СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
4807
УДК 681.52
СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ МАГНИТНЫМ
ПОДВЕСОМ РОТОРА
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
УСТАНОВКИ
С.А. Тогузов
Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н.Туполева
(КНИТУ-КАИ)
Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
E-mail: ta_cheb@mail.ru
Ю.К. Евдокимов
Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н.Туполева
(КНИТУ-КАИ)
Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
E-mail: evdokimov@tre.kstu-kai.ru
Т.А. Изосимова
Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н.Туполева
(КНИТУ-КАИ)
Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
E-mail: ta_iz@mail.ru
Ключевые слова: активный магнитный подшипник, система автоматического управле-
ния, измерительная система, емкостной датчик положения
Аннотация: Рассмотрены особенности стенда для исследования систем управления ак-
тивным магнитным подвесом ротора. Приведено описание механической части стенда и
цифровой системы автоматического регулирования положением горизонтально вра-
щающегося ротора.
1. Введение
Инновационное развитие техники послужило причиной использования активных
магнитных подшипников в высокоэнергетических установках – турбодетандерах, ком-
прессорах и т.д. [1]. Основной причиной, сдерживающей массовую замену масляных
подшипников на активные магнитные, является необходимость в сложной системе ав-
томатического регулирования [2].
Цель работы – разработка автоматизированного стенда для исследования систем
автоматического управления активным магнитным подвесом, удовлетворяющего сле-
дующим системным требованиям:
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.4808
1) Габариты, геометрические размеры ротора, электрический привод и режимы на-
грузки, скорости вращения, геометрия и мощности электромагнитной системы
должны максимально соответствовать реальным роторным машинам и энергоуста-
новкам, выпускаемым ОАО «Казанькомпрессормаш».
2) Предусмотреть в стенде систему идентификации ротора как динамической системы
с возможностью генерации различных видов узкополосных и широкополосных воз-
действий.
3) Система управления, включающая аппаратную платформу и программное обеспе-
чение, должна обеспечивать управление левитацией ротора в жестком реальном
масштабе времени с шагом дискретизации по времени не превышающей 10 мкс.
4) Система датчиков, система измерения, управляющие электромагниты и силовая
электроника должны обеспечивать соответствующее быстродействие управления.
5) Предусмотреть возможность реализации алгоритмов управления различной слож-
ности: от автономного ПИД-регулирования на каждую степень свободы до опти-
мального управления, учитывающего собственные колебания вала ротора как упру-
гой распределенной системы.
6) Для реализации алгоритмов с большим быстродействием в режиме жесткого реаль-
ного времени предусмотреть использование в контуре регулирования встроенных
аппаратных средств на основе программируемых логических интегральных схем
(ПЛИС).
2. Конструктивные особенности стенда
Согласно этим системным требованиям была выбрана функциональная схема стен-
да с возможностью исследования осевых и радиальных нагрузок (рис. 1).
Рис. 1. Функциональная схема стенда.
Стенд состоит из вала (рис. 2) длиной 1,197 м, вес вместе с дисками осевых под-
шипников и роторными частями радиальных подшипников, изготовленных из шихто-
ванной электротехнической стали, 51 кг. Вал вращается с помощью муфты двигателем.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.4809
Для магнитного подвеса необходимы один осевой и два радиальных активных магнит-
ных подшипника. Нагрузки на вал создаются другим осевым и двумя радиальными
магнитными подшипниками. Все активные магнитные подшипники стенда имеют кор-
пуса, соосность которых с валом обеспечивают четыре направляющие.
Рис. 2. Вал стенда с магнитной муфтой и двигателем.
Геометрия радиального магнитного подшипника была оптимизирована с помощью
методики, описанной в [3]. Основные геометрические размеры радиального активного
магнитного подшипника стенда [4]:
d – диаметр цапфы 0,09, м;
D – наружный диаметр статора 0,164, м;
l – длина пакета статора 0,06, м;
L – длина (осевой размер) подшипника 0,085, м (длина корпуса в сборе со страхо-
вочным упорно-опорным подшипником 0,143, м (рис. 4));
t – толщина пакета цапфы 0,015, м;
p – число полюсов 8;
– радиальный зазор 0,6 10 3 , м.
Рис. 3. Корпус радиального подшипника
Характеристики радиального магнитного подшипника стенда при B = 1 Тл, k Cu =
0,5 (коэффициент заполнения площади паза медью):
F – тяговое усилие 662, Н;
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.4810
imax – максимальный ток 5, А;
n – число витков на полюс 300.
Характеристики осевого магнитного подшипника стенда при B = 1 Тл (рис.4):
imax – максимальный ток 10, А;
F – тяговое усилие 1250, Н;
n – число обмоток 2.
Стенд содержит датчики скорости и момента вращения, вибродатчик, датчики
Холла для исследования распределения магнитного поля в воздушных зазорах элек-
тромагнитов. Информация с датчиков обрабатывается измерительной системой стенда
[5], отображается в информационной системе, разработанной в среде LabVIEW, и ис-
пользуется в многоканальной цифровой системе автоматического регулирования маг-
нитным подвесом ротора.
