Электромеханические системы. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Artificial neural networks of technical state prediction of gas compressor units electric motors
Статья научная
Issues of engineering effective and reliable systems for on-line diagnostics of electric motors of electrically driven compressor stations are considered. The paper provides failure statistics for the most critical gas-transport systems’ units - electrically driven gas-compressor stations. Artificial neural networks methodology and architecture were developed to obtain prediction models of MW electric machines. Examples of neuro-fuzzy prediction of synchronous machines stator winding performance and service life are given. Selected network tests, the Box-Jenkins fuzzy model, models of the analysis technique of spectral components dynamics, current magnitude and stator temperature prediction are received. Based on results of comparative analysis of anticipated conditions of electric machines for main gas transport with due regard to various operational factors of electrically driven gas-compressor units, recommendations on application of the artificial neural network method have been drawn up.
Бесплатно
Constraining the dynamic torque of a rolling mill stand drive
Статья научная
We herein consider issues of limiting the dynamic loads in the electromechanical systems of horizontal rolls in the stand of a plate mill. It is shown that shock loads mainly occur during gripping due to gaps in spindle connections; the size of the gap depends on how worn-out those spindles are. We analyze a method of limiting such dynamic loads that consists in gripping workpieces while accelerating the electric drive. We also task ourselves to prove the feasibility of implementing this method at the 5000 rolling mill employed by PJSC Magnitogorsk Iron and Steel Works (MMK). We present the oscillograms of workpiece gripping in accelerated and decelerated modes; those oscillograms prove how efficient pre-setting the gap size is. The paper contains a control chart that ensures electric drive acceleration before gripping. We have developed a mathematical model of the dual-mass electromechanical roll system for reversing stands and present herein the parameters of the simulated object. The proposed dynamic load limitation has been simulated. We herein specify a minimum timeframe between the onset of pre-acceleration and the load application moment, which timeframe is necessary for angular gaps to be fully closed. The timeframe value is explained. We have also implemented the developed speed control algorithms in the APCS of the 5000 rolling mill stand. The paper presents the torque and speed oscillograms for the workpiece gripping. It is proved that the torque overshoots in the upper- and lower-roll electric drives is reduced to acceptable levels by this method. We also analyze the oscillograms of the lower-roll drive parameters obtained over nine reversing-rolling passes. It is confirmed that the dynamic torque of grip does not exceed 25% of the steady-state torque. We thus conclude that this speed control method has proven efficient for the stand electric drives of the 5000 mill. Expanded implementation of this method in the existing hot-rolling mills is noted as practical.
Бесплатно
Design of observer of flux linkage of synchronous drive of rolling mill
Статья научная
The paper considers the design of control system for variable-frequency synchronous drive with vector torque control. Such drives are used in units with enough wide speed range and shock loading, for example, hot and cold rolling mills. Two coordinates generate the torque of the systems under consideration: current and flux linkage of the stator. This paper provides parameter calculation for the observer of flux linkage state of the stator of synchronous motor with damper windings. The system is implemented based on the Luenberger observer with error-feedback. Flux linkage is determined within the orthogonal coordinate system d, q rotating synchronously with the rotor. The complex of a synchronous exited motor and state observer has been modeled. Modeling results demonstrate that a fractional error of flux linkage generation does not exceed 0.15 %.
Бесплатно
Статья научная
The paper considers electric traction drive with the field regulated reluctance machine (FRRM). The FRRM principles of operation and main advantages compared with asynchronous machine and synchronous reluctance machine are presented, disadvantages are marked. Mathematical model of the drive with FRRM is described; adequate accuracy is proved by the statistical data processing. The paper presents electric drive operating point determination in the static mode, transient model analysis, which takes into account electrical, electromechanical and mechanical processes of electric traction drive, present the first stage of optimization. The second step explains a method of increasing the maximum speed of the drive. The third stage is associated with optimization of FRRM features with over-torque. Therefore, the drive is obtained with improved weight and dimension characteristics, overload capacity, which meets the requirements of the haulers. Weight-size parameters optimization, three-stage characteristics optimization estimate the most favorable parameters of the control system and the motor. The explanatory drawings are given in the article.
