Огляд аналогів розробляємої комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

1 Огляд аналогів розробляємої комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом

Вирішення проблеми підвищення продуктивності механізмів та машин, що нерозривно пов’язане з проблемою підвищення швидкості робочих органів механізмів, провідні фірми світу знаходять у використанні безконтактного підвісу роторних систем. Відомі три типи безконтактних підвісів роторних систем - газовий, магнітний, газомагнітний. Порівняльна характеристика трьох типів безконтактних підвісів дозволяє оцінити їх переваги та недоліки, перспективність подальшого розвитку, вибрати об’єкт контролю.

Широко розповсюдженим типом безконтактного підвісу роторних систем є газовий підвіс. Однією з найважливіших характеристик безконтактного підвісу є момент тертя та потужність витрат на тертя. Витрати на тертя у газових підшипниках виникають за рахунок в’язкого тертя усередині шару газоподібного мастильного матеріалу. Момент тертя концентричного радіального газового підшипника визначається виразом [1]

, (1.1)

де  - динамічна в’язкість газоподібного мастильного матеріалу,

R - радіус підшипника,

L - довжина підшипника,

С - середній радіальний зазор,

 - кутова швидкість.

Момент тертя у симетрично навантажених газових підшипниках з гладкими поверхнями [1]

, (1.2)

де r₀ та r_i - зовнішній та внутрішній радіуси підшипника,

h - зазор між поверхнями.

З виразів (1.1) та (1.2) видно, що внаслідок малої в’язкості  газу у мастильному шарі, момент тертя та втрати на тертя дуже малі. Газові підшипники, жорсткість яких набагато вище жорсткості підшипників кочення [2], уступають їм у відношенні несучої здатності. Швидкохідність газових підшипників визначається швидкістю шейки валу, максимальне значення якої складає 300-350 м/с. Основною причиною, що обмежує швидкохідність ротору на газових підшипниках, є його динамічна нестійкість, що виникає при появі напівшвидкісного вихору або синхронного вихору, що обумовлено дисбалансом ротора. До недоліків газових підшипників, що обмежують їх використання, слід віднести явище нестійкості типу «пневматичний молот», що обумовлено стискуємістю газового шару [3].

Одним з методів реалізації безконтактного підвісу роторних систем є магнітний підвіс, втрати на тертя в якому обумовлені взаємодією вихрових струмів, що виникають в цапфі ротору при його обертанні, з магнітним полем елементів, що забезпечують підвіс. Із визначення втрат на тертя у магнітному підвісі випливає, що струм статору ЕМ, що збільшується при збільшенні кутової швидкості обертання ротора, збільшує вихорові струми у цапфі ротора, що обумовлює збільшення втрат на тертя. Момент тертя магнітного підвісу визначається:

, (1.3)

де J - момент інерції ротора відносно його вісі обертання,

t - час.

Втрати потужності на тертя визначаються у вигляді

. (1.4)

Аналіз виразів (1.3) та (1.4) показує, що момент тертя збільшується прямо пропорційно кутовому прискоренню, а втрати потужності збільшуються із збільшенням кутової швидкості. Останнє є суттєвим недоліком магнітного підвісу, що значно обмежує його швидкохідність. Жорсткість магнітного підвісу менше жорсткості підшипників кочення та зменшується при збільшенні частоти обертання. При значному збільшенні частоти обертання у високошвидкісних роторних механізмах жорсткість магнітного підвісу прямує до нуля, що обумовлює втрату стійкості. Слід зазначити, що магнітний підвіс за своєю природою є нестійкою системою, стійкий підвіс одного магніту у полі другого неможливий. Стійкість магнітного підвісу забезпечується тільки при введенні системи автоматичного регулювання напруженості магнітного поля та щільності магнітного потоку збудження, що дозволяє компенсувати зміну положення тіла, що підвішується, та діючих на нього сил. Усі наведені вище недоліки магнітного підвісу обмежують його використання у високошвидкісних роторних системах. Тому такі системи з магнітним підвісом не знайшли широкого використання у промисловості.

Дослідження у напрямку компенсації недоліків газового та магнітного підвісів привели до створення систем магнітного розвантаження газового підвісу, тобто газові сили, які відштовхують ротор від статора, та магнітні сили, які притягують ротор до статора, взаємокомпенсуються та забезпечують стійкість системи. Слід зазначити, що таке поєднання не звільняє від динамічної нестійкості газового шару при появі напівшвидкісного та синхронного вихорів та не змінює характер залежності параметрів магнітного підвісу (моменту тертя, втрат на тертя, жорсткості) від частоти обертання, тобто не звільняє від недоліків газового та магнітного підвісів.

