автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и разработка регулируемого электропривода центробежного сепаратора линии по производству цемента



МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ХкЖ ХХЕ Р0ДР;1ГЕС И1ВАС

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕГУЛИРУЕМОГО ЭлЕКТРОНРШОДА ЩНТР0БЕ2Н0Г0 СЕПАРАТОРА ЛИНИИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЦЕМЕНТА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

Г ■

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

№1

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент РОЖАНКОВСКИЙ Ю.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

ШЬКОВ М.Г. - кандидат технических наук доцент ТКАЧЕНКО В.Я.

Оппонирущая организация - Всесоюзный научно-исследовательс

кий институт транспортного строительства

Защита диссертации состоится " 12 "апреля 1991 г. в аудитории М-2ЛЧ в УЧ:оо час. - мин. на заседали! специализированного Совета K-053.I6.0S Московского ордена Лениш и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенной подписью просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЫсИ.

Автореферат разослан и127 " ^ЛАДилА- 1991 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА K-053.I6.0S . Г кандидат технических наук, доцент уЯМяр— Т.В.АНЧАРОВА

Задача совершенствования производства во многих случаях мозет быть эффективно решена за счет использования регулируемых электроприводов, обеспечивающих возможность регулирования и стабилизации технологических показателей качества и снижения затрат электроэнергии.

В диссертационной работе эта проблема рассматривается применительно к технологии производства цемента, потребительские свойства которого, в первую очередь, зависят от качества работы последнего механизма технологической линии - сепаратора, осуществляющего отделение мелкой фракции из измельченного материала. Применение регулируемого электропривода позволяет оперативно управлять процессом сепарации, переходить на производство цемента другой марки без остановки технологической линии, снижать затраты потребляемой электроэнергии. Тема диссертации имеет особую актуальность для Республики Куба, так как производство цемента является одной из основных отраслей ее промышленности.

Тема диссертационной работы проводилась в рамках основных научных исследований и разработок.кафедры автоматизированного электропривода МЭИ в области совершенствования комплектных электроприводов на базе тиристорных преобразователей переменного напряжения.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является повышение показателей качества и производительности линии по производству цемента за счет применения регулируемого электропривода.

В рамках данной диссертационной работы для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Определение требований к электроприводу сепаратора.

2. Выбор варианта регулируемого электропривода.

3. Исследование и разработка замкнутой системы регулиро-

вания с повышенными технико-экономическими показателями.

4. Оценка влияния высших Гармоник на работу двигателя сепаратора и сети.

5. Испытание электропривода на цементном заводе "Сигуаней" Республики Куба и расчет экономического эффекта.

Методика проведения исследования

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований.

Механические характеристики сепаратора получены экспериментально и опытным путем установлен необходимый диапазон регулирования скорости для центробежных сепараторов с совмещенным электроприводом вентилятора, распределительного диска и крыльчатки, осуществляющих выпуск цемента марки 250 и 350.

Оценка энергетических показателей асинхронных электроприводов на базе двигателей с фазным ротором и спектральный состав фазных токов статора при питании асинхронных двигателей от тиристорных преобразователей переменного напряжения выполнены с помощью разработанных алгоритмов расчета и прикладных программ.

Свойства асинхронного электропривода с тиристорным преобразователем переменного напряжения при синхронизации системы им-пульсно-фазового управления током статора двигателя и замкнутой системы с обратной связью по углу сдвига между напряжением и током статора изучены на лабораторном стенде.

Научная новизна

Анализ доступных диссертанту советских и зарубежных источников показал, что в настоящее время нет публикаций, касающихся применения регулируемых электроприводов для центробежных сепараторов рассматриваемого в диссертации типа. Поэтому, новизна заключается в исследовании свойств этих механизмов как элементов электропривода и в полученных результатах промышленных испытаний опытного образца.

Разработан оригинальный алгоритм оценки гармонического анализа токов статора асинхронного двигателя с тиристорным преобразователем переменного напряжения, который позволяет многократно уменьшить затраты времени при расчетах.

