RU2589718C1 - System for automatic control of rotor - Google Patents

System for automatic control of rotor Download PDF

Info

Publication number
RU2589718C1
RU2589718C1 RU2015114970/07A RU2015114970A RU2589718C1 RU 2589718 C1 RU2589718 C1 RU 2589718C1 RU 2015114970/07 A RU2015114970/07 A RU 2015114970/07A RU 2015114970 A RU2015114970 A RU 2015114970A RU 2589718 C1 RU2589718 C1 RU 2589718C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
proportional
rotor
controller
output
input
Prior art date
Application number
RU2015114970/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Владимирович Сальников
Вячеслав Евгеньевич Веремеев
Дмитрий Владимирович Витковский
Вячеслав Геннадьевич Бережной
Сергей Александрович Сопит
Андрей Владимирович Москалёв
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Газпром автоматизация" (ПАО "Газпром автоматизация")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Газпром автоматизация" (ПАО "Газпром автоматизация") filed Critical Публичное акционерное общество "Газпром автоматизация" (ПАО "Газпром автоматизация")
Priority to RU2015114970/07A priority Critical patent/RU2589718C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2589718C1 publication Critical patent/RU2589718C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in injectors, compressors, turboexpanders of gas transfer units with heavy rotors of horizontal design weighing, for example, at least 900 kg. In system for automatic control of rotor electromagnetic suspension, each channel comprises rotor position sensor (1), shaft position setting unit (2), comparison element (3), vibration signal processing unit (4), proportional (5), integrated (6), differential (7), proportional-differential (8) regulators, comparison element (9), proportional to current regulator (10), current sensor (11), power converter (12) and two electromagnets (13 and 14). Output value of rotor position sensor (1) is subtracted from value of setting unit (2) of rotor position in comparison element (3). Difference is supplied to input of signal processing unit (4) vibration output signal of which is supplied simultaneously to inputs of proportional (5), reset control (6) and differential (7) controls. Total output values of controls (5, 6, 7) is supplied to input of proportional-differential controller (8), from output value of which in comparison element (9) is subtracted current value measured by current sensor (11) in windings of electromagnets (13, 14). Difference is supplied to input of proportional current regulator (10), output of which is connected to input of power converter (12), to output of which are connected to windings of electromagnets (13 and 14).
EFFECT: technical result is providing low vibration level, high speed of operation.
2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в роторных механизмах на электромагнитных опорах. Областью применения являются нагнетатели, компрессоры, турбодетандеры газоперекачивающих агрегатов.The invention relates to mechanical engineering and can be used in rotor mechanisms on electromagnetic supports. Scope are superchargers, compressors, turbo expanders of gas pumping units.

Системы управления электромагнитным подвесом имеют свою специфику для тяжелых роторов горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг, используемых, например, в центробежных нагнетателях газоперекачивающих агрегатов. При увеличении массы ротора пропорционально возрастает масса и электрическая мощность магнитных подшипников, а их быстродействие падает, что снижает быстродействие системы управления в целом.Electromagnetic suspension control systems have their own specifics for heavy horizontal rotors weighing, for example, at least 900 kg, used, for example, in centrifugal blowers of gas pumping units. With increasing mass of the rotor, the mass and electric power of magnetic bearings proportionally increase, and their speed decreases, which reduces the speed of the control system as a whole.

Известна «Система управления электромагнитным подвесом ротора» по патенту на изобретение RU 2460909 С1, МПК F16C 32/04, Н02K 7/09, Н02Р 6/16, G05B 6/00, G05B 11/36 (заявка 2011103758/07 от 02.02.2011, дата начала отсчета срока действия патента 02.02.2011, опубликовано 10.09.2012, патентообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», авторы Стариков Александр Владимирович, Стариков Станислав Александрович).The well-known "Control system of electromagnetic rotor suspension" according to the patent for invention RU 2460909 C1, IPC F16C 32/04, Н02K 7/09, Н02Р 6/16, G05B 6/00, G05B 11/36 (application 2011103758/07 from 02.02.2011 , date of commencement of the term of validity of the patent 02.02.2011, published 10.09.2012, patent holder - State Educational Institution of Higher Professional Education "Samara State Technical University", authors Starikov Alexander Vladimirovich, Starikov Stanislav Aleksandrovich).

В системе управления электромагнитным подвесом ротора каждый канал системы управления содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференциальный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, пропорциональное звено, блок выделения модуля, блок задания, сумматор и блок деления.In the rotor electromagnetic suspension control system, each control system channel contains a rotor position sensor, an integral regulator, a proportional regulator, a differential regulator, a proportional-differential regulator, a power converter, two electromagnets, a proportional link, a module selection unit, a reference unit, an adder and a division unit.

Недостатками системы управления электромагнитным подвесом ротора являются следующие. Во-первых, не обеспечивается требуемое быстродействие, т.е. быстрое изменение магнитного поля электромагнитов, что важно для управления высокоиндуктивными обмотками электромагнитов в системе магнитного подвеса тяжелых роторов горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг, используемых, например, в центробежных нагнетателях газоперекачивающих агрегатов. Во-вторых, все элементы каждого канала системы управления электромагнитным подвесом ротора работают на аналоговых микросхемах, которые не обеспечивают гибкого изменения параметров при настройке, а также сложны в техническом обслуживании. В-третьих, сложная техническая реализация схемы системы управления электромагнитным подвесом ротора. В-четвертых, отсутствие возможности плавного изменения коэффициентов регуляторов в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.The disadvantages of the control system of the electromagnetic suspension of the rotor are as follows. Firstly, the required performance is not ensured, i.e. rapid change in the magnetic field of electromagnets, which is important for controlling highly inductive windings of electromagnets in the magnetic suspension system of heavy horizontal rotors with a mass of, for example, at least 900 kg, used, for example, in centrifugal blowers of gas pumping units. Secondly, all elements of each channel of the rotor electromagnetic suspension control system operate on analog microcircuits, which do not provide flexible parameter changes during setup, and are also difficult to maintain. Thirdly, the complex technical implementation of the circuit of the control system of the electromagnetic suspension of the rotor. Fourth, the lack of the ability to smoothly change the coefficients of the regulators depending on the frequency of vibration of the rotor to stabilize the position of the rotor at critical speeds.

