Модернізація системи привода на базі синхронної машини для регулюючої трубопровідної арматури

Abstract

У вступі надано характеристику регулюючої трубопровідної арматури, а також актуальність створення електроприводів нового покоління. Визначено технічні завдання та критерії, яким має відповідати сучасний електропривід: компактність, мала маса, низька собівартість [1], висока точність регулювання та відповідність вибухозахищеному виконанню. У першому розділі розглянуто постановку задачі проєктування електропривода регулюючої арматури, обґрунтовано вибір загальної схеми привода та наведено аналіз існуючих аналогів, що дозволило визначити доцільність використання синхронного двигуна з постійними магнітами [1]. У другому розділі здійснено техніко-економічне обґрунтування вибору електродвигуна з постійними магнітами. Подано його основні технічні характеристики, принцип дії, розглянуто конструктивні особливості та переваги порівняно з іншими типами двигунів, зокрема асинхронними. У цьому ж розділі представлено етапи вибору та розрахунку редуктора, що забезпечує необхідний передавальний момент. Враховано вимоги до габаритів, маси та надійності механічної частини системи [2]. Розглянуто особливості з’єднання двигуна з робочим органом. Проведено розрахунки регуляторів струму, швидкості та положення, що забезпечують стабільність та точність системи керування [3-4]. У третьому розділі виконано моделювання електропривода, включно з аналізом режимів роботи. Також розроблено імітаційну модель електропривода у середовищі Matlab Simulink, яка дозволила дослідити динамічну поведінку системи в різних режимах роботи. Результати моделювання використано для оптимізації параметрів регуляторів. Окремим розділом розглянуто питання охорони праці та заходів безпеки при експлуатації електроприводів у промислових умовах. Наведено основні ризики та способи їх усунення. В останньому розділі подано економічне обґрунтування доцільності розробленої конструкції з урахуванням витрат на виробництво, експлуатацію та обслуговування. Об’єктом дослідження цієї кваліфікаційної роботи є електропривід регулюючої арматури трубопровідних систем. Предметом дослідження є синхронний електродвигун з постійними магнітами та його інтеграція в систему керування. Мета роботи – створення нового покоління вибухозахищених електроприводів з мінімальними габаритами, масою та собівартістю, які не поступаються за точністю регулювання й функціональними характеристиками провідним зарубіжним аналогам.The introduction provides a general overview of control pipeline valves and highlights the relevance of developing a new generation of electric drives. The technical objectives and key criteria for a modern electric drive are defined: compactness, low weight, reduced production cost [1], high control accuracy, and compliance with explosion-proof requirements. The first chapter presents the formulation of the electric drive design problem for control valves, justifies the choice of the overall drive architecture, and includes an analysis of existing solutions. This analysis supports the feasibility of using a permanent magnet synchronous motor (PMSM) [1]. The second chapter provides a techno-economic justification for the selection of a PMSM. Its main technical characteristics and operational principles are described, along with its structural features and advantages over other motor types, particularly asynchronous ones. This chapter also outlines the stages of selecting and calculating the gear reducer that ensures the required torque transmission. The analysis takes into account size, weight, and reliability requirements of the mechanical part of the system [2]. Specific aspects of coupling the motor with the working mechanism are also examined. The third chapter includes a comprehensive calculation of the synchronous electric drive, including analysis under various operational conditions. Current, speed, and position regulators are designed to ensure system stability and precision [3–4]. Additionally, a simulation model of the electric drive is developed in the Matlab Simulink environment. This model enables the analysis of the system’s dynamic performance across different modes and is used to optimize the controller parameters. A separate section is devoted to occupational safety and risk mitigation measures during the operation of electric drives in industrial environments. Key hazards are identified, and appropriate prevention strategies are proposed. The final chapter presents an economic justification for the developed electric drive design, considering manufacturing, operation, and maintenance costs. Study object of this qualification work is the electric drive for regulating pipeline valve systems. Scope of research is the permanent magnet synchronous motor and its integration into the control system. Goal of research is to develop a new generation of explosion-proof electric drives with minimal dimensions, weight, and production costs, while maintaining control accuracy and functional performance at the level of leading international analogues.