Помощь студентам в учебе
МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1. ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В СОСТАВЕ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
1.1. Отказоустойчивость, живучесть и безопасность электроприводов опасных
производственных объектов 20
1.2. Влияние уровня техники и технологий на тенденции развития электроприводов переменного тока 24
1.3. Основные направления по построению силовых импульсных преобразователей для электроприводов переменного тока 28
1.4. Характеристика отказов электродвигателей переменного тока 30
1.5. Аварийные режимы и традиционные методы отказоустойчивого управления в электроприводах переменного тока 31
1.5.1. Микропроцессорные устройства защитного отключения нерегулируемых двигателей переменного тока 32
1.5.2. Алгоритмы отказоустойчивого управления в асинхронном электроприводе 34
1.5.3. Алгоритмы отказоустойчивого управления в вентильном электроприводе 37
1.5.4. Алгоритмы отказоустойчивого управления в вентильно-индукторном
электроприводе 40
1.6. Обеспечение безопасности кранового электропривода механизма подъема
на основе ограничителя грузоподъемности 42
1.7. Живучесть аварийной технической системы 43
1.8. Выводы 44
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
2.1. Предпосылки разработки методов отказоустойчивого управления 47
2.2. Рабочие и аварийные состояния трехфазных асинхронных и вентильных
двигателей 50
2.3. Связь теории живучести и методологии построения технической системы
отказоустойчивого электропривода 55
2.4. Формирование избыточности в отказоустойчивом электроприводе переменного тока 59
2.5. Пространство параметров управления электрических машин при организации отказоустойчивого управления электроприводом переменного тока 62
2.6. Методы отказоустойчивого управления электроприводом переменного
тока 63
2.6.1. Синтез отказоустойчивого электропривода с формированием вектора
параметров для нормального режима работы 63
2.6.2. Мониторинг и формирование матрицы отказов электропривода переменного тока 66
2.6.3. Адаптация структуры электропривода к работе в неполнофазных режимах с оценкой резерва 66
2.6.4. Блокировка цепей электропитания защитными элементами 67
2.6.5. Адаптация функций аварийного электропривода c активизацией алгоритма восстановления и оценкой работоспособности 67
2.6.6. Определение остаточного ресурса работы электропривода для тепловых и механических повреждений 69
2.6.7. Формирование пространства отказоустойчивого управления электроприводом переменного тока в виде вектора аварийных параметров 69
2.7. Выводы 73
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.
3.1. Особенности моделирования электродвигателей переменного тока в аварийных и неполнофазных режимах работы 73
3.2. Математические модели асинхронного электропривода в аварийных и не
полнофазных режимах работы при подключении с развязанными и связанными фазами 75
3.3. Математическая модель вентильного электропривода в аварийных и неполнофазных режимах работы 87
3.4. Математическая модель трехфазного двухсекционного вентильно-индукторного электропривода в аварийных и неполнофазных режимах работы 93
3.5. Имитационные модели электроприводов переменного тока в аварийных и
неполнофазных режимах работы 99
3.5.1. Имитационная модель асинхронного электропривода 99
3.5.2. Имитационная модель отказоустойчивого вентильно-индукторного
электропривода 106
3.5.2.1. Имитационная модель односекционного трехфазного вентильно-
индукторного электропривода 106
3.5.2.2. Имитационная модель двухсекционного трехфазного вентильноиндукторного электропривода 115
3.6. Математическая модель кранового электропривода механизма подъема 116
3.7. Выводы 120
ГЛАВА 4. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.
4.1. Принципы построения асинхронного электропривода с поддержкой отказо
устойчивых алгоритмов восстановления работоспособности в аварийных и неполнофазных режимах работы 121
4.2. Принципы формирования алгоритмов восстановления работоспособности в
аварийном режиме в виде выражений самоорганизации управления с интегрированными битами матрицы отказов 122
4.3. Алгоритм мониторинга и блокирования цепей питания для аварийного режима трехфазного асинхронного электропривода 124
4.4. Алгоритмы отказоустойчивого управления асинхронным электроприводом
в аварийных режимах работы 125
4.4.1. Отказоустойчивое частотно-токовое управление асинхронным электроприводом 127
4.4.2. Отказоустойчивое управление m-фазным асинхронным электроприводом с формированием несинусоидальных фазных токов 128
4.4.3. Отказоустойчивое частотно-токовое управление асинхронным электроприводом с увеличением частоты фазных токов 134
4.4.4. Отказоустойчивое векторное управление асинхронным электроприводом 135
4.4.5. Обеспечение отказоустойчивости электропривода со структурным резервом 138
4.4.6. Моделирование процессов алгоритмического восстановления работоспособности отказоустойчивого асинхронного электропривода 140
4.5. Алгоритмы отказоустойчивого управления вентильным электроприводом в
аварийных режимах работы 154
4.6. Алгоритмы отказоустойчивого управления вентильно-индукторным электроприводом в аварийных режимах работы 157
4.6.1. Управление односекционным трехфазным вентильно-индукторным
электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и исходной отказоустойчивостью 158
4.6.2. Алгоритм управления односекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и компенсацией момента за счет увеличения амплитуды фазных токов 160
4.6.3. Алгоритм управления односекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с компенсацией момента за счет изменения угла перекрытия фаз 162
4.6.4. Алгоритм управления односекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с компенсацией момента за счет изменения угла перекрытия фаз и увеличения амплитуд фазных токов 164
4.6.5. Управление двухсекционным трехфазным вентильно-индукторным
электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и исходной отказоустойчивостью 166
4.6.6. Алгоритм управления двухсекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и компенсацией момента за счет увеличения амплитуды фазных токов 168
4.7. Выводы 174
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО
УПРАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
5.1. Сравнение результатов моделирования и экспериментов в асинхронном
электроприводе в аварийных режимах работы 177
5.2. Применение алгоритмов отказоустойчивого управления в вентильном электроприводе в аварийных режимах работы 183
5.2.1. Аппаратное построение вентильного электропривода с поддержкой
аварийного двухфазного режима работы 183
5.2.2. Сравнение результатов моделирования и экспериментов 187
5.2.3. Сравнительный анализ трех и двухфазных режимов работы вентильного электропривода 188
5.2.3.1. Анализ статических характеристик вентильного электропривода в
трех и двухфазных режимах работы 188
5.2.3.2. Исследование переходных процессов при развитии аварийной си
туации вентильного электропривода в трех и двухфазных режимах работы 191
5.3. Применение алгоритмов мониторинга и диагностики фундаментов электроприводов линейной газокомпрессорной станции 199
5.4. Отказоустойчивое управление крановым электроприводом механизма
подъема с обеспечением безопасности и живучести 205
5.4.1. Информативные параметры отказоустойчивого ограничителя грузоподъемности 205
5.4.2. Обоснование информативных параметров отказоустойчивого ограни
чителя грузоподъемности на основе математической модели электропривода 207
5.4.3. Учет влияния отклонений параметров питающей сети на характеристи
ки информативных параметров кранового электропривода механизма подъема 211
5.4.4. Экспериментальное определение информативных параметров отказоустойчивого ограничителя грузоподъемности 215
5.4.5. Технические решения отказоустойчивого ограничителя грузоподъемности 218
5.5. Выводы 221
ГЛАВА 6. ПОСТРОЕНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВО
ДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
6.1. Технические решения элементов системы мониторинга отказов преобразователей частоты электроприводов переменного тока 223
