Влияние начальных условий на динамику самозапуска и ресинхронизации привода мельниц с упругой связью

Включение питающего напряжения синхронного двигателя после кратковременного перерыва в произвольный момент времени обуславливает переходные процессы, которые определяются параметрами электромеханической системы и ее начальными условиями на момент включения. Известно, что за время перерыва питания напряжение на зажимах статора снижается постепенно и в момент повторного включения его фаза не обязательно совпадает с фазой остаточной ЭДС двигателя, что вызывает перенапряжение на обмотке статора. В режиме самозапуска - при возобновлении питающего напряжения - на уровень динамических нагрузок элементов электромеханической системы существенно влияет начальный средний момент двигателя. Без применения специальных защитных средств этот режим обуславливает дополнительные энергетические затраты, значительные динамические нагрузки, износ и сокращение срока службы зубчатых элементов привода, перегрев и ускоренное старение изоляции обмоток. упругий синхронный двигатель статор

Цель работы - исследование влияния на коэффициент динамичности упругого момента системы СД-мельница начальных угловых положений и скоростей вращающихся масс при повторном появлении напряжения питания на зажимах статора после кратковременного перерыва.

Материал и результаты исследований. При оценке влияния на коэффициент динамичности упругой связи асинхронного АВР учитываем, что в момент повторного включения питающего напряжения на него оказывают влияние начальные угловые положения и скорости вращающихся элементов электромеханической системы.

Для исследований использована математическая модель двухмассовой системы синхронный двигатель-мельница с упругой и диссипативной связями в составе мельницы мокрого самоизмельчения ММС-90х30 и ее приводного двигателя СДМЗ-2-24-59-80УХЛ4. Принятая продолжительность перерыва в питании двигателя - 2 с. Изучался коэффициент динамичности упругого момента в момент самозапуска при начальном угловом положении ротора в пределах 2р/9…р/2 эл. рад с шагом изменения р/36. Результаты исследований приведены на рис. 1.

Видно, что для выбранной продолжительности перерыва питания (2 с) влияние начального углового положения ротора на максимум упругого момента мало. Установлено, что основной фактор, определяющий максимум упругого момента - средний асинхронный момент двигателя в начальный момент восстановления напряжения питания, который в области скольжений, близких к критическому, значительно больше амплитуды синхронной составляющей момента от явнополюсности двигателя.

Рисунок 1. Влияние начального углового положения ротора на максимум упругого момента при самозапуске: 1 - наибольшие значения упругого момента; 2 - относительная (в долях от синхронной) начальная скорость двигателя в момент самозапуска

Наибольшее значение максимума упругого момента равно 2,73 о.е. при угловом положении ротора около 7р/18 эл. рад. При этом коэффициент динамичности для упругого момента достигает уровня 2,73/0,75=3,64 (здесь 0,75 - относительный момент статической нагрузки).

При оценке влияния продолжительности перерыва в питании на первый максимум упругого момента в момент самозапуска время перерыва изменяли с шагом 0,25 с в пределах 1…3 с (рис. 2), причем повторное включение двигателя осуществлялось при начальном угловом положении ротора 7р/18 эл. рад.

Видно, что увеличение продолжительности перерыва в питании приводит практически к пропорциональному росту начального скольжения в момент самозапуска (зависимости 9 на рис. 2), а в определенных пределах - и упругого момента. Фактически время 2 с перерыва питания соответствует достижению двигателем области критического скольжения и максимуму упругого момента при повторном включении за счет увеличения средней составляющей асинхронного момента.

Особенности динамики самозапуска привода, с учетом выбранного начального угла ротора 7р/18 эл. рад и продолжительности перерыва в питании 2 с приведены на рис. 3.

Рисунок 2. Влияние длительности перерыва питания на максимум упругого момента при самозапуске: 1-8 - упругие моменты при изменении времени повторного включения питания; 9 - скорость двигателя

Рисунок 3. Динамика самозапуска при продолжительности перерыва питания 2 с и начальном угле ротора 7р/18 эл. рад: 1 - упругий момент; 2 - скорость двигателя; 3 - напряжение возбуждения; 4 - напряжение статора

