Содержание к диссертации
Введение
Глава I Использование индуктивных реостатов (дросселей) в асинхронных электроприводах с электродвигателями с фазным ротором
1.1 Использование роторной цепи асинхронного электродвигателя с фазным ротором для ограничения пуско-тормозных токов и регулирования скорости 9
1.2 Дроссель как средство формирования электромеханических свойств асинхронного электропривода 13
1.3 Современное состояние и перспективы ДЭП 19
Выводы 27
Глава II Экспериментальное исследование дросселя для асинхронного электропривода с АДФР
2.1 Общие положения 28
2.2 Электрическое и магнитное сопротивление дросселя 31
2.3 Экспериментальное исследование дросселей 36
2.4 Распределение магнитного потока по магнитопроводу дросселя 42
2.5 Влияние частоты и амплитуды тока на сопротивление дросселя 46
2.6 Влияние формы и геометрических размеров дросселя на его сопротивление 52
Выводы 59
ГЛАВА III. Тепловые процессы в дросселе при работе в составе ДЭП
3.1 Общие положения 60
3.2 Математическая модель тепловых процессов, протекающих в дросселе 63
3.3 Реализация модели тепловых процессов, протекающих в дросселе, и проверка ее адекватности 74
3.4Расчет мощности дросселя 80
Выводы 87
ГЛАВА IV . Применение дросселей для формирования пуско-тормозных режимов асинхронных электроприводов
4.1 Требования к пуско-тормозным режимам ДЭП 88
4.2 Методика расчета улучшенных энергетических и массогабаритных показателей дросселя 90
4.3 Выбор серийного дросселя по каталогу 117
Выводы 121
ГЛАВА V. Повышение призводительности дэп в установившихся режимах работы
5.1 Ограничения при работе ДЭП 122
5.2 Повышение жесткости механической характеристики ДЭП 123
5.3 Тиристорный регулятор РСТ05-В для выхода ДЭП на естественную механическую характеристику электродвигателя 125
5.4 Математическая модель ДЭП с регулятором РСТ05-В 137
5.5 Экспериментальное исследование ДЭП с регулятором РСТ05-В... 144
Выводы 147
Заключение 148
Библиографический список 151
Приложение а. Акты внедрения в учебный и производственный 163
Процессы результатов диссертационной работы
Приложение б. Каталог серийных дросселей 166
- Использование роторной цепи асинхронного электродвигателя с фазным ротором для ограничения пуско-тормозных токов и регулирования скорости
- Электрическое и магнитное сопротивление дросселя
- Математическая модель тепловых процессов, протекающих в дросселе
- Методика расчета улучшенных энергетических и массогабаритных показателей дросселя
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью создания асинхронных электроприводов, в частности, для крановых механизмов, с включением в роторную цепь дросселя с силовым вентильным преобразователем и системой управления, обладающих улучшенными массогабаритными показателями в сочетании с повышенными энергетическими характеристиками и производительностью.
В направлении развития электроприводов данного класса, получивших название «дроссельный асинхронный электропривод» (ДЭП), работает ряд организаций, таких как: ООО «Горнозаводское объединение» (г. Челябинск), Липецкий металлургический завод, и другие. ООО «Горнозаводское объединение» за период с 1996 - 2008 г. установило по России и странам ближнего зарубежья более 7000 ДЭП. В настоящее время это предприятие работает с 22 крановыми заводами по России и странам ближнего зарубежья (Кировским заводом железнодорожных кранов, Нязепетровским заводом башенных кранов, Харьковским заводом ПТО, заводом «НКМЗ» г. Новокраматорск, Павлодарским крановым заводом, Ташкентским заводом «Подъемник» и др.).
Интерес к ДЭП, несмотря на потери энергии скольжения, не снижается; так как они позволяют получить низкие скорости при выборе слабины канатов, низкие посадочные скорости и сверхнизкие скорости для точной остановки крановых механизмов. Кроме того, ДЭП по сравнению с часютно-регулируемыми электроприводами имеют более широкий температурный диапазон эксплуатации, менее критичны к параметрам агрессивности окружающей среды и, в силу простоты своей технической реализации, не требуют высокого уровня квалификации обслуживающего персонала.
Большой вклад в исследование и развитие ДЭП внесли ученые МЭИ, МГТУ им. Носова, кафедры электропривода Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) и др.
