автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение работоспособности асинхронного электропривода трубопроводной арматуры при низких температурах

005004418

Смирнов Александр Олегович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ ПРИ НИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУРАХ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

-1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2011

005004418

Работа выполнена на кафедре электропривода и электрооборудования ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Томского политехнического

университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Букреев Виктор Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Казанцев Юрий Михайлович

кандидат технических наук, доцент Орлов Юрий Александрович

Ведущее предприятие: Обособленное подразделение «Научно-

исследовательский институт автоматики и электромеханики Томского

государственного университета систем управления и радиоэлектроники», г. Томск

Защита состоится 16.12.2011 года в 15:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при ФГБОУ ВПО НИ ТПУ по адресу: 634050, г. Томск, пр. Усова, 7; ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИ ТПУ по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан «// » МОеРс^хО. 2011 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11, к.т.н., доцент Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Актуальной на сегодняшний день является задача повышения работоспособности асинхронного ЭП запорной трубопроводной арматуры (ЗТА) с целью достижения эксплуатационных характеристик при низких температурах окружающей среды. Определяющее влияние на работоспособность электроприводов ЗТА оказывают низкие температуры (-50...-60°С), особенно в период запуска агрегатов после длительной остановки.

Жесткие условия эксплуатации редуктора и задвижки запорной арматуры определяют необходимость использования адаптивных алгоритмов управления, позволяющих в реальном времени минимизировать влияние возмущений в электроприводе и повысить его работоспособность.

Кроме того, для обеспечения требуемых показателей качества регулирования необходимо не только учитывать изменение параметров редуктора и асинхронного двигателя, но и уменьшить количество отказов элементов системы управления ЭПЗТА при низких температурах окружающей среды.

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

Предметом исследования является алгоритмическое обеспечение микропроцессорных регуляторов асинхронного электропривода запорной арматуры, функционирующего в условиях значительного изменения температуры окружающей среды.

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

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

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

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

3. Разработать адаптивный регулятор тока системы управления электропривода, позволяющий сформировать требуемый электромагнитный момент асинхронного двигателя с учетом механических потерь в волновом редукторе и температуры окружающей среды.

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

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

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы: теория электропривода и электрических машин, теория автоматического управления, численное моделирование, а также экспериментальные исследования. Имитационное моделирование осуществлялось в среде МАТЪАВ 6.5, программирование - на языке С.

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

Практическая ценность диссертационной работы:

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

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

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

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

На защиту выносится:

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

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

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

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

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках следующих конференций и семинаров: X Международной научно-технической конференции «Решетневские чтения», посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, г.

Красноярск / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, Красноярск, 2006; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск: ТПУ, 2007; VII Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск: ТПУ, 2007; серии Международных научно-практических конференций студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», СТТ, ТПУ, г. Томск, 2006-2011; научно-технических семинарах кафедры электропривода и электрооборудования ЭНИН ТПУ, Томск, 2009 - 2011.

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе проведен анализ области исследований, рассмотрены особенности эксплуатации асинхронных электроприводов запорной арматуры и конструкции задвижек магистральных нефтепроводов, работающих в диапазоне температур от +20 до -60 °С.

Определены такие основные требования к запорной трубопроводной арматуре магистральных трубопроводов, как минимальное гидравлическое сопротивление полностью открытой арматуры; легкость срабатывания после длительной эксплуатации в открытом положении; высокая надежность; долговечность; безотказность; герметичность затвора и всех уплотнений; коррозийная стойкость. Кроме того, значения точности регулирования электромагнитного момента и быстродействие электропривода запорной арматуры в температурном диапазоне от +20 до -60 °С должны соответствовать ГОСТ-51137-98.

В работе определены критерии работоспособности ЭПЗТА, которые включают требования к регулируемым переменным электропривода, безотказности системы управления ЭП, износостойкости составных элементов редуктора и рабочего органа ЗТА.

При низких температурах окружающей среды наиболее интенсивным видом разрушения элементов конструкции ЗТА является износ, поэтому необходимо искать пути повышения долговечности деталей, работающих в условиях этого вида изнашивания.

В таблице 1 приведены основные качественные показатели некоторых электроприводов, работающих при низких температурах окружающей среды

(ООО НПО «СибМаш» (г. Томск), AUMA (Германия), ТЭП (г. Тула), ROTORK (Германия)).

Таблица 1. Основные характеристики некоторых электроприводов_

^~~~---__марки ЭП «ГУСАР» «AUMA» «ТЭП» «ROTORK»

(СибМаш) (AUMA) (ТЭП) (ROTORK)

показателн~^-\

время разгона, с 3 5 12 7

точность, % 5 10 20 10

диапазон 10-50 10-50 10-50 10-50

регулирования, Гц

температурный от -50 до от -40 до от -45 до от -40 до

диапазон работы, °С +50 +70 +50 +70

Проведенные исследования показали, что электропривод «ГУСАР» производства ООО НПО «СибМаш» обладает более лучшими характеристиками в отличие от электроприводов фирм AUMA, ТЭП и ROTORK. Также установлены особенности работы ЭП запорной арматуры при низких температурах, которые характеризуются существенным изменением механических свойств материалов. Для учета влияния низких температур внешней среды на параметры электропривода запорной арматуры необходимо разработать уточненные модели асинхронного двигателя и волнового редуктора при изменении температуры до -60 °С и провести дополнительные экспериментальные исследования.

