CC BY
24
УДК 681.5.08
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ С МНОГОСЕКЦИОННЫМ АККУМУЛЯТОРОМ
В. А. Мозжечков, Н.В. Зайцева
Предложен метод оптимизации структуры и законов управления источником автономного питания электропривода, обеспечивающего реализацию программного движения запорного элемента трубопроводной арматуры.
Ключевые слова: электропривод, трубопроводная арматура, автономный источник электроэнергии, закон управления.
В промышленности находят применение разнообразные типы электроприводов трубопроводной арматуры (ТПА) [1-11]. Новым классом электроприводов ТПА, который находит широкое применение являются электроприводы с автономным источником электроэнергии [12-15], основой которого являются электроаккумуляторы и/или суперконденсаторы [16-20]. Такой источник электроэнергии, как правило, содержит несколько секций постоянно соединенных между собой и с магистралью электропитания привода.
Анализ литературы показал, что вопросы оптимизации электроприводов на основе рационального включения и выключения отдельных секций автономного источника питания (ИП) недостаточно изучены.
Применение законов управления электроприводами, учитывающих возможность рационального включения и выключения отдельных секций ИП, позволяет существенно повысить энергоэффективность рассматриваемого класса приводов.
Потребный запас энергии в ИП можно сократить, если произвести секционирование (разбиение на не сообщающиеся части) ИП и питать потребителей (электроприводы), подключаемых и отключаемых от ИП в заранее известные моменты времени, отражаемые циклограммой потребления (ЦП), в различные моменты времени от различных секции ИП.
Сокращение потребного запаса энергии при этом обусловлено возможностью на участках ЦП с низким уровнем запрашиваемого напряжения дорасходовать энергию тех секций ИП, которые ранее работали на участках ЦП с высокими уровнями запрашиваемо го напряжения.
В результате секционирования ИП и рационального управления процессом использования его секций удается сократить вес и габариты ИП в сравнении с несекционируемым вариантом его исполнения, что весьма важно при проектировании ИП автономных объектов.
Достигаемое значение коэффициента полезного использования энергии ИП (т.е. отношения использованной энергии к оставшейся в ИП) потенциально тем выше, чем больше в нем секций и магистралей питания.
117
Однако, увеличение числа секций и магистралей приводит к усложнению ИП, что ведет к росту его стоимости и снижению надежности. Таким образом, при оптимизации структуры ИП должны приниматься во внимание разнообразные критерии качества. В частности, следует учитывать необходимость поиска рационального компромисса между достигаемыми значениями массы, габаритов ИП и вероятности его безотказной работы.
Проведем формализацию рассматриваемой задачи и укажем возможный метод ее решения.
Без существенного снижения общности получаемых результатов далее будем считать, что в качестве ИП выступает батарея суперконденсаторов.
Будем считать, что состояние ИП характеризуется вектором P = (pьp2,.,pi,...,pn), где p , - электрический потенциал ¿-ой секции ИП, п -число секций. Заданы векторы задающих воздействий: Я = (дь Я 2,...,%...,Чш), g=(gl,g2,...,gj,...,gm), где $ - функции времени, определяющие для каждого момента времени соответственно минимально необходимые напряжение и ток в ■-ой магистрали питания, ш - число магистралей.
Функции времени я(), определяются в результате распределения потребителей между магистралями. Отнесение потребителя к конкретной магистрали, означает его подключение к этой магистрали через стабилизатор, понижающий напряжение до уровня, запрашиваемого данным потребителем и поддерживающий его на уровне, соответствующем данному потребителю. Таким образом, напряжение в ■-ой магистрали должно быть больше максимального напряжения, запрашиваемого в текущий момент времени потребителями, отнесенными к данной магистрали. Это требование опишем системой условий
п
X р iи ■■ >я¿■=1,2,...,ш, (1)
i=1
где
и ¿■■е {0,1} (2)
- "проводимость" линии от ¿-ой секции ИП к ■-ой магистрали, случай и 0 соответствует закрытию линии, а случай и ■ = 1 ее открытию. Переменные и ■ образуют матрицу управления и= (и ■), ¿=1,2,...,п, ■=1,2,...,ш. Процесс изменения векторар во времени определяется уравнениями
йр,Ш = -I/С, , (3)
где С, - емкость ¿-ой секции; t - время.