5 Несмотря на большой объем проведенных работ в области ДЭП, вопросы конструирования электроприводов, включающих в себя дроссель и обладающих улучшенными > массогабаритными и, энергетическими показателями, а также вопросы расширения функциональных возможностей ДЭП требуют более внимательного рассмотрения.
Целью работы является улучшение массогабаритных и энергетических показателей ДЭП и повышение его производительности при работе в установившихся режимах.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
- создание математической и компьютерной моделей для исследования
тепловых процессов, протекающих в дросселе при работе в составе ДЭП;
- создание ДЭП и дросселя с улучшенными массогабаритными
показателями при заданных электромагнитных и тепловых характеристиках,
диктуемых техническими требованиями к электроприводу;
разработка алгоритма, математической и компьютерной моделей для исследования режимов ограничения токов статора и ротора двигателя ДЭП при его переходе с дроссельной механической характеристики на естественную механическую характеристику электродвигателя;
создание регулятора ограничения токов статора и ротора ДЭП при его выходе на естественную двигательную характеристику для обеспечения повышенной производительности электропривода в целом.
Методы исследования. Поставленные задачи в диссертационной работе решаются с использованием теории электропривода, автоматического управления, индукционного нагрева, методов математического моделирования и анализа.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается корректным использованием методов расчета статических и динамических процессов в математических и компьютерных моделях при общепринятых допущениях, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, а также результатами промышленного
внедрения и эксплуатации ДЭП с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями и повышенной производительностью. Научная новизна работы
Впервые для дроссельных электроприводов разработана методика расчета тепловых процессов в дросселе, на основе которой созданы математическая и компьютерная модели, позволяющие улучшить массогабаритные показатели электроприводов данного класса.
Разработаны теоретические основы расчета допустимой мощности дросселя с учетом требований, предъявляемых к ДЭП.
Впервые для ДЭП разработаны математическая и компьютерная модели расчета улучшенных массогабаритных и энергетических показателей дросселей с учетом заданных электромагнитных и тепловых характеристик, диктуемых техническими требованиями к электроприводу
4. Предложена структура и разработана математическая и компьютерная
модели нового пускорегулирующего устройства, обеспечивающего повышение
производительности механизма и снижение потерь в ДЭП при его работе в
установившихся режимах.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработана программа расчета тепловых характеристик дросселя при работе в составе электропривода с учетом электромагнитных и массогабаритных показателей дросселей, а также проведены экспериментальные исследования тепловых характеристик серийных дросселей;
Созданы программы расчета электромагнитных и массогабаритных показателей и проверочного расчета допустимой мощности дросселей для работы в составе асинхронного электропривода, обеспечивающие улучшение технических характеристик электроприводов данного класса (Патент РФ № 2300169);
По результатам проведенных исследований получены рекомендации по улучшению массогабаритных и электромагнитных показателей дросселей. В
7 результате созданы каталоги серийных дросселей, выпуск которых осуществляется ООО «Горнозаводское объединение»;
4. Созданы и внедрены на производстве ДЭП с улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями, обладающие повышенной производительностью (Патенты РФ № 55229 и № 2311725).
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
Математическая модель и программа расчета электромеханических характеристик ДЭП с пускорегулирующим устройством в роторной цепи.
Метод и программа расчета дросселей для ДЭП с улучшенными электромагнитными и массогабаритными показателями.
3. Методика, математическая и компьютерная модели, а также программа
расчета тепловых характеристик дросселя в составе асинхронного
электропривода.
4. Структура пускорегулирующего устройства, повышающего
производительность ДЭП.
Реализация результатов работы. Разработанный ДЭП внедрен на следующих предприятиях: ООО «Татнефтьбурение» г. Альметьевск, завод «КАМАЗ», г. Набережные Челны, «Волго-Балт» г. Вытегра. Разработанная математическая модель и инженерная методика расчета габаритных и тепловых параметров дросселей, а также рекомендации по совершенствованию конструкции дросселей используются в ООО «Горнозаводское объединение» и «Челябинское электротехническое предприятие» (г. Челябинск) при разработке ДЭП для крановых механизмов.
Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-ежегодных научно-практических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, ЮУрГУ, 2004 - 2006 гг.);
-международной конференции «Проблемы производства и безопасной эксплуатации подъемных сооружений в Украине и России» (Украина, Одесса, 2005 г.);
-13-ой и 14-ой международных научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005, 2007);
-всероссийской конференции-конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и ресурсосбережение» (Томск, ТПИ, 2006 г.);
-международной одиннадцатой конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2006 (ICEEE-2006), (Крым, Алушта, 2006 г.);
-научно-практической конференции «Современные методы и средства автоматического управления техническими объектами» (Челябинск, 2006 г.);
-международной научно-практической конференции «Эффективность систем энергосбережения», (Челябинск, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ в периодических изданиях, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, сборниках научных трудов и сборниках тезисов докладов научно-технических конференций. На оригинальные технические решения получены 4 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста объемом 138 страниц, заключения, списка литературы из 176 наименований, 2 приложений. Общий объем диссертации 167 страниц, включая 64 рисунка и 36 таблиц.
Использование роторной цепи асинхронного электродвигателя с фазным ротором для ограничения пуско-тормозных токов и регулирования скорости
В настоящее время более 80 % вырабатываемой во всем мире электроэнергии потребляется различными электроприводами. В то же время более 80 % электроприводов составляют приводы с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) [38, 54, 68, 74, 84, 86, 115, 168]. Асинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР) занимает существенную долю в этих оставшихся 20 % (по некоторым данным до 10-15 %). В настоящее время областью применения этого типа электродвигателей являются механизмы подъемно-транспортных машин, буровых установок и ряда других.
У АДФР благодаря наличию роторных обмоток есть возможность регулирования с использованием роторной цепи. Благодаря включению в роторную цепь различных устройств обеспечивается как ограничение токов статора и ротора в пуско-тормозных режимах, так и регулирование скорости электропривода.
Основные схемы, применяемые для регулирования координат электроприводов переменного тока с АДФР, представлены в табл. 1.1. В этой же таблице представлены характеристики рассматриваемых схем.
Из всех представленных в табл. 1.1 схем управления наибольшее практическое распространение получила схема с введением в роторную цепь сопротивлений (система реостатного пуска и регулирования). Она отличается от других представленных систем электропривода переменного тока своей схемной простотой, а ее стоимость определяется ценой резисторов и контакторов. Данная схема обеспечивает как ограничение пуско-тормозных токов, так и регулирование скорости.
Достоинством является то, что ведение дополнительного сопротивления позволяет вывести часть потерь скольжения из роторных обмоток двигателя. Это позволяет снизить габарит двигателя и дает возможность расширения диапазона мощностей электропривода при данном способе пуска.
Недостатки: большое количество релейно-контакторной аппаратуры; сложные схемы коммутации, значительные затраты труда на их ремонт и обслуживание; ступенчатый характер переключений, а следовательно и нарушение плавности переходного процесса; броски тока и момента, определяющие возникновение механических колебаний в приводе; невозможность оптимизации пуска при разгоне в функции времени; повышенные потери скольжения, рассеивающиеся в виде теплоты в обмотках двигателя, в добавочных сопротивлениях и отрицательно влияющие на КПД электропривода.
Диапазон регулирования момента и тока ограничен перегрузочной способностью двигателя, а точность регулирования уменьшается по мере уменьшения добавочного сопротивления. Данная схема обеспечивает практически идеальное поддержание тока ротора и момента электродвигателя на постоянном уровне, определяемом напряжением задания Uj. Работа схемы построена на широтно-импульсном способе (ШИП) регулирования величины дополнительного сопротивления Ядов роторной цепи. Достоинство данного способа перед реостатным заключается в возможности плавного регулирования. Недостатками импульсного регулирования величины добавочного сопротивления являются: - большое количество регулирующей аппаратуры, необходимость использования тиристорных преобразователей. - повышенные потери скольжения, рассеивающиеся в виде теплоты в обмотках двигателя, в добавочных сопротивлениях и отрицательно влияющие на КПД электропривода. Продолжение таблицы 1.1 Точность поддержания скорости зависит от коэффициента усиления системы и становится достаточно высокой. Диапазон регулирования скорости - до Д = 10:1. Высшие гармоники напряжения создают дополнительные токи в обмотках АД, потери на 10 - 20% больше, чем при синусоидальном напряжении, но на момент они оказывают несущественное влияние. Диапазон ограничивается большими потерями мощности на низких скоростях, время работы на которых приходится существенно ограничивать. Регулирование плавное. Допускаемые нагрузки РДоп Цдоп - ограничены. Особенности асинхронного вентильного каскада (АВК): - отсутствие отрицательных моментов. Для торможения на выбеге (с целью остановки) создаются схемы динамического торможения. Статор двигателя отключается от сети и подключается к источнику постоянного тока. Энергия скольжения при динамическом торможении АВК за вычетом потерь отдается в сеть; - опасность перехода преобразователя из инверторного режима в выпрямительный при а 90, когда возникает короткое замыкание в цепи постоянного тока. Цепь ротора закорачивается, АД работает на естественной характеристике. Особенностью ЭМК является наличие вспомогательного двигателя ВД, преобразующего энергию скольжения в механическую энергию на валу каскада. Точность регулирования определяется жесткостью механических характеристик в диапазоне регулирования, которая для электрического каскада зависит от сопротивления цепи тока ротора R3. Диапазон регулирования скорости в разомкнутых системах АВК Д = 10:1 и ЭМКД = 2:1. Направление регулирования скорости - вверх и вниз от естественной характеристики (вверх - для машины двойного питания МДП при ПЧ в цепи ротора). Плавность регулирования - высокая, управление ведется в слаботочных цепях.
