Товары в корзине: 0 шт Оформить заказ
Стр. 1
 

36 страниц

Устанавливает требования к обеспечению устойчивой работы машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками (АМП). Для оценки устойчивости вращения ротора машины введен показатель запаса устойчивости и приведен способ его измерения.

Настоящий стандарт распространяется на промышленные машины номинальной мощностью более 15 кВт с жесткими и гибкими роторами. Он не распространяется на машины с роторами малых размеров (шпиндели, роторы турбомолекулярных насосов и т. п.).

Оценка устойчивости осуществляется в нормальных установившихся режимах работы машины при испытаниях у изготовителя или на месте эксплуатации. Оценка запаса устойчивости при испытаниях у изготовителя является обязательным условием поставки машины. Оценка на месте эксплуатации осуществляется в зависимости от соглашения между поставщиком и пользователем.

В настоящем стандарте не рассматриваются резонансные колебания ротора, возникающие при прохождении критических частот вращения. Методы снижения вибрации на критических частотах вращения рассматриваются в ИСО 10814

 Скачать PDF

Идентичен ISO 14839-3:2006

Оглавление

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

3 Предварительные исследования

4 Принцип работы систем с обратной связью

5 Измерения

6 Оценка запаса устойчивости

Приложение А (справочное) Примеры оценки запаса устойчивости. Пример 1

Приложение В (справочное) Примеры оценки запаса устойчивости. Пример 2

Приложение С (справочное) Примеры оценки запаса устойчивости. Исследования в условиях эксплуатации

Приложение D (справочное) Аналитические расчеты запаса устойчивости системы

Приложение Е (справочное) Матрица разомкнутой цепи МIМО-систем управления

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным стандартам Российской Федерации и действующим в этом качестве межгосударственным стандартам

Библиография

 

36 страниц

Дата введения01.09.2014
Добавлен в базу01.10.2014
Актуализация01.01.2019

Этот ГОСТ находится в:

Организации:

22.11.2013УтвержденФедеральное агентство по техническому регулированию и метрологии1660-ст
ИзданСтандартинформ2014 г.
РазработанАНО НИЦ КД

Mechanical vibration. Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings. Part 3. Evaluation of stability margin

Стр. 1
стр. 1
Стр. 2
стр. 2
Стр. 3
стр. 3
Стр. 4
стр. 4
Стр. 5
стр. 5
Стр. 6
стр. 6
Стр. 7
стр. 7
Стр. 8
стр. 8
Стр. 9
стр. 9
Стр. 10
стр. 10
Стр. 11
стр. 11
Стр. 12
стр. 12
Стр. 13
стр. 13
Стр. 14
стр. 14
Стр. 15
стр. 15
Стр. 16
стр. 16
Стр. 17
стр. 17
Стр. 18
стр. 18
Стр. 19
стр. 19
Стр. 20
стр. 20
Стр. 21
стр. 21
Стр. 22
стр. 22
Стр. 23
стр. 23
Стр. 24
стр. 24
Стр. 25
стр. 25
Стр. 26
стр. 26
Стр. 27
стр. 27
Стр. 28
стр. 28
Стр. 29
стр. 29
Стр. 30
стр. 30

ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ



НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОСТ Р ИСО




федерации    2013


Вибрация


ВИБРАЦИЯ МАШИН ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ С АКТИВНЫМИ МАГНИТНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ


Часть 3.


Определение запаса устойчивости


ISO 14839-3:2006

Mechanical vibration — Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings — Part 3: Evaluation of stability margin

(IDT)


Издание официальное


Москва

Стандартинформ

2014


Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1    ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой организацией «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (АНО «НИЦ КД») на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 «Вибрация, удар и контроль технического состояния»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 ноября 2013 г. № 1660-ст.