а б в
Рис. 4. Осевой активный магнитный подшипник.
3. Система управления стенда
В системе магнитного подвеса с помощью датчиков измеряется пространственное
положение ротора, и вырабатываются сигналы для управляющих электромагнитов.
Система автоматического управления активными магнитными подшипниками предна-
значена для удержания управляемого вала в заданном положении. Положение ротора
характеризуется пятью степенями свободы (продольное перемещение и поперечные
перемещения концов вала ротора) [3, 6], которыми соответственно необходимо управ-
лять для стабилизации положения ротора при различных режимах работы и нагрузки
стенда. Силовая часть стенда состоит из блока управления питанием, пяти идентичных
каналов датчиков и драйверов управления магнитами.
Блок управления питанием системы предназначен для погашения электрических
помех, формирования питающих напряжений цепей магнитов, управление работой по-
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.4811
нижающих и повышающих блоков питания цепей управления электромагнитов, кон-
троль энергопотребления системой, защита от короткого замыкания, передача инфор-
мации о состоянии управляющему компьютеру.
Результатом работы блока является создание благоприятных режимов работы сис-
темы автоматического управления, защиты электронных компонентов от появления
токов короткого замыкания, а также производит аварийное отключение с информиро-
ванием системы при возникновении критичного отклонения питающего напряжения от
нормы, превышении токов потребления выше нормы и прочих нештатных ситуациях.
Структурная схема блока управления питанием состоит из двух частей: схемы
входной фильтрации и управления и схемы цифрового контроля и формирования
управляющих сигналов.
Структурная схема входной фильтрации изображена на рис. 5.
Рис. 5. Схема структурная входной фильтрации.
На входе схемы установлен входной магнитный пускатель, управляющий подачей
входного напряжения сети 380В на общую схему. При возникновении аварийной си-
туации: выход из строя последующей схемы или ошибка в работе САУ АМП происхо-
дит его отключение. За входным магнитным пускателем располагается входной
фильтр, обеспечивающий фильтрацию сетевого напряжения от помех, гашение помех
поступающих от электромагнитов, защиту питаемых цепей от бросков сетевого напря-
жения при аварийных ситуациях (удары молнии, кратковременные броски повышенно-
го напряжения).
Отфильтрованное напряжение поступает на выпрямитель, собранный по одной из
известных схем трехфазного выпрямительного моста.
Для получения из этого напряжения постоянного его необходимо отфильтровать. С
этой целью применим емкостной выходной фильтр, расположенный за гасящим рези-
стором и измерительным шунтом. Гасящий резистор необходим для ограничения тока
заряда емкостного фильтра и обеспечения надежности его работы. Когда ток, проходя-
щий через гасящий резистор, спадает до 5А, его выводы замыкаются накоротко при
помощи магнитного пускателя, отключая резистор в режиме нормальной работы сис-
темы.
Измерение тока, протекающего при заряде емкостного входного фильтра и через
схемы управления электромагнитами, осуществляется при помощи измерительного
шунта.
Структурная схема цифрового контроля и формирования управляющих сигналов
представлена на рис. 6.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.4812
nagr_1 к ИП_1 к PS_ON
Входной Выходной PC_ON
реле оптопара
фильтр фильтр
AC/DC DC/DC +30В к RESET
Электронный res_2
преобра- преобра- оптопара
ключ
зователь зователь
+5В
DC/DC nagr_2 к ИП_2
OFF_EXT_DYN Электронный
преобра- реле
к ПМ шунта PM_shunt ключ
зователь
реле
+3.3В
DC/DC
Электронный OFF_STAT Электронный
преобра-
ключ ключ
Электронный зователь
ключ
nagr_3 к ИП_3
PM_shunt ON_STAT Электронный
реле
к ПМ магнит PM_mag ключ
PM_mag
реле
PM_input
Электронный ERROR Электронный
nagr_1 ключ ключ
Электронный
ПЛИС
ключ nagr_2
nagr_3 nagr_4 к ИП_4 zar
к ПМ_вход PM_input nagr_4
реле
==0,6В Операционный
усилитель
реле
nagr_5
PC_ON Электронный pereg
Электронный res_2
ключ
==5В
ключ
zar OFF_EXT_DYN
nagr_5 к ИП_5
SPI
ON_STAT реле
UART pereg АЦП
К ПК
RS-232/ UART OFF_STAT
SPI
ERROR
Электронный
ключ
Рис. 6. Схема структурная цифрового контроля и формирования управляющих сигналов.
Схема источников питающих напряжений состоит из входного фильтра, ограничи-
вающего проникновение помех из питающей сети в цепи управления магнитных пуска-
телей, выпрямителя и выходного фильтра. Напряжение с выхода входного фильтра по-
ступает на реле управляющих магнитными пускателями. Для питания схемы цифрового
контроля и формирования управляющих сигналов применяется цепь из AC/DC преоб-
разователя и трех DC/DC преобразователей.
