Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,
3.4. Экспериментальные исследования характеристик линейного асинхронного двигателя, применительно к режимам работы механизма подачи вращательно-подающего органа бурового станка
Для исследования адаптивного механизма подачи рабочего органа бурового станка на основе линейного асинхронного двигателя для привода подачи рабочего органа бурового станка, разработан экспериментальный лабораторный образец электромагнитного механизма подачи бурового станка. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем представлена на рис. 3.22.
Стенд состоит из стальной рамы 1 с роликовыми опорами 2, в которых подвижно закреплен массивный ротор 3 в виде стальной магнитной трубы. Статор 4 в виде цилиндрических обмоток расположен вокруг массивного ротора 3 с возможностью продольного перемещения последнего внутри статора. Катушки статора могут подключаться попеременно, как показано на рисунке по одной или несколько, на каждую фазу. Таким образом, стенд позволяет проанализировать режимы работы двигателя. Для этого он оснащен динамометром для измерения усилия подачи, а также приборами для измерения тока и напряжения в определенных фазах. Двигатель стенда не имеет магнитопровода для получения характеристик, зависящих от минимального числа факторов. Двигатель подключается к сети переменного трехфазного напряжения 380 В.
Данный привод является линейной электрической машиной и имеет в своей основе статорную обмотку, подключаемую к сети трехфазного переменного тока, напряжением 380 В. В качестве ротора используются стандартные трубы бурового става, состоящие из стали, обладающей ферромагнитными свойствами.
Рис. 3.22. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем
Конструкция линейного трехфазного асинхронного двигателя (рис. 3.22 и 3.23) является простой и технологичной. Его изготовление возможно как в условиях отдельного предприятия по изготовлению электрических двигателей, так и в условиях специально оборудованного цеха. Для производственной базы необходимы станки для токарных работ, станки для намотки проволоки обмоток, печь для сушки и обжига обмоток и других элементов. Двигатель может также состоять из нескольких секций, в каждую из которых уложено по одной обмотке. В этом случае перегоревшая обмотка может быть извлечена из обоймы и заменена достаточно быстро.
Рис. 3.23. Общий вид экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем
В результате лабораторных исследований были получены механические характеристики линейной асинхронной машины с массивным ротором (рис. 3.24)
Рис. 3.24. Механическая характеристика линейного трехфазного асинхронного двигателя с массивным ротором, при смешанном подключении
секций двигателя (Характеристика 1 получена при напряжении сети 380 В; характеристика 2 получена при напряжении сети 190 В)
Показанные на рис. 3.24 механические характеристики получены с использованием одной установки при подключении на разное напряжение сети. Таким образом, характеристику 1 имеет линейный двигатель с мощность 28 кВт, а характеристику 2 – двигатель с мощностью 13 кВт. В результате начальных испытаний выяснено, что для получения усилия подачи 200 и 300 кН в номинальном режиме двигатель с массивным ротором должен будет иметь ориентировочную мощность 50 и 75 кВт соответственно. При этом совершенствование конструкции ротора и применение регулирования частоты напряжения и скорости подачи позволит существенно снизить потребляемую мощность привода.
В результате проведенных испытаний выяснено, что при потребляемой мощности 6,35 кВт и нулевой скорости двигатель без ферромагнитного магнитопровода развивал усилие с учетом погрешности приборов 80–90 Н. Без нагрузки двигатель развивал линейную скорость 0,31 м/с. Наличие ферромагнитного магнитопровода, с учетом его магнитного насыщения, увеличивает эффективность электрического двигателя в несколько десятков раз.
Механическая характеристика асинхронного двигателя вращательного действия представлена на рис. 3.25.
Рис. 3.25. Механическая характеристика асинхронного двигателя вращательного действия
Асинхронная машина линейного действия имеет схожий вид механической характеристики. Отличие заключается в наличии краевых эффектов. Однако при условии применения в качестве массивного ротора трубы достаточно большой длины влияние краевого эффекта оказывает меньшее значение [57]. Активное r2 и индуктивное Xσ2 сопротивления массивного ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно зависят от скольжения. Так, в случае f1 = 50 Гц при пуске (S = 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе составляет только 3 мм, при S = 0,02 – около 20 мм, при S = 0,001 – около 100 мм [58]. Поэтому при пуске сопротивление r2 весьма велико и Xσ2 мало, а с уменьшением скольжения сопротивление r2 уменьшается, а Xσ2 – увеличивается.
В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик
Mп /Mн = 1,5–2 (рис. 3.26).
Однако двигатели малой мощности с массивными роторами при f1 = 50 Гц имеют низкие КПД и коэффициент мощности. Но с увеличением мощности растет также и КПД.
Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В связи с этим асинхронные двигатели с массивным ротором вполне могут применяться в качестве привода подачи рабочего органа бурового станка.
Поскольку двигатель в лабораторном стенде не имеет ферромагнитного магнитопровода, необходимо рассчитать номинальное подающее усилие в случае наличия магнитопровода, изготовленного из электротехнической стали. А затем найти мощность двигателя, способного создавать подающее усилие до 200 или 300 кН в зависимости от модели бурового станка. Для этого необходимо рассчитать магнитное сопротивление цепи в случае с магнитопроводом и без него.
Рис. 3.26. Механическая характеристика асинхронного двигателя с массивным ротором
Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода показана на разрезе тороидальной обмотки (рис. 3.27).
Рис. 3.27. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода:
1 – обмотка статора; 2 – массивный ротор в виде стальной трубы l1, l2, l3, l4 – участки магнитной цепи
Схема магнитной цепи обмотки статора с магнитопроводом показана на рис. 3.28.
Рис. 3.28. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором с магнитопроводом.
Здесь 1 – обмотка статора; 2 – массивный ротор в виде стальной трубы l1m, l2m, l3m, l4m, l5m, l6m – участки магнитной цепи с магнитопроводом
Магнитное сопротивление участка цепи определяется из следующего выражения [22, 23]
Гн–1,
где Rm – магнитное сопротивление участка цепи, Гн–1; l – длина участка магнитной цепи, м; μ0 – магнитная постоянная, Гн/м; μr – магнитная проницаемость вещества участка магнитной цепи; S – площадь поперечного сечения участка магнитной цепи, м2.
Магнитное сопротивление цепи без магнитопровода определяется следующим образом
Длины участков магнитной цепи без магнитопровода (рис. 3.27): l1 = 0,02 м; l2 = 0,06 м; l3 = 0,02 м; l4 = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [57] μr1 = 1 (воздух); μr2 = 1 (воздух); μr3 = 1 (воздух); μr4 = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи принимаем равными S. μ0 = 1,257∙10–6 Гн/м.
Магнитное сопротивление цепи с магнитопроводом из электротехнической стали определяется следующим образом
Длины участков магнитной цепи с магнитопроводом (рис. 3.28): l1m = 0,0005 м; l2m = 0,0195 м; l3m = 0,06 м; l4m = 0,0195 м; l5m = 0,0005 м; l6m = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [20] μr1m = 1 (воздух); μr2m = 7500 (электротехническая сталь); μr3m = 7500 (электротехническая сталь); μr4m = 7500 (электротехническая сталь); μr5m = 1 (воздух); μr6m = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи принимаем равными S. μ0 = 1,257∙10–6 Гн/м.
Ориентировочное усилие, развиваемое двигателем, обмотки которого имеют магнитопровод, можно найти из соотношения:
При условии, что воздушный зазор 0,5 мм, при аналогичных размерах магнитопровода получим:
Таким образом, трехфазный асинхронный двигатель с массивным ротором, имеющий аналогичные размеры, оснащенный магнитопроводом будет развивать усилие в пределах 7766–8736,5 Н. Среднее значение усилия P1 = 8251 Н при потребляемой мощности 6,35 кВт.
Для получения усилия подачи 200 кН данный привод при минимальной рабочей скорости 15,5 см/с будет иметь ориентировочную мощность с учетом магнитных и электрических потерь 154 кВт. Однако скорость бурения в несколько раз меньше. При увеличении числа пар полюсов рабочая скорость кратно уменьшается, а мощность, необходимая для создания нужного усилия подачи кратно уменьшается.
Потребляемая мощность также может быть уменьшена:
1. Увеличением площади поперечного сечения и магнитной проницаемости магнитопровода.
2. Уменьшением магнитного сопротивления в воздушном зазоре.
3. Нанесением металлического слоя с высокой электрической проводимостью на поверхность массивного ротора.
4. Созданием пазов в теле массивного ротора.
В результате проведенных экспериментальных исследований разработан электромагнитный адаптивный механизм подачи рабочего органа бурового станка. Расчетно-экспериментальным путем были получены механические характеристики электромагнитных механизмов подачи для разных величин максимального усилия подачи различных скоростей бурения (рис. 3.29).
Рис. 3.29. Механические характеристики электромагнитных механизмов подачи с максимальным усилием подачи 200, 250, 300, 350, 400 кН
и различными скоростями бурения
Данные характеристики получены для линейных электродвигателей специальной конструкции, работающих от источника электроэнергии напряжением 660 В с коэффициентом запаса мощности 2,0, что позволяет без перегрева выдерживать колебания тока в обмотке статора. Кроме того, данные колебания тока сигнализируют без значительной задержки об изменениях физико-механических характеристик горной породы. Эти сигналы могут использоваться для определения количественных показателей, соответствующих определенным корректировкам усилия подачи, частоты вращения и производительности компрессора. Корректировки режимных параметров необходимы для поддержания производительности и прогнозируемого ресурса бурового инструмента в заданных пределах.