4    Настоящий стандарт является идентичным по отношению к международному стандарту ИСО 14839-3:2006 «Вибрация. Вибрация машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками. Часть 3. Определение запаса устойчивости» (ISO 14839-3:2006 «Mechanical vibration -Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings - Part 3: Evaluation of stability margin»).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)

© Стандартинформ, 2014

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

На рисунке 8 та же диаграмма Найквиста показана в линейном масштабе в области критической точки А (-1, 0). Наименьшее расстояние от кривой передаточной функции G0{jco) до

точки А обозначено /дн = Д11Ш, где ДШ1 - радиус окружности с центром в точке А, имеющей общую касательную с кривой G0{jco) в точке В ее максимального приближения к точке А. Для примера, показанного на рисунке 8, запас устойчивости по модулю определяется как расстояние /Л0 между точкой А и точкой G пересечения касательной с действительной осью координат, а запас устойчивости по фазе - как угол ф между действительной осью координат и лучом, проходящим из

центра координат в точку Р пересечения кривой G0{jco) и окружности единичного радиуса с центром

в начале координат. В данном примере Дпт </АР и ДШ1 </AG, поэтому критерий устойчивости

на основе минимального расстояния ДШ1 будет более строгим, чем критерии устойчивости по модулю и по фазе.

Примечание - Можно показать, что критерий на основе минимального расстояния от критической точки А до кривой передаточной функции будет всегда более строгим, чем критерии устойчивости по модулю и по фазе.

Рисунок 8 - Диаграмма Найквиста передаточной функции разомкнутой цепи в линейном масштабе 4.4 Функция чувствительности

При анализе диаграммы Найквиста основное внимание уделяют определению минимального расстояния между кривой передаточной функции G0(jco) и критической точкой (-1, 0) или, другими

словами, на выяснении того, насколько малым может быть значение модуля функции \ + G0{jco). Тот же вопрос может быть переформулирован следующим образом: насколько большим может быть значение модуля функции Gs{ja>), обратной 1 +G0(ja>), т. е.

gsM=    у    (4)

1 + G0{jo)

Функцию Gs(jco) называют функцией чувствительности. Диаграмма Боде для функции чувствительности Gs{j(o) показана на рисунке 9

7

Существует две причины, по которым диаграммой Боде для функции чувствительности пользоваться удобнее, чем диаграммой Найквиста для передаточной функции. Во-первых, определить максимальное значение функции чувствительности по диаграмме Боде проще, чем

определить минимальное расстояние Dmn по диаграмме Найквиста. Во-вторых, измерение функции чувствительности является простым. Как следует из рисунка 4 Ь), для измерения функции чувствительности достаточно в некоторую точку цепи обратной связи ввести сигнал возбуждения E{s) и измерить сигнал отклика l\(s) непосредственно за этой точкой. Тогда функцию чувствительности G{s) можно рассчитать по формуле

!](>')

E(s)

5 Измерения

5.1 Измерения передаточных функций

На первом этапе оценки запаса устойчивости системы «ротор - АМП» проводят измерения

одной из передаточных функций, G0 или Gc , для каждой цепи обратной связи. На рисунке 10

показана общая схема контроллера, куда поступают все управляющие сигналы перемещения по пяти осям управления и выходной сигнал которого определяет магнитную силу, действующую в АМП.

X - частота вращения ротора (безразмерная величина); Y - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: - 20 дБ = 0,1; - 10 дБ = 0,315; 0дБ = 1;

1 дБ = 3,15); N - номинальная частота вращения Рисунок 9 - Диаграмма Боде функции чувствительности Gs{jco)


(5)

Примечание - Схемы конкретных реализаций контроллеров представлены в.приложении А.

1 - центральное процессорное устройство (ЦПУ) Рисунок 10 - Общая схема контроллера АМП


8


ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

На рисунке 10 одна из точек выбрана в качестве точки возбуждения Е. Измерения передаточной функции разомкнутой цепи проводят в соответствии с формулой (1) при отсутствии подаваемых сигналов в других входных точках. После измерения передаточной функции Ga ее

преобразуют в G5 в соответствии с формулой (4).

Другим вариантом является непосредственное измерение Gs в соответствии с формулой (5).

5.2    Определение показателя запаса устойчивости

При измерении передаточной функции разомкнутой цепи управления для данной контрольной оси цепи управления для всех контрольных осей должны быть замкнуты. Измерения повторяют последовательно для всех контрольных осей. Полученные в результате измерений передаточные функции разомкнутой цепи преобразуют в функции чувствительности. Другим вариантом является непосредственное измерение функций чувствительности.

Если число осей управления равно пяти, то должно быть получено пять функций чувствительности.

Измерения проводят при неподвижном роторе или при вращении ротора на номинальной частоте вращения. Передаточную функцию разомкнутой цепи (или функцию чувствительности) определяют в диапазоне частот от нуля до некоторой максимальной частоты.

Верхнюю границу диапазона частот определения передаточной функции устанавливать в принципе не требуется, поскольку модуль передаточной функции разомкнутой цепи для всех реальных систем уменьшается с ростом частоты (см. рисунок 5), так что, начиная с некоторой частоты, функция чувствительности обращается в нуль, а расстояние от кривой передаточной функции до критической точки А - в единицу (см. рисунки 7 и 9). Это означает, что на очень высоких частотах поведение АМП всегда устойчиво. Однако в целях практических измерений обработку сигнала проводят в некоторой конечной полосе частот. В настоящем стандарте за верхнюю границу диапазона частот измерений , кГц, принимают максимальное из следующих значений:

a)    утроенная номинальная частота вращения, обозначаемая «Зх»;

b)    2 кГц,

т е.    /тх    =шах{3х,    2}.    (6)

В цифровых системах управления максимальная частота    не    должна    превышать

половину частоты выборки.

На основе измеренных функций чувствительности для каждой контрольной оси в диапазоне частот 0 <f< fmах , f = со/2.71, рассчитывают значение показателя запаса устойчивости Gimax по формуле

Gs,rmx =max[max|G5 (>>)],    (7)

i

где i - номер контрольной оси.

Из формулы (7) следует, что общая оценка устойчивости системы определяется через «наихудшую» передаточную функцию среди всех пяти передаточных функций системы.

5.3    Условия измерений

Поведение системы «ротор - АМП» должно быть устойчивым к обычным возмущениям и ожидаемым возможным изменениям рабочих условий. Проверку поведения системы осуществляют на стендах изготовителя перед поставкой машины. Заказчик также может провести соответствующие испытания в условиях эксплуатации системы. Измерения выполняют в следующих условиях:

a)    при неподвижном роторе - на стенде изготовителя;

b)    при максимальной номинальной частоте вращения ротора или при номинальной нагрузке - на стенде изготовителя или в условиях эксплуатации.

Во втором случае место проведения испытаний должно быть согласовано между поставщиком и заказчиком машины.

6 Оценка запаса устойчивости

9

6.1 Критерий I

В таблице 1 приведены границы зон, применяемых при оценке запаса устойчивости работы системы «ротор - АМП». Определения зон сформулированы таким образом, чтобы быть максимально приближенными к определениям зон вибрационного состояния по ИСО 7919-1:

-    зона А. В эту зону попадают пиковые значения функции чувствительности новых машин, вводимых в эксплуатацию;

-    зона В. В эту зону попадают пиковые значения функции чувствительности машин, которые считают годными к долговременной работе без каких-либо ограничений;

-    зона С. В эту зону попадают пиковые значения функции чувствительности машин, которые считают непригодными к долговременной работе (обычно работу таких машин допускают в течении ограниченного времени, пока не появится возможность проведения корректирующих мероприятий);

-    зона D. Попадание пиковых значений функции чувствительности в эти зону обычно рассматривают как свидетельство опасности возможных повреждений машины.

Таблица 1 - Границы зон запаса устойчивости

Граница зон

Пиковое значение функции чувствительности

в дБ

в абсолютных единицах

А/В

9,5

3

В/С

12

4

C/D

14

5

Пример оценки запаса устойчивости системы «ротор - АМП» приведен на рисунке 11, содержащем диаграмму Боде (рисунок 9) на фоне границ зон запаса устойчивости, установленных в таблице 1. Из рисунка 11 следует, что все пиковые значения функции чувствительности попадают в зону А.

6.2 Критерий II

Этот критерий основан на периодических измерениях запасов устойчивости и оценке их отклонения от средних значений. Наличие существенных отклонений может потребовать принятия мер даже в том случае, когда граница зоны С по критерию I еще не достигнута. Изменения запаса устойчивости, будь они скачкообразными или постепенно нарастающими во времени, могут свидетельствовать о зарождении повреждений или других неполадках.