6.1.1. Аналого-цифровой датчик состояния ячейки силового преобразователя
частоты 225
6.1.2. Цифровой датчик состояния силовой ячейки полумостового преобразователя частоты 226
6.2. Технические решения преобразователей частоты электроприводов переменного тока 228
6.3. Технические решения по построению отказоустойчивых электроприводов
переменного тока с защитными элементами 231
6.4. Технические решения по построению отказоустойчивого вентильного электропривода на элементах непрограммируемой логики 247
6.5. Отказоустойчивые генераторы подвижных объектов 250
6.6. Выводы 253
ГЛАВА 7. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО И НАГРУЗОЧНОГО РЕЗЕРВОВ В ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ЗВЕНА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ
7.1. Вентильный электропривод со структурным резервированием силовых цепей 254
7.2. Преобразователь m-фазного напряжения для вентильного электропривода 267
7.3. Частотно-регулируемый электропривод с повышенной перегрузочной способностью 274
7.4. Измерительный частотный преобразователь тока для отказоустойчивых
электроприводов 282
7.5. Выводы 288
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 290
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 294
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 297
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 307
ПРИЛОЖЕНИЕ 334
ГЛАВА 1. ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В СОСТАВЕ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
1.1. Отказоустойчивость, живучесть и безопасность электроприводов опасных
производственных объектов 20
1.2. Влияние уровня техники и технологий на тенденции развития электроприводов переменного тока 24
1.3. Основные направления по построению силовых импульсных преобразователей для электроприводов переменного тока 28
1.4. Характеристика отказов электродвигателей переменного тока 30
1.5. Аварийные режимы и традиционные методы отказоустойчивого управления в электроприводах переменного тока 31
1.5.1. Микропроцессорные устройства защитного отключения нерегулируемых двигателей переменного тока 32
1.5.2. Алгоритмы отказоустойчивого управления в асинхронном электроприводе 34
1.5.3. Алгоритмы отказоустойчивого управления в вентильном электроприводе 37
1.5.4. Алгоритмы отказоустойчивого управления в вентильно-индукторном
электроприводе 40
1.6. Обеспечение безопасности кранового электропривода механизма подъема
на основе ограничителя грузоподъемности 42
1.7. Живучесть аварийной технической системы 43
1.8. Выводы 44
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
2.1. Предпосылки разработки методов отказоустойчивого управления 47
2.2. Рабочие и аварийные состояния трехфазных асинхронных и вентильных
двигателей 50
2.3. Связь теории живучести и методологии построения технической системы
отказоустойчивого электропривода 55
2.4. Формирование избыточности в отказоустойчивом электроприводе переменного тока 59
2.5. Пространство параметров управления электрических машин при организации отказоустойчивого управления электроприводом переменного тока 62
2.6. Методы отказоустойчивого управления электроприводом переменного
тока 63
2.6.1. Синтез отказоустойчивого электропривода с формированием вектора
параметров для нормального режима работы 63
2.6.2. Мониторинг и формирование матрицы отказов электропривода переменного тока 66
2.6.3. Адаптация структуры электропривода к работе в неполнофазных режимах с оценкой резерва 66
2.6.4. Блокировка цепей электропитания защитными элементами 67
2.6.5. Адаптация функций аварийного электропривода c активизацией алгоритма восстановления и оценкой работоспособности 67
2.6.6. Определение остаточного ресурса работы электропривода для тепловых и механических повреждений 69
2.6.7. Формирование пространства отказоустойчивого управления электроприводом переменного тока в виде вектора аварийных параметров 69
2.7. Выводы 73
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.
3.1. Особенности моделирования электродвигателей переменного тока в аварийных и неполнофазных режимах работы 73
3.2. Математические модели асинхронного электропривода в аварийных и не
полнофазных режимах работы при подключении с развязанными и связанными фазами 75
3.3. Математическая модель вентильного электропривода в аварийных и неполнофазных режимах работы 87
3.4. Математическая модель трехфазного двухсекционного вентильно-индукторного электропривода в аварийных и неполнофазных режимах работы 93
3.5. Имитационные модели электроприводов переменного тока в аварийных и
неполнофазных режимах работы 99
3.5.1. Имитационная модель асинхронного электропривода 99
3.5.2. Имитационная модель отказоустойчивого вентильно-индукторного
электропривода 106
3.5.2.1. Имитационная модель односекционного трехфазного вентильно-
индукторного электропривода 106
3.5.2.2. Имитационная модель двухсекционного трехфазного вентильноиндукторного электропривода 115
3.6. Математическая модель кранового электропривода механизма подъема 116
3.7. Выводы 120
ГЛАВА 4. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ.
4.1. Принципы построения асинхронного электропривода с поддержкой отказо
устойчивых алгоритмов восстановления работоспособности в аварийных и неполнофазных режимах работы 121
4.2. Принципы формирования алгоритмов восстановления работоспособности в
аварийном режиме в виде выражений самоорганизации управления с интегрированными битами матрицы отказов 122
4.3. Алгоритм мониторинга и блокирования цепей питания для аварийного режима трехфазного асинхронного электропривода 124
4.4. Алгоритмы отказоустойчивого управления асинхронным электроприводом
в аварийных режимах работы 125
4.4.1. Отказоустойчивое частотно-токовое управление асинхронным электроприводом 127
4.4.2. Отказоустойчивое управление m-фазным асинхронным электроприводом с формированием несинусоидальных фазных токов 128
4.4.3. Отказоустойчивое частотно-токовое управление асинхронным электроприводом с увеличением частоты фазных токов 134
4.4.4. Отказоустойчивое векторное управление асинхронным электроприводом 135
4.4.5. Обеспечение отказоустойчивости электропривода со структурным резервом 138
4.4.6. Моделирование процессов алгоритмического восстановления работоспособности отказоустойчивого асинхронного электропривода 140
4.5. Алгоритмы отказоустойчивого управления вентильным электроприводом в
аварийных режимах работы 154
4.6. Алгоритмы отказоустойчивого управления вентильно-индукторным электроприводом в аварийных режимах работы 157
4.6.1. Управление односекционным трехфазным вентильно-индукторным
электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и исходной отказоустойчивостью 158
4.6.2. Алгоритм управления односекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и компенсацией момента за счет увеличения амплитуды фазных токов 160
4.6.3. Алгоритм управления односекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с компенсацией момента за счет изменения угла перекрытия фаз 162
4.6.4. Алгоритм управления односекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с компенсацией момента за счет изменения угла перекрытия фаз и увеличения амплитуд фазных токов 164
4.6.5. Управление двухсекционным трехфазным вентильно-индукторным
электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и исходной отказоустойчивостью 166
4.6.6. Алгоритм управления двухсекционным трехфазным вентильно-индук
торным электроприводом с симметричной одиночной коммутацией и компенсацией момента за счет увеличения амплитуды фазных токов 168
4.7. Выводы 174
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО
УПРАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
5.1. Сравнение результатов моделирования и экспериментов в асинхронном
электроприводе в аварийных режимах работы 177
5.2. Применение алгоритмов отказоустойчивого управления в вентильном электроприводе в аварийных режимах работы 183
5.2.1. Аппаратное построение вентильного электропривода с поддержкой
аварийного двухфазного режима работы 183
5.2.2. Сравнение результатов моделирования и экспериментов 187