Бесплатно
Energy efficient power supply systems of oil and gas pipelines electric drives
Статья научная
The current state of development of autonomous power supply systems is considered including the facilities of gas-transport systems. The use of electric power alternative sources on the base of wind plants in the combined generating complexes is substantiated. The options of electric networks structures with the use of wind plants are suggested for along-the-route consumers. Power effective invariant systems on the basis of combined units under the scheme “synchronous generator - frequency converter” are analyzed. The authors received the predicted amount of generated electric power by power suppliers at wind stream stochastic nature. A number of examples of introduction of the new combined systems of autonomous power supply using renewable power sources in the main gas pipelines of the Russian Federation are given.
Бесплатно
Features of frequency analysis of torque control loop in AC electric drives
Статья научная
In the article, the structural scheme of the synchronous motor torque control channel is shown and mathematically described. Passing of a sine signal in the torque control loop is considered, equations for describing the dynamic properties of the current control loop are given. Specific features relating to the frequency characteristics of the channel for controlling of the electromagnetic torque in the adjustable variable speed drive with synchronous electric machines are considered. The control channel is regarded as a linear system with amplitude modulation. A comparative analysis of the experimental and calculated Bode plots of the current and torque control loops is carried out.
Бесплатно
Mathematical model of induction motor with series-connected stator and rotor windings
Статья научная
To provide for the cost-effective use of resources and energy conservation it is vital to enhance unregulated electric drives of copious working mechanisms. The technical process of these mechanisms requires relatively longstanding speed reduction under low static loads. Moreover, another relevant issue is choosing control systems of electric drives in the mentioned systems in accordance with the economic and maintenance aspects. The authors suggest using the systems of impulse-vector control system with wound rotor induction motor that have one essential drawback - the shaft encoder installation. The replacement of the shaft encoder with sensorless impulse-vector control system is complicated due to the lack of proper mathematical description of the electromagnetic processes in schemes with non-traditional windings stator and rotor connection. To solve this problem the authors have developed a mathematical description of impulse-vector control system with wound rotor induction motor supposed to be multiphase and asymmetrical. Angular dependencies of inductances, flux linkages, voltages of engine windings, circuit current and electromagnetic torque relatively to rotor location are derived. In addition to that, the mathematical modeling and research of induction motor configuration with a series connected windings fed by AC voltage source are presented. Equating rotor position in impulse-vector control system with wound rotor induction motor is considered possible through angular dependencies of drop voltages on stator and rotor windings.
Бесплатно
Mexbios - среда разработки современных систем управления электроприводов
Статья научная
Рассмотрен принцип построения и функционирования инструментария для разработки и отладки программного обеспечения современных цифровых систем управления высокоточных электроприводов. Сложность освоения и применения языков программирования создаёт дополнительные барьеры перед техническими специалистами при реализации своих идей в области управления сложными электромеханическими объектами. Разработанный программный комплекс MexBIOS обеспечил значительное сокращение сроков разработки электронных модулей управления, получение необходимых внешних характеристик и снижение стоимости микропроцессорных систем управления электроприводов. Программный комплекс представляет собой интегрированную среду автоматизированного проектирования с возможностью отладки и настройки цифровых систем управления электроприводами. Если первые версии MexBIOS обеспечивали разработку микропроцессорных систем управления электроприводов в режиме реального времени и программы, полученные средствами MexBIOS, имели достаточно громоздкий вид, то для обеспечения наглядности и компактности схем была выработана новая концепция создания структуры программного комплекса. Стало возможно создавать разветвлённые алгоритмы. Впоследствии была реализована возможность в процессе анализа синтезируемого программного обеспечения, выделить различные состояния объекта управления и строго описать действия системы управления в этих состояниях. В настоящее время реализована возможность изменения программного обеспечения без остановки выполнения программы для изменения структуры программы управления, не останавливая технологический процесс. Получены аналитические соотношения и определена методика синтеза векторной системы управления частотно-регулируемым асинхронным двигателем методом визуального программирования в новой программной среде MexBIOS.
Бесплатно
Статья научная
The article suggests theoretical justification for the development of power efficient electric drives for the crude hydrocarbons transport process units based on intelligent control and monitoring systems. The strategies of electric drives multifactorial optimization are reviewed under the conditions of stochastic technological and natural disturbances. The resulting invariant systems and regression control algorithms for the variable-frequency drives of technologically interrelated units are presented. The neuro-fuzzy technical state prediction principles for the development of the in-built electromechanical systems control systems are suggested.
