автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обоснование рациональных динамических параметров вибрационных установок с асинхронным электроприводом для работы в зоне резонанса

На правах рукописи

ДУБОВИК Дмитрий Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК С АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ДЛЯ РАБОТЫ В ЗОНЕ РЕЗОНАНСА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Са нкт-11етербург-2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Загривный Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты:

Путов Виктор Владимирович - доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина)», кафедра систем автоматического управления, профессор

Томасов Валентин Сергеевич — кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский научно-исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», кафедра электротехники и прецизионных электромеханических систем, заведующий кафедрой

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Защита состоится 25 декабря 2014 года в 14 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. №1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» н на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 24 октября 2014 г.

диссертационного совета

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Фокин Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Вибрационные установки (ВУ) и вибротехнологии широко применяются в различных отраслях промышленности: в первую очередь в горной промышленности на обогатительных фабриках, на транспорте, в строительстве, в сельском хозяйстве, в медицине, коммунальном хозяйстве, научных лабораториях и испытательных стендах. Парк этих установок огромен и продолжает стремительно увеличиваться.

Ежегодно дроблению и измельчению в России подвергается более 3 млрд. тонн минерального сырья и других материалов. На эти цели затрачивается более 70 млрд. кВт-ч электроэнергии или до 5% ее общего производства в стране.

На обогатительных фабриках на дробление и измельчение остается 50-70% общих капитальных затрат и такая же доля общих эксплуатационных расходов. Удельный расход энергии колеблется в пределах 7-20 кВт-ч/т руды, расход стали составляет от ] до 3 кг/т руды.

С точки зрения энергетических затрат современные ВУ работают в неэффективных зарезонансных областях, где амплитуды колебаний твердого тела (платформы, дробящей щеки) существенно ниже амплитуд резонансной зоны при заданной технологической нагрузке, не зависят от них, и воздействие их на угловую скорость ротора также незначительно. При этом для выполнения заданной работы за цикл необходимо увеличивать в 2-5 раз массу дебаланса и, как следствие, во столько же раз потребляемую из сети энергию.

Степень разработанности:

Работа базируется на результатах исследований Аристова A.B., Аста-шеваВ.К., Блехмана И.И., Вайсберга Л.А., Гончаревича И.Ф., Епишки-наА.Е.. Загривного Э.А., Зарогатского Л.П., Кононенко В.О.. Луковнико-ва В.И., Мандельштама Л И., Нагаева Р.Ф., Ревнивцева В.И., Тимошенко СЛ., ТуркинаВ.Я., Усольцева A.A., Усынина Ю.С., Шестакова В.М. и многих др.

Однако, как показывает анализ литературных источников и положение дел в промышленности, на наш взгляд, недостаточно уделено внимание синтезу и исследованию новых алгоритмов управления, которые позволяют расширить технологические режимы работы существующего оборудования без внесения существенных изменений в их конструкцию. Решению этих актуальных вопросов, связанных с эффективным энергосбе-

режением и малоза!ратной модернизацией оборудования, и посвящена настоящая диссертация.

Цель работы — повышение эффективности работы вибрационных установок с инерционным вибровозбудителем за счет снижения энергозатрат посредством обеспечения работы в околорезонансном и резонансном режимах при стабилизации амплитуды колебаний.

Основные задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• составление расчетной схемы и разработка математической модели электромеханической колебательной системы (ЭМС) с инерционным вибровозбудителем переменного тока;

• разработка методики определения основных динамических параметров ЭМС с инерционным вибровозбудителем переменного тока;

• разработка имитационной модели ЭМС с инерционным вибровозбудителем переменного тока;

• исследование режимов работы имитационной модели ЭМС с инерционным вибровозбудителем переменного тока;

• разработка алгоритмов и системы управления для стабилизации амплитуды колебаний платформы ЭМС с инерционным вибровозбудителем переменного тока в резонансном режиме;

• построение лабораторной экспериментальной установки ЭМС с асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя и проведение экспериментальных исследований.

Идея работы - существенное снижение электропотребления частотно-регулируемого электропривода инерционного вибровозбудителя достигается: в виброустановках с симметричной технологической нагрузкой (грохоты, вибросита) - заданием номинального режима с частотой вращения дебаланса в диапазоне 0,95-^0,98 от резонансной частоты механической колебательной системы и относительным эквивалентным коэффициентом демпфирования 0,4 0,6 при заданной амплитуде колебаний платформы, а при снижении нагрузки стабилизация амплитуды колебаний платформы обеспечивается снижением частоты вращения дебаланса в соответствии с полученной регулировочной характеристикой; в виброустановках с несимметричной технологической нагрузкой (вибрационная щековая дробилка) - формированием авторезонансного номинального рабочего режима колебаний исполнительного органа синхронизацией подачи электроэнергии на полуперио-

де рабочего хода с помощью датчика положения дебаланса. а при снижении нагрузки стабилизация амплитуды колебаний - отключением подачи электроэнергии в точках в соответствии с полученной регулировочной характеристикой.