5.2.3. Сравнительный анализ трех и двухфазных режимов работы вентильного электропривода 188
5.2.3.1. Анализ статических характеристик вентильного электропривода в
трех и двухфазных режимах работы 188
5.2.3.2. Исследование переходных процессов при развитии аварийной си
туации вентильного электропривода в трех и двухфазных режимах работы 191
5.3. Применение алгоритмов мониторинга и диагностики фундаментов электроприводов линейной газокомпрессорной станции 199
5.4. Отказоустойчивое управление крановым электроприводом механизма
подъема с обеспечением безопасности и живучести 205
5.4.1. Информативные параметры отказоустойчивого ограничителя грузоподъемности 205
5.4.2. Обоснование информативных параметров отказоустойчивого ограни
чителя грузоподъемности на основе математической модели электропривода 207
5.4.3. Учет влияния отклонений параметров питающей сети на характеристи
ки информативных параметров кранового электропривода механизма подъема 211
5.4.4. Экспериментальное определение информативных параметров отказоустойчивого ограничителя грузоподъемности 215
5.4.5. Технические решения отказоустойчивого ограничителя грузоподъемности 218
5.5. Выводы 221
ГЛАВА 6. ПОСТРОЕНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВО
ДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
6.1. Технические решения элементов системы мониторинга отказов преобразователей частоты электроприводов переменного тока 223
6.1.1. Аналого-цифровой датчик состояния ячейки силового преобразователя
частоты 225
6.1.2. Цифровой датчик состояния силовой ячейки полумостового преобразователя частоты 226
6.2. Технические решения преобразователей частоты электроприводов переменного тока 228
6.3. Технические решения по построению отказоустойчивых электроприводов
переменного тока с защитными элементами 231
6.4. Технические решения по построению отказоустойчивого вентильного электропривода на элементах непрограммируемой логики 247
6.5. Отказоустойчивые генераторы подвижных объектов 250
6.6. Выводы 253
ГЛАВА 7. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО И НАГРУЗОЧНОГО РЕЗЕРВОВ В ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ЗВЕНА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ
7.1. Вентильный электропривод со структурным резервированием силовых цепей 254
7.2. Преобразователь m-фазного напряжения для вентильного электропривода 267
7.3. Частотно-регулируемый электропривод с повышенной перегрузочной способностью 274
7.4. Измерительный частотный преобразователь тока для отказоустойчивых
электроприводов 282
7.5. Выводы 288
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 290
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 294
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 297
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 307
ПРИЛОЖЕНИЕ 334
Актуальность темы. Для важных критических технологий и опасных производственных объектов (ОПО) существует необходимость предотвращения техногенных аварий и минимизации невосполнимых экономических потерь. Требования безопасности функционирования и ограничения рисков нежелательных режимов при эксплуатации ядерных, химических, строительных, металлургических и других объектов являются определяющими факторами в критериях живучести основного технологического оборудования.
Юридической основой обеспечения промышленной безопасности во многих отраслях служит Постановление Правительства Российской Федерации от 28 марта 2001 г. N 241 «О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации» (с изменениями от 1 февраля 2005 г. и 22 апреля 2009 г.). Так, при производстве оборонной продукции существуют неукоснительные условия выполнения технологических процессов при создании изделий: «особо ответственный технологический процесс, как технологический процесс, нарушение в котором может привести к выходу из строя оборонной продукции или к изменению (потере) ее функциональных свойств» (ГОСТ РВ15.002-2003).
Большинство производственных объектов имеют в своем составе оборудование с электроприводами переменного тока (ЭПТ), отказы которых приводят к невозможности исполнения рабочих функций необслуживаемых механизмов в процессах с длительным или безостановочным циклом обработки продукции.
В настоящее время особое внимание уделяется живучести ЭПТ в подъемно-транспортных комплексах перемещения потенциально опасных грузов, нефти и газо-продуктов, ракетных и авиационных системах. Примером нормативного документа, в котором конкретизируются основные положения развития таких комплексов, может служить распоряжение Правительства Российской Федерации от 17.11.2008 N 1662-р (ред. от 08.08.2009) «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года», где определено увеличение потребности в грузоподъемной и транспортной технике с высокой степенью безотказной работы.
В современных подъемно-транспортных комплексах широко используются цифровые ЭПТ вращательного или поступательного движения, где в качестве исполнительных двигателей применяются асинхронные (АД), вентильные (ВД) и вентильно-индукторные (ВИД) электродвигатели различного исполнения. При решении задач обеспечения эксплуатационной живучести таких комплексов значительно возрастает роль методов и алгоритмов отказоустойчивого управления силовыми импульсными преобразователями и исполнительными двигателями ЭПТ, как основных элементов электромеханической системы.
Фундаментальные теоретические вопросы построения технических систем (ТС) со свойством живучести рассмотрены в работах Ю.И. Стекольникова, Г.Н. Черкесова, Ю.Ю. Громова и другими, зарубежными учеными: C.J. Colbourn (США), K. Sekine, H. Imai, S. Tani (Япония).
В тоже время конкретные решения отказоустойчивых ЭПТ исследовались такими российскими учеными, как: В.К.Лозенко, С.Г.Ворониным, П.Г. Вигрия- новым, П.О. Шабуровым, В.М. Сандаловым, В.Ф. Козаченко, В.Н. Острировым, Д.Е. Корпусовым, Д.И. Алямкиным, О.П. Муравлевым, Д.М. Глуховым и другими, зарубежными учеными: A.J.Marques Cardoso, Andre M.S.Mendes (Португалия), Michele Dai Pre, Marco Zordan, Silveroio Bolognani (Италия), Cursino Brandao Jacobina, Edison Roberto Cabralda Silva, Antonio Marcus Nogueira Lima, Ricardo Luciode AraujoRobeiro (Бразилия), Johannes Zentner, RolfIsermann (ФРГ), Sangshin Kwan, Hamid A. Toliyat, Thomas A. Lipo, Thomas M. Jahns, Jen-Ren Fu, Brian A. Welchko (США).
Несмотря на имеющиеся теоретические подходы, используемые для восстановления работоспособности электроприводов различных механизмов, имеется ряд нерешенных проблем, связанных с особенностями работы двигателей переменного тока в аварийных и неполнофазных режимах, сложностью построения нелинейных математических моделей электродвигателей переменного тока и импульсного преобразователя напряжения, реализацией методов и алгоритмов восстановления работоспособности цифровых электроприводов высокоответственных механизмов в реальном времени протекания динамических процессов.
Все это определяет актуальность создания эффективных методов и алгоритмов отказоустойчивого управления ЭПТ с микроконтроллерными устройствами обработки информации для мониторинга и восстановления работоспособности электромеханической системы, являющейся неотъемлемой частью оборудования опасных производств и технологий.
В диссертационной работе поставлена важная научно-техническая проблема обеспечения эксплуатационной живучести электроприводов переменного тока, используемых в составе оборудования опасных производственных объектов.
Объект исследований: частотно-регулируемые электроприводы переменного тока с ограниченными информационными и вычислительными ресурсами их микропроцессорных систем управления.
Предмет исследований: математическое и алгоритмическое обеспечение, структурные и схемотехнические решения цифровых электроприводов переменного тока.
Цель работы: повышение функциональной работоспособности электроприводов переменного тока в аварийных режимах работы силового преобразователя, исполнительного двигателя и механической нагрузки.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1. Анализ и систематизация известных способов и устройств обеспечения отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока.
2. Разработка методов отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока в аварийных режимах работы исполнительных двигателей опасных производственных объектов.
3. Создание математических моделей электроприводов переменного тока в аварийных режимах работы исполнительных двигателей.
4. Формализация записи алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов переменного тока с интегрированными битами матриц одиночных и множественных отказов.
5. Исследование алгоритмов отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных электроприводов переменного тока с однократными отказами.
6. Разработка алгоритмов отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных секционированных и m-фазных электроприводов с множественными отказами.
7. Исследование процесса адаптации структуры электропривода к последствиям отказов при алгоритмическом восстановлении работоспособности.
8. Разработка схемотехнических решений систем управления электроприводов переменного тока с отказоустойчивым управлением при наличии однократных и множественных отказов и программно-аппаратной реализацией отказоустойчивых алгоритмов восстановления работоспособности.
Методы исследования. В диссертационной работе применены: теория электропривода и электрических машин, методы описания динамических процессов электромеханического преобразования энергии, математическое моделирование и программирование в среде Delphi и Matlab, метод коммутационных разрывных функций и спектральный метод анализа сигналов. Проверка теоретических исследований осуществлялась на лабораторном испытательном стенде и регистрацией данных сертифицированным информационноизмерительным комплексом (ИВК) MIC-300, тестовыми испытаниями на работающем оборудовании.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методы отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока в аварийных режимах исполнительных двигателей опасных производственных объектов.
2. Математические модели электроприводов переменного тока в штатных и аварийных режимах работы.
3. Форма записи алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов переменного тока с интегрированными битами матрицы отказов.
4. Алгоритмы отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных электроприводов переменного тока с однократными отказами.
5. Алгоритмы отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных секционированных вентильно-индукторных и многофазных асинхронных электроприводов с множественными отказами.
6. Структуры и схемотехнические решения электроприводов переменного тока с отказоустойчивым управлением при наличии однократных и множественных отказов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным применением математических методов и моделей, адекватность которых реальным процессам подтверждена результатами экспериментальных исследований; сходимостью результатов, полученных теоретически и экспериментально; применением современного сертифицированного измерительного оборудования (ИВК MIC-300); согласованностью результатов исследований с данными других ученых.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны методы отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока, позволяющие оценить их работоспособность в аварийном режиме и реализовать структурную адаптацию силовых цепей преобразователя частоты к последствиям отказов исполнительных двигателей опасных производственных объектов.
2. Созданы математические и имитационные модели электроприводов переменного тока в аварийных и неполнофазных режимах работы, позволяющие на основе мониторинга в реальном времени формировать матрицы отказов и обеспечивать последующее полное или частичное восстановление работоспособности электроприводов с учетом конфигурации схем подключения двигателей со связанными или развязанными фазами с круговым и эллиптическим вращающимися магнитными полями.
3. Формализованы выражения самоорганизации управления с интегрированными битами матрицы отказов для алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов переменного тока, позволяющие обеспечить структурную адаптацию силовых цепей преобразователя частоты к последствиям отказов в реальном времени.
4. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления с частичным или полным восстановлением работоспособности трехфазных асинхронных, вентильно-индукторных и вентильных электроприводов, позволяющие обеспечить купирование однократных отказов.
5. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления с частичным или полным восстановлением работоспособности трехфазных секционированных вентильно-индукторных электроприводов, позволяющие обеспечить купирование однократных и множественных отказов.
6. Предложены технические решения по реализации метода отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока с асинхронными, вентильными и вентильно-индукторными двигателями. Разработаны технические решения по построению отказоустойчивых структур асинхронных и вентильных электроприводов, выполненных на мостовых и полумостовых преобразовательных ячейках отличающиеся применением защитных элементов блокирования отказа, расположенных в звене постоянного и переменного тока, с подключаемыми резервными полумостами, для схемных решений со связанными и развязанными фазами двигателя. Предложены технические решения отказоустойчивого вентильно-индукторного двухсекционного электропривода отличающиеся повышенной живучестью при одиночных и множественных отказах.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазными ВД, АД и ВИП в аварийных и неполнофазных режимах и схемотехнические реализации ЭПТ [28-33, 35-37, 42-57], позволяющие полностью или частично восстановить его работоспособность в аварийных режимах работы с обеспечением свойства живучести двигателя и силового преобразователя частоты.
2. Разработаны способы управления и устройства по реализации отказоустойчивых ограничителей грузоподъемности на основе косвенных методов измерения массы поднимаемого груза и мажоритарного резервирования [34, 38-41], позволяющие обеспечить безопасность и живучесть кранового ЭПТ механизма подъема.
3. Разработаны способы диагностики и мониторинга фундаментов ЭПТ насосных агрегатов с оценкой величины остаточного ресурса фундамента [58, 59], позволяющие увеличить рабочий ресурс насосного агрегата не менее чем на 14 % в процессе безопасной эксплуатации электропривода.
4. Разработаны программные продукты «Программа расчета переходных процессов кранового АЭП с ограничителем грузоподъемности» и «Программа расчета переходных процессов АЭП в неполнофазных и аварийных режимах работы» [62-64], позволяющие оценить работоспособность кранового ЭПТ механизма подъема с ограничителем грузоподъемности в рабочих и аварийных режимах.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в публикациях [7, 9-10, 11] разработаны и сформулированы принципы отказоустойчивого управления, в публикациях [1-6, 8, 12-25, 27] - математические модели отказоустойчивых электроприводов, методы и алгоритмы восстановления работоспособности ЭПТ, в публикациях [28-60] - технические решения по реализации отказоустойчивого управления ЭПТ. Автор непосредственно участвовал в разработке программных и аппаратных средств, математических моделей, в проведении и анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
- В Институте электрических машин, приводов и дорог Технического университета Брауншвайга (Technische Universitat Braunschweing Institut fur Elektrische Maschinen, Antriebeund Bahnen) применены для научноисследовательских целей: разработанная методика обеспечения свойства живучести трехфазного ВД в аварийном двухфазном режиме на основе способа обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя [36] и устройства реализации способа на основе вентильного электропривода со свойством живучести [33]; методика обеспечения свойства живучести трехфазного АД в аварийном двухфазном режиме на основе способа управления и обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя [37] и устройство реализации способа на основе асинхронного электропривода со свойством живучести [35].
- На предприятии ОАО «Новосибирский завод им. Коминтерна» (г. Новосибирск) внедрена методика повышения надежности ВД, обеспечивающая работу в аварийном двухфазном режиме трехфазного синхронного двигателя с позиционной модуляцией.
- На предприятиях: ООО «Тепромес», НТЦ Промбезопасность-ТГАСУ (г. Томск) внедрены «Программа расчета переходных процессов кранового АЭП с ограничителем грузоподъемности» [62] и «Программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режимах работы» [64].
- В учебном процессе кафедр «Электропривода и электрооборудования» Национального исследовательского Томского политехнического университета, «Общая электротехника и автоматика» и «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета используется разработанное программное обеспечение: «Программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режимах работы» [64], «Программа расчета переходных процессов вентильного электропривод» [63] и «Программа расчета переходных процессов кранового асинхронного электропривода с ограничителем грузоподъемности» [62].
- На предприятии ТНПВСЭП Томск СЭП внедрена методика оценки фундаментов электроприводов насосных агрегатов на основе способов компьютерной диагностики и мониторинга [58, 59].
- В НИИ автоматики и электромеханики (г. Томск) внедрена опытная серия блоков вентильного электропривода с поддержкой работоспособности в аварийном двухфазном режиме [30]. В разработке используются самозащищенные силовые ключи с бесконтактным датчиком тока [28].
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы в диссертации содержатся теоретические и экспериментальные исследования в соответствии с пунктом 3, позволившие разработать алгоритмы восстановления работоспособности в реальном времени для трехфазных асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных электроприводов; в соответствии с пунктом 4 - исследовать работоспособность и оценить качество функционирования трехфазных асинхронных, вентильных и вентильно - индукторных электроприводов при отказах силовых цепей с восстановлением полной или частичной работоспособности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались: на V Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», Новочеркасск, 2004г.; на V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007», Санкт-Петербург, 2007г.; на IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2009г.; на IX сессии Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надёжности и диагностики машин и механизмов», Санкт-Петербург, 2009г.; на научном семинаре стипендиатов программ «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант» 2008/2009 г Москва, 2009г; на VIII симпозиуме «Линейный электропривод для промышленности», Эйндховен (ФРГ), июль 3-6, 2011г.; на XVI Международной заочной научно-технической конференции «Технические науки - от теории к практике», Новосибирск, 2012г; на XIV Международной научно-технической конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», Алушта, 2012г; на научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», ОАО «НПЦ "Полюс"», Томск, 2013г., 2015г.; на I Международной научно-технической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития», Йошкар-Ола, 2013г; на VI Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2013 г.; на Международной научно-технической конференции «Науки о Земле: современное состояние и приоритеты развития», Дубаи (ОАЭ), 2013г.; на XXX заочной научной конференции Research Journal of International Studies, Екатеринбург, 2014г., на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 2015г., на научно-технических семинарах энергетического института ТПУ, Томск, 2011-2016 гг. и кафедр АиЭ и СДМ ТГАСУ, Томск, 2011-2016 гг.
Научные исследования выполнялись в рамках: программы «Развитие научного потенциала высшей школы»; г/б договора на выполнение НИОТКР № 109-12/НИОТКР от 3 ноября 2012г.; г/б темы № 01201458700 по приоритетному направлению: перспективные виды вооружений и специальной техники; х/д между ОАО «Гипроспецгаз» г. Москва и ГОУ ВПО ТГАСУ по оценке технического состояния строительных конструкций ГКС газопровода НВГПЗ- ПАРАБЕЛЬ-КУЗБАСС, хоздоговорных работ х/д 122/85Б (1983-1985 гг), х/д 121/87 (1987-1989 гг) НИИАЭМ при ТУСУР.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 64-х научных работах, в том числе в 20-ти статьях, входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций, 37 патентах РФ на изобретения и полезные модели, 6- ти статьях в изданиях Scopus и одной монографии. Получено 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, семь глав, заключение, список используемой литературы из 257-ми наименований. Объем диссертации составляет 343 с., включая 144 рис., 20 таблиц, приложений на 10 с.
Юридической основой обеспечения промышленной безопасности во многих отраслях служит Постановление Правительства Российской Федерации от 28 марта 2001 г. N 241 «О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации» (с изменениями от 1 февраля 2005 г. и 22 апреля 2009 г.). Так, при производстве оборонной продукции существуют неукоснительные условия выполнения технологических процессов при создании изделий: «особо ответственный технологический процесс, как технологический процесс, нарушение в котором может привести к выходу из строя оборонной продукции или к изменению (потере) ее функциональных свойств» (ГОСТ РВ15.002-2003).
Большинство производственных объектов имеют в своем составе оборудование с электроприводами переменного тока (ЭПТ), отказы которых приводят к невозможности исполнения рабочих функций необслуживаемых механизмов в процессах с длительным или безостановочным циклом обработки продукции.
В настоящее время особое внимание уделяется живучести ЭПТ в подъемно-транспортных комплексах перемещения потенциально опасных грузов, нефти и газо-продуктов, ракетных и авиационных системах. Примером нормативного документа, в котором конкретизируются основные положения развития таких комплексов, может служить распоряжение Правительства Российской Федерации от 17.11.2008 N 1662-р (ред. от 08.08.2009) «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года», где определено увеличение потребности в грузоподъемной и транспортной технике с высокой степенью безотказной работы.
В современных подъемно-транспортных комплексах широко используются цифровые ЭПТ вращательного или поступательного движения, где в качестве исполнительных двигателей применяются асинхронные (АД), вентильные (ВД) и вентильно-индукторные (ВИД) электродвигатели различного исполнения. При решении задач обеспечения эксплуатационной живучести таких комплексов значительно возрастает роль методов и алгоритмов отказоустойчивого управления силовыми импульсными преобразователями и исполнительными двигателями ЭПТ, как основных элементов электромеханической системы.
Фундаментальные теоретические вопросы построения технических систем (ТС) со свойством живучести рассмотрены в работах Ю.И. Стекольникова, Г.Н. Черкесова, Ю.Ю. Громова и другими, зарубежными учеными: C.J. Colbourn (США), K. Sekine, H. Imai, S. Tani (Япония).
В тоже время конкретные решения отказоустойчивых ЭПТ исследовались такими российскими учеными, как: В.К.Лозенко, С.Г.Ворониным, П.Г. Вигрия- новым, П.О. Шабуровым, В.М. Сандаловым, В.Ф. Козаченко, В.Н. Острировым, Д.Е. Корпусовым, Д.И. Алямкиным, О.П. Муравлевым, Д.М. Глуховым и другими, зарубежными учеными: A.J.Marques Cardoso, Andre M.S.Mendes (Португалия), Michele Dai Pre, Marco Zordan, Silveroio Bolognani (Италия), Cursino Brandao Jacobina, Edison Roberto Cabralda Silva, Antonio Marcus Nogueira Lima, Ricardo Luciode AraujoRobeiro (Бразилия), Johannes Zentner, RolfIsermann (ФРГ), Sangshin Kwan, Hamid A. Toliyat, Thomas A. Lipo, Thomas M. Jahns, Jen-Ren Fu, Brian A. Welchko (США).
Несмотря на имеющиеся теоретические подходы, используемые для восстановления работоспособности электроприводов различных механизмов, имеется ряд нерешенных проблем, связанных с особенностями работы двигателей переменного тока в аварийных и неполнофазных режимах, сложностью построения нелинейных математических моделей электродвигателей переменного тока и импульсного преобразователя напряжения, реализацией методов и алгоритмов восстановления работоспособности цифровых электроприводов высокоответственных механизмов в реальном времени протекания динамических процессов.
Все это определяет актуальность создания эффективных методов и алгоритмов отказоустойчивого управления ЭПТ с микроконтроллерными устройствами обработки информации для мониторинга и восстановления работоспособности электромеханической системы, являющейся неотъемлемой частью оборудования опасных производств и технологий.
В диссертационной работе поставлена важная научно-техническая проблема обеспечения эксплуатационной живучести электроприводов переменного тока, используемых в составе оборудования опасных производственных объектов.
Объект исследований: частотно-регулируемые электроприводы переменного тока с ограниченными информационными и вычислительными ресурсами их микропроцессорных систем управления.
Предмет исследований: математическое и алгоритмическое обеспечение, структурные и схемотехнические решения цифровых электроприводов переменного тока.
Цель работы: повышение функциональной работоспособности электроприводов переменного тока в аварийных режимах работы силового преобразователя, исполнительного двигателя и механической нагрузки.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1. Анализ и систематизация известных способов и устройств обеспечения отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока.
2. Разработка методов отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока в аварийных режимах работы исполнительных двигателей опасных производственных объектов.
3. Создание математических моделей электроприводов переменного тока в аварийных режимах работы исполнительных двигателей.
4. Формализация записи алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов переменного тока с интегрированными битами матриц одиночных и множественных отказов.
5. Исследование алгоритмов отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных электроприводов переменного тока с однократными отказами.
6. Разработка алгоритмов отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных секционированных и m-фазных электроприводов с множественными отказами.
7. Исследование процесса адаптации структуры электропривода к последствиям отказов при алгоритмическом восстановлении работоспособности.
8. Разработка схемотехнических решений систем управления электроприводов переменного тока с отказоустойчивым управлением при наличии однократных и множественных отказов и программно-аппаратной реализацией отказоустойчивых алгоритмов восстановления работоспособности.
Методы исследования. В диссертационной работе применены: теория электропривода и электрических машин, методы описания динамических процессов электромеханического преобразования энергии, математическое моделирование и программирование в среде Delphi и Matlab, метод коммутационных разрывных функций и спектральный метод анализа сигналов. Проверка теоретических исследований осуществлялась на лабораторном испытательном стенде и регистрацией данных сертифицированным информационноизмерительным комплексом (ИВК) MIC-300, тестовыми испытаниями на работающем оборудовании.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методы отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока в аварийных режимах исполнительных двигателей опасных производственных объектов.
2. Математические модели электроприводов переменного тока в штатных и аварийных режимах работы.
3. Форма записи алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов переменного тока с интегрированными битами матрицы отказов.
4. Алгоритмы отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных электроприводов переменного тока с однократными отказами.
5. Алгоритмы отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных секционированных вентильно-индукторных и многофазных асинхронных электроприводов с множественными отказами.
6. Структуры и схемотехнические решения электроприводов переменного тока с отказоустойчивым управлением при наличии однократных и множественных отказов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным применением математических методов и моделей, адекватность которых реальным процессам подтверждена результатами экспериментальных исследований; сходимостью результатов, полученных теоретически и экспериментально; применением современного сертифицированного измерительного оборудования (ИВК MIC-300); согласованностью результатов исследований с данными других ученых.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны методы отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока, позволяющие оценить их работоспособность в аварийном режиме и реализовать структурную адаптацию силовых цепей преобразователя частоты к последствиям отказов исполнительных двигателей опасных производственных объектов.
2. Созданы математические и имитационные модели электроприводов переменного тока в аварийных и неполнофазных режимах работы, позволяющие на основе мониторинга в реальном времени формировать матрицы отказов и обеспечивать последующее полное или частичное восстановление работоспособности электроприводов с учетом конфигурации схем подключения двигателей со связанными или развязанными фазами с круговым и эллиптическим вращающимися магнитными полями.
3. Формализованы выражения самоорганизации управления с интегрированными битами матрицы отказов для алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов переменного тока, позволяющие обеспечить структурную адаптацию силовых цепей преобразователя частоты к последствиям отказов в реальном времени.
4. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления с частичным или полным восстановлением работоспособности трехфазных асинхронных, вентильно-индукторных и вентильных электроприводов, позволяющие обеспечить купирование однократных отказов.
5. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления с частичным или полным восстановлением работоспособности трехфазных секционированных вентильно-индукторных электроприводов, позволяющие обеспечить купирование однократных и множественных отказов.
6. Предложены технические решения по реализации метода отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока с асинхронными, вентильными и вентильно-индукторными двигателями. Разработаны технические решения по построению отказоустойчивых структур асинхронных и вентильных электроприводов, выполненных на мостовых и полумостовых преобразовательных ячейках отличающиеся применением защитных элементов блокирования отказа, расположенных в звене постоянного и переменного тока, с подключаемыми резервными полумостами, для схемных решений со связанными и развязанными фазами двигателя. Предложены технические решения отказоустойчивого вентильно-индукторного двухсекционного электропривода отличающиеся повышенной живучестью при одиночных и множественных отказах.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазными ВД, АД и ВИП в аварийных и неполнофазных режимах и схемотехнические реализации ЭПТ [28-33, 35-37, 42-57], позволяющие полностью или частично восстановить его работоспособность в аварийных режимах работы с обеспечением свойства живучести двигателя и силового преобразователя частоты.
2. Разработаны способы управления и устройства по реализации отказоустойчивых ограничителей грузоподъемности на основе косвенных методов измерения массы поднимаемого груза и мажоритарного резервирования [34, 38-41], позволяющие обеспечить безопасность и живучесть кранового ЭПТ механизма подъема.
3. Разработаны способы диагностики и мониторинга фундаментов ЭПТ насосных агрегатов с оценкой величины остаточного ресурса фундамента [58, 59], позволяющие увеличить рабочий ресурс насосного агрегата не менее чем на 14 % в процессе безопасной эксплуатации электропривода.
4. Разработаны программные продукты «Программа расчета переходных процессов кранового АЭП с ограничителем грузоподъемности» и «Программа расчета переходных процессов АЭП в неполнофазных и аварийных режимах работы» [62-64], позволяющие оценить работоспособность кранового ЭПТ механизма подъема с ограничителем грузоподъемности в рабочих и аварийных режимах.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в публикациях [7, 9-10, 11] разработаны и сформулированы принципы отказоустойчивого управления, в публикациях [1-6, 8, 12-25, 27] - математические модели отказоустойчивых электроприводов, методы и алгоритмы восстановления работоспособности ЭПТ, в публикациях [28-60] - технические решения по реализации отказоустойчивого управления ЭПТ. Автор непосредственно участвовал в разработке программных и аппаратных средств, математических моделей, в проведении и анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
- В Институте электрических машин, приводов и дорог Технического университета Брауншвайга (Technische Universitat Braunschweing Institut fur Elektrische Maschinen, Antriebeund Bahnen) применены для научноисследовательских целей: разработанная методика обеспечения свойства живучести трехфазного ВД в аварийном двухфазном режиме на основе способа обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя [36] и устройства реализации способа на основе вентильного электропривода со свойством живучести [33]; методика обеспечения свойства живучести трехфазного АД в аварийном двухфазном режиме на основе способа управления и обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя [37] и устройство реализации способа на основе асинхронного электропривода со свойством живучести [35].
- На предприятии ОАО «Новосибирский завод им. Коминтерна» (г. Новосибирск) внедрена методика повышения надежности ВД, обеспечивающая работу в аварийном двухфазном режиме трехфазного синхронного двигателя с позиционной модуляцией.
- На предприятиях: ООО «Тепромес», НТЦ Промбезопасность-ТГАСУ (г. Томск) внедрены «Программа расчета переходных процессов кранового АЭП с ограничителем грузоподъемности» [62] и «Программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режимах работы» [64].
- В учебном процессе кафедр «Электропривода и электрооборудования» Национального исследовательского Томского политехнического университета, «Общая электротехника и автоматика» и «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета используется разработанное программное обеспечение: «Программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режимах работы» [64], «Программа расчета переходных процессов вентильного электропривод» [63] и «Программа расчета переходных процессов кранового асинхронного электропривода с ограничителем грузоподъемности» [62].
- На предприятии ТНПВСЭП Томск СЭП внедрена методика оценки фундаментов электроприводов насосных агрегатов на основе способов компьютерной диагностики и мониторинга [58, 59].
- В НИИ автоматики и электромеханики (г. Томск) внедрена опытная серия блоков вентильного электропривода с поддержкой работоспособности в аварийном двухфазном режиме [30]. В разработке используются самозащищенные силовые ключи с бесконтактным датчиком тока [28].
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы в диссертации содержатся теоретические и экспериментальные исследования в соответствии с пунктом 3, позволившие разработать алгоритмы восстановления работоспособности в реальном времени для трехфазных асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных электроприводов; в соответствии с пунктом 4 - исследовать работоспособность и оценить качество функционирования трехфазных асинхронных, вентильных и вентильно - индукторных электроприводов при отказах силовых цепей с восстановлением полной или частичной работоспособности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались: на V Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», Новочеркасск, 2004г.; на V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007», Санкт-Петербург, 2007г.; на IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2009г.; на IX сессии Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надёжности и диагностики машин и механизмов», Санкт-Петербург, 2009г.; на научном семинаре стипендиатов программ «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант» 2008/2009 г Москва, 2009г; на VIII симпозиуме «Линейный электропривод для промышленности», Эйндховен (ФРГ), июль 3-6, 2011г.; на XVI Международной заочной научно-технической конференции «Технические науки - от теории к практике», Новосибирск, 2012г; на XIV Международной научно-технической конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», Алушта, 2012г; на научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», ОАО «НПЦ "Полюс"», Томск, 2013г., 2015г.; на I Международной научно-технической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития», Йошкар-Ола, 2013г; на VI Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2013 г.; на Международной научно-технической конференции «Науки о Земле: современное состояние и приоритеты развития», Дубаи (ОАЭ), 2013г.; на XXX заочной научной конференции Research Journal of International Studies, Екатеринбург, 2014г., на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 2015г., на научно-технических семинарах энергетического института ТПУ, Томск, 2011-2016 гг. и кафедр АиЭ и СДМ ТГАСУ, Томск, 2011-2016 гг.
Научные исследования выполнялись в рамках: программы «Развитие научного потенциала высшей школы»; г/б договора на выполнение НИОТКР № 109-12/НИОТКР от 3 ноября 2012г.; г/б темы № 01201458700 по приоритетному направлению: перспективные виды вооружений и специальной техники; х/д между ОАО «Гипроспецгаз» г. Москва и ГОУ ВПО ТГАСУ по оценке технического состояния строительных конструкций ГКС газопровода НВГПЗ- ПАРАБЕЛЬ-КУЗБАСС, хоздоговорных работ х/д 122/85Б (1983-1985 гг), х/д 121/87 (1987-1989 гг) НИИАЭМ при ТУСУР.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 64-х научных работах, в том числе в 20-ти статьях, входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций, 37 патентах РФ на изобретения и полезные модели, 6- ти статьях в изданиях Scopus и одной монографии. Получено 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, семь глав, заключение, список используемой литературы из 257-ми наименований. Объем диссертации составляет 343 с., включая 144 рис., 20 таблиц, приложений на 10 с.
В диссертации разработана методология синтеза способов и алгоритмов отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока, используемых в оборудовании опасных производственных объектов. Выполненные научные исследования представлены следующими новыми результатами:
1. Созданы методы отказоустойчивого управления, позволяющие оценить работоспособность аварийных электроприводов переменного тока в реальном времени, и в случае наличия остаточного ресурса преобразователя частоты и исполнительного двигателя реализовать структурную адаптацию силовых цепей ПЧ к последствиям отказов с обеспечением повышенной безопасности и живучести промышленного объекта.
2. Предложены подход и общая методика разработки математических моделей электропривода переменного тока для схем подключения двигателей со связанными или развязанными фазами и работой с круговым, эллиптическим или пульсирующим магнитными полями. Это дает возможность получить количественную оценку мгновенных параметров электропривода в аварийных (неполнофазных) режимах и обеспечить необходимую эффективных алгоритмов восстановления работоспособности электропривода на основе функционального или структурного резервирования.
3. Предложена аналитическая форма записи алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов с интегрированными битами матрицы отказов, полученных в результате мониторинга трехфазных асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных электроприводов. Это позволяет обеспечить в реальном времени максимально быструю реакцию, соизмеримую с периодом широтно-импульсной модуляции системы управления, структурную адаптацию силовых цепей электропривода и преобразователя частоты, что дает возможность полностью устранить или существенно уменьшить колебания момента и частоты вращения. В трехфазном вентильном электроприводе, выполненном на основе явнополюсной синхронной машины, не менее чем в 8 раз достигается снижение отклонения электромагнитного момента в момент аварии за счет применения функций самоорганизации управления.
4. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления на основе функций самоорганизации управления трехфазными асинхронным, вентильным и вентильно-индукторным электроприводами, обеспечивающие полное восстановление работоспособности при одиночных отказах. Для асинхронного электропривода предложены алгоритмы восстановления для частотно-токового и векторного управления с поворотом векторов тока на углы п/3, п радиан, увеличением частоты формируемых фазных токов и с формированием несинусоидальных токов в аварийном двухфазном режиме. Для векторного управления разработан алгоритм восстановления с поворотом векторов тока на угол п/3 радиан. Проведена сравнительная количественная оценка влияния единичных отказов на работу отказоустойчивых алгоритмов в аварийном двухфазном режиме. Наилучшие результаты получены для алгоритмов с опережающей фазой и сдвигом вектора тока на угол п/3, в случае скалярного управления провал по частоте вращения отсутствует, а изменения момента минимальны и не превышают 46 %, в случае векторного управления отклонения частоты вращения и момента практически отсутствует. При применении отказоустойчивого алгоритма восстановления работоспособности трехфазного вентильного двигателя в аварийном двухфазном режиме достигается минимизация суммарной реактивной мощности в аварийном режиме работы. Трехфазный вентильноиндукторный электропривод в аварийном двухфазном режиме обеспечивает функционирование с ограниченной работоспособностью, проявляя свойство исходной отказоустойчивости с поддержанием частоты вращения на уровне 66%. Применение разработанных алгоритмов отказоустойчивого управления в аварийном двухфазном режиме трехфазного вентильно-индукторного электропривода с увеличением амплитуд фазных токов и изменением угла перекрытия фаз позволяет поддержать частоту вращения на уровне 89-90% от значения до момента возникновения аварии. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления для многофазных асинхронных и трехфазных секционированных вентильно-индукторных электроприводов, обеспечивающие частичное или полное восстановление работоспособности при однократных и множественных отказах с контролем исчерпания остаточного ресурса электропривода вплоть до работы на двух разноименных фазах одной или различных секций.
5. Предложены технические решения, реализующие созданные методы отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока с асинхронным, вентильным и вентильно-индукторным двигателями. Разработаны технические решения по мониторингу отказов электроприводов переменного тока, способов отказоустойчивого управления асинхронными и вентильными электроприводами, отказоустойчивых структур асинхронных и вентильных электроприводов, выполненных на мостовых и полумостовых преобразовательных ячейках с защитными элементами блокирования отказа, расположенных в звене постоянного или переменного тока, с подключаемыми резервными полумостами, для схемных решений со связанными или развязанными фазами двигателя. Предложены схемные решения отказоустойчивого вентильно- индукторного двухсекционного электропривода с повышенной живучестью при одиночных и множественных отказах. Применение схемы с защитными элементами в звене переменного тока позволяет для m-кратно резервированного электропривода уменьшить число коротящих ключей силового преобразователя в m раз.
