Введение к работе
Актуальность работы: применение электромеханических систем с реактивно-вентильными электродвигателями в шахтных вентиляторных установках является перспективным направлением развития электромеханических систем, поскольку они позволяют обеспечить наджность и снижение элек-тромкости процесса проветривания за счт повышения в них точности позиционирования и безредукторной конструкции реактивно-вентильного электропривода.
Работе электромеханических систем с реактивно-вентильными электродвигателями посвящены научные исследования Н.Ф. Ильинского, В.М. Терехова, И.В. Брусиловского, Б.А. Ивоботенко, Г.А. LawrensonP.J., MillerT.J. Однако в указанных работах не учитывались функциональные связи лопаточной системы и вращения скорости вентилятора, их влияние на точность позиционирования лопаток, энергомкость процесса проветривания, наджность и эффективность функционирования элементов электромеханической системы. Решение данной научной задачи позволит уменьшить затраты на их конструктивное исполнение и эксплуатацию.
Поэтому обоснование рациональных параметров электромеханической системы шахтной вентиляторной установки с реактивно-вентильными электродвигателями, обеспечивающих повышение эффективности ее функционирования и процесса проветривания за счт требуемого уровня е надежности, точности позиционирования лопаток при управлении, и, позволить снизить потребляемую электродвигателями электроэнергию на основе функциональных связей лопаточной системы и системы вращения вентилчтора, что является актуальной научной задачей.
Цель работы: состоит в повышении эффективности функционирования электромеханической системы (ЭМС) шахтной вентиляторной установки с реактивно-вентильным электродвигателем путем обоснования рациональных ее параметров, обеспечивающих требуемый уровень надежности, позиционирования лопаток и потребления электрической энергии на основе функциональных связей лопаточной системы и системы регулирования скорости вращения электродвигателя вентилятора.
Задачи исследования:
-
Анализ конструктивных схем и режимов работы электромеханических систем шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными электродвигателями, методов моделирования переходных процессов, расчетов их параметров, надежности и условий эксплуатации.
-
Разработка математической модели электромеханических систем шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными электродвигателями, в комплексе учитывающих функциональные связи между скоростью вращения вала и точностью позиционирования угла поворота лопаток рабочего колеса.
-
Исследование математической модели электромеханических систем шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными двигателями для установления закономерностей формирования управляющих воздействий на основе функциональных связей точности позиционирования угла поворота лопаток при вращении рабочего колеса вентилятора.
-
Определение рациональных параметров, требуемого уровня надж-ности, позиционирования и потребления электрической энергии и структуры управления электромеханической системы шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными электродвигателями по основе функциональных связей лопаточной системы и скорости вращения вала вентилятора.
5- Определение структуры и топологии управления электромехани
ческой системой шахтных вентиляторных установок с реактивно-
вентильными двигателями и наблюдающим устройством.
6- Численные и экспериментальные исследования режимов работы
электромеханической системы шахтных вентиляторных установок при приме
нении разработанных новых технических решений, повышающих эффектив
ность е функционирования.
Идея работы: Заключается в достижении требуемого уровня надежности, позиционирования лопаток и потребления электрической энергии путем обоснования рациональных параметров электромеханической системы с реактивно-вентильными электродвигателями на основе функциональных связей лопаточной системы и системы регулирования скорости вращения электродвигателя вентилятора для повышения эффективности ее функционирования.
Объектом исследования: Электромеханическая система шахтной вентиляторной установки и ее лопаточной системы с реактивно-вентильными двигателями является объектом исследования.
Предметом исследования: Переходные процессы, протекающие в электромеханической системе шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными двигателями во взаимосвязи работы лопаточной системы и системы регулирования скорости вращения электродвигателя вентилятора.
Методы исследования: Используемые в работе, основаны на применении теории электрических цепей, автоматического управления, надежности, вероятностей и математической статистики, численных методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ. Исследования проводились с применением программы MATLAB & Simulink.
Автор защищает:
-
Математическую модель электромеханической системы шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными двигателями, учитывающей в комплексе функциональные связи между скоростью вращения вентилятора и точностью позиционирования угла поворота лопаток рабочего колеса.
-
Закономерности формирования управляющего воздействия в системе функциональных связей электромеханической системы вентилятора и устройства регулирования точности позиционирования угла поворота лопаток рабочего колеса с реактивно-вентильными электродвигателями для установ-
ления требуемого уровня усилия исполнительного механизма поворота угла лопаток рабочего колеса и скорости вращения вентилятора.