Известен «Способ управления электромагнитными подшипниками и устройство для его осуществления» по патенту на изобретение RU 2290746 С1, МПК Н02Р 6/16, G05B 11/26 (заявка 2005118005/09 от 10.06.2005, дата начала отсчета срока действия патента 10.06.2005, опубликовано 27.12.2006, патентообладатели - Кравцова Елена Васильевна, Кочетов Дмитрий Александрович, Кравцов Дмитрий Викторович, авторы Кравцова Елена Васильевна, Кочетов Дмитрий Александрович, Кравцов Дмитрий Викторович.The well-known "Method of controlling electromagnetic bearings and a device for its implementation" according to the patent for invention RU 2290746 C1, IPC Н02Р 6/16, G05B 11/26 (application 2005118005/09 from 06/10/2005, the start date of the patent validity date 10.06.2005, published December 27, 2006, patent holders - Elena Kravtsova, Dmitry Kochetov, Dmitry Viktorovich Kravtsov, authors Elena Kravtsova, Dmitry Kochetov, Dmitry Viktorovich Kravtsov.

Способу управления электромагнитными подшипниками и устройству для его осуществления характерно следующее. В данном способе управления электромагнитными подшипниками формирование токов, необходимых для стабилизации ротора в пространстве, осуществляют в двух частотных областях, низкочастотной и высокочастотной. Способ реализуют в устройстве, содержащем датчик положения ротора, интегральный регулятор, блок перемножения, форсирующий регулятор, силовой преобразователь, причем на входе интегрального регулятора, состоящего из блоков пропорционально-дифференциального и интегрального регулирования и блока первого сумматора, установлены блок аналого-цифрового преобразователя с предвключенным блоком фильтра низких частот, а на выходе форсирующего регулятора установлен режекторный фильтр или группа режекторных фильтров, блок второго сумматора, блок инвертирования и блоки формирования сигналов широтно-импульсной модуляции.The method for controlling electromagnetic bearings and the device for its implementation is characterized by the following. In this method of controlling electromagnetic bearings, the formation of currents necessary to stabilize the rotor in space is carried out in two frequency regions, low-frequency and high-frequency. The method is implemented in a device containing a rotor position sensor, an integral controller, a multiplying unit, a boost controller, a power converter, and at the input of an integral controller consisting of proportional differential and integral regulation blocks and a first adder block, an analog-to-digital converter unit with an upstream a low-pass filter unit, and a notch filter or a group of notch filters, a block of the second adder, bl ok inverting and pulse-width modulation signal generation blocks.

Недостатками способа управления электромагнитными подшипниками и устройства для его осуществления являются следующие.The disadvantages of the method of controlling electromagnetic bearings and devices for its implementation are as follows.

Отсутствие возможности плавного изменения коэффициентов регуляторов в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.The inability to smoothly change the coefficients of the regulators depending on the frequency of vibration of the rotor to stabilize the position of the rotor at critical speeds.

Известны «Магнитные подшипниковые системы и методы управления ими» по заявке США №20140145534 A1. "Magnetic bearing system and methods of controlling the same", pub. No: US 2014/0145534 A1, pub. Data: May 29, 2014, Applicant: General Electric Company, Inventor: Leonardo Cesar Kammer, Appl. No: 13/689,249, Filed: Nov. 29.2012.Known "Magnetic bearing systems and methods for controlling them" by US application No. 20140145534 A1. "Magnetic bearing system and methods of controlling the same", pub. No: US 2014/0145534 A1, pub. Data: May 29, 2014, Applicant: General Electric Company, Inventor: Leonardo Cesar Kammer, Appl. No: 13 / 689,249, Filed: Nov. 2012.2012.

Магнитная подшипниковая система состоит из двух электромагнитов, расположенных на одной оси с противоположных сторон от ротора. Система включает контроллер, рассчитывающий управляющее воздействие, необходимое для поддержания ротора в заданном положении. Система также содержит устройство компенсации нелинейности, рассчитывающее величину силы тока в первом электромагните и втором электромагните для поддержания требуемой жесткости при пусковых, номинальных режимах работы и при выключении.The magnetic bearing system consists of two electromagnets located on the same axis on opposite sides of the rotor. The system includes a controller that calculates the control action necessary to maintain the rotor in a given position. The system also includes a non-linearity compensation device that calculates the magnitude of the current in the first electromagnet and the second electromagnet to maintain the required stiffness during starting, nominal operating modes and during shutdown.

Недостатками системы магнитных подшипников и методов управления ими являются следующие. Все элементы системы управления магнитных подшипников цифровые. Однако в системе отсутствует возможность плавного изменения коэффициентов регуляторов (в том числе демпфирования) в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.The disadvantages of the magnetic bearing system and their control methods are as follows. All elements of the magnetic bearing control system are digital. However, the system does not have the ability to smoothly change the coefficients of the regulators (including damping) depending on the frequency of vibration of the rotor to stabilize the position of the rotor at critical speeds.

Наиболее близким принятым за прототип является «Система управления электромагнитным подвесом ротора» по патенту на изобретение RU 2460909 С1.The closest adopted for the prototype is the "Control system of the electromagnetic suspension of the rotor" according to the patent for the invention RU 2460909 C1.