Разработана замкнутая система ре1улирования ТПН-АЦ, обеспечивающая возможность стабилизации скорости электропривода и улучшения его энергетических показателей. '

Практическая ценность

Результатом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, является создание и опытно-промышленные испытания регулируемого электропривода на действующем предприятии. Испытания показали высокую эффективность предложенного технического решения при небольшом объеме средств на реконструкцию.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями переменного напряжения и, в частности, для механизмов центробежного типа.

Аппробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и заседании кафедры автоматизированного электропривода МЭИ 22 января 1991 года.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в одной печатной работе.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, изложенных ня птряниттях. в том числе

машинописного текста, _А1__рисунка и_2_таблиц,

списка литературы из _£5_^_наименования и приложений на страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы, конкретизируются решаемые в ней задачи, определяется место работы в научных исследованиях кафедры АЭП МЭИ.

В первой главе дана характеристика линий по производству цемента, описан технологический процесс помола цемента не заводе "Сигуаней" в Республике Куба. Последним механизмом линии помола является центробежный сепаратор, в котором материал,

поступающий из мелышц, разделяется на мелкую фракцию - цемент и крупку. Качество производимого цемента существенно зависит от работы сепаратора.

На рис. I изображена конструкция сепаратора. Через трубку (I) материал падает на распределительный даек (2), который передает 'частицам центробежный импульс. Вентилятор (3) создает поток воздуха (4), а крцльчатка (5) препятствует движению потока воздуха. Вентилятор, крыльчатка и распределительный диск смонтированы на общем валу.

Мелкие частицы до определенного размера подхватываются воздушным потоком и через зазоры между лопастями крыльчатки и вентилятора попадают во внешний конус сепаратора (6), где осуществляется выделение мелкой фракции из воздушного потока. Более тяжелые и крупные частицы под действием силы тяжести направляются вниз и выходят из сепаратора. Из сепаратора крупка отправляется на доизмельчение, а мелкая фракция - цемент перекачивается на склад.

Противодействие крыльчатки мокно регулировать, изменяя число лопастей. На цементном заводе выпускаются две марки цемента: 250 и 350. Для производства цемента марки 250 крыльчатка имеет 4 лопасти и 10 лопастей для цемента марки 350. Для изменения числа лопастей при переходе на цемент другой марки помольную остановку необходимо останавливать. Потери времени, связанные с остановкой линии, а также снижение объема производства цемента в 1987 году на заводе "Сигуаней" представлены в . таблице I.

На цементном заводе "Сигуаней" используется асинхронный двигатель с фазным ротором для сепаратора (7) (см.рис.1) без регулирования скорости. Двигатель имеет пусковые сопротивления, отключаемые после пуска (см.рис.2). Его номинальные данные показаны на рис. 3.

Постоянная скорость двигателя сепаратора не позволяет управлять качеством цемента во время работы линии помола. Эксплуатационный опыт и результаты экспериментов, которые были проведены на заводе, показывают, что регулирование скорости двигателя сепаратора позволяет управлять качеством цемента во время работы линии, а также переходить с цемента одной марки на другую без остановки линии помола цемента.

Рис.1

Таблица I

Марка цемента Число лопастей крыльчатки Потери времени в 1987 г., час. Снижение объема производства, тонны

250 350 4-6 10-14 186,75 3642 3642

Итого 7284

^380В

Рис.2

90

во

70 60 50 АО 30 20 10

Рис.3

300 600 900 1200 М(Н.м)

Основными требованиям к электроприводу сепаратора являются:

1. Возможность регулирования скорости в одном направлении в диапазоне ко более 25%.

2. Повышенная кесткость механической характеристики электропривода (качество цемента существенно зависит от скорости двигателя сепаратора).

3. Возможность ограничения тока при пуске двигателя на уровне не более двухкратного номинального значения.

4. Использование существующего двигателя с фазным ротором.

5. Улучшение энергетических показателей асинхронного двигателя.

6. Простая и надежная в эксплуатации схема электропривода.

