Комплекс технических решений для системы радиального магнитного подвеса ротора турбогенератора ГТ ТЭЦ горизонтального исполнения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Зотов, Илья Вадимович

• Зотов, Илья Вадимович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Зотов, Илья Вадимович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Обзор существующих технических разработок радиальных магнитных подшипников для крупных машин горизонтального исполнения

1.2. Особенности типов радиальных магнитных подшипников

1.3. Постановка задачи исследования и пути ее решения

Выводы к главе 1

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ ОДНОСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ КРУПНЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ИСПОЛНЕНИЯ

2.1. Особенности, состав и технические характеристики объекта исследования

2.2. Способ снижения удельной массы радиального магнитного подшипника и повышения быстродействия

2.3. Техническое решение о целесообразности применения радиальных магнитных подшипников одностороннего действия в крупных турбогенераторах горизонтального исполнения

Выводы к главе 2

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТАМИ РАДИАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА

3.1. Разработка математических моделей форсированного управления электромагнитом

3.2. Исследование процессов управления тяговым усилием электромагнита

3.3. Определение частотных характеристик форсированного электромагнита и его идентификация

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ИСПОЛНЕНИЯ

4.1. Функциональная схема, параметры и состав системы управления

магнитным подвесом

4.2. Математическая модель системы управления магнитным подвесом

4.3. Исследование модели, определение частотных характеристик и

переходных функций

Выводы к главе 4

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗЦА ТУРБОГЕНЕРАТОРА С РАДИАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОДШИПНИКОМ ОДНОСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

5.1. Снятие переходных функций и частотных характеристик для

форсированного электромагнита и системы в целом

5.2. Сравнение результатов расчетов, моделирования и экспериментов

Выводы к главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Труды диссертации изложены в работах

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1 (Таблица максимальных амплитуд перемещений и сил

ротора турбогенератора)

Приложение 2 (Собственные формы (частоты) турбогенератора и

коэффициенты форм датчиков и магнитных подшипников)

Приложение 3 Акт об использовании патента 76516

Приложение 4 Акт об использовании патента 137067

Приложение 5 Акт об использовании патента 142953

Приложение 6 Акт об использовании патента 146835

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплекс технических решений для системы радиального магнитного подвеса ротора турбогенератора ГТ ТЭЦ горизонтального исполнения»

ВВЕДЕНИЕ

В последней четверти прошлого столетия в технике широкое распространение получили активные электромагнитные подшипники [1, 2], которые по сравнению с другими типами бесконтактных опор обладают относительно высокой грузоподъемностью (около 80 Н/см2). В отечественной и зарубежной промышленности в настоящее время существует тенденция к расширению сфер применения активных магнитных подшипников в области использования их для крупных вращающихся машин с массой ротора более 1,5 т [2 - 8]. Вместе с тем, при увеличении массы ротора агрегата возрастает величина нагрузки, действующей на подшипники, и соответственно увеличивается их масса. Например, в ГТ ТЭЦ, изготавливаемой группой компаний «Энергомаш» [9 - 13] и ОАО «ГТ ЭНЕРГО» [14], применяются турбина и турбогенератор с горизонтальным расположением ротора, в качестве опор которого используются четыре РМП и один осевой магнитный подшипник. Общая масса статорных частей при обычном исполнении статора в виде круговой магнитной системы двустороннего действия, классический РМП (КРМП), составляет около 1 т, что соответствует примерно 10% от общей массы ротора. При совместной разработке системы магнитного подвеса для турбоагрегата ГТ ТЭЦ компанией «Энергомаш» и французской фирмой Б2М [15] рассмотрена возможность снижения массы статорной части РМП за счет применения РМП одностороннего действия [16], у которых существует только верхняя часть магнитной системы.

Вместе с тем в современной литературе вопросы по обоснованию применения РМПОД, по исследованию особенности их управления и характеристик не рассматриваются.

В связи с необходимостью проведения отечественных разработок с применением РМПОД возникла необходимость в рассмотрении комплекса технических решений, представленных в данной работе.

