БЕЗДАТЧИКОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ НА МАГИСТРАЛЬНОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ.

Аннотация: Рассмотрен вопрос бездатчикового управления вентильным электродвигателем на магистральной насосной станции нефтеперекачивающей станции.  Обсуждаются способы частотного регулирования электропривода, преимущества вентильного электродвигателя, недостатки датчика положения ротора.

Ключевые слова: вентильный электродвигатель, частотный преобразователь, датчик положения ротора, потокосцепление, противо-ЭДС.

Постоянное увеличение количества магистральных нефтепроводов на территории Российской Федерации ставит перед собой задачу осуществления стабильности и надежности работы процессов транспортировки нефти.

На сегодняшний день в мировой практике особое внимание уделяется использованию автоматизированных и энергосберегающих систем управления. В связи с усовершенствованием научно-практической базы, появлению новейших вычислительных программ разработка моделей управления энергетическими процессами является актуальной.

Как за рубежом, так и в нашей стране большое применение находят вентильные электродвигатели (ВД). Использование ВД осуществляется в различных областях промышленности, начиная от бытовой техники, автомобильного машиностроения, аэрокосмических разработок и других отраслей.

На сегодняшний день научные источники не дают однозначной формулировки вентильного двигателя. В общем случае ВД и вентильный электропривод (ВЭП) сводят в одно понятие.

Основными достоинствами ВД являются:  линейность нагрузочных характеристик;  бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания;  широкий диапазон изменения частоты вращения;  наивысшие энергетические показатели (КПД превышает 90%).

Большое количество публикаций, разработок и теорий описывают режимы вентильных электроприводов, внедренных в нефтегазовую отрасль. При этом проблемы транспортировки нефти и нефтепродуктов недостаточно исследованы.

Все больше внимания уделяется созданию не только более надежных и стабильных энергетических систем, но и менее энергозатратных.

В большинстве случаев насосы имеют привод от асинхронных электродвигателей, у которых отсутствует плавное регулирование частоты вращения ротора. Поэтому контроль насосных установок имеет технические трудности.

Применение частотного регулирования требует больших затрат на регулирующее оборудование и приводит к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью, а также характеризуется сложностью системы.

На рис.1 представлен пример обобщенной структуры частотного преобразователя (ЧП). Сама конструкция занимает достаточно большое физическое пространство, что иногда требует определенных изменений помещений, в которых установлены АД, а также такие электродвигатели нуждаются во внешних источниках возбуждения.

На рис.2 показана структурная схема вентильно-индукторного двигателя, основными элементами которой являются индукторная машина, преобразователь частоты, система управления и датчик положения ротора (ДПР).

Особое внимание заслуживает проблема бездатчикового управления ВД и возможность реализации его реализации на практике.

Уравнением электрического равновесия для описания вентильного двигателя является: где u – напряжение питания, i – ток цепи, R – активное сопротивление цепи, Ψ – потокосцепление, проходящее по всем виткам катушки. Из этого выражения следует, что приложенное напряжение к цепи, в которой есть индуктивная катушка, вызывает изменение потокосцепления за вычетом падения напряжения на активном сопротивлении обмотки.

Выразим потокосцепление Ψ(t): Основным элементом ВД является датчик положения ротора (ДПР), который осуществляет обратную связь по положению ротора. В большинстве ВД используется датчик Холла, недостаток которого заключается в том, что его работа может быть нарушена из-за восприимчивости электромагнитным помехам питающей цепи. В связи с этим появляется необходимость в моделировании бездатчикового управления ВД.

Выразим фазное напряжение uф как сумма падений напряжений в роторе на активной части iфR, индуктивной части  ∂Ψ∂ikdikdt, изменение противо-ЭДС и изменение напряжения из-за магнитного сопротивления : где iф- фазный ток, ik- ток, отличающийся по фазе, в процессе вращения ротора в определенный момент времени, θ- положение ротора, Ψf- потокосцепление ротора в определенный момент времени.

Пренебрегая магнитным сопротивлением и незначительной нелинейностью обмоток ротора, учитываем, что количество витков и наведенная взаимная индукция постоянна. В результате дифференцирования уравнения (3) получаем следующие соотношения для двигателя трехфазного напряжения: где М – взаимная индуктивность, L – самоиндукция.

Учитывая, что в ВД i1+i2+i3=0, заменим собственное и противо-ЭДС для каждой фазы на L:

Из полученных уравнений (5) наведенное ЭДС можно выразить как: где  Ln- индуктивность фазы, Ψn- потокосцепление фазы, θ- положение ротора.

Учитывая, что при незначительном изменении фазного тока, изменение положения ротора при этом пренебрежительно мало:

где Ψф- потокосцепление в фазе, iф – фазный ток, eф- фазное противо-ЭДС.