СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВОДЯНЫХ НАСОСОВ Российский патент 2007 года по МПК H02P5/46 

Изобретение относится к области электропривода и может использоваться при автоматизации технологических процессов для управления группой параллельно работающих асинхронных электродвигателей.

Известна система управления с автоматическим резервированием (Цытович Л.И. А.с. 1294152 СССР, G05B 9/03, Н05K 10/100. Резервированная система автоматического управления электроприводом. №3920771/24, заявлено 02.08.85, опубл. 07.02.87, бюл. №5), содержащая интегрирующие развертывающие преобразователи, блоки диагностирования, датчики обратных связей, ключевой коммутатор, исполнительный механизм. Недостатком подобной системы является ее не полная надежность, вызванная отсутствием средств диагностирования ключевых коммутаторов.

Известен электропривод (А.с. 913824 СССР, G05B 11/01. Следящий электропривод. / Цытович Л.И. (СССР). - №3007071/24, заявлено 19.11.80, опубл. 15.03.82, бюл. №10), отличающийся повышенной помехоустойчивостью, в состав которого входят электродвигатель, широтно-импульсный преобразователь на базе интегратора и релейного элемента. Недостатком системы является низкая надежность по причине отсутствия резервных каналов преобразования управляющих воздействий и средств автоматического диагностирования.

Известен многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь (А.с. 1283801 СССР, G06G 7/12. Развертывающий преобразователь. / Цытович Л.И. (СССР). - №3945653/24, заявлено 22.05.85, опубл. 15.01.87, бюл. №2), содержащий (фиг.1) сумматоры 1, 2, группу параллельно работающих интеграторов 3, нечетное число релейных элементов 4-7 (фиг.1).

Система характеризуется высокой надежностью в работе и относится к классу систем с самодиагностированием активных компонентов схемы и автоматическим вводом в работу работоспособных элементов.

Недостатком известного технического решения является невозможность автоматического ввода в работу электродвигателей либо других исполнительных механизмов, управляемых выходными сигналами релейных элементов. В результате, обладая собственной высокой надежностью, известная система не в состоянии обеспечить автоматическое резервирование управляемых им внешних силовых агрегатов.

Наиболее близкой к предлагаемой технической системе является система управления группой электроприводов (заявка №2003114987/09 «Система управления группой асинхронных электроприводов водяных насосов», G05B 9/03, опубликована 2004.12.10), содержащая два сумматора, интегратор, n-ое нечетное число (n≥3) релейных элементов, четное n-1 число регуляторов напряжения, четное n-1 число блоков логической функции «И», четное n-1 число исполнительных асинхронных электродвигателей (в дальнейшем считаем, что водяные насосы входят в состав последних), четное n-1 число блоков логической функции «Запрет», блок диагностики, клемму для подключения источника сигнала задания. Регуляторы напряжения содержат входы для подключения источника сигнала задания, выходы для контроля наличия напряжения на выходе источника электропитания системы управления регулятора, выходы блока селективных защит для контроля аварийного отключения регулятора напряжения. Выходная магистраль служит для подачи воды на технологический объект.

Недостатком системы-прототипа является то, что при выходе из строя релейного элемента с минимальными порогами переключения (звено 4, фиг.1) происходит аварийное отключение системы в целом, так как в этом случае режим автоколебаний передается на следующий по порядку релейный элемент (звено 5, фиг.1) и соответствующий регулятор напряжения переходит в состояние дискретно-импульсного высокочастотного управления, что является недопустимым.

Таким образом, система-прототип характеризуется низкой надежностью при отказах релейных элементов многозонного регулятора.

Технической задачей изобретения является - повышение надежности работы системы управления группой электроприводов.

Поставленная задача достигается за счет того, что в системе управления группой электроприводов водяных насосов, содержащей последовательно включенные источник сигнала задания, многозонный развертывающий преобразователь, состоящий из первого сумматора, интегратора, выход которого подключен к группе из n-го числа релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, а также n≥3 - нечетное число групп, каждая из которых состоит из последовательно соединенных регулятора напряжения асинхронного электродвигателя и водяного насоса, выходы которых подключены к общей водяной магистрали, согласно изобретению в каждую из указанных групп из n≥3 - нечетного числа последовательно введены сглаживающий фильтр и дополнительный релейный элемент, причем вход каждого из сглаживающих фильтров подключен к выходу соответствующего релейного элемента, а выход каждого из дополнительных релейных элементов соединен с входом соответствующего регулятора напряжения.

Существенным отличием предлагаемой системы является ее повышенная надежность работы при отказах релейных элементов.

