Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.1 Обзор конструкций современных вертикальных ленточных конвейеров 12
1.2 Причины выхода из строя норий 18
1.3 Критический анализ методики расчета норий 19
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования 24
2. Разработка методики расчета механической части нории 26
2.1 Анализ работы вертикальной установки непрерывного транспорта - нории 26
2.2 Разработка методики расчета механической части нории 27
2.3 Разработка методики расчета момента сопротивления 40
2.4 Выводы по главе 2 47
3. Разработка регулируемого асинхронного двигателя для привода нории. энергетические соотношения в регулируемом АД 49
3.1 Общие сведения по регулируемым АД 49
3.2 Обоснование целесообразности регулирования АД электропривода норий 50
3.3 Теоретические аспекты регулирования асинхронных двигателей 56
3.4 Энергетические соотношения в регулируемом асинхронном двигателе 59
3.5 Выводы по главе 3 64
4. Построение математической модели электропривода нории 66
4.1 Общие сведения по математическому моделированию асинхронных двигателей 66
4.2 Построение математической модели АД электропривода норий 67
4.3 Построение математической модели нории как электромеханической системы 80
4.4 Выводы по главе 4 82
5. Реализация математической модели нории 83
5.1 Общие сведения 83
5.2 Метод планирования эксперимента, как инструмент для реализации математической модели. Выбор переменных факторов и целевых функция..84
5.3 Разработка программы для реализации математической модели 86
5.4 Построение матрицы планирования эксперимента 97
5.5 Выводы по главе 5 101
Заключение 102
Литература 107
- Обзор конструкций современных вертикальных ленточных конвейеров
- Анализ работы вертикальной установки непрерывного транспорта - нории
- Обоснование целесообразности регулирования АД электропривода норий
- Общие сведения по математическому моделированию асинхронных двигателей
Введение к работе
Подъемно-транспортные устройства начали применяться в древнейший период истории человеческого общества. Еще за 2000 лет до н. э. простейшие подъемно-транспортные устройства применяли при строительных работах и для подачи воды. Тогда же появились винтовые подъемники. В средние века начали применять подъемные краны и ковшовые подъемники. В XVIII веке появились комплексные установки для подъема воды и руды из шахт, был изготовлен ленточный ковшовый элеватор. Во второй половине XIX века, наряду с механическими, появляются и пневматические транспортеры. Появление в это же время парового, а затем электрического приводов способствовало развитию краностроения.
Советские ученые профессор Л.Г. Кифер, профессор П.А. Козьмин, член-корреспондент АН СССР А.О. Спиваковский и другие заложили основы теории и расчета подъемно-транспортных машин, которые в дальнейшем получили развитие в работах профессора Н.Ф. Руденко, профессора К.В. Алферова, профессора А.И. Дукельского, профессора А.А. Долгоненко и коллективов работников ряда научных учреждений /95/.
Объектом исследования в данной работе являются механизмы вертикального транспорта — нории. Это — вертикальные ленточные конвейеры для перемещения необработанного и обработанного зерна пшеницы, подсолнечника, сои шрота на различных стадиях их переработки. Нории широко применяются на перерабатывающих предприятиях: на одном элеваторе их может быть порядка 30-40 в зависимости от нужд производства и его расположения на территории перерабатывающего комбината. Нории могут быть как межэтажные, так и перемещающие зерно на высоту до 50 и более метров. Это обуславливает разнообразие компоновки их оборудования. К этому следует добавить, что нории являются основными механизмами для перемещения продукта в процессе его технологической переработки, что предъявляет определенные требования к бесперебойности их работы, температурному режиму, а также режиму аспирации /52/.
Основным узлом, определяющим нормальную работу нории, является ее электропривод, моделирование процесса работы которого в дальнейшем позволит исследовать и модернизировать конвейерную установку с целью оптимизации ее работы, особенно в переходных режимах. Такое исследование представляет значительный интерес для решения практических задач, поскольку ранее такие исследования, как выяснилось в процессе изучения данного вопроса, не проводились, а практические наблюдения на различных предприятиях данной отрасли показали необоснованное применение мощных двигателей на нориях, что экономически нецелесообразно, а также недостаточно широкое использование средств автоматики и автоматизации, что ухудшает показатели бесперебойности и безаварийности работы.
