Электротехнический комплекс с импульсно-непрерывным регулированием напряжения для защиты от коррозии металлических трубопроводов
На правах рукописи
Кривцов Алексей Олегович ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ИМПУЛЬСНО-НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новочеркасск – 2011
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»
Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Карнаухов Николай Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Пятибратов Георгий Яковлевич кандидат технических наук, доцент Янкелевич Давыд Исаакович
Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования государственный университет «Ростовский путей сообщения» (РГУПС) (г. Ростов-на-Дону)
Защита состоится 25 февраля 2011 года в 1300 на заседании диссертационного совета Д212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования государственный технический университет «Южно-Российский (Новочеркасский политехнический институт)», с авторефератом – на сайте www.npi-tu.ru.
Автореферат разослан «24» января 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета П.Г. Колпахчьян
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Электротехнические комплексы для защиты от коррозии подземных металлических сооружений (ПМС), включая металлические трубопроводы широкого назначения, являются неотъемлемой частью оборудования действующих производств по добыче, транспортировке и хранению энергоносителей. Эффективности применения противокоррозийной защиты трубопроводов и предотвращению аварийных ситуаций при их эксплуатации в настоящее время придается большое значение. Поиск путей решения существующей проблемы по продлению срока безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов ведется в направлениях:
– развития пассивной защиты, характеризуемой применением новых полимерных изоляционных материалов для покрытия трубопроводов;
разработки и применения схемотехнических решений – преобразовательных устройств электрохимической защиты (УЭХЗ) катодного типа и систем управления ими, реализуемых с использованием новых принципов и режимов работы таких устройств, отвечающих требованиям государственного стандарта (ГОСТ Р51164-98).
Существующие УЭХЗ работают на принципе натекания постоянного тока защиты на трубопровод без учета: «эффекта поляризации деполяризации» трубопровода, влияния собственных (погонных) параметров трубопровода на естественное перераспределение заряда по длине трубопровода за время деполяризации, фактического состояния преобразовательного устройства, контура «трубопровод-грунт» и системы управления электротехническим комплексом противокоррозийной защиты. В действительности параметры контура «трубопровод-грунт» в процессе эксплуатации изменяются из-за нарушения изоляции трубопровода, сезонных колебаний электропроводности грунта и переходных сопротивлений между трубопроводом и грунтом, а взаимное влияние смежных УЭХЗ при жестких схемах управления не учитывается. Указанные факторы определяют нестабильность потенциала защиты и ведут к снижению эффективности противокоррозийной защиты трубопровода, уменьшению срока его эксплуатации. Поэтому разработка и применение эффективного преобразовательного устройства c новыми принципами управления группой УЭХЗ электротехнического комплекса противокоррозийной защиты является важной и актуальной задачей.
Тема диссертационной работы соответствует научному направлению кафедры «Робототехника и Мехатроника» (ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет») - «Преобразователи устройств электрохимической защиты ПМС от коррозии блуждающими токами» и выполнена в рамках тематики НИР (по подпрограмме 206 «Топливо и энергетика» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2006 г.).
Объектом исследования является электротехнический комплекс противокоррозионной защиты металлических трубопроводов, имеющий преобразовательные устройства электроэнергии для формирования защитного электрического потенциала.
Предметом исследования являются преобразовательные устройства и системы управления электротехническим комплексом противокоррозийной защиты, осуществляющие формирование защитного потенциала на трубопроводе в импульсно-непрерывном режиме с учетом поляризационных, деполяризационных характеристик трубопровода и окружающей среды.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных показателей работы электротехнического комплекса противокоррозийной защиты металлического трубопровода благодаря применению преобразовательных устройств импульсно-непрерывного режима, обеспечивающих повышенную эффективность преобразования электроэнергии и естественное перераспределение защитного потенциала по длине трубопровода.