6. Предложено оригинальное применение асинхронного двигателя в качестве информационного отказоустойчивого датчика для мониторинга параметров в приборах безопасности ответственных механизмов подъема. На основе математической модели и экспериментальных исследований установлена возможность использования текущих значений частоты вращения, активной мощности, токов статора или ротора исполнительного двигателя для определения безопасности применения такого класса промышленного оборудования.
7. Разработана методика оценки в реальном времени остаточного ресурса фундамента электроприводов насосных агрегатов на основе мониторинга показаний датчиков (акселерометров) и компьютерной диагностики. Методика позволяет провести автоматизированную оценку состояния подшипниковых узлов электропривода и создать предпосылки увеличения, примерно на 14 %, рабочего ресурса фундаментов в процессе безопасной эксплуатации насосного агрегата.
8. Применение методики оценки состояния фундаментов электроприводов насосных агрегатов в производственной деятельности предприятия ТНПВСЭП "ТомскСЭП" дает ежегодный экономический эффект в размере 2,6 млн руб. Использование разработанных программных продуктов для анализа аварийных состояний кранов в производственной деятельности предприятия НТЦ "Промбезопасность-ТГАСУ" дает ежегодный экономический эффект на сумму 2,9 млн руб.
1. Созданы методы отказоустойчивого управления, позволяющие оценить работоспособность аварийных электроприводов переменного тока в реальном времени, и в случае наличия остаточного ресурса преобразователя частоты и исполнительного двигателя реализовать структурную адаптацию силовых цепей ПЧ к последствиям отказов с обеспечением повышенной безопасности и живучести промышленного объекта.
2. Предложены подход и общая методика разработки математических моделей электропривода переменного тока для схем подключения двигателей со связанными или развязанными фазами и работой с круговым, эллиптическим или пульсирующим магнитными полями. Это дает возможность получить количественную оценку мгновенных параметров электропривода в аварийных (неполнофазных) режимах и обеспечить необходимую эффективных алгоритмов восстановления работоспособности электропривода на основе функционального или структурного резервирования.
3. Предложена аналитическая форма записи алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов с интегрированными битами матрицы отказов, полученных в результате мониторинга трехфазных асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных электроприводов. Это позволяет обеспечить в реальном времени максимально быструю реакцию, соизмеримую с периодом широтно-импульсной модуляции системы управления, структурную адаптацию силовых цепей электропривода и преобразователя частоты, что дает возможность полностью устранить или существенно уменьшить колебания момента и частоты вращения. В трехфазном вентильном электроприводе, выполненном на основе явнополюсной синхронной машины, не менее чем в 8 раз достигается снижение отклонения электромагнитного момента в момент аварии за счет применения функций самоорганизации управления.
4. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления на основе функций самоорганизации управления трехфазными асинхронным, вентильным и вентильно-индукторным электроприводами, обеспечивающие полное восстановление работоспособности при одиночных отказах. Для асинхронного электропривода предложены алгоритмы восстановления для частотно-токового и векторного управления с поворотом векторов тока на углы п/3, п радиан, увеличением частоты формируемых фазных токов и с формированием несинусоидальных токов в аварийном двухфазном режиме. Для векторного управления разработан алгоритм восстановления с поворотом векторов тока на угол п/3 радиан. Проведена сравнительная количественная оценка влияния единичных отказов на работу отказоустойчивых алгоритмов в аварийном двухфазном режиме. Наилучшие результаты получены для алгоритмов с опережающей фазой и сдвигом вектора тока на угол п/3, в случае скалярного управления провал по частоте вращения отсутствует, а изменения момента минимальны и не превышают 46 %, в случае векторного управления отклонения частоты вращения и момента практически отсутствует. При применении отказоустойчивого алгоритма восстановления работоспособности трехфазного вентильного двигателя в аварийном двухфазном режиме достигается минимизация суммарной реактивной мощности в аварийном режиме работы. Трехфазный вентильноиндукторный электропривод в аварийном двухфазном режиме обеспечивает функционирование с ограниченной работоспособностью, проявляя свойство исходной отказоустойчивости с поддержанием частоты вращения на уровне 66%. Применение разработанных алгоритмов отказоустойчивого управления в аварийном двухфазном режиме трехфазного вентильно-индукторного электропривода с увеличением амплитуд фазных токов и изменением угла перекрытия фаз позволяет поддержать частоту вращения на уровне 89-90% от значения до момента возникновения аварии. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления для многофазных асинхронных и трехфазных секционированных вентильно-индукторных электроприводов, обеспечивающие частичное или полное восстановление работоспособности при однократных и множественных отказах с контролем исчерпания остаточного ресурса электропривода вплоть до работы на двух разноименных фазах одной или различных секций.
5. Предложены технические решения, реализующие созданные методы отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока с асинхронным, вентильным и вентильно-индукторным двигателями. Разработаны технические решения по мониторингу отказов электроприводов переменного тока, способов отказоустойчивого управления асинхронными и вентильными электроприводами, отказоустойчивых структур асинхронных и вентильных электроприводов, выполненных на мостовых и полумостовых преобразовательных ячейках с защитными элементами блокирования отказа, расположенных в звене постоянного или переменного тока, с подключаемыми резервными полумостами, для схемных решений со связанными или развязанными фазами двигателя. Предложены схемные решения отказоустойчивого вентильно- индукторного двухсекционного электропривода с повышенной живучестью при одиночных и множественных отказах. Применение схемы с защитными элементами в звене переменного тока позволяет для m-кратно резервированного электропривода уменьшить число коротящих ключей силового преобразователя в m раз.
6. Предложено оригинальное применение асинхронного двигателя в качестве информационного отказоустойчивого датчика для мониторинга параметров в приборах безопасности ответственных механизмов подъема. На основе математической модели и экспериментальных исследований установлена возможность использования текущих значений частоты вращения, активной мощности, токов статора или ротора исполнительного двигателя для определения безопасности применения такого класса промышленного оборудования.
7. Разработана методика оценки в реальном времени остаточного ресурса фундамента электроприводов насосных агрегатов на основе мониторинга показаний датчиков (акселерометров) и компьютерной диагностики. Методика позволяет провести автоматизированную оценку состояния подшипниковых узлов электропривода и создать предпосылки увеличения, примерно на 14 %, рабочего ресурса фундаментов в процессе безопасной эксплуатации насосного агрегата.
8. Применение методики оценки состояния фундаментов электроприводов насосных агрегатов в производственной деятельности предприятия ТНПВСЭП "ТомскСЭП" дает ежегодный экономический эффект в размере 2,6 млн руб. Использование разработанных программных продуктов для анализа аварийных состояний кранов в производственной деятельности предприятия НТЦ "Промбезопасность-ТГАСУ" дает ежегодный экономический эффект на сумму 2,9 млн руб.
Подобные работы
- Отказоустойчивый двухсекционный асинхронный электропривод в авариных режимах
Магистерская диссертация, электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 2350 р. Год сдачи: 2017