Система управления линейным магнитоэлектрическим двигателем в составе электрического комплекса тихоходного длинноходового поршневого компрессора Российский патент 2024 года по МПК F04B35/04 H02K41/02 F04D15/00 F04D13/06 G01L23/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления электрическими машинами возвратно-поступательного движения и может быть использовано в составе электрического привода поршневого компрессора.

В практике разработки и применения поршневых компрессорных агрегатов существует задача формирования закона движения поршня тихоходного длинноходового поршневого компрессора с заданными параметрами, включающие в себя не только амплитуду и частоту, но и возможность задания гармонического состава (несинусоидального закона движения поршня). Такая задача обусловлена, например, необходимостью плавного нагнетания газа с последующей быстрой фазой всасывания - это позволяет не перегревать компрессорную ступень. Ключевой особенностью линейного магнитоэлектрического двигателя (ЛМЭД) является прямо пропорциональная зависимость развиваемого электромагнитного усилия на штоке якоря от тока протекающего в обмотке двигателя. Кроме этого, известно решение задачи электромеханического преобразования энергии о влиянии закона движения на энергетические параметры линейной магнитоэлектрической машины, оптимизация закона движения якоря позволяет уменьшить величину относительны электрических потерь [Татевосян, А.А. Исследование рабочих процессов энергопреобразования в магнитоэлектрическом приводе тихоходного одноступенчатого поршневого компрессора на заданный закон движения якоря при обеспечении максимума КПД / А.А. Татевосян // Омский научный вестник. - 2020. - № 3(171). - С. 37-41. - DOI 10.25206/1813-8225-2020-171-37-41. - EDN MBZJKU.].

В связи с вышесказанным, проблема повышения ресурса малорасходных тихоходных поршневых агрегатов должна решаться с учетом всех возможных диапазонов изменения рабочих параметров, используемых в настоящее время.

Повышение ресурса рассматриваемых поршневых агрегатов возможно за счет применения системы управления, формирующей в обмотке форму тока с параметрами, обеспечивающими заданный ход движения поршня компрессора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является система управления центробежным насосом [Пат. №2511934 РФ]. Указанная система управления предназначена для повышения энергоэффективности установок центробежных насосов с частотным регулированием скорости вращения за счет учета гидравлических характеристик магистрали и насоса и сведения до минимума потерь мощности в силовом канале: центробежный насос - асинхронный двигатель.

Недостатком предложенной системы управления является невозможность ее применения для задания гармонического состава напряжения для обеспечения заданного закона движения подвижной части.

Технической задачей изобретения является повышение КПД линейного магнитоэлектрического двигателя в составе электротехнического комплекса тихоходного длинноходового поршневого компрессора за счет реализации способа управления, обеспечивающего заданный закон движения якоря линейной магнитоэлектрической машины и достижения минимума относительных потерь мощности в силовом канале: тихоходный длинноходовой поршневой компрессор - линейный магнитоэлектрический двигатель.

Система управления подключается к персональному компьютеру, позволяющему выводить информацию о развиваемом усилии, положении якоря, а также текущем значении давления газа в цилиндре компрессора. Кроме этого, система управления должна иметь возможность задать для линейного магнитоэлектрического двигателя закон движения индуктора, жестко связанного с поршнем компрессора.

Структура системы управления электротехнического комплекса представлена на фиг. 1 и включает в свой состав персональный компьютер 1 для работы с частотным преобразователем с микропроцессорным управлением 2 на основе задаваемых параметров движения и обработки данных, поступающих с датчиков измерительной системы, силовой канал: линейный магнитоэлектрический двигатель 3 - тихоходный длинноходовой поршневой компрессор 4, измерительную систему: датчик тока 5, датчик перемещения 6, датчик давления 7. Пунктирными линиями на фиг.1 отмечены информационно-измерительные связи между функциональными блоками электротехнического комплекса.

На фиг. 2 представлена структурная схема, включающая следующие функциональные блоки: блок задания (БЗ) 8 закона движения индуктора ЛМЭМ, блок сравнения 9 (БС), блок расчета требуемой скорости 10 (БРТС), блок регулирования частоты и напряжения (БРЧН) 11, блок расчета регулируемого параметра 12 (БРРП).

В блоке задания любым способом, например, в виде заданного по точкам графика или в виде набора гармонических составляющих, формируется необходимый для реализации закон движения якоря линейной магнитоэлектрической машины (зависимость хода якоря от времени). Блок сравнения получает информацию от блока задания, а также от блока расчета регулируемого параметра по данным измерительной системы и определяет разницу между заданными в блоке задания закона движения поршня с реальным законом движения поршня.

Блок расчета требуемой скорости осуществляет преобразование закона движения в набор синусных и косинусных составляющих скорости движения и формирует набор синусных и косинусных составляющих закона изменения тока.

В блоке регулирования частоты и напряжения по полученным значениям синусных и косинусных составляющих закона изменения тока формируется необходимая амплитуда гармонических составляющих напряжения и значений частоты, которые необходимо реализовать преобразователю частоты с микропроцессорным управлением.

Блок преобразователя частоты с микропроцессорным управлением реализует заданный гармоническим составом ток в обмотке линейной магнитоэлектрической машины.