Задачи диссертационной работы:
осуществить анализ состояния проблемы и определить задачи совершенствования преобразовательных устройств и системы управления противокоррозийной защитой металлического трубопровода;
обосновать целесообразность применения импульсно-непрерывного режима работы УЭХЗ и требования к форме импульсов выходного напряжения преобразователя;
разработать математическую модель трубопровода с учетом погонных параметров и выполнить моделирование импульсно-непрерывного режима работы УЭХЗ;
разработать и предложить метод, систему управления преобразовательным устройством по формированию напряжения требуемой формы, обеспечивающие его энергоэффективную работу;
разработать и предложить систему управления УЭХЗ, обеспечивающие поддержание защитного потенциала трубопровода на расчетном уровне;
выполнить экспериментальные испытания преобразовательного устройства импульсно-непрерывного режима и реализаций предлагаемых технических решений по его управлению.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы: методы математического моделирования, дифференциальные уравнения в частных производных, разложение в ряд Фурье, методы управления сложными объектами в условиях неопределенности с использованием алгоритмов нечеткой логики;
прикладное программирование и компьютерное моделирование;
экспериментальные испытания предлагаемых технических разработок.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью поставленных в ней задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых математических моделей и методов, а также подтверждена экспериментальными исследованиями.
Новые научные результаты:
предложен импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ трубопровода от коррозии, отличающийся использованием импульсов трапецеидальной формы и позволяющий поддерживать защитный потенциал трубопровода (за счет эффекта катодной поляризации - деполяризации трубопровода) на заданном уровне;
– разработана обобщенная математическая модель трубопровода в виде RLC - контура, позволяющая исследовать влияние погонных параметров трубопровода и изменений грунта на выбор параметров импульса напряжения трапецеидальной формы: его длительность, крутизну переднего и заднего фронтов;
– разработан новый зонный метод формирования изменяемых импульсов напряжения трапецеидальной формы на выходе УЭХЗ, отличающийся совмещением работы устройства переключения секций вторичной обмотки силового трансформатора и фазового управления силовыми полупроводниковыми приборами (СПП);
предложено применение алгоритмов нечеткой логики для создания системы автоматизированного управления УЭХЗ, как сложным объектом в условиях неопределенности.
Практическая ценность работы:
предложено рациональное схемотехническое построение силовой части преобразователя и системы управления УЭХЗ, позволяющее формировать трапецеидальное выходное напряжение и осуществлять регулирование защитного потенциала трубопровода при повышенной энергетической эффективности преобразования электроэнергии в силовом контуре;
разработаны рекомендации по созданию системы управления цифрового блока и устройства переключения секций силового трансформатора обеспечивающих реализацию импульсно (ТС), непрерывного режима по формированию выходного напряжения УЭХЗ при минимизации содержания гармонических составляющих в сети питания и нагрузке;
предложены структурная схема построения аппаратно-программной части системы управления УЭХЗ для приема, обработки и передачи информации, а также алгоритмы, программные продукты нижнего и верхнего уровней управления электротехническим комплексом УЭХЗ;
разработан регулятор управления УЭХЗ на базе нечёткой логики, позволяющий поддерживать защитный потенциал на заданном уровне;
создан учебный стенд, позволяющий экспериментально исследовать работу преобразовательного устройства, систему управления, влияние формы импульса напряжения, параметров контура «трубопровод-грунт» на процессы формирования защитного потенциала в контрольных точках трубопровода.
Основные положения, выносимые на защиту:
импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ трубопровода от коррозии;
– математическая модель металлического трубопровода для исследования влияния погонных параметров трубопровода, характеристик изоляционного покрытия и параметров трапецеидального импульса выходного напряжения при управлении группой УЭХЗ;
зонный метод формирования трапецеидального импульса напряжения и управление УЭХЗ при минимуме потерь электроэнергии от гармоник;
система автоматизированного управления электротехническим комплексом из группы УЭХЗ трубопровода от коррозии.
Внедрение результатов диссертационного исследования.
УЭХЗ с реализацией импульсно-непрерывного режима работы по защите трубопровода от почвенной коррозии (коррозии блуждающими токами) внедрен в эксплуатацию на действующем трубопроводе в г. Ростов на-Дону. Результатом внедрения выполненного исследования в учебный процесс ГОУ ВПО ДГТУ является стенд для проведения лабораторных работ, который создан на базе однофазного преобразователя переменного тока в постоянный с плавным и ступенчатым регулированием выходного напряжения изменяемой формы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на седьмом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (INTELS' 2006), (г. Краснодар, НОУ КИИЗ, 26 30 июня, 2006г.);
на VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (10-12 октября 2007г., ДГТУ);
на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей ДГТУ в 2007- 2009 г.г.;
на «Научно-технической конференции профессорско преподавательского состава, сотрудников и студентов, посвященной 80 летию университета ДГТУ» (13-14 мая 2010 г., г. Ростов-на-Дону);
на расширенном заседании кафедры «Электропривод и автоматика» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» ЮРГТУ (НПИ, протокол № 4 от 15.11.2010 г., г. Новочеркасск);
на расширенном заседании профессорско-преподавательского состава кафедры «Робототехника и мехатроника» ГОУ ВПО «ДГТУ» (протокол № 4 от 25.11.2010 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано печатных работ: из них – две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, шесть - в трудах вузов и материалах конференций.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, списка литературы из 75 наименований и трех приложений. Объём работы составляет 168 страниц текста, 76 рисунков и 8 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований, представлена их научная новизна и практическая значимость. Сформулированы основные результаты исследований, выносимые на защиту. Показаны перспективы развития исследований по теме диссертации.
В первом разделе рассмотрено состояние проблемы, существующие методы защиты трубопроводов от почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами. Широкое применение имеет электротехнический комплекс катодной электрохимической защиты (рис.1), в основе которого лежит катодная поляризация трубопровода отрицательным потенциалом, создаваемым непрерывным постоянным током натекания от УЭХЗ. Смещение защитного потенциала в область отрицательных значений ниже Рис. 1. Электротехнический комплекс потенциала катодной электрохимической защиты:
естественного уровня трубопровода обеспечивает снижение ТС - силовой трансформатор;
А -анодный заземлитель;
ПН – преобразователь напряже скорости анодного растворения ния;
СУ – система управления;
Д – точка металла, что способствует замедлению дренажа.
процесса коррозии.
Общепризнанным в мировой практике критерием противокоррозионной защиты является минимальный поляризационный защитный потенциал (ПЗП) (Uзащ.мин = -0,85В),определяемый как разность потенциалов между трубопроводом и «близкой» землей при измерении с помощью медно-сульфатного электрода сравнения (МЭС). Для реального трубопровода минимальный поляризационный защитный потенциал определяется физико-химическими свойствами окружающего грунта и может находиться в диапазоне Uзащ.мин = -0,5…-1,2 В. Существующий ГОСТ Р51164–98 допускает на магистральных трубопроводах максимальный защитный потенциал до Uзащ.макс = -3,5 В. Принято минимальный защитный потенциал поддерживать на границе зоны действия УЭХЗ, а максимальный – в точке дренажа. При отключении УЭХЗ происходит медленное снижение поляризационного потенциала с перераспределением накопленного заряда по поверхности трубопровода и понижением защитного потенциала во времени за счет тока утечки изоляции. Данный «эффект последействия» можно использовать для повышения равномерности распределения защитного потенциала по трубопроводу и обеспечения энергосбережения. Однако с полным отключением УЭХЗ на трубопроводе могут возникать коррозионные макропары, вызывающие локальные коррозии, снижающие защищенность трубопровода и сроки его эксплуатации.
Для повышения эффективности противокоррозийной защиты предлагается использовать импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ, позволяющий использовать «эффект последействия», при котором ПЗП снижается до определенного минимального уровня и исключается образование коррозионных макропар на трубопроводе.
Во втором разделе дается теоретическое обоснование к применению импульсно-непрерывного режима работы УЭХЗ по формированию защитного потенциала трубопровода. При анализе процессов в контуре протекания тока учтены факторы, обусловленные погонными электрическими параметрами трубопровода, как собственная индуктивность и электрическая емкость, обусловливающая накопление заряда и обеспечение «эффекта последействия». Для разных типоразмеров трубопроводов были определены приближенные значения внутренних параметров участка трубопровода (10 км) и для последующих исследований использованы их средние значения:
– электрическая емкость трубопровода, C = 1,731·10-4 Ф;
– электрическая индуктивность трубопровода, L = 4,78·10-2 Гн;
– продольное электрическое сопротивление трубопровода, R1 = 11,8·10-2 Ом;
– сопротивление изоляции трубопровода, R2 = 2000 Ом·м.
При подаче импульсного напряжения трубопровод можно представить цепью с распределенными RLC параметрами. С учетом постоянной распределения потенциалов и токов вдоль трубопровода предложено использовать импульсы напряжения низкой частотой (единицы Гц), при которых длина волны значительно превышает участок рассматриваемого трубопровода (10км). В этом случае трубопровод можно представить в виде RLC – контура с сосредоточенными параметрами (рис.2), а исследование его характеристик выполнить по схеме замещения для двух режимов:
1. Сопротивление изоляции Rизол на единицу длинны более 3 кОм·м, принимаемое при типовых расчетах коррозийной защиты металлических сооружений. Такой режим работы УЭХЗ возможен, когда трубопровод вводится в эксплуатацию и рассматривается повышенное сопротивление изоляционного покрытия (Rизол=R2, i20).
2. Сопротивление изоляционного покрытия Rизол в процессе эксплуатации уменьшается более чем на порядок, т.е. Rизол=R2=var, i2=var.
Так как использование последействия» «эффекта подразумевает включение и отключение напряжения на трубопроводе, то опираясь на Рис. 2. Схема замещения участка полученные приближенные «трубопровод-грунт» значения внутренних электрических параметров трубопровода было произведено исследование переходных процессов на выходе RLC-цепи. Для этого были записаны уравнения баланса напряжений для RLC - контура схемы замещения (рис.2) для разных уровней сопротивления изолирующего покрытия через поэлементные составляющие:
2U U c c Uвх = RC· + LC· + Uвых (1) t t U U U вх = L C U С + L вых + R1 C U С + вых + U вых. (2) R R2 Решения уравнений (1) и (2) получены посредством замены переменных через введение безразмерного времени Т, связанного с реальным временем t некоторым коэффициентом пропорциональности t0, т.е. t = t0·T.
Аналогично определено и безразмерное напряжение V, входящее в соотношение Uвых =UС = b·V. Найдены выражения производных действительного напряжения по действительному времени (как dU/dt, так и d2U/dt2) через производные безразмерного напряжения по безразмерному времени dV/ dТ и d2V/ dТ2.
После некоторых преобразований получено соотношение R С V (T ) + V (T ) + V (T ) = 1, (3) L решение которого возможно с введением коэффициента, характеризующего внутренние электрические параметры трубопровода (RLC - контура) при первой производной V (T ) в виде 2· для двух рассматриваемых случаев:
L + C R R C R 2) 2 = 1) 1 = R 2 L 2 L C 1 + R Поскольку значения параметров RLC - контура изменяются в широком диапазоне в зависимости от диаметра и материала трубопровода, толщины стенки и характеристик изоляционного покрытия, то исследования выполнены для общего случая, когда ) ) ( ( V = 1 e T cos T 1 2 + sin T 1 2. (4) 1 Анализ полученных зависимостей (рис. 3) показывает, что при резкой подаче или снятии прямоуголного напряжения с трубопровода, в последнем возникает колебательный переходной процесс, при котором наблюдаются перенапряжения (1 и 2), что не Р51164-98 Рис.3. Временные зависимости выход допустимо. (ГОСТ ного напряжения при воздействии допускает пульсации напряжения на импульса напряжения от УЭХЗ трубопроводе не более 3%). Для того, что бы на границу зоны защиты трубопровода импульсы входного напряжения поступали с минимальными искажениями (кривая 3) предлагается:
1. Подключение к трубопроводу на границе зоны действия УЭХЗ дополнительной емкости (Сдоп), которая исключит колебания на трубопроводе, снизит коэффициент ПЗП, улучшит поляризационно– деполяризационные характеристики трубопровода и повысит равномерность распределения защитного потенциала по трубопроводу;
2. Питание трубопровода осуществлять трапецеидальными импульсами с постоянной составляющей, формируемыми в импульсно-непрерывном режиме работы УЭХЗ.
В ходе исследования первого способа была построена поверхность, отображающая влияние Сдоп на форму импульса выходного напряжения (рис.4). Анализ поверхности показывает, что подключение к трубопроводу конденсатора Сдоп более 2Ф позволяет исключить возможные перенапряжения при изменении параметров трубопровода в процессе эксплуатации УЭХЗ.
