Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Влияние низкой температуры окружающей среды на работоспособность асинхронного электропривода запорной трубопроводной арматуры
1.1. Общие сведения о запорной трубопроводной арматуре 18
1.2. Критерии работоспособности асинхронного электропривода при низких температурах
1.3. Повышение износостойкости и долговечности деталей механизма запорной арматуры (редуктора и задвижки) при низких температурах окружающей среды
1.4. Электроприводы запорной трубопроводной арматуры 29
1.5. Проблема сбоев в электронных модулях систем управления электроприводов
1.6. Выводы 37
ГЛАВА 2. Модели асинхронного электродвигателя и волнового редуктора с учетом влияния температуры окружающей среды
2.1. Влияние температуры на статические характеристики асинхронного электродвигателя с учётом эффекта вытеснения токов в стержнях ротора
2.2. Имитационное моделирование асинхронного электродвигателя в неподвижной и вращающейся системах координат
2.3. Проверка адекватности имитационной модели. 49
2.4. Влияние температуры на момент сопротивления механизма электропривода
2.4.1. Описание конструктивных элементов редуктора и принцип его работы 51
2.4.2.Расчет конструкции редуктора волнового типа 59
2.4.3 Потери на трение, возникающие в волновом редукторе 73
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 коррекцией по температуре
3.3. Выводы 108
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования устойчивой работы электропривода «гусар» в условиях низких температур
4.1. Схема экспериментальной установки ПО
4.2. Экспериментальное исследование нагрузочных свойств электропривода запорной арматуры
4.3. Экспериментальное исследование тепловых режимов электронного блока управления электроприводом запорной арматуры
4.4. Практическое применение электропривода «ГУСАР» с электронным 125
блоком управления ESD-VCX в условиях низких температур.
4.5. Выводы 128
Заключение 129
Список литературы
- Критерии работоспособности асинхронного электропривода при низких температурах
- Имитационное моделирование асинхронного электродвигателя в неподвижной и вращающейся системах координат
- Разработка адаптивной системы автоматического управления коррекцией по температуре
- Экспериментальное исследование нагрузочных свойств электропривода запорной арматуры
Критерии работоспособности асинхронного электропривода при низких температурах
Электропривод запорной трубопроводной арматуры является одним из основных технических устройств, формирующих безопасность трубопроводных систем в условиях низких температур. Это связано с большим количеством ЭП в технологических системах, сравнительной сложностью и определяющим значением в обеспечении режимов нормальной эксплуатации и в аварийных условиях. В условиях низких температур отказы арматуры могут привести к нарушению условий безопасной эксплуатации, неправильное функционирование арматуры может усугубить протекание аварийного процесса.
Для устойчивой работы ЭПЗТА в условиях низких температур необходимо, чтобы ЭП и ЗТА соответствовали определенным критериям работоспособности. Согласно ГОСТ 27.002-89 работоспособность это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданную функцию с параметрами, установленными требованиями технической документации, в течение расчётного срока службы.
Основные критерии работоспособности: безотказность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Работоспособность -потенциальная возможность устройства выполнять целесообразную деятельность на заданном уровне эффективности в течение определенного времени. износостойкость конструкции трубопроводной арматуры в течение всего срока службы, которая должна обеспечивается правильным выбором типа конструкции, конструктивных элементов и конструкционных материалов в соответствии с условиями эксплуатации. Технологический режим работы запорной арматуры с указанием диапазона перепада максимального рабочего давления, обязательности местного и дистанционного управления устанавливается на основании паспортных данных и проектной документации.
При аварийных ситуациях запорная арматура может эксплуатироваться непродолжительное время в режиме дросселирования с частично открытым запорным органом.
Арматура считается работоспособной, если: обеспечивается прочность и плотность материалов деталей и сварных швов, работающих под давлением; не наблюдается пропуск среды и потение сквозь металл и сварные швы; обеспечивается герметичность сальниковых уплотнений и фланцевых соединений арматуры по отношению к внешней среде; обеспечивается герметичность затвора арматуры в соответствии с паспортом на запорную арматуру; обеспечивается плавное перемещение всех подвижных частей арматуры без рывков и заеданий; электропривод обеспечивает плавное перемещение затвора, открытие и закрытие в течение времени, указанного в паспорте; обеспечивается отключение электропривода при достижении затвором крайних положений и при превышении крутящего момента допустимого значения на бугельном узле.
