CC BY
23
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.313.333
В. Н. ДМИТРИЕВ, А. А. ГОРБУНОВ, И. И. МАВЗЮТОВ
РЕГУЛИРУЕМЫМ ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЬ ДЛЯ НИЗКОЧАСТОТНБ1Х ВИБРОМАШИН БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
Рассматривается новая конструкция регулируемого вибровозбудителя, имеющего дебалансный механизм, совмещённый с вентилятором. Приведены результаты математического моделирования, подтверэ!сдающие эффективность применения разработанного устройства в мощных низкочастотных вибромашинах и установках.
Ключевые слова: регулируемый вибровозбудитель, пусковые режимы, математическая модель.
В большинстве промышленных вибрационных установок в качестве вибровозбудителя используется асинхронный двигатель с корот-козамкнутым ротором, имеющий на своем валу нерегулируемый дебаланс - асинхронный дебалансный вибродвигатель (АДВД), работающий в составе разомкнутой системы автоматического управления (САУ), что не отвечает в полной мере технологическим требованиям вибрационных процессов [1]. Задача повышения эффективности виброустановок на базе АДВД связана с разработкой и внедрением частотно-управляемого асинхронного вибрационного электропривода с регулируемыми дебалансами, а в ряде случаев с созданием резонансной САУ.
Особое значение для мощных низкочастотных вибромашин имеют пусковые режимы, являющиеся наиболее тяжёлыми ввиду увеличенного момента инерции дебалансного ротора, вибрационной нагрузки, а также необходимости прохождения резонансной зоны. Поэтому при определении мощности АДВД ориентируются именно на пусковой режим. По этой причине на практике в вибромашинах устанавливают двигатели со значительным резервом мощности (30-70%), что приводит к ухудшению энергетических показателей - КПД и коэффициента мощности. Решение этой проблемы связано с применением регулируемых дебалансов, которые помимо обеспечения заданных пусковых и тормозных режимов должны обладать простотой изготовления, высокой надёжностью и малой себестоимостью, что особо важно для массовых промышленных виброустановок.
Названным критериям, на наш взгляд, соответствует регулируемый вибровозбудитель, разработанный на кафедре «Электропривод и АПУ» УлГТУ и защищенный патентом на изобретение Российской Федерации [2].
Данное устройство (рис. 1) предназначено для виброустановок, где имеются тяжёлые условия эксплуатации: затруднённый пуск, резонансные режимы, длительные перегрузки приводного электродвигателя и, как следствие, его перегрев.
В исходном положении подвижный дебаланс 4 и неподвижный дебаланс 3, установленные на выходном валу 2 двигателя 1, раздвинуты на угол 180°, что обеспечивается пружиной кручения 5. При этом их суммарный статический момент равен нулю, что облегчает процесс пуска вибродвигателя.
,4
В. Н. Дмитриев, А. А. Горбунов, И. И. Мавзютов, 2009
1' 6' 8' Рис. 1. Регулируемый вибровозбудитель, содержащий вспомогательный вентилятор
По мере разгона двигателя пропорционально квадрату его угловой частоты увеличивается момент сопротивления вентилятора 6. под действием которого подвижный дебаланс, преодолевая восстанавливающую силу пружины, начинает
поворачиваться в направлении, противоположном направлению вращения вала, и при номинальной частоте вращения занимает положение, соответствующее заданному значению суммарного статического момента дебалансов. Угол раздвига между неподвижным и подвижным де-балансами определяется положением упора 8, установленного в одном из отверстий 7, который ограничивает угловое перемещение подвижного дебаланса. При торможении двигателя момент сопротивления вентилятора уменьшается, и подвижный дебапанс постепенно возвращается в исходное положение, при котором суммарный статический момент равен нулю. При необходимости изменения результирующей центробежной силы меняют положение упора 8. Вентилятор, являясь устройством для изменения взаимного углового положения дебалансов, одновременно охлаждает электродвигатель.
Мощность вентилятора выбирается из условия обеспечения заданного уровня температуры двигателя и определяется геометрическими размерами вентиляционных лопаток. Коэффициент угловой жёсткости С пружины кручения выбирается исходя из условия максимального разворота подвижного дебаланса в номинальном режиме на угол 180°:
Р ВЕНТ
по) н ,Нм/рад,
(1)
дебаланса, а - угол, равный половине угла раздвига дебалансов.
Учитывая известные физические закономерности, а также то, что а изменяется от 90° до
0°, получено выражение, описывающее закон
изменения угла а в зависимости от скорости вращения вала:
а = тт/ 2 -
2С
аУ
(3)
Сравнение результатов математического моделирования динамики вибросистемы с нерегулируемым и регулируемым вибровозбудителями (рис. 2, 3) показало заметное его преимущество, так как при пуске в зарезонансную область сократилось время пуска, а также появилась возможность запускать дебалансы с большим значением статического момента. Прохождение через резонанс (рис. 2) становится безопасным, разгон происходит плавно и отсутствуют броски тока в обмотках двигателя.
На графиках обозначено: Мст - статический момент дебаланса; Мп - пусковой момент
АДВД.
где РВЕНТ - мощность вентилятора в номинальном режиме; Ц)и - номинальная частота
вращения вибровозбудителя.
Квадратичная зависимость раздвигающего вентиляционного момента от частоты обусловливает малую зависимость угла поворота подвижного дебаланса от нестабильных и трудно учитываемых вибрационных сил и сил трения, что повышает надёжность устройства.