Критерий II применяют для установившегося режима работы машины. При этом важно, чтобы подлежащие сравнению результаты измерений были получены приблизительно в одних и тех же условиях для одного и того же режима. Под существенным отклонением рекомендуется понимать изменение на величину, превышающую 25 % верхней границу зоны В (см. таблицу 1). Превышение установленного критерия требует выяснения причины столь существенных изменений и принятия соответствующего решения.

X - частота вращения ротора (безразмерная величина); Y - модуль функции чувствительности и границы зон устойчивости, дБ; N - номинальная частота вращения; А, В, С, D - зоны устойчивости Рисунок 11 - Оценка запаса устойчивости по Gs{jco)


Приложение А (справочное)


Примеры оценки запаса устойчивости. Пример 1

А.1 Испытуемый ротор

Испытательная установка и испытуемый ротор показаны на рисунках А.1 и А.2. Характеристики ротора приведены в таблице А.1.

Собственные моды и собственные частоты свободных колебаний ротора показаны на рисунке А.З.


1 2    3    4    2    5



1 - осевой АМП; 2 - радиальный АМП; 3 - вакуумная камера; 4 - ротор; 5 - двигатель Рисунок А.1 - Испытательная установка

В мм


12    2    3

1 - ротор в осевом АМП; 2 - ротор в радиальном АМП; 3 - ротор двигателя;а - точки узлов колебаний ротора; ь -длина элемента ротора L ;с-диаметр элемента ротора Dq Рисунок А.2 - Конструкция гибкого ротора


Таблица А.1 -Характеристики ротора

Масса, кг

31,4

Диаметр вала, мм

37

Общая длина, мм

1316

Номинальная скорость вращения, с'1

250


11


ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

1 - плоскость АМП; 2 - плоскость датчика перемещения Рисунок А.З - Собственные моды и собственные частоты N^j гибкого ротора


2 1 12

На рисунке А.4 изображен портрет критических частот ротора. Пересечения кривых собственных частот и кривой жесткости АМП дают значения собственных частот N^j. В диапазон рабочих скоростей вращения

машины (до 250 с'1) попадают четыре критических частоты вращения:    и    Nq2    >    соответствующие    формам


колебаний жесткого ротора, Nq3 и Nq4 , соответствующие модам изгибных колебаний гибкого ротора.

X - жесткость, Н/м; Y - частота, Гц; а - свободные концы ротора; b - защемленные концы ротора; с - жесткость

АМП; d - номинальная частота вращения Рисунок А.4 - Портрет критических частот гибкого ротора

12

ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

А.2 Контроллеры АМП

Для управления по разным осям используются контроллеры двух типов, основой каждого из которых является ПИД-регулятор.

Функциональная схема контроллера типа 1 включает в себя последовательное соединение ПИД-регулятора (передаточная функция РЮ) и фильтра коррекции «горба» фазовой характеристики в области высоких частот [6] (передаточная функция PBF). Таким образом, передаточная функция контроллера имеет вид

Gr(s) = РЮ PBF. Данный контроллер осуществляет децентрализованное управление осевым движением

ротора (см. рисунок А.5). Диаграмма Боде, используемая для оценки запаса устойчивости, показана на рисунке

А.6.

Диаграмма Боде передаточной функции разомкнутой цепи Ga при неподвижном роторе измерена, как

показано на рисунке А.6 а), с помощью двухканального БПФ-анализатора. Эта передаточная функция изображена на рисунке А.6 Ь) в виде диаграммы Найквиста. На рисунке А.6 с) показан участок диаграммы

Найквиста в области критической частоты N( щ , равной 645 Гц [на рисунке А.6 а) данная область показана

затенением]. В этом месте кривая передаточной функции близко подходит к критической точке (-1, 0), поэтому запас устойчивости системы невелик.

Те же результаты измерений были преобразованы в функцию чувствительности Gs, диаграмма Боде

которой приведена на рисунке А.6 d). Пиковое значение модуля функции чувствительности равно приблизительно 14 дБ, что также свидетельствует о малом запасе устойчивости (пиковое значение функции чувствительности попадает на границу зоны D).

