Частотно-регульовані асинхронні двигуни для екскаваторів
на правах рукопису
КАЧАЛІНА Олена Вікторівна
ЧАСТОТНО-РЕГУЛЮВАНІ АСИНХРОНІ ДВИГУНИ ДЛЯ
ЕКСКАВАТОРІВ
Спеціальність 05.09.01 – Електромеханіка та електричні апарати
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Роботу виконано на кафедрі Електромеханіки Московського енергетичного інституту (технічного університету).
Науковий керівник – доктор технічних наук, доцент
БЕСПАЛОВ Віктор Якович
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Мамедов Фуад Алійович
- кандидат технічних наук
Машкін Володимир Геннадійович
Провідне підприємство - ВАТ "Рудоавтоматика"
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці МЕІ.
Автореферат розісланий "27" травня 2010 р.
спеціалізованої вченої ради Д.212.157.15
канд. техн. наук, доцент Рябчицький М.В.
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Ефективність та оптимальність режимів роботи більшості механізмів багато в чому забезпечується регульованим електроприводом, тому створення простих, надійних та економічних електроприводів, що відповідають сучасним технологічним та експлуатаційним умовам, є на сьогоднішній день актуальною проблемою.
В даний час екскаватори українських виробників експлуатуються з наднормативним терміном служби, тому необхідно проводити модернізацію обладнання головних електроприводів екскаватора.
Враховуючи важкі умови експлуатації екскаваторних електроприводів, як система електроприводу змінного струму слід застосовувати систему «Безпосередній перетворювач частоти – асинхронний двигун» (НПЧ-АТ). НПЛ було розроблено на кафедрі АЕП МЕІпід керівництвом професора Ключева В.І.. Дані перетворювачі вже понад п'ятнадцять років успішно експлуатуються на екскаваторах як тиристорні збудники генераторів і добре себе зарекомендували. Заміна двигунів постійного струму асинхронними двигунами, керованими за допомогою безпосередніх перетворювачів частоти, дозволить збільшити ККД системи електроприводу, забезпечить енергозбереження та підвищить експлуатаційні показники, що загалом має забезпечити економічний ефект. В даний час немає спеціальних асинхронних двигунів для головних електроприводів екскаватора, тому розробка таких машин є актуальним завданням.
Мета роботи. Розробка та дослідження частотно-регульованих асинхронних двигунів для головних електроприводів екскаватора.
Досягнення поставленої мети ставилися такі:
- Дати теоретичне обґрунтування заміни двигунів постійного струму на двигуни змінного струму, що живляться від перетворювача частоти.
- Обґрунтувати структуру керування екскаваторним електроприводом у системі НПЧ-АТ, що забезпечує виконання сукупності технологічних вимог.
- Розробити частотно-регульовані асинхронні двигуни, які можна вбудовувати в корпуси двигунів постійного струму основних механізмів екскаватора.
- Провести багатоваріантне проектування таких асинхронних двигунів на різні числа фаз і частоти живлення.
- Провести порівняння характеристик двофазних та трифазних двигунів з двошаровими та одношаровими обмотками.
- Провести теоретичне дослідження механічних та електричних навантажень головних електроприводів кар'єрних екскаваторів у циклі екскавації.
- Для дослідження працездатності та енергоспоживання розробитиімітаційну модель екскаваторного частотно-регульованого АТ, і її основі досліджувати його статичні і динамічні характеристики на циклі екскавації.
Методи дослідження. Дослідження виконувались з використанням базових законів теоретичних основ електротехніки, із застосуванням теорії узагальненої електричної машини, методів проектування та математичного моделювання трифазних та двофазних АТ.
Експериментальні дослідження виконувались на розробленому та виготовленому макетному зразку двофазного двигуна для приводу напору екскаватора, що працює від НПЛ.
Нові наукові положення, що виносяться на захист.
- Узагальнено вимоги до екскаваторних частотно-регульованих асинхронних двигунів.
- На підставі цих вимог показано можливість застосування двофазних АТ, у тому числі з одношаровими обмотками АТ для головних електроприводів екскаватора, що працюють за системою НПЧ-АТ.
- Створено імітаційну модель двофазного асинхронного двигуна.
- Розроблено варіант конструктивної модернізації основних електроприводів кар'єрного екскаватора ЕКГ-10 за системою НПЧ-АТ.
Практична цінність роботи полягає у розробці економічних, надійних АТ, що працюють за системою НПЧ-АТ, що повністю задовольняють комплексу сучасних технологічних та експлуатаційних вимог до екскаваторних двигунів. Розроблена модель дозволяє всебічно досліджувати процеси в основних електроприводах кар'єрних екскаваторів, виконаних на базі потужних двофазних АТ. Основні результати дисертації використовуються ВАТ «Рудоавтоматика» для розробки головних електроприводів екскаватора ЕКГ-5, ЕКГ-10 за системою НПЧ-АД.
Апробація роботи.
Структура та обсяг роботи. Дисертаціяскладається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури з 97 найменувань. Робота викладена на 170 сторінках, містить 55 малюнків та 20 таблиць.
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та конкретизовано основні завдання та способи їх вирішення.
