CC BY
79
© Л.И. Цытович, О.Г. Брылина Проблемы энергетики, 2010, № 1-2
УДК 62 - 83:681.51
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ КАНАЛАМИ РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МНОГОЗОННОГО ИНТЕГРИРУЮЩЕГО РАЗВЕРТЫВАЮЩЕГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Л.И. ЦЫТОВИЧ, О.Г. БРЫЛИНА
Южно-Уральский государственный университет
Рассматриваются принципы построения систем управления электроприводами с параллельными каналами регулирования (водяные насосы, воздуходувки, системы пожаротушения и т.д.) на основе интегрирующего многозонного развертывающего преобразователя с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Приведены структурные схемы систем с дискретным и плавно-дискретным регулированием, а также рассматривается система управления с повышенной кратностью резервирования и самодиагностированием.
Приведен пример дискретной системы управления группой из четырех асинхронных электроприводов водяных насосов с автоматическим включением резервного канала регулирования.
Ключевые слова: многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь, водяные насосы, воздуходувки, системы пожаротушения, самодиагностирование, система управления.
Введение
Подавляющее число электроприводов насосных станций водоснабжения жилых зданий и предприятий, систем воздухообмена и пожаротушения представляют собой системы управления с параллельными каналами регулирования (СПКР) [1, 2], в которых часть электроприводов являются рабочими, а другая - резервными. При этом СПКР в подавляющем числе случаев относятся к разряду систем низкой точности, что следует учитывать при их техническом переоснащении. Управление СПКР с применением современных цифровых информационных регуляторов и силовых преобразователей зачастую оказывается достаточно сложной, с технической точки зрения, задачей, требующей высокой квалификации обслуживающего персонала. Учитывая дефицит инженерных кадров, особенно в сфере ЖКХ, процесс реконструкции СПКР оказывается весьма проблематичным. В этих условиях необходимо находить разумный компромисс между простотой технической реализации системы управления и ее технико-экономическими показателями. Одним из таких направлений является построение СПКР на базе многозонных интегрирующих развертывающих преобразователей (МРП), сочетающих в себе достаточно высокую точность регулирования, помехоустойчивость, возможность в СПКР автоматического резервирования каналов управления и простоту аппаратурного построения. Ниже рассматриваются структуры ряда СПКР с управлением от МРП.
Теоретическая часть
0 Системы управления с дискретным регулированием
Структура простейшего варианта системы управления группой из четного числа параллельно работающих электроприводов на базе МРП (рис. 1, а)
содержит непосредственно МРП, тиристорные регуляторы напряжения ТРН1 -ТР№, для «мягкого» пуска асинхронных электродвигателей, исполнительные электродвигатели М1 - М1, водяные насосы Н1 - Н и датчик обратной связи ДОС, например, по давлению в диктующей точке выходной магистрали М^. ДОС может представлять собой также датчик дискретного действия, что характерно для случаев, когда М^ представляет собой накопительный резервуар.
Рис. 1. Структурная схема (а) дискретной системы управления четным числом электроприводов с параллельными каналами регулирования на основе МРП, временные диаграммы сигналов МРП (б)
МРП включает в себя сумматоры Х1, Х2, интегратор И, а также нечетное число п > 3,5,7.... релейных элементов РЭ0 - РЭп, выполненных с симметричными
относительно нулевого уровня порогами переключения |±Ь^ <± Ь^ <...<|± Ьп|, где
индекс при «Ь » соответствует порядковому номеру РЭ. Выходные сигналы РЭ
© Л.И. Цытович, О.Г. Брылина Проблемы энергетики, 2010, № 1-2
меняются дискретно в пределах ± А / п. Число модуляционных зон МРП равно к = (п +1)/2 (рис. 1, б). Режим автоколебаний в МРП всегда возникает в тракте РЭ, имеющего наименьшее значение порогов переключения. Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую определяется величиной сигнала управления на его информационном входе (рис. 1, б). При этом реализуется частотно-широтно-импульсная модуляция (ЧШИМ), когда интервалы дискретизации ¿ц,^2 и То; оказываются зависимыми от величины сигнала управления Х^х (рис. 1, б). Среднее значение сигнала на выходе сумматора Х2 7о1 ...У(ц за период Тм линейно относительно Х^х . Подробно режимы работы МРП рассмотрены в работе [3].
Рассматриваемая СПКР относится к классу электроприводов с дискретным регулированием, число которых соответствует значению п -1. Включение каналов регулирования производится от ТРН, управляющие входы которых подключаются к соответствующим выходам релейных элементов РЭ2 - РЭп МРП.
Принцип действия системы следующий. В начальный момент времени под действием сигнала задания Хвх МРП переводится в старшую модуляционную зону, когда, например, сигналом + А/ п с выходов РЭ2 - РЭп МРП включаются ТРН2 - ТРНк После запуска М2 - Мг с ростом давления в магистрали М^ увеличивается уровень сигнала на выходе датчика обратной связи ДОС и снижается величина сигнала рассогласования на входе интегратора МРП. Вследствие этого МРП переходит в более младшую модуляционную зону, когда выходной сигнал, например, РЭ2 становится равным - А / п, и ТРН1 выключается. По мере снижения давления в М^ и увеличения сигнала
рассогласования на входе звена И, МРП вновь возвращается в старшую модуляционную зону и процесс повторяется. При этом величина максимальной ошибки регулирования пропорциональна 0,5Х^Х1, где Х^Х1 - амплитуда сигнала задания для г-ой модуляционной зоны МРП. Поэтому рассмотренный класс системы регулирования целесообразно применять в электроприводах низкого класса точности, где приоритетным началом является простота технической реализации и обслуживания всего комплекса оборудования.
Ошибка регулирования может быть существенно снижена путем введения канала с ЧШИМ-регулированием, вход которого подключается к выходу РЭ1 (рис. 1, а). В этом случае система будет иметь нечетное число каналов регулирования по числу релейных звеньев МРП. Однако подобное решение потребует обеспечения в МРП режима инфранизкочастотных автоколебаний, при котором исключались бы частые пуско-тормозные режимы электродвигателя и исполнительного механизма. Это, с точки зрения аналоговой электроники, задача достаточно сложная. Реализация же МРП на основе микропроцессорной техники и программируемых контроллеров неизбежно приведет к потере одного из основных преимуществ данного класса систем - простоты технической реализации и ремонтопригодности.
Приведенная на рис. 2 система предназначена для дискретного управления группой из нечетного числа электроприводов и реализуется на основе МРП с четным числом релейных элементов, спецификой которого являются дополнительные кратковременные переключения релейных элементов РЭ2 - РЭп при его переходе из одной модуляционной зоны в другую [4]. Применительно к системам управления электроприводами технологических установок данное
обстоятельство является недопустимым, так как приводит к ложным срабатываниям силовой аппаратуры и исполнительных механизмов.
В структуре на рис. 2 отмеченный недостаток МРП с четным числом РЭ устраняется за счет введения регистра памяти ИО, устройства сравнения кодов УСК и элемента задержки БЬ [5].
В установившемся режиме работы состояния кодов на входе и выходе ИО идентичны, поэтому выходной сигнал УСК и БЬ соответствуют логическому «0». При переходе МРП под действием сигнала рассогласования в другую модуляционную зону, когда возможны дополнительные переориентации РЭ, коды на входе и выходе ИО становятся различными. УСК переходит в состояние логической «1».
Рис. 2. Структурная схема дискретной системы управления нечетным числом электроприводов с параллельными каналами регулирования на основе многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя
Однако перезапись нового кодового состояния РЭ в ИО производится с задержкой, формируемой с помощью БЬ. Время этой задержки соответствует максимальной величине времени переходного процесса в МРП с четным числом РЭ. На практике данное значение выбирается порядка 2 - 5 с, что, с одной стороны, гарантированно обеспечивает вход МРП в установившийся режим работы, а с другой - для электроприводов водяных насосов или, например, воздуходувок и газоотсосов является пренебрежимо малой величиной.
После окончания задержки по времени на выходе БЬ формируется «1», и кодовые состояния релейных элементов МРП переписываются в ИО. В результате
электроприводы каналов регулирования переходят во включенное (или выключенное) положение только после окончания переходного процесса в МРП.
0 Система управления с комбинированным плавно-дискретным регулированием
В электроприводах переменного тока с параллельными каналами часто применяется комбинированный метод регулирования, когда один канал управляется от преобразователя частоты, а остальные - с помощью ТРН [6].
Структура подобной системы на базе МРП показана на рис. 3. Ее отличие от системы на рис. 2 состоит в том, что в процессе плавного регулирования задействован РЭ1, на выходе которого включен демодулирующий (сглаживающий) фильтр Ф, например, апериодический первого порядка. С его помощью выделяется среднее за интервал дискретизации значение выходных импульсов РЭ1, которое пропорционально сигналу рассогласования на входе звена И. Функции силового преобразователя выполняет преобразователь частоты ПЧ, частота и амплитуда выходного напряжения которого зависит от напряжения на его информационном входе. При этом канал плавного регулирования работает постоянно, а дискретные каналы в режиме «включено/выключено» - в зависимости от порядка модуляционной зоны и связанного с ним знака выходных сигналов РЭ2 - РЭь
Рис. 3. Структурная схема комбинированной системы управления нечетным числом электроприводов с параллельными каналами регулирования на основе многозонного интегрирующего развертывающего преобразователя
Необходимо также отметить, что непосредственно на основе МРП может быть реализован любой из требуемых для данной системы закон регулирования: пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный и т.д. [7].
0 Система управления с автоматическим резервированием каналов регулирования
Структура автоматически резервируемой системы с повышенной кратностью резервирования (рис. 4) [8] отличается от ранее рассмотренных в работах [9 - 11] наличием демодулирующего фильтра Ф и фиксирующего элемента ФЭ в каждом из каналов регулирования (рис. 4). Это позволяет использовать также РЭ1 для управления в режиме «включено/выключено» дополнительным
каналом регулирования, что, в конечном итоге, повышает кратность резервирования СПКР.
Введение логических переменных от блока селективных защит (блока готовности БГ) ТРН и ИМ в замкнутый контур МРП, блокируя при этом работу соответствующего релейного элемента и устанавливая его в состояние - А / п (логический «0»), производится по аналогии с системой, рассмотренной в работе [12].
Рис. 4. Структурная схема дискретной системы управления нечетным числом электроприводов с самодиагностированием и автоматическим резервированием каналов регулирования
Условием запуска соответствующего канала регулирования системы, например, управляемого от РЭ1, является уровень сигнала рассогласования на
входе И, при котором среднее значение импульсов Ypl(t) превышает порог срабатывания ФЭ « С2 » (рис. 5, б). При этом фиксирующий компаратор переходит в лог. «1» и запускает требуемый ТРН. Если сигнал на входе ФЭ меньше «С1», последний переключается в «0», и электропривод соответствующего канала регулирования переходит в режим торможения. Постоянные времени фильтров
модуля Ф должны выбираться таким образом, что амплитуда пульсаций сигналов У(Ф ) не превышала бы зоны неоднозначности ФЭ.
Рассмотрим ситуацию, когда в работе находятся каналы ТРН1-ИМ1 и ТРН2 -ИМ2, причем ТРН1 управляется РЭ1, который находится в режиме автоколебаний (рис. 5, а) и среднее значение его выходных импульсов превышает «с2 », а ТРН2 -управляется статически сигналом « + А/п » с выхода РЭ2 (рис. 5, в).
а> о
б) о
Ь 1 ^
Гф1(<>
X
Л01'. «О»
ТЧГ '01 ; *......
(Н -Н Щ * "'п^и + '22»
-А/п
Ло1. «1»
Рис. 5. Временные диаграммы сигналов системы управления с повышенной кратностью
резервирования
Предположим, что в момент времени ¿о РЭ1 перешел в неуправляемое состояние - А / п (рис. 5, а). Начиная с момента времени *01 (рис. 5, б), ИМ1 переходит в режим торможения. После этого режим автоколебаний возникает в тракте РЭ, имеющего следующее после РЭ1 минимальное значение порогов переключения, т.е. в РЭ2 (рис. 5, в). При этом, учитывая тот факт, что МРП
является замкнутой системой, скважность у2 импульсов ) (рис. 5, в) будет
равна скважности у 1 ранее работающего РЭ1 (рис. 5, а). В результате сигнал 1ф2(*) на выходе фильтра второго канала по амплитуде окажется равным 1ф1 (*), и канал регулирования ТРН2 - ИМ2 останется во включенном положении. Замещение аварийно выключенного тракта ТРН1 - ИМ1 произойдет одним из резервных каналов благодаря интегратору И, который стремится минимизировать ошибку регулирования путем включения соответствующего релейного элемента и исполнительных механизмов ТРН - ИМ.
Учитывая, что при последовательном замещении РЭ1 другими релейными элементами МРП частота автоколебаний падает, постоянные времени фильтров Ф должны выбираться с запасом, гарантирующим, что при самой низкой частоте автоколебаний амплитуда пульсаций выходных сигналов Ф не превысит зоны неоднозначности ФЭ.
Блок диагностики БД (рис. 5), контролирующий исправное состояние МРП по факту работы РЭ1 в режиме автоколебаний [13, 14], совместно со светодиодным индикатором СИ введены в систему с целью оповещения обслуживающего персонала о возможной неисправности МРП, при которой режим автоколебаний передается на релейный элемент с более высоким, чем у РЭ2, значением «Ь». Это предупреждает обслуживающий персонал о необходимости принятия мер по замене вышедшего из строя элемента системы управления в период остановки технологического процесса.
Структура на рис. 5 может быть использована также для систем с плавным регулированием выходной координаты, например, с использованием ПЧ. Для этого из схемы исключаются ФЭ, а информационный вход ПЧ подключается непосредственно к выходу соответствующего из фильтров блока Ф.
Практическая часть
Пример построения на базе МРП системы управления электроприводами водоснабжения жилого здания рассмотрен в работе [11].
Ниже приведена функциональная схема многозонной системы управления асинхронными электроприводами водяных насосов гран-бассейна шлакоплавильного цеха ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» (рис. 6).
Система содержит группу из четырех водяных насосов Н1 - Н4, два из которых Н3, Н4 являются резервными. Управление исполнительными электродвигателями мощностью 50 кВт производится от ТРН1 - ТРН4, осуществляющих их «мягкий» пуск. Каждый из ТРН снабжен своим блоком готовности БГ, который формирует сигнал на разблокировку соответствующего релейного элемента МРП при условии включенного состояния ТРН и отсутствия факта срабатывания какой-либо из его защит. В БГ вводится также сигнал защиты от перегрева исполнительных механизмов М и Н (на рис. 6 не показаны). Обратная связь производится с помощью датчиков нижнего (ДНУ), верхнего (ДВК) и верхнего критического (ДВКУ) уровней воды, работающих в автоколебательном режиме. Система диагностирования СД осуществляет контроль над работоспособностью МРП, ДНУ, ДВУ и ДВКУ параметрическим способом по факту наличия в этих элементах режима автоколебаний [13]. МРП содержит пять РЭ (рис. 1, а), причем РЭ2 - РЭ5 подключены к управляющим входам ТРН. Выходной сигнал РЭ1 поступает в СД. При неработоспособности какого-либо из контролируемых элементов (недопустимая аварийная ситуация на объекте) СД формирует сигнал принудительной установки релейных элементов МРП в состояние - А / п, при котором ТРН выключаются. Система отключается также и в том случае, если оказывается неисправным непосредственно СД или уровень воды выше верхнего критического значения. В состоянии, когда уровень воды превышает нижний предел, в работе находится М1. При срабатывании ДВУ запускается также М2. Оба механизма М1-Н1 и М2-Н2 функционируют до тех пор, пока уровень воды не понизится ниже нижнего критического уровня, когда М1 и М2 отключаются. При срабатывании любой из защит происходит принудительный перевод соответствующего РЭ МРП в положение, при котором исполнительные механизмы данного канала отключаются. После сканирования © Проблемы энергетики, 2010, № 1-2
интегратором МРП пороговых уровней РЭ происходит переориентация каналов регулирования [14], и неисправный тракт управления электропривода замещается работоспособным. Стоимость реконструкции составила немногим более 400 тыс. руб. (в ценах 2009 г.).
Рис. 6. Функциональная схема многозонной системы управления асинхронными электроприводами водяных насосов гран - бассейна на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»
За шесть лет функционирования рассмотренной системы произошло два случая перехода на резервное регулирование по причине выхода из строя насосного оборудования. По оценкам обслуживающего персонала был предотвращен экономический ущерб для предприятия на сумму порядка 30 млн. руб.
Summary
The principle of constructing the control system by electric drives with parallel channels control (water pumps, blowers, fire suppression systems, etc.) on the basis of integrating multizone sweep converter with frequency- width- pulse modulation is considered in this article. The structure charts of the system with discrete and smooth-discrete regulation, and also the control system with high multiplicity of reservation and self-diagnosis are described.
An example of a discrete control system by a group, composed of four asynchronous electric drives of water pumps with automatic load transfer has been considered.
Key words: integrating multizone sweep converter, water pumps, blowers, fire suppression systems, self-diagnosis, control systems.
Литература
1. Андронов А.Л. Энергосбережение в системах водоснабжения средствами частотного регулирования электропривода / А.Л. Андронов // Электроэнергия и будущее цивилизации: материалы международной науч. техн. конф. Томск: ТПУ, 2004. С. 251-253.
2. Беккер А. Системы вентиляции: справочник / А. Беккер; пер. с нем. Л.Н. Казанцевой, под ред. Г. В. Резникова. М.: Техносфера: Евроклимат, 2005. 229 с.
3. А.с. 1336039 СССР, G06G7/12. Многозонный развертывающий преобразователь / Л.И. Цытович. - №» 4058307/24; заявл. 19.02.86; опубл. 03.04.87, Бюл. №25.
4. Цытович, Л.И. Многозонные интегрирующие развертывающие преобразователи с четным числом релейных элементов / Л.И. Цытович, О.Г. Терещина // Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика». Вып.5. 2004. №4. С.69-72.
5. Пат. 2276449 Российская Федерация, МПК Н 02 Р 5/46, Н 02 Р 1/54. Система управления группой электроприводов / Л.И. Цытович, О.Г. Терещина. № 2005103075; заявл. 07.02.2005; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13. 9с.
6. Применение частотно-регулируемого привода вентиляторов в системах воздушного охлаждения компримированного газа / И.И. Аршакян, А.А. Тримбач, И.И. Артюхов, М.В. Жабский // Электроприводы переменного тока: сб. науч. тр. -Екатеринбург, 2005. С. 289-292.
7. Терещина О.Г. Многозонные частотно-широтно-импульсные преобразователи для управления группой параллельно работающих электроприводов // XXVI Российская школа по проблемам науки и технологии. Краткие сообщения. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 289-291 с.
8. Пат. 2312452 Российская Федерация, МПК Н02Р5/46. Система управления группой электроприводов водяных насосов / Цытович Л.И., Терещина О.Г., Дудкин М.М. - № 2006119760; заявл. 05.06.06; опубл. 10.12.07, Бюл. № 34. 12с.
9. Цытович Л.И. Многозонная система управления группой электроприводов с автоматическим переводом силового электрооборудования в режим холодного резерва / Л.И. Цытович, О.Г. Терещина // Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика». 2005. Вып.6. №9. С.97-99.
10. Цытович Л.И. Многозонный развертывающий преобразователь с адаптируемой в функции неисправности активных компонентов структурой / Л.И. Цытович // Приборы и техника эксперимента. М.: АН СССР, 1988. №1. С.81-85.
11. Цытович Л.И. Система управления асинхронным электроприводом водоснабжения жилого здания с автоматическим резервированием каналов регулирования / Л.И. Цытович, О.Г. Терещина, М.М. Дудкин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2005. №5-6. С. 47-52.
12. Цытович Л.И. Система управления группой асинхронных электроприводов с самодиагностированием и автоматическим резервированием каналов регулирования / Л.И. Цытович, О.Г. Терещина, М.М. Дудкин // Электротехника. 2006. №11. С. 38-44.
13. Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи с автоматическим диагностированием и резервированием / Л.И. Цытович, О.Г. Терещина // Вестник ЮУрГУ. 2004. Вып.5. № 4. С.55-61.
14. Цытович Л.И.. Развертывающий операционный усилитель с автоматическим резервированием каналов передачи информации / Л.И. Цытович,
B.А. Кожевников, А.В. Соколов // Приборы и техника эксперимента. 1986. № 3.
C.119-125.
Поступила в редакцию 26 мая 2009 г.
Цытович Леонид Игнатьевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматика промышленных установок» (ЭиАПУ) Южно-Уральского государственного университета. Тел.: 8 (351) 267-93-85; 8 (351) 267-96-90. E-mail: [email protected].
Брылина Олеся Геннадьевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок» (ЭиАПУ) Южно-Уральского государственного университета. Тел.: 8 (351) 267-93-21; (351) 267-96-90. E-mail: [email protected]