При выполнении этой работы учтены и дополнены основные положения отечественных и зарубежных известных ученых и коллективов: ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» [17], Псковской инженерной компании [18], французской фирмы Э2М [15], компании \Л/МВ [19] и др., которые занимаются разработкой активных магнитных подшипников для машин различного назначения.

По принципу действия активные магнитные подвесы представляют собой электромеханическую систему управления, обеспечивающую центрирование вращающегося ротора машины относительно неподвижных электромагнитов, установленных в корпусе. Электромагниты, выполняющие роль исполнительных органов системы, составляют основную долю электромеханических узлов СМП, расположенных в машине. Электромагнитные процессы, протекающие в ИО, в значительной степени определяют выбор структуры и параметров СМП в целом. В связи с этим вопросы возможности снижения массы ИО за счет применения РМПОД в крупных турбогенераторах горизонтального исполнения представляют особый интерес. Проведение моделирования процессов управления РМПОД имеют первостепенное значение в проблеме создания перспективных крупных энергетических агрегатов, электрических машин и приводов с активным магнитным подвесом. Комплекс научно-технических решений, рассмотренных в данной работе, соответствует п.п. 2 и 3 паспорта специальности 05.09.03 электротехнические комплексы и системы.

Основное научное направление данной работы заключается в разработке основных критериев и моделей РМПОД для СМП энергетических и электрических машин с тяжелыми роторами, превосходящих современные требования и не уступающих зарубежным

аналогам. Эта работа является первой попыткой применить РМПОД в СМП турбогенератора для уменьшения массы РМП и повышения быстродействия ИО СМП при сохранении габаритов и мощности аппаратуры управления, что имеет большое значение для обеспечения конкурентоспособности отечественных разработок за рубежом. Важно отметить, что при переходе к машинам с тяжелыми роторами экономия от применения РМПОД становится все более заметной и привлекательной.

В настоящее время в ООО «Эльмаш - УЭТМ» [9, 10, 20] существуют следующие разработки РМПОД и СУМП [16, 21] для СМП крупных машин с массой ротора более 4 т.:

• турбогенератор ТФЭ-10-2В(Зх2)/6000 [22, 23, 24] (далее турбогенератор) с массой ротора 4,3 т;

• газотурбинный двигатель ГТ-009МЭ [25] с массой ротора 6,4 т;

• синхронный двигатель с постоянными магнитами СДПМ - 1300 -16/УЗ с массой ротора 5,5 т;

что подтверждает практическую востребованность данной работы.

Актуальность работы обусловлена тем, что возникла потребность в расширении применения активных магнитных подшипников в области крупных машин с массой ротора более 4 т. Поскольку вопросы применения РМПОД в СМП этих машин имеют определенную специфику, но в литературе не рассматриваются, то возникла необходимость провести собственные исследования в решении первостепенной и важной задачи применения СМП с РМПОД для электрических машин горизонтального исполнения с тяжелыми роторами.

Анализ развития активного магнитного подвеса показывает, что при использовании традиционных КРМП при увеличении массы ротора, масса КРМП возрастает пропорционально массе ротора, а при сохранении мощности СУМП падает быстродействие ИО в целом. Существующий опыт разработок в ООО «Эльмаш - УЭТМ» [16, 21, 26, 27, 28] показывает, что удельная масса РМПОД уменьшается по сравнению с КРМП и

значительно, примерно в 2 раза, возрастает быстродействие ИО при сохранении мощности и габаритов СУМП. Особенно заметна выгода от применения РМПОД для горизонтальных машин с тяжелыми роторами с массой ротора более 4 т.

Степень разработанности

Работа базируется на результатах исследований Макриденко Л.А., Верещагина В.П., Вейнберга Д.М., Сарычева А.П., Журавлева Ю.Н., Рогоза A.B., Руковицына И.Г., Богданова Д.Н., Клабуков В.А., Eric Maslen, Gerhard Schweitzer.

