автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования электронасосных агрегатов в системах водоснабжения сельского хозяйства

р

I

г

В 04

На правах рукописи

ПЕТЬКО Виктор Гаврилович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Специальность: 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

На правах рукописи

ПЕТЬКО Виктор Гаврилович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Специальность: 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Работа выполнена в Оренбургском государственном аграрном университете.

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор Данилов В. Н.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Гафиятуллин Р. X.;

доктор технических наук, профессор Гольдберг О. Д.;

доктор технических наук, профессор МамедовФ.А.

Уральский филиал ВИЭСХ, г. Челябинск.

Ведущее предприятие:

Защита диссертации состоится " с Р - 1995 г

в 10.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 120.46.02 Челябинского государственного агроинженерного университета по адресу:

454080. г. Челябинск, пр. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета.

Автореферат разослан

¥

и / м

1995 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Л. А. Саплин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Качество водоснабжения производственных и бытовых объектов и, в первую очередь, его надежность - одно из основных условий эффективного функционирования хозяйственного комплекса как в городе, так и на селе. Особенно актуальна проблема водоснабжения сельского хозяйства, где в настоящее время по Российской Федерации эксплуатируется более 220 тыс. буровых скважин и 350 тыс. шахтных колодцев, производственные процессы связаны с биологическими объектами, а перебои их водоснабжения приводят к значительным экономическим и материальным потерям. Но как раз в сельском хозяйстве перерывы подачи воды потребителям довольно часты, а их продолжительность превышает все допустимые нормы.

Причина сложившегося положения кроется здесь прежде всего в том, что из-за присущей сельскохозяйственному производству пространственно-временной рассредоточенности большинства его технологических процессов, а следовательно, и объектов водоснабжения оборудование системы водоснабжения территориально разобщено, многочисленно, имеет сравнительно невысокую производительность и другие качественные показатели, работает, как правило, в условиях автономности. Это затрудняет и в техническом, и в экономическом плане организацию постоянного наблюдения за его работой, техническое обслуживание и ремонт, а также защиту от опасных воздействий на него окружающей среды и систем с ним взаимодействующих. В наибольшей степени сказанное относится к водоподъемному оборудованию -основному элементу любой системы водоснабжения, от надежности и безотказности работы которого непосредственно зависит и надежность-водоснабжения. Проведённый анализ результатов учёта продолжительности работы и причин отказов погружных электродвигателей (ЭД) в системе "Ремсельбурвод" по Оренбургской области показывает, что аварийность их достигает 100, а иногда и более процентов. Нередки случаи группового выхода из строя ЭД. Примерно такое же положение и в других регионах.

Выход здесь видится в решении актуальной проблемы совершенствования систем и средств автоматизации насосных агрегатов, позволяющих до минимума свести необходимость участия в их

функционировании человека, повысить точность регулирования параметров водоподачи и качество водоснабжения, избежать повреждений при случайных внешних и внутренних аварийных воздействиях.

Цель диссертационной работы повысить эффективность функционирования электронасосных агрегатов в системах водоснабжения сельского хозяйства путём разработки и теоретического обоснования многоканального устройства для автоматического двухпозиционного регулирования выходных технологических параметров и для защиты ЭД агрегатов от аварийных режимов (автоматического защитно-регулирующего устройства - АЗРУ). оптимального по набору каналов для заданных условий эксплуатации.

Задачи исследования.

• обосновать рациональную обобщённую структуру многоканального АЗРУ электронасосного агрегата;

• разработать методику синтеза каналов с заданными характеристиками;

» определить целевую функцию и разработать методику оптимизации набора каналов для заданных условий функционирования;

синтезировать новые функциональные узлы и каналы АЗРУ, соответствующие структуре АЗРУ и условиям эксплуатации,

• разработать математические модели электронасосного агрегата, каналов и узлов АЗРУ, учитывающие влияние на их состояние дестабилизирующих факторов;

• теоретически обосновать структуру стенда для испытания и наладки многоканальных АЗРУ;

• синтезировать АЗРУ, оптимальное по набору каналов дпя условий сельского Хозяйства, и дать его технико-экономическую оценку.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• обоснована рациональная структурная схема многоканального АЗРУ и разработана методика формального синтеза формирователей релейных сигналов управления на основе линейного сумматора токов в качестве универсальной основы для любого из каналов АЗРУ;

• определена целевая функция и разработана методика синтеза многоканального АЗРУ, оптимального дпя заданных условий эксплуатации;

• разработан и исследован комплекс оригинальных технических решений отдельных функциональных узлов и элементов АЗРУ, новизна которых подтверждена 11 авторскими свидетельствами на изобретения;

• предложена аналитическая математическая модель электронасосного агрегата (ЭНА) как объекта управления и защиты, связывающая параметры, определяющие режим работы агрегата, и случайные возмущающие величины на входе системы;

• теоретически обоснована структура нового универсального стенда для испытания многоканальных устройств управления в процессе их изготовления и эксплуатации.

Практическая ценность:

• предложенная методика технико-экономической оценки АЗРУ на основе статистического моделирования даёт возможность объективно обосновать выбор того или иного варианта защиты или комбинации видов защиты при заданной структуре возмущений:

• структурная. схема и схемотехнические решения функциональных узлов АЗРУ и отдельных его каналов положены в основу восьмиканальной станции управления ЭД погружных насосов типа ЯЗР 5101 ("Сигнал"), серийное производство которой налажено при участии автора на Оренбургском заводе "Инвертор" и осуществляется с 1987 года. В результате применения станции:

1. снижена аварийность ЗД НА в 1,85 раза;

2. сокращено количество проводов линии связи с датчиками-уровней с двух до одного;

3. повышена надёжность станции за счет рациональной её структуры и применения высоконадёжных слабонагруженных элементов;

4. повышена ремонтопригодность отказавших ЭД вследствии отключения их в аварийных режимах на более ранней стадии поарехедения;

5. упрощён поиск неисправностей отказавшего ЭД НА в результате введённой в схему станции сигнализации о причине его отключения;

6. сокращены простои НА при самоустраняющихся повреждениях в электрической сети;

• предложен устойчивый к обледенению электродный датчик уровней для металлических водонапорных башен Рожновского;

♦ разработан универсальный стенд для испытания и наладки многоканальных устройств управления с имитацией мощности загрузш испытуемого устройства, позволяющей вести одновременное испытание каналов, контролирующих ток и напряжение;

• экономический эффект от внедрения станции управления составляет 3856039 рублей в год в ценах на 1.01.95 г., а применение датчика уровней даёт возможность освободить от управления электронасосом оператора-

Реализация и внедрение результатов работы. Станция управления ЭД погружных насосов выпускается серийно на Оренбургском заводе "Инвертор" по разработанным автором ТУ16-90 ТИДЖ 656.325.001ТУ. С 1987 года было произведено и поставлено на предприятия треста "Ремсельбурвод", непосредственно в хозяйства Оренбургской и других областей РФ, коммунальные предприятия, а также хозяйства фермеров и садоводческие товарищества 3207 станций. Изготовлена партия необмерзающих гидростатических датчиков уровней по авторскому свидетельству №1368646 на заводе "Инвертор" в количестве 1500 штук и Татарской СЛМК треста "Ремсельбурвод" - в количества 2000 штук. Датчики установлены на объектах водоснабжения Оренбургской. Ульяновской, Новосибирской, Кемеровской и Воронежской областей, Татарской и Башкирской АССР. Универсальный стенд для испытания и наладки многоканальных станций управления, изготовлен и используется в производстве на заводе "Инвертор", в Новосибирской СГШК треста "Ремсельбурвод", в ОГАУ для исследования модификаций станций управления и пуско-наладочных испытаний опытных партий. С 1992 года малым предприятием при Оренбургском .государственном аграрном университете изготовлено и поставлено в АО Оренбургской области 550 комбинированных блоков управления (БУК-1). Из них более 150 установлено и успешно эксплуатируется в. системе водопонижения Мосметростроя. Кроме того результаты работы используются в учебном процессе ОГАУ по дисциплине "Электрооборудование и автоматизация процессов с. х. производства", в Оренбургском региональном институте переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов АПК и других ВУЗах страны.

