СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА
SYSTEM FOR AUTOMATIC CONTROL OF ROTOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах. Областью применения являются нагнетатели, компрессоры, турбодетандеры газоперекачивающих агрегатов.
Системы управления электромагнитным подвесом имеют свою специфику для тяжелых роторов горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг, используемых, например, в центробежных нагнетателях газоперекачивающих агрегатов. При увеличении массы ротора пропорционально возрастает масса и электрическая мощность магнитных подшипников, а их быстродействие падает, что снижает быстродействие системы управления в целом.
Известна «Система управления электромагнитным подвесом ротора» по патенту на изобретение RU 2460909 С1, МПК F16C 32/04, Н02K 7/09, Н02Р 6/16, G05B 6/00, G05B 11/36 (заявка 2011103758/07 от 02.02.2011, дата начала отсчета срока действия патента 02.02.2011, опубликовано 10.09.2012, патентообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», авторы Стариков Александр Владимирович, Стариков Станислав Александрович).
В системе управления электромагнитным подвесом ротора каждый канал системы управления содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференциальный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, пропорциональное звено, блок выделения модуля, блок задания, сумматор и блок деления.
Недостатками системы управления электромагнитным подвесом ротора являются следующие. Во-первых, не обеспечивается требуемое быстродействие, т.е. быстрое изменение магнитного поля электромагнитов, что важно для управления высокоиндуктивными обмотками электромагнитов в системе магнитного подвеса тяжелых роторов горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг, используемых, например, в центробежных нагнетателях газоперекачивающих агрегатов. Во-вторых, все элементы каждого канала системы управления электромагнитным подвесом ротора работают на аналоговых микросхемах, которые не обеспечивают гибкого изменения параметров при настройке, а также сложны в техническом обслуживании. В-третьих, сложная техническая реализация схемы системы управления электромагнитным подвесом ротора. В-четвертых, отсутствие возможности плавного изменения коэффициентов регуляторов в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.
Известен «Способ управления электромагнитными подшипниками и устройство для его осуществления» по патенту на изобретение RU 2290746 С1, МПК Н02Р 6/16, G05B 11/26 (заявка 2005118005/09 от 10.06.2005, дата начала отсчета срока действия патента 10.06.2005, опубликовано 27.12.2006, патентообладатели - Кравцова Елена Васильевна, Кочетов Дмитрий Александрович, Кравцов Дмитрий Викторович, авторы Кравцова Елена Васильевна, Кочетов Дмитрий Александрович, Кравцов Дмитрий Викторович.
Способу управления электромагнитными подшипниками и устройству для его осуществления характерно следующее. В данном способе управления электромагнитными подшипниками формирование токов, необходимых для стабилизации ротора в пространстве, осуществляют в двух частотных областях, низкочастотной и высокочастотной. Способ реализуют в устройстве, содержащем датчик положения ротора, интегральный регулятор, блок перемножения, форсирующий регулятор, силовой преобразователь, причем на входе интегрального регулятора, состоящего из блоков пропорционально-дифференциального и интегрального регулирования и блока первого сумматора, установлены блок аналого-цифрового преобразователя с предвключенным блоком фильтра низких частот, а на выходе форсирующего регулятора установлен режекторный фильтр или группа режекторных фильтров, блок второго сумматора, блок инвертирования и блоки формирования сигналов широтно-импульсной модуляции.
Недостатками способа управления электромагнитными подшипниками и устройства для его осуществления являются следующие.
Отсутствие возможности плавного изменения коэффициентов регуляторов в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.
Известны «Магнитные подшипниковые системы и методы управления ими» по заявке США №20140145534 A1. "Magnetic bearing system and methods of controlling the same", pub. No: US 2014/0145534 A1, pub. Data: May 29, 2014, Applicant: General Electric Company, Inventor: Leonardo Cesar Kammer, Appl. No: 13/689,249, Filed: Nov. 29.2012.
Магнитная подшипниковая система состоит из двух электромагнитов, расположенных на одной оси с противоположных сторон от ротора. Система включает контроллер, рассчитывающий управляющее воздействие, необходимое для поддержания ротора в заданном положении. Система также содержит устройство компенсации нелинейности, рассчитывающее величину силы тока в первом электромагните и втором электромагните для поддержания требуемой жесткости при пусковых, номинальных режимах работы и при выключении.
Недостатками системы магнитных подшипников и методов управления ими являются следующие. Все элементы системы управления магнитных подшипников цифровые. Однако в системе отсутствует возможность плавного изменения коэффициентов регуляторов (в том числе демпфирования) в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.
