Введение к работе
Диссертация посвящена разработке системы управления электромагнитными подшипниками энергетических машин, обеспечивающей высокую статическую и динамическую жесткость опор.
Актуальность темы
Электромагнитные подшипники находят применение во многих областях машиностроения. Наиболее перспективным направлением является замена гидростатических подшипников скольжения, применяемых в мощных электрических машинах и компрессорах газоперекачивающих агрегатов, на электромагнитные опоры. Это позволяет исключить маслосистему, необходимую для функционирования подшипников скольжения, значительно уменьшить потребление электроэнергии, идущей на нужды маслосистемы, и повысить коэффициент полезного действия энергетической машины.
Несмотря на большие достижения в области разработки и производства электромагнитных подшипников, этот вид опор не находит широкого применения. Объясняется это сложностью технической реализации электромагнитных подшипников, что приводит к их высокой стоимости. Другая причина малого применения существующих электромагнитных подшипников заключается в их низкой динамической жесткости, что сказывается на работоспособности энергетических машин.
Как правило, высокая стоимость и малая жесткость активных магнитных подшипников определяются технической реализацией их системы управления, без которой данный вид опор не может функционировать. Сложность существующих современных систем управления электромагнитными подшипниками вызвана теми методами, которые применялись при их синтезе.
Большинство известных работ, посвященных синтезу систем управления электромагнитным подвесом ротора, основаны на решении обратных задач динамики и обладают следующими недостатками. Во-первых, применение одноконтурных систем управления токами электромагнитов приводит к использованию простых пропорционально-дифференциальных и пропорционально-
интегрально-дифференциальных регуляторов, выходной координатой которых является ток электромагнита, что вызывает проблемы технической реализации, особенно при большой инерционности цепей обмоток магнитов. Во-вторых, при управлении напряжениями на обмотках электромагнитов применение метода обратных задач динамики приводит к синтезу сложных регуляторов и введению обратной связи по току. И, наконец, известные системы управления электромагнитными подшипниками, использующие такой метод синтеза, обладают низким быстродействием и малой динамической жесткостью. Это вызывает необходимость демпфирования колебаний гибкого ротора, что приводит к дальнейшему усложнению системы.
Отдельно следует отметить работы, посвященные созданию систем управления электромагнитными подшипниками, построенных по принципам многоконтурных систем с одной измеряемой координатой и подчиненного регулирования координат. Основными недостатками таких систем управления является относительно низкая жесткость электромагнитного подшипника.
Увеличение жесткости электромагнитных подшипников позволяет сместить резонансные частоты ротора энергетического агрегата за пределы частот вращения. Поэтому структурно-параметрический синтез системы управления, обеспечивающей высокие жесткостные свойства магнитных опор, является актуальной задачей.
Большинство современных разработок систем управления электромагнитными подшипниками ориентированы на цифровую техническую реализацию. Тем не менее, адекватных дискретных математических моделей систем управления электромагнитными опорами практически не существует.
Целью работы является структурно-параметрический синтез системы управления, обеспечивающей высокую статическую и динамическую жесткость электромагнитных подшипников энергетических машин.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи: 1. Разработать математическую модель электромагнитного подшипника,
учитывающую изменение параметров в функции перемещения ротора и сигналов управления.
-
Произвести структурный и параметрический синтез устройства электромагнитного подшипника, обеспечивающего высокие жесткостные свойства опоры.
-
Определить дискретную математическая модель процесса перемещения ротора в поле электромагнитов с учетом экстраполятора нулевого порядка.
-
Разработать математическую модель цифровой системы управления электромагнитным подшипником в виде дискретных передаточных функций и расчетных схем.
-
Провести исследования динамических и статических свойств разработанной цифровой системы управления электромагнитным подшипником с учетом основных нелинейностей.
Объектом исследования является электротехническая система магнитных подшипников энергетических машин.
Методы исследования
В работе использовались методы теоретических основ электротехники, теории линейных, нелинейных и импульсных систем управления, непрерывного прототипа, а также методы математического моделирования на персональном компьютере.
Научная новизна
-
Разработана уточненная математическая модель процесса перемещения ротора в поле электромагнитов с учетом экстраполятора нулевого порядка и вариации параметров в функции перемещения и изменения сигналов управления.
-
Произведен параметрический синтез двухконтурной и трехконтурной систем управления электромагнитными подшипниками, обеспечивающих высокие жесткостные свойства опор.
-
Разработаны математические модели цифровых систем управления электромагнитными подшипниками, позволяющие найти граничные, с точки зрения устойчивости, значения периода дискретизации по времени в функции параметров настройки регуляторов.
4. Определены достижимые показатели качества разработанной системы управления электромагнитным подвесом ротора с учетом основных нелинейно-стей.
Практическая ценность результатов работы заключается:
в методике синтеза систем управления электромагнитными подшипниками;
в разработанных вариантах технической реализации цифровых регуляторов системы управления электромагнитными подшипниками.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением строгих математических методов исследований, компьютерным моделированием и сравнением с результатами экспериментов.
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 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета в СамГАСУ (Самара, 2012) и III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» в СГАУ им. Вавилова (Саратов, 2012).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ, в том числе 4 статьи из Перечня, рекомендованного ВАК РФ, и 5 патентов на изобретение.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Уточненная математическая модель процесса перемещения ротора в поле электромагнитов с учетом экстраполятора нулевого порядка и вариации параметров в функции перемещения и изменения сигналов управления.
-
Структурно-параметрический синтез системы 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.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы изложена на 171 странице машинописного текста, иллюстрирована 100 рисунками и 10 таблицами. Библиографический список содержит 63 наименования на 8 страницах.