Бесплатно
Smart lungmotor: активный клапан выдоха
Статья научная
Активный клапан выдоха - конструктивный элемент аппарата искусственной вентиляции легких, который предназначен для поддержания целевого давления в дыхательных путях и в то же время для обеспечения возможности контроля над спонтанными дыханиями пациента во время инспираторной фазы вентиляции с контролем по давлению. Конструкция привода активного клапана выдоха представляет собой линейный двигатель постоянного тока со встроенным в его корпус постоянным магнитом и датчиком Холла. Для выбора оптимальных размеров конструктивных элементов двигателя в рамках достижения необходимого технического результата требуется решение задачи оптимизации, перед проведением которой, однако, следует оценить влияние отдельных элементов конструкции двигателя на эффективность использования машины и быстродействие, что позволит определить зависимые и независимые переменные (размеры элементов конструкции) для последующей постановки и решения задачи оптимального проектирования. Методом расчета полевой задачи в программном пакете Maxwell проводится анализ влияния таких параметров (размеров элементов конструкции) как: диаметр и высота магнита, толщина и высота обмотки. Для сравнения результатов рассчитывается коэффициент использования машины и быстродействие. Среди элементов конструкции линейного двигателя постоянного тока рассматриваемого типа наиболее эффективное влияние, с точки зрения коэффициента использования машины и быстродействия, оказывает увеличение диаметра магнита, в то время как наименьший эффект достигается при увеличении высоты обмотки. Таким образом, в результате предварительной оценки можно утверждать, что в случае выбора быстродействия как критерия качества, оптимальное проектирование будет достигнуто при увеличении параметров магнита до максимально допустимых при минимальном значении высоты обмотки. Следовательно, в соответствии с определенным критерием оптимальности проведенный анализ дает возможность оценить вероятный путь оптимизации.
Бесплатно
Study of thickness control of strip head section using mathematical simulation methods
Статья научная
The authors participated in the modernization of the automatic strip thickness control system of OJSC “Magnitogorsk Iron and Steel Works” 2000 hot rolling mill (OJSC “MMK”). The article offers a brief description of the implemented automatic strip thickness control system developed on the basis of hydraulic screw-down mechanisms. Industrial trials found significant thickness deviation of up to 10% in the strip head section. As a result the length of strip head section with thickness deviation can achieve 40-50 m after the last finishing rolling stand of the mill. The authors offer a new way of strip head thickness control by means of roll gap increase before the strip grip and its further decrease to the required gauge by hydraulic screwdown adjustment during rolling. They also studied the algorithm of roll gap control and factors influencing its adjustment. The research group developed mathematical model of the electromechanical system “stand electric drive - hydraulic screwdown mechanism” taking into account the interrelation of their drives through the rolled metal. The mathematical model of the stand electric drive is developed in the system of two-region speed control. The hydraulic screwdown mechanism can be described by linearized differential equations of fluid flow rate, servo valve for small coordinate increment and forces relationship in the rolling stand. The model consists of a system of differential equations describing the rolled strip as a control object and mathematical description of automatic screwdown mechanism control. The validity of the developed mathematical model was also proved. The authors studied dynamic modes for various parameters of roll gap control and determined the optimum control parameters providing the minimum thickness deviation of the strip head section. The results of the first strips rolling proved that the developed method is quite effective and can be recommended for advanced automatic strip thickness control.
Бесплатно
The electric drive with field regulated reluctance machine
Статья научная
The electric drive with the synchronous electrical machine of independent excitation differs by high specific parameters, adaptability to manufacture, simplicity of a design, and reliability. These properties of the electric drive allow using it in heavy conditions of operation. The electric motor for this electric drive can be executed with two separate stator windings. Therefore, there are additional benefits connected to an opportunity of change of geometry of an iron stator stamp of the given type motor. In this report, the principle of operation of the electric drive with control system is considered. The different variants of a stator design of the electrical machine are discussed. The stator design allows improve of the mass and weight parameters of the electric machine. For the offered stator designs, the comparison of specific parameters (relationship of the nominal torque to load current) is carried out. The received results of analysis are discussed. For calculation of the losses first of all it is necessary to determine the factors, which influence on their value, and then, to estimate a degree of influence of each of them on value of switching losses. As such factors are taken: the form of the stator core, the form of a current in phase windings, and the number of stator winding phases. The calculation of losses is executed by the method of winding functions. The experimental data are received on a breadboard model of the 20 kW drive.