Апробация работы. Основное содержание работы обсуждалось и докладывалось:

на научно-производственной конференции "Использование автоматизации и вычислительной техники в управлении производством" (27 - 29 марта 1974 года, г. Оренбург);

на 1-ой межвузовской научной конференции "Многоскоростной и электронизированной электропривод в сельском хозяйстве" (23 - 25 октября 1990 года, г. Зерноград);

на республиканском совещании-семинаре по ускорению научно-технического прогресса в организациях треста "Ремсельбурвод" (9 - 13 декабря 1985 гада, г. Челябинск);

на межвузовской научно-технической конференции "Проблемы механизации, электрификации, автоматизации сельского хозяйства и подготовки инженерных кадров" (16-19 апреля 1991 года. г. Минск);

на всесоюзной научно-методической конференции по проблемам подготовки инженерных кадров на факультетах электрификации с. х. производства (15-17 ноября 1991 года, г. Ташкент);

на научных конференциях Челябинского ордена Трудового Красного Знамени государственного агроинженерного университета в 1981, 1984, 1986, 1988.1990,1994,1995 г. г.;

на ежегодных научных конференциях Оренбургского государственного ордена Трудового Красного Знамени аграрного университета в 1985,1987, 1989, 1991 1995 г. г.;

на международной научно-технической конференции "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" (13..15 марта 1995 г.. г. Углич)

Результаты исследований рассматривались на НТС треста "Ремсельбураод" МВХ РСФСР в 1985, 1986, 1988 и 1990 г. г.. Совместным Постановлением коллегии МВХ РСФСР, бюро Обкома КПСС и Облисполкома Е-45/-1-51 от 25 июня 1985 г. "О мерах по развитию мелиорации в Оренбургской области" поручено Оренбургскому заводу "Инвертор" освоить серийное производство многоканальных станций, управления.

Действующие модели станции управления типа "Сигнал", датчика уровней для водонапорной башни, блока управления комбинированного (БУК-1) демонстрировались на ВДНХ СССР в 1986, 1983, 1991 и 1993 годах, на Оренбургской областной ВНХ в 1987, 1988 г. г., выставке презентации сельского хозяйства Оренбургской Области в 1992 г.. Экспонаты награждены бронзовой, серебряной и золотой медалями ВДНХ СССР, а также медалью "ЛАУРЕАТ ВВЦ". По результатам

выставки-ярмарки научно-технических идей "Агропром-88", состоявшейся 14... 18 ноября 1988 года в г. Челябинске,' разработка системы автоматического управления водонапорной башней награждена дипломом третьей степени.

На защиту выносятся.:

• новая методика технико-экономического обоснования АЗРУ;

• математическая модель ЭНА как объекта регулирования и защиты;

• обобщённая структурная схема АЗРУ электронасосным агрегатом;

• методика синтеза каналов АЗРУ с заданными характеристиками на основе Линейного сумматора токов;

• комплекс новых технических средств для двухпозиционного регулирования уровня воды и защиты ЭНА от аварийных режимов;

• математические модели и методики расчёта основных параметров новых функциональных узлов АЗРУ;

• новый универсальный стенд для наладки многоканальных АЗРУ.

Публикация результатов. Результаты исследований опубликованы в

33 печатных работах, в том числе описаниях изобретений, научных отчётах по результатам НИР, проспектах на натурные образцы ВДНХ СССР/комплектах учебных плакатов.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, восьми разделов и заключения., изложенных на 357 страницах машинописного текста, включающих 87 рисунков и 9 таблиц, библиографического списка из 229 наименований на 23 страницах, приложения, содержащего листинги программ, технические расчёты, разделы конструкторской документации, акты внедрения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы, отражены вопросы реализации и апробации полученных научных результатов, определены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первом разделе приводится общая характеристика устройства водоподъёма как объекта управления, основным элементом которого является электронасосный агрегат (ЭНА), функционально и конструктивно взаимодействующий с источником воды и водонапорной аккумулирующей емкостью, его особенности эксплуатации, параметры взаимодействия ЭД и насоса в условиях отклонения основных

возмущающих факторов от их номинальных значений. Для системы "источник - водоприёмник - насосный агрегат" (ИВН) получена математическая модель, определяющая при определенных исходных условиях выходные технологические параметры и параметры состояния-агрегата в зависимости от частоты вращения вала насоса.

Л/с// >h - /(«>)» 0)

где -> момент сопротивления на валу насоса; Н и // уровни воды соответственно в источнике и ёмкости.

В основу модели положены Q J-[ - характеристики: источника воды

(скважины); гидросистемы и насоса, скорректированная с помощью уравнений подобия на фактическую (отличную от номинальной) частоту вращения вала насоса. При известной механической характеристике полученные зависимости позволяют установить режим работы ЭНА и в первую очередь ЭД как наиболее ответственного элемента системы, в наибольшей степени чувствительного к работе в аварийных режимах.

Проанализированы причины выхода ЭД погружных насосов из строя, а также виды повреждений и отказов. При этом за основу принята следующая схема потери ресурса. Под действием внешних и внутренних силовых и энергетических нагрузок происходит постепенное накапливание структурных изменений в материалах деталей и элементов электронасосного агрегата, т. е. происходит их старение и износ, интенсивность которых пропорциональна действующим нагрузкам. Заканчивается процесс старения и износа этапом лавинообразного роста местных нагрузок, лавинообразного процесса разрушения всего объёма материала и полного отказа изготовленной из него детали Разрушения одной детали распространяется на другие детали, элементы и узлы НА, а также системы с ним связанные. Происходит развитие аварии. Агрегат из одного устойчивого состояния скачком или серией скачков переходит в-другое устойчивое по основным нагрузкам состояние (послеаварийное состояние).

Исследованию влияния условий эксплуатации трехфазных асинхронных ЭД общего назначения, а также ЭД погружных НА на их техническое состояние и функциональные свойства посвящены работы А. Я. Бергера, А. М. Мусина, А. А. Пястолова, Г. П. Ерошенко, В. Н. Данилова, А. О. Грундулиса, О. Г. Мамедова, Ф. А. Мамедова, И. И. Мартыненко и многих других ученых. Основными факторами, снижающими расчётный ресурс электромеханизированного технологического агрегата и, в частности, электронасосного агрегата

отмечаются величина, асимметрия и несинусоидальность питающеп Напряжения, механическая загрузка и условия охлаждения определяющие одну из основных нагрузок - температуру обмоток ЭД Потеря ресурса изоляции в зависимости от температуры за время работь I выражается в соответствии с правилом Монтзингера

А/ =2(7У7л!/ЛГЬ (2]

где А У-> превышение установившейся температуры обмотки у сверх допустимой у' при которой срок службы

изоляции сокращается вдвое.

Кроме изоляции изнашивается также й механическая часть насосного агрегата (подшипниковые узлы, вэлы, рабочие колёса), скорость потери ресурса которых определяется условиями смазки подшипников, наличием или отсутствием пескования скважины, частотой пусков и другими - причинами. По данным статистических наблюдений, проведёнными Даниловым В. Н., Ерошенко Г. П., Пястоповым А. А., Грундулисом А. О. и другими учёными в среднем выход из строя ЭД погружных насосов происходит из-за: технологической перегрузки - 9,57%; заклинивания вала -17,28%; обрыва фазы - 25,82%; пробоя изоляции - 33,45%; сухого хода 2,38%, прочим причинам 9%.

В этих условиях основная задача защиты заключается в том, чтобы отключить насосный агрегат, когда скорость потери ресурса, оцениваемая чаще всего по косвенным признакам, превысит экономически приемлемый уровень, а на этапе лавинообразного развития аварии - на возможно более ранней стадии повреждения. С этой точки зрения существующие устройства защиты проклассифицированы как многоканальные устройства. При этом существующие технические решения и устройств защиты и устройств регулирования, из которых потенциально может быть скомбинирована многоканальная станция управления ЭНА, по виду входной величины подразделены на устройства, осуществляющие мониторинг. тока; напряжения; сопротивления; параметров, характеризующих ход технологического процесса и состояние агрегата.

Проведённый анализ таких устройств показал, что в настоящее время они существенно отличаются друг от друга принципиальными схемами элементной базой, уровнем сложности, функциональными возможностями,1 конструктивным исполнением, эксплуатационными показателями. Многие АЗРУ не удовлетворяют требования со стороны ''"технологических процессов по точности, чувствительности, надежности, 1 стоимости, устойчивости к воздействию факторов внешней среды, набору

выполняемых функций, особенно функций, связанных с защитой. Пестрота видов устройств управления создает серьезные неудобства при их конструировании, изготовлении, выборе, затрудняет техническое обслуживание и ввод в эксплуатацию, приводит к ненужному дублированию отдельных узлов при комплектовании комбинированных АЗРУ.

В связи с этим показано, что необходим системный подход к решению проблемы совершенствования средств управления электронасосами, где задачи защиты ЭД и всего агрегата в цепом, а также регулирования выходных технологических параметров (уровней воды) решались бы з комплексе на единой элементной и принципиальной основе. Только таким образом при наращивании защитных функций удастся избежать существенного усложнения АЗРУ, чрезмерного увеличения стоимости и понижения надёжности.

