Способ управления электроприводом постоянного тока механизма с пульсирующей нагрузккой на валу и устройство для его реализации

Способ управления электроприводом постоянного тока механизма с пульсирующей нагрузккой на валу и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

<»855909

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соаетскик

Социалистические республик (б! ) flîíîëíèòåëüíîå к авт. свил-ву !

22) Заявлено 29.01.79 (21) 2718984j24-07 (5 I ) М. Кл.

Н 02 P 5/00 с присоединением заявки Рй—

Гаеудеретеенны1! кеттнтет

СССР ао аелаи нзаеретеннй н атерытнй (23) Приоритет

Опубликовано 15.08.81. Бюллетень Ж 30

Дата опубликования описания 15.08.81 (53) УДК 62 — 83.

:621.314.5

° (088.8) (72) Авторы изобретения

М. В. Мительман, В. Л. Осятинскнй и В, В. Дубровскйй

Украинский филиал Всесоюзного научно-нсслечовательского и проектного института по автоматизированным системам управления в газовой лромышлсцносси (7!) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПР! !ВОЛОМ

ПОСТОЯННОГО ТОКА МЕХАНИЗМА

С Г!УЛЬСИРУЮЩЕЙ НАГРУЗКОЙ НА ВАЛУ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦ!11!

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в схемах управления поршневыми насосами высокого давления буровых установок, гидровскрытия, химической промышленности и т.д.

Для этих насосов характерна работа на сложную гидравлическую систему, зачастую большой протяженности и требующую большого диапазона регулирования гидравлического режима при высоких требованиях к его стабильности, в том числе ограниченной амплитуды пульсаций давления, которая связана с неравномерностью подачи при равномерном вращении рабочего вала насоса. Для насосов, работаияцих в бурении и гидровскрытии, характерна также ограниченная активная мощность источников шпания, например дизель-генераторов. Кроме того, в -;mM случае требуется быстрое восстановление циркуляции жидкости после стоянки насоса и оседания шламма в гидравлической системе, причем восстановление циркуляции происходит быстрее при пульсации давления иа выкиде насоса. Для этих насосов после восстановления циркуляции нсобхолимо ограничивать уровень пульсаций величиной "— 5" .

Наиболее близким по текин@ской сущности к изобретению является способ унравлсним электроприводом постоянного тока механизма с пульсирующей нагрузкой на валу, например поршневого насоса, согласно которому регулируют частоту вращения электродвигателя изменением напряжения на якоре и изменением тока возбуждения в функции тока якоря. и ограничнвают при этом максимальное значение тока якоря в функции величины тока возбуждения н величины напряжения на якоре. Этим способом решается задача регулирования скорости с механической характеристикои, близкой к характеристике постоянной мощности.

Мягкая механическая характеристика электропривода при данном способе управления обеспечивает удовлетворительное гашение вынужденных колебаний (1!.

Известно устройство для реализации способа управления электроприводом постоянного тока механизма с пульсирующей нагрузкой на валу, содержащее регулируемые вентииьные преобраподключенные к его входам эадатчик и датчик среднего значения параметра, характеризующего режим работы механизма, датчик положения рабочего вала механизма, датчик потребляемой электродвигателем мощности, блок ограничения, блок перемножения, сумматор и фазочувствительный выпрямитель, при этом выход эадатчика среднего значения параметра, характеризующего режим работы механизма, подключен ко входам сумматора и датчика положения вала, выход датчика положения вала через фаэочувствительный выпрямитель подключен ко второму входу сумматора и к собственному входу, а выход сумматора — к одному из входов блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом регулятора параметра, характеризующего режим работы механизма, а выход — со входом блока ограничения, управляющий вход которого соединен с датчиком потребляемой электродвигателем мощности, а выход — со входом регулятора напряжения, 50

3 855909 зователи, подключенные K якорнои оомотке и обмотке возбуждения электродвигателя постоянного тока, последовательно включенные регулятор напряжения и регулятор тока в цепи управления преобразователем якорной цепи, ко входам которых подключены соответственно датчики напряжения и тока якоря, регулятор тока возбуждения в цепи управления возбуждением двигателя, ко входу которого подключен датчик тока возбуждения, первый выдели- 0 тель модуля, вход которого подключен к датчику тока якоря, а выход — через первый блок нелинейности ко входу регулятора тока возбуждения, второй выделитель модуля, вход которого соединен с датчиком напряжения на якоре, а выход — с одним из входов сумматора, второй вход которого через второй блок нелинейности соединен с выходом датчика тока возбуждения, а выход сумматора подключен к управляющему входу регулируемого блока ограничения в цепи обратной связи регулятора напряжения.

