Пуск частотно-регулируемого асинхронного двигателя с дебалансным ротором Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.313.333

В. Н. ДМИТРИЕВ, А. А. ГОРБУНОВ

ПУСК ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДЕБАЛАНСНЫМ РОТОРОМ

Исследованы пусковые режимы асинхронных двигателей вибраторов с дебалансным ротором. Показано, что применение, дебалансов с переменным статическим моментом позволяет уменьшить пульсации скорости и сократить время пуска. Определены условия запуска при переменной частоте сети.

Возникновение и развитие ряда новых областей науки и промышленности в последнее время вызвало необходимость в вибрационных системах с регулируемыми амплитудно-частотными характеристиками. Необходимость в таких системах в настоящее время ощущают строительная, горная, химическая промышленности, нефтяная и рудная геофизика, ряд областей науки.

Одной из наиболее сложных задач, возникающих при создании управляемых вибрационных систем, является задача разработки частот-но-управляемого привода вибраторов, выполненного на базе асинхронных двигателей с деба-лансными роторами.

Основным способом пуска асинхронных вибрационных двигателей является их непосредственный асинхронный пуск от питающей сети. Большая величина механических потерь, увеличенный момент инерции дебалансного ротора, наличие пульсирующего вибрационного момента и периодического момента тяжести дебалансов определяют особенности условий запуска двигателей и вызывают необходимость изучения этого вопроса.

Известно, что наличие дебалансных масс на роторе двигателя увеличивает его механическую постоянную времени в десять и более раз и, следовательно, определяет возможность пренебрежения влиянием электромагнитных процессов на пусковые режимы вибродвигателей.

Исходными уравнениями при исследовании вибрационной системы с одной степенью свободы являются:

У (со )- = М((£>)-Мн + m0R( со )g sincoí+Mi (со), О)

dt

d2x . dx T _ . ч ->

m ——+ b — + kx = m0R(со )co ~ eos со

dt

dt

(2)

Mu = xm 0 i? (со )co 2 sin со t,

(3)

m

o

где У (со) - момент инерции дебалансного ротора; М{со) - механическая характеристика асинхронного двигателя; Мл - вибрационный момент; - масса дебалансов; Я (со) - переменный

эксцентриситет дебалансов; Мх (со) - момент механических потерь; ш - масса виброплатформы; х - смещение системы; Ь - коэффициент сопротивления системы; к - жёсткость упругих связей системы; g - ускорение силы тяжести.

Выражение (1) представляет собой уравнение движения привода. Особенностью этого уравнения является зависимость момента инерции от скорости вращения, что объясняется наличием на валу двигателя дебалансов с переменным от скорости статическим моментом. Применение же вибраторов с. нерегулируемыми дебалансами вызывает квадратичное возрастание возмущающей силы от частоты и крайне неравномерный график загрузки двигателей.

Выражение (2) списывает уравнение движения вибрационной системы, а уравнение (3) представляет собой выражение вибрационной нагрузки в общем виде, т. е. с учётом постоянной и переменной её составляющих.

Представленная система нелинейных дифференциальных уравнений не имеет простых аналитических методов решения. Эффективным средством решения таких уравнений являются вычислительные машины.

В задачу исследований входило:

1 определение влияния величины дебалансных масс и частоты сети на длительность пускового процесса;

2 изучение пуска двигателя в первый полупериод вращения;

3 определение влияния формы асинхронной характеристики на условия запуска вибродвигателя.

Результаты исследования длительности пускового процесса, полученные на ЭВМ для частотно-регулируемого асинхронного двигателя в приводе вибратора ИВ-24, и некоторые опытные данные (в знаменателях дробей) приведены в таблице 1.

В. Н. Дмитриев, А. А. Горбунов, 2005

Таблица 1

Результаты расчёта и экспериментальные данные пусковых режимов дебалансного вибродвигателя

J, кгм~ / Мд, Им

п/п 0.084 10 0.066 7.5 0.048 5.0 0.029 2.5 0.011 0 f, Гц Примечания

1 2 7.30 Не пуск 5.7 2.1 2.95 1.54 1.87 0.95 0.58 0.34 5.0 2.5 Нерегулируемые дебалансы

-J 4 Не пуск Не пуск Не пуск Не пуск 1.38 Не пуск 0.90 1.05 0.32 0.35 1.5

Не пуск Не пуск Не пуск Не пуск Не пуск Не пуск 0.90 0.95 0.30 0.30 1.0

5 6 7 4.16 Не пуск Не пуск 3.28 1.60 Не пуск 2.05 1.15 1.25 1.10 0.75 0.82 0.58 0.34 0.32 5.0 2.5 1.5 Дебалансы с переменным статическим моментом

8 Не пуск Не пуск Не пуск 0.90 0.30 1.0

9 3.40 2.15 1.45 0.90 0.30 1.0 Ось ротора вертикальная

Исследования показали, что наличие на роторе дебалансных масс вызывает значительное увеличение времени пуска двигателя, которое при номинальной частоте сети может достигать семи и более секунд.

Наибольшее влияние на продолжительность пускового процесса в дорезонансном режиме оказывают величина момента инерции дебалансного ротора и частота питающей сети. Снижение частоты сети вызывает практически пропорциональное уменьшение времени пуска в диапазоне 25-50 Гц (при условии изменения напряжения пропорционально частоте). При дальнейшем снижении частоты время запуска изменяется незначительно, что можно объяснить существенным падением величины электромагнитного момента.

