Раціональні параметри і пускові властивості синхронних двигунів з важкими умовами пуску

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет "Львівська політехніка"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Раціональні параметри і пускові властивості синхронних двигунів з важкими умовами пуску

Бородай В.А.

05.09.01 - електричні машини і апарати

Львів - 2009

Вступ

Актуальність теми. Машини дробарно-подрібнювального циклу гірничої промисловості характеризуються важкими умовами запуску. Так, для потужних щекових дробарок момент зрушення сягає 2...2,5 від номінального, що обумовлює підвищений коефіцієнт запасу встановленої потужності приводного двигуна і знижує його ККД у сталому режимі роботи. Тому для зниження встановленої потужності основного привода дробарок застосовують розгінний двигун, який використовується лише під час пуску. Відомі і труднощі запуску конусних дробарок при заклинюванні валків кусками руди при вмиканні під завалом. Проблему вирішують шляхом підвищення на 30...50% встановленої потужності привода. Для успішного запуску млинів при зниженій через високі пускові струми напрузі мережі живлення кратність пускового моменту двигуна повинна бути не нижче 1,4...1,5 для стрижневих і 1,2...1,3 для кульових млинів. Звичайно успішний запуск млинів забезпечують вибором приводного двигуна із запасом потужності в 15...25%. Для довгих стрічкових конвеєрів необхідна кратність пускового моменту повинна бути не нижче 1,4...1,5. При тривалих перервах у роботі необхідна кратність пускових моментів збільшується.

Для перерахованих потужних механізмів як приводні найчастіше використовують синхронні двигуни з прямим асинхронним пуском. Однак поряд із простотою і надійністю асинхронного пуску його характерними недоліками є значний пусковий струм (для великих млинових двигунів сягає 9 і більше) і обмежена приєднувальна маса внаслідок перенагрівання обмоток двигуна. Для усунення цих недоліків застосовують реакторний або автотрансформаторний пуск, що знижує пусковий струм, але одночасно зменшує пусковий момент. Розгін у межах перевантажувальної здатності двигуна забезпечує частотний пуск, однак це вимагає застосування розгінного перетворювача на повну потужність двигуна. Поліпшення пускових властивостей синхронних двигунів можливе шляхом збільшення моменту, створюваного обмоткою збудження, що працює в резонансному режимі за рахунок використання власної або зовнішньої ємності. При цьому коефіцієнт потужності і момент при запуску значно зростають. Для практичного використання методу запропоноване розщеплення полюсних котушок із зовнішніми конденсаторами. Це збільшує пусковий момент і ступінь використання двигуна в сталому режимі, а у деяких випадках це знижує необхідний запас встановленої потужності привода і підвищує його ККД. Однак на сьогодні метод визначення параметрів запропонованої конструкції полюсної системи і схеми її заміщення та визначення пускових властивостей такого двигуна відсутні. Таким чином, обґрунтування параметрів і визначення пускових властивостей синхронних двигунів гірничих машин з важким пуском є актуальною науковою і практичною задачею.

Наукова задача дисертаційної роботи полягає у встановлені закономірностей впливу параметрів полюсної системи розщепленої обмотки збудження з зовнішніми конденсаторами на пускові властивості синхронних двигунів з важкими умовами пуску.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до рішення експертної ради з проблем гірничих наук Міністерства освіти і науки України з пріоритетного напрямку “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”, “Нові комп'ютерні засоби і технології інформатизації суспільства” та за рішенням експертної комісії і наказами по Національній гірничій академії України №6 від 13.01.98 (науково-дослідна робота МП-58, номер держреєстрації 0198U005628), №133 від 28.12.99 (науково-дослідна робота МП-64, номер держреєстрації 0100U001831) і №197 від 26.12.2000 (науково-дослідна робота ГП-280, номер держреєстрації 0101U001545).

Мета і задачі досліджень.

Основна мета досліджень - обґрунтування раціональних параметрів розщепленої обмотки збудження із зовнішніми конденсаторами і схеми заміщення для поліпшення пускових властивостей, надійності й економічності синхронного двигуна приводів гірничих машин з важким пуском.

Для досягнення цієї мети поставлені і вирішені такі задачі:

- вибрати й обґрунтувати перспективний напрямок удосконалення синхронного двигуна;

- дослідити закономірності впливу конструкції полюсної системи на параметри розсіювання розщепленої обмотки збудження й обґрунтування раціонального методу їхнього визначення;

- дослідити й обґрунтувати закономірності збудження; взаємовпливу елементів полюсної системи на параметри схеми заміщення розщепленої обмотки

- обґрунтувати раціональні параметри і пускові властивості синхронного двигуна з розщепленою обмоткою збудження.

