Вентильный индукторный электропривод для шаровых мельниц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Фам Ван Бьен

• Фам Ван Бьен
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Фам Ван Бьен

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Некоторые области применения высоконагруженных электроприводов

мельниц

1.1.1 Горнообогатительная промышленность - мельницы мокрого самоизмельчения

1.1.2 Горнообогатительная промышленность - Шаровая мельница МШР 3600x5000

1.2 Сравнительный анализ применяемых электроприводов и обоснование

целесообразности применения вентильно-индукторных двигателей для

шаровых мельниц

Выводы по главе

ГЛАВА 2. НОВЫЕ КОНСТРУКТОРСКИЕ РЕШЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ

2.1 Новые конструкторские решения вентильно-индукторных электроприводов для мельниц

2.1.1 Вентильно-индукторный электропривод мельницы мокрого самоизмельчения

2.1.2 Вентильный индукторный электропривод для шаровых мельниц

2.2 Математическая модель с имитацией электромагнитных, механических и

тепловых процессов в ВИП

2.3 Структура системы управления вентильными индукторными электроприводами шаровых мельниц

2.4 Датчик положения ротора в вентильных индукторных машинах шаровых мельниц

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ

3.1 Сравнительный анализ способов управления вентильными индукторными электроприводами шаровых мельниц

3.2 Методика определения энергетических показателей рабочих режимов ВИП шаровых мельниц

3.3 Исследование на математической модели динамических процессов гребного вентильно-индукторного двигателя мощностью 1250 кВт

3.4 Методика моделирования тепло - и массообмена в вентильных индукторных двигателях шаровых мельниц

Выводы по главе

ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ

4.1 Описание стенда и методик испытаний вентильных индукторных двигателей шаровых мельниц

4.2 Результаты испытаний вентильного индукторного двигателя мощностью 1250 кВт с частотой вращения 187 об/мин

4.3 Тепловые испытания ВИП-1250

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПАТЕНТ РФ ПРОМЫШЛЕННЫЙ ОБРАЗЕЦ RU (11) №

ОТ 14.05.2015 «ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ИД-1600/1000»

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. КРАТКИЙ ОТЧЕТ ОБ ОХЛАЖДЕНИИ ВИД-1250 С ПОМОЩЬЮ ВЕНТИЛЯТОРА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ 1,8 М3/С

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности избранной темы. Повышение цен на нефть и газ, рост стоимости электроэнергии в последние десятилетия обусловили необходимость разработки эффективной политики энергосбережения. При этом особую значимость приобретает вопрос о перераспределении капиталовложений в производство электроэнергии и мероприятия по энергосбережению. В настоящее время существует устойчивая тенденция широкого внедрения энергосберегающих вентильно-индукторных электроприводов (ВИП). Передовые зарубежные и Российские компании разрабатывают и успешно внедряют ВИП в различных областях техники: надводные, подводные обитаемые и необитаемые аппараты, горные электротехнические комплексы, приводы гребных винтов, лебедок, насосов, компрессорное оборудование, вращатели буров, мельниц мокрого самоизмельчения и др. Существуют другие классы широко распространенных механизмов, работающих в режимах, в которых ВИП может повысить надежность и производительность, будет способствовать экономии электроэнергии.

В области разработки ВИП лидерство в мире принадлежит японской компании Nidec Motor Corporation (NMC). Она, под брендом U.S. Motors, производит для промышленности линейку вентильных индукторных электроприводов малой и средней мощности серийно. Кроме этого, компания Le Tourneau Technologies, Inc., серийно производит ВИП средней мощности для электромеханической трансмиссии карьерных погрузчиков (по соглашению лицензионному с NMC). Эта компания - дочерняя компания Jоy Global из США, занимающаяся производством горнодобывающего оборудования. Новочеркасская научная школа электротехников, основанная профессором Л.Ф. Коломейцевым в ЮРГПУ (НПИ), впервые в России создала и реализовала ВИП не только средней, но и большой мощности [1].

За последние пять лет в Российской Федерации активно ведется разработка вентильно-индукторных электроприводов большой мощности (ВИП БМ) и расширяется их применение. Это говорит о формировании нового, в сравнении с

регулируемыми традиционными электроприводами, класса конкурентоспособных электроприводов, вентильных индукторных. Осуществляется переход от процесса проектирования штучных изделий к промышленной разработке вентильных индукторных машин. В закрытом акционерном обществе «ИРИС», в открытом акционерном обществе НПП «Эметрон», МИП «Мехатроника» ЮРГПУ (НПИ), а также на кафедре ЮРГПУ (НПИ) «Электромеханика и электрические аппараты», в НИУ МЭИ(ТУ), НПП «ЦИКЛ+», НПО «Вектор», ООО «ВИЭМ» были осуществлены на практике проекты коммерческие по вентильным индукторным машинам с большой мощностью [2].

Большой вклад в развитие ВИП БМ внесли профессора: д.т.н. Козаченко В.Ф., д.т.н. Бычков М.Г., д.т.н. Остриров В.Н., к.т.н. Коломейцев Л.Ф., д.т.н. Петрушин А.Д., д.т.н. Пахомин С.А., д.т.н. Птах Г.К. и другие.

