CC BY
41
Темирев А.П., Фам Ван Бьен
5.2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЕЗРЕДУКТОРНОЙ МЕЛЬНИЦЫ МОКРОГО САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ НА БАЗЕ ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Темирев Алексей Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение и электропривод» Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова
Фам Ван Бьен, аспирант кафедры «Электроснабжение и электропривод» Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова. E-mail: [email protected]
Аннотация. В данной работе приведены разработка и исследование конструктивных решений безредукторной мельницы мокрого самоизмельчения (ММС) на базе индукторного электропривода. Рассматриваются особенности законов распределения оптимальных управляющих воздействий. Результаты исследований получены при помощи аналитических и компьютерных моделей.
Ключевые слова: вентильно-индукторный двигатель, безредукторный двигатель, мельница мокрого самоизмельчения (ММС), параметры управления.
5.2. DEVELOPMENT AND RESEARCH OF A GEARLESS WET-GRINDING MILL BASED ON AN INDUCTOR DRIVE
Temirev Aleksej P., Doctor of technical Sciences, Professor, Department <^ower Supply and Electric drive» Platov South-Russian State Polytechnic University
Pham Van Bien, Post-graduate student, Platov South-Russian State Polytechnic University
Abstract. In this article, the development and research of a gearless wet self-grinding mills (MMC)with inductor drive.Are examinedfeatures of laws in distribution at optimal managing influences.The results of researches are got through analytical and computer models.
Key words: switched reluctance motor, gearless, wet self-grinding mill (MMS), control parameters.
В статье приведен принцип разработки вентильно-индукторного двигателя большой мощности с целью моделирования и исследования мельниц мокрого самоизмельчения ММС. В связи с этим предложена новая конструкция безредукторной мельницы мокрого самоизмельчения (ММС).
Также предложен комплекс компьютерных моделей, как инструмент проверки и уточнения результатов оптимальных управляющих воздействий для требуемых рабочих характеристик.
Приведены результаты расчетных имитаций изучения моделирования кольцевых (безредукторных) электроприводов и исследования законов управления ВИД-2,6 МВт для оценки эффективности замены, а так же преимущества ВИП с технической и экономической стороны.
Основные предложения и конструктивные решения составлены на основании исходной информации, приведенной в отчете научно-исследовательской работы [5].
В России и за рубежом отсутствовала практика проектирования индукторных машин большой мощности. На основных этапах разработки(на основе экспериментальных данных, имеющихся к настоящему времени в распоряжении ЗАО «ИРИС») имелась возможность использования методик
оценки конструктивной, технологической, эксплуатационной надежности ВИП-2,6 МВт системе ММС. В ЗАО «ИРИС» имеется значительный научный потенциал в сфере создания двигателей индукторного типа.
Предварительно, дотехнологического этапа изготовления машины стало возможным произвести аналитический расчет надежности — на основе опыта проектирования ВИП большой мощности.
Рассматриваемый расчет базируется на предыдущих расчетах изделий аналогичного назначения (ВИП-630 кВт, ВИП-750 кВт, ВИП-1250 кВт, ВИП-1600 кВт, ВИП-2000 кВт, табл. 1, рис. 1) информации о законах распределения показателей надежности аналогов, законах этих распределений и их параметрах [1].
На основе экспериментальных данных появилась возможность осуществления расчета параметров кольцевого ВИП-2,6 МВт на откорректированных математических моделях. В настоящий момент в ЗАО «ИРИС» имеется опыт оценивать надежность изделий, проводить сравнение различных вариантов индукторных машин большой мощности, находить оптимальные решения на самых ранних стадиях разработки и проектирования [1].
Таблица 1
Основные параметры двигателей ВИД
Тип двигателя Число фаз Р, кВт Частота вращения, мин 1 U, В Частота питающей сети, Гц Режим КПД
ВИД-630 6 630 1450 890 120 S1 0,97
ВИД-750 6 850 750 890 150 S1 0,968
ВИД-1250 6 1250 187 890 50 S1 0,97
ВИД-1600 6 1600 100 890 200 S1 0,97
ВИД-2000 6 2000 200 1000 53,3 S1 0,97
ВИД-1250 ВИД-750 ВИД-1600 ВИД-2000
Рис. 1. ВИД-1250, ВИД-750, ВИД-1600, ВИД-2000 на испытательных стендах [3]
На рис. 2, 3 приведены сравнительная иллюстрация (проектируемый вариант), также особенности конструктив-мельниц ММС 9500 х 2900 с редуктором (исходный вари- ных элементов кольцевого индукторного электродвигателя ант) и ММС 9500 х 2900 с вентильно-индукторным приводом ИД-2,6 МВт.
Рис. 2. ММС-95 х 29 с классическим электроприводом и с вентильно-индукторным приводом
Рис. 3. Элементы кольцевого индукторного электродвигателя ИД-2,6 МВт
В табл. 2 приведены технические характеристики вен-тильно-индукторного привода.
Таблица 2
Основные технические характеристики вентильно-индукторного привода
№ п/п Параметры Значение
1 Номинальная мощность, кВт 2600
2 Номинальное входное напряжения, В 1000
3 Число фаз входного напряжения 5
4 Номинальная частота вращения, об/мин 9
5 Масса, т 250
6 Охлаждение корпуса Естественное
Алгоритм работы и структура системы управления безредукторных вентильно-индукторных двигателей
Технология максимального использования двигателя по максимальному значению момента реализуется за счет автоматического поддержания интервала включения 180 эл. град для каждой фазы. Фаза включается, когда создаваемый ею момент будет положительным и отключается, когда он становится отрицательным (рис. 4).
Для формирования тока фазы двигателя используется программный релейный регулятор тока (РРТ) предельного быстродействия, работающий на частоте опроса сигналов обратных связей по току (100 кГц). Задание тока фазы определяется выходом ПИ-регулятора скорости, который
Темирев А.П., Фам Ван Бьен
выставляет значение тока фазы на уровне, соответствующем текущей нагрузке на валу.
мл м„ мс мл мв
Рис. 4. Режим максимального использования двигателя по значению момента
Моменты включения/отключения фазы определяются блоком расчета углов коммутации в функции текущей скорости и текущего задания на ток (нагрузки). По текущим значениям электрического угла и углам коммутации блок коммутации определяет, в каком режиме должен работать регулятор тока: поддерживать заданный ток, отключать фазу в режиме «мягкой» расфорсировки (фаза замкнута сама на себя) или отключать полностью (к фазе прикладывается обратное напряжение).
Если настройкой разрешена работа в генераторном режиме, то текущий электрический угол смещается на 180°. В этом случае интервал включения фазы будет соответствовать отрицательному моменту (рис. 5), что эквивалентно работе привода с углом коммутации 180 эл. град. Генераторный режим разрешается только для пакета-генератора при проведении испытаний. В двигательном режиме работы переход в фазы определяются блоком расчета углов коммутации в функции текущей скорости и текущего задания на ток (нагрузки).
<озад ЗИ "зад
1 1 1
Дш
ЗИ - задатчик интенсивности, ограничивает темп изменения величины
ПИ
'огр
/
out
out
out
I ABS I
I ABS I
ŒK
Да
Нет
[(ш > 1%) и (out < 0)] или
[(со < 1%) и (out > 0)]
out < 0
т
Да
У
Нет
Генераторный режим разрешен
РРТ
Q
Режим:
поддержание тока 0 (мягкая расфорсировка) -U (отключение)
Блок коммутации
<Pi
Фг
Фз
Блок расчета углов
Рис. 5. Структура системы управления ВИД безредуктора
Для изучения моделирования кольцевых (безредукторных) электроприводов, приведен пример имитационной модели безредукторного электропривода малого морского буксира гребной ВИД мощность 2000 кВт и частотой вращения 200 об/мин.
Реализация обобщенной имитационной модели без редуктора на базе индукторных электродвигателей (в среде моделирования MATLAB-SIMULINK) представлена на рис. 6.
Рис. 6. Имитационная модель безредукторных индукторных электродвигателей с учетом влияния нагрузки
В основе используемой математической модели лежат две системы уравнений. Первая - система дифференциальных уравнений, описывающих электромеханические процессы в т-фазном ИД. Уравнения записаны в нормальной форме Коши относительно производных:
dt
- = u - Г. Л.
dro Z2! — = (M - Mc dt J c
da
dt
(1)
= ro,
где к - порядковый номер фазы, к = 1, т; фк - потокосце-пление к-й обмотки; ик - напряжение на к-й обмотке; ¡к - ток к-й обмотки; гк - активные сопротивления к-й обмотки; ш - угловая частота вращения ротора; V - суммарный момент инерции ротора и нагрузки; 12 - число зубцов ротора; М, Мс - значения электромагнитного момента двигателя и момента сопротивления нагрузки; а - величина угла, характеризующего положение ротора относительно статора.
Рассмотренная модель примера безредукторного электропривода на основе ВИП (см. зависимость (1)) позволяет исследовать влияние нагружения двух пакетов ВИД.