Рисунок А.5 - Раздельное управление АМП

N

а) Диаграмма Боде передаточной функции разомкнутой цепи Ga

XI - частота, Гц; Y1 - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: -20 дБ = 0,1; 10 дБ = 0,315; 0 дБ = 1; 10 дБ = 3,15); Y2 - фаза, в градусах;

N - номинальная скорость вращения 250 с'1 Рисунок А.6 - Оценка запаса устойчивости системы «ротор - АМП»

13

ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013



с) Диаграмма Найквиста в диапазоне частот от 600 до 800 Гц Х2 - действительная часть передаточной функции, дБ; Y3 - мнимая часть передаточной функции, дБ;

Y1


14сШ^_^се Л/С7 D

w n

1 «СЗ NC‘

I (

\

C/D

\ Т 4

^В/С L А

ft

1

1 1

1 /

А/В (9,5 dB)

1

XI

0 200

400 600 800 1 000


Рисунок А.6(продолжение)

N

d) Функция чувствительности Gs

XI - частота, Гц; Y1 - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: -20 дБ = 0,1; 10 дБ = 0,315; 0 дБ = 1; 10 дБ = 3,15); Y2 - фаза, в градусах;

N - номинальная скорость вращения 250 с'1; А, В, С, D - зоны устойчивости (см. 6.1)

Рисунок А.6 (окончание)

ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

Контроллер типа 2 обеспечивает многосвязное управление (MIMO-технология) по радиальным осям двух АМП с передаточными функциями Gr\ (л) и Gr2(л), причем Gr\ (s) = PID NF,

G7.2(y) = PIDxPSF, где NF - передаточная функция режекторного фильтра, a PSF - передаточная

функция фазосдвигающего фильтра (см. рисунок А.7). При этом G7.](.v) подавляет усиление «симметричных»

МОД ( N(-*1 , jV(y3 ,    ,    ...),    a    GrI (.v) - «кососимметричных» МОД ( tV(’2 ,    ,    Nq5 , ...).

Диаграммы Боде, используемые для оценки запаса устойчивости, показаны на рисунках А.8 и А.9 для «кососимметричных» и «симметричных» мод соответственно.

Как и в предыдущем случае, проведены измерения передаточной функции разомкнутой цепи G()

[рисунки А.8 а), А.9 а)], построены диаграммы Найквиста [рисунки А.8 b), с), А.9 Ь), с)] и функции

чувствительности Gs [рисунки А.8 d), А.9 d)]. Как видно, кривая передаточной функции для «кососимметричной»

моды находится значительно дальше от критической точки, а пики функции чувствительности ниже, за

исключением пика для моды Nq2 [см. рисунок А.8 d)], в то время как соответствующая кривая для

«симметричных» мод близка к критической точке, а пик функции чувствительности на частоте 300 Гц высок [см. рисунок А.9 d)]. Управление «кососимметричными» модами сохраняет устойчивость системы в пределах зоны С, тогда как для «симметричных» мод значение функции чувствительности попадает в зону D.

1 - схема объединения сигналов; 2 - схема разделения сигналов; 3 - датчик перемещения; 4 - АМП

Рисунок А.7 - Многосвязное управление АМП

а) Диаграмма Боде передаточной функции разомкнутой цепи Ga

XI - частота, Гц; Y1 - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: -20 дБ = 0,1; 10 дБ = 0,315; 0 дБ = 1; 10 дБ = 3,15); Y2 - фаза, в градусах;

N - номинальная скорость вращения 250 с'1 Рисунок А.8 - Оценка запаса устойчивости системы «ротор - АМП» (управление «кососимметричными» модами)

15




с) Диаграмма Найквиста в диапазоне частот от 30 до 150 Гц (слева) и от 150 до 300 Гц (справа)

Х2 - действительная часть передаточной функции, дБ; Y3 - мнимая часть передаточной функции, дБ;

Рисунок А.8 (продолжение)


16


ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

Содержание

1    Область применения............................................................................................................................1

2    Нормативные ссылки............................................................................................................................1

3    Предварительные исследования........................................................................................................2

4    Принцип работы систем с обратной    связью......................................................................................2

5    Измерения.............................................................................................................................................8

6    Оценка запаса устойчивости...............................................................................................................9

Приложение А (справочное) Примеры оценки запаса устойчивости. Пример 1.................................11

Приложение В (справочное) Примеры оценки запаса устойчивости. Пример 2.................................20

Приложение С (справочное) Примеры оценки запаса устойчивости. Исследования в условиях

