Актуальность работы обусловлена потребностью в расширении применения активных магнитных подшипников для крупных машин с массой ротора более 4 т. Вопросы применения радиальных магнитных подшипников одностороннего действия (РМПОД) в системах магнитного подвеса (СМП) этих машин имеют определенную специфику, но в литературе не рассматриваются, то необходимо провести собственные исследования в решении первостепенной и важной задачи применения СМП с РМПОД для электрических машин горизонтального исполнения с тяжелыми роторами.
Анализ развития активного магнитного подвеса показывает, что при использовании классических радиальных магнитных подшипников (КРМП) при увеличении массы ротора, масса КРМП возрастает пропорционально массе ротора, а при сохранении мощности системы управления магнитным подвесом (СУМП) падает быстродействие исполнительного органа (ИО) в целом. Опыт разработок в ООО «Эльмаш - УЭТМ» показывает, что удельная масса РМПОД уменьшается по сравнению с КРМП и значительно, примерно в 2 раза, возрастает быстродействие ИО при сохранении мощности и габаритов СУМП. Особенно выгодно применение РМПОД для горизонтальных машин с тяжелыми роторами.
Степень разработанности проблемы исследования
Работа базируется на результатах исследований Макриденко Л.А., Верещагина В.П., Вейнберга Д.М., Сарычева А.П., Журавлева Ю.Н., Рогоза А.В., Руковицына И.Г., Богданова Д.Н., Клабуков В.А., Eric Maslen, Gerhard Schweitzer.
Современными техническими решениями являются применение: КРМП с различным числом полюсов, СМП с управлением по току с использованием датчика тока или СМП с управлением по магнитному потоку с использованием датчика магнитного потока либо наблюдателя магнитного потока. Данные технические решения имеют следующие недостатки:
• при увеличении массы ротора, масса КРМП возрастает пропорционально массе ротора, а при сохранении мощности СУМП падает быстродействие СМП в целом;
• при использовании обратной связи по току возникает отрицательная позиционная жесткость. Указанный недостаток приводит к ухудшению динамических свойств СМП из-за соответствующего снижения результирующей жесткости, стабилизирующей СМП.
• при частичном использовании управления по магнитному потоку:
1. На малых частотах управление осуществляется по току, в результате которого проявляется воздействие отрицательной позиционной жесткости.
2. В качестве датчика магнитного потока используется сигнал катушки, расположенной в электромагните параллельно с обмоткой возбуждения; однако в индуктируемом сигнале в результате протяженных связей наводятся большие помехи.
Рассмотрены способы снижения массы КРМП, но при этом не был рассмотрен способ снижения массы при применении РМПОД вместо КРМП. Не рассмотрены вопросы применения СМП с использованием наблюдателя состояния электромагнита без учета влияния полей рассеяния, вычисляющего магнитный поток электромагнита на основании сигналов датчика положения ротора и сигналов датчиков тока и напряжения, включенных в цепь электромагнита.
Целью данной диссертационной работы является разработка научно обоснованных технических решений для уменьшения удельных массовых показателей, повышения быстродействия и выбора способа управления радиальными электромагнитными подшипниками крупных турбогенераторов горизонтального исполнения за счет применения РМПОД вместо КРМП.
Задачи исследований:
- анализ существующих технических разработок радиальных магнитных подшипников (РМП) и обоснование целесообразности применения РМПОД для магнитного подвеса роторов крупных турбогенераторов;
- математическое моделирование процессов управления электромагнитами РМПОД;
- синтез структуры СМП и параметров ротора турбогенератора с РМПОД;
- экспериментальное исследование образца турбогенератора с РМПОД.
Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:
- впервые, научно обоснована целесообразность применения РМПОД для СМП ротора турбогенератора ГТ ТЭЦ горизонтального исполнения;
- впервые, показан способ увеличения быстродействия ИО в два раза при сохранении мощности СУМП;
- впервые разработаны и исследованы новые математические модели процессов управления РМПОД, синтезированы структура и параметры системы управления с обратной связью по магнитному потоку;
- выполнены экспериментальные исследования, подтверждающие адекватность использованных моделей и проведенных расчетов.
Практическая ценность
Полученные автором результаты позволили:
- уменьшить массу РМП в 1,42 раза;
- увеличить быстродействие СМП в два раза при сохранении мощности СУМП;
- снизить расходы на электрическую энергию, что подтверждается получением патентов и актами об использовании.
Данные результаты, использованы автором при разработке СМП ротора турбогенератора ГТ ТЭЦ горизонтального исполнения с РМПОД.
Кроме того, эти материалы могут быть полезны при разработке различных перспективных крупных роторных машин аналогичного типа, а также для организации учебного процесса в области изучения активного магнитного подвеса.
Реализация результатов работы. Результаты исследования, применены автором для разработки систем магнитного подвеса ротора:
• турбогенератора ТФЭ-10-2В(3х2)/6000 с весом ротора 4,3 т
• газотурбинного двигателя ГТ-009МЭ с весом ротора 6,4 т.
• синхронного двигателя с постоянными магнитами СДПМ - 1300 - 16/У3 с весом ротора 5,5 т.
Достоверность полученных результатов подтверждена проведенными испытаниями на СМП с РМПОД для турбогенератора ТФЭ-10-2В(3х2)/6000 с весом ротора 4,3 т.
На защиту выносятся:
1) соотношения для управляющего усилия и быстродействия РМПОД, позволяющие обосновать целесообразность его применения в крупных машинах горизонтального исполнения;
2) математическая модель для исследования процессов управления РМПОД, полученная на основе идентификации структуры и параметров выходного усилителя. Результаты математического моделирования, позволяющие представить объект управления в виде простого апериодического звена;
3) структура и параметры СУМП ротора турбогенератора с РМПОД;
4) экспериментальные переходные и частотные характеристики РМП и СМП ротора турбогенератора, подтверждающие адекватность математических моделей, полученных результатов и выводов.
Апробация результатов исследований и разработок. Материалы работы доложены:
- на одиннадцатой Всероссийской студенческой научно-технической Интернет- конференции: http://webconf.rtf.ustu.ru/mod/forum/discuss.php?d=794;
- на международной научно-технической конференции в рамках международного Евроазиатского форума «Связь - Промэкспо 2011».
Публикации по теме диссертации: опубликовано 12 статей в научно-технических журналах и сборниках, 9 из которых в журналах, рекомендованных ВАК. Получены патенты на «Устройство управления электромагнитным подвесом ротора», «Магнитный подшипник», «Диодно-транзисторный мост» и «Вычислитель магнитного потока».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 102 наименования, а также 6 приложений. Диссертация изложена на 174 страницах и включает 78 рисунков, 8 таблиц.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