При невыполнении любого из этих условий арматура считается неработоспособной и выводится из эксплуатации.
Работоспособность арматуры характеризуется также показателями надежности. К показателям надежности относятся: назначенный срок службы арматуры, назначенный ресурс — в циклах "открыто — закрыто", назначенный срок службы до ремонта, вероятность безотказной работы в течение назначенного ресурса. Неработоспособность арматуры определяется критериями сбоев и предельных состояний.
Критериями сбоев являются: потеря герметичности блока управления по отношению к внешней среде; пропуск среды в затворе сверх допустимого значения; отсутствие рабочих перемещений запорного органа (заклинивание подвижных частей) при открытии и закрытии арматуры; увеличение времени срабатывания сверх допустимого значения; выход из строя электропривода. Критериями предельных состояний являются: разрушение или потеря плотности основного материала и сварных швов; изменение геометрических размеров сопряженных деталей (вследствие износа или коррозионного разрушения). При достижении назначенного срока службы запорная арматура подвергается переосвидетельствованию с целью определения ее технического состояния и возможности продления сроков эксплуатации.
Показатели надежности, критерии отказов и предельных состояний указываются в паспортах на арматуру.
Контроль работоспособности и технического состояния арматуры осуществляется внешним осмотром, диагностированием и испытаниями.
При внешнем осмотре проверяются: состояние и плотность материалов и сварных швов арматуры; плавность перемещения всех подвижных частей арматуры и электропривода; исправность электропривода и электрооборудования; герметичность арматуры по отношению к внешней среде, в том числе: герметичность прокладочных уплотнений, герметичность сальникового уплотнения. Таким образом, наибольшее влияние на работоспособность электропривода оказывают свойства его механической части. В настоящее время задача повышения износостойкости элементов ЗТА с учетом температурного режима работы является одним из способов повышения работоспособности ЭП.
Имитационное моделирование асинхронного электродвигателя в неподвижной и вращающейся системах координат
Правильно разработанная (аппаратно и программно) электронная система с модулями управления способна устранить результаты сбоев и минимизировать непроизводительные потери. Чем сложнее система и чем больше она функций выполняет, тем сложнее и дороже стоят функциональные модули, направленные на исправления последствий сбоев. Анализ отечественных и зарубежных исследований по проблеме обнаружения источников сбоев в электронной аппаратуре показал, что основные разработки ведутся в области анализа сбоев и устранения их последствий. Очень мало работ, посвященных обнаружению источников сбоев, их локализации и диагностированию.
Наиболее типичным аппаратным способом повышения надежности технических систем является «горячее» резервирование: использование трех идентичных параллельно работающих каналов. При организации выборки «2 из 3» удается не только избежать последствий сбоев, но и работать при отказе одного из каналов. Такое резервирование достаточно эффективно, но значительно повышает стоимость системы [27].
При любом построении автоматизированных систем управления контроль проявления и локализация мест сбоев является достаточно сложной и актуальной технической задачей.
Локализация мест сбоя в модулях может быть проведена в двух режимах: при нормальном напряжении питания и при критических питающих напряжениях. Режим работы при критических питающих напряжениях дает возможность выявить «сбойные» элементы, которые находятся на грани отказа, и своевременно их заменить. Данные режимы могут быть наложены на температурные изменения.
Экспериментально подтверждено, в том числе и при натурных испытаниях, что некоторые датчики при определенных условиях считывают недостоверную информацию, хотя при других условиях информация считывается правильно.
При анализе датчиков, в которых наблюдается недостоверность считываемой информации, сбои выявлены в двух случаях: при пониженном (ниже оговоренных в технических условиях на микросхему) напряжении питания модуля; недопрожигом перемычек в ПЗУ модуля датчика. В обоих случаях невозможно выявить стандартными методами модули, предрасположенные к сбоям.
Кроме стандартных методов отбраковочных испытаний; воздействие механических нагрузок и климатических факторов для отбраковки ненадежных ПЗУ применим метод критического питающего напряжения.