По конструкции и техническим характеристикам нории близки к конвейерам, применяемым в горном производстве, которые широко описаны и исследованы во многих работах /1.8, 75, 111, 116, 117, 118, 119, 138 и др./. Однако в горном производстве используются горизонтальные, наклонные и крутонаклонные конвейеры, как правило, цепные, поэтому в исследованной литературе расчет и моделирование вертикальных ленточных конвейеров не освещены.
Исследования и расчет конвейерных установок в литературе по оборудованию пищевой перерабатывающей промышленности сводятся к их тяговому расчету, а также расчету прочности ленты /1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 15, 21, 23, 25, 28, 29, 30, 38, 39, 43, 44, 58, 59, 61, 66, 71, 82, 83, 84, 90, 91, 95, 104, 119, 130, 131, 135, 139, 142, 147 и др./. Для этих целей в изученной литературе принимается упрощенная схема нории. Проведенные исследования показали необоснованность применения в тяговых расчетах значений общих коэффициентов сопротивлению движению, учитывающих погонные нагрузки от груза, ленты, ковшей, но не учитывающих предварительное натяжение ленты (особенно в пусковых режимах), трение в подшипниках, сопротивление при изгибе и выпрямлении тягового органа, сопротивление загрузке и разгрузке продукта, сопротивление подъему и трению, динамику ленты, ее скорость, температуру окружающей среды.
При практическом исследовании работы перерабатывающих предприятий был выявлен ряд проблем в функционировании норий и, в частности, в работе их электропривода и систем автоматики.
Были обследованы следующие предприятия /87/:
- ОАО "Армавирский масложиркомбинат", г. Армавир Краснодарского края,
- ООО "ТЭПК" (малое предприятие по производству соевого и подсолнечного масла), с. Рыздвянское Ставропольского края,
- ОАО "Маслодел", с. Новоалександровское Ставропольского края,
- ОАО "Хлебопродукт", г. Армавир Краснодарского края,
- ОАО "Изобильненский элеватор", г. Изобильный Ставропольского края,
ОАО "Рыздвянский комбикормовый завод", с. Рыздвянское Ставропольского края,
- ОАО "Новоалександровский элеватор", с. Новоалександровское Ставропольского края,
- ОАО "Лабинский масложиркомбинат", г. Лабинск Краснодарского края.
Нории на все эти предприятия поставлялись Прокопьевским заводом продовольственного машиностроения и Курским опытным заводом Спецэлеватор мельмаш. Исключение составляет Рыздвянский комбикормовый завод, полностью оборудованный Дрезденской фирмой Gebrude Buhler.
Наряду с чисто механическими неполадками, подробно рассмотренными в главе 1, нередки случаи работы норий с явной недогрузкой, связанной либо с неполнотой захвата транспортируемого материала, либо с транспортировкой легковесного материала (то есть продукта, имеющего малую плотность). В этих случаях энергетический показатель (r] cos р) приводного асинхронного двигателя будет существенно (иногда до 1,5-2 раз) ниже, чем при нормальном режиме работы, что существенно отражается на экономических показателях работы норий /55/.
Из сказанного следует, что с целью увеличения надежности работ, с одной стороны, и повышения энергетических показателей электропривода - с другой, приводной асинхронный двигатель нории должен быть выполнен с переменной мощностью, чтобы каждому существенному изменению нагрузки соответствовала своя определенная мощность двигателя. Естественно, что при этом мощность двигателя должна быть переменной либо ступенчато, либо плавнорегулируемо, ( что представляет собой предмет серьезных самостоятельных исследований.
Обобщая проведенные исследования, все поломки, далеко не оптимальные режимы работы и аварии на нориях можно классифицировать следующим образом /87/:
- явные недогрузки и перегрузки двигателя, % 19,6
- обрыв ленты или корцов, % 15,6
- попадание инородных предметов, % 13,7
- несрабатывание РКС, % 13,6
- перегрузка башмака, % 11,7
- снижение уровня смазки, % 9,8
- перекос барабана, % 9,7
- неправильное включение по вине персонала, % 3,9 Анализ вышеперечисленных данных, обобщающих режим работы нории,
показывает, что наибольшие возможности в обеспечении безаварийной работы подобных машин заложены в совершенствовании их электроприводов так, чтобы при широком варьировании нагрузки соответственно изменялась бы мощность приводного асинхронного двигателя.