В дополнение к формальному дублированию блоков ИНВЕРТОРи ВИД (выделения системы управления в отдельные подсистемы «Управление углами ВИД 1-2») были произведены следующие изменения [4].
Модель механической части (уравнения движения, в виде масштабирующего элемента с коэффициентом 1/7) и блока интегратора, связанных отрицательной обратной связью, моделирующей линейную зависимость механических потерь холостого хода от скорости, вынесена из блоков ВИД в общую схему. Питание блоков ИНВЕРТОР-1 и ИНВЕРТОР-2 осуществляется от общего источника питания (Еип 1).
Пример расчета разработан на модели кривых изменения скорости и момента М(^-привода - при отработке скачка задания при скорости с учетом влияния нагрузкичерез блок «НАГРУЗКА». Задатчик интенсивности (ЗИ) представляет собой нелинейное устройство, которое включается в цель задания регулируемых величин и ограничивает темп (интенсивность) изменения во времени сигнала задания скорости.
На рис. 7, 8 приведены расчеты на модели изменений скорости и момент безредукторных ВИД.
х103М(Нм) 140
120
100
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Рис. 7. Пример расчета на модели изменения скорости безредукторных ВИД
п, об/мин 250
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Рис. 8. Пример расчета на модели изменения момента безредукторных ВИД
Исследование законов управления ВИД-2,6 МВт
За целевую функциюпринят максимум электромагнитного момента (Мтах, аи, авкл, п) в двигательном и генераторном режимах работы макетного образца ВИМ-2600кВт, при которых номинальная частота вращения составляет: п = 9 об/мин.
Произведены расчеты двигателя (мощностью 2600 кВт), предусматривающие применение двигательного и генераторного режимов:
Темирев А.П., Фам Ван Бьен
• в двигательном режиме угол включения рассмотрен в диапазоне от -60 до 40 эл. град, ширина импульса аи в диапазоне от 20 до 160 эл. град, оконечная пауза ап = 20 эл. град.,
• в генераторном режиме угол включения перебирался в диапазоне от 100 до 240 эл. град., ширина импульса аи в диапазоне от 20 до 160 эл. град., а оконечная пауза ап = 20 эл. град.
Далее представлены расчетные зависимости изменения момента и КПД в этих диапазонах для значения частоты вращения: 9 об/мин.
На рис. 9, 10 приведены результаты определения оптимальных параметров управления ВИД (аи, авкл), которые формируются при максимальных значениях вращающего момента - для двигательного и генераторного режимов, соответственно.
На рис. 10, а приведено значение для максимума вращающего момента при аи = 140 эл. град. и авкл = -60 эл. град., на рис. 10, б - максимальный КПД. На рис. 10, в - минимум пульсации момента. В генераторном режиме при аи = 140 эл. град. и авкл = 120 эл. град. значение КПД двигателя составляет 97 %.
В табл. 3 и 4 приведены результаты расчетов исследований законов управления (для двигательного и генераторного режимов, соответственно), которые обеспечивают максимум вращающего момента и являются подтверждением возможности получения всех требуемых в ТТ режимов работы ВИД-2,6 МВт.
На рис. 11 приведены расчеты осциллограммы напряжения, тока и момента ВИД-2,6 МВт в номинальном режиме.
На рис. 12 приведены значения расчетной предельной механической характеристики ВИД-2,6 МВт.
а„ = 140
-80
-80
/И, H• M-г3000000-2 500 000
M, Н м
-20 0 «„„л-эл- фад-
-20 0 <W эл- град.
