Методы и алгоритмы отказоустойчивого управления электроприводами опасных производственных объектов

Актуальность темы. Для важных критических технологий и опасных производственных объектов (ОПО) существует необходимость предотвращения техногенных аварий и минимизации невосполнимых экономических потерь. Требования безопасности функционирования и ограничения рисков нежела- тельных режимов при эксплуатации ядерных, химических, строительных, ме- таллургических и других объектов являются определяющими факторами в кри- териях живучести основного технологического оборудования.
Юридической основой обеспечения промышленной безопасности во мно- гих отраслях служит Постановление Правительства Российской Федерации от 28 марта 2001 г. N 241 «О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации» (с изменениями от 1 февраля 2005 г. и 22 апреля 2009 г.). Так, при производстве оборонной продукции существуют неукоснительные условия выполнения тех- нологических процессов при создании изделий: «особо ответственный техноло- гический процесс, как технологический процесс, нарушение в котором может привести к выходу из строя оборонной продукции или к изменению (потере) ее функциональных свойств» (ГОСТ РВ15.002–2003).
Большинство производственных объектов имеют в своем составе обору- дование с электроприводами переменного тока (ЭПТ), отказы которых приво- дят к невозможности исполнения рабочих функций необслуживаемых меха- низмов в процессах с длительным или безостановочным циклом обработки продукции.
В настоящее время особое внимание уделяется живучести ЭПТ в подъем- но-транспортных комплексах перемещения потенциально опасных грузов, неф- ти и газо-продуктов, ракетных и авиационных системах. Примером норматив- ного документа, в котором конкретизируются основные положения развития таких комплексов, может служить распоряжение Правительства Российской Федерации от 17.11.2008 N 1662-р (ред. от 08.08.2009) «О Концепции долго-
10
срочного социально-экономического развития Российской Федерации на пери- од до 2020 года», где определено увеличение потребности в грузоподъемной и транспортной технике с высокой степенью безотказной работы.
В современных подъемно-транспортных комплексах широко использу- ются цифровые ЭПТ вращательного или поступательного движения, где в каче- стве исполнительных двигателей применяются асинхронные (АД), вентильные (ВД) и вентильно-индукторные (ВИД) электродвигатели различного исполне- ния. При решении задач обеспечения эксплуатационной живучести таких ком- плексов значительно возрастает роль методов и алгоритмов отказоустойчивого управления силовыми импульсными преобразователями и исполнительными двигателями ЭПТ, как основных элементов электромеханической системы.
Фундаментальные теоретические вопросы построения технических сис- тем (ТС) со свойством живучести рассмотрены в работах Ю.И. Стекольникова, Г.Н. Черкесова, Ю.Ю. Громова и другими, зарубежными учеными: C.J. Colbourn (США), K. Sekine, H. Imai, S. Tani (Япония).
В тоже время конкретные решения отказоустойчивых ЭПТ исследовались такими российскими учеными, как: В.К.Лозенко, С.Г.Ворониным, П.Г. Вигрия- новым, П.О. Шабуровым, В.М. Сандаловым, В.Ф. Козаченко, В.Н. Острировым, Д.Е. Корпусовым, Д.И. Алямкиным, О.П. Муравлевым, Д.М. Глуховым и дру- гими, зарубежными учеными: A.J.Marques Cardoso, Andre M.S.Mendes (Порту- галия), Michele Dai Pre, Marco Zordan, Silveroio Bolognani (Италия), Cursino Brandao Jacobina, Edison Roberto Cabralda Silva, Antonio Marcus Nogueira Lima, Ricardo Luciode AraujoRobeiro (Бразилия), Johannes Zentner, RolfIsermann (ФРГ), Sangshin Kwan, Hamid A. Toliyat, Thomas A. Lipo, Thomas M. Jahns, Jen-Ren Fu, Brian A. Welchko (США).
Несмотря на имеющиеся теоретические подходы, используемые для вос- становления работоспособности электроприводов различных механизмов, име- ется ряд нерешенных проблем, связанных с особенностями работы двигателей переменного тока в аварийных и неполнофазных режимах, сложностью по- строения нелинейных математических моделей электродвигателей переменного