Бесплатно
Vector-pulse control principle of AC motors
Статья научная
Vector-pulse control principle of AC electric drives was considered. The way to realize this method of regulation was proposed. One way of start electric drive is eliminate the negative half the time, for which the motor must be disconnected from the network at some point in time. Detection of the interlinkage vector of rotor is required only at those times when the stator is disconnected from the supply voltage since implementing vector-pulse control. In this case, position the interlinkage vector of rotor and the interlinkage vector of stator matches. The factors to influence interlinkage vector of stator and rotor were analyzed. The influence of generalized vector voltage and current on the angle interlinkage vector of stator was proposed. At the end of the article was proposed the advantages of vector pulse-start method in comparison with other methods of starting motors.
Бесплатно
Автоматизированная мини-ГЭС как основа системы электроснабжения горных районов Таджикистана
Статья научная
Представлен краткий анализ существующих малых ГЭС Республики Таджикистан. В результате анализа проблем, усложняющих эксплуатацию мини-ГЭС, отмечены элементы, не позволяющие их использовать в автономном режиме и снижающие надёжность работы. Предлагается для обеспечения надёжной работы мини-ГЭС и возможности эксплуатации в необслуживаемом режиме строить её на основе конструктивно простых и надёжных устройств. При этом появляется возможность отказаться от непрерывного наблюдения за работой мини-ГЭС обслуживающим персоналом и обойтись периодическими регламентными проверками. В качестве турбины предлагается использовать центробежный насос, не нуждающийся в дополнительных операциях управления рабочими режимами, а в качестве генератора - синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, не требующую наличия канала организации и регулирования потока возбуждения. Качество вырабатываемой энергии предлагается обеспечить с помощью полупроводникового преобразователя напряжения, который должен осуществлять стабилизацию с заданной точностью частот и амплитуд входного напряжения мини-ГЭС. В состав мини-ГЭС предлагается ввести устройства для самодиагностики, осуществляющие контроль не только качества входного напряжения, но и состояние основных элементов мини-ГЭС - турбин, преобразователя напряжений, коммутационной аппаратуры и устройства связи с центральным диспетчерским пунктом. В статье показаны также проблемы, возникающие при реализации предлагаемой структуры, касающиеся в основном обеспечения симметрирования входного напряжения при существенно несимметричной нагрузке, а также повышения достоверности и надёжности устройств диагностики состояния отдельных элементов мини-ГЭС и пути их решения.
Бесплатно
Статья научная
Для исследования электромеханической совместимости асинхронного электропривода разработана компьютерная модель. На компьютерной модели исследовано влияние частоты ШИМ-инвертора и величины нагрузки на валу асинхронного двигателя на уровень пульсаций электромагнитного момента. Приведены результаты моделирования и сформированы рекомендации по модификации алгоритмов управления преобразователем, повышающие электромеханическую совместимость асинхронного электропривода.
Бесплатно
Статья научная
На основании анализа известных технико-экономических результатов создания и эксплуатации электроподвижного состава метрополитенов, железных дорог и городского электрического транспорта с различными системами тягового электропривода (ТЭП) с учётом обоснованных теоретически и проверенных в эксплуатации технических решений по повышению их экономической эффективности показана недостаточная обоснованность распространённого среди части специалистов убеждения о безальтернативности использования на метропоездах только асинхронных тяговых машин (АТМ), а также показаны возможности существенного повышения эффективности применения на них системы тягового электропривода постоянного тока (ТЭП ПТ).