Метод критических питающих напряжений относится к классу диагностических неразрушающих методов контроля качества и надежности интегральных схем. Данный метод основан на влиянии физико-химических дефектов материалов полупроводниковых структур микросхемы на ее электрофизические характеристики, режимы работы и электрические параметры [28].
Интегральные схемы можно сортировать на надежные и потенциально ненадежные, если фиксировать их работоспособность при пониженных напряжениях питания. При испытании партии микросхем для каждой микросхемы напряжение питания ступенчато снижается на AU от номинального до минимального предельного значения напряжения. Для каждой ступени напряжения фиксируется работоспособность каждой микросхемы из партии. Критическим (UKPHT) называется напряжение, при котором микросхемы перестают функционировать (дает сбой).
В микросхемах метод критических напряжений позволяет определить степень влияния пережога (недожога) перемычек, имеющих фиксированное сопротивление, которое декодируется внутренними триггерами микросхемы. Пороговое напряжение транзисторов, в частности, входных каскадов триггеров, является одним из параметров, наиболее чувствительных к изменению материалов полупроводниковой структуры.
В [29] и [30] предложена схема устройства для включения в схему межоперационного функционального контроля модулей микроволновых датчиков системы идентификации, которая позволяет на этапе производства отбраковывать модули, предрасположенные к сбоям.
1. Проведенные исследования выявили, что интенсивность изнашивания рабочих органов запорной арматуры определяется многими факторами, основным из которых является температура окружающей среды, которая прямым образом влияет на свойства материала деталей. В зависимости от указанных факторов сроки службы рабочих органов запорной арматуры, а также других деталей, изменяются в широком диапазоне. Для снижения интенсивности изнашивания деталей рекомендуется использовать износостойкие покрытия, такие как износостойкое алмазоподобное нанопокрытие, плазменное покрытие.
2. Установлены основные критерии работоспособности асинхронного электропривода запорной арматуры в условиях низких температур. Доминирующими являются: требования к показателям качества регулирования, износостойкость материалов механической части ЭП и отсутствие сбоев в электронном блоке управления. Выполнение данных критериев обеспечит работоспособность электропривода в температурном диапазоне от + 20 до -60С.
3. Для повышения работоспособности электропривода необходима стабилизация температурного режима электронных компонентов в составе электронного блока управления в температурном диапазоне от + 20 до -60С для исключения перехода в «точку росы» электронных компонентов в рабочем режиме.
При создании асинхронных электроприводов для эксплуатации в условиях низких температур в составе запорной арматуры крайне важна стабилизация моментного усилия на выходном валу асинхронного электропривода [31].
На предварительном этапе разработки системы адаптивного управления для оценки степени влияния температурных изменений на величину выходного момента асинхронного двигателя требуется проведение исследований с применением аппарата имитационного моделирования и экспериментальных исследований.
Для выявления зависимости влияния температурных изменений на работу асинхронного двигателя необходимо провести имитационное моделирование и исследовать полученные статические и динамические характеристики [32].
Кроме температурных изменений на выходной момент асинхронного двигателя непосредственно влияет эффект вытеснения токов в стержнях ротора [33]. Поэтому также необходимо исследование совместного влияния температурных изменений и эффекта вытеснения токов в стержнях ротора на режимы работы асинхронного двигателя.
Разработка адаптивной системы автоматического управления коррекцией по температуре
Как видно из приведенных исследований, при использовании традиционных смазок при температуре -60 С, значение момента потерь в редукторе превышает максимально допустимое значение момента на выходном валу асинхронного электродвигателя на 27%, что недопустимо, т. к. момент потерь превышает значение номинального момента на выходном валу электродвигателя равное 1.7 Нм, в два раза.
Дальнейшие результаты расчета и построение кривых потерь, полученных при помощи программы, разработанной в ООО НПО «Сибирский Машиностроитель», относятся к редуктору с консистентной смазкой «ЭРА
Как видно из рис. 2.29 и 2.30 при уменьшении температуры окружающей среды нагрузочный момент в редукторе волнового типа уменьшается, а момент потерь в редукторе увеличивается. По статистическим данным ООО НПО «Сибирский Машиностроитель» это связано в первую очередь со свойствами консистентной смазки, что приводит к скорому выходу асинхронного электропривода из строя, например, при исследовании 30 электроприводов марки «ГУСАР» в условиях крайнего севера 20 % исследуемых электроприводов нуждались в досрочной замене консистентной смазки.