Для исследования второго способа по определению угла Рис. наклона переднего фронта () и спада трапецеидального импульса выходного напряжения были приняты следующие значения напряжений трапецеидальных импульсов, допустимых ГОСТом (рис.5):
1) Umin = -0,6В, U = -0,6В;
2) Umin = -0,7В, U = -0,4В;
3) Umin = -0,8В, U = -0,2В;
Рис. при ПЗП на трубопроводе, Uзащ = -0,9В = const.
Исследования показали, для обеспечения коэффициента пульсаций ПЗП меньше 3% угол не должен превышать:
- 1 = 77° (рис.6, кривая 1);
- 2 = 70° (рис.6, кривая 2);
- 3 = 54° (рис.6, кривая 3).
Таким образом, при изменении амплитуды трапецеидальных импуль сов с целью исключения колебательных процессов и уменьшения коэффициента Рис. пульсаций необходимо производить корректировку угла при управлении.
Дополнительно уменьшить пульсации на трубопроводе при импульсно непрерывном режиме можно посредством изменения фазы трапецеидальных импульсов выходного напряжения УЭХЗ относительно соседних станций. Результаты исследования влияния сдвига трапецеидальных импульсов УЭХЗ2 относительно УЭХЗ1 и Рис. УЭХЗ3 (рис.7) подтвердили, что сдвиг импульсов УЭХЗ2 в пределах от 0 до 180 уменьшает пульсации защитного потенциала на границах зон действия УЭХЗ (точки b и c, рис.7). В режиме сдвига импульсов на 180° коэффициент пульсаций ПЗП стремится к нулю (рис.8), таким Рис. 8. Зависимость коэффициента образом, обеспечивая равномерность пульсаций от угла сдвига импульсов перераспределения потенциала по всей длине металлического трубопровода.
В третьем разделе приводится теоретическое обоснование способа формирования выходных импульсов УЭХЗ трапецеидальной формы при минимальных потерях электроэнергии от гармонических составляющих в силовых элементах преобразовательного устройства и контуре «трубопровод-грунт». Предложено схемотехническое решение для реализации данного способа, структуры устройства и алгоритм переключения выводов трансформатора при релейном (ступенчатом) регулировании напряжения на вторичных обмотках (однофазного, трехфазного) трансформатора. Определены зоны изменения угла управления симисторами (тиристорами) преобразовательной части УЭХЗ, позволяющие реализовать ресурсосберегающие режимы преобразования электроэнергии с минимальными потерями в силовом трансформаторе (ТС).
Процессы управления преобразователем на симисторах (тиристорах) обеспечиваются изменением угла управления в пределах 0-90 эл. град.
посредством цифровой системы зонного управления (ЦСЗУ) и микроЭВМ.
Оценка эффективности использования электроэнергии в зависимости от угла управления при зонном управлении силовыми ключами преобразователя получена посредством анализа изменений коэффициентов мощности (Км), симметрии (Кс), искажений (Кис) и приведена в виде графических зависимостей (рис.9).
Показано, что при граничных углах г управления из диапазона г = 47-62 эл.
град. все приведенные коэффициенты имеют значение 0,95. Деление угла управления (от 0 до 90 эл. град.) условно на две зоны с разграничением по углу управления г = 50 эл. град., т.е. 0-50 эл. град. (зона I) и 50-90 эл. град.
(зона II) позволяет выбрать зону наиболее эффективного управления УЭХЗ по углу с сохранением этих коэффициентов в диапазоне 0,95 – 1,0.
Снижение уровня гармоник повышает электромагнитную совместимость СУ и силового оборудования электротехниче ского комплекса, позволяет обеспечить возможность применения радиосвязи для передачи информации о состоянии УЭХЗ и системы управления ими по защите трубопроводов от коррозии в режиме удаленного управления.
Для оценки пульсаций выходного напряжения УЭХЗ Рис. 9. Зависимости коэффициентов Км, Кс и Кис от угла управления была получена зависимость относительных значений гармонических составляющих в виде 1 + k 2 m tg U в mk = mk = 2, (5) 2 m tg 1 k U в.ср в где Umk – амплитуда k-гармоники, Uв.ср. – среднее выпрямленное напряжение;
k - номер гармонической составляющей;
mв – число фаз.
Анализ графических зависимостей относительных значений гармоник (рис. 10) показал, что расчетные значения амплитуд гармонических составляющих при работе преобразователя во II-ой зоне в 10-15 раз превышают амплитудные значения формируемых гармонических составляющих Рис. 10. Зависимости относительных значений напряжения в сети питания и второй и четвертой гармоник от угла управления для разных схем выпрямления контуре «трубопровод-грунт» при управлении УЭХЗ в I-ой зоне.
Для реализации предложенного (зонного) метода управления преобразовательным устройством разработана структурная схема (рис.11), включающая: цифровую систему зонного управления (ЦСЗУ), блок управления (БУ), цифровое логическое устройство (ЦЛУ), тиристорный преобразователь (ТП) и релейный симисторный переключатель (ключи VS1, VS2, VSi ) на выводах вторичных обмоток ТС.
Минимальное напряжение для создания потенциала защиты трубопровода от коррозии создается ТП, подключаемым на напряжение вторичных обмоток W1 однофазного (трехфазного) ТС. Максимальное значение напряжения, крутизна переднего и заднего фронтов трапецеидального импульса формируются за счет дополнительного напряжения (рис. 12), скорость подъема которого, поддержание уровня и спада осуществляются при управлении симисторами VS2,…, VSi (рис.11) программно и совместно (во времени) с тиристорами ТП по разработанному алгоритму. Минимальное напряжение Umin = Ud1 формируется при угле управления = (10-15 эл. град.) тиристорами ТП с последующим переключением симисторов VS1 VS2 и управлением тиристорами по фазам UA, UB, UС при повышенных напряжениях (обмотки W1 + W2) и изменяющихся углах управления A, B, C.
Изменение углов управления предусматривает пошаговое их уменьшение в соотношении A B C, что позволяет программно регулировать скорость подъема переднего фронта Рис. 11. Структурная схема зонного управления симисторно-тиристорным преобразователем трапецеидального импульса выходного напряжения УЭХЗ по линии 1 (рис. 12) до значения Ud2 = Umax.
Формирование заднего фронта импульса напряжения осуществляется в обратном порядке при работе ключевых элементов VSi, VS2, VS1 в соответствии с разработанным алгоритмом. Формирование выходного напряжения УЭХЗ выполняется посредством задаваемых в цикле значений шага изменения угла и числа участков выпрямленных полупериодов напряжения, количество которых равно числу циклов в алгоритме.
Программное управление симисторами, тиристорами при формировании выходного напряжения трапецеидальной формы реализуется от PIC контроллера посредством БУ, включая ЦЛУ и ЦСЗУ.
Совместная реализация зонного метода и релейного изменения преобразуемого входного Рис. 12. Формирование переднего фронта напряжения при формировании трапецеидального импульса выходного трапецеидального выходного напряжения напряжения ТП позволяют изменить традиционные подходы к принципу функционирования СУ ТП, созданию УЭХЗ необходимой мощности, обеспечивая пониженный (в 1,5- раза) уровень потерь преобразования электроэнергии и допустимый коэффициент пульсаций (Кп 3%) защитного потенциала трубопровода.
В четвёртом разделе выполнено моделирование системы управления УЭХЗ. Для решения задачи управления УЭХЗ по поддержанию заданного значения ПЗП на трубопроводе в среде с изменяемыми и трудно определяемыми параметрами, характеризующимися неопределенностью и нечеткой информацией, предлагается использовать методы нечеткого управления.
В системе MatLab 7.0 + Simulink разработана упрощенная модель нечеткого регулятора (НР) (рис.13) на базе нечеткого контроллера, которая позволяет по значению ошибки (разности заданного ПЗП и текущего Рис. значения) и скорости изменения ошибки регулировать средний ПЗП на трубопроводе за счет изменения времени ширины t трапецеидального импульса (рис. 14) без изменения углов переднего и заднего фронтов.
Модель реализованной схемы к системе управления УЭХЗ приведена на (рис 15). Рис. Рис. 15. Структурная схема системы управления УЭХЗ На рис. 16,а приведены графики функции принадлежности базового терма лингвистической переменной U (ошибка) и управляющая поверхность (рис. 16,б), построенные с использованием функций программного пакета Matlab.
а) б) Рис.16. а) функция принадлежности базового терма лингвистической переменной U (ошибка);
б) управляющая поверхность (t2) При проверке работы нечеткого регулятора на вход модели было подано внешнее воздействие: ошибка (кривая 1, рис.17,а) – сигнал медленно изменяющийся по синусоидальному закону, а также производная ошибки – косинусоидальный сигнал (кривая 2). В зависимости от изменения значений внешних воздействий контроллер формирует управляющий Рис. 17.
сигнал (рис.17,б), изменяющий время t2 (рис.17,в) трапецеидальных импульсов выходного напряжения УЭХЗ.
Для дистанционного управления и контроля состояния СУ УЭХЗ предложен аппаратно программный комплекс (АПК), включающий интеллектуальную систему управления (ИСУ) и автоматизируемую систему управления (АСУ) (рис.18).
Все УЭХЗ электротехнического комплекса при групповом управлении взаимодействуют по разработанным алгоритмам с Рис. детальной конкретизацией задач программного обеспечения (ПО) нижнего уровня, выполняющего управление непосредственно УЭХЗ, и ПО верхнего уровня, осуществляющего опрос всех УЭХЗ по радио каналу и обработку информации для принятия решения диспетчером.
В пятом разделе представлены результаты экспериментальных исследований гармонических составляющих защитного тока натекания на трубопровод в зависимости от угла управления СПП симисторно тиристорного преобразователя (СТП) УЭХЗ и значения индуктивности сглаживающего дросселя (СД), СД VS выполненных на лабораторном стенде ~220В VS2 R к АЦП мощностью 1 кВт, собранном по схеме Н (L-154) VS (рис. 19). Состав и амплитуды гармоник получены с применением стандартной СТП платы АЦП данные (L-154), обрабатывались с помощью ЦСЗУ БУ разработанной программы Рис. спектрального анализа на основе ряда Фурье и пакета Matlab 7.
Исследования проводились при включении в силовой контур сопротивления RН с учетом изменения индуктивностей переключаемых на вторичной стороне обмоток трансформатора и СД. Значения напряжений для построения графиков определялись в относительных единицах. Причем за единицу принято напряжение 24 В (из шкалы 24-48-96 В), характерное для типовых устройств противокоррозионной защиты, и напряжение, снимаемое с сопротивления RН при токе натекания 10А. Исследования проводились для углов:
I зона - =50 эл.град.;
II зона - =78 эл.град.
В результате эксперимента установлено:
– при граничном угле управления =50 эл.град. в I зоне Рис. преобразователь напряжения обеспечивает уменьшение амплитуд гармоник на 27,8% относительно угла управления = 78 эл. град., что позволяет выполнить преобразование электроэнергии в первой зоне управления УЭХЗ с минимальными потерями (до 4,2%) от гармоник в трансформаторе и сети питания;
– из-за изменения индуктивности силового контура при переключениях секций обмоток ТС, изменения угла сдвига фаз между напряжением и током нагрузки и с целью исключения режима К.З. необходимо программное или аппаратное обеспечение дополнительной временной задержки, не превышающей 2·10-4с, при переключении ключей VS1, VS2, VSi на выводах вторичных обмоток ТС;
– необходима дополнительная коррекция в конструкции совмещенного силового модуля с электронно-вычислительным блоком и PIC- контроллером, обеспечивающая дополнительные развязки цепей источника питания и экранированных электронных блоков СУ, сети питания и каналов радиосвязи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение важной научно-технической задачи по созданию электротехнического комплекса с применением преобразовательного устройства импульсно-непрерывного режима, отвечающего современным требованиям к защите металлических трубопроводов от коррозии. Представленные в работе материалы исследований позволяют сформулировать следующие основные выводы, научные и практические результаты:
1. Предложен метод импульсно-непрерывного формирования защитного потенциала металлического трубопровода от коррозии с использованием его естественных параметров и «поляризационных деполяризационных» характеристик, позволяющих создать условия для равномерного перераспределения заряда по трубопроводу и поддержания заданного уровня защитного потенциала при минимально допустимой составляющей постоянного напряжения на трубопроводе.