ТСП Л О/
-20 О
«вкл- эл- фад-
КПД,% 120
«.к*. эл- фад-
«вкл/ эл- фад-
300
300
300
Рис. 9. Зависимости М, КПД, ДМ от авкл при разных аи в двигательном режиме
Рис. 10. Зависимости М, КПД, ДМ от авкл при разных аи в генераторном режиме
Рис. 11. Результаты расчета осциллограммы напряжения, тока и момента ВИД-2,6 МВт рабочего цикла коммутации фазы при номинальном режиме п = 9 об./мин
М,хЮ3(Нм)
и, в , /, А
1000 - 6000 - 3000
800 - 4000 - 2000
400 - 2000 - 1000
0 0 0
4 6
п, об/мин
n, об./мин М, кН•м Р2, МВт
0,0 7662 0,00
0,9 7662 0,72
1,8 7662 1,44
2,7 7662 2,16
3,6 7662 2,88
4,5 7662 3,61
5,4 7662 4,33
6,3 5629 3,71
7,2 4310 3,25
8,1 3405 2,88
9 2758 2,60
Рис. 12. Расчетная предельная механическая характеристика ВИД-2,6 МВт
Результаты расчетов исследований законов управления для двигательного режима
Таблица 3
".кл, эл гРаД. аи эл. град. ап, эл. град. /m>x, А КПД, % йм, % М, Н • м Р2, Вт
-60 20 20 905,49 92,5 74,9 -22 742 21 433,8
-60 40 20 1885,47 85,5 94,9 -44 540 41 978
-60 60 20 2815,58 61,9 237 28 136 26 518
-60 80 20 3667,30 92,8 26,0 393 959 371 297
-60 100 20 4283,38 96,0 19,1 1 106 324 1 042 685
-60 120 20 4541,31 96,8 15,0 1 897 207 1 788 076
-60 140 20 4829,35 97,0 6,1 2 646 899 2 494 644
-60 160 20 4289,35 97,0 6,1 0 2 494 644
Таблица 4
Результаты расчетов исследований законов управления для генераторного режима
а.кл, эл. ГРаД аи, эл. град ап, эл. град 'max, А КПД, % йм, % М, Н • м Р2, Вт
120 20 20 346,12 11,6 259,93 244,0
120 40 20 628,77 2,0 139,08 131,0
120 60 20 951,4 77,2 70,35 -43 948,00 41 419,9
120 80 20 1392,1 93,8 10,23 -280 049,00 263 940,2
120 100 20 2222,9 97,1 6,6 -907 261,00 855 073,8
120 120 20 3425,27 97,6 5,1 -1 844 484,00 1 738 385,0
120 140 20 4860,58 97,1 5,1 -2 785 252,00 2 625 038,0
120 160 20 6740,42 95,7 7,2 -3 375 498,00 3 181 332,0
Темирев А.П., Фам Ван Бьен
Выводы
1. В настоящее время в ММС-9500 х 2900 применяется асинхронный двигатель с мощностью 4 МВт и КПД двигателя, равным 0,91. При применении мельницы мокрого самоизмельчения ММС-9500 х 2900 с установленным кольцевым безредукторным вентильно-индукторным приводом мощностью 2,6 МВт для ОФ № 12 Удачинского ГОКа АК «АЛРОСА» (ПАО) достигается планируемый технико-экономический эффект.
2. При определении рациональных алгоритмов и законов управления для реализации заданных режимов работы вентильно-индукторного электропривода концевых мельниц мокрого самоизмельчения рационально формировать аналитические модели с использованием соответствующих таблично заданных нелинейных функций, которые определяются по результатамэкспериментальных исследований.
Литература
1. Преснухин В.В., Цветков В.И., Киселев В.И., и др. Создание вен-тильно-индукторного привода мельниц мокрого самоизмельчения ММС 95000 х 2900 // Кибернетика электрических систем. Сб. материалов XXXVIII сессии Всеросс. научн. семинара по тематике «Диагностика энергооборудования». г. Новочеркасск, 17-19 окт.
2016 г. / ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2016. С. 182-192.
2. Темирёв А.П., Птах Г.К., Анисимов А.В., и др. Перспективы применения вентильных индукторных электроприводов на горно-обогатительных комбинатах акционерной компании «АЛРОСА» // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. № 2, 2009. С. 42-50.
3. Фам Ван Бьен, Фам Конг Тао, Нгуен Куанг Кхоа и др. Методика определения главных размеров вентильных индукторных машин большой мощности двухпакетной конструкции // Кибернетика электрических систем. Сб. материалов XXXVIII сессии Всеросс. научн. семинара по тематике «Диагностика энергооборудования». г. Новочеркасск, 17-19 окт. 2016 г. / ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ(НПИ), 2016. С. 151-158.
4. Фам Ван Бьен, Фам Конг Тао, Нгуен Куанг Кхоа. Методика математического и экспериментального определения энергетических параметров вентильно-индукторного двигателя большой мощности двухпакетной конструкции // Международный научно- исследовательский журнал «Успехи современной науки». Том 4, № 9, 2016. С 149-155.
5. Научно-исследовательская работа (НИР, по договору № 03608/06/804.08 от 29.02.2008 г. Институтом «ЯКУТНИИ-ПРОАЛМАЗ» с ЗАО «ИРИС») по теме: «Провести исследования по возможности применения вентильно-индукторных двигателей для электропривода мельниц мокрого самоизмельчения обогатительных фабрик». Отчет об оказании инженерно-технических услуг. Якутск: ЗАО «ИРИС», 2008.