Поставленная техническая задача достигается за счет введения группы из n≥3 - нечетного числа последовательно включенных сглаживающего фильтра и дополнительного релейного элемента, причем вход каждого из сглаживающих фильтров подключен к выходу соответствующего релейного элемента, а выход каждого из дополнительных релейных элементов соединен с входом соответствующего регулятора напряжения. При этом сглаживающие фильтры выделяют среднее значение сигнала на выходе каждого из релейных элементов, которое с помощью дополнительных релейных элементов преобразуется в сигнал логической «1» или «0». Это позволяет независимо от отказов релейных элементов сохранить работоспособность системы управления в целом, т.е. повышает надежность работы группы электроприводов.

При исследовании предлагаемой системы по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие признаки, эквивалентные признакам заявляемой системы, и, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - структурная схема предлагаемой системы;

фиг.2 - характеристики «вход-выход» релейных элементов предлагаемой системы;

фиг.3 - функциональная схема тиристорного регулятора напряжения (РН) для плавного пуска асинхронного электродвигателя;

фиг.4, 5 - временные диаграммы сигналов предлагаемой системы.

В состав системы (фиг.1) входят многозонный развертывающий преобразователь МРП, состоящий из сумматоров 1, 2, интегратора 3 и релейных элементов 4-7, источник сигнала задания 8, сглаживающие фильтры первого или более старшего порядка 9-12, дополнительные релейные элементы 13-16, регуляторы напряжения 17-20, исполнительные асинхронные электродвигатели 21-24, водяные насосы 25-28, отводящая водяная магистраль 29.

Регулятор напряжения (РН) (фиг.3) выполнен по типовой структуре [1, 2] и содержит автоматические выключатели силовой 30 и оперативной 31 цепей РН, устройство синхронизации 32, фазосдвигающие устройства 33-35, формирователь импульсов управления 36 силовыми тиристорами блока 37, трансформаторы тока 38, включенные в каждую фазу А, В, С напряжения сети, датчик тока 39, реализованный, например, на основе трехфазного мостового выпрямителя, интегральный регулятор тока 40, сумматор 41. Силовые ключи блока 37 выполнены по схеме «тиристор-тиристор».

Элементы предлагаемой системы имеют следующие характеристики.

Сумматоры 1, 2 имеют линейную неинвертирующую характеристику «вход-выход» и единичный коэффициент передачи по каждому из входов.

Интегратор 3 (фиг.1) реализуется по типовой схеме на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи. При скачке входного сигнала, например, положительной полярности выходной сигнал звена 3 изменяется линейно со знаком, противоположным знаку входного воздействия.

Релейные элементы 4-7 имеют симметричную относительно нуля неинвертирующую петлю гистерезиса (фиг.2, а) с порогами переключения ±b_i. При этом выходной сигнал релейных элементов 4-7 меняется дискретно в пределах ±А/n, где n≥3 - нечетное число блоков 4-7.

Дополнительные релейные элементы 13-16 выполнены с характеристикой, показанной на фиг.2б и имеют пороговые уровни срабатывания С₁>С₂. Выходной сигнал релейных элементов 13-16 меняется дискретно от «0» до «+А».

Фильтры 9-12, например, апериодические первого порядка имеют передаточную функцию вида W(p)=1/(1+Тр), где Т - постоянная времени.

Пуск регуляторов напряжения 17-20 производится сигналом «+А» (логическая «1»). При этом в период пускового режима ток статора электродвигателей 21-24 ограничивается на заранее заданном уровне за счет контура обратной связи по току статора и интегрального регулятора тока (фиг.3, блоки 38, 39, 40, 41). Переход РН 17-20 в закрытое состояние и торможение исполнительных механизмов 21-28 осуществляется при сигнале логического сигнала «0» на входе РН.

На фиг.1-5 введены следующие обозначения:

Х_вх - сигнал на выходе источника 8;

Y_и(t) - выходной сигнал интегратора 3;

Y_Р1(t), Y_Р2(t), Y_Р3(t) - выходные сигналы релейных элементов 4, 5, 6 соответственно;

±b₁, ±b₂, ±b₃ - пороги переключения релейных элементов 4, 5, 6 соответственно;

±А/3 - амплитуда выходных импульсов релейных звеньев 4, 5, 6 и сумматора 2;

±А - максимальная амплитуда выходного сигнала интегратора 3 и сумматора 2;

Y_Ф1(t), Y_Ф2(t), Y_Ф3(t) - выходные сигналы сглаживающих фильтров 9, 10, 11 соответственно;

Y₀₁, Y₀₂, Y₀₃ - выходные сигналы дополнительных релейных элементов 13, 14, 15 соответственно;

Y_ВЫХ(t) - выходной импульсный сигнал сумматора 2;

Y₀ - среднее значение импульсов на выходе сумматора 2;

Y_H - максимальный выходной сигнал интегратора 3;

Y_0i - период выходных импульсов релейных элементов 4, 5, 6 и сумматора 2.

