CC BY
98
УДК 621.313.333
А. А. ГОРБУНОВ, Е. Н. ГАВРИЛОВ, В. Н. ДМИТРИЕВ
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЗАРЕЗОНАНСНЫХ ВИБРОМАШИН (ЭФФЕКТ ЗОММЕРФЕЛЬДА)
Рассматриваются особенности пусковых режимов зарезонапсных вибрационных машин. Представлены результаты математического моделирования динамики вибросистемы, иллюстрирующие эффект Зоммерфельда.
Ключевые слова: математическая модель, вибрационная машина, зарезонансный режим.
Широкое применение на практике получили вибрационные машины и установки, работающие в зарезонансной зоне частотной характеристики (сейсмоиспытательные установки, виброплощадки, вибротранспортёры и т. д.). При заре-зонансном режиме наиболее удачно сочетаются сравнительно небольшие величины дебалансных масс и жёсткости упругих элементов при достаточно большой амплитуде колебаний рабочего органа. Эта область наиболее эффективна для вибрационных машин тяжёлого типа. К другим достоинствам зарезонансных вибромашин следует отнести их весьма малую чувствительность к изменению нагрузки в стационарных режимах и, как следствие, отсутствие надобности в регулировании частоты, поскольку не возникает опасность нарастания амплитуд и соскальзывания в резонанс. Кроме того, небольшая жёсткость упругих элементов обеспечивает значительное снижение динамических нагрузок, воздействующих на несущие конструкции сооружений, поэтому отпадает необходимость в мощных фундаментах. Важным преимуществом зарезонансных вибромашин является их конструктивная простота (в случае одномассовой системы). Однако вибромашины такого типа обладают и недостатками, обусловленными сложностью процесса запуска и необходимостью прохождения через зону резонанса. Момент сопротивления зарезонансных вибромашин в зависимости от частоты вращения двигателя Мер =/(оз) показан на рис. 1. В этой кривой имеется участок ас1Ь с точкой максимального значения момента сопротивления, которая соответствует резонансной области работы вибромашины.
Там же даны механические характеристики асинхронного двигателя Мад=/(со) при номи-
© А. А. Горбунов, Е. Н. Гаврилов, В. Н. Дмитриев, 2009
нальном напряжении литания Цн, а также при меньших значениях напряжения <£//<£///).
Анализ процессов при пуске зарезонансных машин [1,2] показывает, что пиковое значение момента сопротивления (участок ас1Ь) соответствует переходу резонансного режима при медленном увеличении частоты вращения, то есть пиковой амплитуде колебаний из амплитудно-частотной характеристики системы.
Если же увеличить темп изменения частоты колебаний, то при переходе резонансной зоны колебательная система не успевает раскачаться до пикового значения амплитуды колебаний, соответствующей резонансу из-за ускорения со стороны привода.
Чем большим ускорением воздействует привод на колебательную систему, тем меньше будет её амплитуда колебаний при переходе через резонансную область. Меньшие амплитуды колебаний при данной частоте будут создавать соответственно меньшие моменты сопротивления. Поэтому
Рис. 1. Механические характеристики вибромашины и асинхронного двигателя
при пуске с определённым ускорением двигателю препятствуют не пиковые значения момента, а меньшие значения (участок асЬ или aeb).
Если двигатель пускается до установившегося значения частоты вращения сог с большим средним движущим моментом (характеристика асинхронного двигателя при U-UhX то встречает противодействие момента сопротивления с меньшим средним значением, и наоборот, если напряжение сети снижается, то из-за уменьшения динамического момента ускорение также снижается, колебательная система при переходе резонансной области раскачивается до больших значений амплитуд колебаний. А это ведёт к возрастанию пикового значения момента сопротивления.
В условиях эксплуатации вибромашин может быть такое сочетание указанных обстоятельств, когда пуск системы происходит при сниженном напряжении питания сети, и привод «застревает» в промежуточной частоте пусковой зоны, соответствующей резонансной области электромеханической колебательной системы, так как наступает равновесие между мощностью, развиваемой двигателем, и мощностью, идущей на преодоление сопротивлений [3]. И при дальнейшем увеличении напряжения питания до номинального значения привод не может преодолеть возросшее значение Мер. Это чревато опасностью перегрева обмоток двигателя. Названное явление получило название «эффект Зоммер-фельда». Возрастанию пикового значения Мер* кроме указанных причин, могут способствовать ещё увеличение трения в вибромашине, изменение нагрузки по величине и характеру, что часто имеет место на практике.