Современными техническими решениями являются применение: КРМП с различным числом полюсов, СМП с управлением по току с использованием датчика тока или СМП с управлением по магнитному потоку с использованием датчика магнитного потока либо наблюдателя магнитного потока. Данные технические решения имеют следующие недостатки:

• при увеличении массы ротора, масса КРМП возрастает пропорционально массе ротора, а при сохранении мощности СУМП падает быстродействие СМП в целом;

• при использовании обратной связи по току возникает отрицательная позиционная жесткость. Указанный недостаток приводит к ухудшению динамических свойств СМП из-за соответствующего снижения результирующей жесткости, стабилизирующей СМП.

• при частичном использовании управления по магнитному потоку:

1. на малых частотах управление осуществляется по току, в результате которого проявляется воздействие отрицательной позиционной жесткости;

2. в качестве датчика магнитного потока используется сигнал катушки, расположенной в электромагните параллельно с обмоткой возбуждения; однако в индуктируемом сигнале в результате протяженных связей наводятся большие помехи.

Рассмотрены способы снижения массы КРМП, но при этом не был рассмотрен способ снижения массы при применении РМПОД вместо КРМП. Не рассмотрены вопросы применения СМП с использованием наблюдателя состояния электромагнита без учета влияния полей рассеяния, вычисляющего магнитный поток электромагнита на основании сигналов датчика положения ротора и сигналов датчиков тока и напряжения, включенных в цепь электромагнита.

Объект исследования - СМП с РМПОД для турбогенератора ТФЭ-10-2В(Зх2)/6000 с весом ротора 4,3 т.

Предмет исследования - процессы взаимодействия электромагнита с ротором, моделирование управления РМПОД, переходные функции и частотные характеристики СМП турбогенератора.

Направление исследований - разработка научно обоснованных технических решений по применению СМП с РМПОД для вращающихся электрических машин с весом ротора более 4 т, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие электрооборудования для электроэнергетики и промышленности, использующей такие электрические машины.

Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы является разработка научно обоснованных технических решений для уменьшения удельных массовых показателей, повышения быстродействия и выбора способа управления радиальными электромагнитными подшипниками крупных турбогенераторов (с весом ротора более 4 т) горизонтального исполнения за счет применения РМПОД вместо КРМП.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи.

Задачи исследований:

- анализ существующих технических разработок РМП и обоснование целесообразности применения РМПОД для МП роторов крупных турбогенераторов горизонтального исполнения;

математическое моделирование процессов управления электромагнитами РМПОД;

- синтез структуры СМП и параметров ротора турбогенератора горизонтального исполнения с РМПОД;

- экспериментальное исследование образца турбогенератора с РМПОД.

На защиту выносятся:

1) соотношения для управляющего усилия и быстродействия РМПОД, позволяющие обосновать целесообразность его применения в крупных машинах горизонтального исполнения;

2) математическая модель для исследования процессов управления РМПОД, полученная на основе идентификации структуры и параметров выходного усилителя. Результаты математического моделирования позволяющие представить объект управления в виде простого апериодического звена;

3) структура и параметры СУМП ротора турбогенератора горизонтального исполнения с РМПОД;

4) экспериментальные переходные функции и частотные характеристики РМП и СМП ротора турбогенератора, подтверждающие адекватность математических моделей, полученных результатов и выводов.

Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:

- впервые, научно обоснована целесообразность применения РМПОД для СМП ротора турбогенератора ГТ ТЭЦ горизонтального исполнения;

- впервые, показан способ увеличения быстродействия ИО в два раза при сохранении мощности СУМП;

- впервые разработаны и исследованы новые математические модели процессов управления РМПОД, синтезированы структура и параметры системы управления с обратной связью по магнитному потоку;

- выполнены экспериментальные исследования, подтверждающие адекватность использованных моделей и проведенных расчетов.

Практическое значение результатов: Полученные результаты позволили:

- уменьшить массу РМП в 1,42 раза;

- увеличить быстродействие СМП в два раза при сохранении мощности СУМП;

- снизить расходы на электрическую энергию, что подтверждается получением патентов и актами об использовании.

Данные результаты использованы при разработке СМП ротора турбогенератора ГТ ТЭЦ горизонтального исполнения с РМПОД.