Видно, что при исчезновении напряжения (зависимость 4) начинается свободный выбег двигателя (без добавочного сопротивления в цепи возбуждения). При этом двигатель еще развивает электромагнитный момент из-за того, что масляный выключатель не успел отключить статор от вторичной обмотки питающего трансформатора. При срабатывании масляного выключателя и контактора в цепи обмотки возбуждения, в ее цепь вводится разрядное сопротивление до момента подачи напряжения возбуждения (в момент ресинхронизации) после достижения двигателем скольжения 0,05 (зависимость 3). Упругий момент (зависимость 1) при подаче питания на статор достигает уровня 2,73 в долях статического момента (равного 0,75). Такому упругому моменту соответствует коэффициент динамичности 3,63. В момент вхождения в синхронизм упругий момент еще выше, а коэффициент динамичности достигает 4. При этом упругий момент знакопеременный. Таким образом, самозапуск синхронного двигателя, при использовании несинхронного АВР, при неблагоприятных условиях приводит к значительным динамическим нагрузкам элементов электромеханической системы. Особенно опасны в период ресинхронизации знакопеременные изменения упругого момента с размыканием зазоров, способные привести к поломке зубьев открытого зубчатого зацепления.

Среди способов снижения динамических нагрузок ресинхронизации - обеспечение условий для подачи напряжения возбуждения при возможно низких начальных скольжениях двигателя [1]. Этот способ повышает надежность повторного вхождения в синхронизм при одновременном снижении динамики упругого момента (рис. 4).

Рисунок 4. Динамика самозапуска при продолжительности перерыва питания 2 с, начальном угле ротора 7р/18 эл. рад и задержкой подачи напряжения возбуждения до достижения скольжением уровня 0,005: 1 - упругий момент; 2 - скорость двигателя; 3 - напряжение возбуждения; 4 - напряжение на обмотке статора

Вместе с тем, положительный эффект от использования этого способа проявляется лишь при достижении очень малых скольжений на момент подачи напряжения возбуждения (в примере рис. 4 это скольжение принято равным 0,005). На первый пик упругого момента этот способ влияния не оказывает и коэффициент динамичности для упругого момента остается равным 3,63.

Выполненный анализ динамики самозапуска исследуемого привода мельницы позволил сделать вывод, что, при изменениях начального угла ротора (см. рис. 1) в указанных пределах и принятой продолжительности перерыва питания, способ (асинхронный или синхронный) включения резервного питания существенного влияния на коэффициент динамичности упругого момента не оказывает. Сказанное подтверждается незначительным провалом наибольших значений упругого момента на рис. 1, что свидетельствует о том, что на момент повторной подачи напряжения на обмотку статора ток обмотки возбуждения уже снизился практически до нулевого уровня, то есть, гашение поля практически завершилось (см. рис. 4).

Некоторые изменения наибольшего значения упругого момента связаны с моментом от явнополюсности двигателя. В подтверждение вывода, результаты самозапуска после более кратковременного перерыва питания продолжительностью 0,6 с при начальном угловом положении ротора р/2 эл. рад (синхронное АВР) приведены на рис. 5.

Рисунок 5. Динамика самозапуска при продолжительности перерыва питания 0,6 с, начальном угле ротора р/2 эл. рад и задержке подачи напряжения возбуждения: 1 - электромагнитный момент; 2 - скорость двигателя; 3 - напряжение возбуждения; 4 - напряжение питания обмотки статора

Видно, что за время перерыва питания скольжение двигателя увеличилось до 0,094, наибольший упругий момент снизился до 2,67 о.е. (коэффициент динамичности 3,57) вместо 2,73 о.е. при асинхронном АВР (коэффициент динамичности 3,64).

Из рис. 5 также видно, что причиной некоторого снижения коэффициента динамичности является именно использование синхронного АВР. Вместе с тем следует отметить, что из-за нестабильности времени срабатывания масляного выключателя обеспечить надежное синхронное включение АВР весьма проблематично.

Программное формирование электромагнитного момента. Известные устройства обеспечения ресинхронизации никак не учитывают уровень динамических нагрузок элементов привода. Более перспективно использование метода компенсации переменной и повышения средней составляющей электромагнитного момента с непрямым программным формированием упругого момента. При использовании этого алгоритма динамика ресинхронизации определяется скольжением и электромагнитными переходными процессами в обмотках двигателя. В начальный момент самозапуска имеет место скачок электромагнитного и упругого моментов. Причем их уровень определяется начальным электромагнитным моментом. Следовательно, формированием электромагнитного момента по определенному закону можно снизить коэффициент динамичности упругого момента.