Известная система не может быть применена из-за недостатков, к которым можно отнести следующие.The known system cannot be applied due to disadvantages, which include the following.

Во-первых, не обеспечивается быстродействие, т.е. быстрое изменение магнитного поля электромагнитов, что важно для управления высокоиндуктивными обмотками электромагнитов в системе магнитного подвеса тяжелых роторов горизонтального исполнения массой, например, не менее 900 кг, используемых, например, в центробежных нагнетателях газоперекачивающих агрегатов. Во-вторых, все элементы каждого канала системы управления электромагнитным подвесом ротора работают на аналоговых микросхемах, которые не обеспечивают гибкого изменения параметров при настройке, а также сложны в техническом обслуживании. В-третьих, сложная техническая реализация схемы системы управления электромагнитным подвесом ротора. В-четвертых, отсутствие возможности плавного изменения коэффициентов регуляторов в зависимости от частоты вибрации ротора для стабилизации положения ротора на критических частотах вращения.Firstly, performance is not ensured, i.e. rapid change in the magnetic field of electromagnets, which is important for controlling highly inductive windings of electromagnets in the magnetic suspension system of heavy horizontal rotors with a mass of, for example, at least 900 kg, used, for example, in centrifugal blowers of gas pumping units. Secondly, all elements of each channel of the rotor electromagnetic suspension control system operate on analog microcircuits, which do not provide flexible parameter changes during setup, and are also difficult to maintain. Thirdly, a complex technical implementation of the control system of the electromagnetic rotor suspension. Fourth, the lack of the ability to smoothly change the coefficients of the regulators depending on the frequency of vibration of the rotor to stabilize the position of the rotor at critical speeds.

Задачами настоящего изобретения являются создание системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, которая обеспечивает требуемые критерии качества регулирования, заключающиеся в низком уровне вибрации, в высоком быстродействии системы, а также упрощение схемы, настройки и технического обслуживания системы управления.The objectives of the present invention are to provide a system for automatic control of the electromagnetic suspension of the rotor, which provides the required criteria for the quality of regulation, consisting in a low level of vibration, in high speed of the system, as well as simplification of the circuit, configuration and maintenance of the control system.

Предлагаемая система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора позволяет достичь технический результат при использовании автоматического управления электромагнитным подвесом ротора большой массы путем создания такой схемы автоматического управления, которая упростит настройку и техническое обслуживание путем выполнения цифровой реализации системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, в использовании цифровых адаптивных схем построения регуляторов, в новой совокупности связей между элементами устройств, в новой схеме подключения обмоток электромагнитов к силовому преобразователю.The proposed automatic control system of the rotor electromagnetic suspension allows to achieve a technical result when using the automatic control of the large mass rotor electromagnetic suspension by creating such an automatic control circuit that will simplify setup and maintenance by digitally implementing the automatic control of the rotor electromagnetic suspension, using digital adaptive design circuits regulators, in a new set of relationships between e ementami devices in the new scheme of connection of the windings of the electromagnets to the power converter.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предложена система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал которой содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференциальный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, блок задания, отличающаяся тем, что каждый канал дополнительно снабжен блоком обработки сигнала вибрации, пропорциональным регулятором тока и датчиком тока, причем датчик положения ротора соединен с входом блока обработки сигнала вибрации, выход которого соединен с инверсным входом пропорционального регулятора, интегрального регулятора, дифференциального регулятора, выходы которых подключены к входу пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого подключен к пропорциональному регулятору с обратной связью по значению силы тока в обмотках электромагнитов, выход этого регулятора соединен с входом силового преобразователя, к выходу которого подключены обмотки электромагнитов, при этом выполняется адаптивная настройка регуляторов (пропорционального регулятора, дифференциального регулятора) в зависимости от сигнала, полученного на выходе блока обработки сигнала вибрации.To solve this problem and achieve a technical result, a system is proposed for automatic control of the rotor electromagnetic suspension, each channel of which contains a rotor position sensor, an integral controller, a proportional controller, a differential controller, a proportional differential controller, a power converter, two electromagnets, a task unit, characterized in that each channel is additionally equipped with a vibration signal processing unit, a proportional current regulator and a current sensor, with than the rotor position sensor is connected to the input of the vibration signal processing unit, the output of which is connected to the inverse input of the proportional controller, integral controller, differential controller, the outputs of which are connected to the input of the proportional-differential controller, the output of which is connected to the proportional controller with feedback according to the current value in the windings of electromagnets, the output of this controller is connected to the input of the power converter, to the output of which the windings of the electromagnets are connected, When this setting is performed adaptive controllers (proportional control, differential control) depending on the signal obtained at the output of the vibration signal processing unit.

Подключение обмоток электромагнитов в трехфазный диодно-транзисторный мост выполнено таким образом, что общая точка обмоток электромагнитов подключается через транзисторный ключ к «минусу» блока питания.The connection of the electromagnet windings to the three-phase diode-transistor bridge is made in such a way that the common point of the electromagnet windings is connected through the transistor switch to the "minus" of the power supply.