Во второй главе производится расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя электропривода, математическое моделирование АД с учетом эффекта вытеснения токов в стержнях ротора и расчет кривой потерь, возникающих в механической части ЭП при изменении температуры окружающей среды. Для большинства случаев приемлемыми являются методы определения параметров АД на основании его справочных данных.

При расчете электромеханических и механических характеристик АД целесообразно воспользоваться его математической моделью, которая в общем случае представляется различными схемами замещения. Наиболее удобной для оценки влияния изменений параметров асинхронного двигателя на его характеристики является Т-образная схема замещения (рис. 2).

Рис.2. Т-образная схема замещения АД

Основные уравнения АД, соответствующие принятой схеме замещения, с параметрами, зависящими от температуры Т окружающей среды:

с/1-у (7-)/1-/?!(Г)/1=0 (1)

£1 + ;Х2(Г)/2 + Л2(7,)/2/5=0 (2)

/1+72-/0 = 0, (3)_

где и 1 - вектор фазного напряжения; 5 - номинальное скольжение; /1 - вектор

тока обмотки статора двигателя при частичной загрузке; 12 — вектор тока обмотки ротора двигателя при частичной загрузке; Щ (Т) - активное

сопротивление обмотки статора; ^ (Т) - активное сопротивление обмотки

ротора; /о - вектор тока холостого хода АД; Х\(Г) - индуктивное сопротивление рассеяния фазы статорной обмотки; Х2{Т) — индуктивное сопротивление рассеяния фазы роторной обмотки; Е\=-Е^ - Э.Д.С. ветви намагничивания, созданная магнитным потоком в воздушном зазоре обмоткой статора.

В уравнениях (1) и (2) присутствуют параметры, которые изменяющиеся от температуры, а именно Х\, Х2. В диссертации получена зависимость активного сопротивления роторной обмотки АД от частоты и температуры окружающей среды (рис. 3).

Д2,Ом

Рис. 3. Зависимость изменения активных сопротивлений статора и ротора от температуры окружающей среды и изменением частоты вращения АД ( ■ - +20 °С, - 0 °С, ■ --20 °С, ■ --60 °С)

При моделировании было выяснено, что эффект вытеснения токов в стержнях ротора в большей степени проявляется на частоте вращения АД, равной 50 Гц. При уменьшении частоты вращения двигателя влияние данного эффекта на характеристики АД во всем диапазоне изменения температуры окружающей среды возможно не учитывать.

Для математического описания АД в неподвижной системе координат, можно использовать систему уравнений (4) с параметрами, функционально зависящими от температуры окружающей среды.

=ЦТ) КГ{Т) 1ха-аг{Т) ъ,а-со, уф КГ(Т) ,ф-^(Т^р+ц. ч,т

)

где /

.ча >

.а А к

, иш, и3р - компоненты пространственных векторов тока и напряжения статора, у/га, у/^ - компоненты пространственного вектора потокосцепления ротора, Яе (Г) - эквивалентное сопротивление обмотки ротора АД в функции от температуры Т окружающей среды; аг(Т), КГ(Т),

(Г)-

коэффициенты, характеризующие параметры АД при изменении температуры Т окружающей среды, У - приведенный динамический момент инерции на валу АД, а>г - частота вращения вала двигателя, М - электромагнитный момент двигателя,

М,

нагр

статическии момент механической нагрузки.

На основе системы уравнений (4) создана имитационная модель АД с корректировкой его параметров и учетом температуры окружающей среды (выделенные блоки на рис. 4). В работе также исследована имитационная модель АД во вращающейся системе координат. Данная модель необходима для проведения синтеза оптимальных регуляторов тока и скорости системы управления АД.

Результаты моделирования в виде графиков переходных процессов сгруппированы отдельно для скорости и момента асинхронного электродвигателя (рис. 5, 6).

По результатам моделирования была проведена проверка адекватности реального АД и компьютерной модели (рис. 7), которая показала, что в результате проведения теоретических и экспериментальных исследований время переходных процессов уменьшается при снижении температуры (таблица 2).

Таблица 2. Время переходного процесса при пуске АД в зависимости от

т, °с 20 0 -20 -40 -60

с 0,432 _ 0,409 0,388 0,386 0,355

Муст, Нм 1,59

ЗО-ы Ш

4=.