Методы исследований. Теоретические исследования, математическое имитационное моделирование ЭМС, расчеты и анализ полученных результатов проводились с использованием пакета Simulink прикладных программ MatLab. Экспериментальные исследования и анализ полученных результатов режимов работы на лабораторной экспериментальной установке с системой управления асинхронным частотно-управляемым электроприводом инерционного вибровозбудителя при работе в околорезонансном режиме проводилось с использованием прибора Fluke 43В и программы сбора и регистрации данных Fluke View.

Научная новизна работы:

• обоснован способ стабилизации амплитуды перемещения платформы ЭМС с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя при симметричном нагружении и изменении технологической нагрузки от номинальной до режима холостого хода;

• обоснован способ стабилизации амплитуды перемещения дробящей щеки с частотно-регулируемым авторезонансным асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя путем синхронизации подачи энергии на каждом полупериоде рабочего хода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для обеспечения колебаний в околорезонансной зоне вибрационной установки с асинхронным частотно-управляемым элек гроприво-дом инерционного вибровозбудителя с симметричной технологической нагрузкой (виброгрохот) необходимо и досгаточно, чтобы частота вращения идеального холостого хода статической механической характеристики электродвигателя не превышала 0,95-0,98 резонансной частоты вибрационной установки, относительный коэффициент сопротивления среды 2п/р в номинальном режиме работы составлял не менее 0,5-0,6. а при снижении технологической нагрузки для обеспечения заданного значения амплитуды колебания платформы скорость вращения инерционного вибровозбудителя снижалась в соответствии с регулировочной характеристикой.

2. Для обеспечения авторезонансных колебаний исполнительного органа (дробящей щеки) в виброустановках с несимметричной технологической нагрузкой на частоте вращения инерционного вибровозбудите-

ля необходимо и достаточно, чтобы на каждом полупериоде (рабочем ходе) дробящей щеки электромагнитный момент совпадал по фазе со скоростью колебаний инерционного вибровозбудителя, а при снижении технологической нагрузки переходил в режим холостого хода в точках отключения в соответствии с регулировочной характеристикой.

Практическая ценность диссертации:

• предложена методика получения регулировочной характеристики - зависимости скорости вращения электромагнитного поля электродвигателя Wo от вариации технологической нагрузки при условии, что А = const.;

• разработаны имитационные модели ЭМС, с помощью которых построены регулировочные характеристики для работы в околорезонансных и резонансных режимах при условии стабилизации амплитуды колебаний п латформы (дробящей щеки) ВУ и ВЩД на заданном уровне;

• разработана экспериментальная установка, имитирующая работу ВУ с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом инерционного вибровозбудителя при работе в околорезонансном режиме.

Обоснованность и достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, базируется на использовании известных положений теоретической механики, теории колебаний, электромеханики и электрических машин, теории автоматизированного электропривода и подтверждается сходимостью результатов математического имитационного моделирования, теоретических и экспериментальных исследований ЭМС с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом инерционного вибровозбудителя.

Реализация результатов работы. Разработанные принципы, методы, механизмы и научно-практические рекомендации могут быть использованы:

- на предприятиях, занимающихся проектированием вибрационной техники, в частности, на ОАО «Механобр-Техника», в Институте горного дела имени А.А. Скочинского и др.

Личный вклад автора:

- разработана методика определения основных динамических параметров ЭМС с инерционным вибровозбудителем переменного тока;

- разработаны имитационные модели ЭМС, которые позволяют строить регулировочные характеристики для работы в околорезонансных и резонансных режимах при условии стабилизации амплитуды колебаний платформы (дробящей щеки) ВУ и ВЩД на заданном уровне;

- разработан лабораторный макет ЭМС с электроприводом инерционного вибровозбудителя переменного тока и проведены экспериментальные лабораторные исследования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Ежегодной вузовской научной конференции студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, 2014 г).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах, в том числе 3 работы в научных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, 2 работы в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 176 страницах, содержит 83 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 91 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована идея работы, на основании которой определены цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 проведен анализ конструктивных схем традиционных ВУ и В1ЦД, теоретических исследований электроприводов инерционного возбуждения и теоретических представлений сил сопротивления среды.

В главе 2 представлены расчетные схемы и математические модели ЭМС ВУ и В11Щ с инерционным вибровозбудителем переменного тока, методика определения основных динамических параметров ВУ и ВЩД при работе в околорезонансном и резонансном режимах, описаны способы стабилизации амплитуды перемещения платформы (дробящей щеки) ВУ и В1ЦД.