У першому розділі проаналізовано основні розробки та дослідження в галузі екскаваторного електроприводу. Сформульовані цілі та завдання теоретичного та практичного досліджень.
Подано сучасний технічний стан парку кар'єрних екскаваторів. На підставі цього узагальнено комплекс технологічних та експлуатаційних вимог до екскаваторних асинхронних двигунів. Обґрунтовано використання НПЛ для основних електроприводів екскаватора. Показано необхідність розробки спеціальних асинхронних двигунів для основних електроприводів екскаваторів.
Об'єктивна доцільність використання системи НПЧ-АТ у додатку до екскаваторного електроприводу диктується такими причинами:
- необхідністю зниження втрат енергії у циклі (високий ККД системи НПЧ-АТ за рахунок одноразового перетворення електричної енергії);
- Ефективністю енергоспоживання, зниженням витрат на електроенергію (можливість вільного обміну енергією між двигуном і мережею живлення, рекуперація енергії в мережу без додаткових пристроїв);
- забезпечення високої якості регулювання в динаміці, зниження зносу механічного обладнання (плавне регулювання амплітуди та частоти основної гармоніки вихідної напруги);
- підвищенням надійності екскаваторного двигуна для зменшення простою екскаваторів внаслідок витрат часу на обслуговування щітково-колекторного вузла двигунів постійного струму;
Дослідженням системи НПЧ-АТ для екскаваторного електроприводу займалися ВАТ «Електропривід», інститут «Гіпровуглеавтоматизація», група екскаваторного електроприводу кафедри АЕП МЕІ: Баранов Ю.М., Дякую Д.А., Гаврилову М.П., Грекову Е.Л., Кадиров І.М., Ключев В.І., Микитченко А.Я., Миронов Л.М., Полянінов Г.А., Попов В.А. Значний внесок у розвиток наукових та експериментальних досліджень двофазних асинхронних двигунів зробили Адаменко А.І., Аликумов К.А., Беспалов В.Я., Іванов-Смоленський А.В., Касик П.Ю., Копилов І.П., Костраухас П.І., Лопухіна Є.М., Мамедов Ф.А., Машкін В.Г., Меренков Д.В., Несговорова Є.В., Семенчук Г.А., Синьова Н.В., Торопцев Н .Д., Чечет Ю.С., Хрущов В.В., Юферов Ф.М. та ін.
Однак у відомих роботах не розглядаються особливості двофазних двигунів великих потужностей, що працюють від двофазного перетворювача частоти. Тому розробка спеціальних екскаваторних АТ є актуальним завданням.
Друга глава присвячена опису вимог, що пред'являються частотно-регульованим АТ.
Форма пазів ротора. Внаслідок "м'якого" частотного пуску на роторі не потрібні глибокі пази (рис. 1). Під час проектування таких двигунів не слід ставити завдання забезпечення високих кратностей пускового моменту, оскільки вони виходять автоматично в замкнутій системі регулювання. Керуючи частотою і напругою, можна регулювати як швидкість обертання, а й ковзання, тобто. мінімізувати втрати у роторі. А векторне управління дозволяє підтримувати таку величину реактивної складової струму статора, коли коефіцієнт потужності і ККД найбільші. Великі широкі пази (h/b
Синусоїдність напруги. Вважається, що перетворювач тим краще, чим більшу синусоїдність напруги або струму він.забезпечує. Ця вимога йде від серійних двигунів, в конструкції яких передбачається ряд заходів, що забезпечують синусоїдальність поля в повітряному зазорі (розподіл обмотки по пазах, скорочення її кроку та скіс пазів, а в синхронних двигунах ще й профіль полюсів).
У повітряному зазорі частотно-регульованого двигуна змінного струму присутні гармоніки поля: тимчасові порядки k, просторові порядки та їх комбінації. Вони обертаються зі швидкостями n.k=60k/f/p. При k= n.k=n1 і комбінаційна гармоніка може обертатися у бік основний, додаючи свою складову в корисний момент.
Паралельні гілки. Обмотка статора повинна мати мінімально можливу кількість паралельних гілок.
Враховуючи всі вище зазначені вимоги до частотно-регульованих АТ, проводиться розробка трифазних і двофазних частотно-регульованих асинхронних двигунів, які вбудовуються в корпус двигуна постійного струму.
У третьому розділі проводиться порівняльний аналіз характеристик 3-х фазних та 2-х фазних АТ, виконаних з двошаровою обмоткою та одношаровою обмоткою. Використання НПЛ з двофазними АТ є доцільним розробки нових електроприводів за системою НПЧ-АТ для низки екскаваторів. Насамперед це пов'язано із загальною вартістю електроприводу: двофазна система дешевша, тому що сумарна кількість тиристорів у схемі менша, як видно з рис. 2 та 3.
- Схема трифазної системи НПЛ-АТ
- Схема двофазної системи НПЛ-АТ
Алгоритми програми комп'ютерних розрахунків електродвигунів було розроблено за методиками, які у списку літератури у дисертації. АТ розраховувалися на максимальну частоту діапазону регулювання.
Істотно те, що при живленні від перетворювача частоти двофазному АТ не потрібні фазозміщувальні елементи (це так званий "зсув схемою"), магнітне поле в машині буде круговим за будь-яких навантажень і ковзання.