При использовании смазки типа ВНИИНП-286М ТУ38-101950 разброс нагрузочных характеристик при номинальной частоте вращения составляет 1.7 Нм (рис. 2.32), при использовании традиционных смазок данный разброс увеличивается в 2 раза.
При дальнейшей разработке адаптивной системы управления асинхронным электроприводом с требуемыми критериями качества для работы в условиях низких температур следует учитывать изменения параметров схемы замещения, вызванные как температурными изменениями, так и эффектом вытеснения токов в стержнях ротора. 2.5. Выводы
1. Исследования математических моделей асинхронной машины в неподвижной и вращающейся системах координат, основанных на дифференциальных уравнениях электромеханического преобразования энергии с учетом зависимости активных сопротивлений обмоток ротора и статора с учетом температуры окружающей среды, а также момента сопротивления на валу подтвердили свою адекватность и соответствие экспериментальной установке.
2. Анализ исследований имитационных моделей АД позволил определить влияние температурных изменений на динамические и статические характеристики АД, так при уменьшении температуры окружающей среды до значения -60С момент потерь в механической части ЭП увеличивается на 23%, критический момент АД увеличивается в 2 раза, пусковой момент АД увеличивается в 6 раз.
3. Результаты анализа статических характеристик асинхронного двигателя позволили выявить влияние эффекта вытеснения токов в стержнях ротора на электромагнитный момент АД. Он заключается в увеличении критического и пускового моментов, а именно, критический момент АД, составляющий 5.1 Н-м при учете влияния эффекта вытеснения токов в стержнях ротора увеличился на 41% при учете данного эффекта, и составил 7.2 Н-м, пусковой момент АД при данных условиях, составляющий 4.5 Н-м увеличился на 44% и составил 6.5 Н-м. Исследование нелинейной системы автоматического управления (САУ) асинхронного электропривода
Структурная схема линеаризованной системы автоматического управления и оптимизация всех входящих в нее контуров приведены в приложениях 4.1., 4.2., 4.3., 4.4. [64]. Учтем следующие основные нелинейности характеристик элементов САУ: - насыщение регулятора потокосцепления /рп 10.04 В, принимаем рп.макс=10-04В - насыщение регулятора скорости / макс (10ч-12) В. Принимаем смакс=10-04В; - насыщение регулятора тока (на выходе регулятора) рт.макс (Ю -12) В. Принимаем /рт макс = 10 В; - ограничение амплитудного значения фазного напряжения на входе асинхронной машины не превышает /ф = 311В
Структурная схема нелинейной САУ асинхронного ЭП представлена на рис. 3.1. J J t/p, =±10 л 1/рт = ±10 в Асинхронныйдвигатель скороткозамкнутымроторомв неподвижнойсистеме координат и Регулятор потока Регулятор тока J Г_ 1 і — V_і 1 ВЦ ТтР+1 ( )Ue с и =±10 В Ця=±ю 1 Регулятор скорости _J Регулятор тока і г 1 Т„Р+У і і Н ог ( Жс Рис. 3.1 Структурная схема нелинейной САУ асинхронного ЭГТ
Данная схема является схемой подчиненного регулирования, содержащей 2 контура. Схема содержит регуляторы скорости, потока, токов, нелинейные звенья ограничения выходных напряжений регуляторов, структурную схему асинхронного двигателя в неподвижной системе координат.
На рис. 3.2 представлена имитационная модель асинхронного электропривода «ГУСАР» состоящего из рабочего органа (волнового редуктора) асинхронного электродвигателя и электронного блока управления (ESD-VCX), созданной в приложении Simulink из пакета Matlab на основе структурной схемы (рис. 3.1) [65, 66]. На рис. 3.3 приведена развернутая структурная схема электропривода «ГУСАР», где в структуре АД показаны параметры, функционально зависящие от температуры.