Об'єктом досліджень у роботі є електромагнітні й електромеханічні процеси в асинхронному режимі синхронного двигуна з використанням резонансних явищ у розщепленій обмотці збудження.

Предметом дослідження є властивості магнітної системи розщепленої обмотки збудження та її вплив на параметри і пускові властивості синхронних двигунів гірничих машин з важким пуском.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи і вирішенні поставлених завдань використані: метод побудови плоско-паралельного поля шляхом використання електропровідних середовищ - для вивчення форми магнітного поля розсіювання; методи теоретичної електротехніки - для визначення і перетворення параметрів довгих ліній, активних і пасивних чотириполюсників - при визначенні параметрів схеми заміщення розщепленої обмотки двигуна; методи регресійного аналізу - при отриманні моделей довжини магнітних шляхів міжполюсного простору; метод заміни дійсних електромагнітних зв'язків у двигуні еквівалентними електричними схемами - при визначенні параметрів схем заміщення і пускових характеристик синхронного двигуна; метод Рунге-Кутта вирішення системи диференціальних рівнянь - при оцінці динамічних властивостей синхронного двигуна; метод половинного розподілу - при оцінці теплових режимів двигуна; оптимізаційний метод - при виборі раціональної ємності конденсаторних груп. Перевірка основних положень і результатів теоретичних досліджень виконана шляхом комп'ютерного моделювання і лабораторно-стендових випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримано регресійні залежності довжини магнітних силових ліній потоків розсіювання як функції відношення струмів верхньої котушки до суми струмів котушок полюса, що дозволили, на відміну від відомих моделей, визначити само- і взаємоіндукцію полюсних котушок як розщепленої, так і традиційної обмотки збудження синхронних двигунів.

2. Запропонована нова послідовність перетворень електричної схеми, яка дозволила визначити повний еквівалентний опір і параметри схеми заміщення розщепленої обмотки збудження з конденсаторами. Одночасно показана можливість використання традиційної схеми заміщення двигуна, у якій потужність кола збудження дорівнює приведеній потужності нової обмотки з конденсаторами, що дозволяє користуватися відомими методами для досліджень пускових характеристик синхронного двигуна з розщепленою обмоткою збудження.

3. Теоретично і експериментально доведена доцільність використання декількох ділянок розщепленої обмотки збудження з неоднаковою ємністю полюсних конденсаторів, що дало можливість при застосуванні нової системи збудження корегувати форму пускової механічної характеристики синхронного двигуна.

4. Одержано аналітичні вирази для визначення параметрів схеми заміщення розщепленої обмотки збудження, які дозволили, на відміну від відомих, довести можливість отримання 1,5 кратного підвищення пускового моменту і 20% зниження нагріву роторних обмоток нового синхронного двигуна.

5. Вперше запропоновано використання інтегрального критерію оптимізації у вигляді мінімуму незміщеного стандартного відхилення розрахункової механічної характеристики від бажаної, що дозволило при урахуванні форми механічної характеристики механізму і припустимого рівня зниження напруги мережі живлення під час пуску визначити ємність полюсних конденсаторів і кількість полюсів їх установки у конденсаторних групах.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень і результатів досліджень підтверджуються використанням апробованих моделей синхронних двигунів, коректним використанням класичних методів теоретичної електротехніки і теорії електричних машин, обґрунтованим вибором вихідних положень і прийнятих допущень при математичному моделюванні, використанням експериментально установлених форм магнітних полів міжполюсного простору для одержання статистично значимих регресійних моделей довжини магнітних шляхів при визначенні реактивностей розсіювання обмоток збудження, ефективністю розробленого методу оптимізації параметрів полюсної системи нової конструкції при відомій кількості полюсних груп. Точність моделей визначення довжини при ймовірності 0,95 не гірше 7 %, а відхилення реактивності - 9,5%. При п'ятьох групах конденсаторів стандарт відхилення розрахункової характеристики від бажаної склав 0,281.

Практичне значення отриманих результатів:

- створений пакет алгоритмів і програм для розрахунку моделей довжини магнітних шляхів полів розсіювання міжполюсного простору, що дозволяє визначати параметри схеми заміщення одно- і багатокаскадної розщепленої обмотки збудження з урахуванням кутового розкриття полюсної системи і розподілу МРС уздовж стрижня полюса та протягом кола ротора;

- розроблене програмне забезпечення, що дозволяє визначати раціональну ємність конденсаторних груп і їхню кількість при модернізації серійних синхронних двигунів шляхом використання розщепленої обмотки збудження з метою забезпечення заданих пускових властивостей;

- запропоновані рекомендації щодо вибору, компоновки, захисту та діагностики конденсаторних груп і обмотки збудження в цілому;

- розроблений проект технічного завдання на створення модернізованого синхронного двигуна СДСЗ-18-49-20-УХЛ4 з поліпшеними пусковими характеристиками;

- створення нової конструкції обмотки збудження двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 млина ММС-90х30 згідно розроблених рекомендацій, на відміну від використання традиційної обмотки, забезпечує успішний запуск двигуна при номінальному навантаженні і зниженій на 10% напрузі мережі живлення;

- результати дисертаційної роботи прийняті до використання в проектній практиці НДІ „ХЭМЗ„ (м. Харків), а також отримано підтвердження щодо готовності ЗАТ «Завод Великих Електричних машин» (м. Нова Каховка) застосувати матеріали дисертації при створенні нових великих синхронних двигунів (Додаток Д).

