) высокочастотных устройств. Нормы и методы испытаний.

65. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. О тепловых режимах и электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей. Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности (Известия ИУИ АП). Ростов н/Дон: ИУИ АП, 2004г. № 3

66. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Регулятор мощности устройства электрохимической защиты. Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности (Известия ИУИ АП). Ростов н/Дон: ИУИ АП, 2004г. № 3

67. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс: Учебное пособие.- М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. 432 с.

68. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. -М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. -560 с.

69. Аветисян Д.А. Автоматизация проектирования электрических систем. -М.: «Высшая школа», 1998.- 331 с.

70. Тавернье К. Р1С-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. М.: ДМК Пресс. 2003.

71. Сидоров И.Н., Бинкатов М.Ф., Шведова Л.Г. Индуктивные элементы радиоэлектронной аппаратуры: Справочник М.: Радио и связь, 1992г.