С учетом особенностей самозапуска и повторной ресинхронизации для выбора задания на программное формирование упругого момента и решения обратной задачи динамики сначала необходимо определить характер движения электромеханической системы при произвольном электромагнитном моменте.

В результате преобразований традиционной системы уравнений, описывающей двухмассовую электромеханическую систему с открытым зубчатым зацеплением, упругой и диссипативной связями получено дифференциальное уравнение:

(1)

где , - упругий и электромагнитный моменты; , - углы поворота двигателя и шестерни; - неприведенный момент статической нагрузки мельницы; , - постоянные времени двигателя и мельницы; - жесткость упругой муфты; - коэффициент вязкого трения; - передаточное число зубчатого зацепления (введено для учета его нестабильности); - угловая скорость вращения шестерни.

Для практического использования метода программного формирования упругого момента следует выбрать желаемый характер его изменения во времени. При этом, в начальный момент желаемый и фактический упругие моменты должны быть равными, т.е.:

Для эффективного снижения динамических нагрузок желаемый характер изменения упругого момента принято в виде временной функции

где - необходимый установившийся упругий момент; , - постоянные времени, определяющие характер изменения упругого момента от начального уровня до установившегося ; , - коэффициенты.

С учетом начальных условий и принятого характера желаемого упругого момента, после преобразований (1) получено выражение для желаемого электромагнитного момента в виде:

Для определения момента статической нагрузки использован его наблюдатель вида:

где - текущая скорость шестерни; - скорость на предыдущем шаге вычислений; - шаг вычислений.

Углы поворота определяются при помощи импульсных датчиков, а коэффициенты , и - экспериментально.

Рисунок 6 - Динамика самозапуска при программной компенсации переменной составляющей электромагнитного момента и продолжительности перерыва питания 2 с, начальном угле ротора 7р/18 эл. рад и коэффициенте форсирования 4: 1 - электромагнитный момент; 2 - скорость двигателя; 3 - напряжение на обмотке возбуждения; 4 - напряжение на обмотке статора

Программное формирование электромагнитного момента при ресинхронизации снижает коэффициент динамичности упругого момента, исключает перемену его знака (рис. 6, время перерыва питания 2 с, начальный угол ротора 7р/18, коэффициент форсирования напряжения возбудителя 4). Однако для снижения первого скачка упругого момента использование этого алгоритма малоэффективно. Для решения проблемы его снижения в момент самозапуска следует создать условия для снижения напряжение на обмотке статора двигателя, например, при помощи введения реактора с повышенным сопротивлением.

Выводы

1. Наибольшие динамические нагрузки в электромеханической системе с синхронным двигателем и упругой связью возникают в режимах самозапуска и повторной ресинхронизации. Эти нагрузки, особенно при периодическом изменении знака упругого момента, опасны для зубчатых элементов открытого зацепления и они при неблагоприятных условиях могут быть разрушены. К тому же в момент подачи резервного напряжения питания имеют место значительные броски тока статора, обуславливающие высокий уровень электродинамических усилий в обмотках двигателя, дополнительный перегрев и старение их изоляции. В связи с этим задача определения условий, при которых уровень механических нагрузок элементов электромеханической системы не будет превышать моментов статической пусковой характеристики, актуальна.

2. Установлено, что в процессе самозапуска и повторной ресинхронизации снизить уровень динамических нагрузок упругой связи можно созданием на валу двигателя дополнительной составляющей вращающего момента. Теоретически исследованы динамические свойства двухмассовой системы с упругой связью и установлено выражение для требуемого электромагнитного момента в зависимости от желаемого изменения упругого момента, начальных углов и скоростей двигателя и ведущей шестерни. При этом учитывается нестабильность передаточного числа открытого зубатого зацепления и момента статической нагрузки мельницы.

3. Установлено, что в режиме самозапуска наибольшие нагрузки привода возникают при начальном угле ротора 7р/18 эл. рад и перерыве в питании 2 с. Показано, что при асинхронном АВР коэффициент динамичности упругого момента достигает 3,64 при самозапуске и 4 - при ресинхронизации. Использование синхронного АВР неэффективно из-за практически полного гашения поля за время перерыва в питании и трудностей практической реализации.

4. При исследовании программной компенсации переменной составляющей электромагнитного момента установлено, что метод эффективен при ресинхронизации, а для снижения первого максимума упругого момента напряжение на двигателе в момент восстановления должно быть пониженным.