Енергоефективні електромагнітні приводи вібраційних транспортуючих пристроїв

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЧерно Олександр Олександрович
dc.contributor.advisorСherno О. О.
dc.contributor.authorІванов Антон Віталійович
dc.contributor.authorIvanov A. V.
dc.date.accessioned2024-07-01T12:33:59Z
dc.date.available2024-07-01T12:33:59Z
dc.date.issued2024
dc.descriptionІванов, 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.
dc.description.abstractДисертація 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%.
dc.description.abstract1Vibrating equipment is used in various industries to ensure such technological processes as transportation, separation, compaction of mixtures. The electromagnetic drive is usually used in vibrating conveyors, feeders and other devices where vibration parameters are automatically controlled. The problem of improvement and modernization of such equipment includes many scientific directions. One of them is increasing the energy efficiency of vibration drives, optimizing their parameters and operating modes. Many scientific works are devoted to the improvement of magnetoelectric and electromagnetic vibration drives, which are characterized by high controllability, reliability and durability. Modern automatic control systems make it possible to automatically support the operation of such drives in resonant and near-resonant modes, ensuring high energy efficiency. But nowadays the energy characteristics of electromagnetic vibration drives have not been sufficiently studied, which makes it impossible to achieve their maximum efficiency. In particular, the influence of the shape of the power supply voltage of electromagnets on energy efficiency has not been determined. Therefore, conducting such research is an urgent scientific task. The aim of the dissertation is to increase the energy efficiency of electromagnetic drives of vibrating transpoting devices by ensuring a rational form of the supply voltage of the vibrator coils. The novelty of the results obtained in the dissertation is as follows: – for the first time it was established and scientifically substantiated that the maximum efficiency of the electromagnetic vibration drive is ensured when the vibrator coil is supplied with voltage in the form of bipolar rectangular pulses, the amplitude of which is determined by the inverter supply voltage, and the width is determined by the required current amplitude, and between the positive and negative voltage pulses there must be a zero interval of a certain width, which prevents deep saturation of the steel of the electromagnet at maximum current values; – for the first time, using the circle-field method, the energy characteristics of the electromagnetic vibration drive with pulse power supply have been obtained, with the help of which the optimal frequency values for various load values were determined according to the maximum efficiency criterion, which makes it possible to ensure their high energy efficiency when controlling vibrating machines; - the structure of the vibrating machine electromagnetic drive automatic control system has been developed in terms of taking into account the pulse form of the vibrator coils power supply voltage, which makes it possible to control their amplitude and frequency, ensuring high energy efficiency. The scientific significance of the work consists in the determination and scientific substantiation of a rational form of the vibrating machines electromagnets supply voltage, which provides the maximum energy efficiency, and the development of the electromagnetic vibrating drives automatic control systems structure. The practical significance of the obtained results is as follows: – a simulation model of the controlled electromagnetic drive of the vibration machine with pulse power supply of the vibrator coils has been developed, which can be used in design and scientific research; – the basic electrical circuit of the power converter which provides pulse power for the vibration drive electromagnets coils has been developed; – the control program has been improved which provides the vibrating machine electromagnetic drive with pulse power amplitude and frequency automatic control; – an experimental sample of a power converter as part of an electromagnetic drive of a vibrating conveyor has been developed and manufactured. The introduction of the thesis substantiates the relevance of the topic, shows its connection with scientific programs and topics, formulates the object and subject of research, purpose, and main tasks, presents research methods and justification of the results, determines the scientific novelty and practical significance of the results, reflects the completeness of the results in publications and the degree of approbation at conferences. In the first chapter of the dissertation, modern vibrating transport devices with an electromagnetic drive were analyzed. An analysis of automatic control systems and energy efficiency of the electromagnetic vibration drive, as well as the ways to increase it, was also carried out. The goal and objectives of the research were formed. The second section is devoted to determining the form of the power supply voltage of the electromagnetic vibrator, which ensures the vibrating machine drive greatest energy efficiency. An analysis of the factors affecting the drive energy efficiency was carried out. It is well-founded that the maximum efficiency of the electromagnetic vibration drive is ensured when the vibrator coil is supplied with the voltage in the form of bipolar rectangular pulses, the amplitude of which is determined by the inverter supply voltage, and the width is determined by the required current amplitude, and there must be a zero inretval of a certain width between the positive and negative voltage pulses, which prevents deep saturation of the electromagnet steel at maximum current values. Simulation of the processes in the vibration drive with the electromagnets pulsed power supply was carried out. The results showed that the use of the pulsed power supply makes it possible to increase the efficiency of the drive up to 80% in the power range from 0,25 from nominal to nominal, which is on average 10% more compared to the sinusoidal supply voltage. The obtained dependences of the maximum efficiency frequency and zero interval values on the drive power which can be used during control to ensure maximum energy efficiency under conditions of load change were obtained. In the third section, the structure of the automatic control system of the electromagnetic vibration drive with vibrator coils pulse power supply is formed. It differs in that the amplitude control channel determines the width of the voltage pulses and, depending on it, the width of the zero interval between the positive and negative pulses, and determines the reference signals for performing the discrete Fourier transformation which are synchronized with the beginning moments of the voltage pulses. Simulation of the control system dynamics carried out and graphs of transient processes were studied. The obtained results indicate the correct joint operation of the amplitude and frequency control circuits. The time of transient processes in the presence of a load does not exceed 1 s in amplitude and 1,5 s in frequency. The maximum overshoot during amplitude control in the presence of load does not exceed 6%, and there is no overshoot for frequency control. The aimed of the fourth section is the experimental study of the vibrating conveyor electromagnetic drive. As a result of the work, the technical implementation of a controlled vibrator with pulsed power supply of electromagnets was carried out, an experimental device with a vibrating conveyor was developed. Based on this the operation of the vibrating conveyor under variable load was investigated, the oscillograms of torque and voltage were analyzed, and the energy characteristics of the electromagnetic drive were determined. The resulting graphs confirm that when the vibrator coil supply voltage is pulsed, its efficiency is 8% higher than when it is sinusoidal with PWM-modulation. The efficiency of the inverter when pulsed supply voltageis is 10% higher, and when the power consumption is reduced, it is almost 20% higher.
dc.identifier.urihttps://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/8493
dc.language.isouk
dc.relation.ispartofseriesУДК; 621.318.3
dc.subjectмеханічні вібрації
dc.subjectвібраційна машина
dc.subjectчастотно-керований електромагнітний привод
dc.subjectрезонанс
dc.subjectелектроенергія
dc.subjectенергетичні характеристики
dc.subjectдинамічні моделі
dc.subjectавтоматичне керування
dc.subjectmechanical vibrations
dc.subjectvibrating machine
dc.subjectfrequency-controlled electromagnetic drive
dc.subjectresonance
dc.subjectelectric power
dc.subjectenergy characteristics
dc.subjectdynamic models
dc.subjectautomatic control
dc.titleЕнергоефективні електромагнітні приводи вібраційних транспортуючих пристроїв
dc.title.alternativeEnergy-efficient electromagnetic drives for vibrating conveying devices
dc.typeThesis

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
diss. Ivanov_A_V.pdf
Розмір:
9.62 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
4.38 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації