Помощь студентам в учебе
АЛГОРИТМЫ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
1.1. Отечественный и зарубежный опыт разработок систем управления ВИП,
области его применения 13
1.2. Обзор схемотехнических решений в зарубежной литературе 15
Выводы по главе 1 17
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО ВЕНТИЛЬНО
ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 18
2.1. Математическая модель отказоустойчивого вентильно-индукторного
электропривода 18
2.2. Математическая модель отказоустойчивого вентильно-индукторного
электропривода в составе насоса добычи нефти 28
2.3. Математическая модель транспортного средства с исполнительным
отказоустойчивым вентильно-индукторным электроприводом 32
2.4. Математическая модель многосекционного отказоустойчивого вентильноиндукторного электропривода 39
2.5. Имитационное моделирование отказоустойчивого вентильноиндукторного электропривода 43
2.5.1. Имитационная модель вентильно-индукторного электропривода 43
2.5.2. Имитационная модель отказоустойчивого двухсекционного
трехфазного вентильно-индукторного электропривода 56
2.5.3. Имитационная модель ЭЦН на базе ВИП 61
2.5.4. Имитационная модель ТС 65
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ МОНИТОРИНГА И ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО
УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 70
3.1. Алгоритм мониторинга фазных токов вентильно-индукторного
электродвигателя и формирование матриц отказов 70
3.2. Алгоритмы отказоустойчивого управления вентильно-индукторным
электроприводом в аварийных режимах работы 74
3.2.1. Алгоритм управления односекционным 3-фазным ВИП с
компенсацией момента за счет применения угла перекрытия фаз 75
3.2.2. Алгоритм управления односекционным 3-фазным ВИП с
компенсацией момента за счет увеличения амплитуд токов фаз 78
3.2.3. Алгоритм управления двухсекционным 3-фазным ВИП с
компенсацией момента за счет увеличения амплитуд токов фаз 82
3.3. Оценка остаточного рабочего ресурса 89
3.4. Алгоритмы отказоустойчивого управления в ЭЦН с ВИД 90
3.5. Алгоритмы отказоустойчивого управления в транспортном средстве 96
Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВИД 106
4.1. Алгоритм бездатчикового управления ВИД в аварийном режиме работы 106
4.2. Отказоустойчивый вентильно-индукторный электропривод насоса добычи
или транспортировки нефти 110
4.2.1. Математическая модель бездатчикового вентильно-индукторного
электродвигателя насоса добычи нефти в аварийном режиме работы 111
4.2.2. Алгоритмы бездатчикового отказоустойчивого управления вентильно-
индукторным электродвигателем насоса для добычи нефти 114
4.2.3. Имитационная модель бездатчикового отказоустойчивого вентильно
индукторного электродвигателя насоса добычи нефти 116
4.3. Результаты моделирования 118
Выводы по главе 4 121
ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ПОСТРОЕНИЮ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО ЭЛЕКТРОПРИВДА 122
5.1. Разработка преобразователя для коммутации обмоток ВИД 123
5.1.1. Принцип работы ячейки, обеспечивающей работу и диагностику
состояния вентильно-индукторного двигателя 126
5.2. Функциональная схема отказоустойчивого двухсекционного вентильноиндукторного электропривода 128
5.2.1. Описание работы функциональной схемы 130
5.3. Разработка стенда для исследования ВИП 133
5.3.1. Анализ технологического процесса эксперимента и технологического
оборудования как объекта исследования 133
5.3.2. Иерархия уровней АСУ технологическим экспериментом 136
Выводы по главе 5: 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 142
Приложение А. Акт внедрения «Мехатроника-Софт» 158
Приложение Б. Акт внедрения ОЭЭ ИШЭ ТПУ 159
Приложение В. Медаль РАН 160
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
1.1. Отечественный и зарубежный опыт разработок систем управления ВИП,
области его применения 13
1.2. Обзор схемотехнических решений в зарубежной литературе 15
Выводы по главе 1 17
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО ВЕНТИЛЬНО
ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 18
2.1. Математическая модель отказоустойчивого вентильно-индукторного
электропривода 18
2.2. Математическая модель отказоустойчивого вентильно-индукторного
электропривода в составе насоса добычи нефти 28
2.3. Математическая модель транспортного средства с исполнительным
отказоустойчивым вентильно-индукторным электроприводом 32
2.4. Математическая модель многосекционного отказоустойчивого вентильноиндукторного электропривода 39
2.5. Имитационное моделирование отказоустойчивого вентильноиндукторного электропривода 43
2.5.1. Имитационная модель вентильно-индукторного электропривода 43
2.5.2. Имитационная модель отказоустойчивого двухсекционного
трехфазного вентильно-индукторного электропривода 56
2.5.3. Имитационная модель ЭЦН на базе ВИП 61
2.5.4. Имитационная модель ТС 65
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ МОНИТОРИНГА И ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО
УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 70
3.1. Алгоритм мониторинга фазных токов вентильно-индукторного
электродвигателя и формирование матриц отказов 70
3.2. Алгоритмы отказоустойчивого управления вентильно-индукторным
электроприводом в аварийных режимах работы 74
3.2.1. Алгоритм управления односекционным 3-фазным ВИП с
компенсацией момента за счет применения угла перекрытия фаз 75
3.2.2. Алгоритм управления односекционным 3-фазным ВИП с
компенсацией момента за счет увеличения амплитуд токов фаз 78
3.2.3. Алгоритм управления двухсекционным 3-фазным ВИП с
компенсацией момента за счет увеличения амплитуд токов фаз 82
3.3. Оценка остаточного рабочего ресурса 89
3.4. Алгоритмы отказоустойчивого управления в ЭЦН с ВИД 90
3.5. Алгоритмы отказоустойчивого управления в транспортном средстве 96
Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВИД 106
4.1. Алгоритм бездатчикового управления ВИД в аварийном режиме работы 106
4.2. Отказоустойчивый вентильно-индукторный электропривод насоса добычи
или транспортировки нефти 110
4.2.1. Математическая модель бездатчикового вентильно-индукторного
электродвигателя насоса добычи нефти в аварийном режиме работы 111
4.2.2. Алгоритмы бездатчикового отказоустойчивого управления вентильно-
индукторным электродвигателем насоса для добычи нефти 114
4.2.3. Имитационная модель бездатчикового отказоустойчивого вентильно
индукторного электродвигателя насоса добычи нефти 116
4.3. Результаты моделирования 118
Выводы по главе 4 121
ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ПОСТРОЕНИЮ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО ЭЛЕКТРОПРИВДА 122
5.1. Разработка преобразователя для коммутации обмоток ВИД 123
5.1.1. Принцип работы ячейки, обеспечивающей работу и диагностику
состояния вентильно-индукторного двигателя 126
5.2. Функциональная схема отказоустойчивого двухсекционного вентильноиндукторного электропривода 128
5.2.1. Описание работы функциональной схемы 130
5.3. Разработка стенда для исследования ВИП 133
5.3.1. Анализ технологического процесса эксперимента и технологического
оборудования как объекта исследования 133
5.3.2. Иерархия уровней АСУ технологическим экспериментом 136
Выводы по главе 5: 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 142
Приложение А. Акт внедрения «Мехатроника-Софт» 158
Приложение Б. Акт внедрения ОЭЭ ИШЭ ТПУ 159
Приложение В. Медаль РАН 160
На сегодняшний день большую популярность приобретают современные электропривода с возможностью высокоточного регулирования, одним из таких является вентильно-индукторный электропривод, который благодаря простоте, высоким энергетическим показателям и большому диапазону регулирования находит все большее применение в составе различных производственных механизмов. Такой электропривод благодаря особенностям конструкции и простоте реализации управления может найти применение во многих сферах промышленности таких как военная, медицинская, нефтедобывающая, космическая и многие другие, где предъявляются высокие требования по отказоустойчивости рабочего механизма. Целью данной работы является показать особенности алгоритмического управления вентильно-индукторным электроприводом со стороны его отказоустойчивости, надежности и живучести. В реалиях современной Российской Федерации 2022 года с учетом растущего числа санкционных ограничений от ряда ведущих мировых держав становится все более актуальным импортозамещение и реализация отечественных надежных систем с повышенным требованием к безостановочному циклу производства и транспортировки ресурсов. Отказоустойчивые системы управления позволят продолжить функционирование электропривода производственного механизма в аварийной ситуации без остановки производства и необходимости срочного ремонта. Рассмотренные в работе алгоритмы управления не требуют конструктивных изменений и могут быть встроены в существующие системы управления. Документом, подтверждающим востребованность в развитии комплексов с безопасным и надежным электроприводом, является: «Распоряжение Правительства РФ от 17.11.2008 N 1662-р (ред. от 08.08.2009) «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития развитие промышленности и
строительства»», в котором определен рост потребности в транспортной технике с высокой степенью надежности и безотказной работы.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Большинство современных промышленных объектов имеет в своем составе управляемый электропривод (ЭП). Отказ такого механизма на производстве с длительным или безостановочным циклом изготовления или добычи продукции может привести к остановке производства в связи с невозможностью полноценного функционирования механизмов. На сегодняшний день значительное внимание уделяется электроприводам в составе производственных комплексов, работающих со стратегически значимыми для страны ресурсами, такими как нефть и газ, а также с потенциально опасными ракетными, авиационными системами, системами жизнеобеспечения и транспортировки. Требуется уделить особое значение их отказоустойчивости, живучести и надежности с учетом их потенциальной значимости. В таких комплексах в качестве исполнительного электродвигателя возможно применение вентильно-индукторных электродвигателей (ВИД) различного исполнения. Установка электроприводов на базе ВИД может значительно улучшить технологический процесс и обеспечить отказоустойчивость и безопасность промышленных систем, повысить энергетические показатели.
Целесообразно применение вентильно-индукторного электропривода (ВИП) в автомобильном транспорте в составе гибридных силовых установок. В нефтедобыче отказ исполнительного двигателя приводит к остановке производства и, как следствие, к значительным экономическим потерям.
Для решения задач по обеспечению эксплуатационной живучести и увеличения рабочего ресурса таких производственных объектов значительно возрастает роль разработки и внедрения отказоустойчивого алгоритмического управления исполнительными электродвигателями. Вопросы построения отказоустойчивых электроприводов рассмотрены в работах российских и зарубежных ученых: В.А.Кузнецова, В.А.Кузьмичева, П.Г.Вигриянова,
П.О.Шабурова, Г.К.Птаха, В.Ф.Козаченко, М.М.Лашкевича, В.В. Агафонова, В.Н.Острирова, А.М. Русакова, Д.Е.Корпусова, Д.И.Алямкина, А.В. Дроздова, Г.И.Однокопылова, И.Ф.Нугаева, А.П.Темирёва, С.В.Александровского, Д.М.Глухова, Ю.Н.Митрофаненкова и других, зарубежных ученых: Nguyen Kuang Kkhoa, Miller T. J., Krishnan R., Sangshin Kwan, Hamid A. Toliyat, Ruba M., Anders M., Thomas M. Jahns, Irimia N.D., Simon A., Rolf Isermann, Gerling D., Schramm A. Jen-Ren Fu, Thomas A., Lipo Brian, A. Welchko, Yihua Hu, Chun Gan, Wenping Cao, Stephen Finney, M. R. Feyzi, Y. Ebrahimi и других.
Диссертационная работа направлена на разработку алгоритмов отказоустойчивого управления ВИП производственных объектов.
Объект исследований: вентильно-индукторный электропривод в
аварийных и неполнофазных режимах работы.
Предмет исследований: математическое и алгоритмическое обеспечение отказоустойчивого управления вентильно-индукторным электроприводом в аварийных и неполнофазных режимах работы.
Цель работы: разработка алгоритмов отказоустойчивого управления вентильно-индукторным электроприводом производственных объектов.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1. Разработать математическую и имитационную модели вентильноиндукторного электропривода в штатных и аварийных режимах работы электроцентробежного насоса (ЭЦН) и транспортного средства (ТС) с вентильно-индукторным электроприводом.
2. Разработать и исследовать алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазных вентильно-индукторных электроприводов при однократных и множественных отказах.
3. Разработать математическую и имитационную модели бездатчикового ВИП насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы.
Методы исследования. В работе применены: положения основ математической теории электрических машин; численные методы, используемые при описании динамических электрических, механических и магнитных процессов; математическое моделирование и программирование в среде Matlab Simulink, C++; тепловой расчет электродвигателя в среде Motor- CAD; численные методы Эйлера и Рунге-Кутта 4 порядка; методы цифровой фильтрации сигналов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая и имитационная модели вентильно-индукторного электропривода в штатных и аварийных режимах работы ЭЦН и ТС с ВИД.
2. Алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазных ВИП в составе производственных объектов при однократных и множественных отказах.
3. Математическая и имитационная модели бездатчикового ВИП насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением математических методов и моделей, адекватность которых по отношению к реальным процессам подтверждена результатами теоретических и компьютерно- имитационных исследований в программной среде Matlab; сравнением результатов моделирования c имеющимися наработками отечественных и зарубежных ученых.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Созданы математическая и имитационная модель установки электроцентробежного насоса и транспортного средства с отказоустойчивым вентильно-индукторным электродвигателем в качестве исполнительного двигателя и мотор-колеса (МК) в аварийных и неполнофазных режимах работы.
2. Выполнены исследования алгоритмов отказоустойчивого управления, позволяющие частично или полностью восстановить работоспособность трехфазных ВИП при однократных и множественных отказах, в том числе и для случая многосекционного исполнения обмоток статора ВИП.
3. Разработаны математическая и имитационная модели бездатчикового ВИП насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы позволяющая подтвердить работоспособность предложенного алгоритма отказоустойчивого управления.
Практическая ценность работы.
1. Разработана методика диагностики и алгоритмического восстановления работоспособности вентильно-индукторного электропривода [1-3,6].
2. Разработаны технические решения по построению отказоустойчивых мостовых и полумостовых преобразовательных ячеек с защитными элементами блокирования отказов [9, 10].
3. Предложено схемное решение по построению отказоустойчивого вентильно-индукторного многосекционного электропривода с повышенной живучестью при множественных отказах [8].
Реализация результатов работы. Результаты, полученные в
диссертационной работе, приняты к внедрению ООО «Мехатроника-Софт» (г. Томск), а также используются в учебном процессе отделения электроэнергетики и электротехники инженерной школы энергетики Томского политехнического университета (НИ ТПУ).
Личный вклад автора. Все 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 автором разработаны и сформулированы принципы отказоустойчивого управления [1-3, 16-18, 20],
математические модели отказоустойчивых электроприводов [4-7, 11-15, 18] и алгоритмическое управление с целью восстановления полной или частичной работоспособности [9, 10, 22-32], технические решения по реализации отказоустойчивого управления [8-13]. Автор участвовал в разработке программных средств, в проведении и анализе результатов исследований.
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 соответствие с пунктом 3, позволившие разработать алгоритмы восстановления работоспособности в реальном времени для ВИП; в соответствие с пунктом 4, исследовать работоспособность и оценить качество функционирования ВИП при отказах силовых цепей с восстановлением полной или частичной работоспособности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались: на научно-технической конференции
«Электронные и электромеханические системы и устройства», ОАО «НПЦ Полюс», г. Томск, 2013г., 2015г.; на VI международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2013г.; на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2013 г.; на международной научнотехнической конференции «Науки о Земле: современное состояние и приоритеты развития», г. Дубаи (ОАЭ), 2013 г.; на I международной научнотехнической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития», г. Йошкар-Ола, 2013 г; на всероссийской конференции «Введение в энергетику», г. Кемерово, 2014 г.; на научном форуме «Инженеры будущего», г. Уфа, 2014 г.; на международной конференции «
Информационные технологии в науке, управлении, в социальной сфере и медицине», г. Томск, 2014 г.; на международной научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2014 г.; на конференции «20th International Conference for Students and Young Scientists: Modern Techniques and Technologies», г. Томск, 2014 г.; на конференции «International Siberian conference on control and
communications», г. Омск, 2015 г.; на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 2015 г.; на стратегическом форуме «11th International Forum on Strategic Technology», г. Новосисбирск, 2016 г.; на IV международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», г. Томск, 2016 г.; всероссийской научнопрактической конференции «Энергетика и энергосбережение: теория и практика», Кемерово, 2018 г. В Павлодарском государственном университете им. С. Торайгырова (ПГУ) в 2020 г. На научно-технических семинарах инженерной школы энергетики (ИШЭ) ТПУ в 2015-2022 гг.
Публикации. Основные положения диссертации, отражены в 32 печатных работах. Из них 5 статьи в журналах, входящих в базу данных Scopus/WoS, 2 статьи в издании из перечня рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на изобретение, 5 патентов РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Работа содержит 156 стр. основного текста, 86 рисунков, 6 таблиц и библиографический список из 143 наименований.
строительства»», в котором определен рост потребности в транспортной технике с высокой степенью надежности и безотказной работы.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Большинство современных промышленных объектов имеет в своем составе управляемый электропривод (ЭП). Отказ такого механизма на производстве с длительным или безостановочным циклом изготовления или добычи продукции может привести к остановке производства в связи с невозможностью полноценного функционирования механизмов. На сегодняшний день значительное внимание уделяется электроприводам в составе производственных комплексов, работающих со стратегически значимыми для страны ресурсами, такими как нефть и газ, а также с потенциально опасными ракетными, авиационными системами, системами жизнеобеспечения и транспортировки. Требуется уделить особое значение их отказоустойчивости, живучести и надежности с учетом их потенциальной значимости. В таких комплексах в качестве исполнительного электродвигателя возможно применение вентильно-индукторных электродвигателей (ВИД) различного исполнения. Установка электроприводов на базе ВИД может значительно улучшить технологический процесс и обеспечить отказоустойчивость и безопасность промышленных систем, повысить энергетические показатели.
Целесообразно применение вентильно-индукторного электропривода (ВИП) в автомобильном транспорте в составе гибридных силовых установок. В нефтедобыче отказ исполнительного двигателя приводит к остановке производства и, как следствие, к значительным экономическим потерям.
Для решения задач по обеспечению эксплуатационной живучести и увеличения рабочего ресурса таких производственных объектов значительно возрастает роль разработки и внедрения отказоустойчивого алгоритмического управления исполнительными электродвигателями. Вопросы построения отказоустойчивых электроприводов рассмотрены в работах российских и зарубежных ученых: В.А.Кузнецова, В.А.Кузьмичева, П.Г.Вигриянова,
П.О.Шабурова, Г.К.Птаха, В.Ф.Козаченко, М.М.Лашкевича, В.В. Агафонова, В.Н.Острирова, А.М. Русакова, Д.Е.Корпусова, Д.И.Алямкина, А.В. Дроздова, Г.И.Однокопылова, И.Ф.Нугаева, А.П.Темирёва, С.В.Александровского, Д.М.Глухова, Ю.Н.Митрофаненкова и других, зарубежных ученых: Nguyen Kuang Kkhoa, Miller T. J., Krishnan R., Sangshin Kwan, Hamid A. Toliyat, Ruba M., Anders M., Thomas M. Jahns, Irimia N.D., Simon A., Rolf Isermann, Gerling D., Schramm A. Jen-Ren Fu, Thomas A., Lipo Brian, A. Welchko, Yihua Hu, Chun Gan, Wenping Cao, Stephen Finney, M. R. Feyzi, Y. Ebrahimi и других.
