CC BY-NC
11Исследование электропривода для перемещения отсечного золотника в системе управления турбоагрегата
Юрьева Радда Алексеевна
аспирант, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных
технологий, механики и оптики
197701, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49, каб. 231
Iureva Radda Alekseevna
graduate student, Department of Safety of Information Technology, St. Petersburg National Research
University of Information Technologies, Mechanics and Optics
197701, Russia, Saint Petersburg, Kronverkskii prospekt,, 49, kab. 231
И raddayurieva@gmail.com Котельников Юрий Петрович
кандидат технических наук старший преподаватель, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49
Kotel'nikov Yur'i Petrovich PhD in Technical Science Senior Lecturer at ITMO University 197101, Russia, Saint Petersburg, ul. Kronverkskii Prospekt, 49
И kotel@mail.ifmo.ru Мальцева Надежда Константиновна
кандидат технических наук доцент, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49 Maltseva Nadezhda Konstantinovna PhD in Technical Science
associate professor of the Department of Technogenic Security Systems and Technologies at ITMO University (Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics)
197101, Russia, St. Petersburg, str. Kronverkski Prospect, 49 El nkmaltseva@hotmail.com
Ведерников Кирилл Александрович
магистр, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49
Vedernikov Kirill Alexandrovich
Master's degree student of the Department of Technogenic Security Systems and Technologies at ITMO
University
197101, Russia, Saint Petersburg, str. Kronuerksky Prospect, 49 И vedernikov@diakont.com
Статья из рубрики "Машиностроение и машиноведение"
Аннотация. Oбеспечение непрерывнoгo функциoнирoвания системы регулирoвания и
защиты клапанов паровой турбины является основой надежной работы турбоагрегата, которая важна, в частности, и в аспекте защиты при возникновении угрозы аварии вследствие возрастания частоты вращения турбины выше определённого значения в пределах рабочего диапазона с нечувствительностью не более 0,5% средней рабочей частоты вращения. Исполнительными органами защиты парового турбоагрегата являются стопорные, регулирующие и обратные клапаны. По сигналу чувствительного элемента защиты турбоагрегат может быть остановлен закрытием стопорных клапанов цилиндра высокого давления и цилиндра среднего давления или их регулирующих клапанов и поворотной диафрагмы или совместным закрытием названных выше стопорных и регулирующих органов. Принципом функционирования подобной системы является автоматизированная система, предназначенная для поддержания основных регулируемых параметров турбоагрегата в режимах электрической и тепловой нагрузки. В статье исследован электромеханический привод для перемещения отсечного золотника в системе управления турбоагрегата. Изложены предъявляемые к нему требования. На основе динамических характеристик электромеханического привода производства АО «Диаконт» была построена модель системы управления, обеспечивающая выполнение режима аварийного закрытия. Структура системы защиты обеспечивает независимость её срабатывания от состояния системы регулирования турбоагрегата.
Ключевые слова: электромеханический привод, отсечный золотник, механические характеристики, математическая модель, электродвигатель, роликовинтовая передача, внеэксплуатационный режим, система управления, техногенная безопасность, турбоагрегат
DOI: 10.7256/2453-8884.2017.3.21960 Дата направления в редакцию: 08-02-2017 Дата рецензирования: 09-02-2017
Abstract. Proper functioning of a turbogenerator set depends on continuous functioning of the system of regulation and protection of valves of a steam turbine. Proper functioning of a turbogenerator set is important in the case of accident threat caused by the increase of turbine rotation speed over a particular value within the operational range with insensitivity maximum 0,5% of an average operational rotation frequency. The protection of a steam turbogenerator set is guaranteed by cut-out, control and back-flow valves. By a signal of a sensor element of protection, a turbogenerator can be stopped by closing cut-out valves of a high-pressure and an intermediate pressure cylinders or their control valves and a grid valve, or simultaneous closing of the above mentioned cut-out and control units. Such a system operates on the basis of an automated system used for support of the key regulated parameters of a turbogenerator in electric load and heat load modes. The authors of the article study electro-mechanical drive used for moving a riding cutoff valve in a turbogenerator control system. The authors describe the requirements to it. Based on dynamic characteristics of the electro-mechanical drive produced by the joint company "Diakont", the authors construct a model of a control system, which guarantees the emergency shut-down mode operation. The protection control system structure guarantees the independence of its operation from the condition of a turbogenerator control system.