Шаровые мельницы во многих случаях работают в тяжелых эксплуатационных условиях. Они могут находиться во взрывоопасной, химически агрессивной или переувлажненной среде, в условиях сильного загрязнения, либо на местах, труднодоступных для профилактики и ремонта, вдали от обслуживающего персонала. Электроприводы должны отвечать требованиям надежной работы при высокой нагрузке и жестких механических и климатических условиях. Процесс совершенствования, улучшения, шаровых мельниц вызван желанием повысить степень их надежности, живучести, а также уменьшения электро-, взрывопожароопасности и увеличения их работоспособности. Для повышения их эффективности необходимо развивать постоянно технические системы шаровых мельниц, обеспечивая, имея ограниченные возможности источников электропитания, рост энерговооруженности.

В настоящее время для шаровых мельниц широко применяются безредукторные приводы с синхронными двигателями (СД), которые имеют ряд недостатков. Основным из них можно отнести отсутствие возможности регулирования скорости электропривода. Альтернативой вышеуказанным синхронным двигателям являются вентильно-индукторные двигатели (ВИД),

обладающие следующими достоинствами: более высокая надежность (отсутствуют обмотка и контактные кольца на роторе), простота и технологичность конструкции (сосредоточенные катушки фаз статора, зубчатый безобмоточный ферромагнитный ротор), высокий КПД, приемлемые массо-габаритные показатели, более низкая стоимость в производстве [4].

Построение современных шаровых мельниц на базе вентильных машин индукторного типа требует разработки необходимой в ходе проектирования расчетной базы, а также экспериментальной, которая обеспечит натурные испытания. В связи с этим, тема предлагаемой вниманию диссертации, а именно, создание электропривода шаровых мельниц, удовлетворяющего комплексу современных требований, является актуальной.

Объект исследований: вентильно-индукторный электропривод шаровых мельниц.

Предмет исследования: электромагнитные параметры и рабочие характеристики ВИП для шаровых мельниц.

Цель работы - Совершенствование вентильных индукторных электроприводов для шаровых мельниц благодаря обоснованию и реализации совокупности технических и технологических решений.

В диссертационной работе были поставлены и разрешены задачи:

1. Обоснована целесообразность применения вентильных индукторных электроприводов в шаровых мельницах.

2. Выполнено математическое описание ВИП шаровых мельниц в форме, удобной для исследования электромагнитных, электромеханических и тепловых процессов в установившихся и переходных режимах.

3. Определены энергетические показатели рабочих режимов ВИП шаровых мельниц.

4. Выполнены экспериментальные исследования электромагнитных, электромеханических и теплофизических процессов на опытном образце ВИП мощностью 1250 кВт.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены усовершенствованные способы управления ВИП шаровых мельниц отличающиеся учётом особенностей их режимов работы, позволяющие обеспечить работу электрооборудования с наибольшим значением КПД (Пункт 1 паспорта специальности 05.09.03).

2. Разработана методика определения энергетических показателей рабочих режимов ВИП шаровых мельниц, отличающаяся от известных тем, что учитывает электромагнитные и электромеханические процессы при вычислении момента вращающего на валу двигателя, его мощности, входной и выходной, КПД, коэффициента электромеханического преобразования энергии (Пункт 4 паспорта специальности 05.09.03).

3. Уточнена методика проектирования ВИП, позволяющая, в отличие от существующих, обеспечить учёт динамических процессов на основе созданной имитационной модели исследования режимов работы шаровых мельниц (Пункт 3 паспорта специальности 05.09.03).

4. Предложена методика совершенствования способов формирования управляющих воздействий ВИП, отличающийся возможностью реализации необходимых механических характеристик в требуемых рабочих режимах ВИП-1250 шаровых мельниц (Пункт 1 паспорта специальности 05.09.03).

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Результат, полученный в ходе исследований, - практический программный комплекс для проектирования вентильных индукторных электроприводов шаровых мельниц, который показал свою эффективность при реализации опытного образца ВИП мощностью1250 кВт.

2. Результаты проведенных экспериментальных исследований вентильных индукторных двигателей позволили подтвердить их соответствие требуемым техническим характеристикам и могут быть использованы при проектировании электроприводов шаровых мельниц.

3. Опытный образец ВИП мощностью 1250 кВт передан в опытную эксплуатацию в составе мельниц мокрого самоизмельчения по извлечению

алмазов из кимберлитовой руды на фабрику № 14 Айхальского ГОКа АК «Алроса» (ПАО).

4. Практическая полезность состоит в повышении эффективности разработанных методик проектирования за счёт созданной математической модели ВИП при программной реализации коммерческих проектов, их внедрение в инженерную практику АО ПКБ «ИРИС», ООО «МИП «Мехатроника» и в учебный процессе при подготовке специалистов на кафедре «Электроснабжение и электропривод» ЮРГПУ (НПИ).

Методология и методы исследований.

Проведение исследований основывается на применении теории электрических машин, теории электропривода и динамических процессов, теплопередачи, теоретической электротехники, цифровой обработки сигналов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Усовершенствованные способы управления на основе регулирования параметров импульса тока в фазе ВИП большой мощности, применяемых в шаровыхмельницах.

2. Комплексная методика исследований ВИП шаровых мельниц, обеспечивающая определение энергетических показателей и оценку качества управления ВИП при различных значениях частоты вращения и нагрузки.

3. Результаты исследований динамических процессов вентильных индукторных электроприводов шаровых мельницы на примере ВИП мощностью 1250 кВт.

4. Комплексная методика экспериментальных исследований двухпакетных ВИП при их работе в режимах взаимной нагрузки с применением системы «двигатель-генератор»

Обоснованность и достоверность научных положений, рекомендаций и выводов была подтверждена корректным использованием методов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований, сходимостью полученных теоретических результатов с данными испытаний опытных образцов ВИП.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на четырёх Всероссийских, двух Межотраслевых и одной Региональной научно-технических конференциях и семинарах.

