Исследование вибрационного электропривода на базе асинхронного дебалансного вибродвигателя (АДВД): Методические указания к выполнению лабораторной работы

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального oбразования Ульяновский государственный технический университет

А. А. Горбунов

Исследование вибрационного электропривода на базе асинхронного дебалансного вибродвигателя (АДВД)

методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

Ульяновск 2008

УДК 621.313.001.2(076) ББК 31.261.63 я7 Г 55

Рецензент доктор техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение» УлГТУ Кузнецов А. В.

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета УлГТУ

Горбунов, А. А. Г55 Исследование вибрационного электропривода на базе асинхронного дебалансного вибродвигателя (АДВД) : методические указания к выполнению лабораторной работы / А. А. Горбунов. - Ульяновск : УлГТУ, 2008. - 10 с. Указания составлены в соответствии с программой курса «Основы электропривода» для студентов специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» всех форм обучения и содержат задания и рекомендации для выполнения лабораторной работы по данному курсу, а также контрольные вопросы для самопроверки. Работа подготовлена на кафедре «Электропривод и автоматика промышленных установок». УДК 621.313.001.2(076) ББК 31.261.63 я7

© А. А. Горбунов, 2008 © Оформление. УлГТУ, 2008

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ДЕБАЛАНСНОГО ВИБРОДВИГАТЕЛЯ (АДВД)

Цель работы: изучение конструкции, принципа действия и особенностей работы АДВД; определение влияния величины дебалансных масс и частоты сети на пусковой процесс; изучение пуска вибродвигателя с учетом вибрационной нагрузки в дорезонансную и зарезонансную зоны. Порядок выполнения работы: 1. Ознакомиться с электрооборудованием и схемой опытной установки. 2. Получить осциллограммы частоты вращения АДВД и амплитуды колебаний виброплатформы для различных значений массы дебалансов в дорезонансном режиме работы виброустановки. 3. Получить осциллограммы частоты вращения АДВД и амплитуды колебаний виброплатформы для различных значений частоты питающей сети f (при условии соответствующего изменения питающего напряжения U ) в дорезонансном режиме работы виброустановки. 4. Получить осциллограммы частоты вращения АДВД и амплитуды колебаний виброплатформы в зарезонансном режиме работы виброустановки. 5. Построить требуемые графики, провести анализ полученных экспериментальных данных и сделать по ним выводы. Методические указания по подготовке к работе 1. Изучить теоретический материал: принцип действия и особенности работы АДВД, пусковые режимы АДВД [1, с. 3 - 30; 2, с. 119 - 122]. 2. Подготовить протокол эксперимента: таблицы для экспериментальных данных, координатные сетки для построения пусковых характеристик. Общий вид лабораторной вибрационной установки для изучения динамики АДВД представлен на рис. 1. Следует отметить, что рассматриваемое устройство является достаточно точной физической моделью большинства промышленных вибрационных систем. Данная установка представляет собой одномассовую вибрационную систему с возможностью получения направленных колебаний и позволяет широко в пределах возможности установки варьировать параметры, что позволяет тщательно и глубоко изучить процессы, происходящие в ней, и режимы работы. Здесь имеется возможность регулирования основных параметров установки, как механических, так и электрических. Асинхронные двигатели, имеющиеся в виброустановке, управляются электромеханическим преобразователем частоты, выполненным по схеме «синхронный генератор - асинхронный двигатель», что позволяет реализовать возможность регулирования питающего напряжения и частоты независимо 3

друг от друга. Независимое управление напряжением и частотой существенно расширяет функциональные возможности рассматриваемой модели.

Рис. 1. Лабораторная вибрационная установка на базе АДВД

В состав лабораторной виброустановки входят: • неподвижное основание массой 30 кг, выполненное из стального листа толщиной 7 мм; • виброплатформа, набранная из металлических листов, стянутых болтами, что позволяет регулировать массу виброплатформы; • комплект пружин, расположенных по периметру виброплатформы и соединяющих ее с неподвижным основанием в вертикальном направлении при помощи болтов. Количество пружин регулируется; • комплект пружин, соединяющих виброплатформу с неподвижным основанием в горизонтальном направлении при помощи металлических уголков. Количество пружин регулируется; • два асинхронных двигателя 4АА56В4УЗ с дебалансами на валах, жестко закрепленные на виброплатформе. Дебалансы сборные, состоят из металлических пластин соответствующей формы, скрепленных болтами, что позволяет регулировать массу дебаланса в пределах от 100 г до 1 кг; • на виброплатформе закреплен пьезоэлектрический датчик колебаний KD41, формирующий напряжение, пропорциональное

4

вибросмещению. Сигнал с датчика подается на электронно-лучевой осциллограф; • на валу одного из АДВД установлен тахогенератор постоянного тока, выходной сигнал которого подается на электронно-лучевой осциллограф С1-68. Система управления электроприводом позволяет оператору регулировать частоту вращения электродвигателя в диапазоне от 10 об/мин до 1480 об/мин, обеспечивая требуемую форму статической механической характеристики асинхронного двигателя. Методические указания по проведению экспериментов и обработке результатов исследования

1. Определение влияния величины дебалансных масс на динамические процессы в вибросистеме происходит следующим образом. Необходимо реализовать пуск АДВД в диапазоне частоты питающей сети (f=5÷ 25 Гц) в дорезонансную зону. Для этого при отключенном лабораторном стенде по известной формуле (1) определите частоту собственных колебаний со0 виброустановки: ω0 =

k , m2

(1)

где k - эквивалентная жесткость пружин, соединяющих виброплатформу и неподвижное основание в вертикальном направлении [Н/м], а т2 - масса виброплатформы. Причем известно, что жесткость одной пружины ki составляет 100 000 Н/м, а номинальная масса виброплатформы - 25 кг. Подберите количество пружин так, чтобы при f = 25 Гц обеспечивался дорезонансный режим работы. При помощи соответствующих инструментов установите требуемое количество пружин. Затем при помощи инструментов установите на вал двигателя дебаланс минимально возможной массы, надежно закрепите его. Представьте собранную установку на проверку преподавателю. Соберите схему, представленную на рис. 2. Представьте собранную электрическую схему на проверку преподавателю. После этого выполняют следующее: а) запускают двигатель постоянного тока, вращающий возбудитель синхронного генератора, в направлении вращения, включив ключ Р1, и устанавливают реостатом RП напряжение на его зажимах U= U н , а также частоту вращения п= 750 об/мин реостатом RР Д . Выбранное значение п (при условии р=2 у синхронного генератора) обеспечит равенство f= 25 Гц согласно формуле (2):

5

f =

pn , 60

(2)

б) включают обмотку возбуждения синхронного генератора при помощи ключа Р2 и реостатом RГ, регулируя ток возбуждения, устанавливают фазное напряжение генератора U=l10 В. Выбор данного значения фазного напряжения обусловлен необходимостью изменения напряжения пропорционально частоте питающей сети (U/f=const). Однако данный закон не всегда применим к АДВД и в некоторых случаях (тяжелые условия пуска) приходится немного завышать напряжение по сравнению с частотой; =U

Рис. 2. Рабочая схема для исследования вибрационного электропривода

в) к выходу синхронного генератора подключают статорные обмотки АДВД при помощи ключа Р З , что приводит к запуску двигателей, и получают осциллограмму изменения частоты вращения АДВД при пуске. Затем максимально точно фиксируют полученную осциллограмму на миллиметровой бумаге. Кроме того, необходимо в момент пуска на втором осциллографе получить график изменения 6

амплитуды колебаний виброплатформы, который также необходимо максимально точно изобразить на миллиметровой бумаге; г) отключают ключ Р З и после остановки АДВД увеличивают дебалансную массу, после чего преподаватель проверяет установку. Затем запускают АДВД и получают требуемые осциллограммы, так, как это было описано выше; д) повторяют эксперимент еще три раза, постепенно увеличивая массу дебалансов. Затем отключают Р З , Р2 и P L Полученные опытные и расчетные данные заносят в таблицу 1.

№ п. п. f,Гц

U, В

Измерено т0, кг tП.П , с

Таблица 1 Вычислено ωср рад/с

у , мм

МСТ /МП

В таблице 1 обозначено: f - частота переменной ЭДС синхронного генератора; U - напряжение синхронного генератора; т0 - масса дебаланса; tП.П - время переходного процесса (измеряется по осциллограмме); ωср - среднее значение частоты вращения АДВД (измеряется по осциллограмме); у - амплитуда колебаний виброплатформы (измеряется по осциллограмме); МСТ = mQRg — статический момент дебаланса ( R - эксцентриситет дебаланса, g - ускорение свободного падения); М П пусковой момент асинхронного двигателя (для используемой в виброустановке модели АДВД пусковой момент составляет 2,64 Нּм). По данным таблицы 1 постройте зависимости t П . П . = f ( m 0 ) , ωср - f ( m 0 ) , y = f ( m 0 ) и МСТ /М П = f ( m 0 ) , на основе полученных графиков сделайтевыводы о влиянии массы дебалансов на переходные процессы, происходящие в вибросистеме, и определите критическое соотношение МСТ /МП, при котором еще возможен запуск двигателя. 2. Определение влияния частоты питающей сети на динамические процессы в вибросистеме происходит следующим образом: а) необходимо реализовать пуск АДВД с разными значениями f в диапазоне частоты питающей сети (f=5÷ 25 Гц) в дорезонансную зону. Для этого эквивалентную жесткость пружин k и массу виброплатформы т2 оставьте без изменения, то есть такими же, как в эксперименте по п. 1. Массу дебаланса установите максимально возможную, после чего выполняют пуск АДВД так, как это происходило в предыдущем опыте (п. 1.а) - п. 1.в)) с параметрами: частота вращения двигателя постоянного тока n = 750 об/мин, фазное напряжение генератора U=110 В;

7

б) получают осциллограммы изменения частоты вращения АДВД при пуске и изменения амплитуды колебаний виброплатформы, которые необходимо максимально точно изобразить на миллиметровой бумаге; в) отключают ключ Р З и уменьшают частоту вращения двигателя постоянного тока при помощи реостата RРД так, чтобы частота напряжения достигла значения 20 Гц. Затем при помощи реостата RГ устанавливают значение фазного напряжения генератора таким образом, чтобы выполнялся закон управления (U/f=consf). После чего запускают АДВД и получают требуемые осциллограммы так, как это было описано выше. В случае, если АДВД не запускается при напряжении, соответствующем закону U/f=const, отключают ключ Р З и при всех прочих неизменных параметрах схемы увеличивают напряжение генератора на 3÷15 В. После этого повторяют пуск; г) повторяют эксперимент для значений частоты 20, 15, 10 и 5 Гц. Затем отключают Р З , Р2 и Р 1 . Полученные опытные и расчетные данные заносят в таблицу 2. По данным таблицы 2 постройте зависимости t П . П . = f( f ) , ω ср = f( f ) , у = f(f) и на основе полученных графиков сделайте выводы о влиянии частоты питающей сети на переходные процессы, происходящие в вибросистеме.

№ п. п. f,Гц

U, В

Измерено т0, кг tП.П с ωср, рад/с

У, мм

Таблица 2 Вычислено п, об/мин

МСТ/МП

3. Исследование динамических процессов в вибросистеме при пуске в зарезонансную область происходит следующим образом. Установите эквивалентную жесткость пружин k и массу виброплатформы m2 так чтобы при f=25 Гц система работала в зарезонансном режиме, массу дебаланса установите максимально возможную. Проверьте надежность креплений элементов виброустановки. После этого выполняют следующее: а) запускают АДВД с принятыми параметрами так, как это происходило в предыдущих экспериментах (п. 1.а) - п. 1.в)), и фиксируют полученные осциллограммы. Также следует получить осциллограммы при остановке АДВД выбегом. Затем повторяют пусковые режимы, каждый раз уменьшая напряжение генератора на 5 В, до тех пор, пока не произойдет так называемое застревание АДВД в пусковой зоне, именуемое эффектом Зоммерфельда. При обнаружении подобного эффекта, не выключая АДВД, плавно повышают напряжение генератора и определяют, выйдет ли двигатель в номинальный режим. Получают осциллограммы частоты вращения двигателя и амплитуды колебаний;

8

б) отключают Р З , Р2 и Р 1 , приводят в порядок рабочее место. Полученные опытные и расчетные данные заносят в таблицу 3.

№ п. п.

f, Гц U, В

Измерено т0, кг tП.П., с ωср, рад/с

Таблица 3 Вычислено Утах1,

Утах2,

ММ

ММ

МСТ/МП

В таблице 3 обозначено: y max1 - максимальная амплитуда колебаний, возникающих при прохождении резонансной зоны в момент пуска; уmax2 - максимальная амплитуда колебаний, возникающих при прохождении резонансной зоны в момент торможения выбегом; ωрез - резонансная частота колебаний виброплатформы (измеряется по осциллограммам и имеет место в момент наступления ymax1 ). Установлено, что резонанс в вибросистеме наступает не в момент равенства ω=ω,0 а несколько позже. По полученным данным выявите основные особенности и параметры зарезонансного режима и его отличие от дорезонансного.

Контрольные вопросы 1. Назовите области применения вибрационных машин и технологий. 2. Опишите конструкцию АДВД. 3. Чем обусловлено широкое распространение АДВД в качестве привода вибрационных машин? 4. Поясните суть эффекта Зоммерфельда. 5. С какой целью в лабораторной работе используется синхронный генератор? 6. Охарактеризуйте основные особенности динамики вибрационной установки на базе АДВД в дорезонансном режиме. 7. Охарактеризуйте основные особенности динамики вибрационной установки на базе АДВД в зарезонансном режиме. 8. Объясните, как масса дебаланса и частота питающей сети влияют на пусковой процесс. 9. Предложите меры по улучшению пусковых режимов АДВД с большой массой дебаланса. 10. Почему амплитуда резонансных колебаний при остановке выбегом АДВД больше амплитуды резонансных колебаний, возникающих при пуске? 11. Поясните назначение и место включения каждого элемента схемы. 12. Какие существуют перспективные системы автоматического управления АДВД?

9

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Базаров, Н. X. Автоматика вибромашин / Н. X. Базаров. - Ташкент : Узбекистан, 1976. - 118 с. 2. Дмитриев, В. Н. Исследование пусковых режимов асинхронного дебалансного вибродвигателя / В. Н. Дмитриев, А. А. Горбунов // Проблемы энергетики. - 2008. - № 1-2. - С. 119-122.

Учебное издание Горбунов Алексей Александрович

Исследование вибрационного электропривода на асинхронного дебалансного вибродвигателя (АДВД) Методические указания Редактор Н. А. Евдокимова

Подписано в печать 30.06.2008. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,70. Тираж 25 экз. Заказ 777. Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.

базе