AC/DC преобразует напряжение питающей сети в пониженное постоянное напря-
жение поступающее на входы DC/DC преобразователей, которые создают питающие
напряжения для управляющих реле, операционного усилителя, схем сравнения, элек-
тронных ключей, ПЛИС.
Канал датчика состоит из измерительного емкостного датчика, образованного фик-
сированной обкладкой и поверхностью ротора, расположенных на его противополож-
ных сторонах). Структурная схема одного канала датчика изображена на рис. 7.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.4813
Измери-
тельный Генератор + Счетчик
конденсатор
+ /2
Измери-
тельный Генератор + Счетчик
конденсатор
Измери-
тельный Генератор + Счетчик
конденсатор
+ /2
Измери-
тельный Генератор + Счетчик
конденсатор
Измери-
тельный Генератор + Счетчик
конденсатор
Образцовый генератор
Рис. 7. Структурная схема канала датчика.
Канал драйвера содержит цепи управления и цепи измерения технологических ре-
жимов (рис. 8).
А1
К -1500В
-1500В
Канал управления магнитом
+400В
1
К +1500В
+1500В
2
PWM Формиро-
to Драйвер К+400В ватель
Wishbone +5,6В УИ
Формиро-
Снабер ватель
0В УИ
SPI 3
to
Wishbone
SPI Измеритель
Измеритель 4
SPI ДХ ИОТ
тока
темпе-
ратуры
Рис. 8. Структурная схема канала драйвера.
Канал управления магнитом производит обмен данными с системой автоматиче-
ского управления через внутренний интерфейс Wishbone, что дает возможность, под-
ключение любого необходимого адаптера, либо контроллера к интерфейсу. Управление
магнитом осуществляется по цепям 2 и 3. Цепь 1 применяется для работы индуктивно-
го датчика, цепь 4 указывает на физический контакт измерителя температуры электро-
магнита.
Канал управления магнитом содержит подканал управления и подканал контроля
работой магнита.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.4814
4. Заключение
Практическое использование стенда позволит экспериментально дополнять рас-
четное проектирование активных магнитных подшипников, верифицировать расчеты
их тепловых и магнитных полей [7, 8], экспериментально проверить результаты синтеза
и устойчивость системы автоматического управления с пятью контурами, соответст-
вующим степеням свободы горизонтально вращающегося ротора высокоэнергетиче-
ских установок с магнитным подвесом.
Разработка стенда ведется авторами на ООО «Технологии автоматизации» при фи-
нансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-
технической сфере (государственный контракт №7954р/11342 от 17.04.2010 «Разработ-
ка стенда для исследования систем автоматического управления активным магнитным
подвесом»).
Список литературы
1. Блох Х. Компрессоры. Современное применение. М.: Техносфера, 2011. – 360 с.
2. Анцев Г.В., Богословский С.В., Сапожников Г.А. Проектирование устройств с электромагнитным
подвесом. М.: Наука, 2010. 422 с.
3. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение. СПб.: Политехника,
2003. 206 с.
4. Евдокимов Ю.К., Изосимова Т.А., Тогузов С.А. Автоматизированный стенд для исследования маг-
нитных подшипников высокоэнергетических установок // Материалы VI Международной научно-
технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и
энергетики» АНТЭ-2011. Казань, Изд-во Казанского гос. техн. ун-та, 2011. Т. 1. С. 308-312.
5. Евдокимов Ю.К., Изосимова Т.А., Курушин С.А., Тогузов С.А. Автоматизированная информационно-
управляющая система для исследования магнитных подшипников высокоэнергетических установок //
Материалы VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы разви-
тия авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»: Т. 1. Казань: Изд-во Казанского гос.
техн. ун-та, 2011. С. 303-307.
6. Евдокимов Ю.К., Изосимова Т.А. Синтез системы автоматического управления активным магнитным
подвесом //Труды республиканского научного семинара АН РТ «Методы моделирования». Вып. 5.
Казань: Изд-во «Фэн» («Наука»), 2013. С. 178-190.
7. Евдокимов Ю.К., Тогузов С.А. Моделирование магнитного поля радиального активного магнитного
подшипника высокоэнергетической установки // Труды республиканского научного семинара АН РТ
«Методы моделирования». Вып. 5. Казань: Изд-во «Фэн» («Наука»), 2013. С. 191-202.
8. Евдокимов Ю.К., Тогузов С.А. Численное моделирование электромагнитного поля активных магнит-
ных подшипников высокоэнергетических установок в квазистатическом и динамическом режимах
электропитания // Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Проблемы и
перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2013». Казань 20-22 нояб-
ря 2013. Казань, 2013. С. 209-215.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.Вы также можете почитать