эксплуатации...............................................................................................................22

Приложение D (справочное) Аналитические расчеты запаса устойчивости системы.......................26

Приложение Е (справочное) Матрица разомкнутой цепи MIMO-систем управления........................27

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным стандартам Российской Федерации и

действующим в этом    качестве межгосударственным стандартам........................29

Библиография............................................................................................................................................30

ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

d) Функция чувствительности Gs


С/D А/В

XI - частота, Гц; Y1 - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: -20 дБ = 0,1; 10 дБ = 0,315; 0 дБ = 1; 10 дБ = 3,15); Y2 - фаза, в градусах;

N - номинальная скорость вращения 250 с'1; А, В, С, D - зоны устойчивости (см. 6.1)

а) Диаграмма Боде передаточной функции разомкнутой цепи G0


Рисунок А.8 (окончание)

XI - частота, Гц; Y1 - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: -20 дБ = 0,1; 10 дБ = 0,315; 0 дБ = 1; 10 дБ = 3,15); Y2 - фаза, в градусах;

N - номинальная скорость вращения 250 с'1 Рисунок А.9 - Оценка запаса устойчивости системы «ротор - АМП» (управление «симметричными» модами)

17

Введение

В то время как пассивные опоры, такие как подшипники качения или скольжения, являются устойчивыми системами, магнитным подшипникам принципиально присуща неустойчивость поведения вследствие их отрицательной жесткости, обусловленной действием статических магнитных сил. Для обеспечения положительных значений жесткости и демпфирования и, соответственно, устойчивого равновесного вращения ротора в магнитных подшипниках вводят отрицательную обратную связь.

Для надежной и безопасной работы ротора в активных магнитных подшипниках помимо контроля вибрации (см. ИСО 14839-2) необходимо также контролировать запас устойчивости системы в соответствии с требованиями настоящего стандарта. Применение стандарта позволяет:

a)    обеспечить заинтересованные стороны (поставщиков и пользователей, технических специалистов и пр.) информацией о работе системы;

b)    определить методы оценки запаса устойчивости, используемые при составлении договоров, приемке машин и их техническом обслуживании;

c)    установить общие стандарты обеспечения устойчивости при разработке и эксплуатации машин с активными магнитными подшипниками.

IV

ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Вибрация

ВИБРАЦИЯ МАШИН ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ С АКТИВНЫМИ МАГНИТНЫМИ

ПОДШИПНИКАМИ

Часть 3.

Определение запаса устойчивости

Mechanical vibration. Vibration of rotating machinery equipped with active magnetic bearings. Part 3. Evaluation of

stability margin

Дата введения — 2014-09-01

1    Область применения

Настоящий стандарт устанавливает требования к обеспечению устойчивой работы машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками (АМП). Для оценки устойчивости вращения ротора машины введен показатель запаса устойчивости и приведен способ его измерения.

Настоящий стандарт распространяется на промышленные машины номинальной мощностью более 15 кВт с жесткими и гибкими роторами. Он не распространяется на машины с роторами малых размеров (шпиндели, роторы турбомолекулярных насосов и т. п.).

Оценка устойчивости осуществляется в нормальных установившихся режимах работы машины при испытаниях у изготовителя или на месте эксплуатации. Оценка запаса устойчивости при испытаниях у изготовителя является обязательным условием поставки машины. Оценка на месте эксплуатации осуществляется в зависимости от соглашения между поставщиком и пользователем.

В настоящем стандарте не рассматриваются резонансные колебания ротора, возникающие при прохождении критических частот вращения. Методы снижения вибрации на критических частотах вращения рассматриваются в ИСО 10814.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт:

ИСО 10814, Вибрация. Подверженность и чувствительность машин к дисбалансу (ISO 10814, Mechanical vibration - Susceptibility and sensitivity of machines to unbalance)

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

Издание официальное

3 Предварительные исследования

Прежде всего необходимо исследовать характеристики демпфирования и устойчивости системы «ротор - АМП» для всех возможных режимов ее работы. Это исследование состоит из двух частей.

Во-первых, следует оценить поведение системы (через ее модальные чувствительности или модальные коэффициенты демпфирования) при разгоне ротора. Указанные характеристики определяют для всех собственных частот во всем диапазоне рабочих частот вращения ротора. Собственные частоты оценивают по вибрационному отклику системы в окрестностях критических частот вращения.