Система управления работает следующим образом.

Звенья 1-7 (фиг.1) в совокупности образуют многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь (МРП) с частотно-широтно-импульсной модуляцией. В общем случае число релейных элементов должно удовлетворять условию n≥3 - нечетное число, причем для получения требуемого числа «k» модуляционных зон необходимо n=2k-1. В дальнейшем ограничимся количеством релейных элементов n=3.

Два из исполнительных каналов, например 9, 13, 17, 21, 25 и 10, 14, 18, 22, 26, являются резервными, а третий - 11, 15, 19, 23, 27 - рабочим. Однако деление электроприводов на рабочий и резервный является условным, так как при соответствующем выборе параметров системы, как будет показано ниже, любой из исполнительных каналов может оказаться как в роли рабочего, так и резервного электропривода.

Релейные элементы 4-6 имеют симметричную относительно нулевого уровня неинвертирующую петлю гистерезиса (фиг.2а) и пороги переключения, удовлетворяющие условию |±b₁|<|±b₂|<|±b₃| (фиг.4б). Выходной сигнал всех релейных элементов меняется дискретно в пределах ±А/n (в данном случае ±А/3). Здесь и далее считаем, что изменение уровня сигнала с выхода блока 8 совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования (смены знака производной выходного сигнала интегратора 3).

При включении МРП и нулевом входном сигнале Х_вх релейные элементы 4, 5, 6 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.4в-д). Под действием сигнала развертки Y_И(t) с выхода интегратора 3 (фиг.4б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 блоков 4, 5 (фиг.4в, г, моменты времени t₀₁, t₀₂), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал Y_И(t) нарастает в положительном направлении. Начиная с момента времени выполнения условия Y_И(t)=b₁, МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y_И(t) ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 4, имеющего минимальное значение порогов переключения, а РЭ 5, РЭ 6 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y_P2(t), Y_P3(t) состояниях (фиг.4г, д). Выходная координата Y_ВЫХ(t) МРП формируется за счет переключений РЭ 4 (фиг.4в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.4е). При отсутствии X_вх (фиг.4а, t<t₀) среднее значение Y₀ импульсов Y_вых(t) равно нулю.

Наличие входной координаты X_ВХ<(А/3) (фиг.4a, t₀<t<t₀ ^*) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y_ВЫХ(t), так как в интервале t₁ (фиг.4в) развертка Y_И(t) (фиг.4б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 1 (фиг.4а, е), а в интервале t₂-dY_И(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y₀≡Х_ВХ (фиг.4е).

Предположим, что в момент времени t₀ ^* сигнал X_вх увеличился дискретно до величины (А/3)<Х_ВХ<А (фиг.4а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний РЭ 5, РЭ 6, который заканчивается в момент времени t₀₃, когда РЭ 3 переключается в идентичное положение -А/3 (фиг.4д). Координата Y_вых(t) достигает уровня -А (фиг.4е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t₁, t₂ (фиг.4в) скорость формирования развертывающей функции Y_И(t) (фиг.4б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 1. При этом сигнал Y₀ включает постоянную составляющую -А/3 и среднее значение импульсного потока Y_ВЫХ(t) второй модуляционной зоны (фиг.4е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты Х_ВХ сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных).

Модуляционная и амплитудная характеристики МРП для любой i-ой модуляционной зоны определяются соотношениями:

где - нормированное значение порога переключения b₁; - нормированная величина входного сигнала МРП, причем n - количество релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число; Z_i=1, 2, 3... - порядковый номер модуляционной зоны; γ=t₁/(t₁+t₂) - скважность выходных импульсов МРП; ±А - максимальная амплитуда выходного сигнала МРП; Т_И - постоянная времени интегратора.

Запуск регуляторов напряжения 17-19 (фиг.1) производится сигналом положительной полярности с выхода соответствующего из дополнительных релейных элементов 13-15 (фиг.1) (логическая «1»). Применительно к рассмотренной ситуации, в рабочем состоянии оказывается канал 11, 15, 19, так как на выходе блока 15 формируется «1» (фиг.4д, интервал времени t≤t₀₃), a каналы 9, 13, 17, 21, 25 и 10, 14, 18, 22 выключены напряжением «0» с выходов блоков 13, 14, что обеспечивается отрицательным по знаку средним значением импульсного сигнала Y_P1(t) (фиг.4в) и «отрицательным» статическим состоянием релейного элемента 5 (фиг.4г).

