Разработка и расчетно-экспериментальное исследование алгоритма управления ротором на электромагнитном подвесе для турбомашины атомной станции Малкин, Сергей Алексеевич

Введение к работе

В настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности существует тенденция использования электромагнитных подшипников (ЭМП) в области крупных машин с массой ротора более 1,5 тонн. Примером такой машины может служить турбомашина (ТМ) реакторной установки (РУ), массой около 60 т. Поскольку масса и энергопотребление ЭМП обычно возрастают с увеличением веса ротора, то для крупных машин становятся особо важными вопросы выбора алгоритмов и параметров управления, которые во многом характеризуют технический уровень системы ЭМП.

Актуальность работы

ТМ является частью блока преобразования энергии. Блок преобразования энергии с прямым газотурбинным циклом для производства электроэнергии в составе РУ - одна из реализаций высокотемпературной технологии, которая основана на опыте разработок гелиевоохлаждаемых реакторов и инновационных решениях по турбомашинам с электромагнитными подшипниками.

Конструкторские проработки опор ТМ показали, что использование ЭМП не имеет альтернативных решений по причине недопустимости загрязнения первого контура ядерного реактора атомной станции.

Испытать ТМ на ЭМП можно только совместно с реактором из-за ее большой потребляемой мощности и высоких параметров теплоносителя. Этот факт предопределяет необходимость гарантировать работоспособность ТМ заранее. Это возможно сделать путем построения серии постепенно приближающихся масштабных стендов и верификации расчетных методик на модельных экспериментах.

Решающее значение для работоспособности системы электромагнитных опор ротора ТМ АС имеет разработка и расчетно- экспериментальное обоснование алгоритмов управления ЭМП на масштабных стендах ОАО «ОКБМ Африкантов» - Минимакет и Масштабная модель ротора (ММР).

Учитывая тяжелые температурные условия работы ЭМП (среда первого контура реактора) использование традиционных методов построения систем управления (линеаризация системы путем введения токов смещения) представляется излишне затратной. Разработка и экспериментальная проверка новых методов физической линеаризации ЭМП и исследования ее эффективности представляется достаточно актуальной задачей.

Объект исследования - математическая (аналитическая и численная) и натурные модели ротора ТМ АС на ЭМП.

Предмет исследования - система управления ЭМП.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритма управления, обеспечивающего удержание масштабных роторов ТМ АС в необходимых границах при минимизации энергетических затрат.

Задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1. Анализ существующих алгоритмов управления вертикальными роторами.

2. Синтез алгоритма управления ротором, обеспечивающий линеаризацию системы «ротор-ЭМП».

3. Оценка параметров алгоритма управления для масштабных стендов ОАО «ОКБМ Африкантов».

4. Валидация выбранных параметров управления путем проведения численных экспериментов на расчетных моделях роторов.

5. Проведение экспериментальных исследований на масштабных стендах для подтверждения работоспособности алгоритма управления и уточнения параметров регулятора.

6. Сравнительный анализ расчетных и натурных экспериментов.

Результаты исследований, полученные лично автором, которые

выносятся на защиту:

1. Алгоритм управления, линеаризующий систему в целом без использования токов смещения.

6. 1. Область значений рабочих параметров алгоритма управления стендом ММР ОАО «ОКБМ Африкантов».

   2. Результаты расчетных экспериментов на моделях роторов на электромагнитном подвесе.

   3. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие работоспособность алгоритма управления и уточняющие выбранные параметры управления на масштабных стендах ОАО «ОКБМ Африкантов».

   4. Анализ расчетных и экспериментальных данных.

   Научная новизна работы состоит:

   6. 4. 1. В разработке линеаризирующего систему алгоритма управления на базе универсальных уравнений, путем включения в сигнал управления обратной связи, предназначенного для удержания вертикального ротора турбомашины на электромагнитном подвесе и позволяющего ставить и решать задачи оптимального управления, отличающегося от известных отсутствием токов смещения.

         2. В аналитической модели, позволяющей получить ограничение на область рабочих параметров системы управления, тем самым спрогнозировать работоспособность системы в расчетных экспериментах.

         3. В моделировании и расчетном уточнении выбранных параметров управления для моделей электромагнитного подвеса роторов, позволяющих указать рабочие параметры системы управления для натурных экспериментов и избежать неустойчивости и, как результат, столкновения ротора о страховочные подшипники.

         Достоверность основных научных положений и выводов диссертации

         Достоверность полученных результатов диссертационной работы обеспечивается построенными в ней математическими моделями, адекватно описывающими процесс управления ротором в электромагнитном подвесе, а также корректной их программной реализацией и выполненными расчетами, которые хорошо согласуются с экспериментами, проведенными на масштабных стендах ОАО «ОКБМ Африкантов».