Поставлекны задачи исследования .

С этой целью во втором разделе работы электронасосный агрегат, образующий в совокупности с источником воды и водоаккумулирующей напорной ёмкостью подсистему "источник воды - водоприёмник -насосный агрегат" ("ИВН") в системе водоснабжения сельского хозяйства, рассмотрен как представитель класса электрифицированных, машин и аппаратов (технологических объектов), работающих с определенной степенью автономности, обеспечиваемой за счет использования накопителей исходного сырья (НИС) и готовой продукции (НГП), и представляющих элементарную технологическую ячейку, включающую в себя: рабочий орган (РО); преобразователь вида энергии (ПЭ); автоматическое управляющее устройство (АУУ); исполнительный орган <ИО).

АУУ отводится общая для всех машин и аппаратов этого класса функция: - так управлять потоком энергии от источника к РО, чтобы, параметры, характеризующие результат воздействия РО на перерабатываемый продукт, поддерживались в заданных технологическими режимами пределах (функция регулирования), а параметры, характеризующие взаимодействие элементов между собой и с внешней средой, не выходили бы при этом за рамки допустимых значений (функция защиты). Показано, что при двухпозиционном регулировании его следует рассматривать как единое автоматическое защитно-регулирующее устройство (АЗРУ). Поскольку на его конкретное конструктивное исполнение налагается ряд одинаковых для

такого класса машин и аппаратов требований, общность которы. вытекает из того, что машины и аппараты этого класса имеют один и то же источник энергии, один и тот же тип ИО, не отличаются больший разнообразием преобразователей вида энергии, работают в одних и те; же присущих агропромышленному производству условиях эксплуатации сделан вывод о лриемстаенности для автоматизации насосных агрегато£ результатов исследований и технических решений из область автоматизации других электромеханизированных технологически) процессов агропромышленного производства, о возможности перехода на общие принципиальные и схемотехнические решения и расширения тем самым их применимости, облегчения задач конструирования, изготовления и эксплуатации.

Отмечена проблема, заключающаяся в том, что в силу специфики агропромышленного производства на конструкцию такого обобщенного АЗРУ накладывается комплекс взаимно противоречивых требований. С одной стороны это максимум функциональных возможностей, надежности и устойчивости к воздействию внешней среды, а с другой

минимум капитальных и эксплуатационных затрат, а также минимум сложности и объема технического обслуживания.

Для решения этой проблемы, учитывая многообразие факторов, влияющих на эффективность функционирования электронасосного агрегата, очерчены границы системы "АЗРУ-ИВН" (рис 1.), выделенной из системы ИЭТСЭ, разработанной Г. П. Ерошенко для управления эксплуатационными свойствами электрооборудования и являющейся частным случаем системы "АУУ-электрифицированный технологический объект".

Здесь в роли накопителя исходного продукта выступает источник воды (скважина, шахтный колодец и т. п.), в роли накопителя готовой продукции - водоаккумулирующая ёмкость, а рабочий орган представлен колесом или набором колёс центробежного погружного насоса. Выходной технологический параметр: уровень или давление воды в водоаккумулирующей ёмкости - контролируется одним из каналов АЗРУ и поддерживается в заданных пределах периодическим воздействием последнего на коммутирующий аппарат,. (ИО), прерывающий поток энергии от источника электрической энергии (И) к ЭД и далее к рабочему органу (РО). На входы АЗРУ поступают также сигналы, характеризующие параметры потока воды, потока энергии и. параметры состояния элементов выделенной системы. Внешняя среда (X) воздействует в

цепом на систему, на отдельные её элементы и в частности на входы АЗРУ в той части, в которой эти воздействия им контролируются.

Со стороны службы эксплуатации задающие воздействия осуществляются на элементы системы и на входы АЗРУ. Обратная связь реализуется через блок индикации (БИ).

- МАТЕРИАЛЬНЫЕ ПОТОКИ

- ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ

—- ИНФОРМАЦИОННЫЕ СВЯЗИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ

Рис.1: Структурная схема системы "АЗРУ ■ ИВЫ" как части системы

ИЭТСЭ:

И - источник энергии; СЗ - служба эксплуатации; X - внешняя среда; ТР - трудовые ресурсы; МР - материальные ресурсы; С - исходный продукт (сырьё); БИ - блок индикации; ИО - исполнительный орган' (коммутационный аппарат); НИС - накопитель исходного сырья; ЭД -электродвигатель в качестве преобразователя вида энергии; РО -рабочий орган; НГП - накопитель готовой продукции; П - готовая продукция; ИВН - подсистема "источник - водоприёмник -электронасосный агрегат".

Управляемый объект в системе водоснабжения это прежде всего ЭНА, конструктивно и функционально связанный с источником воды и водонакопительной емкостью и образующий вместе с ними

рассмотренную выше подсистему ИВН, функциональное назначение которой: - обеспечить расчетный напор в точках разбора воды из водораспределительной сети.

Выделение системы "АЗРУ- ИВН", уточнение связей и ограничений на них, а также проведённый системный анализ структуры и основных функций составляющих её элементов, позволило сформировать рациональную по условию минимума сложности структуру АЗРУ (рис. 2), как многоканального устройства, на выходе которого - сигнал отключения объекта (логический нуль), если хотя бы один из контролируемых им параметров вышел из зоны допустимых значений (логическая единица). Эта основная логическая функция АЗРУ, логическая функция ИЛИ-НЕ, практически однозначно определяет его элементы звенья и узлы, а также

взаимосвязи между ними.

-<-

-аИФИ-1 И

-а зу-] и эмос-ан

Т.

ЭС-1

РФСУ-1

ДСР- 1

ИС-1

■Ж^ПЕО-)

ЭМОС- 2)—^

ЭС-2

рфсу-2

ДСР-2

кс-2 £

или

> и

У-к

у ИО |~>

Рис. 2: Обобщённая структурная схема АЗРУ.

РФСУ - формирователь релейного сигнала улра&ления; ЭС -элемент сравнения; ЭВОС й ЭМОС - эре/центы внешней и внутренней

обратных связей: ИФП - измерительно-функциональный преобразователь; ЗУ - задатчик уставки срабатывания; ДСР - дискриминатор сигнала рассогласования; ИС - индикатор срабатывания;

При этом по результатам сопоставительного анализа показано, что РФСУ каждого из каналов должны быть выполнены как зла мены пороговой логики, превосходящие при меньших аппаратных затратах по своим комбинаторным свойствам и универсальности элементы булевой алгебры, так как оперируют взвешенными суммами сигналов, поступающих от измерительных преобразователей, задатчиков уставки срабатывания и элементов положительных обратных связей на входы линейных сумматоров тока. Разработана методика формального синтеза схемы каналов АЗРУ на основе линейного сумматора токов, формирующих наиболее распространённые двузначные характеристики типа "двухпозиционное реле с гистерезисом" прямую

, V {Опри -*><Л' <х.]

у- /,(•*•-)= ........ - ------- , (3)

[Гг при Д-В<Л- <°о]

и инверсную

У? 7 { 0 при Д-С < л- <00 {

Впервые применена схема элемента сравнения, обладающего расширенными функциональными возможностями при работе с сигналами переменного тока, с делителями положительной и отрицательной полуволн тока ветвей и интегрирующим выходным конденсатором. Сформулированы условия определения необходимой ёмкости конденсатора при заданной величине пульсации напряжения на нём V (р

г/

Г,С'Г А'сО , если \а ]! > \а"]!, (5)-

и

Н У

С^^.если

а \> а

■1шт] -I:

м

где (¡^ и (} ' заряды, поступающие на обкладку

■*я*т ¿гит

конденсатора соответственно в положительную и отрицательную части периода суммарного тока ветвей

= !-2-М -2 ' ^

0 0 . Составлена общая модель функционирования системы "АЗРУ-ИВН",

методика технико-экономического обоснования структуры и поиска

оптимальной комбинации каналов.

Из множества Л = {д.Д2>—переменных показателей объекта

управления выделено подмножество В-{{х>Ь>'—>Ь;>~ф} входных

случайных показателей объекта , подмножество V ~ {¿^сЬ.....

показателей, непосредственно и однозначно определяющих интенсивность потери ресурса объекта, и подмножество С -С1иС2и.-.иСгаи...иСм переменных показателей, на которые реагирует устройство защиты, где - подмножество показателей, на которые реагирует т-ный канал устройства защиты

Случайные показатели из подмножества В характеризуются определённым законом (функцией) распределения плотности вероятности ••,/,(/?,)...../7(&,)} и рассматриваются как

независимые входные величины.