-чз-

•1 'Я г-^.-п

1 | гП^Ь К

-В

чз-

•ь

а®

Ц;

*Н

со

О 160

но 120 100 80

Рис. 4. Имитационная модель АД

М Нм

&>(г)при Та = -60° С" ' /' »(г )прн Г3 = -200

^Сг)прИГ, =

0.1 02 0.3 0.4 С.5 0.6 0.7 0.8 0 5 1с

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 с и' 0.1 0.2 03 04 0.5 0.Г» 07 0.8 0.9

Рис. 5. Переходный процесс по скорости Рис. 6. Переходный процесс по Рис. 7. Переходный процесс скорости

при пуске и набросе нагрузки АД при моменту при пуске и набросе при пуске и набросе иагрузки АД

снижении температуры окружающей среды нагрузки АД при снижении (теоретическая и экспериментальная

температуры окружающей среды кривые)

Это происходит благодаря увеличению момента, развиваемого на валу АД в результате уменьшения активного сопротивления ротора.

В электроприводе «ГУСАР» механическим преобразователем является редуктор волнового типа. В волновом редукторе имеется смазка, которая обеспечивает уменьшение механических потерь, а также долговечность его работы, что в конечном итоге влияет на работоспособность асинхронного электропривода трубопроводной арматуры.

От качества смазки зависит момент холостого хода редуктора и электропривода при различных температурах. При использовании традиционной смазки момент холостого хода составляет 1,4 Н-м, в тоже время смазка типа ВНИИНП-286М ТУ38-101950 позволяет добиться момента холостого хода, равного 1,1 Н-м, что отражается на нагрузочной характеристике. В этом случае разброс нагрузочных характеристик при номинальной частоте вращения составляет 1,7 Н-м, при использовании же традиционных смазок данный разброс увеличивается примерно в 2 раза.

Кроме того, при работе асинхронного электропривода, в составе которого имеется волновой редуктор, возможен «обратный ход» рабочего органа трубопроводной арматуры в момент остановки электропривода в одном из крайних положений задвижки. При использовании разработанного звена коррекции и фильтра на выходе регулятора скорости, который в свою очередь отвечает за формирование моментной характеристики асинхронного двигателя электропривода, количество циклов «обратного хода» сводится к минимуму.

В диссертации приведен расчет момента сопротивления волнового редуктора с учетом низких температур и эффекта «обратного хода» редуктора. Зависимость момента редуктора от электромагнитного момента асинхронного двигателя имеет нелинейный характер и зону нечувствительности (рис. 8).

Нагрузочную характеристику электропривода целесообразно определять на основе механических потерь в волновом редукторе. В качестве исходной информации используется зависимость механических потерь в редукторе от электромагнитного момента двигателя, полученная экспериментальным путем в температурном диапазоне от +20 до -60 °С (рис. 9). На основе интервально-линейной аппроксимации экспериментальной зависимости (рис. 8, рис. 9) записывается уравнение вида:

М (U \ (^ред1-^ред2)(^ред/-^ред2)

=---+ AW (5)

мад1 ■мад2

где Мад1 - г'-е значение момента асинхронного двигателя А/ад; А/ред(- - г'-е

значение момента механических потерь в редукторе волнового типа; Мая j,

Л/ад2, Л/рСД j, Л/рСД2 - соответственно, интервальные значения

электромагнитного момента асинхронного двигателя и момента потерь в редукторе.

Третья глава посвящена вопросам синтеза структуры и определения параметров регуляторов тока и скорости системы управления асинхронным ЭП.

Н- М 20 °С

120 /С

ЮО 80 ^-- ___

40

0

-3 -2.5 "2 "12 -0.7 -0.5 0.5 0.7 1.2 2 2.5 л

-20

-40

-- -60 -8С

- ЮО

Рис. 8. Зависимость Л/реду1Тор = у(л/'АД) при изменении температуры

окружающей среды

«„„. Нм

75

/ 20°С ,■ 60

-20"С \ 45

\ 30

\ 15

-1.2 -0. -0. и 0.5 \ 0.7 |.2 2 2.5

-15 \

-30 V .--••20 °С

-45 /

-60

-75

Рис. 9. Кривые потерь, возникающие в волновом редукторе при изменении температуры окружающей среды Мпотерь = /(л/ЛД)

Рис. 11. Алгоритм коррекции параметров регулятора

скорости и тока электропривода, учитывающий влияние температуры окружающей среды на активное сопротивление обмотки ротора

При синтезе регуляторов используется метод определения желаемой передаточной функции электропривода с настройкой на модульный оптимум. Для контуров управления скорости движения и положением задвижки с целью минимизации ошибки по возмущению использована настройка на симметричный оптимум. Функциональная блок-схема системы управления асинхронным электроприводом «ГУСАР» представлена на рис. 10.

РС

и

РК

й

«а.

РП

РТ Ш11М

РТ

,55 г

I?1

.1 81.