Таким образом, предлагаемая система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора позволяет уменьшить уровень вибрации, улучшить быстродействие системы для тяжелых роторов массой, например, не менее 900 кг, решением компоновочной схемы подключения обмоток электромагнитов, в которой обмотки электромагнитов подключены в трехфазный диодно-транзисторный мост так, что общая точка обмоток электромагнитов подключается через транзисторный ключ к «минусу» блока питания, в результате чего можно отказаться от применения одного транзисторного ключа и упростить схему. Упростить настройку технической системы путем использования вместо аналоговых элементов цифрового контроллера, в котором математические блоки реализованы программно с возможностью быстрой настройки, уменьшить уровень вибрации за счет введения блока обработки сигнала вибрации, в котором анализируется частотный спектр вибрации ротора и в зависимости от полученных результатов автоматически корректируются параметры настройки регуляторов.Thus, the proposed automatic control system for the electromagnetic suspension of the rotor allows to reduce the vibration level, improve the system performance for heavy rotors weighing, for example, at least 900 kg, by solving the layout scheme for connecting the electromagnet windings, in which the electromagnet windings are connected to a three-phase diode-transistor bridge so that the common point of the electromagnet windings is connected through a transistor switch to the “minus" of the power supply, as a result of which one can not use one key and simplify the circuit. To simplify the configuration of the technical system by using a digital controller instead of analog elements, in which the mathematical blocks are implemented in software with the ability to quickly configure, reduce the vibration level by introducing a vibration signal processing unit, which analyzes the frequency spectrum of the rotor vibration and, depending on the results, automatically adjusts the parameters regulator settings.

Для пояснения описываемого объекта на чертежах (фигурах) приведен перечень чертежей и наименования изображений на них:To clarify the described object in the drawings (figures), a list of drawings and the names of the images on them are given:

Фиг. 1 - функциональная схема каждого канала системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора;FIG. 1 is a functional diagram of each channel of the automatic control system of the rotor electromagnetic suspension;

Фиг. 2 - схема подключения обмоток электромагнитов к силовому преобразователю;FIG. 2 - connection diagram of electromagnet windings to a power converter;

Фиг. 3 - структурная схема одного канала системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора;FIG. 3 is a structural diagram of one channel of a system for automatically controlling an electromagnetic suspension of a rotor;

Фиг. 4 - график переходного процесса при всплытии ротора со страховочных подшипников;FIG. 4 is a graph of the transition process when the rotor emerges from the safety bearings;

Фиг. 5 - график переходного процесса по возмущению при центральном положении ротора.FIG. 5 is a graph of a transient perturbation process at a central rotor position.

Каждый канал (фиг. 1) содержит датчик положения ротора 1, блок задания положения вала 2, элемент сравнения 3, блок обработки сигнала вибрации 4, пропорциональный регулятор 5, интегральный регулятор 6, дифференциальный регулятор 7, пропорционально-дифференциальный регулятор 8, элемент сравнения 9, пропорциональный регулятор тока 10, датчик тока 11, силовой преобразователь 12, два электромагнита 13 и 14. Выходное значение датчика положения ротора 1 вычитается из значения блока задания 2 положения ротора в элементе сравнения 3. Разница подается на вход блока обработки сигнала вибрации 4, выходной сигнал которого подается одновременно на входы пропорционального регулятора 5, интегрального регулятора 6 и дифференциального регулятора 7. Сумма выходных значений регуляторов 5, 6, 7 подается на вход пропорционально-дифференциального регулятора 8, из выходного значения которого в элементе сравнения 9 вычитается значение силы тока, измеренное с помощью датчика тока 11 в обмотках электромагнитов 13, 14. Разница подается на вход пропорционального регулятора тока 10, выход которого соединен с входом силового преобразователя 12. К выходу силового преобразователя 12 подключены обмотки электромагнитов 13 и 14.Each channel (Fig. 1) contains a rotor position sensor 1, a shaft 2 position setting unit, a comparison element 3, a vibration signal processing unit 4, a proportional controller 5, an integral controller 6, a differential controller 7, a proportional differential controller 8, a comparison element 9 , proportional current controller 10, current sensor 11, power converter 12, two electromagnets 13 and 14. The output value of the rotor position sensor 1 is subtracted from the value of the reference unit 2 of the rotor position in the comparison element 3. The difference is applied to input b An eye for processing the vibration signal 4, the output signal of which is supplied simultaneously to the inputs of the proportional controller 5, the integral controller 6 and the differential controller 7. The sum of the output values of the regulators 5, 6, 7 is fed to the input of the proportional-differential controller 8, from the output value of which in the comparison element 9, the value of the current strength measured using the current sensor 11 in the windings of the electromagnets 13, 14 is subtracted. The difference is applied to the input of the proportional current controller 10, the output of which is connected to the power input transformer 12. The output of the power transducer 12 is connected to the windings of the electromagnets 13 and 14.

Перечисленные выше блоки 2…10 системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора выполнены программно в цифровом контроллере.The above blocks 2 ... 10 of the system for automatic control of the electromagnetic suspension of the rotor are made programmatically in a digital controller.

В качестве датчика 1 положения ротора может быть применен, например, индуктивный токовихревой датчик с блоком измерения.As the rotor position sensor 1, for example, an inductive eddy current sensor with a measurement unit can be used.

Силовой преобразователь 12 представляет собой, например, транзисторный широтно-импульсный преобразователь, состоящий из широтно-импульсного модулятора и транзисторного моста, собранного по трехфазной полумостовой схеме.The power converter 12 is, for example, a transistor pulse-width converter, consisting of a pulse-width modulator and a transistor bridge assembled in a three-phase half-bridge circuit.

В качестве датчика тока 11 может быть применен, например, датчик на основе эффекта Холла, с высоким быстродействием.As the current sensor 11, for example, a sensor based on the Hall effect with high speed can be used.

Электромагниты 13 и 14 располагаются на статоре роторной машины, например, на одной оси с противоположных сторон от ротора и могут быть выполнены, например, как явнополюсные или с распределенными обмотками.The electromagnets 13 and 14 are located on the stator of the rotor machine, for example, on the same axis on opposite sides of the rotor and can be performed, for example, as explicit pole or with distributed windings.

