Енергоефективні електромагнітні приводи вібраційних транспортуючих пристроїв
Вантажиться...
Дата
2024
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2024.
Вібраційне обладнання використовується у різних галузях промисловості для забезпечення таких технологічних процесів, як транспортування, сепарація, ущільнення сумішей. Електромагнітний привод зазвичай використовується у вібраційних конвеєрах, дозаторах та інших пристроях, де здійснюється автоматичне керування параметрами вібрації. Проблема удосконалення та модернізації такого обладнання включає в себе багато наукових напрямів. Одним з них є підвищення енергетичної ефективності вібраційних приводів, оптимізація їх параметрів та режимів роботи. Багато наукових робіт присвячено удосконаленню магнітоелектричних та електромагнітних вібраційних приводів, які відрізняються високою керованістю, надійністю та довговічністю. Сучасні системи автоматичного керування дають змогу автоматично підтримувати роботу таких приводів у резонансному та в білярезонансному режимах, забезпечуючи високу енергоефективність. Але, на сьогоднішній день недостатньо досліджено енергетичні характеристики електромагнітних вібраційних приводів, що унеможливлює досягнення їх максимального ККД. Зокрема, не визначено вплив форми напруги живлення електромагнітів на енергетичну ефективність. Тому, проведення таких досліджень є актуальною науковою задачею. Метою дисертаційної роботи є підвищення енергетичної ефективності електромагнітних приводів вібраційних транспортуючих пристроїв шляхом забезпечення раціональної форми напруги живлення обмоток вібраторів.
Новизна результатів, одержаних в дисертації, полягає в наступному:
– вперше встановлено і науково обґрунтовано, що максимум ККД електромагнітного вібраційного привода забезпечується при живленні обмотки вібратора напругою у формі двополярних прямокутних імпульсів, амплітуда яких визначається напругою живлення інвертора, а ширина − потрібною амплітудою струму, причому між позитивним та від’ємним імпульсами напруги повинен бути нульовий проміжок певної ширини, що запобігає глибокому насиченню сталі електромагніта при максимальних значеннях струму;
– вперше за допомогою коло-польового методу отримано енергетичні характеристики електромагнітного вібраційного привода при імпульсному живленні, за допомогою яких визначено оптимальні за критерієм максимуму ККД значення частоти для різних величин навантаження, що дає можливість при керуванні вібраційними машинами забезпечити їх високу енергетичну ефективність;
− отримала розвиток структура системи автоматичного керування електромагнітними приводами вібраційних машин в частині урахування імпульсного характеру живлення обмоток вібраторів, що дає змогу керувати їх амплітудою та частотою, забезпечуючи високу енергетичну ефективність. Наукове значення роботи полягає у визначені та науковому обґрунтуванні раціональної, з точки зору енергетичної ефективності, форми напруги живлення електромагнітів вібраційних машин та розвитку структури систем автоматичного керування електромагнітними вібраційними приводами.
Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:
– розроблена імітаційна модель керованого електромагнітного привода вібраційної машини з імпульсним живленням обмоток вібраторів, яка може використовуватись при проєктуванні та наукових дослідженнях;
– розроблено принципову електричну схему силового перетворювача, що забезпечує імпульсне живлення обмоток електромагнітів вібраційного привода;
– удосконалено керуючу програму, що забезпечує автоматичне керування амплітудою та частотою електромагнітного привода вібраційної машини з імпульсним живленням;
– розроблено та виготовлено експериментальний зразок силового перетворювача у складі електромагнітного привода вібраційного конвеєра.
У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність теми, показано її зв’язок з науковими програми й темами, сформульовано об’єкт і предмет дослідження, мету та головні його задачі, представлено методи дослідження та обґрунтування достовірності отриманих результатів, визначено наукову новизну та практичне значення результатів роботи, відображено повноту викладення результатів у публікаціях та ступінь апробації на конференціях. У першому розділі дисертації проаналізовано сучасні вібраційні транспортуючі пристрої з електромагнітним приводом. Також проведено аналіз систем автоматичного керування та енергетичної ефективності електромагнітного вібраційного привода, шляхів її підвищення. Сформовано мету та задачі дослідження. Другий розділ присвячено визначенню форми напруги живлення електромагнітного вібратора, що забезпечує найбільшу енергетичну ефективність привода вібраційної машини. Проведено аналіз факторів, які впливають на енергоефективність привода. Обґрунтовано, що максимум ККД електромагнітного вібраційного привода забезпечується при живленні обмотки вібратора напругою у формі двополярних прямокутних імпульсів, амплітуда яких визначається напругою живлення інвертора, а ширина − потрібною амплітудою струму, причому між позитивним та від’ємним імпульсами напруги повинен бути нульовий проміжок певної ширини, що запобігає глибокому насиченню сталі електромагніта при максимальних значеннях струму. Проведено моделювання процесів у вібраційному приводі при імпульсному живлені електромагнітів. Результати показали, що застосування імпульсного живлення дає можливість підвищити ККД привода до 80% у діапазоні потужностей від 0,25 від номінальної до номінальної, що в середньому на 10% більше у порівнянні з синусоїдальною напругою живлення. Отримані залежності оптимальних за критерієм максимуму ККД значень частоти та нульового проміжку від потужності привода, які можуть використовуватись при керуванні для забезпечення максимальної енергетичної ефективності в умовах зміни навантаження. В третьому розділі сформовано структуру системи автоматичного керування електромагнітним вібраційним приводом з імпульсним живленням обмоток вібратора. Вона відрізняється тим, що канал керування амплітудою визначає ширину імпульсів напруги, і, в залежності від неї, ширину нульового проміжку між позитивним та від’ємним імпульсами, а опорні сигнали для виконання дискретного перетворення Фур’є синхронізуються з моментами початку імпульсів напруги. Проведено моделювання динаміки системи керування та дослідженно графіки перехідних процесів. Отримані результати свідчать про коректну сумісну роботу контурів керування амплітудою та частотою. Час перехідних процесів при наявності навантаження не перевищує 1 с за амплітудою і 1,5 с за частотою. Максимальне перерегулювання при керуванні амплітудою при наявності навантаження не перевищує 6%, а частотою − відсутнє. Четвертий розділ спрямований на експерементальні дослідження електромагнітного привода вібраційного конвеєра. В результаті роботи здійснена технічна реалізація керованого вібратора з імпульсним живленням електромагнітів, розроблено експерементальну установку з вібраційним конвеєром. Досліджено роботу віброконвеєра при змінному навантажені, проаналізовано осцилограми стуруму та напруги, визначено енергетичні характеристики електромагнітного привода. Отримані графіки підтверджують, що при імпульсному живленні обмоток вібратора його ККД є на 8% більше, ніж при синусоїдальному ШІМ-модульованому живлені. ККД інвертора при імпульсному живлені є більшим на 10%, а при зменшені споживаної потужності – майже на 20%.
Опис
Іванов, А. В. Енергоефективні електромагнітні приводи вібраційних транспортуючих пристроїв = Energy-efficient electromagnetic drives for vibrating conveying devices : дис. … д-ра філос. : 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» / А. В. Іванов ; наук. кер. О. О. Черно ; НУК. – Миколаїв, 2024. – 141 с.
Ключові слова
механічні вібрації, вібраційна машина, частотно-керований електромагнітний привод, резонанс, електроенергія, енергетичні характеристики, динамічні моделі, автоматичне керування, mechanical vibrations, vibrating machine, frequency-controlled electromagnetic drive, resonance, electric power, energy characteristics, dynamic models, automatic control