         Практическая ценность результатов работы

         Разработан и экспериментально проверен на масштабных стендах ОАО «ОКБМ Африкантов» линеаризующий алгоритм управления ротором. Алгоритм управления ЭМП реализован в системе управления мало- и крупномасштабного стендах Минимакет и ММР. Результаты исследований использованы при разработке проекта ЭМП турбомашины АС, при формировании технических требований разработчикам ЭМП.

         В частности, предложенный линеаризующий систему алгоритм управления, позволил:

         2008. отказаться от токов смещения в катушках ЭМП, тем самым уменьшить электрические потери на управление;

         2009. повысить жесткостные и демпфирующие характеристики ЭМП;

         2010. уменьшить амплитуды колебаний ротора при прохождении резонансных частот;

         2011. исключить из спектра сигнала колебаний ротора при пуске и останове частоты, отличные от частоты вращения ротора (ультрасубгармоники).

         Личный вклад автора

         Автор лично разработал алгоритм управления ЭМП линеаризующий систему. Провел корректировку расчетной программы в части системы управления ЭМП. Разработал программу экспериментальной проверки алгоритма на масштабных стендах, провел верификацию алгоритма управления. В проведении экспериментальных исследований на масштабных стендах ОАО «ОКБМ Африкантов» автор принимал непосредственное участие в составе исследовательского коллектива.

         Идея применения способа линеаризации обратной связью для электромагнитного подвеса была высказана научным руководителем. Им же была поставлена задача расчетного обоснования и экспериментальной проверки алгоритма управления на масштабных стендах ТМ.

         Вопросы специфики электромагнитного подвеса, опыт применения электромагнитных подвесов в области приборостроения, вопросы робастности систем управления и критерии оптимальности обсуждались с научным консультантом.

         Апробация результатов работы

         Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научных конференциях и форумах:

         2012. VI научно-техническая конференция «Молодежь в науке» (г. Саров,

               5. г.);

               13 Сессия молодых ученых (Нижегородская область, Татинец,

               1. г.);

               2014. Международный Форум по проблемам науки и техники (Москва, 2008 г.);

               2015. II, IV, VII молодежные научно-технические конференции «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» (Н. Новгород, 2007, 2009, 2012 гг.);

               2016. X Международный симпозиум «Интеллектуальные системы» (г. Владимир, 2010 г.);

               2017. X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Н. Новгород, 2011 г.),

               2018. IX Всероссийская научная конференция «Нелинейные колебания механических систем» им. Ю.И. Неймарка (Н. Новгород, 2012 г.).

               Разработанный алгоритм управления ротором на ЭМП прошел апробацию и внедрен в практику управления роторами на электромагнитном подвесе ОАО «ОКБМ Африкантов» (имеется акт о внедрении).

               Публикации

               Основные научные результаты диссертации опубликованы в 1 2 печатных работах. Из них 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК РФ, 1 патент на полезную модель, 7 публикаций в сборниках трудов и материалах научно-технических конференций, в том числе всероссийских и международных.

               Структура работы

               Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 56 наименований. Основной материал диссертации изложен на 98 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 7 таблиц.

               Похожие диссертации на Разработка и расчетно-экспериментальное исследование алгоритма управления ротором на электромагнитном подвесе для турбомашины атомной станции

               

               Разработка и исследование методов и алгоритмов оптимизации процесса обработки деталей и заготовок на станках с числовым программным управлениемСидорчик Елена Владимировна

               

               Исследование и разработка методов повышения эффективности управления вычислительными мощностями в кластерах рабочих станцийПодкопаев, Илья Викторович

               Разработка и исследование методов идентификации в задачах диагностики : (На примере технической диагностики электрокомпрессорной станции АЭКС 7,5)Черников, Сергей Николаевич

               

               Исследование и разработка алгоритмов управления и идентификации для электрических машин на скользящих режимах Изосимов Дмитрий Борисович

               

               Разработка и исследование алгоритмов сжатия 3-х мерных графических объектов для коллективного проектирования в компьютерных сетях Федотов Роман Владимирович

               

               Разработка и исследование алгоритмов помехоустойчивого кодирования на основе многопороговых декодеров для телекоммуникационных системДмитриева Татьяна Александровна

               

               Разработка и исследование алгоритмов обмена информацией между оконечными установками пакетного и знакового типов Панов Василий Павлович

               

               Разработка и исследование алгоритмов самоорганизации многоуровневого управления водоохранных комплексом Сарычев Александр Павлович

               

               Разработка и исследование алгоритмов многокритериальной оптимизации для принятия предпроектных решений Кемпнер Лев Маркович

               

               Разработка и исследование алгоритмов планирования вычислительного процесса многомашинного вычислительного центраЯрчук, Владимир Федорович