Соответствие научной специальности. Исследования, выполненные в диссертационной работе, соответствуют формуле и пунктам 1, 3 и 4 паспорта специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы:

Пункт 1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.

Пункт 3. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.

Пункт 4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений, изложена на 133 страницах, включая 8 таблиц и 66 иллюстраций. Список использованной литературы включает 72 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ШАРОВЫХ

МЕЛЬНИЦ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Некоторые области применения высоконагруженных электроприводов мельниц

1.1.1 Горнообогатительная промышленность - мельницы мокрого самоизмельчения

Тяжмаш мельницы мокрого самоизмельчения (ММС) 9500x2900: технические характеристики, описание, обзор:

Мельница мокрого самоизмельчения ММС 9500x2900 производства Тяжмаш. Объем емкости 172 куб. м, мощность двигателя 4000 кВт [5]. Мельницы мокрого самоизмельчения типа ММС используются для размола руды черных или цветных металлов, сырьевых материалов, для цементной промышленности, алмазо- и золотосодержащих руд. Мельницы могут работать в открытых и замкнутых циклах с классифицирующими устройствами. Имеется возможность эксплуатации мельниц в режиме полусамоизмельчения с дозагрузкой шарами. Мельницы поставляются в крупно-блочном исполнении. На рисунке 1 приведен ММС 9500х2900 и технические характеристики приведены в таблице

Рисунок 1.1 - ММС-9500х2900 с классическим электроприводом

Таблица 1.1 - Технические характеристики Тяжмаш ММС 9500x2900

Внутренний диаметр барабана, мм

Длина барабана (без учета футеровки), мм

Объем барабана, м3

Частота вращения барабана, об/мин

Величина мощности двигателя, в кВт

Длина, мм

Ширина, мм

Высота, мм

Часовая производительность, т/ч

Способ помола мокрый

1.1.2 Горнообогатительная промышленность - Шаровая мельница МШР 3600x5000

Шаровая мельница типа МШР 3600x5000 (рис. 1.2) представляет собой массивный полый цилиндрический объект - барабан, со стальными, чугунными или кремневыми шарами внутри диаметром от 30 до 150 мм. Применяется МШР для тонкого измельчения материалов, при этом исходный материал имеет фракции крупностью до 25 до 30 мм, а после измельчения получаются фракции от 40 до 100 мкм. В зависимости от технологии и типа измельчаемого материала помол осуществляют сухим и мокрым способами [6].

Рисунок 1.2 - Внешний вид шаровой мельницы Для обеспечения однородности помола и повышения эффективности используют смесь шаров различного диаметра - от 40 мм до 150 мм. Объём заполнения барабана шарами зависит от многих факторов, но обычно не превышает 45%. При вращении барабана шары внутри него перемещаются,

скользят и падают. В ходе этого процесса происходит измельчение зерен полезного ископаемого - входной фракции.

Разгрузка изношенных шаров, введение футеровки внутри мельницы, осмотр с целью ревизии состояния барабана осуществляется через люки. Горловина разгрузочной цапфы имеет больший диаметр, чем обеспечивается движение пульпы в сторону разгрузки.

Данные шаровые мельницы используют на многих ГОК, например - на участке комплекса закладочного (для изготовления смеси бетонной), рудник «Мир», принадлежащий Мирнинскому ГОКа (Акционерная компания «АЛРОСА», ПАО) [6].

Мельницы типа МШР-3600*5000 имеют мощностью привода 1250 кВт. Для таких мощных мельниц традиционно используются синхронные тихоходные двигатели переменного тока типа 4СДМ-1500М-32, позволяющие исключить потери от редуктора, которые не только усложняют кинематику агрегата, но и загромождают помещение комплекса. Данные двигатели так же находят применение в некоторых случаях на приводах циркуляционных и питательных насосов. Ряд технических параметров синхронного двигателя 4СДМ-1500М-32 приведен в таблице

Таблица 1.2 - Технические характеристики синхронного двигателя

4СДМ-1500М-32

Напряжение рабочее, по номинальному значению, В

Величина мощности, в кВт

Частота вращения, об/мин 187,5

Коэффициент полезного действия, в % 93,5

Cos ф 0,9

Напряжение возбуждения, В

Величина тока возбуждения, А

Степень защиты IP44

Способ охлаждения ICW37A97

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вентильный индукторный электропривод для шаровых мельниц»

Режим работы S1

Масса, кг 19800

1.2 Сравнительный анализ применяемых электроприводов и обоснование целесообразности применения вентильно-индукторных двигателей для шаровых мельниц

Таблица 1.3 - Сравнение некоторых типов двигателей

Наименование показателя АДКЗР АДРБП АД ВСД СДПМ ВИД

Уровень сложности и технологичности конструкции 2 4 4 6,5 5,5 4

Значение КПД (при номинальных параметрах) 0,85 0,81 0,81 0,89 0,92 0,9

Величина коэффициента мощности 0,8 0,75 0,8 1 1 0,95

Значение глубины регулирования 1 3 100 10 10 100

Величина момента пускового 1,4 1 1 1 1 1

Перегрузочная способность 2 1,8 2 3 2 2

Характеристики виброакустические 0,6 0,5 0,55 0,5 4,5 0,4

Удельные характеристики, весовые, кг/кВт 7 14 22 21 20 26

Удельные характеристики, габаритные, дм /кВт 10 20 30 28 27 17,5

Обобщённый показатель эффективности 0,666 0,796 0,77 0,845 0,903 0,911

Ранжирование ряда РЭП 6 4 5 3 2 1

АДКЗР - асинхронный двигатель с короткозамкнутным ротором;

ВАД- вентильный асинхронный двигатель;

ВСД- вентильный синхронный двигатель;

СДПМ - синхронный двигатель с постоянным магнитом;

ВИД - двигатель вентильно-индукторный.