Цель работы. Целью диссертационной работы является совершенствование электропривода вертикальных установок непрерывного транспорта — норий на основе применения регулируемых асинхронных двигателей (АД).
Диссертационная работа направлена на совершенствование работы верти-кальных конвейеров в технологическом процессе переработки зерна, повышение надежности их функционирования за счет использования наиболее эффективных методов исследования и разработки более точных методов их расчета.
Предметом исследования является электропривод вертикального ленточного конвейера - нории.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
- выведена зависимость момента сопротивления на валу приводного дви гателя от параметров конвейера и угловой скорости;
обоснована целесообразность и показана перспективность построения электропривода нории на базе регулируемого АД;
- разработана методика инженерного расчета регулируемого АД при двухступенчатом регулировании;
- построена математическая модель электропривода нории на базе двух
ступенчатого регулируемого АД.
Методы исследования. В теоретических исследованиях автором использованы теория электромагнитного поля и теория обобщенного электромеханического преобразователя энергии, аппарат матричного анализа электрических машин. Поставленные задачи решены аналитическими методами с использованием, в целесообразных случаях, метода планирования эксперимента. Для математического анализа использованы современные программные продукты MathCad, MathLab.
Научная новизна. В работе построен математический аппарат и разработаны методы теоретического и экспериментального исследования электропривода вертикальных установок непрерывного транспорта (ВУНТ) - норий на основе регулируемых АД, а именно:
- обоснована целесообразность построения электропривода ступенчато регулируемой мощности для нории; - получена зависимость момента сопротивления от параметров Конвойной установки и угловой скорости;
- разработаны теоретические положения по расчету и проектированию электропривода ВУНТ на основе регулируемого АД;
- на основе математической модели АД построена математическая модель нории;
- получены функциональные связи характеристик электропривода нории от параметров регулируемого АД.
{ Практическая ценность. Работа ставит своей основной задачей повысить
надежность, экономичность и эффективность работы норий. В связи с этим в работе решены следующие практические вопросы:
- выполнен анализ типовых нагрузок норий и предложены пути уменьшения аварийности их работы;
- выполнен анализ моментов сил, действующих в нориях, и выведена зави симость момента сил сопротивления от параметров нории и угловой скорости;
- выполнен энергетический анализ действующих норий и выявлены пути повышения энергетического показателя (г cos ср) действующих норий;
- разработан принципиально новый электропривод для ВУНТ на основе регулируемого АД;
- даны рекомендации по рациональному построению схемы переключений мощности регулируемых АД для норий.
Реализация результатов работы. Даны рекомендации использовать ре зультаты работы на ОАО «Хлебопродукт» (г. Армавир Краснодарского края).
Имеется акт о внедрении результатов работы в производство. Результаты и теоретические положения работы используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Электрические машины» студентами специальности 181300 Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учрежде ний Армавирского механико-технологического института (имеется акт о внедре нии в учебный процесс). Автор защищает:
- научное обоснование целесообразности перевода норий на электропривод регулируемой мощности;
- математическую зависимость момента сопротивления от параметров нории и угловой скорости;
- методологию построения электропривода ВУНТ на основе регулируемого АД;
- электромагнитные, электромеханические и энергетические соотношения в регулируемом АД для привода норий;
- функциональные связи между параметрами нории и параметрами регулируемого АД.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
- Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прочности в промышленности и строительстве. Механические испытания технических систем и гарантия безопасности в среде обитания человека», посвященной 40-летию учебной и научной деятельности АМТИ (филиала) КубГТУ, г. Армавир, 2000 г.;
- Межвузовской научно-практической конференции АЦВО КубГТУ «Современные инновационные технологии как одно из условий совершенствования науки, производства и образования», г. Армавир, 200) г.;
- первой Международной научно-практической конференции «Эффективные энергетические системы и новые технологии», г. Казань, 2001 г.;
- второй Межвузовской научно-методической конференции «Электромеханические преобразователи энергии - 03», г. Краснодар, 2003 г.;
- третьей Межвузовской научно-методической конференции «Электромеханические преобразователи энергии - 04», г. Краснодар, 2004 г;
- расширенное заседание кафедры ВЭА АМТИ кафедры электротехники КубГТУ, г.г. Армавир - Краснодар, 2004 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 148 наименований, 5 приложений. Общий объем 129 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков, 7 таблиц и 11 страниц приложения.