'О.С.1/

Рис. 10. Функциональная блок-схема системы управления асинхронным электроприводом «ГУСАР»

На рис. 10 приняты следующие обозначения: РС - регулятор скорости; РК - регулятор коррекции; РТ - регулятор тока; РП - регулятор потокосцепления; кред - коэффициент передачи редуктора; к0 с & -

коэффициент обратной связи по скорости; к0 с ^ - коэффициент обратной

связи по потокосцеплению; ко с ток - коэффициент обратной связи по току;

К - коэффициент усиления, характеризующий увеличение сопротивления

фазы ротора двигателя под влиянием эффекта вытеснения тока; Зэ~

эквивалентный момент инерции механизма.

Для стабилизации момента на валу электродвигателя в температурном диапазоне от +20 до -60 °С в систему управления электропривода вводится звено, которое производит коррекцию токовой составляющей значения электромагнитного момента. Данная корректировка осуществляется в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 11.

Для построения регулятора тока используется следующая методика:

1. Производится расчет активного сопротивления /?2 (/,Г) ротора, который зависит от частоты и температуры окружающей среды, а также определяется коэффициент крт усиления регулятора тока по формуле:

К1+Я2(/,г)К2г Рт ~~ 2

2. Формируется массив данных крт с учетом изменения температуры

окружающей среды, а также частоты вращения АД (рис.12).

Данная зависимость формируется в виде базы данных, позволяющая автоматически подстраивать регулятор тока системы управления

электропривода таким образом, чтобы поддерживать значение электромагнитного момента постоянным в температурном диапазоне от +20°С до -60 °С с заданным быстродействием и высокой точностью.

Рис. 12. Зависимость изменения крт от температуры окружающей среды

(■ - +20 °С, - 0 °С, ■ - -20 °С, ■ - -60 °С) и изменения частоты вращения АД асинхронного электропривода «ГУСАР»

После уточнения имитационной модели АД выполняется процедура оптимизации системы управления ЭП, которая состоит из регуляторов тока, скорости и потокосцепления.

Регулятор тока настраивается на модульный оптимум: Тпт р +1

^рт (Р) = крт~^~, (6)

^рт Р

где ?рт = Тинв = у = ^^ = 0.0002; с - постоянная времени регулятора тока; инв

/инв " частота ШИМ процессора в преобразователе частоты.

Регулятор скорости, в состав которого входит звено коррекции, настраивается на симметричный оптимум. С учетом параметров контура скорости выбирается ПИ - регулятор с передаточной функцией: Тос р +1

^Рс(р)=крс-^-~, (7)

1рс Р

где ¡7ЗС=10В; ас = 2,Ьс = 2 - коэффициенты оптимизации контура скорости; ^рс = =16-0,0002 = 0,0032 с - малая постоянная времени контура

скорости.

Блок-схема корректирующего звена представлена на рис. 13. Данное звено корректирует выходной сигнал с регулятора скорости, который в свою очередь формирует момент на выходном валу электродвигателя. Количество циклов алгоритма работы корректирующего звена зависит от скорости изменения параметров электропривода, которые функционально зависят от температуры окружающей среды и частоты вращения АД (рис. 14). Посредством данного звена, момент на выходном валу АД поддерживается постоянным во всем диапазоне частот (от 10 до 50 Гц) вращения двигателя и температуры (от +20 до -60 °С).

Низкочастотный фильтр на выходе звена коррекции, позволяет уменьшить колебания момента на выходном валу двигателя (с 0,9 до 0,05 Н-м), (см. рис. 15), что в свою очередь снижает вибрации в редукторе, обеспечивая более плавную и стабильную работу электропривода во всем диапазоне частот (от 10 до 50 Гц) и температур (от +20 до -60 °С). Значение постоянной времени фильтра определяется по результатам численного эксперимента, при котором достигается минимальный уровень колебаний электромагнитного момента.

С помощью метода наименьших квадратов в программе Excel была выявлена апроксимационная зависимость постоянной времени фильтра от уровня колебаний электромагнитного момента, представленная на рис. 16 и выраженная в виде функции:

ДМ = -0,0002Гф +0,00547ф-0,05237ф +0,22217ф -0,5858Гф +0,0519, (8) где ДМ,Н-м - амплитуда колебаний электромагнитного момента; Гф,с -

постоянная времени фильтра на выходе регулятора скорости.

Экспериментально установлено (рис. 16), что диапазон выбора значений постоянной времени фильтра равен (49+65) Т„ при этом временной диапазон определяется интервалом от 0,99 до 1,25 с, где Тк - период колебаний

электромагнитного момента.

Результаты моделирования асинхронного электропривода в виде переходных процессов частоты вращения и электромагнитного момента АД

представлены на рис. 17-19.

Анализ переходных процессов скорости и момента электропривода, полученных теоретическим и экспериментальным путем, показывает, что они практически не отличаются друг от друга и составляет не более 5 %.

Таким образом, предложенный алгоритм позволяет корректировать выходное значение моментной составляющей в регуляторе скорости. В результате увеличивается точность позиционирования на 80 %.

Сравнительная оценка показателей качества электропривода «ГУСАР» серийного исполнения и электропривода с модифицированной системой управления приведена в таблице 3.

показатель «ГУСАР» «ГУСАР» с коррекцией

быстродействие, с 0.06496 0.05

точность позиционирования, % 10 2

Предложенный в работе алгоритм коррекции и программа расчета параметров регуляторов скорости и тока асинхронного электропривода, которые позволяют учитывать влияние температуры окружающей среды на активное сопротивление обмотки ротора, позволяют обеспечить требуемые показатели качества перемещения рабочего органа трубопроводной арматуры, а именно увеличить быстродействие электропривода на 24 % и точность позиционирования задвижки на 80 %.

Рис. 14. Алгоритм работы сигнальной адаптации

задания электромагнитного момента АД, учитывающий изменение механических потерь в редукторе ЗТА

аЛ/ 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Ни

V КСШВ ШШ1 С1Ь

ирокшишиш ЯЗКИ.ЧА 11

0,1 0

« 04 0,6 0.« 0.99 1 ц

Рис. 13. Блок-схема звена коррекции

Рис. 16. Зависимость колебаний момента от малой постоянной времени фильтра на выходном валу электродвигателя

с фильтром.. ■

Рис. 15. Выходной сигнал с регулятора скорости, имеющий звено коррекции без фильтра на выходе регулятора

л рад'с

Рис. 17. Переходный процесс по скорости электропривода при пуске на холостом ходу, последующем набросе нагрузки полной остановке в диапазоне частот от 10 до 50 Гц, при разных значениях температур (от +20°С до -60°С)

Рис. 18. Переходные процессы по моменту в редукторе и электропривода при разных значениях температур (от +20°С до -60°С)

Г 1 1 /-- -} -

1 Л=50Гц

, />-40Ги

/ 1 1 ¡1 у

/ й-ЗОГц

'Чг 20Гп

- хС /¿-МГц Wyc.-0.6H-U" /

1 1 ,

5 (0

в) с компенсацией по моменту потерь в руупадрс

' ( >.-50Ги

4 I /»МГЦ

I ,//•

:'/.......................

л= ЗОГп . 'оЮГр

'/'/но ГЦ /

о) без компенсации момента потерь в редукторе

Рис.19. Переходные процессы по моменту на выходе регулятора скорости а) с компенсацией по моменту потерь в редукторе, б) без компенсации по моменту потерь в редукторе электропривода «ГУСАР» при пуске

на холостом ходу, последующем набросе нагрузки полной остановке в диапазоне частот от 10 до 50 Гц, при разных значениях температур (от +20 С до -60 С)

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования работы асинхронного ЭП. На рис. 20 представлено фото экспериментальной установки.

Рис. 20. Общий вид экспериментальной установки

Рис. 21. Электропривод «ГУСАР» испытательном стенде

на

В климатическую камеру «Фэйтрон» для охлаждения до заданной температуры помещаются компоненты электропривода Е80-\'СХ: электронный блок управления АД в сборе с волновым редуктором. В климатической камере имеется датчик, с помощью которого контролируется температура внутри камеры. После охлаждения до заданной температуры электронный блок управления подключается к питающей сети через интерфейс, который соединен с персональным компьютером. При достижении заданной температуры двигатель вместе с редуктором устанавливается на нагрузочный стенд (см. рис. 21). На нагрузочном стенде формируется момент сопротивления, который прикладывается к выходному валу редуктора, а на индикаторе датчика момента фиксируется его текущее значение.' При различных значениях температуры обеспечивается изменение нагрузочного момента с регистрацией частоты вращения и тока асинхронного двигателя. Таким образом, для значений температуры в диапазоне от +20 до -60 °С фиксируются переходные процессы в диапазоне частот от 10 до 50 Гц по моменту и скорости АД при пуске на холостом ходу, набросе нагрузки и полной остановке электропривода. При использовании звена коррекции видно, что асинхронный электропривод работает устойчиво во всем заданном температурном диапазоне (рис. 22).

сч

V ■ I. 20 Гц

Рис. 22. Переходные процессы по моменту и скорости АД в диапазоне частот от 10 до 50 Гц, при разных значениях температур (от +20 до -60 °С)

Анализ экспериментальных и расчетных графиков переходных процессов (рис. 22) показал, что стабилизация момента электродвигателя и частоты вращения АД происходит за счет непрерывного поддержания постоянной кривой механических потерь при изменении коэффициентов регуляторов тока и скорости в системе управления ЭПЗТА в режиме реального времени при изменении температуры от +20 до -60 °С.

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

В приложении представлены имитационные модели, реализованные в программном пакете МАТЬАВ 6.5, методика расчета схемы замещения асинхронного электропривода, методика расчета параметров системы управления, свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ и акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Созданы алгоритм коррекции и программа расчета параметров регуляторов скорости и тока асинхронного электропривода, которые позволяют учитывать влияние температуры окружающей среды на активное сопротивление обмотки ротора двигателя, обеспечить требуемые показатели качества перемещения рабочего органа трубопроводной арматуры, а именно: уменьшить время переходного процесса по скорости на 24 % и увеличить точность позиционирования на 80 %.

2. Разработаны алгоритм и программа расчета сигнальной адаптации задания электромагнитного момента асинхронного двигателя, которые позволяют учитывать изменение механических потерь в волновом редукторе трубопроводной арматуры и температуры окружающей среды в реальном времени на базе микропроцессора ТМ8320.

3. Предложенный вариант корректирующего устройства в виде апериодического звена позволяет сформировать дополнительную составляющую задания электромагнитного момента асинхронного двигателя, уменьшающую амплитуду вибраций в механической части электропривода трубопроводной арматуры на 5,6 %.

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

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Бекишев Р.Ф., Лаиграф C.B., Казаков B.C., Смирнов А.О. Исследование статических режимов работы частотно-управляемого асинхронного электропривода в условиях низких температур // Журнал «Известия ТПУ». - Томск: ТПУ, 2009. - Т. 315. - №4. - С. 61-64.

2. Бекишев Р.Ф., Лаиграф C.B., Казаков B.C., Смирнов А.О. Исследование динамических режимов работы частотно-управляемого асинхронного электропривода в условиях низких температур // Журнал «Известия ТПУ». - Томск: ТПУ, 2011. - Т. 319. - №4. - С. 107-110.

3. Смирнов А.О. Имитационная модель частотно-регулируемого асинхронного электропривода на базе преобразователя частоты фирмы Danfoss // Решетневские чтения. Материалы X Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (8-10 нояб. 2006, г. Красноярск) / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т -Красноярск, 2006. - С. 270-271.

4. Смирнов А.О. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователей частоты фирм ABB и Danfoss. // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной научно-технической конференции, 5-8 июня 2007 г. - Томск' ТПУ 2007 -С. 96-98.

5. Смирнов А.О. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователей частоты фирм ABB. // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы VII Международной научно-технической конференции, 3-6 июня 2008. - Томск: ТПУ, 2007. - С. 113-116.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614898. Программа расчета характеристик асинхронного электродвигателя с учетом изменения температуры окружающей среды; автор Смирнов А.О., правообладатель ГОУ ВПО Томский политехнический университет, заявл. 17.07.2009 г., зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 08.09.2009 г.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010617327. Программа расчета характеристик асинхронного электропривода с учетом изменения температуры окружающей среды; автор Смирнов А.О., правообладатель ГОУ ВПО Томский политехнический университет, заявл. 10.09.2010 г., зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 03.11.2010 г.

Личный вклад автора. В публикациях [1], [2] автору принадлежит разработка математической модели асинхронного электропривода с учетом влияния температуры окружающей среды (40 %). Остальные публикации выполнены без соавторов.

Подписано к печати 08.11.2011. Формат 60><84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,22. Уч.-изд. л. 1,1.

_Заказ 1602-11. Тираж 100 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИЗШЕЛЬСТВоУтпу. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, vwvw.tpu.ru

ВВЕДЕНИЕ И

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 18 НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЗАПОРНОЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

1.1. Общие сведения о запорной трубопроводной арматуре

1.2. Критерии работоспособности асинхронного электропривода при низких 23 температурах

1.3. Повышение износостойкости и долговечности деталей механизма запорной 26 арматуры (редуктора и задвижки) при низких температурах окружающей среды

1.4. Электроприводы запорной трубопроводной арматуры

1.5. Проблема сбоев в электронных модулях систем управления 32 электроприводов

1.6. Выводы

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И ВОЛНОВОГО 38 РЕДУКТОРА С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

2.1. Влияние температуры на статические характеристики асинхронного 39 электродвигателя с учётом эффекта вытеснения токов в стержнях ротора

2.2. Имитационное моделирование асинхронного электродвигателя в 43 неподвижной и вращающейся системах координат

2.3. Проверка адекватности имитационной модели.

2.4. Влияние температуры на момент сопротивления механизма 50 электропривода

2.4.1. Описание конструктивных элементов редуктора и принцип его работы

2.4.2.Расчет конструкции редуктора волнового типа 59 2.4.3 Потери на трение, возникающие в волновом редукторе

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Основные нелинейности системы автоматического управления асинхронного электропривода

3.2. Разработка адаптивной системы автоматического управления (с коррекцией по температуре)

3.3. Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОЙ 109 РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА «ГУСАР» В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

4.2. Экспериментальное исследование нагрузочных свойств электропривода 114 запорной арматуры

4.3. Экспериментальное исследование тепловых режимов электронного блока 123 управления электроприводом запорной арматуры

4.4. Практическое применение электропривода «ГУСАР» с электронным 125 блоком управления ESD-VCX в условиях низких температур.

4.5. Выводы

4.1. Схема экспериментальной установки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

Практическая ценность диссертационной работы:

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

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

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

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

На защиту выносится:

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

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

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

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

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

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

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

4.5. Выводы

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

1. Мустафин Ф. М. Трубопроводная арматура. Учебное пособие для вузов. -Уфа: ГУП РБ УПК, УГНТУ, 2007. - 326 е.;

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

3. Трубопроводная арматура электронный ресурс., режим доступа http:// miningbook.ru > showcase/page 1 4.html. свободный, 25.10.09г.