11
тока и импульсного преобразователя напряжения, реализацией методов и алго- ритмов восстановления работоспособности цифровых электроприводов высо- коответственных механизмов в реальном времени протекания динамических процессов.
Все это определяет актуальность создания эффективных методов и алго- ритмов отказоустойчивого управления ЭПТ с микроконтроллерными устройст- вами обработки информации для мониторинга и восстановления работоспособ- ности электромеханической системы, являющейся неотъемлемой частью обо- рудования опасных производств и технологий.
В диссертационной работе поставлена важная научно-техническая про- блема обеспечения эксплуатационной живучести электроприводов переменно- го тока, используемых в составе оборудования опасных производственных объ- ектов.
Объект исследований: частотно-регулируемые электроприводы пере- менного тока с ограниченными информационными и вычислительными ресур- сами их микропроцессорных систем управления.
Предмет исследований: математическое и алгоритмическое обеспече- ние, структурные и схемотехнические решения цифровых электроприводов пе- ременного тока.
Цель работы: повышение функциональной работоспособности электро- приводов переменного тока в аварийных режимах работы силового преобразо- вателя, исполнительного двигателя и механической нагрузки.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
1. Анализ и систематизация известных способов и устройств обеспечения отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока.
2. Разработка методов отказоустойчивого управления электроприводами переменного тока в аварийных режимах работы исполнительных двигателей опасных производственных объектов.
3. Создание математических моделей электроприводов переменного тока в аварийных режимах работы исполнительных двигателей.

12
4. Формализация записи алгоритмов восстановления работоспособности электроприводов переменного тока с интегрированными битами матриц оди- ночных и множественных отказов.
5. Исследование алгоритмов отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных электроприводов переменного тока с однократными отказами.
6. Разработка алгоритмов отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных секционирован- ных и m-фазных электроприводов с множественными отказами.
7. Исследование процесса адаптации структуры электропривода к послед- ствиям отказов при алгоритмическом восстановлении работоспособности.
8. Разработка схемотехнических решений систем управления электропри- водов переменного тока с отказоустойчивым управлением при наличии одно- кратных и множественных отказов и программно-аппаратной реализацией от- казоустойчивых алгоритмов восстановления работоспособности.
Методы исследования. В диссертационной работе применены: теория электропривода и электрических машин, методы описания динамических про- цессов электромеханического преобразования энергии, математическое моде- лирование и программирование в среде Delphi и Matlab, метод коммутацион- ных разрывных функций и спектральный метод анализа сигналов. Проверка теоретических исследований осуществлялась на лабораторном испытательном стенде и регистрацией данных сертифицированным информационно- измерительным комплексом (ИВК) MIC-300, тестовыми испытаниями на рабо- тающем оборудовании.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методы отказоустойчивого управления электроприводами переменно- го тока в аварийных режимах исполнительных двигателей опасных производст- венных объектов.
2. Математические модели электроприводов переменного тока в штатных и аварийных режимах работы.

13
3. Форма записи алгоритмов восстановления работоспособности электро- приводов переменного тока с интегрированными битами матрицы отказов.
4. Алгоритмы отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных электроприводов переменно- го тока с однократными отказами.
5. Алгоритмы отказоустойчивого управления с полным или частичным восстановлением работоспособности трехфазных секционированных вентиль- но-индукторных и многофазных асинхронных электроприводов с множествен- ными отказами.
6. Структуры и схемотехнические решения электроприводов переменного тока с отказоустойчивым управлением при наличии однократных и множест- венных отказов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре- комендаций подтверждаются: корректным применением математических ме- тодов и моделей, адекватность которых реальным процессам подтверждена ре- зультатами экспериментальных исследований; сходимостью результатов, полу- ченных теоретически и экспериментально; применением современного серти- фицированного измерительного оборудования (ИВК MIC-300); согласованно- стью результатов исследований с данными других ученых.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны методы отказоустойчивого управления электроприводами
переменного тока, позволяющие оценить их работоспособность в аварийном режиме и реализовать структурную адаптацию силовых цепей преобразователя частоты к последствиям отказов исполнительных двигателей опасных произ- водственных объектов.
2. Созданы математические и имитационные модели электроприводов пе- ременного тока в аварийных и неполнофазных режимах работы, позволяющие на основе мониторинга в реальном времени формировать матрицы отказов и обеспечивать последующее полное или частичное восстановление работоспо- собности электроприводов с учетом конфигурации схем подключения двигате-

14
лей со связанными или развязанными фазами с круговым и эллиптическим вращающимися магнитными полями.
3. Формализованы выражения самоорганизации управления с интегриро- ванными битами матрицы отказов для алгоритмов восстановления работоспо- собности электроприводов переменного тока, позволяющие обеспечить струк- турную адаптацию силовых цепей преобразователя частоты к последствиям от- казов в реальном времени.
4. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления с частичным или полным восстановлением работоспособности трехфазных асинхронных, вентильно-индукторных и вентильных электроприводов, позволяющие обеспе- чить купирование однократных отказов.
5. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления с частичным или полным восстановлением работоспособности трехфазных секционирован- ных вентильно-индукторных электроприводов, позволяющие обеспечить купи- рование однократных и множественных отказов.
6. Предложены технические решения по реализации метода отказоустой- чивого управления электроприводами переменного тока с асинхронными, вен- тильными и вентильно-индукторными двигателями. Разработаны технические решения по построению отказоустойчивых структур асинхронных и вентиль- ных электроприводов, выполненных на мостовых и полумостовых преобразо- вательных ячейках отличающиеся применением защитных элементов блокиро- вания отказа, расположенных в звене постоянного и переменного тока, с под- ключаемыми резервными полумостами, для схемных решений со связанными и развязанными фазами двигателя. Предложены технические решения отказо- устойчивого вентильно-индукторного двухсекционного электропривода отли- чающиеся повышенной живучестью при одиночных и множественных отказах.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны алгоритмы отказоустойчивого управления трехфазными ВД, АД и ВИП в аварийных и неполнофазных режимах и схемотехнические реализации ЭПТ [28–33, 35–37, 42–57], позволяющие полностью или частично

15
восстановить его работоспособность в аварийных режимах работы с обеспече- нием свойства живучести двигателя и силового преобразователя частоты.
2. Разработаны способы управления и устройства по реализации отказо- устойчивых ограничителей грузоподъемности на основе косвенных методов измерения массы поднимаемого груза и мажоритарного резервирования [34, 38–41], позволяющие обеспечить безопасность и живучесть кранового ЭПТ ме- ханизма подъема.
3. Разработаны способы диагностики и мониторинга фундаментов ЭПТ насосных агрегатов с оценкой величины остаточного ресурса фундамента [58, 59], позволяющие увеличить рабочий ресурс насосного агрегата не менее чем на 14 % в процессе безопасной эксплуатации электропривода.
4. Разработаны программные продукты «Программа расчета переходных процессов кранового АЭП с ограничителем грузоподъемности» и «Программа расчета переходных процессов АЭП в неполнофазных и аварийных режимах работы» [62-64], позволяющие оценить работоспособность кранового ЭПТ ме- ханизма подъема с ограничителем грузоподъемности в рабочих и аварийных режимах.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад авто- ра состоит в следующем: в публикациях [7, 9–10, 11] разработаны и сформули- рованы принципы отказоустойчивого управления, в публикациях [1–6, 8, 12–25, 27] – математические модели отказоустойчивых электроприводов, методы и ал- горитмы восстановления работоспособности ЭПТ, в публикациях [28–60] – технические решения по реализации отказоустойчивого управления ЭПТ. Ав- тор непосредственно участвовал в разработке программных и аппаратных средств, математических моделей, в проведении и анализе результатов теоре- тических и экспериментальных исследований.

16
Реализация выводов и рекомендаций работы.
– В Институте электрических машин, приводов и дорог Технического университета Брауншвайга (Technische Universität Braunschweing Institut für Elektrische Maschinen, Antriebeund Bahnen) применены для научно- исследовательских целей: разработанная методика обеспечения свойства живу- чести трехфазного ВД в аварийном двухфазном режиме на основе способа обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя [36] и устройства реализации способа на основе вентильного электропривода со свойством живу- чести [33]; методика обеспечения свойства живучести трехфазного АД в ава- рийном двухфазном режиме на основе способа управления и обеспечения жи- вучести трехфазного асинхронного двигателя [37] и устройство реализации способа на основе асинхронного электропривода со свойством живучести [35].
– На предприятии ОАО «Новосибирский завод им. Коминтерна» (г. Но- восибирск) внедрена методика повышения надежности ВД, обеспечивающая работу в аварийном двухфазном режиме трехфазного синхронного двигателя с позиционной модуляцией.
– На предприятиях: ООО «Тепромес», НТЦ Промбезопасность-ТГАСУ (г. Томск) внедрены «Программа расчета переходных процессов кранового АЭП с ограничителем грузоподъемности» [62] и «Программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режи- мах работы» [64].
– В учебном процессе кафедр «Электропривода и электрооборудования» Национального исследовательского Томского политехнического университета, «Общая электротехника и автоматика» и «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета исполь- зуется разработанное программное обеспечение: «Программа расчета переход- ных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режимах работы» [64], «Программа расчета переходных процессов вентильно- го электропривод» [63] и «Программа расчета переходных процессов кранового асинхронного электропривода с ограничителем грузоподъемности» [62].