X- частота вращения ротора; Y - амплитуда вибрации Рисунок 1 - Оценка модального демпфирования


В примере, показанном на рисунке 1, кривая изменения амплитуды вибрации, обусловленной дисбалансом ротора, имеет три пика, соответствующих двум модам жесткого ротора и первой изгибной моде гибкого ротора. Ширина каждого пика определяется модальным коэффициентом демпфирования или добротностью. Требования к демпфированию системы «ротор - АМП» на резонансе устанавливает ИСО 10814, и в настоящем стандарте они не рассматриваются.

X

Задачей второй части исследования является определение способности системы управления обеспечить устойчивость поведения ротора на номинальной частоте вращения. При решении этой задачи определяются допустимые границы изменений в системе «ротор - АМП» (например, изменение коэффициента усиления из-за смещения датчика при изменении температуры) и сил, действующих на ротор (например, обусловленных дисбалансом или приводящих к появлению высших гармоник). Существуют разные характеристики устойчивости (по модулю, по фазе, по диаграмме Найквиста, по функции чувствительности и т. п.), на основе которых может быть определен запас устойчивости системы.

4 Принцип работы систем с обратной связью

4.1 Передаточные функции замкнутой и разомкнутой систем управления

Активные магнитные подшипники поддерживают ротор без механического контакта с ним, как показано на рисунке 2. Обычно они расположены по обоим концам вала (стороны 1 и 2), включают в себя датчик перемещения и страхующий подшипник качения. Радиальные оси управления на стороне 1 обозначены Xj и , на стороне 2 - х2 и у2- Ось управления, совпадающая с осью вала, обозначена z . Обычно управление системой «ротор - АМП» осуществляют по указанным пяти осям. Пример системы управления показан на рисунке 3.

Из рисунков 2 и 3 видно, что каждый датчик перемещения контролирует смещение цапфы вала в одном радиальном направлении вблизи подшипниковой опоры. Сигнал с датчика обеспечивает обратную связь в системе управления. Данные об отклонении положения ротора от центра АМП поступают в контроллер АМП. Выходной сигнал контроллера управляет работой усилителей мощности, т. е. током в катушках управления и в конечном счете магнитной силой,

2

ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

обеспечивающей левитацию ротора. Таким образом, система «ротор - АМП», как правило, представляет собой систему с обратной связью.

Замкнутую цепь управления рисунка 3 можно упрощенно описать (см. рисунок 4) через передаточную функцию Gr цепи обратной связи и передаточную функцию Gр прямого управления положением ротора. В некоторой точке цепи обратной связи можно ввести гармонический или случайный сигнал возбуждения /',(л) и обозначить сигналы до и после этой точки как I] и Vсоответственно. Тогда отношение изображений этих сигналов в частотной области даст передаточную функцию разомкнутой цепи Ga(s) (s = jco , со - угловая частота вращения ротора):

х    у


1 - АМП; 2 - датчик перемещения; а - сторона 1; ь - сторона 2 Рисунок 2 - Система «ротор - АМП»


1 - ротор; 2 - датчик перемещения (В/м); 3 - контроллер АМП (В/В); 4 - усилитель мощности (А/В); 5 -электромагнит (Н/А); 6 - исполнительная часть АМП; 7 - отрицательная позиционная жесткость (Н/м); 8 - АМП; а

- сигнал датчика; ь - сигнал управления; с - управляющий ток; Е - сигнал возбуждения; - магнитная сила,


А

Н; /<’/ - возмущающая сила, Н; KL - токовая жесткость (Н/А); Ks - отрицательная позиционная жесткость

(Н/м); X - перемещение

G„(s) =

(1)

Рисунок 3 - Блок-схема системы управления положением ротора

г, (0 ■

Такое определение передаточной функции разомкнутой цепи не является общеупотребительным. Большинство систем «ротор - АМП» имеют несколько цепей управления (как

3

правило, по числу осей управления). Работу системы анализируют в условиях, когда все эти цепи замкнуты, и передаточную функцию разомкнутой цепи для данной оси управления определяют по формуле (1) для этих же условий. Приведенное определение отличается от обычного определения элемента матрицы передаточной функции разомкнутой системы управления, получаемого в предположении, что участок цепи управления от ротора до контроллера разомкнут. Более подробно этот вопрос рассмотрен в приложении Е.