ш
I г= X(и ■ ■ (4)
■=1
- значение тока, протекающего из ¿-ой секции ИП к потребителям.
В каждый момент времени к магистрали может быть подключена только одна из секций ИП. Учтем это, потребовав выполнение условия:
п
X и 1} £1, ]=1,2,..,ш. (5)
г =1
Напряжения в секциях ИП не должны превышать известной предельно допустимой величины ртах :
р г £ртах, 1=1,2,...,п. (6)
Таким образом, неизвестными решаемой задачи являются: число секций и магистралей в ИП, распределение потребителей между магистралями, закон Ц(1) соединения секций и магистралей, емкость каждой секции и начальное напряжение газа в каждой из них. Выбор значений перечисленных неизвестных должен обеспечивать в каждый момент времени совместное выполнение соотношений (1)-(6).
Число секций и магистралей в ИП, линии связи между секциями и магистралями, распределение потребителей между магистралями (линии подключения потребителей к магистралям), определяют структуру ИП. Закон и^), определяющий порядок соединения секций и магистралей представляет собой закон управления ИП.
В представленной формулировке задача допускает многовариантное решение, в связи с чем можно осуществить оптимизацию выбираемых вариантов структур и законов управления ИП. В качестве показателей качества, подлежащих минимизации, целесообразно рассматривать: остаточный заряд в ИП в конечный момент времени 1е
п
ае = Х[ Ср&)] (7)
г=1
число линий, связывающих секции и магистрали ИП
п т
Ь = X X тах(игу), , ?е] (8)
г=1 у=1
число переключений (подключений и отключений) секций и магистралей
п т N
4 = XXX [и^к+1)-и ^)], (9)
г =1 у=1 к=1
где 1к, 1к+1 - предыдущий и последующий моменты времени, к= 1,2...N - номер отрезка времени из интервала [Ше], поделенного на N частей.
Представленные частные показатели качества (7-9) определяют значения обобщенных показателей, например, таких как стоимость ИП и надежность его функционирования. Набор обобщенных показателей, их связь с первичными критериями и их относительная значимость могут существенно различаться в зависимости от конкретного назаначения и условий использования ИП. По этой причине целесообразно решить задачу выявления вариантов структур и законов управления, оптимальных по век-
торному критерию Ь, й), то есть Парето- оптимальных по Qe, Ь, й, и передать проектировщику функцию окончательного выбора единственного варианта из найденного множества парето-оптимальных с учетом специфики конкретной решаемой задачи.
В предложенной постановке рассматриваемая задача является задачей оптимального управления. Однако, результативное применение к ней классических методов оптимального управления затруднительно.
Это обусловило необходимость и целесообразность разработки специального метода ее решения.
Предлагаемый метод решения рассматриваемой задачи состоит в выполнении следующих действий.
Последовательно увеличивается: число секций п, число магистралей ш, максимально допустимое число переключений О. Для каждого набора значений ш, п, О оптимизируется закон управления и^) по остатку заряда Qe и производится расчет соответствующего ему значения числа переключений й и числа линий Ь в структуре ИП. В результате получаем очередной вариант структуры и закона управления ИП. Производится отсев тех вариантов, для которых найден вариант, превосходящий их одновременно по всем показателям качества, т.е. по Qe, Ь, й одновременно. В результате выявляется множество вариантов Парето- оптимальных по показателям Qe, Ь, й. Выбор конкретного варианта из найденных Парето- оптимальных осуществляется проектировщиком.
В рамках предложенного метода разработана эффективная процедура оптимизации закона управления и(0 по остатку заряда Qe, сводящая исходную задачу оптимизации для произвольного значения ш, п к многократному решению существенно более простой задачи для ш=п=1, для которой получено аналитическое решение.
Представленная выше математическая постановка задачи и метод ее решения могут быть распространены на случай ИП пневматической и механической энергией, если вместо электрического напряжения и тока рассматривать соответственно напряжение, расход и силу, скорость и соответствующие аналоги емкости секций ИП.
Список литературы
1 Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1981. 368 с.
2. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: Справочник / Гуревич Д. Ф., Заринский О. Н., Косых С. И. и др.; под общ. ред. С. И. Косых. Л.: Машиностроение, 1982. 320 с.
3. Гуревич Д.Ф., Ширяев В.В., Пайкин И.Х.. Арматура атомных электростанций: справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1982. 312 с.
120
4. Мозжечков В.А. Общие тенденции развития электроприводов трубопроводной арматуры // Арматуростроение, 2009. №6. С. 34 - 40.
5. Мозжечков В.А., Савин А.С. Математическая модель электропривода трубопроводной арматуры с червячным механизмом измерения крутящего момента // Мехатроника, автоматизация, управление, 2012. № 1. С. 21 - 25.
6. Мозжечков В.А., Савин А.С. Модель датчика момента силы с подпружиненным червяком в качестве чувствительного элемента // Датчики и системы, 2012. № 2. С. 17 - 21.
7. Мозжечков В. А., Савин А.С. Анализ динамики функционирования электроприводов трубопроводной арматуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 133 - 142.
8. Мозжечков В. А., Савин А.С. Компьютерное моделирование электроприводов трубопроводной арматуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 341 - 346.
9. Mozzhechkov V.A., Savin A.S. Industrial Valves with Electric Actuators: Technical Diagnostics by a Moment Sensor within Smart Actuator Worm-and-wheel Gearbox. Automation and Remote Control, 2013. Vol. 74. No.12. P. 2131 - 2136.
10. ГОСТ Р 55510-2013. Арматура трубопроводная. Приводы вращательного действия. Присоединительные размеры.
11. ГОСТ Р 52720-2007. Арматура трубопроводная. Термины и определения.
12. Купрюхин А.И. Исследование автономных замкнутых систем регулирования, получающих питание от энергетических батарей : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск: НЭТИ, 1974. 22 с.
13. Аносов В.Н., Кавешников В.М. Синтез статических характеристик автономного тягового электропривода // Системы и устройства электромеханики: межвуз. сб. науч. тр. Новосибирск : НЭТИ, 1982. С. 69-72.
14. Кандратюк О.В., Китаев Ю.В., Логанов Ю.Д. Автономные системы дистанционного управления приводной запорной арматурой на базе автономных комплексов телеметрии "Актел" // Арматуростроение, 2011. 5(74). С. 74 - 76.
15. Кандратюк О.В. Автономные системы для дистанционного управления запорной арматурой и телеметрического контроля // Территория нефтегаз, 2012. №8. С. 14-19.
16. Петленко Б.И., Логачев В.Н. Электромобили с комбинированными энергоустановками. Исследование и оптимизация // Электричество. 1991. № 1. С. 51 - 56.
17. Подобедов Е.Г., Машихин А. Д., Шипаев Г. А. Системы электроснабжения тягача с аккумуляторным источником энергии // Электротехника, 1995. № 10. С. 6 - 9.
18. Шурыгина В. Суперконденсаторы. Помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания // Электроника: наука, технология, бизнес, 2003. № 3. С. 20 - 24.
19. Деспотули А. Суперкондесаторы для электроники Ч. 1 // Современная электроника, 2006. № 5. С. 10 - 14.
20. Деспотули А. Суперкондесаторы для электроники Ч. 2. // Современная электроника, 2006. № 6. С. 46 - 51.
Мозжечков Владимир Анальевич, д-р техн. наук, гл. инженер, vam@tula.net, Россия, Тула, ЗАО "ИТЦПривод",
Зайцева Наталья Владимировна, магистрант, nata@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ELECTRIC CONTROL PIPELINE VALVES USING MULTI-SECTION ELECTRICAL
BATTERY
V.A. Mozzhechkov, N. V. Zaitseva
A method of optimizing the structure and control laws source of autonomous power actuator, ensuring the implementation of the program of movement of the locking element of pipe fittings.
Key words: electric, valves, self-contained source of electrical power, the control
law.
Mozzhechkov Vladimir А natolevich, doctor of technical science, main engineer, vam@tula.net, Russia, Tula, JSC "ETC Privod",
Zaytseva Natalia Vladimirovna, undergraduate, nata@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