Зависимые величины образуют подмножество Н ~ А/Н или Н = {/;.,¡¡р' - 'Ь/} связь с независимыми величинами считается

детерминированной, выражаемой функциями, заданными аналитически (в явной или неявной форме), графически или таблично

.....ь)>

<Ь;'-<Ь}>

.............V »>

Ь/.....ш-

к - вр{ь>&>-

>Ь,.....ь\

Если последствием АР является внезапный отказ, то показатели АР из множества переменных показателей О , определяют собой величину интенсивности ^ потока отказов вида /. При постепенных отказах

(износе) множество показателей О определяет скорость износа (скорость потери ресурса) уг= ..........(1и Детали или всего устройства в

целом. При Я видах повреждений указанные зависимости описываются системой уравнений

А, = ХкЬ'СЬ'-'СЬ.....¿¿)«'

Лг^Х^й1 > ¿/2.....йг-^У

Лг^хМ^-'СЬ'-'с},)' Л^хМли-'С!,.....А):

И7"-

к = иМ^г.....¿¿--¿Л);

И- ОгУг^Г -'С/,.....С/;.)'

(9)

Срабатывает или не срабатывает какой-либо из М каналов АЗРУ определяется, во-первых, величинами показателей подмножества С (входные для устройства защиты величины или сигналы), а зо-вторых, случайными показателями (помехами) образующими подмножество

О -аи^и-иаи-ис« «ли Ст Ц'Д'.....£.....«а которые

также реагирует в той или иной мере каждый из каналов АЗРУ, но которые не входят в подмножество С. Элементами подмножества О могут, з частности, являться температура окружающей среды, параметры элементов (резисторов, конденсаторов) устройства защиты. Поскольку эти величины рассматриваются как случайные, каждая из них характеризуется определённым законом распределения плотности вероятности

(10)

<?(<?)- {#(&)• (рк).....<рк).....

в

о

н

э

Рис. 3: Структурная схема модели.

и

Значение случайного вектора В полностью определяет состояние (режим) работы объекта защиты, т. е. величины показателей генеральной совокупности А в том числе подмножеств С и Ь. Таким образом, по элементам подмножества В определяются элементы подмножества О. интенсивности потоков внезапных отказов ~и

скоростей у(= —.¿Д) потери ресурса, соответствующих

этим элементам видов повреждений.

Если объект оснащён устройством защиты, то его состояние также определяется значением вектора В и кроме того значением вектора С. При чём, если хотя бы один из каналов устройства защиты сработал, то и X, •1/1 V/ сводятся к нулю. ЭД из аварийного режима переходит в режим

ожидания. При этом, как правило, уменьшается величина ущерба.В каком состоянии будет находиться каждый из М каналов АЗРУ при данных значениях компонент векторов В и С? определяется путём проверки условий срабатывания каналов защиты, заданных неравенствами:

у/аА.....с,.....с1си

.....С2>о;

; .................................................. (11)

г1сп,стг-,сггк.....С№)>0;

Ри{См;Смг-£м\,.....См 3>а

Состояние системы целиком определяется, как уже было отмечено выше, значениями случайных векторов В и С. Тогда можно считать определёнными элементы подмножества £>, соответствующие им интенсивности потока внезапных отказов и скорость у потери

ресурса' при постепенных отказах, от которых, в свою очередь, зависят удельные (отнесённые к единице времени) затраты на периодические восстановления и компенсацию технологического ущерба от внезапных отказов

&/М <12)

и удельные затраты на восполнение ресурса и компенсацию технологического ущерба от постепенных отказов

Они могут быть найдены делением приведённых к году эксплуатации затрат на замену агрегата и компенсацию технологического ущерба на среднее время безотказной работы агрегата в первом случае и нормативный срок эксплуатации - во втором.

Для сйстемы ИВН, оснащённой сочетанием з из М каналов АЗРУ

(14)

где££ и операторы, равные 1, если сработал соответственно

регулирующий уровень воды канал АЗРУ и хотя бы один из каналов, входящих в подмножество 5, при данном состоянии системы, и равные нулю во всех остальных случаях;

удельные приведённые затраты на АЗРУ, оснащённого

сочетанием э из М возможных каналов; удельные приведённые затраты на компенсацию

технологического ущерба от остановки-отключения, зависящие от причины отключения. Тогда по всем видам нагрузок и повреждений

¿-•¿.г..

*

А так как элементарная вероятность состояния системы при данных значениях входных величин

=Ы/ЬЫЫМ'ё)* <16>

/-1 м

ТО

¿£=с*/ре1 (17)

а затраты за период времени 1

з,=I Ш п(Ж№ • ™

1-х М

где П{В,0) > область значений компонент множеств В и О.

Из имеющихся устройств, составляющих каналы АЗРУ, оптимальным будет такое их сочетание, которое сведёт

з ->шп. (19)

Для оценки технического состояния системы ИВН составлена математическая модель ЭД, увязывающая величину развиваемого им момента и частоту вращения при различных значениях величины напряжения, степени его асимметрии и гармонического состава.

Показано, что эффективность выбора оптимального варианта АЗРУ в целом будет зависеть от степени совершенства исходного множества функциональных узлов и каналов АЗРУ. Анализу, разработке и оценке технических решений в направлении формирования указанного множества посвящены последующие разделы работы.

В третьем разделе проведено исследование каналов токовых защит. Самая распространённая из них - максимальная токовая защита, реагирующая на перегрузку, заклинивание вала, симметричные короткие замыкания, с цепью более полного использования перегрузочной способности ЭД должна иметь время-зависимую характеристику срабатывания, соответствующую выражению

(20)

при адиабатическом нагреве, когда перегрузка превышает 2-х...3-х кратную, и - выражению

г1

г"=г1пгСГ {21)

в области малых перегрузок, где

1сз необходимое время срабатывания защиты при условии, что в начальный момент перегрузки ЭД находился в "холодном" состоянии; /, кратность тока ЭД по отношению к номинальному току ; А постоянная времени нагрева меди обмотки; г—> постоянная времени нагрева электродвигателя. Установлено, что обоим этим условиям в наилучшей степени * соответствует двухэлементная тепловая модель.

Отмечено, что в соответствии со своим функциональным назначением устройство максимальной токовой защиты должно иметь следующие функциональные узлы:

• узел первичных измерительных преобразователей (ИП) тока, преобразующих фазные токи ЭД в величины, удобные для их дальнейшей обработки;

• узел выделения (селекции) максимального из фазных токов.

• узел обеспечения требуемой время-токовой характеристики срабатывания канала максимальной токовой защиты;

• узел сравнения фазных токов с их допустимой величиной;

• задатчик уставки (ЗУ) срабатывания.

Путём теоретического анализа трансформаторных измерительных преобразователей тока найдены зависимости их выходного напряжения от величины первичного тока для трансформаторов, работающих в

режиме трансреактора

и - в режиме трансформатора тока, нагруженного на проводимость ^

е(г) = / Я/яй* , (23)

гдер^/, и ► число витков соответственно первичной и вторичной обмоток;

,5'—> поперечное сечение магнитопровода;

£ и / —> толщина воздушного зазора и средняя длина магнитопровода; /¿о и магнитные проницаемости воздуха и стали;

Из выражений следует, что трансформаторный ИП тока, работающий в режиме трансформатора тока, выгодно отличается от ИП тока -трансреактора. Во-первых, коэффициент передачи тока зависит от меньшего количества вполне определённых и легко поддающихся точной установке параметров, что делает его величину более стабильной в процессе эксплуатации. Во-вторых. существует прямая пропорциональная связь при фиксированном входном токе между напряжением выходного сигнала и сопротивлением нагрузки вторичной цепи, предоставляющей возможность удобным способом оперативно осуществлять настройку ИП по линейной шкале на практически любую величину первичного тока. В третьих, коэффициент передачи тока не зависит от частоты первичного тока, т.е. он одинаков для всех гармонических составляющих, следовательно, ИП не искажает форму передаваемого сигнала. И в четвёртых, входной и выходной сигналы совпадают по фазе.

Проанализированы возможные схемы выделения наибольшего из фазных токов (максиселекторов). Впервые предложена и исследована' схема максиселектора на основе ЯС-фильтроа симметричных составляющих прямой (фильтр 1, см. рис 4) и обратной (фильтр 2) последовательностей фаз.

Сопротивления резисторов и конденсатора каждого из фильтров выбраны в соотношении

Ко = 2#4 =2& = 2Х№ = = /г, = &. (24)

где —> базовое сопротивление фильтра.

