Разработка и исследование электропривода запорной арматуры нефтепровода
Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования электропривода запорной арматуры нефтепровода. Произведен подбор асинхронного двигателя, преобразователя частоты, так же способ управления двигателем. Проведены имитационные исследования разработанного электропривода в основных технологических режимах.
Аннотация ………………………………………………………………………………………………… 14
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
1 Технологический процесс …………………………………………………………………. 17
1.1 Обоснование выбора принципа регулирования ………………………………… 18
1.2 Выбор регулирующей запорной арматуры………………………………………….. 19
1.3 Функциональная схема системы автоматического регулирования
давления ……………………………………………………………………………………………….. 20
1.4 Описание запорной арматуры Vanessa 30,000 …………………………………. 24
2 Проектно – расчетная часть ……………………………………………………………………. 26
2.1 Выбор электродвигателя……………………………………………………………………. 26
2.2 Расчет параметров схемы замещения …………………………………………………. 30
2.3 Расчет статических характеристик асинхронного двигателя ………………… 35
2.4 Структурная схема асинхронного двигателя ……………………………………….. 38
2.5 Расчет и моделирование переходных процессов пуска асинхронного
двигателя прямым включением в сеть и при изменении нагрузки ……………… 40
3 Выбор и обоснование системы управления электроприводом ……………………. 43
Регулируемый ЭП ………………………………………………………………………………….. 44
3.1 Выбор преобразователя частоты ………………………………………………………… 45
3.2 Принцип действия преобразователя частоты ………………………………………. 47
4 Математическое описание обобщенной асинхронной машины ………………….. 49
5 Разработка системы управления………………………………………………………………. 53
5.1 Система уравнений для составления структурной схемы …………………….. 53
5.2 Оптимизация системы автоматического управления …………………………… 59
регулируемого электропривода ………………………………………………………………. 59
5.3 Оптимизация САР потокосцепления ………………………………………………….. 60
5.4 Оптимизация САР скорости ………………………………………………………………. 66
6 Исследование нелинейной САУ РЭП ………………………………………………………. 68
6.1 Анализ влияния основных нелинейностей САУ РЭП на качество
регулирования ……………………………………………………………………………………….. 68
6.2 Разработка функциональной схемы регулируемого электропривода …….. 69
6.3 Разработка контура положения ………………………………………………………….. 76
6.3.1 Оптимизация контура положения …………………………………………………. 76
6.3.2 Определение параметров задатчика интенсивности контура положения
………………………………………………………………………………………………………….. 82
6.3.3 Контур положения с задатчиком интенсивности ……………………………. 84
7 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 90
7.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………………… 90
7.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения …………………………………………… 93
7.3 FAST-анализ …………………………………………………………………………………….. 95
7.4 Диаграмма Исикава …………………………………………………………………………. 100
7.5 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………. 101
7.6 Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………………… 104
7.7 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования ……………………………………………………………………………………….. 105
7.8 Инициация проекта …………………………………………………………………………. 106
7.9 Определение возможных альтернатив проведения научных
исследований ……………………………………………………………………………………….. 109
7.9.1 Иерархическая структура работ проекта ……………………………………… 109
7.9.2 Структура работ в рамках научного исследования……………………….. 110
7.9.3 Определение трудоёмкости выполнения работ ……………………………. 111
7.9.4 Разработка графика проведения научного исследования ………………. 112
7.9.5 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) ……………………… 116
7.10 Материальные расходы …………………………………………………………………. 116
7.10.1 Амортизация …………………………………………………………………………… 117
7.10.2 Основная заработная плата ………………………………………………………. 118
7.10.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы ………………. 119
7.10.4 Отчисления во внебюджетные фонды ……………………………………….. 120
7.10.5 Накладные расходы …………………………………………………………………. 121
7.10.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта
………………………………………………………………………………………………………… 121
7.11 Определение ресурсоэффективности проекта ………………………………….. 122
8 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 127
8.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …….. 127
8.2 Производственная безопасность ………………………………………………………. 131
8.3 Описание технологического процесса и рабочего места …………………….. 132
8.4 Анализ опасных производственных факторов и образование мероприятий
по их устранению …………………………………………………………………………………. 133
8.4.1 Шум и вибрации ……………………………………………………………………….. 134
8.4.2 Микроклимат ……………………………………………………………………………. 137
8.4.3 Освещение ………………………………………………………………………………… 139
8.5 Экологическая безопасность ……………………………………………………………. 141
8.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………….. 142
Вывод по разделу «социальная ответственность» ……………………………………… 145
Заключение …………………………………………………………………………………………….. 147
Список литературы …………………………………………………………………………………. 149
Приложение А ………………………………………………………………………………………… 151
Аннотация
Представленная магистерская диссертация содержит 167 страниц, 47
таблиц, 66 рисунков.
Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования
электропривода запорной арматуры нефтепровода.
Ключевые слова: запорная арматура, асинхронный частотно-
регулируемый электропривод, векторное управление, анализ и синтез системы
управления, показатели качества регулирования.
В данной диссертации произведен подбор асинхронного двигателя,
преобразователя частоты, так же способ управления двигателем. Проведены
имитационные исследования разработанного электропривода в основных
технологических режимах.
Работа выполнена с использованием пакета программ: MathCAD, MatLab
R2017b, MS Office, Visio.
«В современном мире электропривод представляет собой единое целое, состоящее из электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя, так же устройства управления. Электропривод преобразует электрическую энергию в механическую, в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Область применения электрического привода увеличивается в промышленности, транспорте и в быту. В настоящий момент из всей вырабатываемой в мире электроэнергии, более 60% потребляется электроприводами. Отсюда можно сделать вывод, что эффективность энергосберегающих технологий зависит от степени развития электропривода. Приоритетным направлением развития современной техники, является разработка и исследование высокопроизводительных электрических приводов». [4]
«В последние десятилетия, происходят большие успехи в развитии силовой электроники. Освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), на их основе были получены силовые инверторы, силовые интеллектуальные модули (IPM) со встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами, для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления.
Переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с интегрированным комплектом специализированных периферийных устройств и увеличение уровня развития микропроцессорной техники, привел к массовой смене аналоговых систем управления электроприводами, на системы прямого цифрового управления.» [5]
В качестве прямого цифрового управления подразумевается не только непосредственное управление каждым ключом силового преобразователя от микроконтроллера (управляемого выпрямителя или инвертора), но так же предоставляется возможность непосредственного ввода сигналов разных
15
обратных связей в микроконтроллер (вне зависимо от вида сигнала: импульсивный, аналоговый или дискретный) с дальнейшей программно- аппаратным обрабатыванием внутри микроконтроллера. В результате чего, система прямого цифрового управления отказывается от большого числа дополнительных интерфейсных плат. Что привело к создание одноплатных контроллеров управления приводами. В результате чего, встроенная система управления производится как однокристальная, далее вместе с исполнительным двигателем и силовым преобразователем, конструктивно интегрируется в единый мехатронный модуль движения.
Основное развитие:
Ознакомившись, с продукцией основных производителей
электроприводов и с материалами научных исследований в данной отросли, важными ступенями развития электропривода являются:
Непреклонно понижается процентное соотношение систем электропривода с двигателями постоянного тока, но постепенно увеличивается количество приводов с двигателями переменного тока. Это сопряжено с невысокой прочностью механического коллектора и наиболее значительной стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока, если сравнить их с двигателями переменного тока. Согласно с мнением специалистов, в начале следующего века часть приводов постоянного тока уменьшится до 10% от общего количества приводов.
В наше время предпочтением используются привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Основное количество данных приводов (80%) являются нерегулируемыми. Из-за стремительного удешевления преобразователей частоты, количество частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.
Целью магистерской диссертации является разработка и исследование
электропривода запорной арматуры нефтепровода на базе асинхронного
электропривода с преобразователем частоты.
В соответствии с техническим заданием, разработан электропривод
запорной арматуры нефтепровода. За основу взята запорная арматура марки
Vanessa 30,000. Произведен выбор специализированного асинхронного
двигателя марки ST90MB с малой инерцией ротора, предназначенный для
работы с преобразователем частоты марки KEB COMBIVERT 10.F5.M2B-
3A10 с реализацией частотного векторного управления. Выполнен расчет
параметров двигателя и построены его механические и электромеханические
характеристики. В программной среде MatLab Simulink, составлена
имитационная модель электропривода при пуске без нагрузки и набросе
нагрузки, полученные его переходные характеристики.
Далее в работе произведена оптимизация контуров регулирования и их
синтез, так же была исследована математическая модель системы управления
асинхронным двигателем и выполнены исследования данных имитационных
моделей, в программной среде MatLab Simulink R2017b, результаты которых
подтвердили соответствие показателей качества c ожидаемым. В моделях
применен задатчик положения для оптимального задания кривой угла.
По итогам проделанной работы представлены рекомендации для
настройки контуров преобразователя частоты, приведены переходные
процессы по регулируемым величинам, которые соответствуют настройкам
контуров. Результаты данного исследования доказывают, что разработанная
система автоматизированного электропривода запорной арматуры на базе
асинхронного двигателя с преобразователем частоты соответствует
требованиям технического задания.
В разделе магистерской диссертации «Финансовый менеджмент,
ресурсоэффективность и ресурсосбережение» была доказана
конкурентоспособность технического решения по сравнению с другими
конкурентоспособными электроприводами запорной арматуры. Произведен
FAST анализ и SWOT-анализ, построена диаграмма Исаева, составлен
ленточный график проведения работ в форме диаграммы Ганта, по
результатам которой выполнение работы занимает 118 дней, из которых 24
рабочих дня у руководителя и 94 дня у инженера. Расчет бюджета НТИ
составил 313216,124 руб.
В результате выполнения раздела «Социальная ответственность» были
проанализированы вредные и опасные факторы, воздействующие на научного
сотрудника, в момент выполнения его работы, согласно действующей
нормативно – технической документации. Рассмотрены правовые и
организационные моменты по обеспечению безопасности труда. В данном
разделе были проанализированы такие вопросы, как экологическая
безопасность, безопасность в чрезвычайных ситуациях. Для этого
рассмотрены возможные случаи их возникновения и проработаны методы по
их предотвращению.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (20 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.5 (80 отзывов)
5 (49 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
5 (9 отзывов)
5 (22 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
5 (188 отзывов)