Наиболее близким принятым за прототип является «Система управления электромагнитным подвесом ротора» по патенту на изобретение RU 2460909 С1.
Известная система не может быть применена из-за недостатков, к которым можно отнести следующие.
Во-первых, не обеспечивается быстродействие, т.е. быстрое изменение магнитного поля электромагнитов, что важно для управления высокоиндуктивными обмотками электромагнитов в системе магнитного подвеса тяжелых роторов горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг, используемых, например, в центробежных нагнетателях газоперекачивающих агрегатов. Во-вторых, все элементы каждого канала системы управления электромагнитным подвесом ротора работают на аналоговых микросхемах, которые не обеспечивают гибкого изменения параметров при настройке, а также сложны в техническом обслуживании. В-третьих, сложная техническая реализация схемы системы управления электромагнитным подвесом ротора. В-четвертых, отсутствие возможности плавного изменения коэффициентов регуляторов в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.
Задачами настоящего изобретения являются создание системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, которая обеспечивает требуемые критерии качества регулирования, заключающиеся в низком уровне вибрации, в высоком быстродействии системы, а также упрощение схемы, настройки и технического обслуживания системы управления.
Предлагаемая система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора позволяет достичь технический результат при использовании автоматического управления электромагнитным подвесом ротора большой массы путем создания такой схемы автоматического управления, которая упростит настройку и техническое обслуживание путем выполнения цифровой реализации системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, в использовании цифровых адаптивных схем построения регуляторов, в новой совокупности связей между элементами устройств, в новой схеме подключения обмоток электромагнитов к силовому преобразователю.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предложена система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал которой содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференциальный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, блок задания, отличающаяся тем, что каждый канал дополнительно снабжен блоком обработки сигнала вибрации, пропорциональным регулятором тока и датчиком тока, причем датчик положения ротора соединен с входом блока обработки сигнала вибрации, выход которого соединен с инверсным входом пропорционального регулятора, интегрального регулятора, дифференциального регулятора, выходы которых подключены к входу пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого подключен к пропорциональному регулятору с обратной связью по значению силы тока в обмотках электромагнитов, выход этого регулятора соединен с входом силового преобразователя, к выходу которого подключены обмотки электромагнитов, при этом выполняется адаптивная настройка регуляторов (пропорционального регулятора, дифференциального регулятора) в зависимости от сигнала, полученного на выходе блока обработки сигнала вибрации.
Подключение обмоток электромагнитов в трехфазный диодно-транзисторный мост выполнено таким образом, что общая точка обмоток электромагнитов подключается через транзисторный ключ к «минусу» блока питания.
Таким образом, предлагаемая система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора позволяет уменьшить уровень вибрации, улучшить быстродействие системы для тяжелых роторов массой, например, не менее 900 кг, решением компоновочной схемы подключения обмоток электромагнитов, в которой обмотки электромагнитов подключены в трехфазный диодно-транзисторный мост так, что общая точка обмоток электромагнитов подключается через транзисторный ключ к «минусу» блока питания, в результате чего можно отказаться от применения одного транзисторного ключа и упростить схему. Упростить настройку технической системы путем использования вместо аналоговых элементов цифрового контроллера, в котором математические блоки реализованы программно с возможностью быстрой настройки, уменьшить уровень вибрации за счет введения блока обработки сигнала вибрации, в котором анализируется частотный спектр вибрации ротора и в зависимости от полученных результатов автоматически корректируются параметры настройки регуляторов.
Для пояснения описываемого объекта на чертежах (фигурах) приведен перечень чертежей и наименования изображений на них:
Фиг. 1 - функциональная схема каждого канала системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора;
Фиг. 2 - схема подключения обмоток электромагнитов к силовому преобразователю;
Фиг. 3 - структурная схема одного канала системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора;
Фиг. 4 - график переходного процесса при всплытии ротора со страховочных подшипников;
Фиг. 5 - график переходного процесса по возмущению при центральном положении ротора.