Говоря об экспериментальных методах по оценке надежности изделия, следует сказать об их особой, важной, роли. Во-первых, они - единственный источник исходных данных по качеству отдельных элементов при анализе сложных изделий. Полученные данные используются для аналитического исследования, а также для исследования с применением статистического моделирования. Во-вторых, именно эксперимент, в большинстве случаев, всегда был и останется основным способом нахождения уровня надежности или его подтверждения для серийных изделий, оценкой качественной вероятности работы

без отказа. (85-95) % отказов асинхронного (АД) и вентильно-индукторного (ВИД) двигателей на мощности ниже 20 % от номинальной за период эксплуатации происходит из-за повреждения обмотки статора. При отказе обмотки статора АД, требующем её перемотки, стоимость её ремонта примерно равна стоимости изготовления двигателя.

Для управления АД применяются преобразователи частоты со звеном постоянного тока, формирование выходного напряжения которых осуществляется на основе ШИМ. При этом на обмотку АД приходят импульсы, имеющие прямоугольную форму, которые вызывают протекание в обмотке волновых процессов. Эти процессы наиболее опасны для изоляции обмоток, т.к. в них возникают перенапряжения, при быстром увеличении на фронте волны величины напряжённости электрического поля в изоляции фиксируются значительные диэлектрические потери. Несущая (тактовая) частота современных ШИМ имеет значение (1-10) кГц, и её можно рассматривать как частоту поляризации изоляции обмоток АД. Всё это приводит к быстрому старению изоляции и снижению надёжности и срока службы АД.

В ВИД, по сравнению с АД, применяется фазовая регулировка напряжения. В этом случае частота коммутации ЮВТ-транзисторов меньше, на целый порядок, по сравнению с инвертором напряжения с ШИМ, что гораздо благоприятнее для изоляции обмоток. Если возникнет необходимость проведения ремонта сосредоточенных (катушечных) обмоток ВИД, провести его будет проще и значительно дешевле. Асинхронные двигатели являются одними из самых распространенных видов электрических машин. При проведении статистических исследований надежности асинхронных короткозамкнутых двигателей выделяют два более слабых элемента: обмотку статора, подшипниковый узел.

Наибольшее число отказов асинхронных двигателей с мощностью более 5 кВт происходит из-за повреждения обмоток. Эта величина отказов составляет (8595) %. При этом 93 % - межвитковые замыкания, 5 % - это пробой межфазной и 2 % - пробой пазовой изоляций. Только (5-8) % отказов связано с подшипниковым узлом, что вызвано скручиванием валов, распайкой выводных концов, разрывом

стержней ротора или другими причинами [7]. Если классифицировать отказы на технологические, эксплуатационные и конструкционные, то процентное соотношение между ними распределится так: 35 %, 50 % и 15 %. Причем, высокое значение эксплуатационных отказов связано с неудовлетворительной защитой электродвигателей. Такие данные получены для асинхронных двигателей общепромышленного применения. Для асинхронных двигателей большой мощности значимые статистические данные отсутствуют. Проведение их испытаний на надежность представляет трудности, поэтому для нахождения уровня надежности синхронных машин с большой мощностью используются данные эксплуатации.

Высокое качество обслуживания характеризует одну из особенностей условий для работы синхронных генераторов с большой мощностью. Следует сказать, что количество отказов по ошибкам при эксплуатации по величине близко к количеству отказов из-за дефектов в процессе изготовления. Но в процессе эксплуатации осуществляется усовершенствование, модернизация и доводка генераторов и вспомогательного оборудования. Это дает возможность увеличить надежность синхронных машин. Другая особенность условий эксплуатации состоит в том, что существуют периодические капитальные и планово-предупредительные ремонты и испытания. В ходе их проведения находятся разные повреждения. При устранении разного рода неисправностей, проведенного своевременно, уменьшается вероятность отказов аварийных, что тоже повышает надежность машин.

Заводские дефекты, как свидетельствует статистика, одна из основных причин отказов синхронных машин. В первые (5-10) тыс. часов работы происходит приработка, во время которой заменяют и ремонтируют детали с заводскими дефектами. После этого следует период нормальной эксплуатации в (15-20) лет. Ближе к концу периода происходит постепенное нарастание отказов, которое обусловлено износом и старением материалов, а также элементов конструкции.

При оценке надежности эксплуатации синхронных генераторов используют значение удельной повреждаемости или удельного числа аварийных отключений. Это среднее число аварийных отключений в течение года на одну машину, в процентах от общего числа отключений. Согласно статистическим результатам, удельная повреждаемость увеличивается при возрастании мощности. Самое «уязвимое место» - это статор. Отказ изоляции обмотки статора в 2,26 % случаев отказа (турбогенераторы) и 3,67 % случаев (гидрогенераторы). Отказ пайки - это 0,34 и 0,92 %, повреждение активной стали статора - 0,15 и 0,64 % случаев отказа соответственно.

Полный аналитический расчет надежности обмотки электрической машины требует в качестве исходных данных знание ее детальных данных, включая число фаз, полюсов, катушечных секций в фазе, числа витков, типа и параметров надежности обмоточного провода, дополнительной изоляции и т.д.

В асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором ток пусковой может превышать номинальный в (3-7) раз. При запуске короткозамкнутых электродвигателей, по правилам устройства электроустановок, падение величины напряжения должно быть не более (10-15)% от величины номинального напряжения. Следовательно, можно использовать короткозамкнутые двигатели с непосредственным включением небольшой мощности. То есть, в зависимости от мощности подстанции, до (100-200) кВт.

С целью уменьшения величины пускового тока короткозамкнутых асинхронных двигателей используется ряд методов: первый метод - это переключение обмоток статора со «звезды» (в процессе запуска) на «треугольник» (когда достигается нормальная частота вращения); второй метод -запуск ступенчатый, с сопротивлениями дополнительными в цепи статора; третий метод - запуск производится с использованием пусковых автотрансформаторов. Но указанные методы предполагают, что будут применены некоторые дополнительные устройства. А это создает трудность для проведения автоматизации и снижает преимущества асинхронных двигателей.

Для синхронных электродвигателей необходим предварительный разгон ротора. Для этого в роторе есть дополнительная короткозамкнутая обмотка. Кроме того, она же нужна для сглаживания колебаний тока статора, скорости ротора, когда происходят процессы изменения частоты тока или напряжения в сети.

Высокий коэффициент мощности, устойчивая работа при колебаниях напряжения в сети - эти достоинства синхронных электродвигателейпозволяют рекомендовать их установку в случаях необходимости двигателей большой мощности.

Поскольку технология изготовления обмоток для различных типов мощных машин достаточно совершенна и примерно одинакова, на этапе предварительного сравнения надежности разных типов машин для упрощения расчетов предположим, что показатели надежности катушечной секции для разных машин одинаковы. Сопоставим следующие варианты:

1. Синхронный двигатель с постоянными магнитами ВЭД-К - число фаз т1 = 6, число полюсов 2р1 = 30, число катушечных секций ZК1 = 2р1т1 = 180

2. Асинхронный двигатель АДР-К - число фаз т2 = 6, число полюсов 2р2 = 20, число катушечных секций Zк2 = 2р2 т2 = 120

3. Корабельный вентильный индукторный двигатель СЭД-13 - число фаз т3 = 21, число полюсов 2р3 = 2, число катушечных секций ZК3 = 2р3 т3 = 42.

Ограничимся анализом структурной надежности обмотки статора -надежности результирующей при заданной структуре и известных величинах надежности составляющих элементов.

Два первых варианта являются традиционными исполнениями электрических машин, в которых существует сильная магнитная взаимосвязь между фазами и возникновение короткого замыкания в любой из катушек одной фазы приводит к необходимости отключения всех остальных фаз. В случае, когда отказ системы происходит при отказе одного из узлов, то вероятностная модель системы состоит из последовательного (основного) соединения элементов.

В случае, когда надежности отдельных узловр1,р2, ...,р1 независимы друг от друга, надежность системы, которая имеет N узлов, находится как произведение величин надежности для отдельных узлов:

N

рс -АМ-А^Пй

7-1

Применительно к обмотке, имеющей 2К катушечных секций с вероятностью безотказной работы каждой РК за время Т, вероятность безотказной работы обмотки

¿к

Р = ГТ Р = Р2]с

1 ОБ 11-^ к /-1

Как уже упоминалось, предполагаем, что РК для разных типов машин одинаковы. Пусть требуемая вероятность безотказной работы за время Т всей обмотки РОБ = 0,9998. В предположении, что для синхронного и асинхронного двигателей отказ (витковое замыкание) в одной из 2К секций приводит к срабатыванию соответствующей защиты и отключению всей обмотки, вероятность отказа одной секции из 2К

01/2 = 1 - РОБ = 1 - 0,9998 = 0,0002

Для вентильного индукторного двигателя вероятность ^/г будет такой же или близкой к этому, поскольку значения 2К для рассматриваемых вариантов одного порядка. Однако отказ одной секции не вызовет существенных изменений в токах других фаз и при отключении неисправной фазы вызовет снижение выходной мощности всего на 5%.

Вероятность для ВИД отказа двух секций из 2К за интервал времени Т

б2/г=а2/г=4. ю-8

то есть в 5000 раз меньше, чем вероятность отказа обмотки СД и АД. Однако и в этом случае ВИД останется работоспособном состоянии с 90% номинальной мощности.

При идентичности конструкций подшипниковых узлов можно предположить, что их вклад в показатели надежности разных вариантов будет примерно одинаков, поскольку их массогабаритные показатели примерно равны.

Некоторые особенности ВИД

Работа ВИД основана на физическом явлении, заключающемся в том, что в магнитном поле на ферромагнитное тело воздействует механическая сила притяжения. Она старается переместить тело в область, где интенсивность поля наибольшая. Сила именуется электромагнитной силой [8].

Магнитная система двигателя такова, что какое бы положение не занимал ротор, найдутся катушки, при возбуждении которых ротор начнет двигаться. В этом случае отсутствуют так называемые «мертвые зоны», более всего нежелательные при пуске двигателя. «Мертвые зоны» - зоны, где ни одна из катушек не может создать вращающей момент. Поэтому необходимо, чтобы количество зубцов статора было не равным количеству зубцов ротора.

Когда происходит возбуждение какой-либо из фаз, ротор двигателя старается занять положение согласованное, когда индуктивность фазы возбужденной максимальна. Положение ротора, когда индуктивность возбужденной фазы минимальна, является рассогласованным.

