Механические нагрузки в системах электропривода и способы их ограничения
ART 85069
Б.
А. ПерминовБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Перминов
Б.
А.,
Перминов
В.
Б.,
Чумакова
Н.
В.,
Ягубов
З.
Х.,
Ягубов
Э.
З. Механические нагрузки в системах электропривода и способы их ограничения // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
341–345. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85069.htm.
Аннотация. Рассматривается влияние механических нагрузок на режим работы электродвигателя постоянного тока, работающего в качестве привода буровой установки. Рекомендуются способы ограничения механического момента на валу для исключения аварийного режима.
Ключевые слова:
крутящий момент, механические нагрузки, основные характеристики, момент сопротивления, динамический коэффициент
Текст статьи
Перминов Борис Алексеевич,кандидат технических наук, доцент, Российская открытая академия транспорта МИИТ, г. Ухтаboris.perminoff2013@yandex.ru
Перминов Виктор Борисович,кандидат технических наук, заместитель начальник отдела ООО Газпром трансгазУхта», г. Ухтаvperminov@sgp.gazprom.ru
Ягубов Зафар Хангусейн оглы,доктор технических наук,профессор, заведующий кафедрой, Ухтинскийгосударственный технический университет, г. Ухта
zav_eatp@ugtu.net
Ягубов Эмин Зафароглы,доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, Ухтинскийгосударственный технический университет, г. Ухтаeyagubov@ugtu.net
Чумакова Наталия Владимировна, магистрант, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаnchumakova@ugtu.net
Механические нагрузки в системах электроприводаи способы их ограничения
Аннотация. Рассматривается влияние механических нагрузок на режим работы электродвигателя постоянного тока, работающего применительно в качестве привода буровой установки. Рекомендуются способы ограничения механического момента на валу для исключения аварийного режима.Ключевые слова: механические нагрузки, основные характеристики, крутящий момент, момент сопротивления, динамический коэффициент.
Механические нагрузки являются важной особенностью многих производственных механизмов. Наиболее тяжелые механические перегрузки возникают у механизмов, для которых при нормальном течении технологического процесса возможна работа на упор механическое стопорение рабочего органа. Аналогичные условия возможны и для буровых установок, у которых при работе в мягких грунтах перегрузки могут достигать опасных значений, но нарастать во времени постепенно. Такой режим можно назвать мягким стопорением. При работе в тяжелых грунтах возможны внезапные заклинивания рабочего органа так называемые резкие стопорения.Во всех случаях, когда возникающие по любой причине механические перегрузки превосходят перегрузочную способность привода и допустимую нагрузку механизма система электропривода должна обеспечить автоматическое ограничение момента, развиваемого двигателем допустимым значением. Допустимый момент двигателя определяется максимально допустимой нагрузкой механизма по условиям его механической прочности. С другой стороны, его краткость по отношению к номинальному моменту не должна превосходить перегрузочной способности двигателя. Выбранное из этих двух условий значение момента будем называть допустимым стопорным моментом и обозначать Мсmon.Устройство ограничения момента применяемое для бурильных установок, работа которых систематически сопровождается перегрузками и стопорениями, должно обеспечивать автоматическое ограничение момента электрическим путем.Электрическое непрерывное ограничение момента достигается использованием электропривода с экскаваторной механической характеристикой. Такая характеристика целесообразна не только для ограничения механических перегрузок, но и для формирования переходных процессов пуска, реверса и торможения. Качество ограничения момента обычно характеризуется заполнением экскаваторной характеристики, которое тем больше, чем жестче ее рабочий участок и чем круче падающий. Идеальная экскаваторная характеристика показана на рис.1кривая 1.Там же представлены реальные экскаваторные характеристики с разным заполнением кривые 2 и 3. Заполнение характеристики при достаточно высокой жесткости рабочего участка можно оценить с помощью коэффициента отсечки.
(1)Для выяснения основных физических особенностей режима резкого стопорения проанализируем переходный процесс электропривода, вызванный внезапной остановкой рабочего органа.Примем, что момент двигателя Мв переходном процессе изменяется в соответствии с механической характеристикой 2 на рис. а. При этом, в соответствии с расчетной схемой рис. б: (2)где момент упругости связи; жесткость механической передачи; угол закручивания валопровода; момент инерции двигателя и маханизма.
в
Рис.1.
Уравнение падающего участка механической характеристики:
(3)где модуль жесткости падающего участка механической характеристики.Подставив выражение для М12и Мв выражение движения и продифференцировав его получим: (4)Корни характеристического уравнения: (5)так как обычно где Решение уравнения относительно скорости двигателя при комплексных корнях будем искать в виде
(6)Принимаем, что в момент начала стопорения инерционные массы привода движутся со скоростьюи .Подставляя начальные условия
и при t=0, определяем постоянные интегрирования:
(7)Решение уравнения примет вид:
(8)где.Решение уравнения относительно М12характеризующего нагрузку механической части привода, следует искать в виде:
(9)С помощью начальных условий определяем состояние Cи D:
(10)После преобразования с учетом соотношения
,
(11)
решение уравнения относительно М12имеет в
,
(12)Где .Полученным аналитическим зависимостям соответствуют построенные на рис.1, в сплошными линиями кривые Там же штриховыми линиями показан характер процесса стопорения прит.е. при идеальной экскаваторной характеристике 1. В этом случае процесс стопорения протекает при М =Мстоп
constи выраженные для
и М12упрощаются
,
(13)где частота собственных колебаний одномассовой упругой системы.Из рассмотрения кривых можно видеть, что М12возрастает по мере снижения скорости, так как запасенная в останавливающихся инерционных массах кинетическая энергия, освобождаясь, переходит в потенциальную энергию упругого элемента. Наличие избыточного запаса потенциальной энергии при = 0является причиной, вызывающей разгон якоря двигателя в противоположную сторону. Поэтому процесс стопорения имеет колебательный характер, причем при идеальной экскаваторной характеристикетеоретически колебания являются незатухающими. Практически вследствие неучтенных потерь на трение энергия упругих колебаний и в этом случае рассеивается в виде теплоты в трущихся элементах, но медленнее, чем при .Полученные зависимости свидетельствуют о том, что при ограниченном экскаваторной характеристикой моменте двигателе ММстопмаксимальные нагрузки элементов привода в процессе стопоренияувеличиваются за счет динамической нагрузки и при неблагоприятных условиях могут достигать опасных значений. Без учета затухания максимальное значение момента М12:
М12 max=Mстоп+1нач.
(14)
Отношение максимальной нагрузки к установившейся определяет динамический коэффициент:
(15)
Динамический коэффициент характеризует перегрузки механической части электропривода, при резких стопорениях в сравнении с установившимся режимом стопорения. Из полученного соотношения следует, что перегрузки тем больше, чем больше начальная скорость, момент инерции и жесткость рабочего оборудованияС12. При уменьшении коэффициента отсечки увеличения )затухание колебаний увеличивается. Линейная связь момента двигателя со скоростью аналогична вязкому трению и оказывает демпфирующее действие, способствуя быстромузатуханию колебаний. Увеличение затухания влечет за собой некоторое уменьшение динамического коэффициента. Поэтому желательны характеристики с коэффициентом отсечки Котс=0,7...0,8характеристики на рис. 1, а. Такая форма характеристикиодновременно позволяет снизить частоту стопорений, так как оператор может оценить нагрузку двигателя и своевременно принять меры, направленные на уменьшениеперегрузки.
Ссылки на источники1.Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А., Перминов В.Б., Возможность использования динамических состовляющих параметров крутящего моментадля управления процессом углубления скважины // инженер нефтяник
М.: АИДИЭс Дриллинг», 2014.№3 с. 2022
2.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу //патент SU1747963.3.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройстводля измерения крутящего момента на валу привода //патент SU1742653.
Перминов Виктор Борисович,кандидат технических наук, заместитель начальник отдела ООО Газпром трансгазУхта», г. Ухтаvperminov@sgp.gazprom.ru
Ягубов Зафар Хангусейн оглы,доктор технических наук,профессор, заведующий кафедрой, Ухтинскийгосударственный технический университет, г. Ухта
zav_eatp@ugtu.net
Ягубов Эмин Зафароглы,доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, Ухтинскийгосударственный технический университет, г. Ухтаeyagubov@ugtu.net
Чумакова Наталия Владимировна, магистрант, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаnchumakova@ugtu.net
Механические нагрузки в системах электроприводаи способы их ограничения
Аннотация. Рассматривается влияние механических нагрузок на режим работы электродвигателя постоянного тока, работающего применительно в качестве привода буровой установки. Рекомендуются способы ограничения механического момента на валу для исключения аварийного режима.Ключевые слова: механические нагрузки, основные характеристики, крутящий момент, момент сопротивления, динамический коэффициент.
Механические нагрузки являются важной особенностью многих производственных механизмов. Наиболее тяжелые механические перегрузки возникают у механизмов, для которых при нормальном течении технологического процесса возможна работа на упор механическое стопорение рабочего органа. Аналогичные условия возможны и для буровых установок, у которых при работе в мягких грунтах перегрузки могут достигать опасных значений, но нарастать во времени постепенно. Такой режим можно назвать мягким стопорением. При работе в тяжелых грунтах возможны внезапные заклинивания рабочего органа так называемые резкие стопорения.Во всех случаях, когда возникающие по любой причине механические перегрузки превосходят перегрузочную способность привода и допустимую нагрузку механизма система электропривода должна обеспечить автоматическое ограничение момента, развиваемого двигателем допустимым значением. Допустимый момент двигателя определяется максимально допустимой нагрузкой механизма по условиям его механической прочности. С другой стороны, его краткость по отношению к номинальному моменту не должна превосходить перегрузочной способности двигателя. Выбранное из этих двух условий значение момента будем называть допустимым стопорным моментом и обозначать Мсmon.Устройство ограничения момента применяемое для бурильных установок, работа которых систематически сопровождается перегрузками и стопорениями, должно обеспечивать автоматическое ограничение момента электрическим путем.Электрическое непрерывное ограничение момента достигается использованием электропривода с экскаваторной механической характеристикой. Такая характеристика целесообразна не только для ограничения механических перегрузок, но и для формирования переходных процессов пуска, реверса и торможения. Качество ограничения момента обычно характеризуется заполнением экскаваторной характеристики, которое тем больше, чем жестче ее рабочий участок и чем круче падающий. Идеальная экскаваторная характеристика показана на рис.1кривая 1.Там же представлены реальные экскаваторные характеристики с разным заполнением кривые 2 и 3. Заполнение характеристики при достаточно высокой жесткости рабочего участка можно оценить с помощью коэффициента отсечки.
(1)Для выяснения основных физических особенностей режима резкого стопорения проанализируем переходный процесс электропривода, вызванный внезапной остановкой рабочего органа.Примем, что момент двигателя Мв переходном процессе изменяется в соответствии с механической характеристикой 2 на рис. а. При этом, в соответствии с расчетной схемой рис. б: (2)где момент упругости связи; жесткость механической передачи; угол закручивания валопровода; момент инерции двигателя и маханизма.
в
Рис.1.
Уравнение падающего участка механической характеристики:
(3)где модуль жесткости падающего участка механической характеристики.Подставив выражение для М12и Мв выражение движения и продифференцировав его получим: (4)Корни характеристического уравнения: (5)так как обычно где Решение уравнения относительно скорости двигателя при комплексных корнях будем искать в виде
(6)Принимаем, что в момент начала стопорения инерционные массы привода движутся со скоростьюи .Подставляя начальные условия
и при t=0, определяем постоянные интегрирования:
(7)Решение уравнения примет вид:
(8)где.Решение уравнения относительно М12характеризующего нагрузку механической части привода, следует искать в виде:
(9)С помощью начальных условий определяем состояние Cи D:
(10)После преобразования с учетом соотношения
,
(11)
решение уравнения относительно М12имеет в
,
(12)Где .Полученным аналитическим зависимостям соответствуют построенные на рис.1, в сплошными линиями кривые Там же штриховыми линиями показан характер процесса стопорения прит.е. при идеальной экскаваторной характеристике 1. В этом случае процесс стопорения протекает при М =Мстоп
constи выраженные для
и М12упрощаются
,
(13)где частота собственных колебаний одномассовой упругой системы.Из рассмотрения кривых можно видеть, что М12возрастает по мере снижения скорости, так как запасенная в останавливающихся инерционных массах кинетическая энергия, освобождаясь, переходит в потенциальную энергию упругого элемента. Наличие избыточного запаса потенциальной энергии при = 0является причиной, вызывающей разгон якоря двигателя в противоположную сторону. Поэтому процесс стопорения имеет колебательный характер, причем при идеальной экскаваторной характеристикетеоретически колебания являются незатухающими. Практически вследствие неучтенных потерь на трение энергия упругих колебаний и в этом случае рассеивается в виде теплоты в трущихся элементах, но медленнее, чем при .Полученные зависимости свидетельствуют о том, что при ограниченном экскаваторной характеристикой моменте двигателе ММстопмаксимальные нагрузки элементов привода в процессе стопоренияувеличиваются за счет динамической нагрузки и при неблагоприятных условиях могут достигать опасных значений. Без учета затухания максимальное значение момента М12:
М12 max=Mстоп+1нач.
(14)
Отношение максимальной нагрузки к установившейся определяет динамический коэффициент:
(15)
Динамический коэффициент характеризует перегрузки механической части электропривода, при резких стопорениях в сравнении с установившимся режимом стопорения. Из полученного соотношения следует, что перегрузки тем больше, чем больше начальная скорость, момент инерции и жесткость рабочего оборудованияС12. При уменьшении коэффициента отсечки увеличения )затухание колебаний увеличивается. Линейная связь момента двигателя со скоростью аналогична вязкому трению и оказывает демпфирующее действие, способствуя быстромузатуханию колебаний. Увеличение затухания влечет за собой некоторое уменьшение динамического коэффициента. Поэтому желательны характеристики с коэффициентом отсечки Котс=0,7...0,8характеристики на рис. 1, а. Такая форма характеристикиодновременно позволяет снизить частоту стопорений, так как оператор может оценить нагрузку двигателя и своевременно принять меры, направленные на уменьшениеперегрузки.
Ссылки на источники1.Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А., Перминов В.Б., Возможность использования динамических состовляющих параметров крутящего моментадля управления процессом углубления скважины // инженер нефтяник
М.: АИДИЭс Дриллинг», 2014.№3 с. 2022
2.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу //патент SU1747963.3.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройстводля измерения крутящего момента на валу привода //патент SU1742653.