Для исследования и разработки электропривода необходимо

иметь механическую характеристику сепаратора. Анализ публикаций показал, что такие'сведения в технической литературе отсутствуют. Поэтому была поставлена задача получить механическую характеристику экспериментально на промышленной установке. С участием автора на цементном заводе "Сигуаней" была разработана и смонтирована временная схема реостатного управления приводным асинхронным двигателем. Определение момента на валу асинхронного двигателя осуществлялось расчетным путем по показаниям ваттметра и амперметра:

М=(Р1-31?Р1.)М .

где . Р1- потребляемая из сети трехфазная мощность;

11- ток фазы статора;

- активное сопротивление фазы статора;

У/о — скорость холостого хода.

Скорость на валу двигателя измерялась с помощью тахометра.

Экспериментальная механическая характеристика сепаратора ( Л1 ) показана на рис. 3. Зависимость момента от скорости практически линейна.

При экспериментах удалось получить цемент марки 350 за счет регулирования скорости. Наибольшее значение скольяения двигателя но превышает значения Б= 0,25 (см.рис.3). Цемент марки 250 выпускается при номинальной скорости двигателя сепаратора, который нагружен только на 40$ (см.рис.3).

Во второй главе сделан выбор системы электропривода для сепаратора. При выборе учитывается, что модернизация производится без замены двигателя. Так как для сепаратора применяется двигатель с фазным ротором, рассмотрены схемы с регулированием напряжения, реостатное регулирование и асинхронный вентильный каскад (см.рис.4).

В диссертации разработаны алгоритмы и программы, позволяющие провести приближенное сравнение энергетических показателей этих систем на базе схемы замещения АД без учета высших гармоник.

При регулировании напряжения наличие двух изменяемых величин - напряжения статора и сопротивления ротора - позволяет решить одновременно две задачи : регулирование скорости и оптимизации энергетических показателей АД за счет подбора соответствующего значения сопротивления ротора. В связи с этим в диссертации показаны зависимости напряжения статора и полного сопротивления ротора от скольжения при оптимизации по потерям, а также показаны результаты расчета, позволякщие- выбрать добавочное сопротивление в роторе Ро.ОПТ (рис.4,а), обеспечивающее минимум полных потерь АД.

При анализе схемы АВК (рис.4,в,г) учитывается, что выпрямитель в роторе АД представляет собой преобразователь активной энергии, в котором векторы добавочной э.д.с. и тока ротора совпадают по направлению (рис.4,д). Разработанная методика позволяет рассчитывать механические характеристики и энергетические показатели всех рассмотренных систем электропривода по единым исходным данным, в качестве которых используются параметры схемы замещения АД, приведенные к цепи его статора.они показаны в таблице 2.

Таблица 2

Схема ЭП КПД cos <р

U = VAR Rq=VAR АВК 0,724 0,707 0,864 0,790 0,472 0,480

Расчеты показали, что при работе сепаратора на пониженной скорости при регулировании напряжения будет обеспечиваться наибе» лее высокое значение COS р ,а схема АВК позволит работать с максимальным КПД.

РЕ1УЛИР0ВАШЕ НЛПРЯШМЯ 1 î

R^.onT

РЕОСТАТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ U=CONST

АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЬЙ КАСКАД

ПАЗ

i AJR'2+R;

m

Окончательный выбор системы электропривода сделан в пользу схемы с регулированием напряжения, так как условия эксплуатации требуют высокой надежности ЭП и минимальных габаритов дополнительного электрооборудования, которое на цементных заводах устанавливается в специальных пыленепроницаемых помещениях. При выборе ЭП учитывалось также, что несмотря на дополнительные потери в цепи ротора, КПД электропривода сепаратора при регулировании напряжения выше, чем в базовом варианте без регулирования скорости.

