Введение к работе
Диссертация посвящена разработке методов синтеза многосвязной системы электромагнитных подшипников, обеспечивающих высокую статическую и динамическую жесткость опор энергетических объектов.
Актуальность работы
Применение электромагнитных подшипников является перспективным направлением в развитии энергетического машиностроения. Прежде всего, это касается замены гидростатических подшипников скольжения, применяемых в мощных электрических машинах и компрессорах газоперекачивающих агрегатов, на электромагнитные опоры.
В настоящее время несмотря на значительный прогресс в области разработки и производства электромагнитных подшипников, следует обратить внимание на тот факт, что такой тип опор не находит широкого применения в силу ряда причин. Прежде всего, электромагнитные подшипники уступают традиционным подшипникам качения и скольжения по своим массогабаритным показателям. Но не этот фактор является определяющим в ограничении применения. Основная причина заключается в сложности технической реализации электромагнитных подшипников и, как следствие, в их высокой стоимости.
Высокая сложность и стоимость связаны, как правило, с технической реализацией системы управления активными магнитными подшипниками, без которой данный вид опор в принципе не может функционировать. В свою очередь, сложность существующих современных систем управления электромагнитными подшипниками вызвана теми методами, которые применялись при их синтезе.
Известные подходы к синтезу систем управления электромагнитным под
весом ротора, основанные на решении обратных задач динамики, обладают ря
дом недостатков. Во-первых, применение одноконтурных систем управления
токами электромагнитов приводит к применению довольно-таки простых про
порционально-дифференциальных и пропорционально-интегрально-
дифференциальных регуляторов. Но при этом не рассматривается вопрос тех-
нической реализации таких регуляторов, выходной координатой которых является ток электромагнита. Во-вторых, при управлении по напряжению на обмотках электромагнитов применение метода обратных задач динамики приводит к синтезу сложных регуляторов и введению дополнительных обратных связей, в частности по току. И, наконец, разработанные системы обладают низким быстродействием и малой динамической жесткостью. Это вызывает необходимость демпфирования колебаний гибкого ротора, что приводит к дальнейшему усложнению системы.
При синтезе систем управления электромагнитными подшипниками применяются также методы линейно-квадратичной оптимизации, финитного управления, оптимальной фильтрации сигналов и другие. Все эти методы приводят к синтезу таких регуляторов, которые либо сложны по принципу технической реализации, либо статические или динамические свойства разрабатываемой системы становятся неудовлетворительными.
Следует также отметить, что известные математические модели процесса перемещения ротора в магнитном поле не учитывают вариацию параметров электромагнитных подшипников, которые зависят от положения ротора и величины сигналов управления, а также многомерность и многосвязность системы магнитных опор.
Поэтому разработка новых математических моделей электромагнитных подшипников, методов синтеза и собственно систем управления, обеспечивающих высокие жесткостные свойства магнитных опор, является актуальной задачей.
Следует также отметить, что разработка цифровых систем управления электромагнитными подшипниками требует более детального изучения их дискретных математических моделей.
Целью работы является создание комплекса методов синтеза многосвязной системы электромагнитных подшипников, обеспечивающих высокую статическую и динамическую жесткость опор энергетических объектов при одновременной простоте их технической реализации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать математическую модель процесса перемещения ротора в магнитном поле, учитывающую способ управления электромагнитами, вариацию параметров в функции перемещения и изменения соотношения токов, взаимовлияние каналов управления и гироскопический эффект.
-
Создать новые методы синтеза многосвязной системы электромагнитных подшипников, обеспечивающие высокую статическую и динамическую жесткость опор
-
Произвести структурно-параметрический синтез многосвязной системы электромагнитных подшипников с повышенными жесткостными характеристиками.
-
Исследовать статические и динамические свойства аналоговых прототипов разработанных систем управления электромагнитными подшипниками.