В главе 3 представлены имитационные модели ЭМС ВУ и ВЩД с инерционным вибровозбудителем переменного тока, которые позволяют строить регулировочные характеристики для работы в околорезонансных и резонансных режимах при условии стабилизации амплитуды колебаний платформы (дробящей щеки) па заданном уровне в зависимости от вариации технологической нагрузки в виде вязкого и сухого трений и их комбинаций, представлены результаты исследований.

В главе 4 представлена экспериментальная установка ЭМС с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом инерционного виб-

ровозбудителя для исследования работы в околорезонансном режиме, приведены результаты исследований.

Заключение отражает обобщенные выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Для обеспечения колебаний в околорезонансной зоне вибрационной установки с асинхронным частотно-управляемым электроприводом инерционного вибровозбудителя с симметричной технологической нагрузкой (виброгрохот) необходимо и достаточно, чтобы частота вращения идеального холостого хода статической механической характеристики электродвигателя не превышала 0,95-0,98 резонансной частоты вибрационной установки, относительный коэффициент сопротивления среды 2п/р в номинальном режиме работы состав.1ял не менее 0,5-0,6, а при снижении технологической нагрузки для обеспечения заданного значения амплитуды колебания платформы скорость вращения инерционного вибровозбудителя снижалась в соответствии с регулировочной характеристикой.

Дня построения математической модели ЭМС использовалось уравнение Лафанжа второго рода:

£ сЧ

дт_

(Ъ)

дТ дП дй „ . „

а? , а?. дqi ^

(1)

где Т - кинетическая энергия системы; П - потенциальная энергии системы; ц - обобщенные координаты системы; £> - диссипативная функция; Qi - обобщенная внешняя сила; п - число степеней свободы.

» У 1Ь

•"ЕГЧ * чп.я и..................

X

Рисунок 1 - Расчетная динамическая схема колебательной ЭМС

где М - электромагнитный момент двигателя (Н и); со - частота вращения инерционного вибровозбудителя относительно статора (с ); с - коэффициент жесткости упругого элемента (Н/м); ц - эквивалентный коэффициент сил согфотивления (Нс/м); т, - масса платформы (кг): т2 - масса инерционного вибровозбудителя (кг); Jl - момент инерции ротора электродвигателя (кгм*); Л - момент инерции лепестковой упругой муфты (кгм**); г - расстояние от оси подвеса до ту, Г0 - переносная скорость инерционного вибровозбудителя; У2 - линейная скорость вращательного движения инерционного вибровозбудителя; К/ - абсолютная скорость центра тяжести инерционного вибровозбудителя; ускорение свободного падения: (датчик скорости на схеме не показан).

Принимая за обобщенные координаты <37 = х, м и д.? = ф, рад и расчетную схему (Рисунок 1) получены уравнения движения ЭМС (2) при следующих допущениях: упругие элементы линейны; силы трения в подшипниках при движении платформы отсутствуют; потери энергии в электроприводе определяются КПД электродвигателя; колебания платформы /и/ - симметричны; технологическая нагрузка представлена эквивалентным коэффициентом вязкого трения ц; электромагнитные переходные процессы в электроприводе не учитываются, так как ЭМС вибрационных установок является фильтром низкой частоты:

(/?/ +т ) х+ц - х +с-х г Гф2-8т(р-ф-оо8(р1 =

V1 , <2>

I ./ 2 +П'2 Г ) У + ^Ч*'008Ф + £8,П<Р/ = Л^

Разработана методика определения основных динамических параметров вибрационных установок с симметричной технологической нагрузкой. Проведена сравнительная оценка энергетической эффективности трёх ЭМС: система 1- работа в околорезонансной зоне, система 2 и система 3-работа в зарезонансной зоне (Таблица 1).

Таблица 1 - Динамические и технологические номинальные параметры ЭМС

Параметры ЭМС в зависимости от частоты: Система 1 Система 2 ■

Собственная частота ЭМС р. с"1 157 (25 Гц) 98,9 (15.7 Гц) 11.17ГЦ) .

Рабочая частота вращения инерционного вибровозбудителя ш, с 1 150 140

Амплитуда перемещения х, м 0,005 0,005 тш

Продолжение Таблицы 1

Параметры ЭМС в зависимости от частоты: Система 1 Система 2

Принятая работа сил сопротивления среды за период IV, Дж 100 100 | Ш0

<;т(а), где а — угол отставания вынужденных колебаний от возмущающей силы. 0,% V 0,4

Коэффициент эквивалентного вязкого трения Н с/м 8600 , 9200 да

Коэффициент жесткости упругого элемента с. Н/м 3360000 2270000 I?1',в 2270000

Возмущающая сила Н 6600 15000 . 14000

Расстояние от оси подвеса до центра масс т, (эксцентриситет) г, м 0,1 0,1 0.1

Масса инерционного возбудителя т,. кг 3 Ж,

Работа за период внешних сил И', Дж 104 200 згш '

Мощность внешних сил Р} Вт 2500 5000 62*0

Кратность потребляемой мощности в заре-зонансных режимах 1 2 ш

Для стабилизации амплитуды перемещения платформы ЭМС с симметричным инерционным возбуждением построена регулировочная характеристика - зависимость частоты вращения инерционного вибровозбудителя ю, с"1 от момента на валу двигателя М, Нм, по которой осуществляется стабильная работа ЭМС в околорезонансной зоне при заданной амплитуде перемещения платформы.

Построение регулировочной характеристики модельной ЭМС:

1. Принимаются: номинальная частота ЭМС со0 = (0,95 - 0,98)/?, работа внешних сил за период ^=100 Дж, 2п/р = 0,5-Ю,6 для номинального режима при номинальном электромагнитном моменте (Таблица 1).

2. Вычисляется номинальный коэффициент эквивалентного вязкого трения р„, Нс/м:

™ 100 о*™ „ ,

ц =---=86(К) Н -с 1м. /лч

" п-Л2ы 3,14 0,0052-149 1 '

н

3. По принятому относительному коэффициенту демпфирования 2п/р = 0,4 определяется ть кг:

4. По заданным IV, А и вычисленному $ш(а) определяется Г - амплитуда внешней силы, где а - угол отставания вынужденных колебаний от возмущающей силы:

/ч 2 п ын М„ «„ 8600-149 „ ^ . / ч „„ 1ё(а) = —-¡V =-" ? =---^--Тт>7 = => 5.п (а) = 0,96,

2-шн2 п^ (р2-сун2) 137 (1572 -1492) " " (5)

Р

УУ = п А ■ У ■ 8ш(а) =>/•' =---=--—-= 6600 Н. ($)

тг-Л^т(а) 3,14-0,005-0,96 к '

5. По заданным а>он и М определяются Р„ и электромагнитный момент ЭД точка А1 (Рисунок 2):

р =]у ■ / —100 ■ 23.6 = 2360 Вт . д/ = ^ = ±^60 = ]6 //- „ (1л

н „ ю 149

н

6. При снижении технологической нафузки цн увеличивается скорость и амплитуда колебаний платформы. Для стабилизации амплитуды колебаний платформы необходимо снижать скорость ш0 (частот)' преобразователя частоты).

7. Для построения регулировочной характеристики (Рисунок 2) применяются дополнительно построенные механические характеристики 2, 3, 4, 5 с точками А2, АЗ, А4, А5, в которых значение амплитуд равно заданной.

8. Аналитическое решение определения скорости стабилизации значения амплитуды А2, АЗ, А4, А5 отсутствует. Поэтому положения точек и)02, (Оцз, ш(М, лежащих на регулировочной характеристике, определяются с помощью имитационной модели ЭМС, построенной по уравнениям (2) (Рисунок 4) путём изменения (снижения) вручную указанных скоростей до получения заданного уровня амплитуды и фиксирования точек А2, АЗ, А4, А5 на механических характеристиках 2, 3, 4,5.

Вариант системы управления частотно-управляемого асинхронного с векторным регулированием момента электроприводом вибрационного вибровозбудителя колебаний ЭМС реализуется с помощью блока

РК (Рисунок 3). В этот блок заложена регулировочная характеристика, полученная с помощью имитационной модели.

Амплитуды А:-А;=А?=А'< =д;=о м

; .................> 4 3 1 , 1 А1 1 1.12

лл у

АЗ

/ 44

А 5 -....... -* / ----------

" 11 I

■ ...д..

ак ь = 2 J0 " У ,0 : с

Б 0 85 09 ОР', "р

Рисунок 2 - Регулировочная характеристика

При работе системы по напряжениям скорости датчика ¿У/( и датчика мощности Ом ■ определяется момент на валу двигателя, по котором) в соответствии с регулировочной характеристикой задается частота вращения электромагнитного поля статора оз0, соответствующая заданной амплитуде перемещения платформы.

Оценивая значение величин на регулировочной характеристике (Таблица 2), можно отметить, что стабилизация амплитуды колебаний платформы обеспечивается во всём диапазоне регулирования скорости вращения дебаланса.

При этом изменение мощности от 2360 Вт до 430 Вт и работы от 100 Дж до 20 Дж внешних сил за период требует изменение частоты вращения дебаланса от 149 с'1 до 135 с"1, это составляет не более 8% от номинальной частоты при Л=соп$1.

Таблица 2 - Значение величин на регулировочной характеристике

Параметры ЭМС т. А1 | т. А2 | т. ЛЗ | т. А4 | г. Л5

Собственная частота ЭМС/?, с"1 157(25Гц)

Суммарная масса ЭМС ткг 137

Кратность электромагнитного момента М'М„ 1 0,8 0,6 0,4 0,2

Относительный коэффициент диссипации 2п р 0,4 0,3 0,2 0,1 0,05

Коэффициент эквивалентного вязкого трения р. М с/м 8600 6450 4300 2150 1075

Скорость вращения электромагнитного ПОЛЯ (Од, с ' и>01 = 150 0)02=144 п>01=140 и>сц=137 Ш0хх=136

Частота вращения инерционного внбровозбудителя и>, с 1 149 (23.6Гц) 143 (22,8Гц) 139 (22,1Гц) 136 (21,6Гц) 135 (21,5Гц)

Электромагнитный момент двигателя М. Им 16 12,8 9.6 6,4 3,2

Мощность внешних сил Р, Вт 2360 1825 1330 870 430

Работа за период внешних сил , Дж 100 80 60 40 20

Амплитуда перемещения платформы Л, м 0,005 0.005 0,005 0,005 0,005

Имитациоиная модель ЭМС по уравнениям движения системы (2) (Рисунок 4) для системы 1 позволяет: 1) корректировать динамические параметры исследуемых ЭМС для получения заданных кинематических и энергетических характеристик этих систем с погрешностью не более 5%; 2) проводить сравнительный анализ эффективности работы ЭМС в околорезонансной, резонансной и в зарезонансной зонах: а) при условии равенства выполняемых работ; б) при равных амплитудах перемещения платформы; в) при различных и равных собственных частотах систем; г) при различных видах сил сопротивления среды (сил вязкого, сухого трений, случайной величины); 3) строить регулировочные ха-

рактеристики для работы в околорезонансных режимах при условии стабилизации амплитуды колебаний платформы на заданном уровне; 4) исследовать режимы работы ЭМС с частотно-управляемым асинхронным электроприводом инерционного возбуждения: а) симметричный режим (заданные значения работ выполняются при движении платформы в одну и другую сторону - грохоты, вибростенды и т.д.); б) несимметричный режим (работы выполняются на рабочем ходе платформы за половину периода - вибрационные щековые дробилки, вибротранспорт и др.); 5) проводить анализ эффективности работы разомкнутых и замкнутых систем электроприводов инерционных вибровозбудителей.

На имитационной модели исследовались режимы работы ЭМС с частотно-управляемым асинхронным электроприводом с симметричной технологической нагрузкой при разомкнутой и замкнутой системах управления. Результаты моделирования представлены на Рисунках 5,6. На Рисунке 7 - регулировочная характеристика, построенная с помощью имитационной модели.

2. Для обеспечения авторезонансных колебаний исполнительного органа (дробящей щеки) в виброустановках с несимметричной технологической нагрузкой на частоте вращения инерционного вибровозбудителя необходимо и достаточно, чтобы на каждом полупериоде (рабочем ходе) дробящей щеки электромагнитный момент совпадал по фазе со скоростью колебаний инерционного вибровозбудителя, а при снижении технологической нагрузки переходил в режим холостого хода в точках отключения в соответствии с регулировочной характеристикой.

Математическая модель В1ДД (8) может быть отнесена к описанию системы с переменной структурой, в которой имеются структура, определяющая рабочий ход дробящей щеки при х > 0 и структура, определяющая холостой ход дробящей щеки при х < О •

+ т,) V + + с* = т^ф^тф - ф • сояф) = /• ;

х при х > О

(./, 4-./, + т2г~)(р + Штг(хсощ-1-^имр) = МЖ1;

I ' . ' . 2 • ••

(т, 4- т2)х 4- р2д: + сх = /и2/(ф яшф - ф • сояф) = И \

<| х при х < О

[(.У, Л-Зг 4-Ш,Г2)ф4т2г(ХСОЯф4-^1пф) = О,

Рассматривая действие колебательных ЭМС с несимметричной технологической нагрузкой (ВЩД и др.) можно отметить, что в этих

Рисунок 4 - Блок-схема имитационной модели ЭМС с частотно-управляемым асинхронным электроприводом симметричного инерционного вибровозбудителя со структурами: I - моделирует движения инерционного вибровозбудителя с АД, (нижняя строчка системы уравнений (2)); II - уравнение перемещения твердого тела (платформы) системы (верхняя строчка системы уравнений (2)); III - формирование электромагнитного момента асинхронного частотно-управляемого электродвигателя: IV - моделирование сил сопротивления среды; V - блок Scope (осциллограф), отображает влияние динамических параметров ЭМС на динамические процессы; VI - задание режимов работы сил сопротивления среды (технологической нагрузки) (Load Step).

Рисунок 5 - Осциллограммы процессов в системе 1 при работе в околорезонансной зоне (р= 157 с"1, ш=150 с"1) (Таблица 2)

Рисунок 6 - Осциллограммы процессов в системе 3 при работе в зарезонансной зоне (р=98,9 с"1, 150 с"1) (Таблица 2)

Мяг=3.2 M4-5.2 M3-9.S M2-I2.S Мн-16.4

Рисунок 7 - Регулировочная характеристика полученная с помощью имитационной модели

шо

1349

Рисунок 11 - Осциллограмма фазовых соотношений электромагнитного момента электродвигателя, скорости и амплитуды перемещения дробящей щеки при работе в номинальном авторезонансном режиме в зависимости от положения ротора датчика скорости

О 1000 2000 3000 «Ю0 5000

Рисунок 14 - Регулировочная характеристика

Рисунок 12

- Осциллограммы процессов в вибрационной щековой дробилке с электроприводом несимметричного инерционного вибровочбуди геля при работе в авторезонансном режиме

¿00

8 Скорость перемещения платформы х'. м с

30 |(Ю Ш 300 ШЧи»

Рисунок 13 - Блок-схема имитационной модели вибрационной щековой дробилки с электроприводом инерционного вибровозбудителя

системах энергия потребляется только при выполнении полезной работы - рабочий ход. Этот факт в уравнениях (8) отражен наличием момента Мш - потреблением электроэнергии из сети электроприводом дебаланса для требуемой центробежной силы /> Холостой ход совершается при отключении от сети электродвигателя привода дебаланса под действием запасенной потенциальной энергии упругого элемента с (Рисунок 10).

Синхронизация подачи напряжения на обмотки частотно-регулируемого электропривода дебаланса обеспечивается формированием в точке А>кл с помощью компаратора управляющего сигнала при напряжении на кольцевой обмотке датчика скорости и положения ротора (ДСиП) равным нулю. При этом дебаланс и ротор ДСиП находятся в вертикальном положении (Рисунок 10).

Датчик состоит из магнитопровода 2 с двумя кольцевыми полуобмотками с полюсным делением равным п, явнополюсного ротора датчика скорости с постоянными магнитами 3 и корпусом 1.

Рисунок 8 - Бесконтактный датчик скорости вращения и положения ротора (патент РФ № 2488122): 1 - корпус; 2 - магнитопровод с кольцевой обмоткой; 3 - ротор с постоянными магнитами; 4 - крышка; 5 - подшипник скольжения; 6 - затор между

статором и ротором

Бесконтактный датчик имеет шесть выводов обмоток магнитопровода: 1-2-3 и 4-5-6. Такое конструктивное исполнение позволяет получать различные напряжения на выходе в зависимости от схемы их соединения (Рисунок 9).

4 гб

Рисунок 9 - Схемы подключения обмоток бесконтактного датчика скорости вращения и положения ротора

Рогор датчика скорости устанавливается на валу электродвигателя с совмещением продольных осей симметрий роторов датчика и деба-ланса (Рисунки 2.13, 2.14). Это позволяет реализовать замкнутую систему управления, в которой сигнал на включение и выключение электродвигателя в установившемся режиме при номинальной нагрузке будет выполняться в заданных точках АвК1,. Б,ыкя.

Отключение электродвигателя в режиме при номинальной нагрузке выполняется в точке БЕЬЖЛ При работе на резонансной частоте задание частоты выполняется напряжением ДСиП (обмотка аб) (Рисунок 10). При таком способе управления изменение динамических параметров системы и технологической нагрузки не влияет на резонансные фазовые соотношения (Рисунок 11), так как на каждом полупериоде имеется определенная точка включения электродвигателя Авк„

........................ / д уг:: ' н V V

у'Л / уМ1 \ у «л

\ \/

/А.И. \ X

■^ЯЙешт. Ч/Ч^ ■

Л

ПЧ-

Халсстои код

а/

Рабочий ход

Рисунок 10 - Вибрационная щековая дробилка с авторезонансным электроприводом и инерционным вибровозбудителем: а) - устройство; б) - фазовые соотношения скорости и перемещения дробящей щеки в резонансном режиме

Рисунок 17- Регулировочная характеристика

Рисунок 16 - Лабораторная экспериментальная установка: а)-лицевая часть стенда; б), в)- электромеханическая колебательная система в нескольких проекциях; г)- коммутаторное устройств.