Электрическое и магнитное сопротивление дросселя
Первоначально необходимо рассмотреть схему замещения дросселя. Как известно из работ [40, 41, 134, 135, 150], дроссель в известной мере может быть уподоблен трансформатору с большим рассеянием и, что особенно важно, с относительно большим током холостого хода. Сердечник дросселя является одновременно и нагрузкой «трансформатора» и частью его магнитной системы.
Магнитная и электрическая схемы замещения дросселя приведены на рис. 2.4. Необходимо отметить, что она подобна схеме замещения трансформатора. На схеме х, - реактивное сопротивление рассеяния дросселя, х0 = со / Rm0, причем Rm0 - магнитное сопротивление участка пути магнитного потока вне дросселя, которое в дальнейшем называется магнитным сопротивлением обратного замыкания магнитного потока, г2 и х2т - активное и внутреннее реактивное сопротивления сердечника, приведенные к току участка обмотки дросселя бесконечной длины [32, 100, 134, 135]. Сопротивления ґо И Х2т определяются в зависимости от формы сердечника. Реактивное сопротивление х0 определяет составляющую магнитодвижущей силы, необходимой для преодоления магнитным потоком пространства вне дросселя.
Сопротивление х\т = 0. на-рис. 2.4а приведена примерная картина магнитного поля Дросселя длиной / а также магнитная схема замещения системы. Будем считать, что все витки дросселя охватывает один и тот же магнитный поток Ф\. На длине / магнитный поток проходит по сердечнику и обмотке дросселя в виде двух составляющих: Ф5 (поток рассеяния) и Фт (поток в сердечнике), а на остальном пути - одним общим ПОТОКОМ Ф].
Примем идеализированную картину магнитного поля, в которой внутри обмотки дросселя все силовые линии параллельны оси, а внешнее поле такое же, как у обмотки без сердечника. Bf соответствии с магнитной схемой замещения на рис. 2.4а полный ток дросселя 1\ расходуется на проведение общего магнитного потока внутри дросселя на участке / и на всем пути его обратного замыкания. Магнитной схеме замещения соответствуют приведенная на рис. 2.46 электрическая схема замещения и векторная диаграмма на рис. 2.4в. Электрическая схема замещения дополнена внутренним реактивным сопротивлением обмотки дросселя xjm и активным сопротивлением .
Приведенные выше схемы замещения получены из допущения о равномерности распределения магнитного потока по сечению магнитопровода. -Однако, как указывалось выше, вихревые токи и создаваемые ими ЭДС индукции стремятся ослабить основной поток. Это приводит к неравномерному распределению основного магнитного потока. Появляется эффект вытеснения магнитного потока на поверхность магнитопровода. Эффект вытеснения получил название поверхностного эффекта. Поверхностный эффект очень сильно зависит от частоты магнитного потока. С ростом частоты происходит более быстрое изменение во времени магнитного поля, тем самым вихревыми токами создается большее ЭДС индукции и тем сильнее происходит вытеснение магнитного потока на поверхность магнитопровода.