В третьей главе анализируется влияние высших гармоник на работу ЭП. При регулировании напряжения из-за значительной недогрузки двигателя необходимо работать при больших углах управления тпристорным преобразователем, а это приводит к существенному искажению токов в обмотках АД. •

Точный гармонический анализ переменных АД при питании от ТПН является сложной задачей, т.к. их форма зависит не только от угла управления ТПН, но и от параметров и режима работы АД- Такие расчеты требуют применения ЭВМ и требуют больших затрат машинного времени. Кроме того, выполнять точные расчеты имеет смысл только в том случае, если соответствующую точность имеют исходные данное. Как правило, при инженерных расчетах это условие выполнить трудно, поэтому была поставлена задача разработки методики для быстрых расчетов по приближенным соотношениям. Методика основана на замене реальных кривых тока статора приближенными кусочно-линейными зависимостями (рис.5).

В полном диапазоне изменения угла безтоковой паузы Й1 можно выделить 3 характерных случая (см.рис.5). При разложении кусочно-линейных функций в ряд Фурье получаются формулы для расчета амплитуд высших гармоник (см.рис.5). Результаты расчетов 5-й и 7-й гармоник по разработанной методике показаны сплошными линиями на рис.6. Для оценки точности расчета разработана программа для гармонического анализа реальных токов, результаты расчетов показаны штриховыми линиями на рис.6. Сравнение коэффициентов искажения и гармоник по точной и приближенной методике показывает что погрешность не превышает 4%. С помощью разработанной методики уточнены энергетические показатели системы ТПН-АД при работе сепаратора на пониженной скорости. Коэффициент искажения составляет 96%, т.е. коэффициент мощности ЭП ухудшается на 4$. Потери от наиболее существенной пятой гармоники тока в обмотках

IC

- 12 -

v V_ 277"

/

-wt

2AA

Ictk,=7TK2l7r-3¿r)1----- 2

[SlN(jff-)SÍN(-M-)SÍN( Kt7r;3yl )] ^ 3 6

A e/x

ic

30°Í

'11'-77/2 \ 77 2 77

^tl Jf 4

y

f

LS

wt

Ic(k) =_£A s¡N(J^r,[ s¡N¡ Jij^Vv^r), S¡N, jO^) , X77 K 2 2 2

30* 40* 50* 60" 30* 40* 50* 60

ic

:A A

60°€ ¿f<120* 77 27T

¿72

JJV

-»-wt

I clkl ■ Tftf^fi SÍNI Jffi-)C0S( Jatl [i-COSI J<i2C3£!| ]

PHC. 5

двигателя составляют примерно от номинальных потерь, а снижение КПД не превышает 0,45?.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям характеристик электропривода ТПН-АД с целью разработки замкнутой системы, обеспечивающей стабилизацию скорости электропривода и повышение его энергетических показателей. При этом учитывалась нежелательность применения тахогенератора и получения информации аз цсоп ротора двигателя. Первое ограничение вызвано тяжелил условия™ эксплуатации, а второе - значительной удаленностью асинхронного двигателя от помещения в котором установлен ТИН. Поэтому при разработке замкнутой системы была поставлена задача получить сигнал обратной связи из статоряой цепи АД.

На рис. 7 показаны мгновенные значения напряжена;! и тока фазы статора АД, питающегося от ТПН (сплошные линии), а также их первые- гармоники (штриховке линии). Из этого рисунка видно, что утол ф>{1) между первыми гармониками напряжения и тока статора определяется следующим выражением:

где: - угол сдвига между напряжением л током;

^ - угол бестоковой паузы.

Из этого выражения следует:

■¿Г=2(9ш-/3)

В диссертации рассмотрена замкнутая система, использующая это выражение для угла ^ , который определяет входное напряжение преобразователя при синхронизации системы фазового управления преобразователя напряжением, пропорциональным току статора АД. Угол получается путем суммирования задающего сигнала

ф(1) и сигнала отрицательной обратной связи • Для выделения необходимо иметь первую гармонику напряжения статора, которая вцделяется с помощью фильтра.