В большинстве случаев электрические сети заводов строительной индустрии и строительных площадок питаются от относительно мало-
Рис. 2. График изменения частоты вращения асинхронного двигателя (эффект Зоммерфельда)
мощных трансформаторов, и часто мощности нескольких двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, оказываются соизмеримы с мощностью трансформатора. А так как электродвигатели заводов строительной индустрии преимущественно работают в повторно-кратковременном режиме, то стечение обстоятельств, когда двигатель «застревает» на пусковой частоте вращения, вполне возможно. Это означает, что двигатель, имеющий механическую характеристику, соответствующую Uj, и встречающий сопротивление adb, не способен разогнаться до требуемой номинальной частоты. Он будет работать на пониженной частоте. Эффект Зоммерфельда иллюстрирует рис. 2, полученный при помощи математического моделирования процессов, происходящих в вибросистеме. Здесь показан такой случай.
Застревание происходит при достаточно малом значении статического момента дебаланса при том, что максимальный момент двигателя превышает максимальный момент сопротивления. Это указывает на необходимость учёта всех видов сопротивлений, встречающихся в пусковом режиме. И, если в известных работах дано обоснование пренебрежения вибрационным моментом при пуске в дорезонансную область для аналитических расчётов, то при зарезонанс-ном пуске такое пренебрежение недопустимо.
Если запускать тот же двигатель при повышенном напряжении питающей сети, или использовать более мощный двигатель, то это обеспечит разгон двигателя до номинального режима и устойчивую работу вибромашины в зарезонансном режиме. Решением всей проблемы, когда обеспечивается надёжный пуск и торможение, максимальная производительность, сокращение сроков наладки в условиях изменяющихся параметров самой машины и нагрузки, является применение автоматизированного электропривода с небольшим диапазоном регулирования частоты вращения и регулируемых дебалансов. Обычно пределы регулирования бывают до 1.5:1, реже 2:1. Особенностью регулирования частоты вращения виброприводов является требование более тонкого регулирования частоты вращения по сравнению с обычными электроприводами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Базаров, Н. X. Автоматика вибромашин / Н. X. Базаров. - Ташкент : Узбекистан. 1976. -118 с.
2. Вибрации в технике: справочник. В 6 т. Т. 4. Вибрационные процессы и машины / под ред. Э. Э. Лавендела. - М. : Машиностроение,
1981. — 509 с.
3. Кононенко, В. О. Колебательные системы с ограниченным возбуждением / В. О. Кононенко. - М.: Наука, 1964.-254 с.
Горбунов Алексей Александрович, старший преподаватель кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ.
Гаврнлов Евгений Николаевичу аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Дмитриев Владимир Николаевичу доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ.
УДК 621.313.333
Е. В. ТУМАЕВА, Н. И. ГОРБАЧЕВСКИЙ, Е. Н. ГАВРИЛОВ, Р. Н. ГАНИЕВ
РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ АВТОШИН
В сжатой форме рассмотрены основные результаты 10-летней практики внедрения частотно-регулируемых электроприводов в действующем производстве автошин.
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, эффективность использования асинхронных двигателей, метод эквивалентного тока.
Наметившийся в стране значительный рост промышленного производства в последние годы обусловил требование внедрения высокоэффективных энергосберегающих технологий, которые, как правило, базируются на применении регулируемых электроприводов.
Современные регулируемые электроприводы являются не только энергосиловой составляющей производственного механизма, но и средством реализации задач технологического процесса, так как задачи по реализации качества производственных процессов возлагаются на системы управления регулируемыми электроприводами в сочетании с системами технологической автоматики [1].
Решение задач энергосбережения в системах автоматизированного электропривода (АЭП) возможно по двум направлениям [2]:
- оптимизация производственно-технологических задач;
- внедрение современных частотно-регулируемых приводов (ЧРП).
До недавнего времени основой регулируемых электроприводов на территории ОАО «Нижнекамскшина» являлись двигатели постоянного тока, но в последнее время в рамках про-
© Е. В. Тумаева, Н. И. Горбачевский, Е. Н. Гаврилов, Р. Н. Ганиев, 2009
граммы модернизации их заменяют асинхронными двигателями, получающими питание от преобразователей частоты. Это связано с низкой стоимостью и эксплуатационными преимуществами последних. В настоящее время доля внедрения ЧРП на заводе грузовых шин ОАО «Нижнекамскшина» в общем объёме технологических приводов составляет 45%, ведутся дальнейшие работы по модернизации. Задача модернизации электропривода является не простой, поскольку её решение должно быть выполнено на основе ряда критериев.
ч Замена двигателя - один из главных этапов модернизации электропривода, так как именно двигатель осуществляет электромеханическое преобразование энергии и в значительной мере определяет технические и экономические качества привода в целом. Выбор механической передачи обычно осуществляется вместе с выбором двигателя и производится с учётом правила: комплекс «двигатель - передача - рабочий орган» должен отвечать принятому критерию, в качестве которого может использоваться минимальная масса, минимальная стоимость, максимальный КПД и т. п. В приводах, где существенны динамические режимы, в качестве критерия может рассматриваться минимизация потерь энергии.
Одним из основных требований к двигателю является надёжность его работы при минимуме