Недостатком данного способа и устройства для его реализации является запаздывание изменения скорости при пульсации момента íà 25 валу, что может привести к динамической неустойчивости.

Цель изобретения — повышение динамической устойчивости электропривода за счет улучшения сглаживания нагрузочной диаграммы электропривода.

Цель достигается тем, что согласно способу управления электроприводом постоянного тока механизма с пульсирующей нагрузкой на валу дополнительно задают величину потребляемой электродвигателем мощности и среднее значение параметра, характеризующего режим работы механизма, измеряют действительное значение этого параметра, измеряют угол поворота рабочего вала механизма и величину потребляемой электродвигателем мощности, при этом сравнивают заданное среднее значение параметра, характеризующего режим работы механизма, с его действительным значением, результат сравнения корректируют в функции угла поворота рабочего вала механизма и заданной величины мощности, потребляемой электродвигателем, скорректированный сигнал ограничивают в функции величины мощности, потребляемой электродвигателем, и используют для задания напряжения на якоре электродвигателя.

Причем в качестве параметра, характеризующего режим работы механизма, используют значение расхода перекачиваемого вещества или давление перекачиваемого вещества.

Для достижения цели в устройство для реализации способа управления электроприводом постоянного тока механизма с пульсирующей нагрузкой дополнительно введены регулятор и

Данный спосоо осуществляется следующим образом.

Сигнал задания гидравлического режима работы механизма (например, величину давления для насосов гидровскрытий или расхОда перекачиваемого вещества для насосов буровых установок) в виде пропорционального требуемому значению параметра напряжения постоянного тока сравнивают с сигналом в виде напряжения постоянного тока, пропорциональным среднему значению контролируемого параметра.

Эту разность усиливают и модулируют колебаниями, связанными с процессом неравномерной подачи поршневого насоса. Для этого сигнал задания преобразуют в переменное напряжение и затем формируют зависимость амплитуды и фазы переменного напряжения от угла поворота рабочего вала механизма при помоши, HRпример, вращающегося трансформатора. Это напряжение при помощи фазочувствительного выпрямителя превращают в постоянное напряжение переменной полярности и амплитуды,при-чем фазовый сдвиг этого напряжения может регулироваться за счет изменения относительного положения рабочего вала насоса и подвижной части вращающегося трансформатора. Иолученное таким образом напряжение по амплитуде пропорционально сигналу задания, т.е. однозначно связано со средними выходными параметрами, характеризующими режим работы механизма, и через положение подвижной части с вращающего трансформатора полученный сигнал однозначно определяется функцией., т.е. произведением сигнала задания на функцию угла поворота

u@„ = к U f(c), 5 8 где Uy — напряжение на выходе фазочувствительного усилителя;

Оэ — напряжения сигнала эадзння параметра, характеризующего режим работы механизма;

f (а) — знакопеременная функция; а — угол. поворота рабочего вала механизма.