В первой главе диссертационной работы приведен обзор конструкций норий. Выполнен анализ используемых конвейеров отечественного и зарубежного производства. Рассмотрены схемы исполнения и компоновка норий. Значительное место уделено рассмотрению существующих методов расчета вертикальных конвейеров. В заключении главы поставлены задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке методики расчета механической части нории. Произведен детальный анализ работы всех узлов нории. Разработана методика расчета момента сопротивления. Получено аналитическое выражение зависимости момента сопротивления от параметров механической части нории и скорости вращения приводного барабана.
Третья глава посвящена теоретической разработке регулируемого асинхронного двигателя. Обоснована целесообразность применения регулируемого АД для привода норий. Обоснованы энергетические соотношения в регулируемых АД.
Четвертая глава посвящена построению математической модели электропривода норий с использованием регулируемого АД на основе обобщенной теории электромеханического преобразователя энергии.
В пятой главе приводятся результаты реализации математической модели электропривода нории.
В заключении работы приводятся основные выводы и рекомендации по выполненной работе.
Обзор конструкций современных вертикальных ленточных конвейеров
Ленточной норией называют устройство непрерывного действия, предназначенное для вертикального перемещения сыпучих грузов (зерно, мука, крупа, комбикорма и др.) в элеваторах, механизированных башнях, мельницах крупяных и комбикормовых заводов /135/.
Нории различают /145/: а) по типу тягового органа — ленточные и цепные; б) по назначению - зерновые, мучные и для кукурузы в початках; в) по конструкции - одинарные и двойные; г) по характеру разгрузки продукта из ковшей: - с центробежно-гравитационной разгрузкой типа НЦГ (скорость ленты 1,0 -1,8 м/с) - для зерна и мучнистых продуктов на мукомольных и комбикормовых предприятиях и семеочистительных станциях /44/; - с центробежной разгрузкой типа НЦ -1 (скорость ленты 2,2 -3,6 м/с) - для зерна на элеваторах, сушильно-очистительных башнях, хлебоприемных предприятиях и для комбикормов на комбикормовых заводах; - с центробежной разгрузкой типа НЦ - II (скорость ленты 3,8 - 4,0 м/с) -для зерна влажностью до 17 % на элеваторах.
Распространению норий способствовал ряд достоинств /95/: простота конструкции, малые габариты, возможность подачи груза на большую высоту (50-70 м), большой диапазон производительности (до 700 м3/ч). К недостаткам норий, кроме приведенных во Введении, можно, в частности, отнести чувствительность к перегрузке и необходимость равномерной подачи материала.
Головка нории 5 состоит из кожуха, барабана с валом и подшипниками /15, 44, 84, 95, 104/. Вращение барабана осуществляется от электродвигателя 9 через редуктор 7 и муфту 8. Кожух изготавливают из листовой стали.
Рисунок 1.1 - Вертикальный ленточный конвейер (нория) Груз отводится из головки нории через выпускной патрубок 10. Вал барабана головки опирается на сферические двухрядные шарикоподшипники с затяжными втулками. Для предупреждения обратного хода ленты и завала башмака при внезапном прекращении подачи электроэнергии нории снабжаются храповым тормозом. Для уменьшения боя зерна, износа, предохранения от возможного искрения при по падании металлических предметов верхнюю стенку головки обкладывают изнутри резиной.
Башмак нории 1 состоит из кожуха, барабана с валом, задвижек в приемных носках и устройства для натяжения норийной ленты. Изготавливают кожух из листовой стали. К двум фланцам присоединяют норийные трубы, а к специальному отверстию - аспирационные трубы. Приемные носки снабжены задвижками с ручным реечньтм механизмом и храповым механизмом для закрепления задвижки в заданном положении. Ось барабана башмака вращается в шарикоподшипниках, которые можно перемещать и таким образом натягивать норийную ленту.
Рабочим органом нории являются ковши 4, прикрепленные болтами к тяговому органу 3. В качестве тягового органа в нориях применяют текстильные прорезиненные ленты. Трубы соединяют башмак и головку нории. Они имеют прямоугольное сечение. Внутри норийных труб проходит лента с ковшами. В трубах устроены смотровые люки для наблюдения за работой нории и люк для стяжки и сшивки ленты, а также для смены ковшей. При движении тягового органа /95/ укрепленные на нем ковши зачерпывают продукт из башмака нории и транспортируют его к головке, где зерно высыпается из ковша и поступает в разгрузочное отверстие, откуда подается по назначению. Сыпучий груз в норию можно подавать через питающие носки или непосредственно из кучи. ГОСТ 10190-70 на нории ленточные ковшовые для зерна и муки предусматривает три типа стационарных норий /135/, технические характеристики которых приведены в таблице 1.1: Таблица 1.1 - Техническая характеристика норий Показатели Тип нории НЦГ НЦ-І нц-п Производительность, т/ч: по зерну (у = 0,75 т/м5)апо муке (у = 0,5 т/м ) 5 3 107 204 50 100 175 250 350 500 100 175 Высота, м (не более) 30 30 30 40 60 60 60 60 60 60 60 Диаметр барабана, мм: головки башмака 300 300 400 400 500 500 630 630 750 750 1160 800 1320 1600 800 2000 630 630 900 630 Ширина ленты, мм 125 150 175 200 300 450 600 800 1100 250 350 Ширина барабанов, мм 150 175 200 220 320 470 - 850 - 300 400 Скорость движения ленты, м/с для зерна для муки 1,21,0 1,4 1,2 1,81,4 2,2 2,4 2,5 2,9 3,2 3,6 3,9 4,0 Шаг ковшей, мм 210 280 280 160 180 210 210 320 320 180 220 Ориентировочный вес вращающихся деталей головки, кг 70 90 200 300 450 850 - 1500 - 350 600 - НЦГ — с центробежно-гравитационной разгрузкой со скоростью ленты от 1,2 до 1,8 м/с (для зерна) и от 1,0 до 1,4 м/с (для муки и мучнистых продуктов); - НЦ-І - с центробежной разгрузкой со скоростью ленты от 2,2 до 3,6 м/с (для зерна влажностью свыше 17 % и комбикормов); - НЦ-П - с центробежной разгрузкой со скоростью ленты от 3,9 до 4,0 м/с (для зерна влажностью до 17 %). Рассмотрим более подробно конструктивные особенности нории.
Головка нории производительностью 50 и 100 т/ч имеет литую чугунную станину; для головки меньшей производительности, как правило, станину изготавливают на месте во время монтажа /135/. Барабан закрыт кожухом, в котором предусмотрен разгрузочный патрубок и смотровой люк. В патрубке предусмотрен резиновый или обрезиненный козырек, который выдвинут к ковшам, что уменьшает обратную сыпь продукта. Обрыв приводного ремня или внезапное прекращение подачи электроэнергии может вызвать завал башмака, так как лента с загруженными ковшами под тяжестью продукта начинает двигаться в обратном направлении. Чтобы не допустить этого, на валу барабана устанавливают специальное тормозное устройство, называемое остановом. Норию производительностью 50 т/ч и более при высоте свыше 20 м снабжают храповым или роликовым остановом, а нории производительностью менее 50 т/ч останова не имеют. В головке установлен также привод нории. Движение от электродвигателя на вал приводного барабана нории передается через редуктор, который уменьшает частоту вращения вала электродвигателя до 34 -70 об/мин.
Анализ работы вертикальной установки непрерывного транспорта - нории
Создание ленточных конвейеров, обладающих высокими технико-экономическими показателями, возможно только на базе глубоких исследований и уточненных методов расчета основных параметров конвейера.