Кроме того, эти материалы могут быть полезны при разработке различных перспективных крупных роторных машин аналогичного типа, а также для организации учебного процесса в области изучения активного магнитного подвеса.

Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей в научно-технических журналах и сборниках, 9 из которых находятся в журналах, рекомендованных ВАК для отражения основных результатов диссертационной работы. Получены патенты на:

1. магнитный подшипник [16];

2. устройство управления электромагнитным подвесом ротора [26];

3. диодно - транзисторный мост [27];

4. вычислитель магнитного потока [28];

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 102 наименования, а также 6 приложений. Диссертация изложена на 174 страницах и включает 78 рисунков, 8 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 1.1. Обзор существующих технических разработок радиальных магнитных подшипников для крупных машин горизонтального исполнения

Первые примеры практического использования активных электромагнитных подшипников относятся к 40-м годам XX столетия. Вначале они были связаны с экспериментальными установками и приборами Д. Бимса [29], Д. Хризингера (США) [30] и О.Г. Кацнельсона и A.C. Эдельштейна (СССР) [31]. Первый магнитный подшипник был предложен и экспериментально исследован в 1960 году Р. Сикссмитом (США) [32]. Широкое практическое применение активных электромагнитных подшипников в нашей стране и за рубежом началось в 70-е годы XX столетия [33].

В настоящее время разработкой и производством РМП занимаются следующие фирмы:

• ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» (Россия) [17];

• Энергомаш (Сысерть) - Уралгидромаш (Россия) [9, 10];

• S2M (Франция) [15];

• Псковская Инженерная Компания (Россия) [18];

• НИИ «Прикладной математики и кибернетики» Нижний Новгород (Россия) [34];

• Московский Авиационный Институт [35];

• Waukesha Magnetic Bearings (WMB) Великобритания [19];

• Center for Magnetic Bearings, University of Virdginia (США).

На сегодняшний день известны следующие типы бесконтактных подвесов: электростатический, на постоянных магнитах, электромагнитный

с резонансной цепью, активный магнитный, индукционный, кондукционный, диамагнитный, сверхпроводящий подвес, магнитогидродинамический. [33]

Из сопоставления различных типов подвесов следует, что активный магнитный подвес имеет наиболее высокую грузоподъемность (около 80 Н/см2 площади опорной поверхности). В силу этого дальнейший практический интерес представляют технические решения, в которых в качестве бесконтактных опор используются активные электромагнитные подшипники.

Известные на сегодняшний день РМП в зависимости от направления магнитного потока делятся на два основных типа:

1) с поперечным направлением потока;

2) с продольным направлением потока.

РМП с поперечным направлением потока более просты по конструкции и привычнее в изготовлении. Для уменьшения потерь на вихревые токи роторная и статорная часть выполняются шихтованными из электротехнической стали. В РМП с продольным направлением потока магнитопровод может быть изготовлен только цельнометаллическим, поэтому имеет большие потери на вихревые токи.

В силу указанного преимущества наибольший практический интерес для обзора представляют РМП с поперечным направлением магнитного потока, которые получили наиболее широкое применение.

Наиболее широкое применение из отечественных производителей следует отметить коллектив «ВНИИЭМ» [17], который занял лидирующее положение в мире в области разработки и освоения промышленного изготовления электромеханических устройств с активными электромагнитными подшипниками. Это направление в России возникло в 60-е годы прошлого столетия в связи с поиском технического решения для бесконтактного подвеса роторов силовых гироскопических устройств [36], применение которых в электромеханических системах ориентации космических аппаратов являлось перспективным [36 - 40]. Затем широкое

применение активных электромагнитных подшипников, созданных ОАО «Корпорацией «ВНИИЭМ», получили в крупных компрессорах газоперекачивающих агрегатов с весом ротора около 1 тонны, работающих на магистральных газопроводах [5 - 7, 41 - 47] изготавливаемых ОАО НПО "Искра" г. Пермь [48].

В компании Энергомаш (Сысерть) - Уралгидромаш направление магнитного подвеса сравнительно молодое, около 10 лет. Возникло оно в связи с поиском технических решений для бесконтактных опор роторов газотурбинного двигателя ГТ-009МЭ [25] и турбогенератора ТФЭ-10-2В(Зх2)/6000 [22 - 24], использующихся на ГТ ТЭЦ [11 - 14] и синхронного двигателя с постоянными магнитами СДПМ - 1300 - 16/УЗ.

