Диссертация - Шумяцкий В.М.

ШУМЯЦКИЙ ВАЛЕРИЙ МАТВЕЕВИЧ
Сокращенный автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
"Обоснование параметров комбайнового электропривода с учетом реальных режимов работы двигателя и электрической сети участка шахт"
Специальность 05.09.03 - Электрооборудование горной промышленности.

Главная | ДонНТУ | Магистры ДонНТУ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В решениях ХХYI съезда КПСС предусматривается обеспечение добычи угля в 1985 году в количестве 770-800 млн. тонн. Прирост объема добыча и переработки угля должен быть обеспечен в основном за счет повышения производительности труда. Одной из технических предпосылок к этому является повышение энерговооруженности горных машин, в том числе очистных комбайнов.
Однако стесненные условия угольного забоя требует изыскания возможностей повышения мощности двигателя при сохранении его размеров. Крои" того комбайновый электропривод отличается тем, что комбайновые двигатели питаются черва кабельные линии большой протяженности, от шахтных участковых трансформаторов ограниченной мощности. Это приводит ж снижению номинального напряжения на зажимах двигателя и, следовательно к снижению реальной энерговооруженности в сравнении с номинальной. Дополнительным фактором, снижавшим возможности электропривода является существенно стохастический режим работы электродвигателей, что приводит к дополнительному их нагреву, сжижающие допустимые нагрузки.
Таким образом возникает противоречие между необходимостью повышения энерговооруженности электродвигателей и трудностями в ее реализации в реальных условиях электроснабжения и при реальном характере нагрузки.
Этим определяется актуальность работы направленные на обеспечение возможности создания электродвигателей в заданных габаритах, с повышенными значениями мощности, способных обеспечить более высокую перегрузочную способность в реальных режимах работы и условиях электроснабжения.

Соответствие темы диссертации планам работ института "Донгипроуглемаш" и Первомайского электромеханического завода им. К.Маркса.
Диссертация является составной частью совместных работ по созданию и серийному освоению ряда новых двигателей, проведенных в соответствии с планами работ институтов "Донгипроуглемаш", ДЛИ и Первомайского электромеханического завода им. К.Маркса.
Цель работы - обоснование параметров комбайнового электропривода с учетом реальных режимов работы и условий его электроснабжения для совершенствования на этой основе двигателей для очистных комбайнов высокой производительности.
Основная идея работы состоит в том, что поскольку в реальных условиях комбайновые двигатели не работают при плюсовых отклонениях напряжения, можно использовать, заложенные для работы при плюсовых отклонениях напряжения запасы на повышение мощности и моментов двигателя, без увеличения габаритов, что обеспечит повышение производительности в условиях реальных режимов работы электропривода очистного комбайна.
Научные положения диссертации и их новизна заключается в следующем:
1. Разработан экспериментально-аналитический метод определения эквивалентных сопротивлений нагрузочной ветви схемы замещения комбайновых двигателей, отличающийся тем, что позволяет определять их с учетом изменения скольжения и напряжения на зажимах двигателя.
2. Предложена математическая модель комбайнового электропривода,которая отличается тем, что позволяет определять фактические моменты двигателя с учетом изменения указанных эквивалентных сопротивлений в условиях реальной шахтной сети электроснабжения, стохастического характера изменения моментов сопротивления с учетом нелинейности реальных механических характеристик двигателя вплоть до выхода скольжения за критическое.
3. Предложена математическая модель теплового состояния двигателя очистного комбайна, отличается тем, что в ней отражена взаимная связь между электромагнитными и тепловыми переходными процессами, с учетом случайных изменений как момента сил сопротивления так и времени работы, позволяющая уточнить требуемую мощность с учетом кратковременного увеличения скольжения сверх критического.

В диссертации защищаются:
1. Методика и формула для расчета эквивалентных сопротивлений нагрузочной ветви схемы замещения двигателя очистного комбайна, с учетом изменения напряжения и скольжения двигателя.
2. Методика расчета статических механических характеристик двигателя очистного комбайна в условиях реального электроснабжения с учетом изменения этих эквивалентных сопротивлений.
3. Рекомендации разработчикам комбайновых двигателей о возможности сужения допуска на отклонение напряжения для комбайновых двигателей в сравнении с требуемыми ГОСТом 183-74, на базе чего возможно увеличение в определенных пределах максимальных моментов двигателей и их номинальных мощностей.
4. Математическая модель комбайнового электропривода, позволяющая определять фактические моменты электродвигателей с учетом изменения этих эквивалентных сопротивлений, стохастического характера изменения моментов сил сопротивления и нелинейности реальных статических механических характеристик, вплоть до выхода скольжения за критическое.
5. Математическая модель теплового состояния двигателя очистного комбайна, в которой отражена взаимная ешь вежду электромагнитными и тепловыми переходными процессами, о учетом случайных изменений моментов сопротивления и времени работы, позволяющая уточнить требуемую мощность.
6. Уточненные значения коэффициента увеличения требуемой мощности.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика расчета статических механических характеристик комбайнового двигателя с учетом шахтных условий электроснабжения, позволяет определять параметры механических характеристик приводных двигателей в реальных условиях эксплуатации.
Уточнений существующей методики определения требуемой мощности приводных двигателей очистных комбайнов с учетом возможности устойчивой работы при кратковременных увеличениях скольжения сверх критического служит исходным материалом для корректировки отраслевого стандарта ОСТ 24.070.16 "Машины очистные. Комбайны. Выбор параметров асинхронных двигателей по нагрузочной способности. Методика".Выданные рекомендации о сужении допуска на отклонение напряжения для комбайновых двигателей в сравнении с требуемым ГОСТом 183-74 обосновывают создание двигателей с повышенными моментами, обеспечивающими повышение производительности очистных комбайнов.
Экспериментальная часть работы проведена на испытательных стендах ВШИВЭ, Первомайского электромеханического завода им. К. Маркса.
Результаты исследования динамики переходных процессов двигателей с учетом нелинейности их механических характеристик используются институтом "Донгипроуглемаш" для корректировки 24.070.16.
Результаты работы по расчету статических механических характеристик и рекомендации по сужению допуска на отклонения напряжения для комбайновых двигателей использованы "Донгипроуглемашем" и Первомайским электромеханическим заводом им. К. Маркса при создании двигателей типа ЭДК04-125У5, ЭДКВЗ, 5-125У5, ЭДКО3.5-40 с повышенными магнитными потоками, эти двигателя имеют повышенный крутящий момент и повышенную по сравнению с существующими двигателями мощность при тех же габаритах. Применение этих двигателей позволило увеличить реальную производительность очистных комбайнов (с учетом организационных условий) в 1,3 - 1,4 раза.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность доктору технических наук профессору Траубе Е.С, кандидату технических наук Памдуре Д.П. и сотрудникам кафедр "Электропривод и автоматизация промышленных установок" и "Горные машины" Донецкого политехнического института, сотрудникам отдела электропривода института "Донгипроуглемаш" кандидатам технических наук Азарху Б.Л., Рабиновичу З.М. за помощь и полезные советы при подготовке настоящей работы.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Особенности условий работ электродвигателей в щяшоде очистных комбайнов.
В решениях ХШ съезда КПСС большое внимание уделено развитию топливно-сырьевого комплекса, являющегося основой для развития всех других отраслей народного хозяйства. Применительно к угольной промышленности поставлена задача обеспечить добычу угля в 1985 году в количестве 770-600 млн. тонн. Учитывая сложные демографические процессы, эти задачи должны решаться в основном без привлечения дополнительного числа работников" т.е. за счет повышения производительности труда. Одной из технических предпосылок к этому является повышение энерговооруженности горных машин, в том числе очистных комбайнов. Тенденция к повышению возможностей двигателей существует давно. Так за 25 лет (с 1950 г. по 1975 г.) мощности электродвигателей в габарите 400 мм возросли с 28,5 кВт (длительный режим работы) до 100 кВт; сумма их каталожных пусковых и максимальных моментов возросла в 3,2 раза. В настоящее время суммарная мощность электродвигателей достигает 400 кВт.
При решении задач повышения энерговооруженности комбайнов, их создатели и разработчики электродвигателей сталкивались с рядом трудностей, обусловленных следующими особенностями работы электродвигателей очистных комбайнов, влияющими на их реальные возможности в шахтных сетях и на методы их выбора.
1. Комбайновые двигатели питаются через кабельные сети большой протяжённости от шахтных участковых трансформаторов ограниченной мощности.
2. Режимы работы электродвигателей очистных комбайновявляются существенно стохастическими.
3. Габариты двигателей ограничиваются из-за установки их на машине, работающей непосредственно в стесненных условиях угольного забоя.
В силу первой из этих особенностей, механические характеристики электродвигателей е реальных условиях деформируются в худшую сторону.
Влиянию параметров сети на механические характеристики посвящены работы К.А. Киклевича, Е.С. Траубе, Б.Л. Азарха, Е.Я. Старикова, И.Г. Ширнина и др. В этих работах исследовались изменения механических характеристик двигателей при включении их в различные сети, а также включение различных двигателей в определенную сеть. Критический анализ этих работ, с целью определения путей достижения поставленной в работе цели проведен в следующих параграфах.
Стохастический характер нагрузки, условия нагрева и охлаждения влияют на требуемую мощность электродвигателей, на устойчивость их работы.
Исследованиям нагрузок комбайновых электродвигателем, их нагреву и охлаждению (вторая особенность) посвящены работы А.В. Докукина, Ю.Д. Красникова, Я.И. Альшица, Г.В. Малеева, В.Г. Гуляева, В.А. Дейничекко, В.Н. Петрова, Г.Г. Счастливого, Г.Б. Ковалева, А.И. Бурковского и др.
Третья особенность требует таких решений по повышению характеристик электродвигателей, которые можно было 6я реализовать в тех же габаритах. Ряд теоретических и экспериментальных исследований с целью получения таких технических решений проведены коллективом кафедры "Горные машины" ДПИ, В.Л. Азархом, З.М, Рабиновичем и др. Эта особенность учитывалась при разработке конкретных задач настоящей работы.
Обзор литературы составлен на момент постановки цели и задач настоящего исследования, при этом особо отмечается те изменения, которые имели место по году ее выполнения.

ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель теплового состояния двигателя очистного комбайна, в которой отражена взаимная связь между тепловыми и электромеханическими переходными процессами.
2. Получены среднеквадратичные отклонения превышения температуры различных частей двигателя в повторно-кратковременном режиме работы со случайной продолжительностью и возможным выходом в зону скольжений больших критического. При этом показано:
изменение коэффициента вариации нагрузки приводит к увеличению среднеквадратичного отклонения превышения температуры в 1,35-1,4 раза;
при постоянном значении коэффициента вариации нагрузки отношение среднеквадратичного отклонения превышения температуры тел (элементов) тепловой схемы замещения к стандартному отклонению детерминированного режима находятся в пределах:
при скольжениях не превышавших критического 1,02+1,11;
при скольжениях больших критического 1,04+1,17.
3. При изменении коэффициента вариации нагрузки отношение среднеквадратичного отклонения превышения температуры тел (элементов) тепловой схемы замещения двигателя к стандартному отклонению детерминированного режима находится в пределах:
при скольжениях не превышающих критического 1,58+1,65;
при скольжениях больших критического 1,6+1,75.
4. Математическое ожидание превышения температуры в рассматриваемых режимах отличается от величины детерминированного режима:
при работе в зоне скольжений не превышающих критического в 1,11+1,01 раза;
при работе с возможным выходом в зову скольжений больших критического 1,2+1,06 раза.
5. Работа двигателя со случайной нагрузкой в зоне скольжений, не превышающих критического, приводит к увеличению превышения температуры отдельных частей двигателя в 1,3+1,04 раза по сравнению с детерминированным режимом работы. Это обстоятельство учтено в методике разработанной в институте "Донгипроуглемаш".
6. Работа двигателя в повторно-кратковременном режиме со случайной нагрузкой и выходом в зону скольжений больших критических приводит к увеличению превышения температуры отдельных частей двигателя в 1,22+1,1 раза по сравнению с детерминированным режимом работы. Это обстоятельство не учтено в существующей методике.
7. С учетом возможных выбросов двигателя в зону скольжений больших критического и в случайном режиме работы, расчетная, эквивалентная по нагреву мощность деляна быть больше механической мощности, соответствующей устойчивому моменту в 1,2 + 1,4 раза.

ВНДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ

Внедрение результатов работы в промышленность.
Полученная в работе методика расчета эквивалентных сопротивлений двигателей очистных комбайнов, а также рекомендация о возможности повышения моментных характеристик двигателей, за счет приведения требований к допуску на отклонения напряжений в соответствии с реальными условиями электроснабжения были переданы "Донгипроуглемаш" и Первомайскому электромеханическому заводу им. К. Маркса. На этой основе "Донгипроуглемаш" разработал, а завод приступил к выпуску двигателей с повышенными магнитными потоками и номинальными мощностями для привода очистных комбайнов. Материалы диссертации использовались разработчиком и изготовителем на этапах разработки технической документации на опытные образцы; проведения стендовых и промышленных испытаний новых двигателей с повышенным потоком. Эти двигатели были созданы на базе серийно выпускаемых заводом двигателей типа ЭДК04, предназначенных для привода очистных комбайнов типа 1К101, 2К52 и др.
Увеличение магнитного потока было осуществлено за счет снижения числа витков обмотки статора на фазу с 44 до 36 витков. Это дает возможность при фактических значениях напряжения на зажимах двигателя получить более высокие значения моментов. Отказ от фактически не используемых запасов по перегреву на случай плюсовых отклонений напряжений позволил установить новые повышенные значения номинальной мощности двигателя.
Заводам были созданы двигатели с повышенным магнитными потоками и мощностями типа ЭДК04-125У5, ЭДКВ3, 5-125У5, ЭДК03 ,5-40.
Технические данные двигателя ЭДК04-125У5, у которого число витков обмотки статора на фазу снижено с 44 до 36 по сравнении с базовым двигателями ЭДК04-2м, ЭДК04-4м максимальный момент нового двигателя в 1,6 раза больше, чем у двигателя ЭДК04-4м и в 2,23 раза больше чем у двигателя ЭДК04-2м. Пусковой момент соответственно в 1,31 и в - 2,06 раза Мощность при этом больше в 1,25 и 1,34 раза.
Величина максимального момента двигателя является одним из параметров, определяющим величину устойчивого момента двигателя, скорость подачи, а следовательно и производительность очистного комбайна.
Следовательно использование в качестве приводных двигателей, очистных комбайнов ЭДК04-125У5 вместо двигателей ЭДК04-2м, ЭДК04-4м может привести к повышению производительности очистных комбайнов.
По данный хронометражных наблюдений и замеров, приведенных в "Протоколе промышленных испытаний опытных образцов комбайновых двигателей ЭДК04-125У5" (Донгипроуглемаш, арх. №А/4421, стр.8) при установке на комбайне 2К52 электродвигателя ЭДК04-125У5 вместо ЭДК04-2М скорость подачи комбайна возросла на 23%.
Эти испытания подтвердили, что переход на новые электродвигатели, в качестве приводных для очистных комбайнов дают возможность получить высокие скорости подачи и более высокую производительность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате работы решена важная народно-хозяйственная задача создания двигателей для высокопроизводительных очистных комбайнов, что стало возможным за счет обоснования направлений, в которых должны изменяться параметры комбайнового электропривода с учетом взаимной связи режимов работы очистного комбайна и реальных условий его электроснабжения.
При этом были сделаны и получены следующие конкретные выводы и результаты:
1. Для получения уточненных статических механических характеристик в реальных условиях электроснабжения необходимо учитывать изменение эквивалентных сопротивлений двигателя с изменением скольжения и величины напряжения на его зажимах;
2. Разработан экспериментально-аналитический метод определения электромагнитных параметров комбайновых двигателей, который позволяет определять их с учетом изменения скольжения и напряжения на зажимах двигателя;
3. Подтверждено, что требуемый по ГОСТ 183-74 диапазон напряжений при котором двигатель должен обеспечивать номинальные нагрузочные данные, для комбайновых двигателей может быть сужен до (0-5) Uн. На этом основании сформулировано предложение о возможности создания двигателей с повышенными моментами и номинальными мощностями в тех же габаритах, за счет повышения магнитного потока и использования запасов, раннее предназначенных для работы при повышенных значениях напряжений;
4. Разработана математическая модель динамики комбайнового привода, которая отражает основные закономерности изменения эквивалентных сопротивлений двигателя при питании от шахтной сети и позволяет исследовать особенности формирования динамических нагрузок двигателей с учетом нелинейности их статических механических характеристик во всем диапазоне скольжений;
5. Разработана математическая модель теплового состояния двигателя очистного комбайна, отражавшая взаимную связь между тепловыми электромеханическими и электромагнитными переходными процессами с учетом случайного характера изменения, как момента сил сопротивления так и времени работы и пауз;
6. Показано, что с учетом возможных кратковременных выбросов двигателя в дону скольжений сверх критического и случайной продолжительности его работы, расчетная мощность должна быть увеличена в 1,2-1,4 раза в сравнении с определяемой по раннее существовавшим методикам;
7. Сформулированные в работе рекомендации использованы институтом "Донгипроуглемаш" и Первомайским электромеханическим заводом им. К.Маркса при разработке и освоении двигателей типа ЭДК04-125У5, ЭДКВ3, 5-125У5, ЭДК0З,5-40, с повышенными магнитными потоками. Эти двигатели имеют повышенный крутящий момент и повышенную мощность в сравнении с существующими двигателями в тех же габаритах.
Годовой экономический эффект 27450руб. на один двигатель получен за счет повышения скорости подачи очистного комбайна т.е. за счет увеличения производительности;
8. Результаты исследований динамики переходных процессов очистных комбайнов с учетом нелинейности статических механических характеристик используются институтом "Донгипроуглемаш" для корректировки ГОСТ24.070.16.

ЛИТЕРАТУРА

1. Азарх В.Л. Исследование режимов работы и особые требования к электродвигателям угольных комбайнов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Донецк, 1971, 23 с.
2. Альшыц Я.И. Основа теории определения исходных расчетных данных выемочных угольных машин с цепным исполнительным органом и ее экспериментальное обоснование. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н., Донецк 1961, 42 с.
3. Альшыц Я.И. и др. Определение амплитудно-частотных характеристик электропривода исполнительных органов комбайна 1К52Ш, 2К-52 методом моделирования. Киев, Горные машины, 1971.
4. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. - ГЛ., Госэнергоиздат, 1963, 772 с.
5. Андрианов Б.Н., Фомичев М.М. Расчет механических характеристик асинхронного двигателя с учетом нелинейности полного индуктивного сопротивления рассеяния. - Доклады ШИСП, т. II, вып.З, 1965, 7-8 с.
6. Антонов П.Е. и др. Определение непрерывности нагрузки привода и скоростей подачи очистных комбайнов в зависимости от сопротивляемости угля - Свердловск, Физико-техничеркие проблемы разработки полезных ископаемых №6, Сиб. отделение, Недра, 1967, 12-19 с.
7. Апаров Е.П. Исследование нагрева асинхронных двигателей при паспортных режимах. М,: ВЭП МОП, 1939, 33-36 с.
8. Артешок Р.Г. Асинхронные двигатели при периодическом нагружении. - Киев,: Техника, 1972, 200с.
9. Бабкин Е.П. Островский ЭЛ. Электроснабжение и качество энергии в сетях угольных шахт. - М, Энергия, 1973, 32 с.
10. Бекгулян С.С., Кулиев А.М., Мамедов К.Р. Статистическая оценка погрешностей результатов некоторых методов опытного определения параметров асинхронных машин. - Баку,: Учение записки Азербайджанского института нефти и химии, сер. 9 №4, 1974, 17-21 с.
11. Беккер Р.Г., Набоков Э.П., Шишлов В.А. Влияние отклонения напряжения в шахтной участковой сети на производительность угольного комбайна - М, Уголь №7, 1975, 43-51 с.
12. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем, - М, Наука, 1966, 165 с.
13. Бурковский А.Н., Ковалев Е.Б., Коробов Е.К. Нагрев и охлаждение электродвигателей взрывонепроницаемого исполнения. - М, Энергия, 1970, 185 с.
14. Бурковский А.Н., Радионенко Г.Я., Паращенко Г.Д. Вопросы тепловых расчетов взрывозащищенных асинхронных двигателей в различных режимах работы. - Донецк,: сб. трудов Взрывозащищенное электрооборудование вып. №12, 1964, 96-105 с.
И другие.

Главная | ДонНТУ | Магистры ДонНТУ