Впровадження запропонованих рекомендацій з підвищення надійності пуску і, як наслідок, більш повного використання двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 і млина ММС-90х30 у сталому режимі дозволить використовувати п'ять млинів з модернізованими двигунами замість шести із серійними. Розрахунковий очікуваний економічний ефект від такої заміни складе біля $3979 тис. при строку окупності 25,4 місяці (Додаток Е).

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета і завдання досліджень, наукові положення та їх новизна, висновки і рекомендації. Усі теоретичні й експериментальні дослідження, а також обробка й аналіз отриманих результатів виконані при особистій участі автора як відповідального виконавця відповідних розділів науково-дослідних тем. Особисто здобувачем: досліджена форма поля міжполюсного простору й отримані регресійні моделі довжини магнітних силових ліній потоків розсіювання; установлені закономірності взаємовпливу полюсних котушок і конденсаторів з урахуванням кутового розкриття полюсів; визначені параметри схеми заміщення розщепленої обмотки збудження при багатокаскадній схемі з'єднання котушок полюсів; розроблений метод визначення раціональної кількості полюсів і полюсної ємності конденсаторних груп; отримана оцінка моменту інерції двигуна при використанні конденсаторів і теплового навантаження двигуна в пускових режимах; розроблений проект технічного завдання на модернізацію синхронного двигуна СДСЗ-18-49-20-УХЛ4 і визначений очікуваний економічний ефект від використання двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові і практичні результати оприлюднені на науково-технічних конференціях: “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (Крим, Алушта, 1997, 2000, 2002, 2007); “Сучасні технології ощадливого і безпечного використання електроенергії” (Дніпропетровськ, 1997); «Комп'ютерні технології в навчанні, наукових дослідженнях і промисловості» (Дніпропетровськ, 1998); “Інформаційна техніка та електромеханіка на порозі ХХ-го століття” ІТЕМ-2001 (Луганськ, 2001); «Проблеми сучасної електротехніки - 2002 (Київ, 2002); «Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу» (Дніпропетровськ, 2002); міжнародний науковий симпозіум “Тиждень гірника» (Москва, 2001); на засіданнях кафедри електропривода Національного гірничого університету.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 12 наукових працях, з яких 8 - у фахових виданнях, 3 - матеріали конференцій, 1 - патент України. Одна наукова праця без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 263 сторінок, у складі яких 122 сторінки друкованого тексту основної частини, що складається із вступу, п'яти розділів і висновку, 10 сторінок переліку використаних джерел з 90 найменувань та 92 сторінки з 8 додатків. Дисертація містить 70 рисунків і 9 таблиць.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи та її зв'язок з науковими програмами і науково-дослідними роботами, сформульовані мета та наукові і практичні завдання досліджень, викладені наукові положення та їх наукова новизна, практична цінність отриманих результатів роботи і рівень їх апробації, кількість публікацій за темою дисертації та особистий внесок її автора.

У першому розділі виконаний аналіз вимог до електропривода гірничого обладнання з важкими умовами запуску та розглянуті напрямки покращання пускових властивостей їх двигунів. Показано, що послідовно приєднаний до обмотки збудження конденсатор підвищує пусковий момент двигуна у 7 разів (рис.1). При цьому можливо зменшити пусковий струм зміщенням резонансного ефекту вздовж осі ковзань, однак обмежити перенапругу на обмотці збудження не вдається. Показано, що формування пускових механічних характеристик можливе шляхом зменшення реактивного опору контуру збудження.

Зроблено висновок, що відомі методи підвищення асинхронних моментів двигунів мало придатні для гірничих механізмів із важкими умовами запуску. Більш раціональним є створення нових синхронних двигунів із необхідними пусковими та енергетичними властивостями без значного ускладнення та подорожчання конструкції. Зокрема створення розщеплених обмоток збудження з полюсними конденсаторами і використанням резонансних режимів.

Послідовно паралельна електрична схема розщепленої обмотки збудження та зміна магнітної системи ротора шляхом монтажу на кожному полюсі по дві котушки унеможливлює використання традиційних методів знаходження параметрів її схеми заміщення та синхронного двигуна в цілому. Виходячи із цього, визначені наукова задача і завдання досліджень.

У другому розділі виконаний аналіз варіантів конструкції розщеплених обмоток збудження і запропоновано метод спрощення електричної схеми для отримання параметрів її схеми заміщення. Для підвищення точності визначення індуктивностей розсіювання запропоноване використання експериментально отриманих форм поля міжполюсного простору. Показано, що розщеплена обмотка у вигляді двох стрічок провідникового матеріалу не дає значного підвищення коефіцієнта потужності внаслідок відсутності необхідних якостей діелектрика. Більш досконала розщеплена обмотка, де звичайні полюсні котушки розділені навпіл та з'єднані за схемою на рис.2. Завдяки використанню зовнішніх конденсаторів та каскадування конденсаторних груп з різною ємністю така обмотка дозволяє отримати бажану форму пускової механічної характеристики.

Параметри схеми заміщення розщепленої обмотки збудження, внаслідок нової її електричної схеми, слід визначати через повний її опір з подальшим виділенням активної та реактивної частини. Реактивність розсіювання отримується як різниця між отриманим реактивним опором і реакцією якоря за поздовжньою віссю.

Алгоритм отримання повного опору містить поетапне розв'язування магнітних зв'язків (рис.3), переміщення незалежних ЕРС до нерозгалуженої частини схеми (рис.4) та перетворення проміжних контурів у чотириполюсники Т-типу. Після цього отримані чотириполюсники замінюються на довгі лінії і згортаються в одну з такими ж параметрами. Результуюча довга лінія перетворюється у кінцевий чотириполюсник, який відтворює роботу ланцюга проміжних. Повний опір знаходиться із балансу потужностей традиційної та розщепленої обмоток збудження. У випадку каскадної схеми розщепленої обмотки метод може бути використаний для кожного каскаду окремо, де ємність конденсаторів однакова.

Вивчення форм полів розсіювання (рис.5) з паралельним та кутовим розміщенням полюсів виявило неоднаковість довжини магнітних шляхів, що вносить похибку при їх розрахунках. Показано, що їх уточнення можливе шляхом розробки нової розрахункової схеми, вирішенням геометричної задачі знаходження довжини магнітних шляхів та експериментального знаходження зон дії магнітних потоків.

Попередніми дослідами встановлено, що внаслідок розщеплення обмотки збудження виникає розподіл струмів впродовж полюсного стрижня (рис.6) та обмотки. Це впливає на форму поля розсіювання і, як наслідок, на індуктивні опори котушок. Показано, що визначення індуктивностей розсіювання такої обмотки збудження можливе при встановленні функціональної залежності розподілу струму впродовж кола ротора шляхом отримання поліноміальних моделей поля.

Показано, що в наслідок нової конструкції системи збудження головні задачі досліджень повинні бути доповнені уточненням моменту інерції через підвищення маси ротора за рахунок використання конденсаторів, перевіркою їх робочої напруги та лінійного навантаження, оцінкою теплового навантаження обмоток двигуна і підвищення електромагнітного моменту у пускових режимах, розробкою методів захисту та діагностики конденсаторів.

У третьому розділі за допомогою планування експериментів та розробки розрахункової схеми магнітної системи досліджений вплив її кутового розкриття полюсів на довжину магнітних шляхів силових ліній при традиційній системі збудження. Отримано нові вирази для визначення їх довжини у вигляді:

;

;

;

,

де

- ширина магнітної трубки наконечника полюса, м; - приріст висоти полюсу, м; - інтервал дії першої складової потокозчеплення, м; - половина кута розкриття магнітної системи, град.; - приріст глибини по полюсному наконечнику, м.

Отриманий поліном інтервалу зони дії складових магнітного поля розсіювання для двигунів потужністю 2500…6300 кВт з частотою обертання 75…250 об/хвил. Його коефіцієнт детермінації склав 0,995, а похибка індивідуальних спостережень 0,482. При надійності 0,95 середня похибка 0,735%. Встановлено, що інтервал дії потокозчеплення між стрижнем полюса і ярмом ротора

м,

де , - кодовані значення швидкості обертання та потужності двигуна.

На прикладі СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 встановлено, що врахування кутового розкриття полюсів зменшує індуктивний опір обмотки збудження на 4,76%.

Неоднаковість струмів котушок одного полюса і полюсів впродовж кола ротора обумовлює неоднаковість форм полів розсіювання розщепленої обмотки збудження. У зв'язку із неможливістю використання для них традиційного методу на прикладі досліджуваного двигуна вперше отримані експериментальні дані і математичні моделі довжини магнітних шляхів та інтервалів їх дії для співвідношення струмів котушок полюсів 0,2...0,8

Таблиця 1 Коефіцієнти поліномів для довжини магнітних шляхів

Для довжини магнітних шляхів прийнято вираз вигляду

, м,

де - коефіцієнти; - довжина і-ї складової; R2 - коефіцієнт детермінації; - інтервали дії складових потокозчеплень.

Коефіцієнт детермінації моделей не гірші 0,99 при похибці індивідуальних спостережень не вищій 7%. Метод придатний і для інших типорозмірів двигунів шляхом експериментального дослідження форми їх полів розсіювання.

Особливості схеми з'єднань системи збудження розщепленої обмотки приводять до змінювання струмів котушок полюсів упродовж кола ротора. Як наслідок, це зумовлює неоднаковий характер магнітних зв'язків складових індуктивностей при взаємодії верхньої та нижньої котушки полюса. Нами отримано математичні моделі складових індуктивностей у залежності від співвідношення струмів полюсних котушок:

де - співвідношення струмів котушок у функції номеру полюса.

Для досліджуваного двигуна вперше встановлено, що відношення струмів котушок у межах 0,2...0,8 найбільше впливає на взаємоіндуктивність котушок сусідніх полюсів, яка змінюється на 14% від середнього значення ( - співвідношення струмів котушок для полюсів от 1-го до 2р-го (рис.7).

Вперше встановлено, що взаємоіндуктивність котушок сусідніх полюсів зменшуються зі збільшенням цього відношення, а взаємоіндуктивність розсіювання котушок одного полюса від цього відношення практично не залежать. Одночасно показано, що повна індуктивність розсіювання котушок полюса в обраних межах відношення струмів змінюється лише на 5,9%, що дозволяє на етапі попередніх досліджень прийняти середні значення індуктивностей.

У четвертому розділі отримані адаптовані до нової конструкції коефіцієнти приведення і методи розрахунку магнітної взаємодії між обмотками двигуна з розщепленою обмоткою збудження. Повний опір полюсних котушок визначено у вигляді суми складових від основного магнітного потоку і потоків розсіювання. При визначенні диференціальної складової опору врахована кількість котушок на полюсі, а для міжполюсного розсіювання - форма полів розсіювання з урахуванням кутового розкриття полюсів. Для визначення еквівалентних параметрів обмотки збудження з однаковими конденсаторами на полюсах вперше запропоноване розв'язування магнітних зв'язків (рис.8), перенесення ЕРС від магнітної взаємодії зі статорною і демпферною обмотками в початок електричної схеми і представлення проміжних контурів обмотки у вигляді чотириполюсників Т-типу з наступною їхньою заміною на еквівалентні довгі лінії (рис.9).

Це дозволило спростити загальну схему збудження (див. рис.2) шляхом заміни проміжної ланцюгової схеми з кількох довгих ліній однією лінією з еквівалентними параметрами, а надалі - перетворити її в чотириполюсник з потужністю як у отриманої пізніше однієї довгої лінії (рис.10, контур 2). Виконані перетворення дозволили визначити еквівалентний опір обмотки

,

в результаті чого повна потужність системи збудження визначена як сума потужностей кінцевого чотириполюсника і контурів зовнішніх розрядних опорів, де частка незалежної ЕРС від ЕРС

, в.о.

Додатковий опір контурів 1 та 2 на рис.10

Використання в схемі нової системи збудження однакових конденсаторів дозволяє збільшити пусковий момент у 2,5 рази, однак у вузькому інтервалі ковзань. У роботі вперше запропоновано використовувати послідовне включення груп котушок з неоднаковими конденсаторами (рис.11), зберігши для кожної з них розроблений метод визначення параметрів.

Такий підхід дозволяє визначати еквівалентний опір і параметри схеми заміщення розщепленої обмотки збудження з конденсаторами різної ємності

Оцінка ефективності методу визначення параметрів схеми заміщення розщепленої обмотки отримана шляхом його використання для системи збудження традиційної конструкції. Враховано, що кількість витків двох полюсних котушок розщепленої обмотки й однієї традиційної котушки, а також створювані ними МРС однакові. Встановлено, що розрахунок за заводською методикою дає завищений на 9,5% реактивний опір розсіювання через неврахування кутового розкриття полюсів.

У п'ятому розділі оцінено вплив розрядних резисторів і ємності конденсаторів на форму пускових характеристик двигуна. Встановлено, що при однаковій ємності полюсних конденсаторів її збільшення зміщує резонансний максимум середнього моменту в напрямку менших ковзань, а вплив розрядних опорів такий самий, як і в серійного двигуна. Висновки підтверджені експериментально на випробувальному стенді з ротором синхронного двигуна, оснащеного розщепленою обмоткою збудження з конденсаторами. У досліджуваній зоні ковзань встановлено, що збільшення ємності конденсаторів призводить до зростання активної потужності обмотки і зміщує її залежність в зону менших ковзань. Таким чином, доведено, що для отримання бажаної форми пускової характеристики ємність повинна змінюватися в функції ковзання.