Keywords: turbogenerator, technogenic safety, control system, non-operating mode, roller drive, electric motor, mathematical model , mechanical performance, riding cutoff valve, electro-mechanical drive
Электромеханический привод включает в себя электродвигатель, статор, ролики, выходной шток. Статор охватывает полый ротор. Ролики снабжаются внешней резьбой и размещаются в полости ротора в резьбовой втулке по окружности. Оси роликов параллельны оси ротора. Внутри ротора соосно размещается винт с внешней резьбой. Резьба винта взаимодействует с резьбой роликов. Резьба роликов взаимодействует с внутренней резьбой втулки. Втулка жестко связана с одним концом выходного штока. Шток устанавливается с удержанием от поворота. Один конец винта жестко связан с ротором. Другой конец винта размещается в полости выходного штока. При проектировании электропривода электродвигатель выбирается так, чтобы его механические характеристики соответствовали механическим характеристикам производственного механизма
Значительную часть наиболее ответственных элементов современной турбины составляют системы регулирования определённых параметров и предотвращения их повышения сверх допустимого уровня.
Автоматически регулируются частота вращения, давление пара в отопительном отборе (по сигналу изменяется поступление пара в сетевой подогреватель), уровень в конденсатосборнике конденсатора, давление в уплотнениях [2-5].
Механической характеристикой механизма называют зависимость между угловой скоростью и моментом сопротивления механизма, приведенными к валу двигателя)
Примерами могут быть характеристики вентиляторов, центробежных насосов, гребных винтов. Для этих механизмов момент Мс зависит от квадрата угловой скорости ш. Это так называемая параболическая механическая характеристика.
Механическая характеристика электродвигателя - это зависимость его угловой скорости от вращающего момента
^ - да)
Для оценки свойств механических характеристик электропривода используют понятие жесткости. Жесткость механической характеристики определяется по выражению
^ , где _ изменение момента двигателя; '^Д - соответствующее
изменение угловой скорости.
Для линейных характеристик значение в остается постоянным, для нелинейных - зависит от рабочей точки.
Рисунок 1 - Характеристика жесткости
Используя это понятие, характеристики, приведенные на рис. 1, можно качественно оценить так: 1 - абсолютно жесткая (в = от); 2 - жесткая; 3 - мягкая.
Абсолютно жесткая характеристика - скорость вращения двигателя остается неизменной при изменении нагрузки двигателя в пределах от нуля для номинальной. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели. Жесткая характеристика - скорость вращения меняется незначительно при изменении нагрузки от нуля до номинальной. Такой характеристикой обладает двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, а также асинхронный двигатель в области линейной части характеристики. Жесткой характеристикой принято считать такую, у которой изменение скорости не превышает приблизительно 10% номинальной скорости при изменении нагрузки от нуля до номинальной.
Для большинства производственных механизмов используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие жесткую механическую характеристику.
ЭМП (рис.2) предназначен для преобразования электрического управляющего сигнала, сформированного электронной частью системы автоматического регулирования и защиты турбины, в перемещение отсечных золотников, преобразующих это перемещение в перепад давлении на поршне сервомоторов, обеспечивающих перемещение регулирующих органов парораспределения. Использование моментного двигателя вызвало необходимость реализации повышенных значений передаточной функции, определяемой как отношение скорости штока ЭМП к угловой скорости ротора двигателя. Для чего в конструкции механизма ЭМП используется передача "шестерня - зубчатая рейка". При проектировании электропривода электродвигатель должен выбираться так, чтобы его механические характеристики соответствовали механическим характеристикам производственного механизма. Механические характеристики дают взаимосвязь переменных в установившихся режимах.
Рисунок 2 - Конструкция ЭМП
Конструкция ЭМП представлена на рисунке 2. Винт РВП (2) расположен внутри полого ротора электродвигателя (1), который жестко связан с винтом и передает на него вращение с помощью призматической шпонки (3). Винт РВП взаимодействует с гайкой РВП (4). Гайка РВП расположена в стакане выходного штока (5) и также жестко с ним связана.
На выходном штоке закреплено водило (11) с двумя парами роликов по обеим сторонам водила, катящихся по направляющим пазам вставки (13). С каждой стороны водила один из двух роликов насажен на эксцентриковую ось (12) и подпружинен для обеспечения беззазорного качения. Водило препятствует вращению выходного штока и связанной с ним гайки РВП.
Таким образом, вращательное движение ротора электродвигателя через РВП из вращающегося винта и невращающейся гайки преобразуется в поступательное движение выходного штока.
Ограничители хода штока в крайних положениях выполнены в виде демпферов из пакетов тарельчатых пружин. Демпфер верхний (6) (вращающийся) закреплен на роторе и в крайнем верхнем положении штока взаимодействует с деталью невращающегося штока. Демпфирующий эффект заключается в том, что при взаимодействии демпфера и штока с возрастающей осевой силой от начала их соприкосновения до выборки хода тарельчатых пружин, также возникает и плавно нарастающий момент сил трения при вращении.
Демпфер нижний (7) (невращающийся) - закреплен на штоке, перемещается вместе с ним и в крайнем нижнем положении штока взаимодействует с деталью вращающегося ротора. Демпфирующий эффект аналогичен выше описанному.