Ситуация с помощью блока 8 может быть изменена. Например, если МРП будет работать в первой модуляционной зоне, а напряжение Х_ВХ будет выбрано по знаку отрицательным и меньшим по модулю, чем -А/3, то релейный элемент 4, находясь в режиме автоколебаний, сформирует на выходе импульсы с средним значением положительного знака. Сигнал с выхода фильтра 9 будет удовлетворять условию Y₀₁>C₂, что приведет к включению канала 9, 13, 17, 21, 25. В этом случае в выключенном положении будет находиться только каскад 10, 14, 18, 22, 26.

При условии |-А/3|<|-Х_ВХ|<|-А| сложится ситуация, при которой все электроприводы будут включены, так как (Y₀₂=Y₀₃=+A/3)>С₂, и среднее значение выходного сигнала релейного элемента 4 также положительное. В результате на выходе фильтра 9 сформируется напряжение Y₀₁>C₂. При этом дополнительные релейные элементы 13, 14, 15 перейдут в положение логической «1», запустив тем самым РН 17, 18, 19.

Таким образом, в общем случае число включенных исполнительных каналов регулирования определяется знаком и уровнем напряжения с выхода блока 8. Однако для получения эффекта саморезервирования исполнительных механизмов системы необходимо, чтобы, по крайней мере, один из них изначально выполнял функции резервного канала регулирования и находился бы в выключенном положении. Поэтому в дальнейшем принимаем в качестве базовой ситуацию, когда каналы 9, 13, 17, 21, 25 и 10, 14, 18, 22, 26 являются резервными, а третий канал 11, 15, 19, 23, 27 считаем рабочим.

Рассмотрим принцип действия МРП при последовательных катастрофических отказах релейных элементов 4, 5, 6 (фиг.1), когда они в результате своей неработоспособности самопроизвольно устанавливаются в неуправляемое состояние +А/3 или -А/3.

При переходе РЭ 4 в неуправляемое состояние Y_P1(t)=-A/3 (фиг.5б, момент t₀₁) первоначальное выключенное состояние канала 9, 13, 17, 21, 25 не изменится, так как дополнительный релейный элемент 13 будет продолжать находиться в выключенном положении. При этом сигнал развертки Y_И(t) (фиг.5а) продолжает нарастать в положительном направлении, осуществляя поиск работоспособного РЭ. Начиная с момента времени t₁, когда Y_И(t)=b₂ (фиг.5а), в режим автоколебаний входит РЭ 5 (фиг.4в), а сигнал Y_И(t) изменяется в пределах ±b₂ (фиг.4а). Поскольку скважность выходных импульсов РЭ 5 соответствует скважности импульсов Y_P1(t) ранее работоспособного РЭ 4, то выключенное состояние канала 10, 14, 18, 22, 26 сохраняется.

Если в момент t₀₂ сигнал Y_P2(t)=А/3=const (фиг.5в), то выходные сигналы РЭ 4, РЭ 5 взаимно компенсируются (фиг.5б, в), а автоколебания возникают в тракте РЭ 6 (фиг.5а, г, д, момент времени t₂). При этом включается канал 10, 14, 18, 22, 26, а тракт 11, 15, 19, 23, 27 выводится из работы. Последнее объясняется тем, что на выходе РЭ 6 формируются импульсы со средним значением отрицательного знака. Это вызывает переход дополнительного релейного звена в «0» и выключение ранее работающего РН 19.

Однако в случае перехода РЭ 5 в неуправляемое состояние -А/3 (фиг.5в, момент t₀₂, пунктир) МРП переходит из автоколебательного в статическое состояние. Выходной сигнал интегратора 3 продолжает нарастать в положительном направлении (фиг.5а, пунктир), пока не достигнет зоны насыщения Y_Н статической характеристики операционного усилителя. В результате выходной сигнал РЭ 6 фиксируется в положении +А/3 (фиг.5г, пунктир), что в итоге приводит к формированию на выходе сумматора 2 статического сигнала -А/3 (фиг.5д, пунктир). В работу включается вновь канал 11, 15, 19, 23, 27. Формально система продолжает выполнение своих функций, однако, находясь при этом в аварийном положении.