Обмотки электромагнитов подключаются к диодно-транзисторному мосту, например, как показано на фиг. 2. Таким образом, что общая точка обмоток электромагнитов подключается через транзисторный ключ к «минусу» блока питания, что позволяет отказаться от применения одного транзисторного ключа и упростить схему.The windings of the electromagnets are connected to a diode-transistor bridge, for example, as shown in FIG. 2. Thus, the common point of the electromagnet windings is connected through a transistor switch to the "minus" of the power supply, which eliminates the need for a single transistor switch and simplifies the circuit.

Предложенная система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора работает следующим образом. Изначально ротор находится на страховочных подшипниках. При включении системы управления в каждом канале датчик положения ротора 1 измеряет отклонение ротора от центрального положения. Разница между поддерживаемым центральным значением положения ротора в блоке задания 2 и измеренным значением подается на вход блока обработки сигнала вибрации 4, выход которого подается на вход пропорционального 5, интегрального 6 и дифференциального 7 регуляторов. В соответствии с передаточными функциями, реализованными в регуляторах 5…7, сумма выходных значений этих регуляторов подается на вход пропорционально-дифференциального регулятора 8. В соответствии с передаточной функцией, реализованной регулятором 8, выходное значение подается на вход элемента сравнения 9, где из этого значения вычитается измеренное с помощью датчика тока 11 значение силы тока в обмотках электромагнитов. Разница подается на вход пропорционального регулятора тока 10. Задача этого регулятора - поддержание значения тока, пропорционального выходному значению регулятора 8, а также компенсация постоянной времени ТЭ обмоток электромагнитов. Выходное значение пропорционального регулятора тока 10 - это значение для силового широтно-импульсного преобразователя 12, пропорционально которому силовой преобразователь регулирует напряжение на обмотках электромагнитов 13 и 14.The proposed system for automatic control of the electromagnetic suspension of the rotor operates as follows. Initially, the rotor is located on safety bearings. When the control system is turned on in each channel, the rotor 1 position sensor measures the deviation of the rotor from its central position. The difference between the supported central value of the rotor position in the reference unit 2 and the measured value is fed to the input of the vibration signal processing unit 4, the output of which is fed to the input of the proportional 5, integral 6 and differential 7 controllers. In accordance with the transfer functions implemented in the controllers 5 ... 7, the sum of the output values of these controllers is fed to the input of the proportional-differential controller 8. In accordance with the transfer function implemented by the controller 8, the output value is supplied to the input of the comparison element 9, where from this value the value of the current strength measured in the electromagnet windings measured using the current sensor 11 is subtracted. The difference is fed to the input of the proportional current controller 10. The purpose of this controller is to maintain a current value proportional to the output value of the controller 8, as well as compensation for the time constant T E of the electromagnet windings. The output value of the proportional current controller 10 is the value for the pulse-width power converter 12, in proportion to which the power converter regulates the voltage across the windings of the electromagnets 13 and 14.

В результате в обмотках электромагнитов 13 и 14 формируются такие токи, которые создают результирующую силу, поднимающую ротор со страховочных подшипников и удерживающую его в центральном положении (по датчику 1) в рабочих режимах.As a result, such currents are formed in the windings of the electromagnets 13 and 14 that create the resulting force that lifts the rotor from the safety bearings and keeps it in a central position (by sensor 1) in operating modes.

Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора является полностью цифровой. Математическая реализация передаточных функций блока обработки сигнала вибрации 4, регуляторов 5…8, 10, а также блоков задания и сравнения 2, 3, 9 выполнена программно на базе промышленного цифрового контроллера с высоким быстродействием. Сигналы от датчика положения ротора 1 и датчика тока 11 оцифровываются с помощью аналогово-цифровых преобразователей. Силовой преобразователь 12 работает с цифровым входным сигналом широтно-импульсного модулятора.The automatic control system of the electromagnetic rotor suspension is fully digital. The mathematical implementation of the transfer functions of the vibration signal processing unit 4, controllers 5 ... 8, 10, as well as reference and comparison units 2, 3, 9, is performed in software on the basis of an industrial digital controller with high speed. The signals from the rotor position sensor 1 and current sensor 11 are digitized using analog-to-digital converters. The power Converter 12 operates with a digital input signal of a pulse-width modulator.

Процессы, протекающие при работе предложенной системы автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, можно представить структурной схемой (фиг. 3). Здесь kДП - коэффициент передачи датчика положения 1; kП1 - коэффициент передачи пропорционального регулятора 5; 1 T И p

