Sterowane cyfrowo łożysko magnetyczne

• Autorzy: Kozanecka D.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Poszukiwania nowych rozwiązań łożyskowania w konstrukcjach nowoczesnych maszyn wirnikowych, którym stawia się specjalne wymagania eksploatacyjne spowodowały zainteresowanie systemami aktywnego magnetycznego zawieszenia wirników. Wynika to ze specyficznych możliwości badawczych i aplikacyjnych, których nie stwarzają klasyczne rozwiązania węzłów łożyskowych. Maszyna z wirnikiem podpartym w łożyskach magnetycznych umożliwia: - podwyższenie ogólnej sprawności ze względu na brak kontaktu mechanicznego czopa z panwią a więc niski poziom straty mocy w porównaniu z klasycznymi łożyskami ślizgowymi tej samej nośności oraz eliminację układu olejowego i związanych z nim uszczelnień, - utrzymanie absolutnej czystości czynnika roboczego i budowę hermetycznej maszyny bez wyprowadzania wirującej końcówki wału z korpusu w przypadku zastosowania zintegrowanego z wałem wysokoobrotowego silnika elektrycznego, - pracę przy wysokich prędkości obrotowych, w szerokim zakresie temperatur (od -160°C do 250°C) w środowisku agresywnym chemicznie lub w próżni. System aktywnego łożyskowania magnetycznego jest jakościowo różną technologią w porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami i wymaga współpracy specjalistów z dwóch dziedzin techniki, ponieważ jest połączeniem układu mechanicznego z elektronicznym układem automatycznej regulacji sterującym tym układem. Elementami, które decydują o właściwościach dynamicznych systemu wirującego maszyny wyposażonej w aktywne łożyska magnetyczne są układy sterowania reakcjami łożysk. Budowane obecnie systemy aktywnego magnetycznego podparcia wirników maszyn wyposażane są w cyfrowe układy sterowania, które oprócz możliwości implementacji złożonych algorytmów regulacji dają również szerokie możliwości diagnostyczne wynikające z aplikacji technik pomiarowych na różnych etapach konstrukcji systemu. Aplikacja łożysk magnetycznych do podparcia wirników realnych maszyn wymaga odpowiednich metod projektowania uwzględniających specyfikę ich działania i równocześnie dostosowanych do wymagań obiektu. Dla tej klasy obiektów, jakim jest aktywne łożysko magnetyczne matematyczny opis zjawisk jest złożony i nie pozwala na odwzorowanie jego funkcjonowania bez wprowadzenia pewnych założeń upraszczających. Jeśli rozważy się koncepcję zbudowania modelu, dla którego zostaną opracowane procedury odwzorowujące rzeczywiste właściwości poszczególnych elementów systemu wówczas można uzyskać model zbieżny z funkcjonowaniem rzeczywistej struktury łożyska. W pracy przedstawiono oryginalną koncepcję metody projektowania cyfrowo sterowanego aktywnego łożyska magnetycznego, która prowadzi do uzyskania globalnych symetrycznych właściwości statycznych i dynamicznych rzeczywistej struktury łożyska dla każdej osi. Istotnym elementem metody jest opracowany model symulacyjny systemu aktywnego łożyska magnetycznego. Cechą charakterystyczną tego modelu jest możliwość implementacji indywidualnych właściwości rzeczywistych układów wykonawczych i pomiarowych łożyska, które zostały zweryfikowane eksperymentalnie. Rzeczywista struktura łożyska jest nieliniowa, a więc model odwzorowujący rzeczywiste właściwości jego elementów składowych jest modelem nieliniowym. Zaprezentowane zostały szerokie możliwości badawcze modelu, które pozwalają ocenić dynamikę systemu łożyskowego dla każdej osi sterowania w funkcji parametrów regulacji. Zbieżność funkcjonowania rzeczywistej struktury i modelu pozwoliła na opracowanie metody wyznaczania zastępczych współczynników dynamicznych systemu poprzecznego łożyska magnetycznego w celu stworzenia możliwości porównania z innymi technologiami łożyskowania. Ostateczną formą weryfikacji przedstawionych w pracy metod projektowania i badań dynamiki łożyska są wyniki eksperymentów, które potwierdzają możliwości ich wykorzystania do programowania dynamiki rzeczywistej linii wału zbudowanego układu wirującego dla różnych wariantów pracy sterowanego cyfrowo poprzecznego aktywnego łożyska magnetycznego. Elementy opracowanej w ramach prezentowanej pracy metodyki projektowania systemów aktywnego łożyskowania magnetycznego mogą znaleźć bezpośrednie zastosowanie w inżynierskich obliczeniach projektowych.

