СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ АМПЛИТУД ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ В ВИБРАЦИОННЫХ МАШИНАХ
METHOD FOR REDUCING RESONANT AMPLITUDES DURING TRANSIENT PROCESSES IN VIBRATING MACHINES

Изобретение относится к электромеханической вибрационной технике и может быть использовано в научных лабораториях и комплексах, где применяются зарезонансные вибрационные стенды для испытаний на вибрационное воздействие, которым присуще тяжелые условия эксплуатации - затрудненный пуск и неэффективное торможение вибровозбудителей и, как следствие, повышенные резонансные амплитуды колебаний.
Известно, что при пуске и торможении вибрационных машин зарезонансного типа происходит значительное увеличение резонансных амплитуд колебаний, в отличие от амплитуд при установившемся режиме работы. В современной литературе приводятся различные способы устранения данного недостатка, сводящиеся к уменьшению резонансных амплитуд колебаний при прохождении зоны резонанса в момент разгона и торможения электродвигателя дебалансного вибровозбудителя (далее ДВ).
Известен способ уменьшения резонансных амплитуд при пуске (переходном процессе) вибрационных машин, пуск которых заключается в том, что при достижении угловой скорости ДВ значения, близкого к частоте собственных колебаний, электродвигатель выключают, а после прохождения периода времени, в течение которого угловая скорость достигает зарезонансного значения, выполняют повторное включение электродвигателя (А.С. СССР №255760, МПК. B02F, Опубл., 28.10.1969). Недостатком данного способа является то, что для его осуществления достаточно трудно предварительно установить моменты времени, ограничивающие опасный период переходного процесса. Как известно, для каждой конкретной колебательной системы требуется достаточно точно (до 0,01 с) определять время выключения и повторного включения электродвигателя, зависящее от параметров колебательной системы.
Известен способ уменьшения резонансных амплитуд при пуске (переходном процессе), и последующем разгоне ротора электродвигателя вибрационных машин обеспечивается перемещение подвижного груза (дебаланса) относительно оси ротора под действием центробежной силы [Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. М., Недра, 1982, с. 39]. Недостатками этого способа являются сложность конструкции подвижного дебаланса и возникновение ударных нагрузок при его использовании.
Известен «Асинхронный электропривод», патент RU№2657010, МПК Н02Р 3/20(2006.01), опубл. 08.06.18 №16, содержащий трехфазный асинхронный электродвигатель, начала первой и второй фазных обмоток которого выполнены с возможностью подключения соответственно к фазам А и В трехфазной сети, первый конденсатор, подключенный между началами второй и третьей фазных обмоток электродвигателя, причем в третью фазную обмотку с отстающим по фазе напряжением, между зажимом сети и началом обмотки соответственно включены первый и второй выводы первого коммутационного элемента, третий вывод которого соединен с первым входом-выходом блока управления. Устройство снабжено вторым и третьим последовательно соединенными конденсаторами, подключенными параллельно третьему конденсатору, а между началом первой фазной обмотки и зажимом соединения второго и третьего конденсаторов соответственно подключены первый и второй выводы второго коммутационного элемента, третий вывод которого соединен с вторым входом-выходом блока управления.
За прототип выбран способ уменьшения резонансных амплитуд при переходных процессах (пуске и торможении) в вибрационных машинах с двумя самосинхронизирующимися ДВ, установленными на мягко изолированной виброплатформе. Пуск ДВ осуществляют прямым запуском обоих электродвигателей одновременно от электросети, остановку -торможение выбегом [Справочник Вибрации в технике. - Т.4 вибрационные процессы и машины. - М.: Машиностроение. - 1981. - С. 468]. Для запуска вибрационных машин применяют, как и в большинстве случаев на практике, электродвигатели со значительным резервом мощности (30-70%).
Недостатком способа - прототипа является то, что при использовании электродвигателей со значительным резервом мощности ухудшаются энергетические показатели электропривода (низкое КПД и коэффициент мощности в рабочем режиме), а ударный пусковой ток негативно влияет на питающую электросеть. Еще одним существенным недостатком является то, что в процессе пуска (при необходимости применения маломощного электропривода) и выбега при совпадении собственных частот ДВ с вынужденной частотой виброплатформы возникают интенсивные резонансные колебания, амплитуда которых во много раз превышает амплитуду установившихся колебаний. Соответственно возрастают динамические нагрузки на элементы конструкции вибрационных машин.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в уменьшении резонансных амплитуд при пуске и остановке вибрационной машины.
Технический результат - снижение динамических нагрузок на элементы конструкции вибрационной машины, улучшение энергетических показателей электропривода в рабочем режиме, уменьшение резонансных амплитуд при переходных процессах в вибрационных машинах, повышение коэффициента мощности асинхронного электропривода в рабочем режиме.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе уменьшения резонансных амплитуд при переходных процессах в вибрационных машинах с двумя самосинхронизирующимися дебалансными вибровозбудителями, установленными на мягко изолированной виброплатформе, включающем пуск, который осуществляют прямым запуском обоих электродвигателей одновременно от электросети, остановку электродвигателей торможением, в отличие от прототипа, в качестве приводов ДВ используют асинхронные электроприводы, каждый из которых содержит трехфазный асинхронный электродвигатель (АЭ), начала первой и второй фазных обмоток которого выполнены с возможностью подключения соответственно к фазам А и В трехфазной сети, первый конденсатор, подключенный между началами второй и третьей фазных обмоток электродвигателя, причем в третью фазную обмотку с отстающим по фазе напряжением, между зажимом сети и началом обмотки соответственно включены первый и второй выводы первого коммутационного элемента, третий вывод которого предназначен для соединения с первым входом-выходом блока управления, второй и третий последовательно соединенные конденсаторы, подключенные параллельно первому конденсатору, а между началом первой фазной обмотки и зажимом соединения второго и третьего конденсаторов соответственно подключены первый и второй выводы второго коммутационного элемента, третий вывод которого предназначен для соединения с вторым входом-выходом блока управления. Запуск обоих АЭ проводят от электросети путем одновременного форсированного пуска, а при торможении АЭ переводят в режим выбега или конденсаторного противовключения.
В результате использования совокупности всех признаков формулы изобретения обеспечивается прохождение роторами дебалансных вибровозбудителей зоны резонанса, что приводит к уменьшению амплитуды резонансных колебаний при переходных процессах в вибрационных машинах, как следствие, на роторы вибровозбудителей в зоне резонанса воздействуют меньшие тормозные вибрационные моменты, что позволяет уменьшить необходимую мощность электродвигателей. При этом запуск электродвигателей обеспечивается с помощью подключенных параллельно  статорным обмоткам конденсаторов, которые обеспечивают компенсацию реактивной мощности в рабочем режиме. Кроме того, при запирании коммутационных элементов, электродвигатели переходят в режим конденсаторного противовключения, что приводит к почти мгновенной их остановке в режиме торможения. При этом время торможения сокращается в несколько раз и, как следствие, уменьшаются резонансные амплитуды колебаний, повышается надежность вибрационной машины за счет снижения динамических нагрузок на элементы ее конструкции.
Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых изображено: на фиг. 1 - схема вибрационной машины с двумя ДВ, на фиг. 2 - схема используемого в способе асинхронного электропривода, на фиг. 3 - графики изменения частоты вращения ротора и амплитуды колебаний виброплатформы при форсированном пуске АЭ, на фиг. 4 - графики изменения частоты вращения ротора и амплитуды колебаний виброплатформы при торможении в режиме конденсаторного противовключения, на фиг. 5 - графики изменения частоты вращения ротора и амплитуды колебаний виброплатформы при пуске с кратковременным застреванием ротора на околорезонансной частоте, на фиг. 6 - графики изменения частоты вращения ротора и амплитуды колебаний виброплатформы при остановке выбегом.
Заявляемый способ осуществляется в вибрационных машинах, содержащих два ДВ 1 и 2, жестко установленных на виброплатформе 3, виброизоляция которой обеспечивается мягкими упругими элементами -пружинами 4.
В качестве привода каждого ДВ 1 и 2 используется отдельный асинхронный электропривод 5 и 6, каждый из которых содержит трехфазный АЭ 7 с фазными обмотками: 8 - первая фазная обмотка, 9 - вторая фазная обмотка, 10 - третья фазная обмотка, которые выполнены с возможностью подсоединения к трехфазной сети А, В, С посредством трехфазного коммутационного элемента 11, например, трех контактов магнитного пускателя.
Первый конденсатор 12, подключен между началами второй 9 и третьей фазной обмотки 10. Третья фазная обмотка 10 вместе с конденсаторами 12, 13, 14 подключена к той из фаз сети, напряжение которой опережает на 120° напряжение фазы, куда включен первый коммутационный элемент - симистор 15 - фаза С.
Второй конденсатор 13 и третий конденсатор 14 включены между собой последовательно и параллельно первому конденсатору 12, в третью фазную обмотку 10 с отстающим по фазе напряжением.
Между зажимом сети С и началом обмотки 10 соответственно включены первый и второй выводы первого коммутационный элемента, выполненного в данном случае в виде симистора 15, управляющий выход которого соединен с первым входом-выходом блока управления 16.
Между началом первой фазной обмотки 8 и зажимом соединения второго 13 и третьего 14 конденсаторов, соответственно подключены первый и второй выводы второго коммутационного элемента, выполненного в данном случае также в виде симистора 17, управляющий выход которого соединен с вторым входом-выходом блока управления 16.
Концы 18 фазных обмоток 8,9, 10 подключены к соответствующим выводам каждого дебалансного вибровозбудителя.
Заявляемый способ осуществляется при работе вибрационной машины следующим образом.
От электросети проводят одновременный форсированный пуск обоих АЭ 7. В частности, для пуска ДВ 1 вибрационной машины включают трехфазный коммутационный элемент 11, при этом симисторы 15 и 17 открыты. Конденсаторы 12, 13, 14 подключенные между второй 9 и третьей 10 фазной обмоткой трехфазного АЭ 7 обеспечивают его пуск, при этом пусковой ток, потребляемый из сети, уменьшается за счет компенсации конденсаторами 12, 13, 14 реактивной мощности АЭ 7 как при пуске, так и в рабочем режиме.
AB
При команде с блока управления 16 на торможение, симисторы 15 и 17 запираются и АЭ 7 переходит в режим противовключения, в котором фазные обмотки 8 и 9 фазы А и В подключены через конденсаторы 13 и 14 на линейное напряжение U, а третья фазная обмотка 10 вместе с конденсаторами 12, 13, 14 подключена к той из фаз сети, напряжение которой опережает на 120° напряжение фазы, к которой подключен симистор 15 (фаза С). Наличие конденсаторов 12, 13, 14 (при правильно выбранной величине емкости) меняет фазу тока в обмотке 10 фазы С, что меняет порядок чередования фаз обмоток и обеспечивает режим конденсаторного противовключения АЭ 7 при торможении.
При остановке АЭ 7, вибрационная машина посредством коммутационного элемента 11 отключается от сети (электродвигатели переходят в режим конденсаторного противовключения, что приводит к почти мгновенной их остановке в режиме торможения).
Следует отметить, что в случае пуска вибрационной машины от сети ограниченной мощности при использовании указанного асинхронного электропривода, достигается увеличение напряжения питания электродвигателей, так как из сети потребляется только активная мощность, то есть только активная составляющая тока электродвигателя.
Получение технического результата подтверждена в процессе расчетно-исследовательского моделирования осуществления заявляемого способа на вибрационной машине, представляющей собой виброплатформу 3 с массой m=157 кг, установленную на массивном основании посредством упругих элементов 4 при суммарной жесткости опор k=74650 Н/м и коэффициенте демпфирования b=1145 Нс/м. На виброплатформе 3 жестко закреплены два ДВ 1 и 2 на базе маломощных АЭ типа 4АА63 В2УЗ (n=3000  Р=0,55 кВт), параметры дебаланса каждого m=3,5 кг, r=0,065 м.
В процессе исследований определялся пусковой и тормозной режим ДВ, а также проводились исследования изменения резонансных амплитуд колебаний при пуске и торможении в режиме конденсаторного противовключения, представленные на фиг. 3 и на фиг. 4 соответственно, исследовалось изменение частоты вращения ротора и амплитуды колебаний виброплатформы при пуске с кратковременным застреванием ротора на околорезонансной частоте, изменение частоты вращения ротора и амплитуды колебаний виброплатформы при остановке выбегом, представленные на фиг. 5 и на фиг. 6 соответственно
Исследования показали, что при указанных параметрах, в качестве примера, время запуска АЭ сократилось почти в 2 раза, исчезает эффект застревания ротора, а резонансные амплитуды уменьшаются в 1,5 раза. Время торможения АЭ сократилось более чем в 2,5 раза, а резонансные амплитуды в 1,5 раза.
Таким образом, применение заявляемого способа обеспечивает уменьшение резонансных амплитуд при переходных процессах в вибрационных машинах и, соответственно, снижение динамических нагрузок на элементы конструкции вибрационной машины, а также улучшение энергетических показателей электропривода в рабочем режиме путем повышения коэффициента мощности и симметрии напряжений за счет симметричного подключения конденсаторов к фазам сети.