Каждый канал (фиг. 1) содержит датчик положения ротора 1, блок задания положения вала 2, элемент сравнения 3, блок обработки сигнала вибрации 4, пропорциональный регулятор 5, интегральный регулятор 6, дифференциальный регулятор 7, пропорционально-дифференциальный регулятор 8, элемент сравнения 9, пропорциональный регулятор тока 10, датчик тока 11, силовой преобразователь 12, два электромагнита 13 и 14. Выходное значение датчика положения ротора 1 вычитается из значения блока задания 2 положения ротора в элементе сравнения 3. Разница подается на вход блока обработки сигнала вибрации 4, выходной сигнал которого подается одновременно на входы пропорционального регулятора 5, интегрального регулятора 6 и дифференциального регулятора 7. Сумма выходных значений регуляторов 5, 6, 7 подается на вход пропорционально-дифференциального регулятора 8, из выходного значения которого в элементе сравнения 9 вычитается значение силы тока, измеренное с помощью датчика тока 11 в обмотках электромагнитов 13, 14. Разница подается на вход пропорционального регулятора тока 10, выход которого соединен с входом силового преобразователя 12. К выходу силового преобразователя 12 подключены обмотки электромагнитов 13 и 14.
Перечисленные выше блоки 2…10 системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора выполнены программно в цифровом контроллере.
В качестве датчика 1 положения ротора может быть применен, например, индуктивный токовихревой датчик с блоком измерения.
Силовой преобразователь 12 представляет собой, например, транзисторный широтно-импульсный преобразователь, состоящий из широтно-импульсного модулятора и транзисторного моста, собранного по трехфазной полумостовой схеме.
В качестве датчика тока 11 может быть применен, например, датчик на основе эффекта Холла, с высоким быстродействием.
Электромагниты 13 и 14 располагаются на статоре роторной машины, например, на одной оси с противоположных сторон от ротора и могут быть выполнены, например, как явнополюсные или с распределенными обмотками.
Обмотки электромагнитов подключаются к диодно-транзисторному мосту, например, как показано на фиг. 2. Таким образом, что общая точка обмоток электромагнитов подключается через транзисторный ключ к «минусу» блока питания, что позволяет отказаться от применения одного транзисторного ключа и упростить схему.
Э
Предложенная система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора работает следующим образом. Изначально ротор находится на страховочных подшипниках. При включении системы управления в каждом канале датчик положения ротора 1 измеряет отклонение ротора от центрального положения. Разница между поддерживаемым центральным значением положения ротора в блоке задания 2 и измеренным значением подается на вход блока обработки сигнала вибрации 4, выход которого подается на вход пропорционального 5, интегрального 6 и дифференциального 7 регуляторов. В соответствии с передаточными функциями, реализованными в регуляторах 5…7, сумма выходных значений этих регуляторов подается на вход пропорционально-дифференциального регулятора 8. В соответствии с передаточной функцией, реализованной регулятором 8, выходное значение подается на вход элемента сравнения 9, где из этого значения вычитается измеренное с помощью датчика тока 11 значение силы тока в обмотках электромагнитов. Разница подается на вход пропорционального регулятора тока 10. Задача этого регулятора - поддержание значения тока, пропорционального выходному значению регулятора 8, а также компенсация постоянной времени Т обмоток электромагнитов. Выходное значение пропорционального регулятора тока 10 - это значение для силового широтно-импульсного преобразователя 12, пропорционально которому силовой преобразователь регулирует напряжение на обмотках электромагнитов 13 и 14.
В результате в обмотках электромагнитов 13 и 14 формируются такие токи, которые создают результирующую силу, поднимающую ротор со страховочных подшипников и удерживающую его в центральном положении (по датчику 1) в рабочих режимах.
Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора является полностью цифровой. Математическая реализация передаточных функций блока обработки сигнала вибрации 4, регуляторов 5…8, 10, а также блоков задания и сравнения 2, 3, 9 выполнена программно на базе промышленного цифрового контроллера с высоким быстродействием. Сигналы от датчика положения ротора 1 и датчика тока 11 оцифровываются с помощью аналогово-цифровых преобразователей. Силовой преобразователь 12 работает с цифровым входным сигналом широтно-импульсного модулятора.