С помощью фильтров выделяются сигналы, пропорциональные токам ППФ и ОПФ. Затем оба сигнала выпрямляются и суммируются. При этом

среднее значение суммарного тока пропорционально сумме токов прямой и обратной последовательностей фаз, т. е. наибольшему из фазных токов

/с -/т+7и» = + 3+ /,). (25)

¿КфКТ

где ^ -> коэффициент формы кривой тока; -> коэффициент

трансформации трансформаторов тока; -= - ¡{н

Рис. 4: Схема выделения наибольшего из фазных токов электродвигателя путём суммирования симметричны* составляющих.

Максиселектор выгодно отличается от существующих тем, что обладает большей нагрузочной способностью, требует установки только двух ИП тока, хорошо согласуется со смежными узлами АЗРУ, его выходной сигнал может быть использован и для других токовых защит.

Рассмотрены схемы аппроксимации квадратичной кривой потерь. Разработана методика аналитического расчёта минимального количества ступеней аппроксимации при заданной точности воспроизведения кривой на основе полученного выражения относительного шага аппроксимации

т -

\-8

(26)

где 5-> погрешность аппроксимации. Для схем с нелинейно-кусочной аппроксимацией кривой потерь, когда на вход интегратора подаются вершины синусоид тока, разработана программа расчёта минимального количества ступеней аппроксимации на ЭВМ. В результате установлено, что при приемлемой точности аппроксимации порядка 10% в диапазоне от рабочих до пусковых токов электродвигателя вполне достаточно 2-х -3-х аппроксимирующих отрезков.

Получены аналитические выражения зависимости уставок срабатывания токовой защиты от параметров ИП тока, нагруженйых на делитель выходного напряжения и сумматор тока, для ИП-трансреактора

и О "1 6 ]><тр" к ж,о, ¿у/0 ^ 1г7)

и для ИП-трансформатора тока

/^-■¿/^ГГ'Л- (28)

где —> передаточный коэффициент делителя напряжения; опорное напряжение на тормозной ветви сумматора; (] и (у -> проводимости соответственно входной и тормозной ветвей сумматора.

Анализ выражений показывает, ' что при неизменном витковом напряжении (первый сомножитель), ' обеспечивающем регулирование уставки при высоком коэффициенте использования стали сердечника приемлемым способом возможно только для ИП-трансформвтора тока путём изменения величины проводимости g1, шунтирующей вторичную

обмотку. Технически такое изменение осуществляется в широком диапазоне, при этом по линейной шкапе, без особых затруднений с помощью переменных резисторов ; (реостатов) или коммутации определённым образом набора постоянных резисторов.

Проведённый детальный теоретический анализ существующих схем максимальной токовой защиты показал, что ни одна из них не обладает в полной мере набору требований к основным функциональным узлам. В связи с этим синтезирована новая схема максимальной токовой защиты на основе линейного сумматора токов и максиселектора с фильтрами симметричных составляющих. - узлах в наибольшей степени соответствующие друг другу и тем ,• требованиям, которые к ним предъявляются по условиям функционирования

Одновременно показано, что максимальная токовая защита в принципе не может иметь высокую чувствительность к местным повреждениям обмоток ЭД и достаточное быстродействие при асимметричных повреждениях. Необходимо её дополнение защитой от асимметрии тока. Проведённое с этой целью теоретическое исследование существующих схем защиты от асимметрии тока дало основание сделать вывод о том, что наиболее совершенной из них является защита, реагирующая на форму напряжения на выходе трёхфазного выпрямительного моста. Однако её недостатком, как и

многих других защит, является неоднозначность реагирования на различные виды несимметрии. И фазовый угол, и разность величин токов, и характер кривой выпрямленного напряжения являются лишь косвенными показателями (признаками) несимметрии фазных токов нагрузки, а не её количественными показателями. Поэтому срабатывание такой защиты, настроенной на определённый порог по тому или иному признаку происходит при различной степени асимметрии (различном коэффициенте асимметрии токов а следовательно, и при различной

степени повреждения ЭД, вызвавшей асимметрию токов, или различной степени опасности для его нормального технического состояния, если причина асимметрии находится вне электродвигателя.

В этом разрезе гораздо лучше выглядят защиты от несимметричных режимов, реагирующие непосредственно на симметричную составляющую тока ОПФ, выделяемую с помощоЮ различного рода фильтров симметричных составляющих.

Поэтому разработана новая схема (рис. 5) на основе впервые предложенного автором 1ЧС-фильтров симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей фаз, реагирующая непосредственно на их соотношение.

Выражение суммы средних токов фильтров, поступающих на обкладку конденсатора С1 через диоды У01 и УР2

где и > базовые сопротивления фильтров соответственно прямой и обратной последовательностей фаз. Срабатывание защиты происходит тогда, когда суммарный средний ток фильтров становится положительным. При этом за счёт

Рис. 5 Схема защиты от асимметрии токоо на основе фильтров прямой и обратной последовательностей фзз.

положительной обратной связи через резистор Р?7 происходит запоминание сигнала отключения.

Условие срабзтызания защиты записывается в виде

Ш* УЗД

или после преобразований - в виде

(31)

Из полученного выражения следует, «то на условие срабатывания защиты от асимметрии тока никакого влияния не оказывает величина балластного сопротивления (величина сопротивлений розистороз

и с помощью которого осуществляется регулирование уставки срабатывания максимзльмой токовой защиты Т е пороги срабатывания этих двух видов токовых защит независимы.

Таким образом, синтезированная на осноаь линейного сумматора переменных токов и фильтров симметричных составляющих защита реагирует непосредственно нэ прямой показатель асимметрий токэ: -коэффициент асимметрии трёхфазной системы токов однозначно

отражающий при прочих расных условиях техническое состояние ЗД. При этом допустимая величина (уставка срабатывания) коэффициента асимметрии в аззрийном режиме задаётся соотношением базовых сопротивлений фильтров прямой и обратной последовательностей фаз.

Проведено также исследование схем минимальной токовой защиты Её применение оправдано ввиду существования возможности появления таких аварийных ситуаций, как "сухой ход", обрыв вала или рабочих колёс насоса, загрубление устазки максимальной токовой защиты при неквалифицированном вмешательстве, перемерзании напорного трубопровода и других подобных ситуациях, когда происходит снижение потребляемого электродвигателем тока. Технически она реализована также, как и защита максимального тока- с основным-отличием в том , что формирует релейный выходной сигнал инверсный по отношению к сигналу, формируемому защитой максимального тока, что обеспечено изменением полярности тока с выхода фильтра прямой последовательности.

Как следует из диаграммы (рис. 6), напряжения на выходе вторичных обмоток трансформаторов тока отстают от сетевых напряжений соответствующих фаз на угол <р, связанный с индуктивным характером нагрузки защищаемого ЭД. Выходной ток фильтра }ф является суммой

одинаковых по модулю токов: тока совпадающего по фазе с напряжением на выходе соответствующего трансформатора тока, и тока во втором плече фильтра / опережающем (в соответствии с

выбранным соотношением активного и реактивного сопротивлений плеча) напряжение ц на выходе вторичной обмотки трансформатора на 60 гр.

В результате выходной ток фильтра опережает напряжение Ц ровно на

90 градусов. Разложение его на активную ^ и реактивную ^

составляющие показывает, что реактивная составляющая, отражающая величину реактивного тока ЭД в такой же степени, как и выходной тон фильтра отражает величину общего тока ЭД. совпадает по фазе с сетевым напряжением

Рис. 6: Векторные диаграммы токов и напряжении формирователя сигнала защиты от недогрузки.

Её компенсация суммой токов / и /Я4 одинаковых по величине резисторов, даёт входной ток защиты, прямо пропорциональный активному току ЭД, а следовательно, и активной мощности, потребляемой ЭД из сети. Таким образом, защита, выполненная по данной схеме, реагирует непосредственно на пропорциональную активному току величину активной мощности, потребляемой ЭД из сети, что делает её более чувствительной к недогрузкам.

В заключение раздела разработана математическая модель токовых защит, учитывающая влияние на пороги срабатывания несимметрии и

А 4

8

нелинейности фазных токов. В её основу положены полученные выражения выходных токов фильтров

/, = » O J (32)

и их средних значений

[^{[¡Uli/OSr, . (33)

где / Л -> ток в плече а фильтра v от симметричной составляющей р

гармоники v: Г > период первой гармоники тока.

В четвёртом разделе проведён анализ существующих и теоретическое обоснование новых устройств защиты ЭД от асимметрии напряжений Как и устройства защиты от асимметрии фазных токов, устройства защиты от асимметрии напряжений проклассифицированы на ззщиты, реагирующие.

• на величину фазных или линейных напряжений;

• на напряжение между нулевыми точками нагрузки и источника тока;

• на напряжение на выходе трёхфазного выпрямительного моста:

• на симметричные состзгггя сщиэ напряжения.