Таким образом, при рассмотрении физических основ работы катушки с ферромагнитным сердечником выявлено наличие сложного характера его сопротивления. Схема замещения катушки содержит элементы с активным и индуктивным сопротивлением. При правильном подборе соотношения активных и индуктивных элементов, возможно использование катушек с ферромагнитным сердечником в качестве регуляторов тока ротора асинхронного электродвигателя, без дополнительных активных сопротивлений. Но при пуске электродвигателей и выходе на рабочую скорость происходит изменение частоты и величины тока ротора. Так как, приведенные выше, схемы замещения справедливы при постоянной частоте, то в дальнейшем необходимо разработать методику расчета катушки с ферромагнитным сердечником, при изменении частоты и величины тока.
Математическая модель тепловых процессов, протекающих в дросселе
Для упрощения разработки математической модели тепловых процессов, протекающих в дросселе можно воспользоваться упрощенными методами, основанными на теориях одно- и двухступенчатого нагрева, основывающихся на том, что исследуемый объект в процессе моделирования и расчета его тепловых параметров заменяется одним или двумя массивными телами, имеющими одинаковые тепловые свойства во всех направлениях. Для определения возможности применения допущений были проведены экспериментальные тепловые испытания как серийных дросселей, выпускаемых ООО «Горнозаводское объединение», так и макетного образца, выполненного на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ЮУрГУ. Во время испытаний проводились исследования тепловых характеристик нескольких типономиналов дросселей. Результаты испытаний приведены на рис. 3.3.
Экспериментальные исследования тепловых характеристик дросселей: а) ДПД-1, б) ДПД-3 На рис. 3.3 представлены экспериментальные данные изменения температуры обмотки ГОБМ и сердечника ГТр для двух типономиналов дросселей ДПД-1 и ДПД-3 (технические данные дросселей представлены в главе II), выпускаемых ООО «Горнозаводское объединение». Следует отметить, что, как видно из графиков, в обоих случаях установившаяся температура сердечника ТТР превышает температуру обмотки Гошболее чем на 40 - 50 %.
В ходе предварительных экспериментальных исследований было показано, что применение теории одноступенчатого нагрева, при котором объект заменяется одним массивным телом с одинаковыми свойствами в каждой точке, не обосновано, так как температура сердечника имеет намного большее значение, чем температура обмотки дросселя.
Таким образом, в целях некоторого упрощения процедуры разработки математической модели тепловых процессов, протекающих в дросселе, и выбора его по мощности за основу была принята теория двухступенчатого нагрева, широко используемая при моделировании тепловых процессов в электрических машинах и трансформаторах [7, 8, 42, 43, 61, 90, 93, 95, 148]. При разработке математической модели были приняты следующие допущения: 1) сердечник и обмотка дросселя - сплошные однородные тела, имеющие одинаковую температуру во всех своих точках. Теплоемкости сердечника Сс и обмотки C0hu, то есть количество теплоты, необходимое для нагревания соответственно сердечника и обмотки на 1 С, описывается уравнениями: Cc=CCa-Vc.vr, (3-2) где ССо, С0Шв - удельная теплоемкость соответственно материала сердечника и обмотки, Дж/кг,0С, vc, уош - плотность материала сердечника и обмотки соответственно, кг/м3, Vc, vom - объем сердечника и обмотки, определяемые общеизвестными соотношениями для вычисления объема полого цилиндра или па 65 раллелепипеда (в зависимости от геометрической формы сердечника и обмо точного провода), м3: Vc=7r-D-h-S - для сердечника в виде полого цилиндра, (3-4) Vc=D-h-5 - для сердечника в виде пластины, (3-5) vom =l-q K D W-q - для обмотки с цилиндрическим сердечником, (3-6) уош =l-q l-(D + S)-w-q - обмотки с пластинчатым сердечником. (3-7) Здесь соответственно D - диаметр или ширина, h - высота и 5 - толщина стенки сердечника, м, w - число витков обмоточного провода дросселя, q -площадь поперечного сечения обмоточного провода, м". 2) температура окружающей среды - постоянна, не зависит от количества теплоты, отдаваемой дросселем, то есть помещение обладает бесконечной теплоемкостью (за температуру окружающей среды принята Тос = 40С); 3) теплота, отдаваемая дросселем в окружающую среду, пропорциональна первой степени разности температур дросселя и окружающей среды, то есть при теплопередаче в окружающий воздух производится учет только теплопередачи за счет конвекции. При этом не учитывается излучение; 4) тепловые потери, теплоемкость дросселя и коэффициенты теплоотдачи не зависят от его температуры; 5) соединительные конструкции дросселя незначительно влияют на распределение тепла в нем и не учитываются в расчете; 6) температура сердечника всегда больше температуры обмоточного провода дросселя; 7) в случае трубчатого сердечника часть тепловой энергии идет на нагрев непосредственно материала сердечника, через внутреннюю поверхность сердечника тепло отдается в окружающую среду, а через внешнюю - полностью обмотке дросселя. Теплом, отдаваемым через внешнюю поверхность сердечника в окружающую среду, пренебрегаем; 8) в случае пластинчатого сердечника также часть тепловой энергии идет на нагрев непосредственно материала сердечника, через внешнюю поверхность тепло полностью отдается обмотке дросселя. Теплом, отдаваемым через внешнюю поверхность сердечника в окружающую среду, также пренебрегаем. Исходя из вышеперечисленных допущений, можно выделить следующие основные пути распределения тепла в отдельных частях дросселя при его работе: - нагрев сердечника за счет возникновения вихревых токов и наличия явления гистерезиса; - нагрев обмотки дросселя за счет возникающих в ней электрических потерь; - передача теплоты от сердечника к окружающему воздуху посредством конвекции и излучения; - дополнительный нагрев обмотки дросселя со стороны сердечника посредством теплопередачи; - передача теплоты от обмотки дросселя к окружающему воздуху посредством конвекции и излучения. В соответствии с принятыми допущениями на рис. 3.4 представлены фи-, зические модели различных конструкций дросселя. Здесь Сс и Сош - соответственно теплоемкости сердечника и обмотки, Ас, Аот и Ас_ош - теплоотдачи соответственно сердечника и обмотки в окружающую среду и от сердечника к обмотке.
Методика расчета улучшенных энергетических и массогабаритных показателей дросселя
Правильный выбор параметров дросселя "имеет большое значение. Их отклонение может привести к нарушению нормальной работы механизма, снижению его производительности, чрезмерному повышению температуры отдельных частей дросселя и в конечном итоге к выходу его из строя или же способствует неоправданному увеличению капитальных затрат и уменьшению КПД. В качестве основных критериев, которые должны учитываться при расчете улучшенных энергетических и массогабаритных показателей дросселя, были параметры, указанные в предыдущем параграфе: - пусковой момент, необходимый для обеспечения требуемых показателей пуско-тормозных режимов (времени пуска, ускорения и т.д.); - минимально возможные значения токов статора и ротора, обеспечивающие снижение нагрева двигателя в пуско-тормозных режимах; - минимальные габаритные размеры и минимальная масса дросселя и ДЭП в целом. На основе теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на кафедре ЭПА ЮУрГУ и в ООО «Горнозаводское объединение» в рамках научно-исследовательской работы «Экспериментальное исследование индуктивных реостатов (дросселей)», разработана методика расчета улучшенных энергетических и массогабаритных показателей дросселя.
В качестве примера для демонстрации предлагаемой методики выбран электродвигатель 4MTH200L6 [55] с каталожными данными, представленными в таблице 4.1. Каталожные механическая и электромеханическая характеристики двигателя типа 4MTH200L6 Таблица 4.1 Данные двигателя 4MTH200L6 [55] Каталожные данные двигателя: 1 Число полюсов 2-рп 6 2 Номинальная мощность, кВт Рн 22 3 Номинальная скорость, об/мин пн 935 4 Номинальное линейное напряжение сети, В иш 380 5 Номинальный ток статора, А І1Н 55 6 Номинальный коэффициент мощности COS фн 0,79 7 Напряжение на кольцах ротора, В Его 235 8 Номинальный ток ротора, А І2Н 60 9 Максимальный момент, Нм Мк 638 Обмоточные данные двигателя: 10 Активное сопротивление статора, Ом П 115 0,33 11 Активное сопротивление ротора, Ом Г2 115" 0,076 Расчетные данные двигателя: 12 Индуктивное сопротивление рассеяния статора, Ом XI 0,271 13 Индуктивное сопротивление рассеяния ротора, Ом Х2 0,233 14 Коэффициент трансформации по ЭДС ке 1.536 15 Коэффициент приведения сопротивлений кг 2.36 16 Синхронная скорость, рад/с «он 104,7 17 Номинальный момент, Нм Мн 224,7 Необходимо отметить, что режим работы грузоподъемных машин - циклический. Цикл состоит из перемещения груза по заданной траектории и возврата машины к исходному положению для нового цикла. В цикле работы машины время включения (работы) любого из его механизмов tp чередуются с временем пауз tnay3 этого механизма (пока включен другой механизм, происходит застроповка или расстроповка груза либо технологическая пауза). Максимальное время законченного цикла работы машины (механизма) tp + іпауз по рекомендации [84, 167] составляет 600 с. При продолжительности цикла более 600 с он условно разделяется на законченные составные части, например движение в одном направлении и паузу после него общей продолжительностью 600 с. Условные циклограммы работы грузоподъемной машины (крана) приведены на рис. 4.2.