Применение дебалансов с переменным статическим моментом позволяет сократить время пуска вследствие нескольких факторов: постепенного уменьшения момента инерции и снижения величины центробежной силы, что, в свою очередь, вызывает пропорциональное уменьшение вибросмещения системы, и в квадрате уменьшая величину вибрационной нагрузки. При частоте сети ниже 20 Гц изменение статического момента дебалансов незначительно уменьшает время запуска, что объясняется несущественным изменением

статического момента дебалансов, а, следовательно, и момента инерции и величины вибрационной нагрузки в указанном диапазоне частот.

При вертикальном расположении оси дебалансного ротора периодический момент силы тяжести дебалансов исчезает, и условия запуска вибродвигателя значительно улучшаются, однако время пускового процесса остается неизменным.

Большую практическую важность имеют исследования пусковых режимов вибродвигателя с величиной статического момента дебалансного ротора соизмеримой с величиной пускового момента двигателя.

Если для асинхронных вибраторов, предназначенных для работы на промышленной частоте, этот вопрос не является актуальным, так как их пусковой момент в 3-4 раза превышает статический момент дебалансов, то при частотном управлении появляется необходимость в увеличении статического момента дебалансов на низких частотах, и изучение пусковых режимов приобретает важное значение.

На рисунке 1 представлены кривые изменения скорости двигателя с дебалансным ротором в пусковом режиме, полученные решением уравнений (1,2, 3) на ЭВМ.

со

Рис.1. Пусковые характеристики асинхронного вибродвигателя

Анализ результатов исследований показывает, что скорость вибродвигателя в процессе асинхронного пуска нарастает неравномерно и, при определённой величине статического момента дебалансов, имеет место провал скорости в первый полупериод вращения до полной остановки ротора - критический режим (рис. 1, кривая 2, Мд = \.ЪЪМп\ где Мд - статический момент дебалансов, Мп - пусковой момент двигателя. При этом время пускового процесса наибольшее. Дальнейшее увеличение момента дебалансов исключает возможность асинхронного запуска вибродвигателей (кривая 1, Мд = \АЪМп). С уменьшением момента дебалансов провалы в скорости вращения уменьшаются и условия пуска улучшаются (кривая 3,

Мд = Мп и кривая 4, Мд = ОЯМп).

Максимальная скорость вибродвигателя в первый полупериод вращения в режиме, близком к критическому, не превышает 10-12 1/с. Вследствие этого можно сделать вывод, что нахождение предельного значения момента дебалансов, при котором возможен асинхронный запуск двигателя, может производиться без учёта изменения статического момента дебалансов, вибрационного момента и момента механических потерь.

Система уравнений (1, 2, 3), в случае пренебрежения вышеуказанными факторами, примет вид

Jo — + Мд simp - Мп. dt

Исходя из уравнения (5) можно получить аналитические выражения для расчёта экстремальных значений скорости вибродвигателя в критическом режиме.

Из уравнения (5) следует, что скорость двигателя будет возрастать до тех пор, пока величина момента от силы тяжести дебаланса не достигнет величины пускового момента.

Отсюда угол поворота ротора, соответствующий максимальной скорости вибродвигателя, в первый полупериод вращения составит

Ф

Мп

max

- arcsin

m0Rd

(6)

Интегрируя уравнение (5) в пределах

СО

от 0 до со

max

И

ф от 0 до ф

max

V/ м

найдем выражение для расчета максимальной скорости дебалансного ротора в первый полупериод запуска

1

«шах =1-41.1-

J

/

.. . Мп ... . Мп

Мп arcsin--Мд + Мд cos arcsin

\

ч

Мд

Мд

/

(7)

Минимальное значение скорости вибродвигателя будет наблюдаться при уменьшении момента силы тяжести дебалансного ротора до величины пускового момента:

Mn=Mds т(л-фП1ах).

(8)

Выражение для расчёта минимального значения скорости можно получить, интегрируя уравнение

*>min

К ~ф

ш

J со J со = у J (Ми - Мд sin cp (9)

ГЛОХ

max

Откуда

J^- = Мп - Mdsinco/ dt

(4)

и может оыть решена аналитически.

С учётом соотношения ф = со / уравнение

(4) запишется как

Мп(тс - агсБт1^) - Мд - Мд соь&тсьт^-

Мд Мд

(10)

Анализ результатов расчёа показывает, что при отношении Мд!Мп «1.33 скорость вибродвигателя в процессе пуска уменьшается до

полной остановки (сот1П = 0), что соответствует неустойчивому граничному режиму. Дальнейшее увеличение статического момента дебалансов сопровождается изменением направления вращения ротора, вибродвигатель не запускается.

С уменьшением отношения Мд/ Мп минимальное и максимальное значения скорости возрастают, при Мд - Мп минимальное значение скорости достигает уровня максимального. При этом провал скорости при запуске отсутствует, что подтверждается решением задачи на ЭВМ и экспериментальными исследованиями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Чернышев,А. Ю.? Дмитриев В. Н. Экспериментальные исследования равномерности вращения электрических машин // Известия Томского политехнического института. -Т. 301.- 1975.-С. 51-55.

2. А. с. 207, СССР, МКИ В06 В 1/16 / Вибратор / Дмитриев В. Н., Кулаков В. Ф., Семкин Е. В. // БИ. - 1975. - № 32.

Дмитриев Владимир Николаевич - доктор технических нсгук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Имеет статьи в области электрических машин и автоматизированного электропривода.

Горбунов Алексей Александрович - спирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Имеет публикации в области автоматизированного электропривода.