Французская компания Э2М [15] основанная в 1976 году X. Хаберманном [49, 50], является первой в мире коммерческой фирмой, занимающейся СМП для машин различного назначения. Широкая номенклатура изделий этой фирмы свидетельствует о высоком техническом и теоретическом уровне разработок. Однако отсутствие публикаций фирмы Э2М по этим вопросам не позволяет сравнить эти достижения в полной мере.

Псковская Инженерная Компания [18] занимается разработкой РМП для небольших двигателей с массой статора от 0,07 до 8,4 кг, предназначенных в основном для станкостроения [33]. Особо следует отметить большое теоретическое и практическое значение трудов Ю.Н. Журавлева [33, 51 - 63] для развития направления по активным электромагнитным подшипникам в России.

НИИ «Прикладной математики и кибернетики» [34] занимался разработкой общих вопросов применения активных электромагнитных подшипников. Были предложены ГОСТы «Вибрация машин вращательного действия с активными магнитными подшипниками» часть 1 [64] и часть 2 [65]. Многие из них учтены в данной работе.

В МАИ [36] созданы первые в России макеты магнитного подвеса

на основе объемных ВТСП материалов и постоянных магнитов грузоподъемностью до 500 кг., известен труд МАИ [66]. Кроме того, при МАИ существует ООО «Альфа-Транзит» [67], которое занимается динамикой роторных систем, опирающихся на магнитные подшипники.

Center for Magnetic Bearings, University of Virdginia занимается изучением и разработкой теории магнитных подшипников. Имеются труды [68 - 71], охватывающие широкий круг различных вопросов и исследований процессов, протекающих в аппаратуре и элементах активного магнитного подвеса.

Wakeusha Magnetic Bearings (WMB) [19] занимается разработкой АМП и СУМП для крупных машин [72, 73, 74], но публикаций в доступной печати по этим вопросам практически нет.

На основе анализа рассмотренных материалов автором сделан вывод, что основными зарубежными фирмами занимающимися разработкой активных магнитных подшипников для крупных машин являются: S2M [15] и WMB [19]. В трудах ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» [75] приведена таблица сравнения РМП, разрабатываемых S2M, WMB и «ВНИИЭМ». Ниже в таблице 1.1.1 приведены некоторые сравнительные параметры.

Таблица 1.1.1.

Данные для сравнения радиальных магнитных подшипников

S2M, WMB и ВНИИЭМ.

Технические характеристики Изготовитель

WMB S2M ВНИИЭМ

Материал магнитопровода, тип, стандарт М530-50АР No20 EN 101106 М330-35А No20 EN 101106 Ст. 2412 Ст.2412 ГОСТ 21427.2

Индукция насыщения В50, Тл 1,6 1,6 1,6

Удельная грузоподъемность Н/см2 80 90 80

Таблица 1.1.1. (продолжение)

Технические характеристики Изготовитель

\Л/МВ S2M ВНИИЭМ

Коэффициент возможной перегрузки 2,0 1,5 1,8

Удельная масса кг/кН 12 10 15

Удельное энергопотребление Вт/кН 14 18 9

Тип датчика положения ротора Индуктивный Индуктивный Токо-вихревой Токо-вихревой Индуктивный

Частота питания датчика положения ротора, кГц 18 синус 20 синус 100 синус 16 плоская

Преобразование сигнала датчика положения ротора Аналоговое Аналоговое Аналоговое Дискретное

Аппаратура управления, тип Цифровая Цифровая Аналога вая Цифровая

Основной источник питания, VAC 50 Гц 230 1 фаза 380 3 фазы 380 3 фазы

Резервный источник питания VDC 220 Внутренние АКБ 150 Внутренние АКБ 220 Внешние АКБ

Максимальный ток электромагнитов, А 50 30 30-50

Максимальное напряжение электромагнитов, В 600 300 220

Энергопотребление кВт 1,5 2,0 1,0

Амплитуда колебаний ротора, мкм: - без вращения - номинальная скорость 30 30 1,0 35

Размеры СУМП 2,0x1,5x0, 5 1,8x1,4x0, 6 1,8x0,6x0,6

Масса СУМП 500 500 250

Из вышеизложенного автором следует, что дальнейший подробный интерес представляют технические решения фирм ВНИИЭМ, Э2М, \Л/МВ.