Тихоходный длинноходовой поршневой компрессор является исполнительным механизмом привода.

Датчики тока, перемещения и давления предоставляют в программное обеспечение персонального компьютера информацию о текущих значении тока, положении якоря линейного магнитоэлектрического двигателя и давлении в камере тихоходного длинноходового поршневого компрессора. Датчики входят в измерительную систему электротехнического комплекса и предоставляют информацию для блока расчета регулируемого параметра.

Блок расчета регулируемого параметра по данным измерительных датчиков формирует данные о реальном законе движения поршня тихоходного длинноходового поршневого компрессора для сравнения с законом движения определенным блоком задания.

Для работы системы управления необходимо, в соответствии с техническим заданием на режим работы компрессора определить математическую формулировку необходимого закона движения поршня тихоходного длинноходового поршневого компрессора x(t) [Татевосян, А. А. Исследование рабочих процессов энергопреобразования в магнитоэлектрическом приводе тихоходного одноступенчатого поршневого компрессора на заданный закон движения якоря при обеспечении максимума КПД / А.А. Татевосян // Омский научный вестник. - 2020. - № 3(171). - С. 37-41. - DOI 10.25206/1813-8225-2020-171-37-41. - EDN MBZJKU] и внести данные в программном обеспечении в блок задания. Далее используя математическую формулировку для закона движения поршня тихоходного длинноходового поршневого компрессора программное обеспечение в блоке расчета скорости установленное на персональном компьютере определяет математическое выражение для скорости V(t) движения поршня и вычисляет гармонический состав скорости движения поршня V(t), например, c использованием широко известного алгоритма быстрого преобразования Фурье [Бронштейн И.Н., Семендяев, К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов: учеб. пособие. - СПб,: Изд. Лань, 2010 - С. 549-561]. Полученные значения синусных и косинусных составляющих скорости блоком расчета напряжения и частоты определяют форму тока i(t) в обмотке линейной магнитоэлектрической машины и являются входными параметрами для преобразователя частоты с микропроцессорным управлением.

Так как от тока в обмотке линейной магнитоэлектрической машины зависит закон движения поршня, то предложенная система управления позволяет осуществить управление линейной магнитоэлектрической машиной в составе электротехнического комплекса тихоходного длинноходового поршневого компрессора.

Обеспечивается возможность задания закона движения индуктора линейного магнитоэлектрического двигателя и реализуется управление частотным преобразователем на основе задаваемых параметров движения индуктора и обработки данных, поступающих с датчиков тока, перемещения и давления.

Технический результат изобретения направлен на: реализацию системы управления обеспечивающей повышение КПД линейного магнитоэлектрического двигателя в составе электротехнического комплекса тихоходного длинноходового поршневого компрессора за счет реализации заданного закона движения индуктора линейного магнитоэлектрического двигателя.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления электрическими машинами возвратно-поступательного движения, и может быть использовано в составе электрического привода поршневого компрессора. Технический результат изобретения заключается в реализации системы управления, обеспечивающей повышение КПД линейного магнитоэлектрического двигателя в составе электротехнического комплекса тихоходного длинноходового поршневого компрессора, за счет реализации заданного закона движения индуктора линейного магнитоэлектрического двигателя. Система управления линейным магнитоэлектрическим двигателем в составе электротехнического комплекса тихоходного длинноходового поршневого компрессора содержит блок задания, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход блока расчета регулируемого параметра соединен со вторым входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с входом блока расчета требуемой скорости, выход которого соединен с блоком регулирования частоты и напряжения. Выходы блока регулирования частоты и напряжения соединены с входами частотного преобразователя с микропроцессорным управлением. Силовые выходы частотного преобразователя с микропроцессорным управлением соединены с обмоткой линейного магнитоэлектрического двигателя, индуктор которого механически связан с поршнем тихоходного длинноходового поршневого компрессора. Измерение тока в обмотке двигателя обеспечивается датчиком тока, измерение перемещения поршня - датчиком перемещения, измерение давления в камере тихоходного длинноходового поршневого компрессора - датчиком давления. Выходы датчиков тока, перемещения и давления соединены с входами блока расчета регулируемого параметра. 2 ил.

Система управления линейным магнитоэлектрическим двигателем в составе электротехнического комплекса тихоходного длинноходового поршневого компрессора, содержащая блок задания, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход блока расчета регулируемого параметра соединен со вторым входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с входом блока расчета требуемой скорости, выход которого соединен с блоком регулирования частоты и напряжения, отличающаяся тем, что выходы блока регулирования частоты и напряжения соединены с входами частотного преобразователя с микропроцессорным управлением, силовые выходы частотного преобразователя с микропроцессорным управлением соединены с обмоткой линейного магнитоэлектрического двигателя, индуктор которого механически связан с поршнем тихоходного длинноходового поршневого компрессора, при этом измерение тока в обмотке двигателя обеспечивается датчиком тока, измерение перемещения поршня - датчиком перемещения, измерение давления в камере тихоходного длинноходового поршневого компрессора - датчиком давления, выходы датчиков тока, перемещения и давления соединены с входами блока расчета регулируемого параметра.