17
– На предприятии ТНПВСЭП Томск СЭП внедрена методика оценки фундаментов электроприводов насосных агрегатов на основе способов компь- ютерной диагностики и мониторинга [58, 59].
– В НИИ автоматики и электромеханики (г. Томск) внедрена опытная серия блоков вентильного электропривода с поддержкой работоспособности в ава- рийном двухфазном режиме [30]. В разработке используются самозащищенные силовые ключи с бесконтактным датчиком тока [28].
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соот- ветствии с формулой специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы в диссертации содержатся теоретические и экспериментальные ис- следования в соответствии с пунктом 3, позволившие разработать алгоритмы восстановления работоспособности в реальном времени для трехфазных асин- хронных, вентильных и вентильно-индукторных электроприводов; в соответст- вии с пунктом 4 – исследовать работоспособность и оценить качество функ- ционирования трехфазных асинхронных, вентильных и вентильно- индукторных электроприводов при отказах силовых цепей с восстановлением полной или частичной работоспособности.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доклады- вались, обсуждались: на V Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», Новочеркасск, 2004г.; на V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2007», Санкт-Петербург, 2007г.; на IV Международной научно-технической конференции «Электроме- ханические преобразователи энергии», Томск, 2009г.; на IX сессии Междуна- родной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надёжно- сти и диагностики машин и механизмов», Санкт-Петербург, 2009г.; на научном семинаре стипендиатов программ «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант» 2008/2009 г Москва, 2009г; на VIII симпозиуме «Линейный электропривод для промышленности», Эйндховен (ФРГ), июль 3-6, 2011г.; на XVI Международ- ной заочной научно-технической конференции «Технические науки – от теории

18
к практике», Новосибирск, 2012г; на XIV Международной научно-технической конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические ма- териалы и компоненты», Алушта, 2012г; на научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», ОАО «НПЦ “Полюс”», Томск, 2013г., 2015г.; на I Международной научно-технической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы раз- вития», Йошкар-Ола, 2013г; на VI Международной научно-технической конфе- ренции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2013 г.; на Международной научно-технической конференции «Науки о Земле: современ- ное состояние и приоритеты развития», Дубаи (ОАЭ), 2013г.; на XXX заочной научной конференции Research Journal of International Studies, Екатеринбург, 2014г., на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 2015г., на научно-технических семинарах энерге- тического института ТПУ, Томск, 2011-2016 гг. и кафедр АиЭ и СДМ ТГАСУ, Томск, 2011-2016 гг.
Научные исследования выполнялись в рамках: программы «Развитие на- учного потенциала высшей школы»; г/б договора на выполнение НИОТКР No 109-12/НИОТКР от 3 ноября 2012г.; г/б темы No 01201458700 по приоритетному направлению: перспективные виды вооружений и специальной техники; х/д между ОАО «Гипроспецгаз» г. Москва и ГОУ ВПО ТГАСУ по оценке техниче- ского состояния строительных конструкций ГКС газопровода НВГПЗ- ПАРАБЕЛЬ-КУЗБАСС, хоздоговорных работ х/д 122/85Б (1983–1985 гг), х/д 121/87 (1987–1989 гг) НИИАЭМ при ТУСУР.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 64-х научных работах, в том числе в 20-ти статьях, входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций, 37 патентах РФ на изобретения и полезные модели, 6- ти статьях в изданиях Scopus и одной монографии. Получено 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

19
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, семь глав, заключение, список используемой литературы из 257-ми наименований. Объем диссертации составляет 343 с., включая 144 рис., 20 таблиц, приложений на 10 с.