-
Разработать математические модели цифровых систем управления электромагнитными подшипниками, учитывающих квантование по времени.
-
Исследовать влияние основных нелинейностей на работу цифровой многосвязной системы электромагнитных подшипников в двух режимах: при всплытии ротора со страховочных подшипников и при отработке внешней возмущающей силы
-
Провести вычислительные и натурные эксперименты по исследованию динамических и статических свойств разработанной многосвязной системы электромагнитных подшипников энергетических объектов.
Объектом исследования является многосвязная система электромагнитных подшипников энергетических объектов.
Методы исследования
При теоретическом анализе в работе использовались методы теоретических основ электротехники, теории линейных и нелинейных систем автоматического управления, методы непрерывного прототипа, теории импульсных си-
стем, а также методы математического моделирования на персональном компьютере.
Научная новизна
-
Разработана математическая модель процесса перемещения ротора в магнитном поле как объекта управления, учитывающая закон формирования напряжений на обмотках электромагнитов, вариацию параметров при смещении ротора от центрального положения, многомерность и многосвязность объекта, вызванную взаимовлиянием каналов управления и гироскопическим эффектом.
-
Разработаны новые методы синтеза систем управления неустойчивыми объектами и обеспечения точного подхода к заданной координате.
-
Произведен структурно-параметрический синтез многосвязной системы электромагнитных подшипников, отличающихся большим быстродействием при отработке управляющих и возмущающих воздействий и обеспечивающих высокую статическую и динамическую жесткость опор при простоте технической реализации.
-
Разработаны математические модели цифровых систем управления электромагнитными подшипниками в виде дискретных передаточных функций, позволяющих определить условия устойчивости. Найдены граничные значения периода дискретизации по времени в функции параметров настройки регуляторов.
-
Исследовано влияние основных нелинейностей на работу цифровых систем управления электромагнитным подвесом в двух режимах: при всплытии ротора со страховочных подшипников и при отработке внешней возмущающей силы.
-
Разработаны методы обеспечения устойчивой работы быстродействующих астатических систем управления электромагнитными подшипниками с учетом ограниченного диапазона перемещения ротора в рамках зазора страховочных подшипников.
7. Исследовано влияние многомерности и многосвязности объекта управления на работоспособность и показатели качества электромагнитных подшипников.
Практическая ценность результатов работы заключается:
в инженерной методике синтеза многосвязной системы электромагнитных подшипников, обеспечивающей повышение жесткостных характеристик опор энергетических объектов;
в разработанных вариантах технической реализации цифровых регуляторов системы управления электромагнитными подшипниками.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением строгих математических методов исследований, компьютерным моделированием и натурными экспериментами.
Реализация результатов работы
Основные результаты работы были использованы ООО Фирма «Кали-нинградгазприборавтоматика» при разработке системы управления магнитным подвесом САУ МП «Неман-100», а также нашли применение в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», что подтверждается актами внедрения.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999), Всероссийском научно-техническом семинаре «Проблемы транспортировки газа» (Тольятти, 1999), 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета в СамГАСУ (Самара, 2012) и на III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2012).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ, в том числе 12 статей из Перечня, рекомендованного ВАК РФ, и 18 патентов и авторских свидетельств на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы изложена на 339 страницах машинописного текста, иллюстрирована 190 рисунками и 10 таблицами. Библиографический список содержит 103 наименования на 12 страницах.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математические модели электромагнитных подшипников.
-
Комплекс методов синтеза и анализа многосвязной системы электромагнитных подшипников, обеспечивающих их высокую статическую и динамическую жесткость при одновременной простоте технической реализации.
-
Структурно-параметрический синтез систем управления электромагнитными подшипниками, обеспечивающий высокие жесткостные свойства опор.
-
Математические модели цифровых систем управления электромагнитными подшипниками.
-
Результаты вычислительных и натурных экспериментов по определению статических и динамических свойств электромагнитных подшипников.