Приведений коефіцієнт тертя прецизійних опор кочення високошвидкісних роторних механізмів достатньо великий та може змінюватись в межах від 0,002 (для шарикопідшипників) до 0,01 (роликові підшипники) [1]. Аналогічний показник газових опор складає 0,0001 та визначається в основному тільки в’язким тертям усередині шару газової змазки [1]. Приведений коефіцієнт тертя магнітних опор обумовлений гальмівним ефектом магнітного поля, а момент тертя та втрати потужності на тертя збільшуються із збільшенням частоти обертання. Приведений коефіцієнт тертя газомагнітної опори може бути рівний аналогічному параметру газових опор та практично не залежить від частоти обертання.

Швидкохідність високошвидкісних роторних механізмів з прецизійними опорами кочення обмежена значними втратами на тертя та не перевищує 2,5 10 ⁵ хв^-1 при короткочасному ресурсі роботи та 4 10 ⁴ хв^-1 при довгостроковому. Швидкохідність роторних механізмів з газовими опорами може досягати значення 6,5 10⁶ хв^-1 [2]. Перевищення вказаної швидкості приводить до появлення динамічної нестійкості опори, що проявляється у вигляді напівшвидкісного або синхронного вихорів. Швидкохідність магнітного підвісу, що перевищує швидкохідність газового підвісу, обмежена різко зростаючими при збільшенні частоти обертання втратами на тертя. Швидкохідність газомагнітної опори практично обмежена механічною міцністю обертаючихся вузлів роторного механізму та може значно перевищувати швидкохідність газових чи магнітних опор.

Жорсткість опор кочення значно поступається аналогічному параметру газових опор, що обумовлюється більшою різницею площин, що передають навантаження від валу до корпусу опори, а також великою кількістю зазорів в опорах кочення. Жорсткість магнітних опор, поступається аналогічному параметру опор кочення, зменшується при збільшенні частоти обертання та прямує до нуля. Жорсткість газомагнітної опори значно перевищує жорсткість газової опори. Це обумовлено тим, що площа газомагнітної опори, що передає навантаження, дорівнює площі поверхні ротору та значно перевищує площу робочої поверхні газової опори. Окрім того, жорсткість газомагнітної опори є сумою жорсткості газового шару та магнітного поля, що створює магнітні сили навантаження газового шару.

Стійкість є одним з найбільш слабких місць газових опор, що зв’язано з явищами напівшвидкісного та синхронного вихорів, а також з явищем «пневмомолотка» [3], які приводять до порушення шару газової змазки, і як наслідок, до появлення безпосереднього торкання робочих поверхнею та виходу газового підшипника із строю. Стійкість магнітних опор, яка знижується при підвищенні частоти обертання, забезпечується зовнішньою системою автоматичного керування та давачами величини зазору. Газомагнітний підвіс є стійкою системою, якій придатні властивості саморегулювання та адаптивності до зміні зовнішнього навантаження, чого не мають інші опори.

Демпфування коливань ротору в газомагнітному підвісі значно перевищує аналогічний параметр роторних механізмів з газовими чи магнітними опорами. Особливістю газомагнітного підвісу є адаптивність його демпфучих властивостей до зміни зовнішнього навантаження.

Віброакустична активність, яка є важливим параметром роторного механізму, збільшується при збільшенні частоти обертання. Якщо віброакустична активність високошвидкісних роторних механізмів з прецизійними опорами кочення досить велика (що пояснюється механічними контактами в опорах та неспіввісністю зазорів опор та приводу), то відсутність механічних контактів у газових та магнітних опорах зменшує віброакустичну активність роторних механізмів з такими опорами на 10 – 15 дБА. Відсутність механічних контактів та неспіввісності робочих зазорів в роторних механізмах з газомагнітними опорами зменшує їх віброакустичну активність на 10-15 дБА у порівнянні з опорами кочення та на 5-10 дБА у порівнянні з газовими та магнітними опорами.

Несуча здатність опор кочення значно перевищує несучу здатність газових опор [3]. Підвищення несучій здатності газових опор зв’язано з підвищенням площі робочої поверхні газового підшипника або із збільшенням тиску наддуву, а значить, із збільшення масо-габаритних параметрів або енергоємності роторного механізму. Підвищення несучої здатності магнітних опор зв’язано з підвищенням щільності магнітного потоку збудження, а значить, з підвищенням втрат на тертя та зменшення жорсткості та стійкості при підвищенні частоти обертання. У газомагнітній опорі, що об’єднує в одному зазорі функції зазору газомагнітного підшипника та зазору електричної машини, площа робочої поверхні опори дорівнює площі робочої поверхні ротору та значно перевищує площу робочої поверхні газової опори. Відповідно, несуча здібність газомагнітної опори значно перевищує несучу здібність газової опори, наближаючись за своєю величиною до несучої здібності підшипників кочення.

Кількість робочих зазорів у роторних механізмах з прецизійними опорами кочення складає як правило від 3 до 6 зазорів. Неспіввісність, яка з’являється внаслідок великої кількості зазорів, значно збільшує віброакустичну активність роторного механізму. Заміна опор кочення газовими або магнітними опорами не змінює конструктивної схеми роторного механізму та збільшує кількість робочих зазорів у зв’язку з необхідністю одночасного використання радіальних та осевих опор, що приводить до ускладнення конструкції.

Газомагнітний підвіс ротору здійснюється безпосередньо в робочому зазорі електричної машини, що дозволяє обмежити кількість робочих зазорів роторного механізму одним зазором, що об’єднує функції зазору безконтактної газомагнітної опори та зазору електричної машини. Така конструктивна схема не потребує співвісності зазорів опорних вузлів електричної машини, спрощує конструкцію роторного механізму та забезпечує його високу технологічність.

Надійність роторних механізмів з газомагнітними опорами майже на порядок перевищує надійність механізмів з газовими та магнітними опорами та майже на два порядки надійність опор на підшипниках кочення.

Порівняльний аналіз різних типів опор, який наведено вище, показує, що роторні системи з газомагнітними опорами, незначно поступаються механізмам з опорами кочення по несучій здібності, а по усім іншим параметрам перевершують високошвидкісні роторні системи з прецизійними опорами кочення, газовими та магнітними опорами. Це обумовлює добрі перспективи подальшого розвитку газомагнітних опор.

Підприємствами Ізраїлю, США, Німеччини, деякими підприємствами хімічної та електротехнічної промисловості України випускалися та випускаються синхронні гістерезисні ЕМ з газомагнітним підвісом, які мають дисковий та конічний ротор. Вони часто використовуються у текстильній промисловості (веретена, прядильні машини), хімічній промисловості (розпилювачі), медицині (апарати для створення штучної атмосфери соляних печер) західних держав та держав СНД. Найбільш розповсюдженими з них є ЕМ з конічним ротором. Це обумовлено високою стійкістю конічного ротору як в осевому так і в радіальному напрямку.

В теперішній час для контролю параметрів ЕМ з газомагнітним підвісом ротору використовуються традиційні пристрої, що не завжди забезпечує високу вірогідність контролю. Математичні моделі цих ЕМ не досліджені з точки зору визначення аналітичних виразів для контролю їх основних параметрів, не існують пристрої контролю, що враховують їх специфіку. Тому в якості об’єкту контролю доцільно обрати синхронну гістерезисну ЕМ з газомагнітним підвісом конічного ротору, як одну з найбільш розповсюджених високо оборотних ЕМ.

Високоточний контроль та вимірювання кутової швидкості має велике значення не тільки при випробуваннях ЕМ, а в багатьох випадках і під час їх роботи. Це стосується систем точних приводів, систем автоматики, у яких ЕМ є складовими компонентами, систем, у яких відбувається керування електроприводами. Складним завданням є високоточний контроль та вимірювання кутової швидкості у динамічному режимі, контроль та вимірювання залежності кутової швидкості від часу - швидкісних діаграм. Контроль кутової швидкості у динамічному режимі ускладнюється рядом причин :

- контроль кутової швидкості у динамічному режимі проводиться за короткий проміжок часу;

- інформативні параметри змінюються у широкому діапазоні;

- виникає необхідність сумісних вимірювань часу та кутової швидкості;

- необхідність вияву короткочасних змін - «голкових провалів моменту», які

суттєво погіршують якість механічної енергії, сприяють виникненню ударів в

механічній трансмісії, що має зазори, з якою з’єднана ЕМ;

- відсутність методик розрахунку динамічних метрологічних характеристик;

Рівняння обертання валу ЕМ описується наступним рівнянням [4]:

, (1.5)

де М₀ - момент опору на валу,

М - обертаючий (електромагнітний) момент.

Динамічний момент ЕМ визначається лівою частиною рівняння (1.5) та дорівнює різниці між обертаючим моментом та моментом на валу, визначає кутове прискорення ротору та зв’язаних з ним мас.

. (1.6)

Момент опору обумовлений наявністю зовнішніх мас, що зв’язані з валом ЕМ. Він може існувати у перехідних та усталеному режимах роботи та бути відсутнім при випробуваннях ЕМ, може змінюватись у часі та залежати від кутової швидкості, але він характеризує зовнішні маси, а не саму ЕМ. При відсутності моменту опору на валу динамічний момент дорівнює обертаючому.

Аналіз виразу (1.5) свідчить про необхідність проведення вимірювання та контролю кутової швидкості в динамічному режимі та контролю моменту інерції для контролю та визначення параметрів руху.

Момент інерції ротору є однією з найважливіших характеристик ЕМ, яка визначає її динамічні властивості. Однак у довідковій літературі та технічних умовах на ЕМ він вказується не завжди. У відповідності з [5] момент інерції ротору може мати великі відхилення від номінального значення (10 % ). При проектуванні різноманітних електроприводів та систем автоматики розробників цікавлять точні значення моменту інерції роторів ЕМ (а деколи і роторів у зборі з виконавчими пристроями), оскільки вони визначають тепловий режим та швидкохідність ЕМ. Внаслідок неоднорідності матеріалу та складних геометричних форм ротору розрахункове визначення моменту інерції є трудомістким завданням зі складною методикою та великою похибкою. Більш точним є експериментальне визначення моменту інерції. Питанням експериментального визначення моменту інерції присвячено багато наукових робіт [6, 7], але високоточного, простого, швидкодіючого пристрою його контролю досі нема. Найбільш розповсюджені в теперішній час методи визначення моменту інерції [6], це метод допоміжного маятнику, який використовується для ЕМ потужністю від 10 до 1000 кВт, метод самогальмування, який використовується для ЕМ потужністю вище 100 кВт, метод крутильних коливань. Останній є найбільш універсальним та придатний для контролю моменту інерції ЕМ як великої потужності, так і мікродвигунів. Згідно цієї методики, частина ЕМ, що обертається, підвішується у вертикальному положенні осі обертання та приводиться у крутильний коливальний рух. При цьому визначається період малих крутильних коливань, який потім порівнюється з періодом коливань еталонного тіла з відомим моментом інерції. Шуканий момент інерції визначається з виразу:

, (1.7)

де  - момент інерції еталонного тіла,

 - період коливань еталонного тіла,

- період коливань частини ЕМ, що обертається.

Незважаючи на універсальність, цей метод має такі суттєві недоліки, як необхідність розбирання ЕМ та велику трудомісткість, що значно обмежує його використання. За допомогою цього методу неможливий контроль моменту інерції ЕМ в процесі їх роботи та без їх демонтування.

Нині відомі наукові розробки, що присвячені визначенню параметрів та характеристик ЕМ з аналізу динамічних режимів їх роботи [6, 7]. У роботах [8, 9], розроблено спосіб визначення моменту інерції та моменту опору на валу за допомогою двох зразкових мас з відомими моментами інерції на основі використання інформації про зміну кутової швидкості. Він полягає у вимірюванні кутового прискорення у режимах пуску та самогальмування асинхронної трифазної ЕМ при встановлених на валу зразкових масах. На основі отриманих результатів вирішується система рівнянь, з якої знаходяться шукані величини. Цей метод має високу точність, та у порівнянні з іншими методами, високу швидкодію, але він не придатний для контролю моменту інерції ЕМ з газомагнітним підвісом ротору, тому як для більшості таких машин режим самогальмування відсутній, а зупинення здійснюється примусово, шляхом подання постійної напруги замість змінної напруги живлення, що створює гальмівний момент.

Для контролю моменту інерції таких ЕМ перспективним є спосіб, заснований на визначенні амплітуди крутильних коливань ротору під час їх роботи в усталеному режимі. Але він потребує подальшої розробки для визначення аналітичних співвідношень, що зв’язують контролюємий параметр з вихідними параметрами ЕМ, інформацію про які можна отримати шляхом прямих вимірювань.

Механічна характеристика (МХ) є однією з найважливіших та найбільш інформативних характеристик ЕМ та визначається як залежність між обертаючим моментом та кутовою швидкістю обертання:

М=f(), (1.8)

або

=f(М), (1.9)

що отримана при незмінних напрузі живлення та частоті мережі.

Вигляд МХ обумовлюється різноманітними початковими умовами та іншими параметрами. З великою кількості таких МХ виділяють пускову МХ, яка називається ще природною та вимірюється при підключені ЕМ до мережі живлення з номінальними параметрами при відсутності на валу моменту опору та додаткових моментів інерції. За МХ при відповідних умовах розраховуються статичні параметри ЕМ. Наприклад, для трифазної асинхронної ЕМ, МХ режиму реверсу при наявності належного додаткового моменту інерції, наближується до МХ статичного режиму, що дає можливість зменшити час вимірювань таких статичних параметрів, як початковий пусковий момент, максимальний момент та інші. Окрім цього за МХ характеристикою можливо оцінити деякі види браку. Наприклад, при асиметрії обмотки ротору асинхронного двигуна, форма МХ характеристики суттєво відрізняється від зразкової. При невірному з’єднанні секцій обмотки статору час розбігу затягнений у порівнянні із зразковим.

З вищесказаного слідує, що підвищення точності визначення не тільки механічної характеристики, а і багатьох інших параметрів ЕМ вимагає наявності високоточних пристроїв вимірювання та контролю кутової швидкості у статичному та динамічному режимах роботи об’єкту контролю, та точних автоматичних і швидкодіючих пристроїв контролю моменту інерції роторної системи для будь-якої ЕМ. Це обумовлює доцільність їх подальшої розробки та дослідження.