Автором, рассмотрены РМП и СУМП применяемые в разработках ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ». Из трудов [3, 42] вытекает, что в крупных машинах применяются РМП только с поперечным направлением магнитного потока. В труде [3] приведена типовая компоновка РМП для компрессоров газоперекачивающих агрегатов с массой ротора около 1,5 тонн. В труде [42] приведена примерная конструкция РМП для одного из серийных агрегатов, которая для наиболее общего случая применения радиально-осевого ДПР отражена на рисунке 1.1.1.

Рисунок 1.1.1. Конструкция радиального магнитного подшипника, применяемая в

разработках ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»: 1 - ротор для датчика положения ротора, 2 - втулка, 3 - выступ, 4 - радиальная поверхность [43]

Кроме того, представленные РМП снабжены страховочными шарикоподшипниками, на которые опирается ротор при отключении СУМП.

Из анализа трудов [76] следует, что в разработках ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» применяются РМП с классическим круговым магнитопроводом (КРМП). Конструкция КРМП приведена на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2. Конструкция классического радиального магнитного подшипника с

числом полюсов 7. = 8

Из трудов [76, 77, 78] следует, что на практике могут встречаться разновидности КРМП с числом полюсов 2 = 8, 12 и 16. Магнитные цепи рабочих зон с числом полюсов 2 = 8, 12 и 16 показаны на рисунке 1.1.3.

а) с 8 зубцами б) с 12 зубцами в) с 16 зубцами

Рисунок 1.1.3 Магнитные цепи рабочих зон с числом полюсов т = 8, 12 и 16, применяемые в ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»

Что касается управления СМП в целом, то в труде [79] приведена функциональная схема СУМП (рисунок 1.1.4) для КРМП, используемых в разработках ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ».

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ

ЧАСТЬ АППАРАТУРА

Рисунок 1.1.4. Функциональная схема системы управления магнитным подвесом, применяемая в разработках ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ»

Из рисунка 1.1.4. видно, что электромагниты КРМП управляются по дифференциальной схеме. Каждый электромагнит при КРМП с г=8 включает в себя два полюса. Верхний (ЭМ1) и нижний (ЭМ2) электромагниты управляются одним регулятором. На каждый электромагнит РМП приходится по одному усилителю мощности. Также известны и другие труды ВНИИЭМ [80 - 84].

По общим подходам к перспективам развития активных электромагнитных подшипников в области крупных машин КРМП и СУМП, применяемые во ВНИИЭМ, могут обеспечивать устойчивую работу. Но вместе с тем, автором, отмечены следующие недостатки: масса РМП пропорционально возрастает с увеличением веса ротора и может составлять значительную часть общей массы машины. Кроме того при сохранении мощности СУМП происходит снижение быстродействия ИО СМП. Поэтому с увеличением массы ротора возникает необходимость увеличивать мощность СУМП, чтобы обеспечить требуемое качество управления СМП. В свою очередь это приводит к чрезмерному увеличению энергопотребления и габаритов СУМП. В трудах ВНИИЭМ вопросы о способах снижения массы РМП и повышении быстродействия без увеличения мощности практически не рассматриваются. Частично эти вопросы затрагиваются только применительно к оптимизационным задачам проектирования РМП.

Автором, рассмотрены РМП и СУМП, используемые в Э2М. В одном из источников [85] приведена структура РМП (рисунок 1.1.5), структура СМП (рисунок 1.1.6), и принцип действия СУМП (рисунок 1.1.7).