Операция с грузом \ \ Возвраг в исходное положение t,c Застроповка \ / Расстроновка Время цикла - обтягивание троса (происходит в толчковом режиме); 2 - подъем груза и крюка; 3 - спуск груза и крюка; 4 - посадка груза и крюка. Рис. 4.2. Типовая циклограмма работы мостового или козлового крана Краны могут иметь четко выраженный циклический режим работы, например перегрузочные краны штучных грузов, грейферные краны, технологические краны металлургии, у которых повторяющиеся циклы идентичны. Значительное число кранов универсального назначения не имеет многократно повторяемых однотипных циклов. Краны машиностроительных производств, монтажные краны и т. п., у которых циклы работы постоянно меняются как по продолжительности, так и по составу последовательно используемых механизмов, относятся к машинам с условно циклической работой. Механизмы кранов характеризуются относительной продолжительностью включения, когда время включения и время пауз регулярно чередуются.
Относительная продолжительность включения ПВ выражается отношением времени включения механизма к общему времени цикла или в виде отношения времени включения за определенный промежуток времени к времени этого промежутка. Для кранов с условно циклическим режимом работы расчетная относительная продолжительность включения, %:
Для канатных систем подвеса грузов, по данным [84, 167], максимальное число циклов перегрузок не превышает 60 в 1 час, а минимальное число циклов может составлять 6 по условиям наибольшей продолжительности цикла 600 с. В каждом цикле работы крана механизмы имеют некоторое число включений для разгона, движения с желаемой скоростью и торможения перед остановкой. При включении механизма может происходить разгон как до номинальной скорости, так и до промежуточной (регулировочной) скорости. В среднем за цикл каждый механизм имеет кроме обязательных включений с пуском до номинальной скорости еще некоторое количество включений для точной установки груза, выбор слабины грузового каната, гашения раскачки груза и т.п. Число включений механизмов за цикл составляет от 6 до 12 [84, 167].
Также необходимо заметить, что в каталогах на крановые электродвигатели в основном приводятся номинальные данные при 103=40 %. Эти данные используется при выборе мощности электродвигателя для конкретного крана. Методики выбора устоявшиеся, их правильность подтверждается годами эксплуатации оборудования и сомнению не подлежат. Однако они не учитывают включений в цепь ротора дросселя. Включение же в цепь ротора дросселя снижает cos ср электропривода и для создания одного и того же момента требуется больший ток, а, следовательно, и больший нагрев электродвигателя. Поэтому, если включается дроссель, то это неизбежно приводит к снижению допустимой по условиям нагрева мощности двигателя. Оценка снижения мощности электродвигателя с учетом режимов его работы при работе совместно с дросселем в роторной цепи, а также методика выбора электродвигателя для дроссельного асинхронного электропривода приводятся в [20, 25, 26, 156, 157].
Ниже предлагается методика расчета улучшенных энергетических и массогабаритных показателей. Целью данного расчета является разработка такого дросселя, который бы при наименьших габаритных размерах и массе обеспечивал бы максимальный пусковой момент и минимальные токи статора и ротора. Методика расчета улучшенных энергетических и массогабаритных параметров дросселя. Далее предложена методика расчета улучшенных энергетических и массогабаритных параметров дросселя для ДЭП, работающего без четкого циклического режима работы, основываясь на указанных выше рекомендациях по продолжительности циклов работы, числу циклов в час и продолжительности работы.