В процессе работы результирующая центробежная сила получается путём геометрического сложения векторов центробежных сил от двух дебалансов. Поэтому она может принимать значения от нуля при пуске и до максимального значения при номинальной скорости. Отсюда получается выражение амплитудного значения результирующей центробежной силы от двух дебалансов:
Рц = 2т0ги)2со5("а), (2)
где т0 - масса дебаланса, г - эксцентриситет 25 -
• • ■ • •«; • л. ««•«-• » - * . , — •
I ^
^ - • ^ рДД; ^« „V . ». ..••#{«• , .• .« ... .. ...... •».
• • ■ ' Т • . - «• •(» • • - |
| ^^ А». и ••••• •«»••.I ||Н>] «•)••* - м - • . •• ••-«. - •» • » • ■
75+
50+
• а. ч1Ь • •»•»
......
:
• г-.-« •• •••«ф» • • •• • •• •• -
м — м м и* ИИ М • -•)• ■ — • • • •«• «••»•• • . ..... . • Я I • • | • • •..«*•• .
'л
Г« • • • • • ■ М * — • - • . • -» • • I» ' • / м*
• • • 4
*•< • »«у 1
• • ,
» •• Мр. •»- '»' 1
% _
Г .1
• > •« •« |>» '•« ••« •••• «•••••.». •••••««•!»• I •• • «■ ' «I • • ^ • ». »• - • I
а •• •»•#••/•*•»••« • < #••••».I • %•• 9 I к-*<•• • • V. • » » Л.
■ • - •»«»,• • •«.-•• • * . — • —
• • 1 | '• • •• • •• •• • • • - • •• • .- - - - •, - • • - Л ••• • »«»• •... ... • ^ . .. .... • ■ • - ....
. • » .> .1. .......... . • ...
• ' ш и.ч • - • I шИ и ч •. .<•!•»•«.%« - • .»»•••• Ф Тш и I »• ••• - • • ••• » ► •• •(............« •
I
>11« «I*» »•— IV <Н И
• О* ••«!
•»• • • »• ^ • • г-м --•«« ■
!• » Н I
0 12 3 4
Рис. 3. Частота вращение АДВД с нерегулируемым дебалансом при /=50 Гц и МСТ ~ 0.5М;/
0 1 2 Рис. 2. Частота вращения АДВД с регулируемым
дебалансом при/=50 Гц и Мст = 0.7МЛ
100—
о, рад/с
•. • . «
. • •• > . (• • • «I.
» • » ми и».м •••• •• ••
и»
■ • • . • • И - и
• •• «м*^*!** • »•» I I' I
I I - « (•• •••••• ...... • . ...... •
Рис. 4. Сравнение графиков момента сопротивления при различных частотах питающей сети
Одним из недостатков рассмотренной конструкции регулируемого дебаланса является зависимость угла раздвига дебалансов от второй степени частоты вращения двигателя. То есть значение угла а, равное 0°, может быть достигнуто только при определённой (заданной при проектировании) частоте вращения, что демонстрирует рис. 4, на котором представлены графики изменения момента сопротивления, вызванного статическим моментом дебаланса, при различных частотах питающей сети (50 Гц и 25 Гц).
При пуске АДВД с регулируемым дебалан-сом на пониженную частоту (/=25 Гц) амплитуда статического момента дебаланса меньше,
чем при частоте 50 Гц. Это вызвано тем, что
1
величина переменного эксцентриситета г не достигает своего номинального значения вследствие недостаточности полученного момента сопротивления вентилятора, воздействующего на пружину. Отсюда происходит уменьшение результирующей центробежной силы, и, как следствие, амплитуды колебаний. Поэтому такую конструкцию регулируемого вибровозбудителя целесообразно использовать в вибромашинах, где не требуется обеспечивать постоянство амплитуды центробежной силы в рабочем диапазоне частот.
Применение регулируемых дебалансов позволяет значительно уменьшить потери энергии при пуске АДВД. Для получения количественных результатов, подтверждающих данное обстоятельство, были проведены соответствующие исследования с помощью компьютерной модели [3], которые показали, что использование регулируемых дебалансов позволило уменьшить пусковые потери энергии в 1.2-1.5 раза и снизить установленную мощность двигателей в 1.5-2 раза.
Для проведения таких исследований в математическом описании вибрационной системы учтены потери, встречающиеся в АДВД:
^сум ~ Р.э; + ^32 + Рс + ^мах + Рдон >
где Рсум - суммарные потери мощности АДВД; РЭ] - электрические потери в обмотке статора; РЭ2 - электрические потери в обмотке ротора; Рс - магнитные потери в обмотке статора; Ршх - механические потери АДВД; Рдок -
добавочные потери АДВД, которые в общем случае составляют 1.5 % от суммы остальных потерь. Перечисленные потери определяются по известным формулам.
Потери энергии О определяются путём интегрирования суммарных потерь мощности во времени:
Q = \PCyMdt • (5)
'i
При численном исследовании пусковых потерь рассматривается временной промежуток от включения АДВД до достижения частотой вращения среднего установившегося значения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алимходжаев, К. Т. Частотно-управляемые вибродвигатели переменного тока : авто-реф. дис. ... д-ра техн: наук / Алимходжаев К. Т. - Ташкент, 2004. - 38 с.
2. Пат. 2324548 Российская Федерация, МПК В 06 В 1/16. Дебалансный вибровозбудитель / Дмитриев В. Н., Горбунов А. А., Мавзютов И. И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет». - №2006144372/28 ; заявл. 12.12.2006 ; опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14. - 6 с.: ил.
4 3. Дмитриев, В. Н. Исследование пусковых режимов асинхронного дебалансного вибродвигателя / В. Н. Дмитриев, А. А. Горбунов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2008.-№1-2. - С. 119-122.
®
Дмитриев Владимир Николаевич, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ.
Горбунов Алексей Александрович, старший преподаватель кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Мавзютов Ильяс Ильгизярович, аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ.