Экспериментальное исследование нагрузочных свойств электропривода запорной арматуры
Анализ результатов расчета Мкр и Мп показывает, что при учете снижении температуры окружающей среды и эффекта вытеснения тока в стержнях ротора при различных частотах, приложенного напряжения, величина как критического, так и пускового моментов повышается, что соответствует ранее произведенным исследованиям при учете каждого эффекта в отдельности [33].
Анализ механических характеристик электропривода, полученных экспериментально в диапазоне температур окружающей среды от +20 до -60С при различных заданиях на угловую скорость (31,4; 62,8; 94,8; 125,6; 157,0) рад/с показал, что на характер изменения момента на валу двигателя при моделировании с учетом изменения температуры и частоты оказывают влияние два противоположных процесса различной физической природы. С одной стороны, изменение температуры от +20 до -60С приводит к повышению текущего критического и пускового моментов за счет уменьшения активных сопротивлений статора и ротора двигателя и к снижению электрических потерь. С другой стороны, увеличиваются механические потери за счет повышения вязкости смазки в подшипниках двигателя и коэффициента трения в редукторе (марка смазки ВНИИМП-286М, ТУ 38.101.950.00).
Экспериментальные исследования тепловых режимов электронного блока управления электроприводом запорной арматуры
Исследования тепловых режимов проводились в температурной камере с последовательным охлаждением электронного блока управления до фиксированных значений температуры.
На рис. 4.11 представлены зависимости изменения температуры внутри электронного блока управления электроприводом ESD-VCX [81]. Приведены графики изменения внутренней температуры блока с течением времени и при различной температуре окружающей среды. Временная зависимость изменения температуры внутри электронного блока управления ESD - VCX Анализ графиков показывает, что при работе в диапазоне температур окружающей среды от 0 до +20С нагрев внутри блока происходит за счёт теплового излучения от электронных компонентов. Динамика изменения температуры показывает, что установившееся значение температуры внутри блока стремится на несколько градусов превысить температуру окружающей среды.
При уменьшении температуры окружающей среды ниже чем -12...-13 С происходит включение нагревательного элемента встроенного в блок управления. При включении нагревателя к теплу, получаемому за счёт работы электронных компонентов внутри блока, добавляется тепло от дополнительного нагревателя. Включение нагревателя приводит к уменьшению времени нагрева.
В случае работы в зоне низких температур дополнительный нагревательный элемент выключается, если внутри блока температура начинает превышать значение -9 С, и включается повторно если температура опять падает ниже чем -12...-13 С. Использование «мёртвой зоны» в алгоритме управления нагревательным элементом позволяет стабилизировать режимы работы системы подогрева и минимизировать число включений нагревателя. Кроме того, выбранный порог отключения нагревательного элемента на уровне в -9 С позволяет гарантировано избежать конденсации влаги внутри блока [82]. Таким образом, внутри блока управления при низких температурах внешней среды поддерживается относительно постоянная температура. Отсутствие значительного градиента температуры положительно влияет на состояние полупроводниковых структур блока. В этом случает механические и электрические параметры полупроводниковых приборов меняются незначительно. В результате работоспособность блока повышается, что в свою очередь повышает работоспособность электропривода в целом.
Практическое применение устойчивой работы электропривода «ГУСАР» с электронным блоком управления ESD-VCX в условиях низких температур.
В основе электронного блока ESD-VCX, находится микроконтроллер TMS320F2406 [83], программное обеспечение, которого написано в программной среде Code Composer при помощи языка программирования C++. Данный микроконтроллер обладает широким рабочим температурным диапазоном.
Часть программы электронного блока ESD-VCX, в которую были внесены корректировки, а именно в цепи регулятора скорости, приведена в приложении (см приложение 6). Звено коррекции находится в составе регулятора скорости, которое описывается зависимостью Мред =/[Мад) и расположенное в цепи обратной связи. При использовании данного корректирующего звена видно, что электропривод «ГУСАР» работает устойчиво во всем температурном диапазоне (от +20С до -60С), а именно: Переходный процесс скорости при пуске на холостом ходу, набросе нагрузки и последующей остановке электропривода