ДП
П1
Д1
П2
П2
Д2
ШИМ
ДТ
З
ВХ
ШИМ
Э
ЭМ
F
Е
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>И</mi></msub><mi>p</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mi>Э</mi></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>m</mi><msup><mi>p</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Процессы, протекающие при работе предложенной системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, можно представить структурной схемой (фиг. 3). Здесь k - коэффициент передачи датчика положения 1; k - коэффициент передачи пропорционального регулятора 5;
- передаточная функция интегрального регулятора 6; Тр - передаточная функция дифференциального регулятора 7; k - коэффициент передачи пропорционально-дифференциального регулятора 8; k(1+Тp) - передаточная функция пропорционально-дифференциального регулятора 8; k - коэффициент передачи силового широтно-импульсного преобразователя 12, является также коэффициентом передачи пропорционального регулятора тока 10; k - коэффициент передачи датчика тока 11; x, F и x - сигналы задания (поддерживаемое центральное положение ротора от блока задания 2), возмущающей силы и текущего положения ротора, соответственно. Остальные динамические звенья в совокупности представляют собой линеаризованную математическую модель процесса перемещения ротора в поле электромагнитного подшипника под действием управляющего сигнала на входе силового преобразователя 12. Коэффициенты передачи k и U характеризуют параметры силового преобразователя 12: коэффициент передачи широтно-импульсного преобразователя и напряжение питания транзисторного моста. Динамическое звено с передаточной функцией
(T - постоянная времени электрической цепи обмоток электромагнитов) связывает приращение соотношения токов в электромагнитах 13 и 14 с приращением напряжения на обмотках, причем заведомо принимается такой закон коммутации транзисторов моста, что увеличение напряжение на одной из обмоток приводит к такому же уменьшению напряжения на другой. Коэффициент передачи k связывает силу, действующую со стороны электромагнитов на ротор при его центральном положении, с соотношением токов в электромагнитах. Коэффициент передачи k характеризует изменение силы, действующей на ротор, при его отклонении от центрального положения. Динамическое звено
в соответствии со вторым законом Ньютона определяет перемещение ротора под действием результирующей силы. Коэффициент передачи k характеризует приращение наводимой в обмотках электромагнитов эдс со скоростью перемещения ротора в магнитном поле.
П1
Д1
ф1
ф2
В блоке обработки сигнала вибрации 4 коэффициент усиления системы управления автоматически изменяется в зависимости от частоты сигнала отклонения положения ротора в соответствии с передаточной характеристикой фильтра низких частот второго порядка
- для коэффициента передачи k пропорционального регулятора 5 и в соответствии с передаточной функцией фильтра низких частот второго порядка
- для постоянной времени дифференцирования T дифференциального регулятора 7. k, k - весовые коэффициенты, определяющие степень влияния фильтров на выходной сигнал блока обработки вибрации. Адаптивные по частоте входного сигнала регуляторы 5, 7 позволяют обеспечить устойчивость системы автоматического управления во всем рабочем диапазоне частот вращения ротора.
Величина постоянной времени пропорционально-дифференциального регулятора 8
ПД
П2
Д2
W(p)=k(1+T)
Д2
Э
П2
П1
И
определяется, например, из соотношения T=3T, а коэффициент передачи k этого регулятора может варьироваться в широких пределах. Величины коэффициента передачи k пропорционального регулятора 5 и постоянной времени T интегрального регулятора 6 в соответствии с условием устойчивости также могут выбираться из широкого ряда значений.
E
ЭМ
F
Э
ШИМ
П1
Д1
П2
Д2
И
ДП
ДТ
ф1
ф2
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
ПП
max
-3
a
a
Моделирование на компьютере показывает достижимые показатели предлагаемой системы управления электромагнитным подвесом ротора. На фиг. 4, 5 приведены графики переходных процессов при всплытии ротора со страховочных подшипников и при действии возмущающей силы при исходном центральном положении ротора. В расчетах приняты следующие параметры электромагнитного подвеса ротора, например, турбины: k=1461 Вс/м; k=1306 Н; k=1315900 Н/м; m=900 кг; T=0,038233 с; k=1,9608·10; U=247 В; k=0,01; T=0,000115 с; k=1; T=0,112 с; T=0,5 с; k=4096000 дискрет/м; k=2048 дискрет/А; k=0,5; k=0,5; =3948; b=0,6547; c=0,0001081; d=3948; e=88,86; f=1,0; =194100; b=31,13; c=0,004862; d=194100; e=622; f=1,0. Анализ графиков показывает, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора наблюдается высокое быстродействие во всех режимах работы. Ротор всплывает со страховочных подшипников, имеющих зазор в рабочем состоянии δ=0,25 мм, за время t=0,5 с. Динамический провал ротора при ударном приложении силы в 1 Н составляет Δx=0,0018 мкм. Следует также отметить, что ротор возвращается в центральное положение после приложения нагрузки.
Правильность заявленного технического решения подтверждена вводом в промышленную эксплуатацию системы автоматического управления для нагнетателей типа НЦ-16 с электромагнитными подшипниками ротора на КС-22 «Помарская» Волжского ЛПУ МГ филиала ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород».
Таким образом, предложенная система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора обеспечивает низкий уровень вибрации, высокое быстродействие системы, а также упрощение схемы, настройки и технического обслуживания системы управления.