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено текущее состояние нефтяной промышленности. Представлен типовой график стадии разработки месторождений Западной Сибири. Высказана основная причина снижения эффективности разработки нефтяных месторождений, вызванная стремительным ростом обводненности продукции из добывающих скважин. Указан низкий коэффициент извлечения нефти (КИН) для месторождений Западной Сибири (35 %) и роль гидравлического разрыва пластов на темп обводнения скважин. Приведен сравнительный анализ работы механизированного фонда США и РФ. Установлено, что малодебитный фонд скважин в США с дебитами по нефти до 0,39 т/сут эксплуатируется скважинными штанговыми насосами (СШН), в то время как в РФ на месторождениях Западной Сибири по малодебитным скважинам отдано предпочтение их эксплуатации установками электроцентробежных насосов (УЭЦН). Установлено, что по коэффициенту полезного действия (КПД) установки электроцентробежных насосов с номинальной производительностью от 20 до 40 м3/сут уступают КПД скважинных штанговых насосов, что приводит к дополнительным эксплуатационным затратам на добычу нефти и повышает ее себестоимость. Отмечено, что существует прорывная технология кратного увеличения КИН путем разработки нефтяных месторождений на завершающей стадии бурением скважин с горизонтальным окончанием и боковыми стволами на бездействующем фонде скважин. Применение в этих скважинах (без проведения большеобъемных гидравлических разрывов пласта (ГРП)) скважинных штанговых насосов повысит рентабельность добычи нефти на длительный период разработки месторождения. Обоснована необходимость дальнейшего применения СШН и совершенствования станции управления для создания условий энергосбережения и оптимальной работы скважин.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается проблема снижения отказоустойчивости частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) при нарушениях электроснабжения. Подчеркнуто, что массовое внедрение ЧРП усугубляет проблему аварийных остановок энергоагрегатов тепловых предприятий при нарушениях электроснабжения: провалах напряжения либо кратковременных (1-3 с) отключениях. Причинами этого являются снижение темпа разгона электропривода при восстановлении питающего напряжения, а также увеличение длительности перерывов в работе электродвигателей. Приведены диаграммы, характеризующие процессы при нарушении электропитания ЧРП, поясняющие данный вывод. Представлены результаты мониторинга количества и длительности провалов напряжения на секциях РУ-10 кВ районной тепловой станции, приводящих к сбою в работе ЧРП. Показано, что наибольшее количество отклонений имеет длительность от 0,2 до 0,6 с. Кроме того, нарушения по разным вводам в большинстве случаев не совпадают по времени, поэтому полного отключения потребителя не происходит. Представлены данные о количестве отключений частотно-регулируемого и нерегулируемого электроприводов дымососов котлов КВГМ-100 пиковой котельной г. Магнитогорска, зафиксированных в период с 2005 по 2013 гг. Приведен алгоритм и представлена информация о разработанной программе расчета интенсивности отказов электрооборудования. В результате выполненных расчетов определено среднее количество отключений в год, составляющее для ЧРП и нерегулируемого электропривода 8 случаев и 3 случая, соответственно. Подчеркнуто, что эти данные соответствуют результатам, полученным с применением других методик анализа, а также опубликованным другими авторами. Отмечены разработки, выполненные авторским коллективом, по созданию частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих повышенную устойчивость к нарушениям электроснабжения. Обоснована целесообразность разработки ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов.
Бесплатно
Анализ нечетких признаков неисправности трансформаторного оборудования
Статья научная
В статье показаны возможности анализа нечеткой и неопределенной информации о неисправности трансформаторного оборудования для повышения достоверности определения эксплуатационных показателей функционирования объектов электрической сети. Такой анализ проводится на основе экспертных оценок и диагностируемых признаков неисправности электротехнического оборудования, характеризующих работоспособное состояние оборудования. В настоящей работе предлагается использование математического аппарата, разработанного на основе синтеза нечётких лингвистических определений и количественных характеристик диагностируемого оборудования. Представленный подход реализуется путем парных сравнений с использованием фундаментальной шкалы Саати, позволяющей выявить наиболее существенные признаки неисправности. Достоверность положений представленной методики подтверждается соответствующими расчётными результатами, демонстрирующими адекватное поведение модели применительно к трансформаторному оборудованию. Сделаны выводы о возможных причинах возникновения неисправностей, а также о возможности применения разработанной технологии в системах поддержки принятия решений.
Бесплатно
Статья научная
В последние годы все шире начинают применяться частотно-регулируемые электроприводы магистральных насосов на нефтеперекачивающих станциях. Одной из проблем, с которой сталкиваются разработчики регулируемого электропривода, является отсутствие аналитических выражений, описывающих механическую характеристику насоса в конкретных условиях эксплуатации. В статье рассматриваются уравнения рабочего участка механических характеристик магистральных насосов нефтеперекачивающих станций при использовании частотно-регулируемого электропривода. Для получения такой характеристики исследуется влияние режима перекачки нефти по магистральным нефтепроводам на момент сопротивления частотно-регулируемого магистрального насоса. Приведено выражение для минимально допустимой частоты рабочего диапазона частоты вращения магистральных насосов. Получены аналитические выражения для механической характеристики магистрального насоса в функции двух переменных: частоты вращения и производительности нефтепровода, а также в функции одной переменной - частоты вращения.
Бесплатно