4. Трубопроводная арматура, запорная арматура общие требования электронный ресурс., режим доступа http:// vark.ru. свободный, 30.10.09г.

5. Трубопроводная арматура электронный ресурс., режим доступа http:// armtorg.ru, свободный, 05.11.09г.

6. Трубопроводная арматура техническая информация электронный ресурс., режим доступа http:// vkomplekt.spb.ru > tech info/tech info trüb .htm, свободный, 21.11,09г.

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

8. Запорная трубопроводная арматура электронный ресурс., режим доступа http:// trybarm.ru > zapornaya-truboprovarm, свободный 24.11.09г.1.*

9. Общая и специальная трубопроводная арматура электронный ресурс., режим доступа http:// tsnab74.ru > reader/klassifikassia armaturi. свободный, 28.11.09г.

10. Запорная арматура: чугунные задвижки электронный ресурс., режим доступа http:// prom-filter.ru > index.php. свободный, 05.12.09г.

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

12. Трубопроводная арматура электронный ресурс., режим доступа http:// alliance-arm.ru > articles, свободный, 12.12.09г.

13. Испытания трубопроводной арматуры электронный ресурс., режим доступа http:// fittings.ru > page/11-4000 1 b-2473.html. свободный, 18.12.09г.

14. Трубопроводная арматура электронный ресурс., режим доступа http:// pipeline.gubkin.ru > oil/zadvizh.html. свободный, 232.12.09г.

15. Трубопроводная арматура классификации виды электронный ресурс., режим доступа http:// prommaterials.narod.ru > stat/truboprovodnava. свободный, 28.12.09г.

16. Арматура трубопроводная электронный ресурс., режим доступа http:// Magis-nn.ru > armatura.php. свободный, 28.12.09г.

17. Использование нанотехнологий электронный ресурс., режим доступа http:// valve-industry.ru > pdf site/65/65-tech-obr-,., свободный, 05.01.10г.

18. Нанесение износостойкого покрытия на трубопроводную арматуру электронный ресурс., режим доступа http:// plasmacentre.ru > works/18.php, свободный, 06.01.10г.

19. Механические передачи с промежуточными телами повышенной долговечности и точности./ А.Е.Беляев Томск ТПИ 1986.

20. Назначение и применение конструкционной легированной стали электронный ресурс., режим доступа http:// yaruse.ru > posts/show/id/617, свободный, 06.01.10г.

21. Электроприводы взрывозащищенные электронный ресурс., режим доступа http:// santehs.ru > product,!7507, свободный, 07.01.10г.

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

23. ГОСТ 51137-98 Электроприводы регулируемые асинхронные. электронный ресурс., режим доступа http://gost.stroysss.ru>gost/9060 51137-98.html, 12.01.10г.

24. Выбор электропривода для запорной арматуры электронный ресурс., режим доступа http:// valve-industrv.ru > pdf site/40/40 filipov. свободный, 07.01.10г.

25. ГОСТ 27. 002 89 электронный ресурс., режим доступа http:// docload.ru > Basesdoc/4/4737/index.htm. свободный, 08.01.10г.

26. Обеспечение надежности работы радиоэлектронной аппаратуры электронный ресурс., режим доступа http:// revolution.allbest.ru > radio/00319521 O.htm, свободный, 08.01.10г.

27. Обеспечение надежности работы радиоэлектронной аппаратуры электронный ресурс., режим доступа http:// revolution.allbest.ru > radio/00319521 O.htm, свободный, 08.01.10г.

28. Контроль микроэлектронных устройств методом критических питающих напряжений электронный ресурс., режим доступа http:// khstu.ru > rus/ics/ics pdf/N23 14.pdf, свободный, 10.01.10г.

29. Помехоустойчивые устройства: Электроника, статьи электронный ресурс., режим доступа http:// oit.itp.nsc.ru > modules/mvarticles/article.php. свободный, 12.01.10г.

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

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

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

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

34. Пастухов В.В, Моделирование в электромеханике электронный ресурс., режим доступа http:// twirpx.com > file/98655/, свободный, 20.01.10г.

35. Механизмы преобразования движения электронный ресурс., режим доступа http:// gpavtom.ru > preobr dvig.htm. свободный, 25.01.10г.

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

37. Clarke & Park Transforms on the TMS320C2XX электронный ресурс., режим доступа http:// focus.ti.com > Iit/an/bpra048/bpra048.pdf. свободный, 27.01.10г.

38. Планетарные, волновые и зубчатые передачи электронный ресурс., режим доступа http:// revolution.allbest.i-шПроизводство и технологии>00262609 0.html. свободный, 30.01.10г.

39. Отчет о НИР. Разработка редуктора повышенной точности и долговечности на базе передач с промежуточными телами./ А.Е.Беляев -Томск ТПИ 1987.