Конденсаторні групи розщепленої обмотки збудження з різною ємністю конденсаторів взаємовпливають одна на одну і тому для визначення ємності і кількості полюсних конденсаторів в окремих групах вперше запропоноване використання оптимізаційного методу. Його сутність полягає у тому, що в умовах зниженої напруги мережі для забезпечення успішного запуску двигуна із номінальним навантаженням попередньо слід сформулювати вимоги до пускової механічної характеристики, а потім визначати кількість полюсів в окремих групах і ємність їх конденсаторів. При цьому для забезпечення необхідної якості форми механічних характеристик пропонується використання стандартної функції Minimize пакета Mathcad, для якої як інтегральний критерій оцінки форми характеристик обрано мінімум незміщеного стандартного відхилення розрахункової форми характеристики від бажаної.

Ефективність розробленого методу підтверджена на прикладі визначення параметрів полюсної системи модернізованого двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4. Показано, що для п'яти груп конденсаторів з різною ємністю мінімум незміщеного стандартного відхилення складає 0,281 при забезпеченні паспортного пускового моменту в умовах зниження напруги живильної мережі на 15% (рис.12). При цьому напруга на конденсаторах визначається опором розрядного резистора і не перевищує 2 кв, а збільшення моменту інерції ротора не перевищує 2%.

Для скорочення довжини з'єднувальних дротів і спрощення монтажу конденсатори варто встановлювати поблизу полюсного стрижня. При цьому лінійні навантаження на конденсатори для запропонованого варіанту компонування нижчі допустимих. Конденсатори повинні мати внутрішній захист від короткого замикання або бути доповнені плавкими запобіжниками з можливістю візуального огляду. Періодичний контроль і діагностику конденсаторів рекомендується виконувати за допомогою приладу, який дозволяє визначати дефектні елементи схеми без їхнього демонтажу.

При дослідженні динамічних властивостей модернізованого двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 встановлено, що в результаті використання розщепленої обмотки збудження амплітуда коливань електромагнітного моменту збільшилася на 12% (рис.13 при s=1), а час пуску при номінальному навантаженні зменшився на 20%. Коливання електромагнітного моменту під час синхронізації та ресинхронізації зменшилися приблизно у 1,5 рази. Нагрівання обмотки збудження знизилось на 20%, а демпферної - на 24% (рис.16). Окрім того, нова конструкція збудження дозволяє запуск двигуна при зниженні на 10% напруги живлення (рис.14) і номінальному навантаженні, що для традиційного двигуна неможливо взагалі. При цьому нові властивості синхронного привода дають можливість підвищити до 10% продуктивність технологічного обладнання.

Мs5 - моменти статичного навантаження, в.о.; Мf0, Мf5 - моменти серійного та модернізованого двигуна, в.о. На рис.16 Qkd0, Qkd5 -- інтеграл квадратів струмів демпферних обмоток серійного та модернізованого двигуна, в.о.; Qf0, Qf5 - теж для струмів обмоток збудження, в.о.

полюсний пусковий двигун обмотка

Висновки

У дисертаційній роботі отримане рішення наукової задачі, яке полягає у встановленні закономірностей впливу параметрів полюсної системи розщепленої обмотки збудження з зовнішніми конденсаторами на пускові властивості синхронного двигуна, що має важливе значення для поліпшення надійність й економічність великих синхронних двигунів гірничих машин з важким пуском. Сутність рішення полягає у розробці розрахункової схеми нової магнітної системи з урахуванням кутового розкриття полюсів і розподілу МРС впродовж їх стрижнів, визначенні параметрів розсіювання і схеми заміщення системи збудження, розробці способу формування раціональної форми пускових характеристик, що дозволяє створити синхронний двигун підвищеної надійності й економічності в пускових і сталих режимах роботи.

Виконані дослідження дозволили зробити такі висновки:

1. Моменти зрушення барабанних млинів і дробарок сягають 1,5 і 2 від сталих відповідно. Окрім того, під час запуску їх синхронних приводів напруга живильної мережі нерідко нижча номінальної, що знижує надійність привода в цьому режимі. Для успішного запуску використовують груповий привід або індивідуальний із запасом встановленої потужності двигуна 20...50%. Останнє негативно позначається на ККД двигуна в усталеному режимі роботи. Використання частотного пуску з перетворювачем вимагає значних капітальних вкладень, тому раціональніше використання синхронного двигуна з поліпшеними пусковими властивостями. Перспективний шлях створення такого двигуна - у більш повному використанні можливостей обмотки збудження, зокрема за рахунок її розщеплення і каскадних груп конденсаторів на полюсах, раціонального вибору їхньої кількості, ємності і включення.

2. Застосування нової конструкції обмотки збудження через неоднаковість струмів полюсних котушок впливає на розподіл намагнічуючих сил уздовж стрижня полюса, форму і довжину силових ліній полів розсіювання і, як наслідок, на індуктивності розсіювання полюсних котушок. При малій кількості полюсів важливим є урахування кутів їхнього розкриття і коефіцієнтів активних частин котушок, що впливають на індуктивності розсіювання. У роботі на прикладі серійного двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 показано, що в результаті неврахування кутового розкриття полюсів індуктивність розсіювання обмотки збудження завищена на 4,76%.

В результаті експериментальних досліджень форми поля міжполюсного простору розщепленої обмотки збудження, при розподілу струмів котушок уздовж кола ротора в межах 0,2...0,8 отримані регресійні моделі складових поля. Коефіцієнти детермінації моделей не гірші 0,99 при стандарті індивідуальних спостережень не вище 7%. Показано, що використання цих моделей вперше дозволяє визначати індуктивності розсіювання полюсних котушок розщепленої обмотки. На прикладі показано, що відношення струмів котушок у досліджуваних межах найсильніше впливає на взаємоіндуктивність котушок сусідніх полюсів, яка змінюється на 14% від середнього значення. Встановлено, що взаємоіндуктивності котушок сусідніх полюсів зменшуються зі збільшенням цього відношення, а взаємоіндуктивності розсіювання котушок одного полюса від відношення залежать мало. Повна індуктивність розсіювання котушок змінюється лише на 5,9%, що дозволяє на етапі попередніх досліджень приймати середні значення цих індуктивностей.

3. Встановлено, що при однаковій кількості витків полюсних котушок індуктивності магнітної взаємодії обмоток від основного магнітного потоку і потоків розсіювання можна визначати за допомогою отриманих вперше розрахункових виразів, які необхідні при визначенні параметрів схеми заміщення розщепленої обмотки. Для отримання бажаної форми пускової характеристики двигуна слід використовувати систему збудження з послідовним включенням окремих груп котушок з неоднаковими конденсаторами, а визначення параметрів для кожної з груп необхідно виконувати окремо. Визначення еквівалентних параметрів окремих груп полюсів з однаковими конденсаторами слід здійснювати шляхом розв'язання магнітних зв'язків і винесення ЕРС від магнітної взаємодії зі статорною і демпферною обмотками на початок електричної схеми та наступного перетворення проміжних контурів із чотириполюсників Т-типу у еквівалентні довгі лінії. Загальну схему окремої групи слід отримувати заміною ланцюгової схеми з кількох довгих ліній однією з еквівалентними параметрами та подальшою заміною її на чотириполюсник однакової потужності. Результуючий опір системи збудження слід визначати у вигляді суми потужностей еквівалентних чотириполюсників і зовнішніх розрядних опорів. Запропонований метод вперше дозволив визначати еквівалентний опір системи збудження з неоднаковими конденсаторами. Коректність методу підтверджена шляхом його використання при визначенні параметрів традиційної системи збудження. Також встановлено, що неврахування кутового розкриття полюсів у заводській методиці завищує реактивний опір розсіювання на 9,5%.

4. Вплив ємності полюсних конденсаторів на форму і розташування резонансних максимумів механічної характеристики досліджено теоретично й експериментально. Теоретично й експериментально на випробувальному стенді з ротором двигуна, оснащеного розщепленою обмоткою збудження і конденсаторами, доведено, що збільшення ємності конденсаторів зміщує резонансний максимум в зону менших ковзань і збільшує активну потужність обмотки. Для забезпечення бажаної форми пускової характеристики ємність і кількість конденсаторів окремих груп повинні відрізнятися. При цьому через взаємовплив окремих груп ємність їх конденсаторів і кількість полюсів у групах можливо визначати оптимізаційним методом, який враховує вимоги до пускової характеристики в умовах можливого зниження напруги мережі живлення під час пуску. Рішення оптимізаційної задачі можливе за допомогою використання стандартної функції Minimize пакета Mathcad, якщо вибрати за інтегральний критерій оцінки форми характеристики мінімальне незміщене стандартне відхилення розрахункової форми характеристики від бажаної. Ефективність розробленого методу підтверджена результатом його використання для модернізованого двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 з п'ятьма групами котушок з різною ємністю конденсаторів. Підтверджена можливість отримання бажаної форми пускової механічної характеристики і паспортного пускового моменту при зниженні напруги живильної мережі на 10%. Встановлено, що при цьому напруга на конденсаторах не перевищує 2 кв і визначається розрядним опором, а збільшення моменту інерції двигуна не перевищує 2%. Амплітуда коливань електромагнітного моменту при цьому збільшується на 12% (при s=1), а час запуску зменшується на 20%. Струм демпферної обмотки знижується, а статорних ланцюгів - не виходить за припустимі межі. Перегрів обмотки збудження знижується на 20%, а демпферної - на 24%.