В этом случае под действием электромагнитных сил вращение ротора будет осуществляться против часовой стрелки. В случае последовательной периодической коммутации фаз ротор будет вращаться со средней угловой скоростью, которая пропорциональна частоте коммутации.

Назовем экономические и технические преимущества ВИП:

> достигается высокий уровень точности при управлении величиной момента; появляется возможность, при фазовом управлении ВИП, проведения процесса изменения частоты вращения в большом интервале, что создает лучшие условия обогащения; может быть проведен как более плавный процесс пуска, так и процесс торможения, что качественнее и сохраняет детали от износа, продляет срок их использования. Это относится к обмоткам, деталям двигателя, мельницы

[9];

> во время работы с неполной нагрузкой на валу имеем место сохранение достаточно высокого уровня величины коэффициента полезного действия двигателя. Такие условия работы наиболее распространенные. Величина

коэффициента от 96 до 98 %. Такая величина достаточно близка к номиналу, характерному для больших машин;

> простое решение магнитопроводов ротора, статора, обмоток двигателя по конструкции, которые не содержат лобовых элементов пересекающихся. Поэтому имеем хорошую технологичность в процессе их изготовления, более высокий уровень по надежности, а также очень небольшое число отказов. Это ведет к возрастанию уровня как долговечности, так и ремонтопригодности, сокращаются затраты на текущее техобслуживание и ремонтные работы;

> не использование в конструкции редуктора устраняет трату средств на замену масла. Кроме того, не присутствует та составляющая, которая уменьшает КПД передачи;

> коэффициент полезного действия для преобразователя (инвертора) более высокой величины. Это благодаря работе на частотах в интервале от 100 до 300 Гц (низкие частоты). Для примера, инвертор АД проводит работу,режим ШИМ, при частотах более 2000 Гц. Это важная отличительная особенность;

> то обстоятельство, что отсутствуют обмотки в роторе, создает условия того, что в стальном роторе потери невелики. Следовательно, не нужно осуществление процесса отвода тепла;

> повышение уровня живучести ВИД происходит по причинам: магнитной независимости обмоток фазных, электрической независимости блоков фазных в преобразователе частоты. Это делает невозможным полную потерю работоспособности привода, если происходит повреждение фазы или нескольких фаз. Теряется только лишь часть мощности [10];

> площади на производстве становятся доступны для проведения работ, связанных с реорганизацией предприятия.

Предлагаемый тип двигателя отличается конструктивной простотой и надежностью. На роторе двигателя отсутствуют обмотки и постоянные магниты. Обмотка статора выполнена из сосредоточенных, концентрических катушек, что делает двигатель не требующим ремонта и обслуживания, за исключением обслуживания подшипниковых узлов и уплотнений по регламенту.

Сравнение вентильно-индукторного двигателя с асинхронным двигателем по удельной массе приведено на рисунке 1.3.

Особенность устройства активного слоя ВИД и конструкции фазных обмоток обеспечивает ему высокую надежность и живучесть. Это дает одно из основных важных практических преимуществ ВИД перед традиционными типами электрических машин: при замыкании фазных обмоток или при межвитковом замыкании фазной обмотки асинхронный двигатель выйдет из строя. Для предотвращения этого в асинхронных приводах предусматриваются специальные электронные защитные устройства, работоспособность которых в период эксплуатации подтверждается только при наступлении аварийной ситуации. Невозможность межфазного замыкания обмоток ВИД гарантируется конструкцией обмотки статора ВИД, не допускающей пересечения фазных катушек.

Рисунок 1.3 - Сравнение вентильно-индукторного двигателя с асинхронным

двигателем по удельной массе При межвитковом замыкании фазной катушки ВИД возникает режим «токового коридора», в который входит поврежденная фаза с выдачей сообщения о нештатном режиме на панель индикации. Этот режим имеет место при пусковых режимах и режимах работы при перегрузках. При необходимости

электропривода с ВИД может работать в таком нештатном режиме при отключенных нескольких фазах.

Другим, основным, преимуществом ВИП, по сравнению с частотно управляемым АД, является его многофазность, которая облегчает компоновку силовой части преобразователя и, с учетом независимости работы фаз, обеспечивает высокую живучесть привода. Отказ одной или даже нескольких фаз не нарушает работу двигателя, так как при наличии некоторого резерва по току и напряжению фаз снижение выходной мощности может быть частично или полностью компенсировано за счет увеличения нагрузки фаз, оставшихся в работе.

Сравнительная оценка управляемых электроприводов переменного тока

На рынке представлено множество моделей электроприводов. Технологии не стоят на месте и на рынке стали появляться новые вентильные индукторные электроприводы (ВИП) [8]. ВИП - это сочетание индукторной машины и полупроводникового преобразователя, являющееся новым витком в развитии электромеханики регулируемого электропривода. Для того, чтобы понимать различия и преимущества существующих электроприводов предлагается подробная таблица сравнения (таблица 1.4), где обозначено: АД - асинхронный двигатель;

АД с ПЧ - асинхронный двигатель с преобразователем; СД - синхронный двигатель; ПМ - постоянные магниты.

Таблица 1.4 - Сравнительная оценка управляемых электроприводов переменного тока

Показатели АД с ПЧ СД с ПМ ВИП

Двигатель

1. Обмотка с пересекающимися лобовыми частями распределённая. 1.Обмотка может быть распределённой и катушечной. 1.Обмотка, выполнена из отдельных катушек аппаратного типа, которая не имеет пересекающихся лобовых частей, более надёжная и простая.

