Введение к работе
Актуальность темы. Высокий уровень современного инвестиционного климата в стране стимулирует опережающее развитие энергетики России и реализацию последних достижений техники и самых совершенных наукоемких технологий. Газовая промышленность является одной из ведущих и интенсивно развивающихся отечественных отраслей с непрерывным ростом производственных мощностей. Специфика отрасли заключается в необходимости дальнего транспорта энергоносителей по магистральным газопроводам от месторождений к потребителям. Это обусловливает необходимость сооружения вдоль трассы на расстоянии 100-150 км компрессорных станций (КС), обеспечивающих поддержание требуемого давления в магистрали с помощью турбокомпрессоров.
В качестве привода турбокомпрессоров преимущественное использование получили газотурбинные установки и электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ЭГПА). В настоящее время самым распространенным является вариант ЭГПА с электроприводом на основе синхронного двигателя (СД) с автоматизированным регулятором возбуждения на базе тиристорного возбудителя (ТВ). Такие электроприводы имеют перспективы благодаря своим неоспоримым преимуществам: относительно низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы, высокие показатели КПД, надёжности и наработки на отказ, отсутствие расхода газа и экологически вредных выбросов и шума.
Основой теории машин переменного тока являются труды Р.Парка и А.А.Горева. В области автоматического управления и регулирования СД значительный вклад внесли такие ученые, как М.М.Ботвинник, А.И.Важнов, В.А.Венников, Е.Я.Казовский и др. Вопросам возбуждения посвятили свои труды Б.Н.Абрамович, А.М.Вейнгер, И.А.Глебов, А.Е.Козярук, О.М.Костюк, С.И.Логинов, И.Д.Урусов. Значительно обогатили науку в вопросах устойчивости труды Г.Б.Онищенко, Д.П.Петелина, Ю.Г.Шакаряна. Данное направление науки развивалось в ОАО «Электропривод», УПИ, МЭИ и в ряде других отечественных научно-исследовательских и высших учебных заведений, а также в таких предприятиях, как ОАО «НИПОМ» (г. Дзержинск), ХК ОАО «Привод» (г. Лысьва).
Среди зарубежных исследований СД значительные работы выполнили Л.Дрейфус, Х.Ким, К.П.Ковач, Ч.Конкордия, Р.Лассетер, М.Лившиц, Р.Ранкин, И.Рац, А.Саад и др.
Основными направлениями развития и совершенствования ЭГПА является совершенствование систем автоматического регулирования возбуждения СД с целью обеспечения их устойчивой работы в статических и динамических режимах, организации плавного пуска для снижения пусковых токов и механических усилий, частотное управление скоростью двигателей с целью регулирования производительности нагнетателей.
Однако применяемые сегодня системы автоматизированного электропривода для ЭГПА не в полной мере удовлетворяют требованиям устойчивости и возможности управления в различных режимах работы привода. Это связано с тем, что нагнетатель, как нагрузка для СД, представляет собой сложный и мощный турбомеханизм со специфическими процессами, зависящими от большого количества детерминированных и случайных внешних воздействий. К последним в основном относятся: изменение напряжения питающей сети, параметры технологических факторов - давление и производительность, а также особенности параллельной работы нагнетателей на общий трубопровод. Такое случайное многофакторное воздействие на ЭГПА приводит к значительному изменению параметров давления компримированного газа, возможной потери устойчивости работы и проблемам получения требуемого давления на выходе. Универсальные же системы управления ЭГПА имеют "закрытое", неадаптированное под конкретные условия алгоритмическое обеспечение и поэтому не обеспечивают устойчивого управления приводом нагнетателя.
В этой связи, целью диссертационной работы является модернизация систем ЭГПА КС, заключающаяся в исследовании, разработке и внедрении автоматической системы регулирования возбуждения СД на основе бесконтактной системы измерения угла нагрузки, которая обеспечивает устойчивую работу и быстродействующую защиту СД от выпадения из синхронизма.
В связи с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:
Анализ современного состояния ЭГПА КС и выработка направлений совершенствования и модернизации данных систем.
Разработка математических моделей ЭГПА в разомкнутых и замкнутых системах регулирования с целью проведения адекватных исследований электромагнитных процессов и анализа существующих и предлагаемых систем автоматического управления.
Разработка бесконтактного датчика угла нагрузки СД, базирующегося на измерении доступных параметров синхронной машины и совместимого с разрабатываемой системой регулирования.
Разработка системы регулирования возбуждения СД с бесконтактным датчиком измерения угла нагрузки, обеспечивающей более высокие показатели в динамических режимах и более быстродействующую защиту от выпадения из синхронизма.
Методы исследования:
Для теоретических исследований использовались теория электрических машин переменного тока, теория автоматического управления и регулирования, матрично-операторный метод синтеза регуляторов. Экспериментальные исследования проводились на макетных образцах и на ЭГПА КС с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента. Исследования динамических режимов проводились методами математического моделирования с привлечением современных
компьютерных программных продуктов, в частности, пакетов ПО Mathcad, Matlat>HPSCAD4.01.
Научная новизна:
Разработана математическая модель датчика косвенного измерения угла нагрузки СД ЭГПА, защищенная патентом на полезную модель, отличающаяся измерением наиболее доступных параметров двигателя СТД-12500, что обеспечивает реализацию идентификатора угла нагрузки в сложных условиях функционирования КС.
Предложена система управления возбуждением СД ЭГПА с датчиком угла нагрузки, защищенная патентом на полезную модель, отличающаяся наличием канала регулирования по углу нагрузки, что обеспечивает снижение колебаний ротора при действии возмущений и построение более быстродействующего устройства защиты от выпадения двигателя из синхронизма.
Получены новые результаты моделирования динамических режимов работы ЭГПА КС с датчиком угла нагрузки, показывающие, что при воздействии возмущения снижается время и колебательность переходных процессов.
Практическая ценность
Разработана и внедрена система автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя ЭГПА с датчиком косвенного измерения угла нагрузки на компрессорной станции КС 17 «Карталинская» ООО «Газпром транс-газ Екатеринбург», защищенная патентом на полезную модель.
Разработаны алгоритмы и программа для реализации микропроцессорной системы регулирования ЭГПА с идентификатором угла нагрузки, защищенные свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Научные положения, выносимые на защиту
Принцип построения датчика косвенного измерения угла нагрузки, основанный на использовании доступных параметров СД.
Методика построения системы автоматического регулирования возбуждения СД ЭГПА КС с датчиком косвенного измерения угла нагрузки, обеспечивающая при внешних возмущениях более высокие динамические показатели электропривода.
Основные направления совершенствования и модернизации ЭГПА КС в газовой промышленности.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при разработке и внедрении автоматизированной системы управления АРВ СД ЭГПА с микропроцессорным идентификатором угла нагрузки для КС-17 «Карталинская» ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», на кафедре «Электрооборудование судов» НГТУ им. Р.Е.Алексеева в учебном процессе по курсам «Автоматизированные электромеханические системы автономных объектов», «Гребные электрические установки», а также в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы.
Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях:
VI Международная (XVII Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу (АЭП-2010), Тула, сентябрь, 2010;
13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Elec-tromaterials and Components (ICEEE-2010), Alushta, September, 2010.
XVI Международная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Бернадосовские чтения), Иваново, май, 2011.
Отраслевые научно-технические конференции ОАО «Газпром», (Н.Новгород, сентябрь, 2009; Тюмень, май 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 работ, включая 3 статьи в периодических журналах, рекомендованных ВАК [1,2,3], 2 патента на полезные модели и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ [5-8].
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 152 наименования, и приложений. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков.
