05 декабря 2017г.
Аннотация: в статье представлены результаты разработки новой структуры электропривода для модернизации существующих систем нерегулируемых или частично регулируемых систем приводов установок сепарирования цементного материа ла. Описаны процессы сепарирования цементного материала и показана структура высокопроизводительного сепаратора с регулируемым электроприводом на базе асинхронизированного вентильного двигателя.
Ключевые слова: сепараторная установка, контур управления скоростью, система управления электроприводом, машина двойного питания.
В настоящее время на фоне развития экономики и роста темпов строительства в Российской
Федерации идет постоянное увеличение производственных мощностей цементных заводов. Основным направлением модернизации существующих производственных участков является внедрение интеллектуальных микропроцессорных систем управления и создание автоматизированных систем управления технологическими процессами, а также комплексное решение задач по автоматизаци и систем нерегулируемого или частичного регулируемого электропривода, приводящего в движение различные устройства и механизмы.
Помольный цикл делится между несколькими группами технологического оборудования. Эти группы приводятся в действие или останавливаются в определенной последовательности согласно заранее определённому алгоритму. Между этими группами действуют системы блокировки. Это значит, что следующая группа должна приводиться в действие перед тем, как запускается предыдущая группа оборудования. Так пример, перед запуском дозирующей и питающей группы, мельница уже должна работать. Если произойдет сбой в одной из групп по ходу потока материала, то группы оборудования находящиеся перед ней должны быть немедленно остановлены путем аварийной остановки. Группы после мельницы по ходу потока могут работать в обычном режиме. Одним из наиболее важных звеньев в помольном цикле является устройство сепарирования цементного материала. Структурная схема системы сепарирования цементного материала представлена на рисунке 1.
Материал подается через две трубки подачи на рассеивающую тарелку, для того, чтобы уже перед сепарированием достичь более равномерного разделения материала. Материал по падает в большую емкость –
область рассеивания. Агломераты и большие частицы, к которым прилипают мелкие частицы, с силой ударяются о стенку. Таким образом, агломераты разделяются, мелкие частицы отделяются и рассеиваются в потоке воздуха. Из области рассеивания подаваемый материал сверху попадает в область сепарации,
в которой он с высокой скоростью движется по кругу. Необходимый для сепарации воздух подается снаружи по касательной в область сепарации, где происходит разделение грубых и мелких частиц благо даря возникающему равновесию сил между центробежной силой и силой потока. Грубые частицы сильнее двигаются по направлению наружу, чем мелкие частицы. Поток воздуха, который по касательной заходит снаружи во вращающуюся корзину, создает силу потока на частицы. Благодаря этому потоком воздуха уносятся в основном мелкие частицы, в то время как грубые частицы из-за их большой центробежной силы не попадают во вращающуюся корзину. Только при достаточной окружной скорости и
скорости потока воздуха может быть достигнуто оптимальное разделение при заданных размерах частиц. Грубые частицы падают через область сепарации в разгрузочный конус крупки. Мелкие частицы попадают с сепарирующим воздухом во вращающуюся корзину и выводятся через разгрузочную трубу. В дальнейшем процессе мелкие частицы должны быть отделены от транспортирующего воздуха. Это
осуществляется с помощью фильтров или циклонов. Регулировка тонкости сепарирования конечного продукта осуществляется путем настройки скорости
ротора:
·
увеличение скорости
ротора уменьшит количество
грубомолотых частиц
во фракции конечного продукта;
·
уменьшение скорости ротора увеличит количество грубомолотых частиц
во фракции конечного продукта.
Исходя из вышесказанного, становится очевидным, что основным требованием к электроприв оду устройства сепарирования цементного материала является возможность широкого регулирования и поддержания заданной скорости вращения при различных значениях электромагнитного момента. Допускаемые отклонения скорости вращения ротора, определяемые количеством грубомолотых частиц во фракции продукта, обычно не должны
превышать 5 %.
Существующая структура электропривода на базе машины двойного питания (МДП) с преобразователем частоты в цепи ротора не в полной мере удовлетворяет ряду технологических требований сепарирования:
· поддержание реактивной мощности статора на нулевом уровне обеспечивается за
счет повышения потребления реактивного
тока ротором. Это
несколько снижает длительно допустимый момент на валу двигателя при условии ограничения тока ротора его но минальным значением. При низких частотах вращения вала машина имеет невысокий КПД, вследствие увеличения потерь в стали двигателя, так как в этом случае частоты токов статора и ротора остаются большими [1];
· вследствие прямого подключения обмотки статора к сети МДП работает практически
с постоянным потокосцеплением статора, что в ряде режимов не позволяет обеспечить энергоэффективное управление;
· сложность измерения и индикации текущего значения скорости ротора ввиду использования серийного преобразователя частоты в цепи ротора, т.к. выходным параметром для настройки является значение частоты, а не угловой скорости ротора.
Для устранения ряда
указанных выше
недостатков
была
предложена структура регулируемого энергоэффективного электропривода на базе асинхронизированного
вентильного
двигателя (АВД)
[2-4]. Данное техническое решение является рациональным при модернизации системы регулируемого электропривода установки сепарирования цементного материала ввиду отсутствия необходимости замены базового асинхронного двигателя с фазным ротором. Установка в цепь статора дополнительного преобразователя частоты приведёт к увеличению первоначальных затрат, однако позволит получить улучшенные энергетические характеристики привода, который становится многоканальным объектом управления [5]. Реализация частотно-зависимого принципа управления позволит облегчить тяжёлый пуск двигателя в установке сепарирования за счёт синхронизации по фазе ЭДС (тока). Применение двух преобразователей частоты в цепях ротора и статора обеспечивает п ростоту практической реализации наблюдателя скорости, инвариантного к изменению
параметров базовой машины в процессе работы привода [6, 7]. Структурная схема электропривода на базе АВД для установки сепарирования цементного материала представлена на рисунке 2.
Данная система регулируемого электропривода на базе АВД позволит осуществить бездатчиковое регулирование скорости ротора
в широких диапазонах скоростей и изменяющимся электромагнитным моментом в зависимости от загрузки корзины цементным материалом. В данной структуре электропривод работает с номинальным потокосцеплением, однако при выполнении плановых
мероприятий по обслуживанию установки
сепарирования
применяют длительные временные интервалы работы без загрузки или с частичной загрузкой цементных материалов в корзину. Для таких режимов работы целесообразны энергоэффективные алгоритмы управления с ослаблением поля и применением наблюдателей магнитного потока в структуре системы управления [8, 9].
Для подтверждения предложенной концепции
применения электропривода на
базе АВД в сепараторной установке была разработана имитационная модель в пакете MatLab. Моделирование произведено для режима сепарирования цементных материалов при номинальном
потоке
и
загрузке корзины на 90% от максимального значения. В качестве базовой машины
применялся серийный асинхронный двигатель
с
фазным
ротором мощностью
4АНК280М8У3
(Pн =90 кВт;
nн =720 об/мин;
Mн =1194 Нм). Результаты
моделирования представлены
на рисунке 3.
В интервале времени до 0.2 секунд происходит намагничивание машины по цепи ротора до номинального потока. Затем происходит разгон двигателя до скорости на 10% больше
номинального значения при постоянном электромагнитном моменте. Т.к. требования к настройке тонкости сепарирования цементной пыли заключаются в регулировании скорости корзины и вентилятора, то сделаем скорость вала двигателя переменной величиной. Из рисунка
3
очевидно,
что
в
системе управления электроприводом на базе АВД является возможным регулирование скорости в широком диапазоне с поддержанием требуемого значения электромагнитного момента.
Структурная схема системы
сепарирования с двумя силовыми преобразователями частоты и АДФР в качестве базовой электрической машины, работающего в режиме АВД представлена на рисунке 4.
В результате выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ
был разработан автоматизированный регулируемый энергоэффективный электропривод сепаратора цементного материала на базе АВД, отличающийся более высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками в отличие от ранее используемых приводов на базе МДП.
*Статья подготовлена как часть прикладных исследований в соответствии с соглашением о предоставлении субсидии № 14.574.21 .0135 при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальным идентификатором является
RFMEFI57417X0135.
Список литературы
1.
Безденежных Д.В. Разработка и исследование электропривода на базе машины двойного питания с подключением обмоток статора
и
ротора к преобразователям
частоты: дис. … канд. техн. наук / Д.В. Безденежных.
– Липецк, 2011.
– 200 с.
2.
Tutaev G.M. Energy-efficient control
options of
electric drive based on
asynchronous converter-fed motor / G.M. Tutaev, A.V.
Volkov,
M.A. Bobrov // Труды XIII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». – 2016. – С. 88-93.
3.
Тутаев Г.М. Исследование
энергоэффективных режимов работы электропривода
на базе асинхронизированного вентильного двигателя
/
Г.М. Тутаев,
И.С. Юшков, М.А.
Бобров
// Актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. – 2017. – С. 68-72.
4.
Тутаев Г.М. Оценка энергетических характеристик асинхронизированного
вентильного
двигателя при
различных
способах
аппроксимации
кривой
намагничивания/
Г.М.
Тутаев, М.А.
Бобров, И.В. Гуляев // Электротехника.
– 2017. – №6. – С. 2-6.
5.
Тутаев Г.М. Асинхронизированный вентильный
двигатель как многоканальный объект управления /Г.М. Тутаев // Электричество. – 2013. – № 10. – С. 48-51.
6.
Gennady Tutaev, Maxim
Bobrov. Rotor speed estimation in control system of electric drive based on induction inverter-fed motor, IX International Conference on Power Drives Systems (ICPDS),
2016. – Р. 1-4.
7.
Бобров М.А. Разработка бездатчиковой цифровой системы управления электроприводом
на базе асинхронизированного
вентильного
двигателя/ М.А. Бобров,
И.С. Юшков, Г.М.
Тутаев,
И.В. Гуляев
// Вестник Южно-Уральского Государственного университета. Серия: Энергетика. – 2017. – Т.17. – №3. – С. 95-101.
8.
Бобров М.А. Разработка наблюдателя основного магнитного потока для
реализации бездатчиковых принципов управления электроприводом на базе асинхронизированного вентильно го двигателя / М.А. Бобров, Г.М. Тутаев // Актуальные вопросы науки и техники. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. – 2017. – 45 с.
9. Тутаев Г.М., Гуляев И.В.,
Бобров М.А., Волков А.В. Устройство для управления двигателем двойного питания. – Пат. 2625720 (РФ),
зарегистрирован 18.07.17, бюл. № 20.