Полученную величину, колебательно меняющуюся с углом поворота рабочего вала механизма, суммируют с сигналом задания и полученную сумму перемножают с разностью задающего сигнала и сигнала обратной связи, Полую г чают сложный сигнал, зависящий от 03 и О, $1па. Такая квадратичная зависимость повышает быстродействие привода прн больших рассогласованиях и облегчает формирование динамических режимов за счет их асиптотической устойчивости. Полученное произведение используют для задания режимов работы электродвигателя механизма. При этом величину задания ограничивают цо условиям работы источника энергии в функции потребляемой мощности н по максимальному уровню напряжения на якоре электродвигателя. Наличие в сигнале задания синусоидальной составляющей регулируемого фазового сдвига Р позволяет наложить на напряжение и ток электродвигателя, а следовательно, и на частоту вращения его якоря колебания, позволяющие уменьшить подачу перекачиваемого вещества при положении рабочего вала механизма, соответствующего максимальной подаче при постоянной частоте вращения, и увеличить подачу при положении рабочего вала механизма, соответствующего минимальной подаче при постоянной частоте вращения. При этом подавляется основная гармоническая составляющая колебаний расхода нли давления. Подавление этой составляющей облегчается выбором угла с некоторым упреждением и коэффициента К в уравнении. При серьезных нарушениях циркуляции перекачиваемого вещества сигнал задания режимов работы электродвигателя ограничивают и устраняют тем самым в нем переменную составляющую, что позволяет при помощи импульсов давления .ускорить восстановление циркуляции. Поскольку расход и давление на выходе насоса являг ются функцией 03, то коэффициентом 0з компенсируют действие постоянных времени электродвигателя (электромагнитной постоянной времени и электромеханической постоянной вре мени) на амплитуду принудительно накладываемых иа частоту вращения рабочего вала насоса вынужденных колебаний.

На чертеже приведена схема устройства.

Якорь 1 электродвигателя с подключенным к нему входом датчика 2 напряжения на якоре последовательно с датчиком 3 тока якоря

55909 4 подключены к выходу вентильного преобразователя 4. Ко входу преобразователя 4 подключен выход регулятора 5 тока якоря, первый вход которого подключен к выходу регулятора б напряжения и первому входу блока 7 ограннчения, выполненного в виде диодно-мостовой схемы, а второй вход регулятора 5 тока якоря присоединен к выходу датчика 3 тока якоря и входу выделителя 8 модуля тока якоря. Выход выделителя 8 модуля тока якоря присоединен к первому входу датчика 9 мощности и ко входу блока 10 нелинейности, выход которого присоединен к первому входу регулятора 11 тока возбуждения, ко второму входу которого присоединен выход датчика 12 тока возбуждения и вход блока 13 нелинейности. Вход датчика 12 тока возбуждения включен между обмоткой 14 возбуждения электродвигателя и выходом вентильного преобразователя 15, вход которого подключен к выходу регулятора 11 тока возбуждения. Выход датчика 2 напряжения присоединен к первому входу регулятора 6 напряжения и ко входу выделителя 16 модуля. Выход выделителя 16 модуля присоединен ко второму входу датчиР ка 9 мощности и к первому входу сумматора 17, ко второму входу которого присоединен выход блока 13 нелинейности, а к встречному выходу подключены выводы постоянного тока диодно-мостовой схемы, второй вход переменного тока этой схемы присоединен к третьему входу регулятора 6, второй вход которого присоединен к выходу блока t8 ограничения, первый вход которого подключен к

35 выходу датчика 9 мощности, а второй вход соединен с выходом блока 19 перемножения.

К первому входу блока 19 перемножения присоединен выход регулятора 20 параметра, характеризующего режим работы механизма, к первому входу которого присоединен выход датчика 21 среднего значения параметра. Выход задатчика 22 среднего значения параметра, характеризующего режим работы механизма, присоединен ко второму входу регулятора 20 параметра, характеризующего режим работы мсханнзма, ко входу преобразователя 23 постоянного напряжения в переменное и к первому входу сумматора 24. Выход преобразователя 23 присоединен ко входу бесконтактного датчика

25 положения рабочего вала механизма и первому входу фазочувствительного выпрямителя 26.

Выход датчика 25 положения рабочего вала мсханизма присоединен ко второму входу выпрямителя 26, выход которого присоединен ко второму входу сумматора 24, выход которого подключен ко входу блока 19 перемножения.

Устройство работает следующим образом.

Задающий сигнал с выхода задатчика 22 параметра, характеризующего режим работы ме7 855909 ханизма насоса, поступает на оба входа блока 19 перемножения„причем на первый вход через регулятор 20 параметра, а на второй непосредственно. Сигнал задания на входе регулятора 20 параметра сравнивается с сигналом обратной связи, образуемым на выходе датчика . 1 сред5 него значения параметра, например датчика среднего значения давления или среднего значения расхода, что обеспечивает пропорциональное регулирование режима механизма или регулирование режима механизма по друтому, более сложному закону. До достижения мощностью, потребляемой электродвигателем 1, максимально допустимой величины сигнал на выходе блока 18 ограничения определяется напряжением на выходе датчика 9 мощности, потребляемой электродвигателем. При превышении мощностью, потребляемой электродвигателем, значения, допустимого по условиям работы источника питания, например автономного дизель-генератора, напряжение на выходе блока 18 ограничения и, следовательно, на входе регулятора 6 напряжения ограничивается, что приводит к ограничению напряжения и тока якоря электродвигателя. Дальнейшее рассмотрение работы устройства .5 проводится раздельно rro быстродействующему каналу управления (полоса пропускания 1.р .и= — 10 — 15 Гц) и медленно действующему каналу (f =4 — 5 Гц). В быстродействующий канал проп управления входят регулятор 6 напряжения, регулятор 5 тока, вентильный преобразователь 4, датчик 3 тока, датчик 2 напряжения, якорь 1 электродвигателя, выделители 8 и 16 модуля сигнала, сумматор 17, блок 7, Медленно действующий канал, полоса пропускания которого невелика вследствие значительной индуктивности обмотки 14 возбуждения, содер>кит бло, ки 10 и 13 нелинейности, регулятор Г1 тока возбуждения, вентильный преобразователь 15 и датчик 12 тока возбуждения. Сигнал задания

40 по напряжению на втором входе регулятора 6 содержит относительно постоянную составляющую, обуславливающую необходимый средний режим работы механизма и относительно быстр0 колеблющуюся составляющую (f O 5 — 7 Гц), 45 связанную с изменением положения рабочего вала механизма и служащую для создания колебания частоты вращения якоря 1 электродвигателя, компенсируюгцую неравномерности подачи при постоянной скорости. Оба состав50 ляющих на входе регулятора 6 напряжения сравниваются с сигналом, снимаемым с выхода датчика 2 напряжения, и при помощи регулятора 6 напряжения формируется сигнал задания по току якоря, который на входе регу55 лятора 5 тока якоря сравнивается с сигналом, снимаемым с выхода датчика 3 тока якоря.

Сигнал «а выходе регулятора 6 напряжения ограничивается в функции параметров, вли8 яющих на коммутацию при помощи узла, состоящего иэ блока 7, сумматора 17, выделителя модуля 16, блока 13 нелинейности, датчиков 2 напряжения и 12 тока возбуждения. На выходе регулятора 5 тока якоря формируется сигнал, который усиливается вентильным преобразователем и формирует закон изменения тока якоря электродвигателя, обеспечивающий компенсацию неравномерности подачи механизма. В предельных режимах, например, при использовании изобретения в схемах управления буровым насосом в режиме восстановления циркуляции сигнал на выходе датчика 21, в качестве которого используется датчик среднего расхода, минимален, что обуславливает максимальный сигнал на выходе регулятора 20 параметра. В этом режиме переменная составляющая срезается узлом 18 ограничения и на выходе насоса облегчает восстановление циркуляции. Таким образом, обеспечивается регулиро. вание частоты вращения с адаптивным изменением связей привода, что невозможно в известных компенсирующих устройствах. Задатчиком режима медленнодействующего канала является датчик 3 тока якоря. При помощи выделителя 8 модуля определяется абсолютное значение сигнала на выходе датчика 3 тока якоря, а затем с помощью блока 10 нелинейности формируется сигнал задания на входе регулятора 11 тока возбуждения, где он сравнивается с сигналом обратной связи, снимаемым с выхода датчика 12 тока возбуждения.

Блок 10 нелинейности выполняет функции формирования оптимальной по энергетическим показателям зависимости ток якоря — ток возбуждения, а также ограничение максимального и минимального значений тока возбуждения.

Механическая характеристика в этом случае гиперболическая, т,е. оптимальная в автономном злектроприводе. На всей цепи: датчик 3 тока якоря — выделитель 8 модуля — блок 10 нелинейности — регулятор 11 тока возбуждения — выход преобразователя 15, действуют колебания сигнала на выходе, вызванные действием датчика 25 положения вала механизма.

Эти колебания отсутствуют в сигнале на выходе датчика 12 тока возбуждения, так как постоянная времени обмотки возбуждения электродвигателя больше или равна 1 с, а преобразователь 15 для приводов насосов выбирается с небольшим запасом по напряжению. Однако колебания напряжения на входе блока 10 нелинейности при малых значениях тока якоря частично детектируются, что приводит к увеличению потока электродвигателя и облегчению отработки этих колебаний якорем электродвигателя-. Сигнал, снимаемый с выхода датчика

12 тока возбуждения по цепи: блок 13 нелинейности — сумматор 17 — блок 7, использу10

4. Устройство для реализации способа по п.1 содержащее регулируемые вентилъные преобразователи,подключенные к якорной обмотке и обмотке .возбуждения электродвигателя постоянного тока, последовательно включенные регулятор напряжения и регулятор тока в цепи управления преобразователем якорной цепи, ко входам которых подключены соответственно датчики напряжения и тока якоря, регулятор тока возбуждения в цепи управления возбуждением двигателя, ко входу которого подключен датчик тока возбуждения, первый выделитель модуля, вход которого подключен к датчику тока якоря, а выход — через первый блок нелинейности ко входу регулятора тока возбуждения, второй выделнтель модуля, вход которого соединен с датчиком напряжения на якоре, а выход — с одним из входов сумматора, второй вход которого через второй блок нелинейности соединен с выходом датчика тока возбуждения, а выход сумматора подключен к управляющему входу регулируемого блока ограничения в цепи обратной связи регулятора напряжения, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что,с целью улучшения сглаживания нагрузочной диаграммы, в него введены регулятор и подключенные к его входам задатчик и .ьтчик среднего значения параметра,характеризующего режим работы механизма, датчик положения рабочего вала механизма, датчик потребляемой электродвигателем мощности, блок ограничения, блбк перемножения, сумматор н фазочувствительный выпрямитель, при этом выход задатчика среднего значения параметра, характеризующего режим работы механизма, подключен ко входам сумматора и датчика положения вала, выход датчика положения вала через фазочувствительный выпрямитель подключен ко второму входу сумматора и к собственному входу, а выход сумматора — к одному из входов блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом регулятора параметра, характеризующего режим работы механизма, а выход — со входом блока ограничения, управляющий вход которого соединен с датчиком потребляемой электродвигателем мощности, а выход — co входом регулятора напряжения.

9 855909 ется для ограничения тока якоря 1, исходя иэ условий коммутации, иа якоре электродвигателя.

Таким образом, в результате применения данного изобретения адаптивно стабилизируются параметры на выходе механизма, обеспечивается ограничение мощности, потребляемой от первичного двигателя, и осуществляется ограничение режима электродвигателя постоянного ".Ока.

20

Формула изобретения

1. Способ управления электроприводом по- 15 стоянного тока механизма с пульсирующей нагрузкой на валу, например поршневого насоса, согласно которому регулируют частоту вращения электродвигателя изменением напряжения на якоре и изменением тока возбуждения в функции тока якоря, н ограничивают при этом максимальное значение тока якоря в функции величины тока возбуждения и величины напряжения на якоре, о т л и ч а ю ц1 и и с я тем, что, с целью повышения динамической устойчи- 25 вости электропривода эа счет улучшения сглаживания нагрузопюй диаграммы, дополнительно задают величину потребляемой электродвигателем мощности и среднее значение параметра, характеризующего режим работы механиэ- 30 ма, измеряют действительное значение этого параметра, измеряют угол поворота рабочего вала механизма и величину потребляемой электродвигателем мощности, при этом сравнивают заданное среднее значение параметра, характе- з рнзуюшего режим работы механизма, с его действительным значением, результат сравнения корректируют в функции угла поворота рабочего вала механизма и заданной величины мощности, потребляемой электродвигателем, скорректиро- 40 ванный сигнал ограничивают в функции величины мощности, потребляемой электродвигателем, и используют для задания напряжения на якоре электродвигателя.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й- 4с с я тем, что в качестве параметра, характеризующего режим работы механизма, используют значение расхода перекачиваемого вещества.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что в качестве параметра, характеризующего режим работы механизма, используют давление перекачиваемого вещества.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР М 568131, кл, Н 02 P 5/26, 1976.