CC BY
85
УДК 621.313
В.И. Родионов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-19-59, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ С ВЕНТИЛЬНЫМ СИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
Рассмотрены схемы регулирования электроприводов трубопроводной арматуры с вентильными синхронными электродвигателями. Проведено моделирование статических и динамических характеристик электродвигателя с постоянными магнитами и построенного на нем электропривода.
Ключевые слова: электродвигатель, электропривод, регулирование момента и скорости.
Особенностью работы электропривода (ЭП) трубопроводной арматуры являются повышенный момент при отрыве или затягивании крана, стабильный момент во время движения запорного органа, а также фиксирующий момент после его остановки [1]. Такими свойствами обладают электродвигатели (ЭД) постоянного тока с независимым возбуждением, однако они вызывают большое число отказов, связанных с износом и искрением щеточного контакта, что не позволяет реализовывать высокоэнергетические конструкции, рассчитанные на предельные механические нагрузки.
В связи с этим для трубопроводной арматуры ведущие фирмы используют асинхронные электродвигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. Недостатками АД с короткозамкнутым ротором являются небольшой момент и сильный бросок тока при отрыве и затягивании рабочего органа.
В 80-х гг. ХХ века появились бесконтактные высокомоментные синхронные ЭД двух видов: индукторного типа и с постоянными магнитами, которые управляются силовыми вентильными преобразователями. Синхронный двигатель (СД) несколько сложнее, чем АД, но обладает рядом преимуществ. Основным достоинством СД является получение лучшего режима по реактивной энергии. При cos ф « 1 СД нагружается только активным током (АД - активным и реактивным), поэтому при одинаковой номинальной мощности его обмотка статора и габариты меньше, а КПД выше, чем у АД. СД менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, имеют высокую перегрузочную способность. Скорость вращения СД остается неизменной при изменении нагрузки.
Вентильно-индукторный СД характеризуется конструктивной простотой и экономичностью, имеет мощность от единиц до сотен кВт. Особенно эффективно его применение для исполнительных механизмов трубопроводной арматуры с низкой либо, наоборот, высокой угловой скоростью. При низкой угловой скорости можно отказаться от редуктора полностью либо существенно сократить число ступеней редукции.
Принцип работы вентильно-индукторного СД (рис. 1) состоит в поочередном последовательном включении индукторов (а-а, в-в, с-с), потоки которых замыкается через зубцы ротора.
Рис. 1. Схема частотного регулирования индукторного СД
Возбуждение индуктора создает электромагнитные силы притяжения, а последовательная коммутация индуктора от регулирующего устройства А, управляемого датчиком положения ротора (ДПР) BQ, обеспечивает непрерывное создание вращающего момента [2]. Регулирование угловой скорости вращения ротора осуществляется тремя инверторами напряжения (ИН) UB1 - UB3, которые через емкостный фильтр С питаются от выпрямителя V.
Конструктивно индукторный СД напоминает ЭД с электромагнитным ротором. В статор, набранный из листового железа, уложена трехфазная обмотка с числом полюсов обычно 2р=6 или 2р = 8. Он имеет ДПР, та-хогенератор и встроенный электромагнитный тормоз.
Вентильные СД с постоянными магнитами дороже индукторных, так как в качестве магнитов на роторе СД применяют редкоземельные материалы. Статор вентильного СД конструктивно ничем не отличается от статора машины переменного тока. Однако расположение обмотки имеет принципиальное отличие. Чтобы получить равномерное вращение ротора, обмотку укладывают таким образом, чтобы кривая индуктированного напряжения имела синусоидальную форму по расточке статора. На сердечнике ротора, набранном из листовой стали, крепятся пластины из магнитного материала.
Частотное регулирование скорости СД с постоянными магнитами может осуществляться как скалярным, так и векторным способами [3]. Наиболее простая схема скалярного регулирования представлена на рис. 2. Для определения положения магнитной оси ротора по отношению к экви-
валентной магнитной оси статора служит ДПР BQ. Схема скалярного регулирования частоты вращения содержит управляемый или неуправляемый выпрямитель V, катушку индуктивности Ь и конденсатор С фильтра, инвертор напряжения и коммутатор ив. Коммутатор ив вместе с BQ и регулирующим устройством А выполняет те же функции, что и коллектор в ДПТ. Выпрямитель V регулирует амплитуду, а инвертор ИВ - частоту
модуляции (1.. .20 кГц).
Рис. 2. Схема скалярного регулирования угловой скорости вентильного
СД с постоянными магнитами
Инвертор UB содержит шесть транзисторных ключей V1 - V6. Каждый ключ содержит управляемый полупроводниковый элемент (IGBT или IGCT) и обратный диод. Каждый IGBT управляется регулирующим устройством А. В большинстве случаев переключение ключей осуществляется путём сравнения управляющего сигнала с периодическим модулирующим сигналом.
При векторном регулировании входными переменными обычно являются основной магнитный поток и намагничивающая составляющая тока статора. Эти переменные должны поддерживаться на заданных уровнях. Они могут быть либо постоянными, либо формироваться как функции частоты и напряжения питающей сети.
Схема векторного регулирования вентильного СД с постоянными магнитами приведена на рис. 3. В функции задающего магнитного потока уЗ, заданной намагничивающей составляющей тока статора 1З и заданного момента МЗ формируются заданные токи статора I3X , I3Y . Формирование осуществляется вычислителем В с использованием уравнений и параметров вентильного СД. Заданные токи статора преобразуются к координатам статора А и В преобразователем U1, который управляется сигналами обратной связи преобразователя U2, формирующего cos и sin угла поворота СД [3].
Рис. 3. Схема векторного регулирования вентильного СД с постоянными магнитами
Вычисленные заданные компоненты тока статора 1ЗА , 1Зв поступают на входы соответствующих регуляторов AA, Ав. На эти же регуляторы поступают соответственные сигналы обратной связи IA , 1В, измеряемые датчиками тока BJ1, BJ2. Выходы регуляторов токов статора AA, Ав преобразуются к трехфазной системе инвертором UB. Таким образом, формируются фазные напряжения для регулирования скорости и момента электродвигателя М.
Математическая модель ЭП с постоянными магнитами во вращающейся системе координат имеет следующий вид
LS —jjT + RSid - ^LSiq = ud; diq
LS—~ + RSiq + *LS— + юФ0 = uq;
M = 1,5 p0oiq; d ю
J—m = M - M Н;
dt
(1)
1
юП =-®m; V
ud = -WKiid;
uq = WK2[WK3(Ф0 -Ф) - iq] d ф
dt
где Ь8, - индуктивность и активное сопротивление обмотки статора; 1й, 1Ч, па, - проекции тока и напряжения статора на действительную
ю
и мнимую оси; ю - частота питания; ют =--угловая скорость ротора; р -
Р
число пар полюсов; Ф0 - магнитный поток ротора; I, МН - приведенные к валу двигателя моменты инерции и сил нагрузки; ф0, ф - заданный
и текущий уголы поворота ЭП; V - передаточное число редуктора; ЖК1, Wк2, Жкз - передаточные функции усилительных и корректирующих устройств.
Схема моделирования механических и динамических характеристик вентильного СД в пакете ЫМЬаЬ представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема моделирования вентильного СД
Моделирование проводилось для электродвигателя 5ДБМ 150-4-3,73, имеющего следующие параметры: момент короткого замыкания 122 Нм; номинальный момент 15 Нм; сопротивление фазы 1,8... 1,4 Ом; момент
3 2
инерции 3x10" кг м ; электромагнитную постоянную времени 0,8 мс; скорость холостого хода 3400.3800 об/мин; приведенный к фазе коэффициент ЭДС 0,56.0,61 Вс/рад; приведенный к фазе коэффициент момента 0,56.0,61 Нм/А; число пар полюсов 8; число фаз 3.
Результаты моделирования приведены на рис. 5, 6. Анализ полученных графиков, показывает, что ток ^ не создаёт момента, но влияет на магнитный поток, угловую скорость и общий ток потребления СД. Причиной появления этого тока является электромагнитная постоянная времени в цепи статора СД и взаимные перекрёстные связи между каналами. Введение компенсирующей обратной связи по току ^ (рис. 4) устраняет эти недостатки (рис. 5) и приближает механические характеристики вентильного СД (рис. 6) к характеристикам двигателя постоянного тока.
Аналитическую зависимость для механической характеристики СД можно получить из первых трех уравнений системы (1), записанных в установившемся режиме работы при щ=0:
1,5Яф ^ = рО. mLsIq;
1,5 ДФ ^ + рО +\5СБ О m = Uq;
M = 1,5См1ч.
(2)
а б
Рис. 5. Графики переходных процессов вентильного СД с обратной связью по току ¡¿1 = 10 В/А): а - по угловой скорости и моменту; б - по поперечной и продольной
проекциям тока
«иг
о б/ч п в
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
0
2
Ч Д
1/
м
50 100 -►
150 Н*
Рис. 6. Механические характеристики вентильного СД . 1 - = 0; 2 - = 10 В/А; 3 - Wкl=100 В/А
266
Преобразовав уравнения (2), получим выражение для механической характеристики вентильного СД в виде
p2 r2 _ r
Р Ь Q2mM + 1,5CEQm M = Uq.
2,25R0Cm
C
(3)
M
Схема моделирования ЭП, с широтно-импульсным пребразователем
(ШИП), пропорционально-интегральным (ПИ) регулятором, редуктором
2
с передаточным числом V = 115 и моментом инерции нагрузки J = 0.02 кгм приведена на рис. 7, а результаты моделирования на рис. 8.
Рис.7. Схема моделирования ЭП с ШИП и ПИ-регулятором
Рис. 8. Графики переходных процессов в ЭП с ШИП
Исследование проведено для следующих значений параметров ЭП: WK2 = km = 6 В/А, коэффициент пропорционального закона регулирования WK3 = Kd = (200.600) Вмин/об; задающее воздействие Fi0 = 36 оборотов; момент нагрузки МН=(0.. .15) Нм.
Анализ графиков показывает, что в замкнутом ЭП с обратной связью по углу значение тока может привышать 100 А при пропорциональном законе регулирования, несмотря на обратную связь по току, а установившееся значение тока остается прежним (16,6 А). Время открытия (закрытия) арматуры составляет 80 с. При действии момента нагрузки МН имеется статическая ошибка по углу поворота выходного
вала. Для устранения статической ошибки по углу поворота, вызванной моментом нагрузки, необходимо использовать пропорционально-интегральный закон регулирования. Для обеспечения монотонности переходного процесса коэффициенты передачи по интегралу должны быть намного меньше коэффициентов по пропорциональной составляющей. Уменьшить значение тока можно с помощью ограничителя напряжения. Напряжение ограничения следует выбирать из условия обеспечения требуемого значения тока. Для тока 40 А напряжение составляет ^огр = Imax= 40 ■ 6 = 240 В .
Введение ШИП с частотой 28 кГц не изменяет переходных процессов по средним значениям скоростей, моментов и токов. В режиме пуска ШИП увеличивает максимальное значение тока до 45 А (по сравнению с 32 А без ШИП), но номинальный ток устанавливается в 3 раза быстрее. При насыщении сигнала появляются пульсации тока и момента, что объясняется автоколебаниями нелинейной системы, поэтому при достижении требуемых оборотов выходноговала ЭП необходимо отключать СД от сети.
По результатам моделирования можно сделать следующие рекомендации для построения электропривода трубопроводной арматуры на базе вентильного электродвигателя 5ДБМ 150-4-3,7-3:
1. Для уменьшения общего потребления тока необходимо снижать его продольную составляющую с помощью отрицательной обратной связи с коэффициентом не менее 10 В/А.
2. Уменьшение пускового тока до 45 А обеспечивает отрицательная обратная связь до 6 В/А по поперечной составляющей тока.
3. Для отработки заданных оборотов ЭП необходим коэффициент передачи прямой цепи 40 В/об и отрицательная обратная связь по углу.
4. Для устранения статической ошибки замкнутого электропривода от действии момента нагрузки 15 Нм необходимо использовать ПИ-регулятор в прямой цепи с коэффициентом по интегралу 0,05 Вс/об.
5. Для уменьшения тока в переходных режимах необходимо использовать ограничитель входного напряжения 330 В, подаваемого на двигатель, и ограничитель выходного напряжения 240 В с ПИ-регулятора.
6. Пусковой ток электропривода с вентильным СД не превышает 45 А, установившееся значение угловой скорости составляет 3000 об/мин, время открытия (закрытия) задвижки не превышает 80 с.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Список литературы
1. Многооборотный электропривод трубопроводной арматуры / под ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ. 2011. 322 с.
2. Овчинников И.Е. Вентильные электродвигатели и привод на их основе. СПб.: КОРОНА-Век. 2007. 336 с.
3. Родионов В.И., Иванов Ю.В., Погорелов М.Г. Электродвигатели для интеллектуального электропривода трубопроводной арматуры // Инженерный журнал. Приложение №7. 2011. С. 11 - 16.
V.I. Rodionov
SIMULATION OF PIPELINE FITTINGS ELECTRIC DRIVE WITH SELF-CONTROLLED SYNCRONOUSMOTOR
Control schemes of fittings electric drive with self-controlled synchronous motor are considered. Simulation of static and dynamic characteristics of electric motor with constant magnets and electrics drive, based on it are performed.
Key words: electromotor, electric drive, speed and torque control.
Получено 18.10.11