5. Оцінка очікуваного економічного ефекту від впровадження розробки отримана на прикладі двигуна СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4, використаного як привідний для млина самоподрібнювання ММС-90х30 із запасом встановленої потужності привода 1,176. Такий запас обумовлений, зокрема, труднощами запуску при номінальному навантаженні двигуна і зниженні напруги живильної мережі при пуску на 10%. Враховано, що модернізований двигун і технологічні умови експлуатації млина ММС-90х30 допускають роботу при номінальному навантаженні двигуна. Останнє дає можливість використання п'яти млинів з модернізованим двигуном замість шести із серійним. При порівнянні базового варіанту із шести подрібнювальних комплексів із серійними двигунами і нового з п'ятьма модернізованими очікуваний річний економічний ефект складає близько 20 млн грн., а термін окупності розробки - 25,4 місяці.

Література

1. Пивняк Г.Г. О рассеяниях расщепленной обмотки возбуждения синхронного двигателя / Пивняк Г.Г., Кириченко В.И., Бородай В.А. // Сб. научн. тр. НГАУ - 2001. - №11. - Т. 1. - С. 87-92.

2. Кириченко В.І. Моделювання статичних механічних характеристик синхронних двигунів з розщепленою обмоткою збудження / Кириченко В.І., Гомілко В.С., Бородай В.А. // Обогащение полезных ископаемых. - 1998. - №2(4398). - С. 144-146.

3. Пивняк Г.Г. К уточнению методики определения параметров рассеяния крупных синхронных двигателей / Пивняк Г.Г., Кириченко В.И., Бородай В.А. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 2000. - Вып. 113 - С. 22-25.

4. Пивняк Г.Г. Электромеханические системы горно-металлургического комплекса / Пивняк Г.Г., Бешта А.С., Бородай В.А. // Горная электромеханика и автоматика. -2002. - Вып. 68. - С. 66-70.

5. Пивняк Г.Г. О новом направлении усовершенствования крупных синхронных электродвигателей / Пивняк Г.Г., Кириченко В.И., Бородай В.А. // Технічна електродинаміка. Темат. вип. Проблеми сучасної електротехніки. - 2002. - Ч. 2. - C. 62-65.

6. Бородай В.А. Оценка динамики привода горных машин с тяжёлим пуском / Бородай В.А. // Горная электромеханика и автоматика. - 2003. - Вып. 70 - С. 19-21.

7. Кириченко В.І. Улучшение пусковых свойств крупных синхронных машин / Кириченко В.І., Бородай В.А., Яланський А.А. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля. - 2003. - К №6[64] - С. 38-40.

8. Пивняк Г.Г. Повышение надежности и экономичности мощных синхронных приводов с тяжелым пуском / Пивняк Г.Г., Кириченко В.В., Бородай В.А. // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. - 2007. - С. 553-555.

9. Пат. UA 31044 A, 6 B 02К 19/36 Україна. Синхронний двигун. / В.І. Кириченко, В.С. Гомілко , В.А. Бородай; заявник та патентовласник Національний гірничий університет - зявл. 03.07.1998; опубл. 15.12.2000. Бюл. №7-II.

10. Про новий спосіб покращення пускових властивостей синхронних двигунів приводів млинів / Кириченко В.І., Гомілко В.С., Бородай В.А., Островський Е.П. // Матеріали науково-технічної конференції “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”, (Крым, Алушта, 15-20 сент. 1997 г.). - Х.: ХГПУ, 1997. - C. 288-290.

11. Визначення індуктивних опорів та реактивностей взаємоіндукцій спеціальної обмотки збудження синхронних двигунів / Кириченко В.І., Гомілко В.С., Бородай В.А., Островський Э.П. // Матеріали міжнародної науково-технічна конференція “Современные технологии экономного и безопасного использования электроэнергии”, (Днепропетровск 28-30 октября 1997 г.). - Д.: НГАУ, 1997. - C. 110-119.

12. Выбор и компоновка внешних конденсаторов синхронных двигателей с обмоткой возбуждения специальной конструкции / Пивняк Г.Г., Кириченко В.И., Бородай В.А., Петров А.Г. // Материалы международной научно-технической конференции “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”, (Харьков, 2002 г.). - Х.: НГПУ, 2002. - C. 171-173.

Размещено на Allbest.ru