-
Условия реализуемости конструкционной и функциональной на-джности электромеханических систем поворота лопаток рабочего колеса и системы вращения с реактивно-вентильными электродвигателями.
-
Рациональные режимные и конструктивные параметры электромеханических систем шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными электродвигателями на основе функциональных связей лопаточной системы и системы вращения вентиляора и топология управления их режимами работы по критерию наджности.
Научная новизна: Заключается в определении рациональных параметров электромеханических систем шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными электродвигателями и наблюдающим устройством, отличающиеся установлением требуемого уровня их наджности, позиционирования и потребления электрической энергии на основе функциональных связей лопаточной системы и системы регулирования скорости вращения электродвигателя вентилятора, формирования закономерностей структуры и топологии управления е режимами работы для повышения эффективности функционирования системы.
Она представлена следующими результатами:
- установлены функциональные связи формирования усилия в испол
нительного механизма поворота лопаток рабочего колеса и скорости вращения
в электромеханической системе шахтной вентиляторной установки с реактив
но-вентильными электродвигателями;
определены зависимости для расчета рациональных параметров, обеспечивающих требуемый уровень наджности, позиционирования и потребления электрической энергии на основе функциональных связей лопаточной системы и системы регулирования скорости вращения электродвигателя вентилятора электромеханических систем шахтной вентиляторной установки с реактивно-вентильными электродвигателями на основе исследования ее математической модели;
разработана математическая модель электромеханических систем шахтных вентиляторных установок, учитывающая их функциональные связи лопаточной системы и закономерности формирования момента на валу электродвигателя регулирования скорости вращения вала вентилятора при управления электромеханической системой шахтной вентиляторной установки с реактивно-вентильными электродвигателями;
определены условия реализуемости конструкционной и функциональной надежности математической модели электромеханических систем шахтной вентиляторной установки с реактивно-вентильными двигателями.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных, исследований, расхо-
ждения между которыми не превышает 14 %, что допустимо в инженерных расчетах.
Практическое значение: Разработана методика расчета рациональных параметров электромеханической системы шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными двигателями, в комплексе учитывающих функциональные связи между скоростью вращения вентилятора и точностью позиционирования угла поворота лопаток рабочего колеса.
Реализация результатов работы: Основные научно - практические результаты диссертационной работы переданы для использования Подмосковному научно-исследовательскому угольному институту, а также используются в учебных курсах “Специальные главы электропривода”, “Энергетика электропривода” и “Специальные виды электроприводов” на кафедре “Электроэнергетика” ТулГУ.
Апробация результатов работы: Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных молодежных научно-технических конференциях.
ТулГУ (г. Тула, 2012 - 2015 гг.) и V, VI научно-практических конферен
циях ТулГУ «Молодежные инновации» (г. Тула, 2015 г.), Пятой международ
ной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение –
теория и практика» (г. Москва, 2013 г.), Международной научно-технической
конференции «Энергосбережение - 2012» в рамках X Московского междуна
родного энергетического форума «ТЭК России в XXI веке» (г. Москва, 2014
г.), Международной научно-технической конференции «Энергоэффективность
- 2013» в рамках I Международного электроэнергетического форума «Элек
тросетевой комплекс. Инновации. Развитие» (г. Москва, 2015
г.),Международной научно-технической конференции «Энергосбережение -
2015» в рамках XI Московского международного энергетического форума
«ТЭК России в XXI веке» (г. Москва, 2013 г.),Международной научно-
технической конференции «Энергосбережение - 2014» в рамках XII Москов
ского международного энергетического форума «ТЭК России в XXI веке».
Публикация: Основные положения диссертационной работы изложены в 8 статьях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, имеется 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 92 наименования и приложения с результатами внедрения, содержит 53 рисунок и 8 таблиц. Общий объем – 145 страниц.
Личный вклад автора. Разработаны топология и математическая модель ЭМС шахтных вентиляторных установок с реактивно-вентильными электродвигателями и наблюдающим устройством, обоснованы е рациональные параметры и установлены закономерности формирования в ней управляющих воздействий на основе функциональных связей лопаточной системы и системы вращения вентилятора, и, проведены численные и экспе-
риментальные исследования в ней переходных процессов, подтвердившие работоспособность системы и правильность теоретических исследований.