1. Конструкция 2. Ротор с короткозамкнутой обмоткой или фазный с контактными кольцами. 3.Датчик положения ротора не требуется. Для увеличения точности и диапазона регулирования устанавливают энкодер для измерения частоты вращения 2. Ротор с постоянными магнитами. Требуется отбор магнитов для обеспечения однородности их свойств. 3.Требуется установка датчик положения ротора. 4.Требуется специальная защита ротора от налипания ферромагнитных частиц при воздушном охлаждении 2. Зубчатый ротор без магнитов и обмоток, наиболее простой по конструкции. 3. Необходима установка датчика положения ротора

2. Технология изготовления Средней сложности и трудоёмкости Дополнительные затраты на заливку «беличьей клетки» ротора Повышенной сложности и трудоёмкости Дополнительные затраты на приспособления для установки магнитов. Требуется обеспечение высокой точности и симметрии при изготовлении для исключения одностороннего тяжения магнитов Пониженной сложности и трудоёмкости По опыту изготовления крупных машин на ремонтных заводах ИД могут быть изготовлены на каждом электромеханическом заводе с необходимым станочным и крановым оборудованием

3. Кратность пускового момента 2,0 - 2,5 3,0 - 3,5 2,5 - 3,0 Определяется возможностями инвертора

Средняя Относительно высокая Высокая

4. Надёжность Возможны пробой обмоток в лобовых частях при вибрации, выход из строя «беличьей клетки» при воздействиях, Возможно при перегреве изменение характеристик магнитов Простые в конструкции и надёжные обмотки для катушек, пассивный ротор

механических и тепловых

5. Живучесть и безопасность Средняя При выходе из строя обмотки фазной или «беличьей клетки», двигатель отключается по защите Средняя Когда короткое замыкание обмотки, магнит отключить нельзя, даже в случае, если двигатель отключается защитой. Возможен процесс возгорания обмотки Высокая Так как между фазами нет магнитной связи (уникальное свойство индукторной реактивной машины), фазы могут работать автономно. Тогда при выходе катушки из строя сохраняется работоспособность двигателя

6. Регулирование частоты вращения Относительно в широком диапазоне («вниз» и «вверх») Пониженный диапазон регулирования и только «вниз», что существенно сокращает область применения В широком диапазоне («вниз» и «вверх»)

7. Энергоэффективность Повышенная по сравнению с ДПТ Самая высокая Вследствие того, что возбуждение обеспечивают магниты, омические потери минимальные. КПД самый высокий Высокая Величина КПД выше, чем у АД, но меньше, чем у СД с ПМ. ИД в большом интервале частот вращения работает в одноимпульсном режиме, при этом в напряжении отсутствует ШИМ. Потери в роторе ниже, чем в АД

8. Быстродействие Среднее Повышенное Высокое За счёт малой инерционности безобмоточного ротора и относительно низкой индуктивности обмотки статора

9. Регулирование частоты вращения Относительно в широком диапазоне («вниз» и «вверх») Пониженный диапазон регулирования и только «вниз», что существенно сужает область применения В широком диапазоне («вниз» и «вверх»)

10. Вибрации и шум Средние Средние Достигнуты низкие виброакустические характеристики с обеспечением Требований 4. Для этого ИД должен правильно быть спроектирован и правильно управляться

11. Тепловыделения Средние Требуется отвод тепла от ротора. Минимальные Средние За счёт снижения площади теплоотдачи с катушечных обмоток требуется тщательное проектирование системы

охлаждения. Ротор не требует охлаждения

12. Массогабаритные показатели Средние Меньше, чем у ДПТ Низкие Могут быть меньше в 1,5 - 2 раза Средние Соответствуют АД

13. Безредукторное применение Возможность низкая Невозможно обеспечить многополюсное исполнение Возможность средняя Возможно обеспечить многополюсное исполнение при радиальном размещении магнитов, что увеличивает габариты ротора и его массу Возможность высокая Повышенная возможность создания многополюсной конструкции за счёт применения, так называемой, гребенчатой зубцовой зоны

14. Эксплуатация и ремонт Показатели повышенные по сравнению с ДПТ Отсутствует коллектор и необходимость его обслуживания. При ремонте вышедшей из строя катушки требуется удалять практически всю распределённую обмотку Высокие Требуется осмотр состояния ротора с ПМ. Требования по ремонту обмоток аналогичные АД Самые высокие Требуется обслуживание только подшипников. При ремонте обмотки достаточно только снять вышедшую из строя катушку обмотки. Минимальные затраты на ремонт

15. Себестоимость Средняя Ниже, чем у ДПТ Самая высокая Выше в 2- 2,5 раза, чем у АД. Стоимость магнитов может составлять более 50% стоимости всего двигателя. Стоимость 1 кг магнитов ШЕеВс допустимой температурой до 180 оС порядка 1200 евро Пониженная Примерно на 30 % ниже, чем у АД

Преобразователь

1. Конструкция Трёхфазный мост. При этом обмотки двигателя, как правило, соединены в треугольник Аналогичная конструкция, что и ПЧ для АД или для СД с распределённой обмоткой Асимметричный полумост на чопперах (или двухключевых модулях для ВИП большой мощности). Обеспечена автономность работы каждой фазы

2. Надёжность и живучесть Средняя Средняя Высокая Обеспечивается схемными решениями, исключающими возможность сквозных коротких замыканий

3.Энергоэффективность Относительно высокая Относительно высокая Высокая Большая величина КПД преобразователя (низкая частота 0,1 - 0,3 кГц ) по сравнению с АД и СД (режим ШИМ на частоте более 2 кГц)

4. Себестоимость Стоимость зависит от функциональных возможностей. Наибольшая цена для инверторов, реализующих векторное управление Стоимость зависит от функциональных возможностей. Примерно на том же уровне, что и ПЧ для АД Стоимость примерно на 15 - 30 % выше, за счёт большей ёмкости фильтра и ключей с более высокой токовой нагрузкой. Может быть снижена при применении ИД двухпакетной конструкции шестифазного исполнения

Указанное выше положительно влияет на целесообразность применения шаровых мельниц с установленным приводом вентильно-индукторным и должно обеспечить высокие экономические результаты.

Выводы по главе 1

1. В первой главе рассмотрены существующие вентильно-индукторные электроприводы шаровых мельниц и некоторые области применения высоконагруженных электроприводов мельниц.

2. Показаны преимущества ВИП в сравнении с иными видами электроприводов. Особенности в его конструкции, как и независимость между фазами, создают ВИД при эксплуатации очень высокое качество по надежности и безотказности.

3. Предложено использовать вентильные индукторные двигатели (ВИД), имеющие, по сравнению с синхронными электроприводами, ряд преимуществ, которые позволяют считать их более перспективными в шаровых мельницах.

ГЛАВА 2. НОВЫЕ КОНСТРУКТОРСКИЕ РЕШЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ 2.1 Новые конструкторские решения вентильно-индукторных электроприводов для мельниц

2.1.1 Вентильно-индукторный электропривод мельницы мокрого самоизмельчения

На основных этапах пути создания ВИП-2,6 МВт к настоящему времени в распоряжении ЗАО «ИРИС» на основе экспериментальных данных имеются методики по видам оценки его надежности: конструктивная, технологическая, эксплуатационная надежность ВИП-2,6 МВт в процессе эксплуатации в системе ММС [11-13]. На начальном этапе проектирования электропривода проведен расчет надежности с использованием экспериментальных данных и математических моделей с учетом коррекции. На сегодняшний день ЗАО «ИРИС» может в ходе проектирования индукторных машин, имеющих большую мощность, проводить оценку их надежности. На основании этого сравнивать разные варианты их конструкторского исполнения и определять оптимальный вариант. На рисунке 2.1 приведен ММС-95х29 с вентильно-индукторным электроприводом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фам Ван Бьен, 2019 год

- 56 с.

62. Нгуен Куанг Кхоа. Проектирование и моделирование лопастных насосов в среде SolidWorks 2012 с использованием пакета FlowSimulation 2012 / Нгуен Куанг Кхоа // Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы специального назначения: Материалы межотраслевого науч.-техн. семинара. г. Новочеркасск. 10-12 июня 2014 г. / Южно-Росссийский государственный политехнический ун-т (НПИ). 2014. - С. 128 - 134.

63. Универсальная программа имитации электрических машин / И.А. Квятковский, В.М. Павлюков, А.П. Темирёв, А.А. Цветков // № 2011612463. Заявка № 2011610504. Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 24.03.11.

64. Бычков М.Г., Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления // Вестник МЭИ. - 1998. - №3. - С. 73 - 81.

65. Кузнецов, В.А. Вентильно-индукторные двигатели: учебное пособие / В.А. Кузнецов, В.А. Кузьмичев. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 70 с.

66. Квятковский, И.А. Проектирование управляемых вентильно-индукторных двигателей с самовозбуждением: учебное пособие / И.А. Квятковский. - Новочеркасск: 2009. - 180 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Патент РФ промышленный образец RU (11) № 14.05.2015 «Индукторный электродвигатель ИД-1600/1000»

99655 от

Рисунок П.1. Вентильно-индукторный двигатель 1600 кВт

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Краткий отчет об охлаждении ВИД-1250 с помощью вентилятора производительностью 1,8 м /с.

Согласно проведенным испытаниям, на переделенную модель для расчетов, задаем потери в ярме статора, ротора, и в зубцах статора, ротора. Так же задаем вдув воздуха 1.8 м/с и атмосферу, для его выхода. Вращение ротора 187 об/мин. Температура окружающего воздуха 200С. Производим расчет на заданных условиях.

Можем посмотреть как движется воздух в модели. Темно-синие потоки внизу модели - вдув воздуха (имитация вентилятора). Светло-синие потоки -атмосфера (выход воздуха из модели). На данной картинке мы видим что воздух практически не проходит через верхние катушки. Дело в том, что показаны наиболее большие движения воздуха, а через верхние катушки продувается меньше воздуха.

Рисунок П.2.1.

Удостоверимся что через верхние катушки все таки продувается воздух. Рассмотрим одну из верхних катушек и более детально построим линии движения воздуха. Мы видим что воздух двигается по правильной траектории.

Рисунок П.2.2.

Рисунок П.2.3. График распределения давления внутри модели

На картинке, которая сделана в разрезе, мы видим что больше всего нагреваются верхние катушки. Максимальная температура 413К, что равно 1400С, что является допустимым значением. Максимальная температура остальных катушек не превышает 385К, или 1120С.

L

Рисунок П.2.4

На следующей картинки температуры кроме катушек нигде не превышает 367К, или 940С. Что является допустимым результатом.

■ 4,3 5

■ 404 2

■ 3950 385.7 376.4

Рисунок П.2.5.

Вывод: без учета продувания воздуха в коробке выводов, вентилятор с расходом

-5

1.8 м/с полностью подходит под заданные условия.