Последовательные «единичные» по выходу «катастрофические» отказы релейных элементов не нарушают работоспособности непосредственно МРП, однако приводят к снижению его частоты автоколебаний (полосы пропускания), так как Т₀₃>Т₀₂>Т₀₁ (фиг.5д). Подробно режимы автоматического резервирования в МРП с учетом резервирования интеграторов рассмотрены в работе [3]. Сохранение МРП своей работоспособности при отказах РЭ объясняется замкнутым характером его структуры и наличием интегратора в прямом канале регулирования.

Отличительным качеством предлагаемой системы управления является ее более высокая степень надежности по сравнению с прототипом. Действительно, если в системе-прототипе релейный элемент 4 с минимальными порогами переключения в результате своего отказа переходит в статическое состояние, то режим автоколебаний передается на следующий релейный элемент. Однако соответствующий РН не может управляться импульсным сигналом, что вызывает отключение системы управления в целом. В результате эффект саморезервирования касается только отказов релейных элементов 5, 6, 7 МРП.

В предлагаемой системе этот недостаток устранен за счет введения фильтров 9-12 и релейных элементов 13-16 (фиг.1). Независимо от того, какой из релейных элементов 4-7 находится в режиме автоколебаний, на выходе фильтров 9-12 формируется «гладкий» сигнал, преобразуемый в сигнал «0» или «1» с помощью дополнительных релейных элементов 13-16, что позволяет расширить диапазон ситуаций, при которых система остается работоспособной. При этом параметры фильтров должны выбираться таким образом, чтобы амплитуда пульсаций их выходных сигналов находилась бы «внутри» зоны С₂-С₁ характеристики «вход-выход» релейных элементов 13-16 (фиг.1, фиг.2б). Тем самым исключаются ложные срабатывания релейных элементов 13-16 под действием пульсирующей составляющей выходных сигналов фильтров 9-12. Постоянная времени фильтров 9-12 должна выбираться из наихудшей по сочетанию отказов ситуации (минимальной частоты автоколебаний МРП, фиг.5е, период Т₀₃).

Предлагаемое техническое решение предполагается использовать при автоматизации режимов работы группы электроприводов системы оборотного цикла водоснабжения цеха №2 ОАО «Челябинский трубопрокатный завод». Предполагаемый годовой экономический эффект за счет внедрения подобной системы составляет 820000 руб., основными составляющими которого являются:

- сокращение потребления электроэнергии за счет перевода исполнительных электродвигателей из непрерывного в повторно-кратковременный режим работы;

- сокращение эксплуатационных расходов на ремонт и обслуживание в среднем на 70-80%;

- ликвидация простоя оборудования из отказов элементов системы управления.

Источники информации

1. Цытович Л.И., Гафиятуллин Р.Х., Маурер В.Г., Рахматулин P.M. Интегрирующая развертывающая система импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями для электроприводов с источниками питания ограниченной мощности. Электротехнические системы и комплексы. Межвузовский сб. науч. трудов, МГМА, Магнитогорск, 1996, с.29-38.

2. Гафиятуллин Р.Х., Цытович Л.И., Маурер В.Г., Рахматулин P.M. Комплекс тиристорных преобразователей для плавного пуска асинхронных электродвигателей. // Научно-техн. семинар «75 лет отечественной школы электропривода», тезисы докладов, С.Петербург, 1997, с.50.

3. Цытович Л.И. Многозонный развертывающий преобразователь с адаптируемой в функции неисправности активных компонентов структурой. // Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР, 1988. - №1. - С.81-85.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в электроприводе при автоматизации технологических процессов для управления группой параллельно работающих асинхронных электродвигателей. Техническим результатом является повышение надежности работы. В состав системы управления группой электроприводов водяных насосов входят многозонный развертывающий преобразователь, состоящий из сумматоров, интегратора, релейных элементов, источник сигнала задания, сглаживающие фильтры, например, первого порядка, дополнительные релейные элементы, регуляторы напряжения для плавного пуска асинхронных электродвигателей, водяные насосы, отводящая водяная магистраль. 5 ил.

Система управления группой электроприводов водяных насосов, содержащая последовательно включенные источник сигнала задания, многозонный развертывающий преобразователь, состоящий из первого сумматора, интегратора, выход которого подключен к группе из n-го числа релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, а также из n≥3 - нечетного числа групп, каждая из которых состоит из последовательно соединенных регулятора напряжения асинхронного электродвигателя и водяного насоса, выходы которых подключены к общей водяной магистрали, отличающаяся тем, что в каждую из указанных групп из n≥3 - нечетного числа последовательно введены сглаживающий фильтр и дополнительный релейный элемент, причем вход каждого из сглаживающих фильтров подключен к выходу соответствующего релейного элемента, а выход каждого из дополнительных релейных элементов соединен с входом соответствующего регулятора напряжения.