Как видно из приведенного в главе 1 расчета, при определении усилий в ленточном конвейере не учитываются внутренние возмущения. Как показал анализ работ по данной тематике, такие расчеты проводились для конвейеров, применяемых в горном производстве /18, 75, 111, 116, 117, 118, 119, 138/. Однако горные конвейеры бывают, как правило, горизонтальные, наклонные, реже - крутонаклонные (угол наклона к горизонту 75). Кроме того, горные конвейеры выполняются цепными. Ленточные горные конвейеры являются, как правило, скребковыми, что накладывает свои требования на методику их расчета. Вертикальные ленточные конвейеры, а именно нории, никогда ранее не подвергались такому расчету. Поэтому перед нами ставится задача определить силы, действующие при эксплуатации норий, и рассчитать все внутренние возмущения в ленте и электроприводе вертикального конвейера.
Проведенные теоретические исследования обнаружили недостаточную обоснованность применяемых в тяговых расчетах значений общих коэффициентов сопротивления движению. Значения этих коэффициентов берутся из справочной литературы в зависимости от типа нории и ее производительности. При этом нагрузка, то есть момент сопротивления, принимается постоянной величиной, что не позволяет рассмотреть динамику электропривода. Представляется необходимым рассмотреть все моменты и силы, действующие в вертикальных установках непрерывного транспорта — нориях, которые способны значительно изменить величину сопротивления движению. Необходим детальный учет отдельных видов сопротивления движению на грузовой и холостой ветвях.
Для оценки влияния степени загрузки конвейера и угловой скорости вращения приводного барабана, для построения функциональных зависимостей и определения связей между различными физическими параметрами конвейера, в дальнейшем будем производить расчет для нории НЦТ-50 со следующими техническими характеристиками: - производительность Q = 50 т/ч, - высота L = 40 м, - скорость движения ленты и = 2 м/с, - число оборотов барабана в минуту ю2 = 63 об/мин, - приводной двигатель АО 62/4, - мощность АД 10 кВт, - число оборотов ротора в минуту 1460, - напряжение сети 220 /380В, - сопряжение фаз Д / Y, - КПД 0,875, -cos(p = 0,88.
Для разработки методики расчета рассмотрим все узлы и главные точки приложения сил и моментов в нориях. Норийная лента как тяговый и грузонесущий орган нории Лента конвейера /98/ выполняет функции грузонесущего и тягового органа. Обладая конечной жесткостью, как в продольном, так и в поперечном сечениях, она при движении деформируется. Лента является несовершенным упругим телом - это связано с потерями энергии при ее деформации, которая эквивалентна действию определенной силы силы сопротивления движению от деформирования ленты. Эта сила зависит от следующих факторов: - натяжения ленты; - погонной нагрузки на нее; - скорости движения ленты; - жесткостей ленты в продольном и поперечном сечениях.
Расчетная схема конвейера, приведенная на рисунке 2.1, представляется системой из двух реальных барабанов, связанных между собой лентой. Лента -гибкий тяговый элемент, образующий замкнутый контур и совершающий круговое движение под действием тяговой силы. В нашем случае, контур состоит из двух параллельных участков (грузовой и порожняковой ветвей) и двух концевых пунктов (барабанов), из которых один является приводным (верхний), а другой - натяжным (нижний).
Обоснование целесообразности регулирования АД электропривода норий
Как известно, регулирование АД возможно как со стороны статора (изменением величины питающего напряжения JJ{ = var, изменением частоты питающей сети/j = var и изменением числа полюсов обмотки статора 2р = var), так и со стороны ротора (изменением активного сопротивления i?2 var и введением в цепь ротора добавочной ЭДС, имеющей ту же частоту, что и основная ЭДС ротора).
В случае электропривода вертикальных установок непрерывного транспорта следует отметить, что скорость движения конвейера не нуждается в плавном регулировании. Изменение нагрузки происходит, как правило, скачкообразно. При этом, как указывалось выше, наблюдаются как явные недогрузки, так и недопустимые перегрузки. В связи с этим встает вопрос о необходимости регулирования АД, пусть даже ступенчато, то есть о разработке регулируемого асинхронного двигателя, позволяющего регулировать потери мощности /85, 86, 100/.
В некотором роде, хотя и отдаленно, прообразом данного метода регулирования асинхронных двигателей являются серийно выпускаемые в России двух-скоростные (например, крановые) асинхронные двигатели, мощность которых при переключении скоростей изменяется от 2 до 10 и более раз. Так, двухскоро-стной крановый асинхронный двигатель типа MTKF 412 4/24 с числом полюсов 4 и 24 имеет мощность соответственно 15 и 1,5 кВт, то есть при изменении частоты вращения (числа пар полюсов) в 6 раз мощность изменяется в 10 раз.
Однако такое техническое решение, хорошо реализуя принцип многократного изменения частоты вращения, лишь косвенно решает вопрос экономии электроэнергии при значительных колебаниях нагрузки, что неизбежно имеет место в практике эксплуатации различного рода установок непрерывного транс порта, объединяющих всевозможного типа нории и другие механизмы вертикального и крутонаклонного транспорта. В то же время, практика эксплуатации норий показывает, что колебание нагрузки не является единичным явлением.
Поэтому с целью экономии электроэнергии в настоящей работе принят вариант одно скоростного электропривода ступенчато-регулируемой мощности. При этом переключение регулируемого АД может осуществляться либо вручную, либо автоматически, например, в функции натяжения ленты нории, величины тока статора, момента на валу и т. д. Вопросы автоматизированного управления в данной работе не рассматриваются.
Анализ работы всех вертикальных установок непрерывного транспорта показывает, что нередки случаи их работы с явной недогрузкой, связанной либо с неполнотой захвата транспортируемого материала, либо с недостаточной скоростью подачи материала в башмак нории, либо с транспортировкой более легковесного материала. Приводной асинхронный двигатель при этом работает с явной недогрузкой, что существенно отражается на энергетическом показателе r} cos р. Так асинхронный двигатель типа АО 62/6 мощностью 7 кВт, применяемый в электроприводе нории типа НЦТ-50 производительностью 50 т/ч при высоте подъема 10 м, имеет номинальный энергетический показатель rjN cos (pN 0,86 0,81 = 0,70. При недогузке на 30 % этот показатель составляет всего лишь r}Q7 cos poj = 0,84 0,75 = 0,63, что на 10 % ниже номинального значения, а при недогрузке на 50 % этот показатель снижается до r}0j cos poj = 0,77 0,70 = 0,54, то есть на 23 %. Ясно, что с уменьшением нагрузки на валу ниже номинального значения, эффективность работы асинхронного электропривода существенно снижается и при определенных значениях этой уменьшенной нагрузки эксплуатация нории становится проблематичной.
В целях обеспечения большей конкретизации в вопросах изучения и совершенствования электропривода современных норий в настоящей работе вы полнены расчеты асинхронных двигателей, используемых для привода различных норий. Основные энергетические данные в диапазоне изменения нагрузки (0,3 1,0) PN) где PN - номинальная мощность двигателя, приведены в таблице 3.1. Здесь энергетический показатель rji cos щ рассчитан для различных уровней нагрузок, характеризуемых коэффициентом нагрузки Киг - Pi / PN двигателя. При этом заданы значения Кнг = 1,0; 0,8; 0,6; 0,4; 0,2.
Нелинейный, а именно, вогнутый, характер полученных зависимостей Р (Кнг) на рисунке 3.2 подтверждает явную неэкономичность работы недогруженных электроприводов норий. Подобные недогрузки являются, как отмечалось выше, типичными для электропривода норий, что делает актуальными решения, направленные на повышение экономической эффективности их работы.
Одно из таких технических решений, предложенное профессором Гайтовым Б.Х. /27/ применительно к электроприводу грузоподъемных установок, использовано в данной диссертационной работе. Оно основано на известной «замечательной» возможности переключать многофазные системы по схемам либо «многофазная звезда», либо «многофазный треугольник». В частном случае для трехфазной системы это - схемы «звезда» и «треугольник», используемые в настоящее время в зависимости от уровня питающего напряжения, соответственно 380 и 220 В. При этом, как известно, фазное напряжение и мощность такого трехфазного потребителя неизменны /85, 86, 100/.
Будучи весьма эффективным и единственно возможным на заре развития электроэнергетики (конец XIX и большая часть XX веков), этот способ ориентации трехфазных установок (источников и потребителей) электрической энергии потерял всякий смысл уже в конце XX века, то есть с момента практически полного исчезновения электрических сетей напряжением 220 В.
