CC BY
74
УДК 621.313.2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
А.О. Смирнов, С.В. Ланграф, В.С. Казаков*, Р.Ф. Бекишев
Томский политехнический университет *ООО НПО «Сибирский машиностроитель», г. Томск E-mail: [email protected]
Исследован частотно-управляемый асинхронный электропривод запорной арматуры при различных температурах окружающей среды. Показано влияние температуры на механические характеристики электропривода. Предложена имитационная модель, учитывающая влияние температуры на работу элементов электропривода.
Ключевые слова:
Система автоматического управления, асинхронный двигатель, преобразователь частоты, пониженные температуры, устойчивость работы.
Key words:
Automatic control system, asynchronous motor, frequency converter, law temperatures, operation stability.
В настоящее время системы электропривода прочно занимают лидирующее место среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надежную работу механизмов во многих областях техники. Функциональные возможности и эксплуатационные параметры современных электроприводов во многом определяются характеристиками применяемых систем управления. Современный асинхронный электропривод реализован на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат электропривода в широком диапазоне, с высоким быстродействием и высокой точностью.
Электропривод запорной арматуры магистральных нефтяных трубопроводов представляет собой сложный мехатронный модуль, объединяющий в своем составе систему управления, силовой преобразователь, асинхронный двигатель и редуктор волнового типа. В качестве силового преобразователя может использоваться преобразователь частоты или тиристорный регулятор напряжения. Система управления должна обеспечивать требуемые режимы эксплуатации запорной арматуры, адекватную реакцию электропривода на изменение внешних условий, поддержку защитных функций и коммуникаций с другими устройствами, диагностику состояния всех элементов электропривода.
Электроприводы запорной арматуры магистральных трубопроводов эксплуатируются в различных географических широтах с большими перепадами температуры окружающей среды. Особенно большое влияние на работоспособность электропривода оказывают низкие температуры (-50, -60 °С) в период запуска агрегатов после длительной остановки. Температура окружающей среды и связанная с ней температура проходящей жидкости (нефти) оказывают определяющее влияние на работоспособность и ресурс работы всех элементов электропривода: силового преобразовате-
ля частоты, асинхронного двигателя, системы управления, механического преобразователя-редуктора, задвижки запорной арматуры.
Эффективность работы механической части электропривода (редуктора и задвижки) определяется давлением и объемом пропускаемой жидкости, потерями энергии на трение в подвижных соединениях и, как следствие, интенсивностью изнашивания деталей [1].
Существенное влияние на механические характеристики электропривода оказывает изменение активных сопротивлений статора и ротора асинхронного двигателя при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне.
Для надежной работы электронных блоков преобразователя и системы управления электроприводом требуется встроенная система контроля и диагностики с обратной связью по температуре.
Таким образом, для обеспечения устойчивой работы электропривода в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды необходимы учет параметров всех элементов электропривода (запорной арматуры, редуктора, асинхронного двигателя, силового преобразователя) и разработка системы управления с обратной связью по температуре [2].
Обычно в качестве электропривода используют частотно-регулируемый асинхронный короткозам-кнутый двигатель.
Для исследования электродвигателя разработана математическая и имитационная модели асинхронного двигателя (АД) с учетом следующих допущений:
1. Не учитываются потери в стали.
2. Исследуется трёхфазный симметричный режим работы АД.
3. Напряжения на выходе преобразователя частоты (ПЧ) принимаются строго синусоидальной формы.
и, = ЯГ, +
4. Пренебрегается влияние силовым каналом
между АД и ПЧ.
Для исследования статических режимов работы системы ПЧ-АД была использована классическая Т-образная схема замещения АД [3].
Процессы в АД описываются системой векторных дифференциальных уравнений:
и. = ял + ш, ж
ёЩг ёг
ш =II +1 I ,
т з з з т г >
Шг = + 1тГз ,
м = 2 г, • I$),
ёт 1
-^ = - (М — Мс).
Ж У с
Здесь Ц, и„ I,, I, ш, ш - двухэлементные векторы напряжений, токов и потокосцеплений, представленные в ортогональной (двухфазной) системе координат в виде составляющих по координатным осям. Механические параметры системы представлены следующими переменными: J -момент инерции, тг - частота вращения ротора, - число пар полюсов АД, М и Мс - электромагнитный момент и момент нагрузки.
Система скалярных уравнений, описывающих процессы в АД, имеет следующий вид:
р1 = — (и — Я I + К т г ш „ + К А ш ),
г за т- V за е з а г г рт т„ т г тт а
Ье
р1 в = — (и„ — Я I „ — Кт гш + К Аш ),
г з„ ^ $в е з„ т т ртта т Утта п
рш$в = КЫв— А,шгр +тгрш а ■.
3 2'
М = — г К (ш -¡„—шп-1 ),
Л р т\тта з„ тз„ з а п
рш = Я К I — А ш —т г ш „.
гт за т т за ттт а т рт т„ '
рт ,= у(М — Мс).
На основе данной системы уравнений с использованием пакета МАТЬАВ БтиНпк [4] была создана имитационная модель двухфазного АД в неподвижной системе координат, рис. 1.
Имитационная модель базируется на определённых ранее параметрах схемы замещения асинхронной машины с учётом влияний температурных изменений [5]. Проведём анализ статических характеристик АД на различных частотах (50 и 10 Гц) при понижении температуры, рис. 2.
Как видно из рис. 2, критический и пусковой моменты АД возрастают при снижении температуры окружающей среды за счет уменьшения активных сопротивлений обмоток статора и ротора.
На этапе разработки системы адаптивного управления для оценки степени влияния температурных изменений на величину выходного момента АД проводились исследования с применением аппарата имитационного моделирования и экспериментальной установки, рис. 3.
На экспериментальной установке были проведены исследования механических характеристик электропривода при его работе в диапазоне температур +20...-60 °С и частот 10...50 Гц. В каждом случае производился расчет механических характеристик по уточненной формуле Клосса.
В ходе проведения экспериментальных исследований были выявлены зависимости влияния температурных изменений на статические характеристики асинхронного двигателя.
Рис. 1. Структурная схема имитационной модели АД в неподвижной системе координат с учетом влияния температуры окружающей среды в МАТЬАВ 51ти!1пк
Рис. 2. Механические характеристики АД (зависимость числа оборотов п от момента нагрузки М) при понижении температуры при частоте: а) 50; б) 10 Гц
Рис. 3. Схема лабораторной установки
Результаты экспериментальных исследований, полученных при: а) нормальных условиях (/=20 °С) и б) температуре -60 °С в диапазоне частотах от 10 до 50 Гц, приведены на рис. 4.
В ходе эксперимента были сняты зависимости момента потерь от скорости электродвигателя, рис. 5.
Потери представляют собой сумму механических потерь на валу двигателя и в редукторе.
Из графиков видно, что момент потерь возрастает при уменьшении температуры. Особенно это выражается при температурах, близких к -60 °С.
Это вызвано как увеличением вязкости смазочного материала в редукторе и подшипниках двигателя, так и с изменением физико-механических свойств сопряжающихся материалов редуктора.
В электронном блоке типа ESD-VCX электропривода «Гусар» при достижении температуры ниже -13 °С автоматически включается датчик подогрева блока и периодически отключается
/1 = 50Гц(экс) /, = 50Гщтеор)
а
ШЯ м
'■.р.-.Д'':
/, = 50Гц(экс) /, = 50Гц(теор)
Рис. 4. Механические характеристики ЭП на разных частотах при: а) нормальных условиях (20 °С); б) -60 °С
а> ,радЛ;
tx = 20 °С t2 = О °С f3 = -20 °С = -60 °С
да ,рад/с f = -60 °С i3 = -20 °С
/ /
р
к = 0 °с/ \ ij = 20 °С / I м, н
Рис. 5. Зависимость момента потерь от скорости электродвигателя при различных значениях температур от 20 ° С до -60 ° С при частоте: а) 50; б) 10 Гц
Рис. 6. Температурная зависимость работы электронного блока ESD-VCX
при нагревании до температуры -9 °С. При низких температурах от -20 и до -60 °С подогрев осуществляется непрерывно.
На рис. 6 приведена зависимость температуры электронного блока ESD - УСХ от времени срабатывания датчика подогрева.
Выводы
1. Исследована работа асинхронного электродвигателя с электронным блоком управления
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мустафин Ф. М. Трубопроводная арматура. - Уфа: ГУП РБ УПК, УГНТУ, 2007. - 326 с.
2. Гошко А.И. Арматура трубопроводная целевого назначения. Выбор. Эксплуатация. Ремонт. - М.: Машиностроение, 2003. - 432 с.
3. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 2001. - 274 с.
4. Каракулов А.С., Ланграф С.В. Разработка системы управления электроприводом запорной арматуры методом разделения ма-
ESD-VCX и волновым редуктором в температурном интервале от 20 до -60 °С.
2. Установлено, что при понижении температуры повышается критический и пусковой моменты за счет снижения активных сопротивлений обмоток электродвигателя.
3. Показано, что при уменьшении температуры увеличивается момент нагрузки на валу двигателя за счет увеличения вязкости смазочного материала и изменения физико-механических свойств сопрягающихся элементов редуктора.
тематических моделей объектов управления // Известия вузов. Электромеханика. - 2006. - № 3. - С. 54-56.
5. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.
Поступил 01.09.2007г.