Механические характеристики замкнутой системы с обратной связью по углу ф при линейном регуляторе показаны на рис.8. Увеличение коэффициента усиления линейного регулятора вызывает неустойчивые режимы. Увеличить жесткость механических характе-

ристик можно за счет применения нелинейного регулятора. Например, при использовании регулятора с характеристикой на рис. 9 получается механическая характеристика, показанная штриховой линией на рис. 8. Принципиальная схема нелинейного регулятора приведена в диссертации.

Результаты исследований показали, что замкнутая система с обратной связью по углу (3 обеспечивает стабилизацию скорости сепаратора при производстве цемента марки 350.

Результаты экспериментальных исследований системы ТПН-АД применимы для всех асинхронных двигателей средней и большой мощности, так как диапазоны изменения углов , Ср(1) , ^ для этих двигателей отличаются несущественно..

В пятой главе рассмотрены результаты промышленных? испытаний опытного образца электропривода на цементном заводе "Сигуаней" Республики Куба. Схема опытного образца электропривода показана на рис. 10, а его механические характеристики на рис. II.

Для перехода на производство цемента другой марки необходимо включить или отключить кснтактор КМ2. Поддержание требуемого значения скорости осуществляется вручную с помощью потенциометра РС. Указание на коррекцию скорости поступает из лаборатории, осуществляющей текущий контроль качества цемента.

В разомкнутой системе электропривода (без узла, показанного пунктиром на рис. 10) механические характеристики имеют вид, показанный сплошными ля .тая:.;;), а в замкнутой системе - штриховыми линиями.

При испытаниях опытного образца в течение 4-х месяцев получен следующий технико-экономический эффект:

1. Объем производства цемента увеличился на 1,б£.

2. Производительность труда повысилась на 1,65?.

3. Экономия электроэнергии составила 8,7$.

В приложениях приведены прикладные программы, разработанные в диссертации для следующих расчетов:

1. энергетических показателей АД при и = УАЯ и Ра=УАР ;

2. энергетических показателей АД для АВК;

3. гармонического анализа тока статора в системе ТПН-АД.

Описаны разработанные узлы схемы управления электроприводом

в замкнутой системе по углу ^

^380 В

hî ± "л i A Я

TP ;fl>KT'

i ГКОБ/МИН)

880

688 (S=0.23 6)

Рио. 10

•250

ест. x-ka

РномМЗО кВт

А00 511

Mh = U10

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Изучены свойства сепаратора и определены требования к регулируемому электроприводу.

2. Разработаны алгоритмы и программы для оценки энергетических показателей регулируемых электроприводов с фазным асинхронным двигателем. Показано, что при значительной недогрузке электропривод сепаратора с регулированием напряжения имеет достаточно высокие энергетические показатели.

3. Разработаны алгоритмы и программы для приближенного гармонического анализа тока статора асинхронного двигателя, питающегося от тиристорного преобразователя напряжения. Погрешность расчета не превышает 4$ а машинное время уменьшается примерно в 300 раз. Показано, что высшие гармоники незначительно ухудшают энергетические показатели электропривода.

4. Исследованы свойства замкнутой системы электропривода с обратной связью по углу (3 • Установлено, что при линейном регуляторе жесткость механических характеристик примерно такая же, как при номинальном напряжении. Предложена простая схема нелинейного регулятора, позволяющая повысить жесткость механических характеристик. Разработанная схема замкнутой системы обеспечивает стабилизацию скорости и повышение энергетических показателей электропривода.

5. Опытный образец электропривода внедрен и испытан на одном из цементных заводов Республики Куба. Эксплуатация электропривода в течении 4 месяцев показала, что достигается следущий технико-экономический эффект:

- повышается качество цемента;

- увеличивается объем его производства;

- повышается производительность труда;

- снижается потребление электроэнергии;

- улучшаются условия труда.

_По теме диссертации опубликована следующая работа:_

I. Рожанковский Ю.В., Родригес Х.Р. Алгоритм расчета системы '1Ш-ДД П Управление, кибернетика и автоматизация - Гавана - 1991 - № I - С. 8 - 14 ( на исп. языке ).

Бесплатно.