EN

Search for new solutions of bearing systems in modern rotary machines that have to satisfy special performance demands has resulted in interest in rotor active magnetic suspension systems. This follows from special investigation and application possibilities that are not provided by classic bearing system designs. A machine with a rotor supported in magnetic bearings allows for: - enhancement of the general efficiency due to the lack of a mechanical contact between the journal and the bush, and thus a low level of power loss in comparison with classic slide bearings characterized by the same load carrying ability, and due to elimination of an oil system and seals connected with it, - maintenance of absolute cleanness of the working medium and a hermetic structure of the whole machine without the rotating end-piece of the shaft outside the casing in the case of an application of a high-speed electric engine integrated with the shaft, - operation under high rotational frequencies, in a wide range of temperatures (from -160° to 250° C) in chemically aggressive environments or in vacuum. An active magnetic bearing system is a qualitatively different technology in comparison with classic solutions and requires the co-operation of specialists from two branches of technology, as it is a combination of a mechanical system with an electronic automatic control system, which controls this mechanical system. Very crucial elements of a machine equipped with active magnetic bearings are systems for controlling bearing responses, which decide about dynamic properties of the rotating system. Active magnetic suspension systems of machine rotors being built at present are equipped with digital control systems, which apart from a possibility of implementation of complex control algorithms provide wide diagnostic possibilities resulting from an application of measurement techniques at different stages of the system design. In order to apply magnetic bearings to support rotors of actual machines, proper design methods that account for a special character of their operation and that are adapted to the requirements the bearings are to fulfil are needed. For active magnetic bearings, a mathematical description of the phenomena that occur in them is very complex and does not allow one to represent their operation without introducing many simplified assumptions. If an idea of building such a model for which procedures representing real properties of individual system elements are built is concerned, then a model convergent with an operation of an actual bearing system can be achieved. In this dissertation an idea of the design method of a digitally controlled active magnetic bearing, by means of which global symmetrical static and dynamic properties of an actual structure of the bearing for each axis can be achieved, is presented. A simulation model of an active magnetic bearing that has been developed is a very significant element of this method. This model is characterized by a possibility of implementation of individual properties of actual operating and measurement systems of the bearing, which have been verified experimentally. An actual structure of the bearing is non-linear, and thus the model representing actual characteristics of its component elements is non-linear as well. Wide investigation possibilities of the model that allow for evaluation of the bearing system dynamics for each control axis as a function of control parameters are presented. The convergence of operation of an actual structure and the model has allowed for development of a method for determination of substitute dynamic coefficients of the magnetic journal bearing system in order to create a comparative plane with other bearing system technologies. The design methods and investigations of bearing dynamics discussed here have been verified finally by experimental results that confirm a possibility of their application to program the dynamics of an actual rotating system shaft line under various operating conditions of a digitally controlled active magnetic journal bearing. Some elements of the designing methodology of active magnetic bearing systems developed within these investigations can be used directly in engineering design calculations.

Słowa kluczowe

PL

łożysko magnetyczne; cyfrowy system sterowania

EN

magnetic bearing; digital control system

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2000
• Tom: Z. 271
• Strony: 3--169
• Opis fizyczny: Bibliogr. 108 poz.

Twórcy

autor

Kozanecka D.

• Instytut Maszyn Przepływowych, Wydział Mechaniczny Politechnika Łódzka,