Показано, что из всех аидсз таких защит на неснмметрию напряжений адекватно защищаемому ЭД реагируют фильтровые ззщиты. На основе новых- комбинированных RC-фильтров и линейного сумматора т0чов синтезированы схемы каналов ЛЗРУ, реагирующие к а соотношение симметричной составляющей обратной и поямсй последовательностей фаз а также на величину логической суммы составляющих обратной и нулевой последовательностей фаз

Получены аналитические выражения зависимостей выходных действующих токов от коэффициентов асимметрии и

неуравновешенности питающего напряжения' для комбинированных фильтров обратной и нулевой последовательностей фаз

4%v/ [к^ПОа+гр+б^+К^М V+iW))'

4-(а:,СО5(1 Wa+cp+mj-rKnCosi I/+120)Y

прямой и нулевой последовательностей фаз

&US Р7"1 Mcc-l)+K«Sir(»//+ i 20)}

Inp° ^npir(Cos\ 20(l-«)-/c,Coj( J//+120))? (35)

и узла опорного тока ___________________

j(awl 2С{1-а)+к.(Сол{12()( а-1)++К „Cos у/) ►

т /

|. {sitl 20(\~ a)+K.tSir{l 2Q(a-\)+<p]+K„Smy/)

(36

Откуда результирующие выходные токи фильтров и узла опорных токов:

и условия срабатывания устройства защиты от асимметрии напряжений с комбинированными фильтрами в пусковой и тормозной цепях

IУ /л. (38)

а защиты с одним комбинированным фильтром -

/,*-</„-,• (39)

На основе указанных элементов синтезированы также схемы каналов АЗРУ для защиты электродвигателя от обратного хода и понижения напряжения.

Отмечено, что пониженное сопротивление изоляции и наличие обрывов цепей обмоток являются наиболее яркими и достоверными показателями аварийного состояния ЭД и, если их контроль осуществляется в предпусковой период, появляется возможность сформировать сигнал защиты ещё до возможного возникновения аварийного режима путём подачи на обмотку отключённого ЭД напряжения с последующим контролем тока утечки или падения напряжения на сопротивлении изоляция. Синтезирована новая схема (рис. 7) контроля сопротивления изоляции и наличия обрывов цепей обмоток на основе линейного сумматора токов.

Количество и назначение ветвей сумматора, а также расстановка полярности диодов в ветвях установлены в соответствии с общей методикой формирования необходимой релейной характеристики РФСУ. В данном случае ИП преобразует изменение сопротивления изоляции обмоток ЭД в соответствующее изменение напряжения на обмотках по отношению к корпусу

Г - }г

и- ТшчЪкг япЛП1Сф

(40)

где I], -> фазное напряжение в электрической с^ти; сопротивления ветви обратной связи и пусковой в&тв'и сумматора; балластное сопротивление.

Рис. 7: Схема канала АЗРУ для предпусковой защиты ЭД.

Срабатывание канала защиты происходит при равенстве токоа в пусковой ветви и ветви обратной связи, когда сопротивление изоляции снизится до величины

II, -&Л ЯЯЛ II К, - !Ш ~ 1Ы1 - 1Ш (41)

или в случае обрыва любой из фазных цепей обмоток.

Порог срабатывания по сопротивлению изоляции в отличие от существующих устройств защиты не зависит от аеличины напряжения в ЭС и задаётся на любом необходимом уровне соотношением величин сопротивлений измерительного преобразователя.

В пятом разделе работы рассмотрены схемы каналов АЗРУ. регулирующих уровни воды в источнике и водонапорной ёмкости. Предложены конструкции электродных датчиков уровней, устойчивых к обледенению, для работы в металлических водонапорных башнях системы Рожновского, а также новая система дзухпозиционного регулирования уровня воды с уменьшенным в два раза количеством проводов линии связи. Нэ ее основе синтезирована схема канала АЗРУ для регулирования уровня воды в водонапорной башне (рис 8).

Линейный сумматор этого регулятора имеет ветвь обратной связи (Р?1, >/01. \Ю2), ветвь опорного тока или тормозную (Я2, УОЗ, N/04), ветвь входного сигнала (КЗ, У05, \Ю6) и измерительный преобразователь (Я4...Я6) сигналов датчика уровней.

На входе УЗ напряжение изменяется в соответствии с выражением

и.

и

(42)

Ауоз 2 Д;11 уов 7 ^/04 АУР2 [ ' ;

Рис. 8: Даухпозиционный регулятор уровней.

Анализ выражения показывает, происходит в момент, когда

что срабатывание регулятора

Кг К,;

111111

(43)

ИЯгЯ

а возврат в исходное состояние при

. ................. /44)

к' ' п(л+Мял, > -

Пороги срабатывания не зааисят от напряжения сети, что обеспечивает стабильность работы регулятора в сельской электрической сети. Регулятор универсален по типу датчиков уровней.

Идентична рассмотренной схема какала регулирования уровня ноды в водоисточнике. Синтезирована она также для случая падающей статической характеристики измерителоного преобразователя, но инверсной характеристики канала и имеет в связи с этим обратное включение диодов У03...\/06.

Здесь же рассмотрены схемы ограничения частоты включений и отключений электронасоса, предложены на общей принципиальной основе рациональные варианты их технической реализации в качестве одного из каналов АЗРУ.

В шестом разделе осуществлён анализ и обоснование выбора общих для всех каналов функциональных узлов АЗРУ. Показано, что в наибольшей степени соответствуют технико-экономическим требованиям в качестве дискриминатора сигнала рассогласования на выходе сумматора усилитель на комплементарной паре транзисторов, а также вновь разработанный однокаскадный тиристорный усилитель. Рассмотрены особенности схем сопряжения каналов и осуществления положительной обратной связи. Проведен обзор и оценка перспектив использования существующих исполнительных органов для АЗРУ, предложены новые варианты ключей переменного тока для управления магнитным пускателем с минимальной загрузкой источника оперативного

постоянного тока, не требующие дополнительных устройств гальванической развязки управляющей и исполнительной цепей.

Седьмой раздел посвящен теоретическому обоснованию схемы стационарного стенда для настройки и испытания многоканальных АЗРУ. Показано, что существующие стенды не позволяют проводить испытание многоканальных устройств управления при одновременном функционировании токовых и потенциальных каналов. В связи с этим разработан исследован и реализован для практического использования новый универсальный стенд, позволяющий осуществлять комплексное испытание многоканальных устройств управления в широком диапазоне рабочих и аварийных токов. В его. основу положен принцип питания первичных цепей испытуемого устройства от зольтодобавочных трансформаторов, что обеспечивает полную имитацию нагрузки по точу и напряжению пси на порядок меньшем потреблении мощности из сети. Теоретически и экспериментально доказано, что благодаря установки заградительного фильтра для токов нулевой - последовательности имитируемый ток нагрузки по характеру асимметрии идентичен току защищаемого электродвигателя. Показана возможность регулирования величины и асимметрии тока

В восьмом разделе на базе проведённого анализа, предварительного отбора и синтеза новых функциональных узлов и блоков АЗРУ проведено технико-экономическое обоснование компановки АЗРУ в целом как сложной системы путём имитационного моделирования. Статистическое испытание системы "ИЗН - АЗРУ" нз ЭВМ производилось в соответствии со структурной схемой разработанного для данной конкретной цели моделирующего алгоритма (рис. 9).

Алгоритмом предусматривается двод исходных данных, физических констант, коэффициентов зависимостей, нормированных величин, величин неслучайных входных параметров, а также параметров, характеризующих законы распределения плотностей вероятностей случайных входных величин из подмножеств Вив. Конкретные значения случайных исходных параметров разыгрываются для каждого момента, времени А[ с г помощью специальной подпрограммы - генератора

случайных чисел, равномерно распределённых в интервале между нулём и единицей р (0,1). Далее на последующих этапах алгоритма

производится расчёт технических (4-й и 5-й блоки) и экономических (6-й блок) показателей системы "ИВН - АЗРУ", являющейся частным случаем системы "электрифицированный технологический объект - устройство управления". Окончание процесса испытаний осуществляется по достижению заданной точности

з;

( Начало ")

_ / Ввод исходных данных / -

N=N+1

Разыгрывание случайных величин

' ~[ Расчёт параметров состояния объекта управления)

( 5 )--—ъи----

Определение состояния риалов и АЗРУ в целом ]

Расчет приведённых удельных затрат на водоподъём в единицу времени и с начала испытаний для различных вариантов компановки АЗРУ

' 1^Проверка условия окончания испытзния~^>

Нет

Да

{ Оценка эффективности вариантов защиты!

Вывод результатов /

Рис. 9.: Общая схема моделирующего алгоритма.

€ =

у'Л!