Figure 00000001
- передаточная функция интегрального регулятора 6; ТД1р - передаточная функция дифференциального регулятора 7; kП2 - коэффициент передачи пропорционально-дифференциального регулятора 8; kП2(1+ТД2p) - передаточная функция пропорционально-дифференциального регулятора 8; kШИМ - коэффициент передачи силового широтно-импульсного преобразователя 12, является также коэффициентом передачи пропорционального регулятора тока 10; kДТ - коэффициент передачи датчика тока 11; xЗ, FВХ и x - сигналы задания (поддерживаемое центральное положение ротора от блока задания 2), возмущающей силы и текущего положения ротора, соответственно. Остальные динамические звенья в совокупности представляют собой линеаризованную математическую модель процесса перемещения ротора в поле электромагнитного подшипника под действием управляющего сигнала на входе силового преобразователя 12. Коэффициенты передачи kШИМ и U характеризуют параметры силового преобразователя 12: коэффициент передачи широтно-импульсного преобразователя и напряжение питания транзисторного моста. Динамическое звено с передаточной функцией 1 U ( T Э p + 1 )
Figure 00000002
(TЭ - постоянная времени электрической цепи обмоток электромагнитов) связывает приращение соотношения токов в электромагнитах 13 и 14 с приращением напряжения на обмотках, причем заведомо принимается такой закон коммутации транзисторов моста, что увеличение напряжение на одной из обмоток приводит к такому же уменьшению напряжения на другой. Коэффициент передачи kЭМ связывает силу, действующую со стороны электромагнитов на ротор при его центральном положении, с соотношением токов в электромагнитах. Коэффициент передачи kF характеризует изменение силы, действующей на ротор, при его отклонении от центрального положения. Динамическое звено 1 m p 2
Figure 00000003
в соответствии со вторым законом Ньютона определяет перемещение ротора под действием результирующей силы. Коэффициент передачи kЕ характеризует приращение наводимой в обмотках электромагнитов эдс со скоростью перемещения ротора в магнитном поле.The processes occurring during the operation of the proposed system of automatic control of the electromagnetic suspension of the rotor can be represented by a structural diagram (Fig. 3). Here k DP is the transmission coefficient of the position sensor 1; k P1 - gear ratio of the proportional controller 5; one T AND p
Figure 00000001
- transfer function of the integral controller 6; T D1 p - the transfer function of the differential controller 7; k P2 - transmission coefficient of the proportional differential controller 8; k P2 (1 + T D2 p) - transfer function of the proportional differential controller 8; k PWM - transmission coefficient of the power pulse-width converter 12, is also the transmission coefficient of the proportional current controller 10; k DT is the transfer coefficient of the current sensor 11; x З , F ВХ and x are the reference signals (the supported central position of the rotor from the reference block 2), the disturbing force and the current position of the rotor, respectively. The remaining dynamic links in the aggregate are a linearized mathematical model of the process of moving the rotor in the field of the electromagnetic bearing under the action of a control signal at the input of the power converter 12. The transmission coefficients k PWM and U characterize the parameters of the power converter 12: the transmission coefficient of the pulse-width converter and the supply voltage of the transistor bridge . Dynamic link with transfer function one U ( T E p + one )
Figure 00000002
(T E is the time constant of the electric circuit of the electromagnet windings) relates the increment in the ratio of currents in electromagnets 13 and 14 to the increment of voltage on the windings, and the law of switching transistors of the bridge is obviously adopted such that an increase in voltage on one of the windings leads to the same decrease in voltage to the other . The transmission coefficient k EM connects the force acting from the side of the electromagnets to the rotor with its central position, with the ratio of currents in the electromagnets. The gear coefficient k F characterizes the change in the force acting on the rotor when it deviates from its central position. Dynamic link one m p 2
Figure 00000003
in accordance with the second law of Newton determines the movement of the rotor under the action of the resulting force. The transmission coefficient k E characterizes the increment induced in the windings of the electromagnet electromotive force with the speed of movement of the rotor in a magnetic field.

В блоке обработки сигнала вибрации 4 коэффициент усиления системы управления автоматически изменяется в зависимости от частоты сигнала отклонения положения ротора в соответствии с передаточной характеристикой фильтра низких частот второго порядка

Figure 00000004
- для коэффициента передачи kП1 пропорционального регулятора 5 и в соответствии с передаточной функцией фильтра низких частот второго порядка
Figure 00000005
- для постоянной времени дифференцирования TД1 дифференциального регулятора 7. kф1, kф2 - весовые коэффициенты, определяющие степень влияния фильтров на выходной сигнал блока обработки вибрации. Адаптивные по частоте входного сигнала регуляторы 5, 7 позволяют обеспечить устойчивость системы автоматического управления во всем рабочем диапазоне частот вращения ротора.In the vibration signal processing unit 4, the gain of the control system automatically changes depending on the frequency of the rotor position deviation signal in accordance with the transfer characteristic of the second-order low-pass filter
Figure 00000004
- for the transmission coefficient k П1 of the proportional controller 5 and in accordance with the transfer function of the second-order low-pass filter
Figure 00000005
- for the differentiation time constant T D1 of the differential controller 7. k f1 , k f2 - weighting factors that determine the degree of influence of the filters on the output signal of the vibration processing unit. Regulators 5, 7, adaptive in frequency of the input signal, make it possible to ensure the stability of the automatic control system in the entire working range of rotor speed.

Величина постоянной времени пропорционально-дифференциального регулятора 8The value of the time constant of the proportional differential controller 8

WПД(p)=kП2(1+TД2)W PD (p) = k P2 (1 + T D2 )

определяется, например, из соотношения TД2=3TЭ, а коэффициент передачи kП2 этого регулятора может варьироваться в широких пределах. Величины коэффициента передачи kП1 пропорционального регулятора 5 и постоянной времени TИ интегрального регулятора 6 в соответствии с условием устойчивости также могут выбираться из широкого ряда значений.is determined, for example, from the relation T D2 = 3T E , and the transfer coefficient k P2 of this regulator can vary within wide limits. The values of the transfer coefficient k P1 of the proportional controller 5 and the time constant T AND of the integral controller 6 in accordance with the stability condition can also be selected from a wide range of values.