Диссертационная работа направлена на разработку алгоритмов отказоустойчивого управления ВИП производственных объектов.
Объект исследований: вентильно-индукторный электропривод в
аварийных и неполнофазных режимах работы.
Предмет исследований: математическое и алгоритмическое обеспечение отказоустойчивого управления вентильно-индукторным электроприводом в аварийных и неполнофазных режимах работы.
Цель работы: разработка алгоритмов отказоустойчивого управления вентильно-индукторным электроприводом производственных объектов.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1. Разработать математическую и имитационную модели вентильноиндукторного электропривода в штатных и аварийных режимах работы электроцентробежного насоса (ЭЦН) и транспортного средства (ТС) с вентильно-индукторным электроприводом.
2. Разработать и исследовать алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазных вентильно-индукторных электроприводов при однократных и множественных отказах.
3. Разработать математическую и имитационную модели бездатчикового ВИП насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы.
Методы исследования. В работе применены: положения основ математической теории электрических машин; численные методы, используемые при описании динамических электрических, механических и магнитных процессов; математическое моделирование и программирование в среде Matlab Simulink, C++; тепловой расчет электродвигателя в среде Motor- CAD; численные методы Эйлера и Рунге-Кутта 4 порядка; методы цифровой фильтрации сигналов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая и имитационная модели вентильно-индукторного электропривода в штатных и аварийных режимах работы ЭЦН и ТС с ВИД.
2. Алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазных ВИП в составе производственных объектов при однократных и множественных отказах.
3. Математическая и имитационная модели бездатчикового ВИП насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением математических методов и моделей, адекватность которых по отношению к реальным процессам подтверждена результатами теоретических и компьютерно- имитационных исследований в программной среде Matlab; сравнением результатов моделирования c имеющимися наработками отечественных и зарубежных ученых.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Созданы математическая и имитационная модель установки электроцентробежного насоса и транспортного средства с отказоустойчивым вентильно-индукторным электродвигателем в качестве исполнительного двигателя и мотор-колеса (МК) в аварийных и неполнофазных режимах работы.
2. Выполнены исследования алгоритмов отказоустойчивого управления, позволяющие частично или полностью восстановить работоспособность трехфазных ВИП при однократных и множественных отказах, в том числе и для случая многосекционного исполнения обмоток статора ВИП.
3. Разработаны математическая и имитационная модели бездатчикового ВИП насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы позволяющая подтвердить работоспособность предложенного алгоритма отказоустойчивого управления.
Практическая ценность работы.
1. Разработана методика диагностики и алгоритмического восстановления работоспособности вентильно-индукторного электропривода [1-3,6].
2. Разработаны технические решения по построению отказоустойчивых мостовых и полумостовых преобразовательных ячеек с защитными элементами блокирования отказов [9, 10].
3. Предложено схемное решение по построению отказоустойчивого вентильно-индукторного многосекционного электропривода с повышенной живучестью при множественных отказах [8].
Реализация результатов работы. Результаты, полученные в
диссертационной работе, приняты к внедрению ООО «Мехатроника-Софт» (г. Томск), а также используются в учебном процессе отделения электроэнергетики и электротехники инженерной школы энергетики Томского политехнического университета (НИ ТПУ).
Личный вклад автора. Все 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 автором разработаны и сформулированы принципы отказоустойчивого управления [1-3, 16-18, 20],
математические модели отказоустойчивых электроприводов [4-7, 11-15, 18] и алгоритмическое управление с целью восстановления полной или частичной работоспособности [9, 10, 22-32], технические решения по реализации отказоустойчивого управления [8-13]. Автор участвовал в разработке программных средств, в проведении и анализе результатов исследований.
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 соответствие с пунктом 3, позволившие разработать алгоритмы восстановления работоспособности в реальном времени для ВИП; в соответствие с пунктом 4, исследовать работоспособность и оценить качество функционирования ВИП при отказах силовых цепей с восстановлением полной или частичной работоспособности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались: на научно-технической конференции
«Электронные и электромеханические системы и устройства», ОАО «НПЦ Полюс», г. Томск, 2013г., 2015г.; на VI международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2013г.; на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2013 г.; на международной научнотехнической конференции «Науки о Земле: современное состояние и приоритеты развития», г. Дубаи (ОАЭ), 2013 г.; на I международной научнотехнической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития», г. Йошкар-Ола, 2013 г; на всероссийской конференции «Введение в энергетику», г. Кемерово, 2014 г.; на научном форуме «Инженеры будущего», г. Уфа, 2014 г.; на международной конференции «
Информационные технологии в науке, управлении, в социальной сфере и медицине», г. Томск, 2014 г.; на международной научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2014 г.; на конференции «20th International Conference for Students and Young Scientists: Modern Techniques and Technologies», г. Томск, 2014 г.; на конференции «International Siberian conference on control and
communications», г. Омск, 2015 г.; на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 2015 г.; на стратегическом форуме «11th International Forum on Strategic Technology», г. Новосисбирск, 2016 г.; на IV международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», г. Томск, 2016 г.; всероссийской научнопрактической конференции «Энергетика и энергосбережение: теория и практика», Кемерово, 2018 г. В Павлодарском государственном университете им. С. Торайгырова (ПГУ) в 2020 г. На научно-технических семинарах инженерной школы энергетики (ИШЭ) ТПУ в 2015-2022 гг.
Публикации. Основные положения диссертации, отражены в 32 печатных работах. Из них 5 статьи в журналах, входящих в базу данных Scopus/WoS, 2 статьи в издании из перечня рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на изобретение, 5 патентов РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Работа содержит 156 стр. основного текста, 86 рисунков, 6 таблиц и библиографический список из 143 наименований.
Выполненные научные исследования представлены следующими новыми результатами:
1. Разработаны математическая и имитационная модели трехфазного вентильно-индукторного двигателя, позволяющие исследовать рабочие и аварийные режимы электропривода как в односекционном, так и двухсекционном исполнении. Разработаны математическая и имитационная модели электроцентробежного насоса добычи нефти, транспортного средства на базе вентильно-индукторного электродвигателя, позволяющие исследовать работу погружного насоса или транспортного средства в аварийных и неполнофазных рабочих режимах. Рассмотрен режим пуска на двух фазах.
2. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазным вентильно-индукторным электроприводом позволяющие базируясь на матрице отказов обеспечить отказоустойчивость и живучесть при одиночном и множественных отказах одной или нескольких фаз электродвигателя. Показано, что трехфазный вентильно-индукторный двигатель 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, а также совмещенного алгоритма позволяет поддержать частоту вращения на уровне 85-90% от значения до момента возникновения аварии. В однофазном режиме 33-66% в зависимости от алгоритма управления. Показано, что при работе с разработанным алгоритмом отказоустойчивого управления с увеличением амплитуд фазных токов реализуется возможность полного восстановления работоспособности установки электроцентробежного насоса с вентильно-индукторным электродвигателем. Показано, что в траспортном средстве при отказе одной фазы возможно восстановить заданную скорость транспортного средства вплоть до 95% от начального значения при применении алгоритма управления трехфазным вентильно-индукторным двигателем с компенсацией момента за счет изменения угла перекрытия фаз и увеличения амплитуд фазных токов. При обрыве второй фазы показано, что значение скорости падает до уровня 43% от начального.
3. Разработана математическая и имитационная модели бездатчикового четырехфазного вентильно-индукторного электропривода насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы. Показано, что при использовании отказоустойчивого управления с переключением структуры и смещением векторов потока после обрыва одной фазы и перехода в 3-х фазный режим работы 4-х фазного вентильно-индукторного двигателя провал частоты вращения составляет 38% от номинального уровня, и двигатель продолжает устойчивое функционирование в аварийном режиме работы. При совместном использовании алгоритма бездатчикового управления и алгоритма компенсации момента за счет увеличения амплитуды фазных токов после отказа типа «обрыв фазы» электродвигателя работоспособность можно кратковременно восстановить до уровня 89 % от номинального заданного значения частоты вращения вала электродвигателя с минимальным снижением требуемого уровня объемного расхода жидкости, с дальнейшим переходом на длительный режим 62 % уровня от номинального без использования алгоритма компенсации токов
4. Разработаны технические решения по построению вентильноиндукторного двигателя с отказоустойчивым управлением при однократных и множественных отказах с обеспечением реализации в нем отказоустойчивых алгоритмов восстановления работоспособности
1. Разработаны математическая и имитационная модели трехфазного вентильно-индукторного двигателя, позволяющие исследовать рабочие и аварийные режимы электропривода как в односекционном, так и двухсекционном исполнении. Разработаны математическая и имитационная модели электроцентробежного насоса добычи нефти, транспортного средства на базе вентильно-индукторного электродвигателя, позволяющие исследовать работу погружного насоса или транспортного средства в аварийных и неполнофазных рабочих режимах. Рассмотрен режим пуска на двух фазах.
2. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазным вентильно-индукторным электроприводом позволяющие базируясь на матрице отказов обеспечить отказоустойчивость и живучесть при одиночном и множественных отказах одной или нескольких фаз электродвигателя. Показано, что трехфазный вентильно-индукторный двигатель 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, а также совмещенного алгоритма позволяет поддержать частоту вращения на уровне 85-90% от значения до момента возникновения аварии. В однофазном режиме 33-66% в зависимости от алгоритма управления. Показано, что при работе с разработанным алгоритмом отказоустойчивого управления с увеличением амплитуд фазных токов реализуется возможность полного восстановления работоспособности установки электроцентробежного насоса с вентильно-индукторным электродвигателем. Показано, что в траспортном средстве при отказе одной фазы возможно восстановить заданную скорость транспортного средства вплоть до 95% от начального значения при применении алгоритма управления трехфазным вентильно-индукторным двигателем с компенсацией момента за счет изменения угла перекрытия фаз и увеличения амплитуд фазных токов. При обрыве второй фазы показано, что значение скорости падает до уровня 43% от начального.
3. Разработана математическая и имитационная модели бездатчикового четырехфазного вентильно-индукторного электропривода насосного агрегата в аварийных и неполнофазных режимах работы. Показано, что при использовании отказоустойчивого управления с переключением структуры и смещением векторов потока после обрыва одной фазы и перехода в 3-х фазный режим работы 4-х фазного вентильно-индукторного двигателя провал частоты вращения составляет 38% от номинального уровня, и двигатель продолжает устойчивое функционирование в аварийном режиме работы. При совместном использовании алгоритма бездатчикового управления и алгоритма компенсации момента за счет увеличения амплитуды фазных токов после отказа типа «обрыв фазы» электродвигателя работоспособность можно кратковременно восстановить до уровня 89 % от номинального заданного значения частоты вращения вала электродвигателя с минимальным снижением требуемого уровня объемного расхода жидкости, с дальнейшим переходом на длительный режим 62 % уровня от номинального без использования алгоритма компенсации токов
4. Разработаны технические решения по построению вентильноиндукторного двигателя с отказоустойчивым управлением при однократных и множественных отказах с обеспечением реализации в нем отказоустойчивых алгоритмов восстановления работоспособности