(45)

где р -> доверительная вероятность заданной точности; ф~'[р-> обратная функция Лапласа; 02 --> среднее квадратическое отклонение результата ^ •

Расчёт параметров состояния системы ИВН в наблюдаемый момент времени в соответствии с полученной математической моделью, описываемой системой уравнений, особенностью которой, позволяющей существенно упростить её разрешение, является то, что при заданной частоте вала ЗД и насоса их моменты определяются аналитически при любых значениях входных параметров. Частота, при которой они

уравниваются, определяется методом последовательного приближения. При этом учавствующие в расчётах моментов в качестве промежуточных величин напор, развиваемый насосом, расход и уровни воды в источнике и водонапорной ёмкости, а также ток ЭД представляют одновременно и выходные показатели из подмножества Н. Недостающие из них, в частности, тепловыделение, теплоотдача (как функция уровня зоды в источнике) и температура обмоток, определяющая скорость потери ресурса изоляции, находятся аналитическим путём.

При этом расчёт Д/, производится с учётом граничных условий.

определяющих схему расчёта.

Если переменные попадают в поле возможных значений, изображенное на рис. 10 прямоугольником, то найденные значения в действительности .будут определять режим работы системы ИВН, а если кет - рабочая точка,переместится на одну из границ. Тогда потребуется пересчёт переменных в соответствии с этой точкой. Т. е. в общем случае потребуется совместное решение уравнений состояния системы с уравнениями, выражающими краевые условия

(] / (Л*;); H ' Il > H > На "Ри ■0; /7 ' /ь "Р" q - о. £46}

где J), // и q > соответственно уровни воды в источнике, аккумулирующей ёмкости и расход насоса.

Рис. 10: Диаграмма состояний подсистемы ИВН.

Статистическое моделирование каналов осуществлено на основе математических моделей для каждого из каналов, отобранных на основе априорной информации для включения их в комбинацию каналов АЗРУ, В совокупности они представляют систему уравнений вида (11). При этом входящие в уравнения параметры составляющих схему канала

элементов (резисторов, конденсаторов, стабилитронов, транзисторов) рассматриваются как случайные величины и разыгрываются в соответствии с усечённым на уровне i (j нормальным законом

распределения. Статистическая модель каждого из каналов учитывает кроме того и влияние на величину выходного сигнала надёжности составляющих их элементов. При этом ординарный (Пуассоновский) поток внезапных отказов составляющих канал элементов рассматривается как наложение двух ординарных однородных потоков событий, один из которых интенсивностью представляет зыды

отказов элементов, появление которых приводит к несрабатыванию

2"

канала, а в другой с интенсивностью л - виды отказов, сопровождаемых "ложным'' срабатыванием..

Тогда коэффициент готовности канала к срабатыванию, равный вероятности работоспособного его состояния в любой произвольный момент времени,

K'^F^TjiT'^ToJ^- <4?)

а вероятность "ложного" срабатывания канала за период наблюдения

A".At • (45)

Эффективность того или иного варианта компановки каналов АЗРУ зависит от соотношения затрзт на АЗРУ, а также затрат на компенсацию технологического ущерба от работы ЭНА в аварийном режиме и ущерба в режиме ожидания при отключении агрегата защитой

y,\f(z>t,q!rtJ> <40)

где '/ -> . величина, характеризующая вид потребителя.

Моделирующий алгоритм осуществляет технико-экономическую оценку АЗРУ по критерию минимума затрат

ИЛ,,,~111111IV i.X )

X С~Х (50)

где X :> множество допустимых вариантов достижения цели.

В качестве базы формирования вариантов компановки АЗРУ были отобраны 6 основных каналов. Номинальные параметры элементов и допуски на их величины, необходимые для разыгрывания случайных их значений в процессе статистических испытаний приняты по перечню элементов ТИДЖ 656.325.001 ПЭ станции "Сигнал". Закон распределения - нормальный усечённый на уровне ±1о. Прямые удельные затраты на "приобретение монтаж и эксплуатацию отдельных узлов и каналов

станции с определены как части от прямых удельных затрат станция -■и

управления в целом ¿^ в зависимости от вида и количества элементов, входящих в узел.

Оценка технологического ущерба производилась для животноводческого комплекса на 800 голов по выражению

У-УМНЬ (51)

где у -> средняя удельная величина ущерба на один

электрокасосный агрегат от перерывов водоснабжения, совпадающих со временем поения животных, руб/гол. ч;.Д' "> количество голов крупного

рогатого скота, гол.: /1 -> коэффициент совпадения времени поения со временем перерыва водоснабжения; / -> среднее время перерыва водоснабжения, ч.

При моделировании учитывалось старение изоляции в процессе эксплуатации и износ механической части насоса.

В результате проведённого испытания модели по указанным исходным данным получена величина суммарных затрат по нулевому варианту компановки АЗРУ (отсутствие каналов управления и защиты) в ценах на 1 января 1995 года в размере 10 536 т. руб. Минимум затрат имеет вариант АЗРУ, включающий все т учавствующих в сравнении каналов. Это объясняется сравнительно невысокой их относительной стоимостью в общей стоимости АЗРУ, соответствием исследуемых каналов моделируемой структуре аварийных режимов, высокой надёжностью их элементов и всей схемы АЗРУ в целом. Эффективность оптимального на рассматриваемом множестве решений варианта АЗРУ составляет 416%, что соответствует, снижению годозых затрат нп водоснабжение по сравнению с неавтоматизированной электронасосной установкой в 4,16 рзза. При этом время чистой работы ЭНА до капитального ремонта повышается в 1,95 раза.

Наибольшей относительной эффективностью обладает канал регулирования уровня воды (рис 11)-так как именно этим каналом обеспечивается работа электронасоса на перелив, сокращаются затраты на оплату электроэнергии, уменьшается износ составных элементов электронасоса и вероятность работы его в аварийных режимах.

Эффективность канала в комбинации в % и ■

1к -О- 2к -Л- Зк -*- 4х 5к -О 6к

2 3 4 5 6

Количество каналов в комбинации

Рис. 11: Зависимость эффективности отдельных каналоз от количества каналов АЗРУ.

Номера каналоз: 1 - регулирования уровня еоды е водонапорной башне; 2 - максимальной токовой защиты электродвигателя; 3 -защиты от асимметрии тока; 4 - контроля сопротивления изоляции и обрыва цепей обмотки: 5 - контроля величины напряжения е питающей ЭС; 6 - защиты от асимметрии напряжения и обратной последовательности фаз.

Основные выводы и результаты исследований.

1. В результате проаедённого анал/за состояния проблемы совершенствования средств управления электронасосными агрегатами как одного из направлений повышения эффективности их функционирования в системах водоснабжения сельскохозяйственного производства, показано, что наращивание защитно-регулирующих функций устройств управления при одновременном повышении надёжности и относительном уменьшении стоимости возможно путём их упрощения зз счёт вылолненйя каналов защиты и двухпозиционногс регулирования на единой принципиальной и конструктивной основе V объединения их в единое защитно-регулирующее устройство (АЗРУ).

2. Впервые (а. с. 1288649) обоснована из условия минимуме сложности рациональная структура многоканального АЗРУ и предложен? методика формального синтеза каналов нд основе простейшегс линейного сумматора токов, как наиболее универсальной основы дл^ построения любого по функциональному назначению канала.

3. Предложен комплекс оригинальных технических решений (по а. с 995193, 1042145, 1069056, 1120441, 1225982, 1259386, 1260923, 1260927 1319149, 1368646) по исполнению функциональных узлов конструктивных элементов и каналов АЗРУ, проведено их теоретическо<

и экспериментальное исследование з лабораторных и производственных условиях.

4. Разсаботана схема универсального стенда для испытания многоканальных устройств управления в процессе их изготовления и эксплуатации и теоретически обоснована адекватность имитируемой им нагрузки нагрузке защищаемого ЭД. Производственные образцы стендов используются в настоящее время на Оренбургском заводе "Инвертор" при проведении приемо-сдаточных испытаний станции "Сигнал", в ОГСХА при отладке блоков управления и комбинированной защиты (БУК-1), а также в Оренбургской и Новосибирской СПМК по техническому обслуживанию погружных электронасосных агрегатов в сельском хозяйстве.

5. Впервые для технико-экономической оценки и оптимизации структуры многоканального АЗРУ применён метод имитационного моделирования, разработан моделирующий алгоритм и математические модели элементов системы . "ИВН-АЗРУ", связывающие параметры, определяющие режим работы насосного агрегата, и случайные возмущающие величины на входе системы. Реализация алгоритма на ЭВМ позволила оценить эффективность по критер/ю минимума затрат отдельных каналов АЗРУ и выявить оптимальное их сочетание.