Моделирование на компьютере показывает достижимые показатели предлагаемой системы управления электромагнитным подвесом ротора. На фиг. 4, 5 приведены графики переходных процессов при всплытии ротора со страховочных подшипников и при действии возмущающей силы при исходном центральном положении ротора. В расчетах приняты следующие параметры электромагнитного подвеса ротора, например, турбины: kE=1461 Вс/м; kЭМ=1306 Н; kF=1315900 Н/м; m=900 кг; TЭ=0,038233 с; kШИМ=1,9608·10-3; U=247 В; kП1=0,01; TД1=0,000115 с; kП2=1; TД2=0,112 с; TИ=0,5 с; kДП=4096000 дискрет/м; kДТ=2048 дискрет/А; kф1=0,5; kф2=0,5; a 1=3948; b1=0,6547; c1=0,0001081; d1=3948; e1=88,86; f1=1,0; a 2=194100; b2=31,13; c2=0,004862; d2=194100; e2=622; f2=1,0. Анализ графиков показывает, что в системе управления электромагнитным подвесом ротора наблюдается высокое быстродействие во всех режимах работы. Ротор всплывает со страховочных подшипников, имеющих зазор в рабочем состоянии δ=0,25 мм, за время tПП=0,5 с. Динамический провал ротора при ударном приложении силы в 1 Н составляет Δxmax=0,0018 мкм. Следует также отметить, что ротор возвращается в центральное положение после приложения нагрузки.Computer simulation shows the achievable performance of the proposed rotor electromagnetic suspension control system. In FIG. Figures 4 and 5 show graphs of transients during the ascent of the rotor from the safety bearings and under the action of a disturbing force at the initial central position of the rotor. In the calculations, the following parameters of the electromagnetic suspension of the rotor, for example, a turbine, were taken: k E = 1461 Vs / m; k EM = 1306 N; k F = 1315900 N / m; m = 900 kg; T e = 0.038233 s; k PWM = 1.9608 · 10 -3 ; U = 247 V; k P1 = 0.01; T D1 = 0.000115 s; k P2 = 1; T D2 = 0.112 s; T And = 0.5 s; k DP = 4096000 discrete / m; k DT = 2048 discrete / A; k f1 = 0.5; k f2 = 0.5; a 1 = 3948; b 1 = 0.6547; c 1 = 0.0001081; d 1 = 3948; e 1 = 88.86; f 1 = 1.0; a 2 = 194100; b 2 = 31.13; c 2 = 0.004862; d 2 = 194100; e 2 = 622; f 2 = 1.0. Analysis of the graphs shows that in the control system of the electromagnetic suspension of the rotor there is a high speed in all operating modes. The rotor emerges from the safety bearings having a clearance in the working condition δ = 0.25 mm, for a time t PP = 0.5 s. The dynamic failure of the rotor during an impact force application of 1 N is Δx max = 0.0018 μm. It should also be noted that the rotor returns to its center position after applying a load.

Правильность заявленного технического решения подтверждена вводом в промышленную эксплуатацию системы автоматического управления для нагнетателей типа НЦ-16 с электромагнитными подшипниками ротора на КС-22 «Помарская» Волжского ЛПУ МГ филиала ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород».The correctness of the claimed technical solution is confirmed by putting into commercial operation an automatic control system for NTs-16 type superchargers with electromagnetic rotor bearings at KS-22 Pomarskaya of the Volzhsky MPI of the Moscow branch of Gazprom transgaz Nizhny Novgorod LLC.

Таким образом, предложенная система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора обеспечивает низкий уровень вибрации, высокое быстродействие системы, а также упрощение схемы, настройки и технического обслуживания системы управления.Thus, the proposed system of automatic control of the electromagnetic suspension of the rotor provides a low level of vibration, high system performance, as well as simplifying the circuit, configuration and maintenance of the control system.

Claims (2)

1. Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора, каждый канал которой содержит датчик положения ротора, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, дифференциальный регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор, силовой преобразователь, два электромагнита, блок задания, отличающаяся тем, что каждый канал дополнительно снабжен блоком обработки сигнала вибрации, пропорциональным регулятором тока и датчиком тока, причем датчик положения ротора соединен с входом блока обработки сигнала вибрации, выход которого соединен с инверсным входом пропорционального регулятора, интегрального регулятора, дифференциального регулятора, выходы которых подключены к входу пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого подключен к пропорциональному регулятору с обратной связью по значению силы тока в обмотках электромагнитов, выход этого регулятора соединен с входом силового преобразователя, к выходу которого подключены обмотки электромагнитов, при этом выполняется адаптивная настройка регуляторов (пропорционального регулятора, дифференциального регулятора) в зависимости от сигнала, полученного на выходе блока обработки сигнала вибрации.1. The automatic control system of the electromagnetic suspension of the rotor, each channel of which contains a rotor position sensor, an integral controller, a proportional controller, a differential controller, a proportional differential controller, a power converter, two electromagnets, a reference unit, characterized in that each channel is additionally equipped with a processing unit a vibration signal, a proportional current controller and a current sensor, the rotor position sensor being connected to the input of the vibration signal processing unit, the output of which is connected to the inverse input of the proportional controller, integral controller, differential controller, the outputs of which are connected to the input of the proportional differential controller, the output of which is connected to the proportional controller with feedback on the value of the current in the electromagnet windings, the output of this controller is connected to the input of the power converter , to the output of which the windings of electromagnets are connected, while adaptive adjustment of the regulators (proportional control torus, differential controller) depending on the signal obtained at the output of the vibration signal processing unit. 2. Система автоматического управления электромагнитным подвесом ротора по п. 1, отличающаяся тем, что подключение обмоток электромагнитов в трехфазный диодно-транзисторный мост выполнено таким образом, что общая точка обмоток электромагнитов подключается через транзисторный ключ к «минусу» блока питания. 2. The automatic control system of the rotor electromagnetic suspension according to claim 1, characterized in that the connection of the electromagnet windings to the three-phase diode-transistor bridge is made in such a way that the common point of the electromagnet windings is connected through the transistor switch to the "minus" of the power supply.
RU2015114970/07A 2015-04-21 2015-04-21 System for automatic control of rotor RU2589718C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015114970/07A RU2589718C1 (en) 2015-04-21 2015-04-21 System for automatic control of rotor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015114970/07A RU2589718C1 (en) 2015-04-21 2015-04-21 System for automatic control of rotor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2589718C1 true RU2589718C1 (en) 2016-07-10