Конструкция двухканального ЭМП для обеспечения безударного по отношении к объекту управления переключения между каналами, должна иметь определенный порог усилия
для страгивания выходного штока при приложении осевой нагрузки (например, реакция от объекта управления). Ротор электродвигателя в верхней части опирается на корпус ЭМП через блок упорных подшипников с реализацией механизма поддержания момента страгивания ротора. Тарельчатая пружина (10), прижимаемая втулкой резьбовой (17) к корпусу ЭМП через блок упорных подшипников (8), задает усилие, стягивающее подшипники, которые в свою очередь, создают дополнительный постоянный момент, прикладываемый для начала движения, не зависящий от износа подшипникового узла.
Для создания имитационной модели внеэксплуатаационного режима нами выбрана среда визуального программирования Simulink, которая в сочетании с пакетом МаЫаЬ
предоставила большие возможности для моделирования электропривода [2, 3].
В внеэксплуатационном режиме ЭМП при осевой нагрузке на шток не менее 5000Н должен переместится на 22 мм (имитация аварийного закрытия всех клапанов) не более, чем за 100 мс.
На основе динамических характеристик электромеханического привода производства АО «Диаконт» была построена модель системы управления (рис.3), обеспечивающая выполнение режима аварийного закрытия.
Рисунок 3 - Математическая модель работы электромеханического преобразователя во
в не экс плуа та ционном ре ж име
Представленная на рис.3 модель позволяет подтвердить правильность выбора двигателя для электромеханического преобразователя.
Исследуемый ЭМП содержит выходнои шток и ролики, снабженные внешней резьбой и размещенные в полости ротора в резьбовои втулке по окружности так, что их оси параллельны оси ротора. Данный ЭМП отличается тем, что внутри ротора соосно установлен винт, имеющий внешнюю резьбу, взаимодействующую с резьбои роликов-сателитов, которая также взаимодеиствует с внутреннеи резьбои втулки, жестко связанной с одним концом выходного штока, установленного с внутренним противоротационным устроиством, при этом с одним концом винта жестко связан ротор, а другои конец винта размещен в плоскости выходного штока.
Библиография
1. Федосовский М.Е. и др. Электромеханический привод Патент на изобретение в РФ № Яи 2427750 от 27.08.2011
2. Терёхин В.Б.Моделирование систем электропривода в Simulink (МаЫаЬ 7.0.1):учебное пособие/Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томскогополитехнического университета, 2010. - 292
с.
3. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы вчастотно-регулируемых асинхронных электроприводах. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. н-та, 1998. - 172 с.
4. Richard Crowder, Electric Drives and Electromechanical Systems: Applications and Control, ISBN: 978-0-7506-6740-1
5. Aldo Canova, Marco Ottella, Roger John HilllCottingham, (2001) "3D eddy current FE analysis of electromechanical devices", COMPEL-The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, Vol. 20 Iss: 2, pp.332 - 347
6. Kahraman, "Load sharing characteristics of planetary transmissions," Mechanism and Machine Theory, vol. 29, no. 8, pp. 1151-1165, 1994
7. D. Qin, Z. Xiao, and J. Wang, "Dynamic characteristics of multi-stage planetary gears of shield tunneling machine based on planet mesh phasing analysis," Journal of Mechanical Engineering, vol. 47, no. 23, pp. 20-29, 2011.
References (transliterated)
1. Fedosovskii M.E. i dr. Elektromekhanicheskii privod Patent na izobretenie v RF № RU 2427750 ot 27.08.2011
2. Terekhin V.B.Modelirovanie sistem elektroprivoda v Simulink (Matlab 7.0.1):uchebnoe posobie/Natsional'nyi issledovatel'skii Tomskii politekhnicheskii universitet. - Tomsk: Izd-vo Tomskogopolitekhnicheskogo universiteta, 2010. - 292 s.
3. Pozdeev A.D. Elektromagnitnye i elektromekhanicheskie protsessy vchastotno-reguliruemykh asinkhronnykh elektroprivodakh. - Cheboksary: Izd-vo Chuvash. n-ta, 1998. - 172 s.
4. Richard Crowder, Electric Drives and Electromechanical Systems: Applications and Control, ISBN: 978-0-7506-6740-1
5. Aldo Canova, Marco Ottella, Roger John HilllCottingham, (2001) "3D eddy current FE analysis of electromechanical devices", COMPEL-The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, Vol. 20 Iss: 2, pp.332 - 347
6. Kahraman, "Load sharing characteristics of planetary transmissions," Mechanism and Machine Theory, vol. 29, no. 8, pp. 1151-1165, 1994
7. D. Qin, Z. Xiao, and J. Wang, "Dynamic characteristics of multi-stage planetary gears of shield tunneling machine based on planet mesh phasing analysis," Journal of Mechanical Engineering, vol. 47, no. 23, pp. 20-29, 2011.