1-сеть; 2-преобразователь частоты ABB ACS 600; 3- привод электромеханической колебательной системы; 4-датчики тока LTS 6-NP; 5-измерительная система, состоящая из прибора Fluke 43В и программного обеспечения FlukeView; 6-аналоговый источник питания АКТАКОМ АТН 4235 для питания датчиков тока; 7-осциллограф RIGOL DS1052E; 8-персональный компьютер с двумя мониторами; 9-упругий элемент (пружины сжатия) STELV 25-038; 10-каретка перемещения с инерционным вибровозбудителем; И-лепестковая муфта; 12-асинхронный электродвигатель АИР80А4УЗ; 13-датчик скорости и положения: 14-коммутаторное устройство на основе электромагнитного реле и кулачкового механизма; 15-рама; 16-нагрузочное устройство; 17-роликовые направляющие по горизонтальной оси координат; 18-крепежная платформа с эмблемой названия стенда; 19-кулачек коммутаторного устройства.

Персональный компьютер ,

7Х

] Г

■\L1\I2\L3\

ПЧ ABB ACS 600 at m 2i

\u\v\u\

irsi [TS2 trs3

К k I -I

V

USB

m KCHTPO/1/IP 21

m и СКРИП —

21 1

\Ai1\a2\Ai2\on\

Источник питания 2iB

Датчик скорости и положения

Рисунок 15 - Принципиальная схема лабораторной экспериментальной

установки

где 1 - сеть: 2 - преобразователь частоты (ПЧ): 3 - электродвигатель: 4 - датчик скорости и положения (ДСиМ); 5 - схема управления авторезопапспыми колебаниями и поддержании заданной амплитуды перемещения дробящей щеки; 6 -дробящая щека массой т, кг; 7 - инерционный вибровозбудитель (дебаланс) массой т. кг; 8 - лепестковая муф га; 9 - неподвижное основание; Рц - центробежная сила, Н: , Ь„кг - точки включения и отключения электродвигателя при пулевом напряжении на обмотках ДС'иЛ; с - коэффициент жесткости упругого элемента. Н/м; Ц! - эквивалентный коэффициент сил сопротивления. Н с/м: ц2 - силы сопротивления хо лостого хода; г - расстояние от оси подвеса до т..

На Рисунке 12 показаны режимы работы В11|Д при изменении технологической нагрузки от номинального до режима холостого хода путем дозирования энерг ии электродвигателя в заданном полупериоде со стабилизацией амплитуды перемещения дробящей щеки дг.

На имитационной модели Рисунок 13 исследовались режимы работы ВЩД с частотно-управляемым асинхронным электроприводом несимметричного инерционного возбуждения при разомкнутой системе управления. На Рисунке 14 - регулировочная характеристика, построенная с помощью имитационной модели.

Лабораторные экспериментальные исследования. Цель: Подтверждение работоспособности колебательной ЭМС в околорезонансной зоне с симметричной технологической нагрузкой на лабораторной экспериментальной установке.

На Рисунке 15 принципиальная схема лабораторного экспериментального стенда для исследования работы ЭМС с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом инерционного вибровоз-будигеля в различных режимах с нагрузками.

Разработано и использовано: 1) лабораторная экспериментальная установка ЭМС (Рисунок 16); 2) контрольно-измерительные приборы с набором датчиков тока; 3) программы регистрации и сбора данных для Г1К. Исследованы: 1) работа ЭМС с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя в различных режимах с нагрузками. 2) системы управления ЭМС с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя. 3) получена регулировочная характеристика.

Таблица 3 - Значения величин регулировочной характеристики на жеперименталь' ной установке_____

Параметры ЭМС: т. Ж | т. 3 | т. И | т. К

Собственная частота ЭМС р, с"1 176,4 (28,1Гц)

Суммарная масса ЭМС кг 4,6

Нагрузка, % 100 70 50 30

Частота вращения инерционного вибровозбудителя о>х 1 175,9 (281 ц) 163,4 (26Гц) 150,8 (2 4 Гц) 146,6 (23,3 Гц)

Действующее значение напряжения, В 296 290 273 267

Действующее значение тока, Л 2 1,99 1,98 1,98

Мощность внешних сил Р, В г 59« 570 530 510

Амплитуда перемещения платформы А. м 0,005 0,005 0,005 0,005

Оценивая значение величин (Таблица 3), можно отметить, что стабилизация амплитуды колебаний платформы обеспечивается во всём диапазоне регулирования скорости вращения инерционного вибровозбудителя. На Рисунке 17 представлена полученная регулировочная характеристика при исследовании на лабораторной экспериментальной установке принципа стабилизации амплитуды перемещения платформы с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя при сбросе технологической нагрузки.