Family

ID=56371304

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015114970/07A RU2589718C1 (en) 2015-04-21 2015-04-21 System for automatic control of rotor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2589718C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656871C1 (en) * 2017-04-28 2018-06-07 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Method of controlling the rotor position of electric machine on non-contact bearings (variants) and electric machine for its implementation
RU2777512C1 (en) * 2021-06-22 2022-08-05 Общество с ограниченной ответственностью "ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ НИЖНИЙ НОВГОРОД" Automatic control system of the axial electromagnetic rotor bearing with adaptation to changes in static force

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3343186A1 (en) * 1983-11-29 1985-06-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München MAGNETIC ROTOR BEARING
GB2109596B (en) * 1981-11-11 1985-11-20 Seiko Instr & Electronics Improvements in or relating to control circuit arrangements for bodies rotating in magnetic bearings
WO1997007341A1 (en) * 1995-08-18 1997-02-27 Sulzer Electronics Ag Radial active magnetic bearing device and process for operating it
RU2290746C1 (en) * 2005-06-10 2006-12-27 Елена Васильевна Кравцова Method and device for controlling electromagnetic bearings
JP3916821B2 (en) * 1999-12-13 2007-05-23 株式会社荏原製作所 Magnetic levitation controller
RU2345464C1 (en) * 2007-12-17 2009-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Control system for electromagnetic rotor suspension
RU2395150C2 (en) * 2008-07-21 2010-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Control system for rotor electro-magnet suspension
US8089187B2 (en) * 2008-03-03 2012-01-03 Budde William A High-efficiency, variable-speed permanent magnet motor and control system
RU2460909C1 (en) * 2011-02-02 2012-09-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Rotor electromechanical suspension control system
EP2738406A1 (en) * 2012-11-29 2014-06-04 General Electric Company Magnetic Bearing Systems and Methods of Controlling the Same

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2109596B (en) * 1981-11-11 1985-11-20 Seiko Instr & Electronics Improvements in or relating to control circuit arrangements for bodies rotating in magnetic bearings
DE3343186A1 (en) * 1983-11-29 1985-06-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München MAGNETIC ROTOR BEARING
WO1997007341A1 (en) * 1995-08-18 1997-02-27 Sulzer Electronics Ag Radial active magnetic bearing device and process for operating it
JP3916821B2 (en) * 1999-12-13 2007-05-23 株式会社荏原製作所 Magnetic levitation controller
RU2290746C1 (en) * 2005-06-10 2006-12-27 Елена Васильевна Кравцова Method and device for controlling electromagnetic bearings
RU2345464C1 (en) * 2007-12-17 2009-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Control system for electromagnetic rotor suspension
US8089187B2 (en) * 2008-03-03 2012-01-03 Budde William A High-efficiency, variable-speed permanent magnet motor and control system
RU2395150C2 (en) * 2008-07-21 2010-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Control system for rotor electro-magnet suspension
RU2460909C1 (en) * 2011-02-02 2012-09-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Rotor electromechanical suspension control system
EP2738406A1 (en) * 2012-11-29 2014-06-04 General Electric Company Magnetic Bearing Systems and Methods of Controlling the Same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656871C1 (en) * 2017-04-28 2018-06-07 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Method of controlling the rotor position of electric machine on non-contact bearings (variants) and electric machine for its implementation
RU2777512C1 (en) * 2021-06-22 2022-08-05 Общество с ограниченной ответственностью "ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ НИЖНИЙ НОВГОРОД" Automatic control system of the axial electromagnetic rotor bearing with adaptation to changes in static force
RU2780551C1 (en) * 2021-10-19 2022-09-27 Общество с ограниченной ответственностью "ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ НИЖНИЙ НОВГОРОД" Training stand of the automatic control system for electromagnetic bearings of the rotor shaft of the centrifugal supercharger of the gas pumping unit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101557196B (en) Current regulator and current control method and system for AC motors
US8242753B2 (en) Current limitation for a double-fed asynchronous machine
EP2865889B1 (en) Damping of wind turbine drive train oscillations
US9543852B2 (en) Method and system for controlling a DC link voltage of a power converter connecting an electric generator of a wind turbine with a power grid
US4395904A (en) Device for damping oscillations
Fateh et al. Comparative study of integral and classical backstepping controllers in IFOC of induction motor fed by voltage source inverter
CN111030528B (en) Multi-ring voltage regulation control method for three-stage brushless synchronous motor
Bedetti et al. Analytical design of flux-weakening voltage regulation loop in IPMSM drives
US4267496A (en) Device for damping oscillations
RU2589718C1 (en) System for automatic control of rotor
CN102105682A (en) Method of controlling a variable speed wind turbine generator
RU2428735C1 (en) Automatic control device of electromechanical system
Kadiman et al. Teaching power system stabilizer and proportional-integral-derivative impacts on transient condition in synchronous generator
US20230176533A1 (en) Model-based predictive control method for structural load reduction in wind turbines
EP3139016A1 (en) Turbocharger and ship
RU2446552C2 (en) Device for automatic control of electromechanical system with viscoelastic kinematic link
CN106532742A (en) Novel AVR excitation system transfer function model
Bruha Importance of control engineering to minimize torsional vibration in variable speed drive systems
JPS6271497A (en) Controller for variable-speed hydraulic turbine generator
RU2381609C1 (en) Method to control static stabilised dc voltage sources operating in parallel into common load
RU2599529C1 (en) Device for frequency control over asynchronous electric drive
Jafarboland et al. Modelling and designing controller of two different mechanical coupled motors for enhancement of underwater vehicles performance
RU2724128C1 (en) Asynchronous motor control method
CN114057048B (en) Method for determining elevator speed control coefficient
US20240110531A1 (en) Closed-loop control device for closed-loop control of a power assembly including an internal combustion engine and a generator having an operative drive connection to the internal combustion engine, closed-loop control arrangement having such a closed-loop control device, power assembly and method for closed-loop control of a power assembly

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20161222