2. Определены принципы реализации импульсно-непрерывного режима с использованием трапецеидальных импульсов и технические требования к УЭХЗ, исключающие перенапряжение на трубопроводе, Показано, что реализовать такой режим можно при сохранении коэффициента в пределах 0,9-1,1 с подключением к трубопроводу дополнительной емкости Сдоп2Ф, а так же возможной коррекции угола переднего и заднего фронта трапецеидальных импульсов. Уменьшение пульсаций на трубопроводе можно добиться также сдвигом фазы трапецеидального импульса в пределах 0-180 эл. град. относительно смежных УЭХЗ.
3. Деление полного (0-90 эл.град.) угла управления полупроводниковыми ключами условно на две зоны: I- (0-50 эл.град.) и II – (50-90 эл.град.) при формировании трапецеидального импульса выходного напряжения преобразовательного устройства позволяет провести преобразование электроэнергии в I –ой зоне с повышенным коэффициентом энергетической эффективности (не менее 0,95) и сниженными в 10-15 раз относительными значениями амплитуд гармонических составляющих на стороне выпрямленного напряжения и в сети промышленного питания.
4. Снижение гармонических составляющих при формировании трапецеидального импульса выходного напряжения УЭХЗ позволяет уменьшить потери в силовом трансформаторе на гистерезис и потери, обусловленные вихревыми токами в стали, в обмотках и нагревом сердечника. Уменьшение потерь преобразования электроэнергии на 4,2% сопровождается снижением массы (сердечника) силового трансформатора, улучшением массогабаритных показателей УЭХЗ и снижением стоимости электротехнического комплекса.
5. Введение нечеткого управления УЭХЗ по защите трубопровода от коррозии позволяет поддерживать ПЗП на заданном уровне, изменяя длительность трапецеидального импульса с целью обеспечения расчетного среднего значения защитного потенциала (Uср = -0,75…-1,05В) с точностью (± 0,012В) при коэффициенте пульсаций защитного потенциала менее 2,8% в изменяемых условиях окружающей среды.
Основное содержание диссертации отражено в публикациях:
1. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Регулятор мощности устройства электрохимической защиты. Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности (Известия ИУИ АП). – Ростов н/Дон: ИУИ АП, 2004г. № 3. С. 3-5.
2. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. О тепловых режимах и электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей.
Известия Института управления и инноваций авиационной промышленности (Известия ИУИ АП). – Ростов н/Дон: ИУИ АП, 2004г. № 3. С. 8-13.
3. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Электрохимическая защита магистральных газопроводов с "элементами" искусственного интеллекта.
Сборник научных трудов седьмого международного симпозиума по интеллектуальным системам. Краснодар. 2006г. С. 582-586.
4. Карнаухов Н.Ф., Ковалев А.В., Кривцов А.О. Управление устройствами электрохимической защиты. Труды VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем.
Ростов-на-Дону, 2007г. С. 168-173.
5. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О., Ковалев А.В. Информационный канал управления комплекса электрохимической защиты. Труды VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем. Ростов-на-Дону, 2007г. С. 116-121.
6. Карнаухов Н.Ф., Кривцов А.О. Моделирование импульсно непрерывного режима работы устройства электрохимической защиты при формировании защитного потенциала протяженного нефтепровода. Вестник ДГТУ. Технические науки, часть II. 2009г. С. 48-60.
7. Кривцов А.О., Карнаухов Н.Ф. Аппаратно-программный комплекс управления противокоррозионной защиты магистрального трубопровода.
Вестник ДГТУ. Т.10, №6 - 2010г., С.881-889.
Все основные положения диссертации разработаны автором. В работах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежит: в работах [1, 2] – разработка методов снижения потерь преобразования электроэнергии и постановка задачи обеспечения электромагнитной совместимости компонентов УЭХЗ;
[3, 4, 5, 7] – разработка структуры системы автоматизированного управления УЭХЗ;
[6] – разработка схемы замещения протяженного трубопровода в виде RLC – контура.