С другой стороны, при современном состоянии выпуска трехфазных электроустановок, в том числе и электрических машин напряжением 380 / 220 В при фазном напряжении 220 В, практически полностью отпадает необходимость в использовании схемы соединения «треугольник», так как в последнем случае фазное напряжение 380 В является недопустимым.
Решением вопроса является разработка трехфазных электроустановок, рассчитанных на фазное напряжение 380 В вместо 220 В. Тогда включением всех трехфазных потребителей по схеме «треугольник» обеспечивается их номинальный режим работы, а переключением обмотки по схеме «звезда» достигается уменьшение фазного напряжения до 220 В, Мощность трехфазных потребителей, в данном случае - приводных асинхронных двигателей норий, уменьшается.
Общие сведения по математическому моделированию асинхронных двигателей
Математическое моделирование в сочетании с вычислительным экспериментом, позволяющим получить полное представление об исследуемом объекте, особенно эффективно для изучения и оптимизации сложных многопараметрических линейных процессов, исследование которых традиционными способами затруднено или невозможно вообще /49,68/.
К подобным объектам, в первую очередь, относятся асинхронные двигатели (АД) и электроприводы, что определяет обоснованность и целесообразность применения одного из эффективных методов математического моделирования в сочетании с методом планирования эксперимента, позволяющим получить пакет характеристик машин, а также зависимость этих характеристик от различных факторов при их одиночном и совместном воздействии.
Современная традиционная электромеханика имеет в своем арсенале ряд апробированных и достаточно точных методов исследования переходных процессов электрических машин (ЭМ). Практически все известные исследования переходных процессов ЭМ основаны на использовании комбинированного метода, у истоков которого стоял Габриэл Крон, США /57/, а в нашей стране - И.П. Копылов.
В настоящей работе объектом исследования являются обычные серийно выпускаемые асинхронные двигатели (АД), которые имеют одну степень свободы и постоянные параметры. Поэтому ставится задача рационально использовать теорию обобщенных электрических машин для исследования их переходных процессов при изменении нагрузки на валу и величины питающего напряжения U,j, = 380 В (при соединении обмоток статора в «треугольник») и \]ф = 220 В (при схеме «звезда»).
Следует иметь в виду, что правильный выбор системы координат определяет сложность получаемых дифференциальных уравнений, а, следовательно, трудоемкость их решений и точность получаемых результатов.
Необходимо отметить, что при работе АД при фазном напряжении 380 В (схема соединения обмотки статора «треугольник») и при фазном напряжении 220 В (схема «звезда») различие в математическом описании этих двух режимов работы будет заключаться лишь в величине фазного напряжения АД (380 или 220 В), стоящего в левой части системы дифференциальных уравнений. Правые части системы будут отличаться лишь величиной фазных токов. Аналогично обстоит дело с токами статора и ротора в уравнениях электромагнитного момента АД при вышеуказанных схемах соединения обмотки статора.
Следует заметить, что ток ротора при переключении обмотки статора со «звезды» на «треугольник» (при одной и той же нагрузке на валу) увеличится практически в три раза из-за уменьшения напряжения. МАВ = МАС =МАа = МАЪ = МАс = Мвс = МВА = МВа = Мвь = МВс = МСА = Мсв = МСа = МСъ = МСс = МаА - МаВ = МаС - МаЪ = Мас = МЪА = Мьв = Мъс = Mba = Mhc = МСА — МсВ = МсС = Мса = Мсь = М - взаимные индуктивности между всеми возможными параметрами обмоток статора и ротора (все они приняты равными между собой в пределах допустимой погрешности согласно теории обобщенной электрической машины). Следует отметить, что в непреобразованных (естественных) координатах, согласно рисунку 4.1, индуктивности L и взаимоиндуктивности М в потокосцеп-лениях (4.4) представляют собой периодические коэффициенты, изменяющиеся по гармоническому закону при вращении ротора машины. Это сказывается таким образом, что после подстановки выражений результирующих потокосцеплений в уравнения (4.2), (4.3) последние имеют громоздкие решения с несколькими десятками членов, содержащих периодические коэффициенты.