40. Планетарные передачи электронный ресурс., режим доступа http:// akpp-am.ru > planetarnyie-peredachi/, свободный, 13.02.10г.

41. Краткий справочник конструктора; Справочник./ Гжиров Р. И. Д.; Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983. - 446 с.

42. Машиностроительное черчение: Учебное пособие для втузов/ Фролов С. А., Воинов А. В., Феоктистова Е. Д. М.; Машиностроение, 1981. 304 с.

43. Передачи с промежуточными телами качения электронный ресурс., режим доступа http:// lustenkov.narod.ru. свободный, 15.03.10г.

44. Сборник Н.Т. Теория передач в машинах Машиностроение -материалы электронный ресурс., режим доступа http:// mashb.ru > book view.isp.,свободный,23.03.10г.

45. Шариковая планетарная передача Патент РФ 2075671 электронный ресурс., режим доступа http:// ru-patent.info > 20/75-79/2075671.html, свободный, 25.03.10г.

46. Волновая передача Детали машин и основы конструирования электронный ресурс., режим доступа: http://help-rus-student.ru > text/14Z899.htm, свободный, 27.03.10г.

47. Волновая передача. Детали машин 2009г. электронный ресурс., режим доступа: http:// det-mash.ru > index.php. свободный, 13.04.10г.

48. СибМаш-Волновая передача с промежуточными телами качения, электронный ресурс., режим доступа: http:// nposibmach.ru, свободный, 15.04.10г.

49. Расчет волновых передач ООО «Редуктор» электронный ресурс., режим доступа: http:// reductorv.ru > literatura/detali-mashin. .raschet. свободный, 20.04.10г.

50. Волновая передача электронный ресурс., режим доступа: http:// ntpo.com, свободный, 20.05.10г.

51. Обоснование путей расширения функциональных возможностей кривошипно-ползунных механизмов электронный ресурс., режим доступа: http:// dissercat.com > content/obosnovanie.krivoshipno. свободный, 27.05.10г.

52. Методика проектирования привода на основе волновой передачи электронный ресурс., режим доступа: http:// dissercat.com, свободный, 10.06. Юг

53. Изгиб электронный ресурс., режим доступа: http:// soprotmat.ru > izgib.htm, свободный, 25.06.10г.

54. Программа расчета передач, редукторов волнового типа электронный ресурс., режим доступа: http:// ascon.ru. свободный, 30.06.10г.

55. Трение электронный ресурс., режим доступа: http:// technobearing.ru > d/45604/d/trenie.pdf. свободный, 12.07.10г.

56. Силовой расчет волновых передач с промежуточными телами качения электронный ресурс., режим доступа: http://lib.tpu.ru > fulltext/v/Bulletin TPU/2008/v312/. свободный, 23.07.1 Ог.62.

57. Определение коэффициента внутреннего трения вязкой жидкости по методу Стокса электронный ресурс., режим доступа: http:// ppent.samsu.ru > labv fíles/labrabmol7.pdf. свободный. 18.08.10г.

58. Удут JI.C., Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 1. Введение втехнику регулирования линейных систем. Учебное пособие. Томск: Изд. ТПУ, 2000. -144.

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

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

61. Метод кусочно-линейной аппроксимации электронный ресурс., режим доступа: http:// predinf.ru > eltok/koll31 -3.htm, свободный, 10.09.10г.

62. Поршнев С. В., Бленкова И. В. Численные методы на базе MathCAD. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 464 е.: ил.

63. Удут Л.С., Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 2. Оптимизация контура регулирования: Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. -144.

64. Экспертиза, Требования к запорной арматуреэлектронный ресурс., режим доступа: http:// znaytovar.ru>gost/2/np 06805 truboprovodnaya. свободный 12.09.10г.

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

66. Климатическая камера Фэйрон. Инструкция по обслуживанию ВА-1, ГДР: 6600 Грайц, 1958, 32 с.

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

68. Руководство пользователя. Приводы ACS-150 (0,37 . 4,0 кВт): ООО «ABB Индустрия и стройтехника», 2007,148 с.

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

70. Компания «ЭлеСи» электронный ресурс., режим доступа: http:// elesy.ru, свободный, 15.10.10г.

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

72. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины и имитационные модели в программном пакете Matlab-Simulink

73. Для решения задачи имитационного моделирования АД необходимо предварительно определить параметры его схемы замещения. Наряду с различными экспериментальными способами существует возможность косвенного расчета параметров АД исходя из справочных данных.

74. Для большинства практических случаев приемлемыми являются методы определения параметров АД на основании его справочных данных.

75. Рис. П. 1.1. Схема замещения асинхронного двигателя

76. Векторная диаграмма токов, ЭДС и напряжений, удовлетворяющих вышеприведенным уравнениям изображена на рис. П. 1.2.1\Х)

77. Рис. П. 1.2. Векторная диаграмма асинхронной машины

78. Определим параметры Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя по его каталожным данным.

79. Определим ток холостого хода асинхронного двигателя: