CC BY
29
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ Щербань Павел Сергеевич, к.т.н., доцент, Хованский Андрей Викторович, магистрант, Инженерно-технический институт БФУ им. И.Канта
В настоящее время на многих компрессорных станциях в составе газоперекачивающего агрегата используют асинхронные двигатели. Но зачастую при создании новых образцов и моделей технологических устройств пренебрегают вопросом устойчивой работы системы автоматического управления (САУ) бесконтактными электромагнитными подшипниками асинхронного двигателя, что создает определенные проблемы при эксплуатации.
В данной статье рассмотрено устройство электромагнитных подшипников (ЭМП), проанализированы причины возникновения статических ошибок и неустойчивости в работе системы автоматического управления ЭМП. В ходе исследования технологических сбоев в функционировании системы управления, найдена зависимость изменения показателей вибросмещения ротора ЭМП от качества процесса управления при использовании различных типов регуляторов.
Ротор ЭМП имеет ферромагнитные пластины, получающие воздействие магнитного поля от катушек неподвижной части. Ротор находится в подвешенном положении относительно центра оси статора, не соприкасаясь с ним. Статические ошибки и некорректная работа возникают вследствие эксцентриситета ротора от номинального положения.
Проблема отклонения ротора по причине вибросмещения электромагнитных подшипников стала предпосылкой к разработке отказоустойчивой системы автоматического управления ЭМП на основе новейшего программно-технического оборудования.
В ходе исследования описывается принцип работы электромагнитных систем подвесов, способы осуществления бесконтактного подвеса, описываются причины возникновения вибросмещения электромагнитных подшипников в асинхронных двигателях, а также производится анализ причин возникновения рассогласования и неустойчивой работы в системе автоматического управления подшипниками. Рассматривается возможность внедрения потенциально перспективных решений по устранению некорректной работы системы управления ЭМП, а также по обеспечению требуемых качественных рабочих характеристик устройств в течение технологического процесса на газовых и газотранспортных и газоэкс-плуатирующих предприятиях.
Ключевые слова: система управления электромагнитными подшипниками, электромагнитные подшипники, автоматическая система управления, асинхронный двигатель, ротор, магнитное поле.
Введение
Одной из составляющих частей двигателей и машин является ротор, совершающий вращательное действие в подшипниковых опорах. Бесконтактный электромагнитный подшипник - устройство поддержания ротора фактически без механического контакта за счет сил магнитного притяжения и применения обратной связи, включающий в свою цепь, датчики положения, электромагниты, источники питания, усилители мощности, а также программируемый-логический контроллер (ПЛК).Вследствие роста коэффициента повышения давления центробежного компрессора (ЦБК), при том, что частота вращения ротора остается неизменной, наблюдается тенденция увеличения вибрации в ЭМП и возникает вибросмещение ротора от номинального положения оси. Это свидетельствует о некорректной работе нагнетателя компрессора по причине воздействия циркуляционных консервативных сил, возникающих в проточной части нагнетателя. Увеличение скорости вращения роторных асинхронных двигателей, при одновременном стремлении к снижению массовых и габаритных показателей, выносит на первый план проблему повышения качественных рабочих показателей, а также долговечности активных электромагнитных подшипников как первостепенную [2].
Эксплуатация подшипников качения и скольжения предоставляется невозможной для достижения определенных целей, поэтому в данный момент основной вектор внимания направлен на бесконтактные электромагнитные подшипники. Сегодня современной технике необходимы ЭМП, которые будут надежно работать без появления сбоев и статических ошибок в самых экстремальных условиях: в вакууме, при высоких и низких температурах в ходе всего технологического процесса. [3]. Первоочередным фактором, оказывающим негативное воздействие и снижающим надежность работы асинхронного двигателя в составе центробежного компрессора, является неустойчивая работа и возникновение рассогласования в системе автоматического управления электромагнитными подшипниками. Следовательно, ключевым вопросом данной статьи, является поиск возможных решений по устранению сбоев и повышению надежности в работе ЭМП путем создания цифровой системы управления на базе современной микропроцессорной техники, что на данный момент является актуальной задачей [5].
1.Общие принципы функционирования электромагнитных
подшипников
Работа бесконтактного электромагнитного подшипника (подвеса) базируется на принципе электромагнитной левитации, что подразумевает использование электрического и магнитного полей. Система автоматического управления включает в себя датчики положения, регулятор и усилители мощности. Система управляет положением ротора путем изменения тока в магнитном поле статора, получая необходимую информацию от датчиков
положения. Сила притяжения с одной стороны вала становится сильнее или слабее в обмотках статора, а магнитные силы перемещают ротор в первоначальное положение [6].
1 - система автоматического управления; 2 - задающий сигнал; 3 - сигнал датчика; 4 - регулятор; 5 - усилитель мощности; 6 - ЭМП; 7 - статор;
8 - датчик положения; 9 - ротор; 10 - электромагнит.
По техническим характеристикам ЭМП делятся на две категории: пассивные и активные. Способ использования пассивных подшипников, изготовленных на основе постоянных магнитов, является неидеальным, поэтому к данному типу подшипников прибегают весьма редко. Более широкие технические возможности представляются с подшипниками активными, в которых магнитное поле создается переменными токами в обмотках сердечников.
Как упоминалось ранее, электромагнитные подшипники являются важным узлом газоперекачивающего агрегата, определяющим его работоспособность и эффективность [6]. Ошибки в работе системы и отказы ЭМП приводят к незавершенным пускам и аварийным остановкам ГПА, что в свою очередь, снижает ресурс самого асинхронного двигателя и приводит к повреждению страховочных подшипников.
Основным фактором, снижающим надежность работы компрессора (ЦБК), являются: неисправности и ошибки в работе системы управления электромагнитными подшипниками. Особенно недостатки выявляются в аналоговых системах автоматического управления ЭМП Неустойчивая работа САУ приводит к преждевременному выходу из строя оборудования и получению некорректных результатов в ходе всего технологического процесса нефтегазового предприятия.
2.Математическое описание расчета параметров регулятора САУ ЭМП
Одним из главных вопросов, возникающих при исследовании и проектировании линейных систем управления, является вопрос непосредственно их устойчивости. Линейная система называется устойчивой, если при выведении ее внешними воздействиями из состояния равновесия она возвращается к первоначальному состоянию после прекращения внешних воздействий. Если после прекращения внешнего воздействия система не возвращается к состоянию равновесия, то она является неустойчивой.
Неустойчивость и рассогласование системы возникает, в основном, по причине сильного действия обратной связи. Из-за инерционных характеристик звеньев замкнутой системы, сигнал обратной связи в режиме колебаний отстает от входного сигнала, что находится с ним в фазе, обычно это является причиной динамической неустойчивости. [4].
Параметры стабилизации ротора определяются стандартом на оценку вибрационного состояния асинхронных двигателей центробежного компрессора с электромагнитными подшипниками (ГОСТ Р ИСО 14839-22011. Вибрация машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками. Ч.2. Оценка вибрационного состояния). Для ЦБК данным стандартом предусмотрены следующие показатели вибрации: 110 мкм -годная граница долговременной работы устройства, 132 мкм - ограниченно годная граница работы.
Данные требования были учтены специалистами ООО Фирма «КГПА» при создании цифровой САУ ЭМП «Неман-100», опыт реализации которой приведен в статье.
Чтобы проанализировать процессы, протекающие в ЭМП, была составлена математическая модель процесса смещения ротора в поле электромагнитов относительно оси.
Х - описывается системой уравнений:
ги(кшии Мх + 0,5) = 1^ + И111 + кЕ1% + ь13аа[3; < и(0,5 - кшим^х) = + Д3/3 + кЕЗ% + ¿31^; (1)
Чгс* =^ЭМ -0,5^ + крХ- ±7^,
где и - опорное напряжение силового преобразователя; ^шим и Ых - коэффициент передачи и величина сигнала на входе ШИМ; Ь1,Я1,11,кЕ1 - индуктивность, активное сопротивление, ток и коэффициент ЭДС верхнего электромагнита; Ь3,Я3,13,кЕЗ - индуктивность, активное сопротивление, ток и коэффициент ЭДС противоположного электромагнита; Ь13,Ь31 - взаимные индуктивности; т. - масса ротора на один радиальный подшипник; ^ЭМ - коэффициенты электромагнитной силы и положительной обратной связи; ^х,/^ - части веса ротора и внешнего возмущающего воздействия, приходящиеся на ось Х - ЭМП; £ - время.
В качестве непрерывного регулятора применена трехконтурная схема САУ, которая обеспечивает отсутствие рассогласование системы и статических ошибок. (рис. 2).
На основании трехконтурной схемы получены следующие выражения для расчета параметров регулятора:
с
ГПД = (2- 3)7Э
,0СС = 2е I-2---^--(2)
л! З^ШИМ^ЭМ^ДП 9&пдкШИМкэМкдп7э
т — Гл ■ сл -Ь+VЬ2-4ac
Ти — (4 — 5)---,
где
а = (к2-кР)(т + ^Тпд)( Е + кг + к2Тт ~кРТэ^-т(к2 -кР)2Тэ;
Ь = к2Тпд(т + кгТпд+кг + к2Тпд ~Мэ)
-2шк{к2 -кР)ТпдТэ -к2(т + к±Тпд) ;
с = —тТэк2 Тпд ; кг = кпд ^шим^ЭМ ^осс^дп ; к2 = кп ^пд^ШИМ ^эм^дп; ^пд (р)'^пд'^пд - передаточная функция, постоянная времени и коэффициент передачи пид-регулятора; ГИ - постоянная времени интегрального регулятора; 7Э - постоянная времени электромагнита в центральном положении; кп ^осс ^дп - коэффициенты пропорционального регулятора, передачи датчика положения ротора, обратной связи по скорости; £ - коэффициент демпфирования (выбирается произвольно в пределах 0,6 - 0,8); р - комплексная переменная.
данные формулы получены из предположения, что ротор асинхронного двигателя находится в центральном положении относительно оси, тогда его передаточная функция И^оУ (р) может быть представлена в виде:
^оу(Р) = ,*Г£М.Е_Ч .1 (3)
при цифровой реализации САУ ротором асинхронного двигателя функционирование регуляторов осуществлялось методом вычисления обратной разности, а интегрирование - нахождение суммы. дискретные передаточные функции И (интегрального) и пд (пропорционально-интегрального) -регуляторов и обратной связи выглядят так:
^И (Я) =
Т
_ *пд\(тпд+т)г-тпд] г
^пд (7) = "Ш^)'- ^ ; (4)
ИЬссЮ =
^осс(^ - 1)
где Т - период дискретизации по времени, 2 — ерТ.
На рисунке 2 представлена структурная схема системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора электромагнитного подшипника.
*з(Р>
В
Щ (р>
И/0у(р)
*(р)
1 иг (-) коссР
I &ДП
Рисунок 2 - Структурная схема САУ электромагнитным подвесом
ротора ЭМП
В данной структурной схеме х3(р) - задание на регулятор; х(р) - выходной сигнал.
З.Разработка отказоустойчивой САУ ЭМП «Неман-100»
При создании САУ электромагнитными подшипниками следует учитывать основные требования к безопасности и надежности. Средняя наработка на отказ системы управления по функции управления и регулирования не менее 26 000 ч., а срок службы составляет не менее 25 лет. САУ должна строиться на основе новейших программно-технических и апробированных средств.
Для устранения сбоев в работе системы управления активными электромагнитными подшипниками, фирма «КГПА» приняла участие в разработке отказоустойчивой системы автоматического управления ЭМП «Неман-100» с надежной элементной базой на базе новейшего программно-технического и контроллерного оборудования [7]. Электронный блок управления (БУ) ЭМП имеет довольно сложную реализацию, что обусловлено высокими требованиями к рабочим характеристикам, быстродействию, устойчивости, а также точности системы автоматического управления.
В соответствии со структурной схемой (рис. 3) в состав САУ ЭМП «Неман-100» входят следующие составляющие: система измерения положения ротора, шкафы управления электромагнитными подшипниками и непосредственно сами ЭМП. Системой управления обеспечивается значительное повышение эксплуатационных характеристик электромагнитного подвеса ротора асинхронного двигателя в центробежном компрессоре газоперекачивающего агрегата.
САУ Газоперекачивающим агрегатом
Система измерения положения ротора
Отсек нагнетателя
Сигната
Шкаф с йипчжов
драйверов положения
Блок ЙентялтароВ охлаждения
Силовая 13ВТ - сборка
СТО
ЭМ РП У
СТО
ЭМ РП у
[ЛТЛ
ЭМ РОП У
слл
ЭМ РОП у
сил
ЭМ Осевой
Рисунок 3 - Структурная схема САУ ЭМП «Неман-100»
На рисунке 3 представлена структурная схема САУ ЭМП «Неман-100». Контроллерный шкаф управления выполняет следующие функции:
Вычисление регулирующего воздействия и подача управляющего сигнала в силовой шкаф;
Сбор информации касаемо диагностики от САУ ЭМП;
Взаимодействие с системой управления газоперекачивающего агрегата.
В контроллерном шкафу размещается программируемый логический контроллер (ПЛК), который состоит из плат ввода/вывода и центрального процессора (ЦП). Контроллерный шкаф непосредственно напрямую взаимодействует с усилителями мощности, которые находятся в силовом шкафу.
В каждом блоке САУ электромагнитными подшипниками «Неман-100» предусмотрено диагностирование КЗ (короткое замыкание) на выходе, а также перегрева радиаторов и падения напряжения. Для усиления мощности используют трехфазные инверторы мощных ЮВТ - транзисторов и широтно-импульсные модуляторы для сопряжения усилителей мощности с программируемым логическим контроллером [1].
ПЛК подключается по интерфейсу ЯБ-422. Разработанный высокоскоростной протокол позволяет передавать данные со скоростью 1 Мбит/с [7]. Интерфейс позволяет проводить двусторонний обмен данными по одной
витой паре проводом, имеет большую длину линии связи и высокую скорость передачи данных.
по протоколу от пЛК поступает задание параметров токов управления, исходя из значений, которых, модуль формирует сигнал широтно-импульсной модуляции, осуществляющий управление ключами в усилителях мощности.
4. Анализ и результаты внедрения отказоустойчивой САУ ЭМП
проведен ряд испытаний САУ на различных режимах работы ГпА, включая длительную работу на высокой частоте при повышенном и пониженном температурном режиме под воздействием внешних электромагнитных полей.
Важным примером может служить анализ устойчивости САУ при повышении вибрации ротора электромагнитного подшипника, а также при воздействии на него внешних возмущений [7].
С применением формул (1), (2), (3), (4) в программе У1б81ш выполнено моделирование САУ эмп вибросмещения ротора электромагнитного подвеса с учетом квантования по времени, построена амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ). Такой подход позволил выявить достижимые показатели эМЛ нагнетателя ГпА.
На рисунке 4 приведено моделирование воздействия вибросмещения ротора электромагнитного подшипника относительно оси на устойчивую работу САУ эМп с применением пИ- и пИд-регуляторов.
при моделировании системы выявили, что на жесткость подвеса ротора колоссальное влияние оказывает частота замыкания программного цикла САУ. Увеличение периода дискретизации приводит к значительному снижению динамической жесткости эМп, которая влияет на резонансные частоты ротора электромагнитного подшипника, а также наблюдается сильное рассогласование системы вследствие неустойчивой работы ротора эМп при увеличении вибрации.
причиной этого является большой коэффициент передачи разомкнутой системы. В свою очередь, многократно усиленное рассогласование, возвращающееся по цепи обратной связи на вход системы, не успевает отрабатываться из-за запаздывания в инерционных элементах, следовательно, величина вибросмещения выходит за установленные номинальные параметры системы, более того, при пИ-регуляторе, САУ имеет статическую ошибку, что крайне негативно отражается на качестве процесса управления в течение технологического процесса [3].
при моделировании САУ ротора электромагнитного подшипника с применением пИд-регулятора время регулирования системы значительно сократилось, статической ошибки системы и рассогласования также не наблюдается.
На рисунке 4 представлена АФЧХ моделирования воздействия вибросмещения ротора эМп относительно оси на устойчивую работу САУ с применением различных видов регуляторов.
Рисунок 4 - моделирование воздействия вибросмещения ротора электромагнитного подшипника относительно оси на устойчивую работу САУ эМп с применением пИ- и пИд-регуляторов
Исходя из математического описания можно сделать вывод, что амплитуда колебаний в САУ эМп зависит от дискретизации и ограничения сигналов по уровню и помехи датчика положения, показывающего отклонение ротора от заданного положения. Значит, по результатам синтеза пИд-регулятора и моделирования для устойчивой работы ротора электромагнитного подшипника асинхронного двигателя компрессора ГпА требуемый параметр вибросмещения ротора составляет порядка 60 мкм.
Заключение
проведенные испытания комплекта САУ эМп «Неман-100» в различных режимах работы газоперекачивающего агрегата подтвердили ее высокие эксплуатационные характеристики. Благодаря внедрению и применению новейших программно-технических решений, удалось добиться устойчивой работы ротора электромагнитных подшипников асинхронного двигателя центробежного компрессора газоперекачивающего агрегата, требуемых параметров надежной работы и регулирования. Современное оборудование и высокая информативность системы управления делает ее удобной в эксплуатации и обслуживании на газотранспортных и газоэкс-плуатирующих предприятиях.
применение установленных настроек пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (пИд-регулятора) позволило снизить перерегулирование, устранить рассогласование, а также повысить быстродействие САУ и получить оптимальные параметры для безотказной работы ГпА в течение всего технологического процесса, значение показателей вибросмещения магнитного подвеса ротора в бесконтактных эМп.
Таким образом, систему автоматического управления ЭМП «Неман-100» настоятельно требуется применять как унифицированное изделие на различных типах асинхронных двигателей с бесконтактными электромагнитными подшипниками в составе центробежных компрессоров в цехах газоперекачивающего агрегата на газотранспортных и газоэксплуатирующих предприятиях.
Список литературы
1. Бубенчиков А. А. Использование магнитных подвесов при проектировании ВЭУ с вертикальной и горизонтальной осью вращения / А. А. Бубенчиков, Д.С. Айдосов, Н.А. Коломеец // Молодой ученый. - 2016. - № 22.3. - С. 7-11.
2. Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин. Учеб. пособие для маши-ностроит. вузов. Изд. 2-е, переработ. М., «Высш. школа», 1970. 368 с. с илл.
3. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение Ю. Н. Журавлев. - СПб: Политехника, 2003 . - 206 с. - ISBN 5-7325-0655.
4. Зотов И. В., Лисиенко В. Г. Магнитные подшипники для системы автоматического управления электромагнитным подвесом роторов турбогруппы газотурбинных теплоэлектроцентралей // Электротехника. 2010. № 3. С. 8-14.КиберЛенинка: https://cyberleninka.rU/article/n/ob-aktivnyh-magnitnyh-podshipnikah
5. Бесекерский В. А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Издание третье, исправленное. Москва, издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1975
6. Поляхов Н. Д., Стоцкая А. Д. Обзор способов практического применения активных магнитных подшипников // Научное приборостроение. 2012. Т. 22, № 4. С. 5-18. КиберЛенинка: https://cyberleninka.rU/article/n/ob-aktivnyh-magnitnyh-podshipnikah
7. Kimman M.H., Munnig Schmidt R.H., Langen H.H. A miniature milling with active magnetic bearings// Mechatronics. 2010. Vol. 20, № 2. P. 224-235.
Shcherban P.S., PhD, associated professor, Engineering and technical institute Baltic Federal University of Immanuel Kant.
Hovanskiy Andrey, master student of Engineering and technical institute Baltic Federal University of Immanuel Kant.
MODERN PROBLEMS OF MODERNIZATION OF AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR CONTACTLESS ELECTROMAGNETIC BEARINGS
Currently, many compressor stations use asynchronous motors as part of the gas-pumping unit. But often, when creating new samples and models of technological devices, the question of stable operation of the automatic control system (ACS) of contactless electromagnetic bearings of an asynchronous motor remains without attention, which creates certain problems in the process of operation.
In this article the device of electromagnetic bearings (EMF) is considered, the reasons of occurrence of static errors and instability in work of system of automatic regulation ofEMF are analyzed. The study of technological failures in the control system, the dependence of changes in the vibration displacement of the rotor EMF on the quality of process control using different types of regulators.
The EMF rotor has ferromagnetic plates receiving the effect of a magnetic field from the coils of the fixed part. The rotor is in a suspended position relative to the center of the stator axis, not in contact with it. Static errors and incorrect operation occur due to the eccentricity of the rotor from the nominal position.
The Problem of rotor deflection due to vibration displacement of electromagnetic bearings has become a prerequisite for the development of fault-tolerant automatic EMF control system based on the latest software and hardware.
The paper describes the principles of electromagnetic suspension systems, methods of non-contact suspension, describes the causes of vibration displacement of electromagnetic bearings in asynchronous motors, and analyzes the causes of misalignment and unstable operation in the automatic control system of bearings. The possibility of introducing potentially promising solutions to eliminate incorrect operation of the EMF control system, as well as ensuring the required quality indicators of the devices during the technological process at gas transport and gas-operating enterprises is considered.
Keywords: electromagnetic bearings control system, electromagnetic bearings, automatic control system, asynchronous motor, rotor, magnetic field.