Передаточную функцию замкнутой цепи Gc(s) определяют по формуле


Gc{s)=-


E(s) '


(2)


Связь передаточных функций для разомкнутой и замкнутой цепей описывается формулой (для упрощения записи символ s опущен)


G0 г G„ Gc =-— или (jQ =


1 + G„


i-a


(3)


Передаточные функции Gc и G0 обычно получают, используя двухканальный БПФ-


анализатор. Схема измерений G0 показана на рисунке 4.


4.2 Диаграмма Боде

После измерения передаточной функции разомкнутой цепи G0 (рисунок 5) она может быть

преобразована в передаточную функцию замкнутой цепи (рисунок 6). На рисунках 5 и 6 показан пример диаграммы Боде, представляющей собой совокупность фазочастотной характеристики и амплитудно-частотной характеристики, выполненной в логарифмическом масштабе. В данном примере частота вращения ротора рассматривается как безразмерная величина и номинальная частота вращения N = 8. Таким образом, резонансные пики передаточной функции на частотах щ = 1 и а>2 = 6 попадают в рабочий диапазон частот вращения ротора, и острота (добротность О) этих пиков должна быть оценена в соответствии с ИСО 10814. В настоящем стандарте рассматриваются запасы устойчивости для всех пиков передаточной функции (в данном примере это щ =1, со2 = 6 и

со з = 30)




Gр - передаточная функция цепи прямой связи управления положения ротора; Gr - передаточная функция цепи обратной связи управления; Е - внешний переменный сигнал; Ga - передаточная функция разомкнутой цепи; Gs - функция чувствительности

Рисунок 4 - Двухканальная схема измерения G0 и Gs


4


ГОСТ Р ИСО 14839-3 — 2013

X-частота вращения ротора (безразмерная величина); Y1 - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: - 40 дБ = 0,01; - 20 дБ = 0,1; 0 дБ = 1; 20 дБ = 10; 40 дБ = 100); Y2 - фаза

ф , в градусах; N - номинальная частота вращения; а -модуль передаточной функции; ь - фаза передаточной функции Рисунок 5 - Передаточная функция разомкнутой цепи G0

X-частота вращения ротора (безразмерная величина); Y1 - модуль, дБ (отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: -40 дБ = 0,01; -20 дБ = 0,1; 0 дБ = 1; 20 дБ = 10; 40 дБ = 100); Y2 - фаза ф , в

градусах; N - номинальная частота вращения; а-модуль передаточной функции; ь-фаза передаточной

функции

Рисунок 6 - Передаточная функция замкнутой цепи Gc

5

4.3 Диаграмма Найквиста передаточной функции разомкнутой цепи

Кроме обычного представления в виде диаграммы Боде (см. рисунок 5) передаточная

функция разомкнутой цепи G0(jco) может быть изображена на комплексной плоскости в виде

диаграммы Найквиста, где каждой частоте вращения соответствует радиус-вектор передаточной

функции, модуль которого равен модулю передаточной функции |G0(/'<y)|, а угол - ее фазе (см.

рисунок 7, на котором модуль радиус-вектора дан в логарифмическом масштабе).

Характеристическое уравнение системы имеет вид l + Go(/«) = 0, а расстояние от кривой

передаточной функции до критической точки А с координатами (-1, О)1’ прямо зависит от демпфирования в системе и ее относительной устойчивости. В общем случае чем больше расстояние от кривой до точки А, тем больше запас устойчивости системы.

Ь) Диаграмма Найквиста в районе частоты 03 (увеличенный масштаб)

а Отметки шкалы соответствуют следующим абсолютным значениям: - 40 дБ = 0,01; - 20 дБ = 0,1; 0 дБ = 1; 20 дБ = 10; 40 дБ = 100.

Рисунок 7 - Диаграмма Найквиста передаточной функции разомкнутой цепи

11 Чаще координаты этой точки указывают в виде (-1, / 0), подчеркивая этим, что вторая координата представляет собой мнимую часть комплексного числа.

6