Построенная регулировочная характеристика подтверждает работоспособность системы управления ЭМС с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя как при работе под нагрузкой, так и на холостом ходу с заданной амплитудой перемещения платформы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, которые в совокупности представляют научно-технические решения по выбору параметров вибрационных установок и вибрационных щековых дробилок с частотно-управляемым асинхронным электроприводом инерционного вибровозбуждения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области энергосберегающих установок и позволяет создать новые вибрационные установки и вибрационные щеко-вые дробилки, обладающие существенно большей эффективностью.

Основные научные и практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Для обеспечения колебаний в околорезонансной зоне вибрационной установки с асинхронным частотно-управляемым электроприводом инерционного вибровозбудителя в симметричном режиме (испытательный вибростенд) необходимо и достаточно, чтобы частота вращения идеального холостого хода статической механической характеристики электродвигателя не превышала 0,95-0,98 резонансной частоты вибрационной установки, относительный коэффициент сопротивления среды 2п/р в номинальном режиме работы составлял не менее 0,5-0,6. а при снижении технологической нагрузки для обеспечения заданного значения амплитуды колебания платформы скорость вращения инерционного вибровозбудителя снижалась в соответствии с регулировочной кривой.

2. Для обеспечения резонансных автоколебаний дробящей щеки на частоте вращения инерционного вибровозбудителя необходимо и достаточно, чтобы на каждом рабочем ходе электромагнитный момент электродвигателя совпадал по фазе со скоростью колебаний инерционного вибровозбудителя ф, а при снижении нагрузки переходил в режим холостого хода в соответствии с регулировочной характеристикой в точках отключения.

3. Разработана методика построения регулировочной кривой - зависимости скорости вращения электромагнитного поля электродвигателя а>о от электромагнитного момента электродвигателя при стабилизации амплитуды колебаний дробящей щеки.

4. Диапазон изменения регулируемой частоты вращения инерционного вибровозбудителя при работе в околорезонансной зоне при снижении нагрузки от номинальной до режима холостого хода составляет ш,, = (0,85-0,98)/?, приблизительно 8%.

5. Потребляемая мощность при работе в зарезонансной зоне в 22,5 раза выше по сравнению с потребляемой мощностью при работе в околорезонансной зоне.

6. Реализация замкнутой системы управления электроприводом в авторезонансном режиме выполняется с помощью датчика скорости и положения, который формирует сигналы включения электродвигателя в точках АМ1., когда напряжение на выводах обмоток датчика равно нулю, и выключения в точках Zw, , когда напряжение датчика скорости соответствует регулировочной характеристике.

7. Продолжить разработку эффективных алгоритмов управления

электроприводом нерегулируемого дебаланса вибрационных щековых дробилок с целью стабилизации амплитуды колебаний дробящей щеки в режимах работы с низкой технологической нагрузкой с применением алгоритма прямого управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Дубовик Д.В. Упрощенная имитационная модель электромеханической колебательной системы с асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя [Электронный ресурс] / Э.А. Загривный, Д.В. Дубовик, В.В. Иваник // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3 - 13 с. Режим доступа: URL: http://www.science-educalion.rU/l 17-13283.

2. Дубовик Д.В. Имитационная модель электромеханической колебательной системы с асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя [Электронный ресурс] / Э.А. Загривный, Д.В. Дубовик // Фундаментальные исследования. — 2014. - № 8 (часть 3)

- С. 570-576. Режим доступа: URL: http://rae.ru/fs/ndf/2014/8-3Z34596.pdf.

3. Дубовик Д.В. Управление асинхронным электроприводом инерционного вибровозбудителя вибрационной щековой дробилки при работе в зоне резонанса / Э.А. Загривный, Д.В. Дубовик // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельная статья (специальный выпуск). - 2014. - № 5 - 12 с.

- М.: издательство «Г орная книга».

4. Дубовик Д.В. Анализ режимов работы электромеханической колебательной системы с инерционным возбуждением [Электронный ресурс] / Э.А. Загривный, Д.В. Дубовик // Научно-аналитический журнал «Научная перспектива». - 2014. - №1 (47). - С. 103-108. - Режим доступа: http://www.naupcrs.ru/rilcs/Naupcrs%201-2014.zip

5. Дубовик Д.В. Управление электроприводом инерционного вибровозбудителя в околорезонансной зоне / Э.А. Загривный, Д.В. Дубовик // Проблемы недропользования сборник научных трудов Ч. II: международный форум-конкурс молодых ученых - СПб.: Изд-во Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2014. - С. 198

1'ИЦ Горного университета. 23.10.2014. 3.786. Т. 100 >Kt. 199106 Санкт-Петербург. 21-я линия, д.2

í¿-í 3949