6. Проведённое комплексное теоретическое и экспериментальное исследование различных функциональных узлоз и систем АЗРУ в целом явилось той основой, на базе которой было организовано серийное производство его новой конструкции в виде станции управления ЭД погружных насосов "Сигнал" на заводе "Инвертор", а также блоков управления БУК-1 в ОГАУ силами, малого предприятия при кафедре электротехники. Применение указанных устройств в хозяйствах Оренбургской и других областей РФ позволило полностью искпючито выход из строя ЭД в аварийных режимах, увеличить фактический ресурс насосного агрегата по сразнени.ю с незащищённым агрегатом в 1,85 раза, а по сравнению с агрегатом, защищенным станцией управления типа, "Каскад", - а 1,56 раза.

Основные Положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Петько В. Г. Комбинированное устройство управления электронасосным агрегатом II Многоскоростной и элекгронизированный электропривод в сельском хозяйстве: Тез. докл. межвуз. науч. конф. 23 -25 октября 1990 г. - Зерноград, 1992 - С. 42 - 43.

2 Летько В. Г. Станция управления электронасосом II Пробламь механизации, электрификации, автоматизации сельского хозяйства I подготовки инженерных кадров: Тез. докл науч. конф. 16 -19 апреля 199' г.-Минск, 1991.-С. 122-124.

3 Петько В. Г. Комбинированное устройство управления и защип электродвигателей погружных насосов // Ускорение научно-техническоп прогресса в организациях треста "Ремсельбурвод": Тез. докл. совещ. семинара 9 -13 декабря 1985 г. - Челябинск, 1986. - С. 18-24.

А Петько В. Г. Двухпозиционный датчик уровней для водонаяорно! башни II Ускорение научно-технического прогресса в организациях треста "Ремсельбурвод": Тез. докл. совещ.-семинара 9-13 декабря 1985 г. Челябинск, 1986. - С. 25 - 29.

5. Устройство для предпусковой защиты трёхфазной электродвигателя от обрыва цепи обмоток и пробоя изоляции на корпус А. с. 995193 СССР, м. Н 02 Н 7/09 / В. Г. Петько (СССР). - 6 е.: ил.

6. Устройство для защиты трёхфазной нагрузки от обрыва фазны цепей и пробоя изоляции на корпус. А. с. 1259386 СССР, м. Кл3 н 02 > 7/09, Н 02 Н 3/14 / В. Г. Петько (СССР). - 5 е.: ил.

7. Устройство для защиты электроустановки от неправильного чередования фаз и асимметрии фазных напряжений: А. с. 1069056 СССР М. Кл3 Н 02 Н 7/09, Н 02 И 3/24 / 8. Г. Петько (СССР). - 5 е.: ил.

8. Система автоматического управления режимом работ! электродного парового котла: А. с. 1225982 СССР, Кл. Р 22 В 1/30 I В. Г Петько (СССР). - 4 е.: ил.

Э.Деухпозиционный регулятор и двухпозиционный датчик уровне электропроводной жидкости: А. с. 1260923 СССР, Кл. Э 05 Р 9/12 / В. ! Петько (СССР). -6с.' ил.

10. Двухпозиционный датчик уровней для водонапорной башни" А. < 1368646 СССР, Кл. в 01 Р 23/26 I В. Г. Петько (СССР). -2 с.: ил.

11.Тиристорный регулятор: А. с. 1042145 СССР, Кл. Н 02 М 7/12 / В. I Петько (СССР). - 3 е.: ил.

12. Устройство для защиты трёхфазного электродвигателя с анормальных режимов: А. с. 1120441 СССР, Кл. Н 02 Н 7/08 / В. Г. Петьи (СССР). - 8 е.: ил.

13. Устройство для защиты трёхфазного электродвигателя с анормальных режимов: А. с. 1319149 СССР, Кл. Н 02 Н 7/08 I В. Г. Петьи (СССР).-4 е.: ил.

14. Многоканальное регулирующее устройство: А. с. 1288849 СССР, Кл. <3 05 В 1/01 / В. Г. Петько (СССР). - 8 е.: ил.

15. Трёхлозиционный регулятор темпеоатуры: А. с. 1260927 СССР, ¡(л. в 05 Э 23/19 / В. Г. Петько (СССР). - 7 е.: ил

16. Станция "Сигнал" для автоматического управления элеетронасосными агрегатами: ТУ 16 - 90 ТИДЖ656.325.001ТУ / В. Г. Петько - 38 е.: ип.

17. Научное обоснование конструкции и устройства для предпусковой защиты электродвигателей от обрыва цеп« обмоток и пробоя изоляции на корпус: Отчёт о НИР № ГР 81032982; Инв. № 02829045267 / В. Г. Петько, Д. А. Султанов - Оренбург, 1981. - 22 с.

18. Научное обоснование конструкции автоматического управляющего устройства для екзажйнных электронасосов сельскохозяйственного водоснабжения: Отчёт о НИР (промежуточ.) № ГР 78070326: Инн. N2 Б850Б91/ В. Г. Петько, Д. А. Султанов - Оренбург, 1980. - 22 с.'

19 Научное обоснование конструкции автоматического управляющего устройства для екзажйнных электронасосов сельскохозяйственного водоснабжения: Отчёт о НИР (промежуточ.) № ГР 78070628; Инв. № Б775530 / В. Г. Петько. Д. А. Султанов - Оренбург. 1379. ' 16 с.

20. Обзор и оценка существующих систем управления, защиты, технологического обслуживания я диагностики электродвигателей погружных насосов: Отчёт о НИР (промежуточ.) № ГР 01860081270; Инв. № 02870059594 / В Г. Петько. И. К. Петина - Оренбург. 1327. - 149 с.

21. Разработка конструкции и исследование характеристик станции автоматического управления типа "Сигнал" для электронасосов системы водоснабжения сельского хозяйства: Отчёт о НИР (промежуточ.) № ГР 01860081270; Инв. № 02910010241 / В. Г. Петько - Оренбург, 1989. - 212 с.

22. Разработка и исследование средств электрификации и автоматизации для сельскохозяйственного производства: Отчёт о НИР (промежуточ.) № ГР 81082982; Инв. № 02830047258 / В. Г. Петько Оренбург, 1982. -32с.

23. Стенд для испытания и наладки станций автоматического управления электродвигателями погружных насосов: Отчёт о НИР (промежуточ.) № ГР 01860081270: Ина. № 02890000947 / В. Г. Петько, И. К. Петина - Оренбург, 1980. - 40 с.

24. Датчик уровней для водонапорной башни. Проспект на натурный образец ВДНХ СССР / В. Г. Петько - Оренбург, ОСХИ -1 с.

25. Станция автоматического управления электронасосным агрегатом. Проспект на натурный образец ВДНХ СССР / В. Г. Петько -Оренбург, ОСХИ -1 с.

26. Станция управления электронасосом. Учебный плакат. Агропромышленный комитет Оренбургской области / В. Г. Петько -Оренбург: изд-во "Южный Урал", зак.4752,1988. - 2 л.

27. Датчик для водонапорной башни. Учебный плакат. Агропромышленный комитет Оренбургской области / В Г. Петько • Оренбург: изд-во "Южный Урал", зак.ФВ 02577,1987. -1 л.

28. Петько В. Г. Двухпозиционный регулятор и двухпозиционнъ;у датчик уровней для водонапорной башни I! Автоматизаци* производственных процессов в сельском х-ве: Тез. докл. Между-на р. науч.-техн. конф. 13...15 марта 1995 г. - Углич, 1995. - С. 117 -119.

29 Петько В. Г. Обобщённая структурная схема устройств управление электрифицированными технологическими агрегатами. //Труды институтг /ЧГАУ.-1995.-Т. 10.

■ 30. Петько В. Г. Обоснсван/е схемы формирователя сигнал? управления для дзухпозиционного многоканального устройств* регулирования и защиты. // Труды института IЧГАУ. -1995. - Т. 10.

31. Обоснование типоразмерного ряда и технико-экономическое эффективности станции управления электродвигателями погружны: насосов: Отчёт о НИР (промехс/точ.); Инв. № 02950001687 / В. Г. Петько Ю. В. Нефёдов - Оренбург. 1995. - 43 с.

32. Разработка методики технико-экономического обоснован«: станций управления электронасосными агрегатами: Отчёт о НИР; Инз. N 02950001697 / В. Г. Петько, - Оренбург, 1995. - 43 с.

33. Разработка конструкции и исследование хаоактери.стик станци автоматического управления типа "Сигнал" для электронасосов систе! водоснабжения с. х-ва: Отчёт о НИР (промежуток.); Инв. № 02950001696 В. Г. Петько - Оренбург, 1995. - 53 с.