а) общий вид б) вид в продольном разрезе в) вид в поперечном разрезе Рисунок 1.1.5. Структура радиального магнитного подшипника, используемая в 52М. Радиальный магнитный подшипник и вал:

1№|>р

X

V

а*1» (45")

Ж ах* ,(45»)

Из рисунка 1.1.5. видно, что в Э2М применяются КРМП как с числом

полюсов 2 - 8, так и многополюсные магнитные системы с г = 16 и более.

РМП в Э2М снабжены страховочными шарикоподшипниками, на которых происходит выбег ротора при неисправности СУМП.

Структура СМП, используемого в Б2М, показана на рисунке 1.1.6.

а) структура системы магнитного подвеса;

error

sensors

push to unload

reference

signal processor

power amplifiers

current increases

б) принцип действия системы магнитного подвеса при воздействии веса ротора Рисунок 1.1.6. Структура системы магнитного подвеса, используемого в Э2М

Из рисунка 1.1.6 видно, что Б2М использует дифференциальную схему управления диаметрально расположенными электромагнитами.

Пара электромагнитов (верхний и нижний) управляются одним регулятором (signal processor). На каждый электромагнит приходится по одному усилителю мощности (power amplifiers).

Из рисунка 1.1.6 б видно, что СУМП, используемая в S2M, работает по принципу компенсации отклонения. Датчик положения ротора (sensors) формирует сигнал, соответствующий положению ротора (position signal), который поступает на сумматор и складывается с сигналом задания (reference). Сигнал ошибки (error), полученный в результате сложения сигнала задания (reference) и сигнала положения ротора (position signal), поступает на регулятор (signal processor). В регуляторе (signal processor) в соответствии с законом управления сигнал ошибки (error) преобразуется в управляющий сигнал, поступающий на усилители мощности (power amplifiers). Усилители мощности (power amplifiers) в соответствии с управляющим сигналом, поступающим с регулятора (signal processor) формируют напряжение на катушках электромагнитов и соответственно ток (current increases). В электромагните возникает магнитное поле, в результате которого создается соответствующая сила притяжения. Ротор под действием силы притяжения (reaction) перемещается в заданном направлении. В результате становится понятным принцип действия СМП по каждой из четырех радиальных степеней свободы ротора [85].

а) по оси VI

б) по оси \л/1

Рисунок 1.1.7. Принцип действия системы магнитного подвеса с классическим радиальным магнитным подшипником, используемый в Б2М

Из рисунка 1.1.7 видно, какие датчики и какие электромагниты регулируют перемещение ротора по осям VI и \л/1.

На рисунке 1.1.8 представлен общий вид СУМП Э2М.

Рисунок 1.1.8. Общий вид системы управления магнитным подвесом Б2М

Из рисунка 1.1.8 видно, что СУМП Э2М состоит из двух шкафов, слева шкаф питания, а справа шкаф управления. В шкафу питания расположены источники питания СУМП и аккумуляторная батарея, предназначенная для выбега ротора при аварийном отключении сети питания СУМП. В шкафу управления находятся регуляторы и усилители мощности.

Автором отмечено, что КРМП и СУМП, применяемые в Б2М, надежны и обеспечивают устойчивую работу машины в широком диапазоне изменения массы ротора, в т.ч. в крупных машинах. Однако автор также указывает, что они имеют недостатки, аналогичные рассмотренным выше и возникающие с ростом воздействующей силы веса ротора. Существенно снизить влияние этого недостатка позволяет предложение Б2М об использовании РМПОД, но публикаций и обсуждений по этим вопросам в печати нет. В результате позиция в целом создается ограниченная.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зотов, Илья Вадимович, 2015 год

об использован

« »

2014г.

Патент № 146835

Заявка № 2014124427 от 16.06.2014 г.

Название полезной модели

«Вычислитель магнитного потока»

Использовано с 2011

в количестве _8_ штук

В ООО «Эльмаш (УЭТМ)»

При изготовлении Система управления магнитным подвесом СУМП-3 УХЛ4 2БП.947.172

Согласно конструкторской документации 6БП.539.944 ЭЗ.. 6БП.539.945 ЭЗ..

Отгружены: В количестве 8 шт

Ю.Н Радченко

Ю.В. Косарев

- А.Г. Вершинин