Специальность 05.09 03 линейные цилиндрические электродвигатели. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов. Рекомендованный список диссертаций

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Рыжков Александр Викторович. Анализ и выбор рациональных конструкций цилиндрического линейного двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением: диссертация... кандидата технических наук: 05.09.01 / Рыжков Александр Викторович; [Место защиты: Воронеж. гос. техн. ун-т].- Воронеж, 2008.- 154 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/404

Введение

Глава 1 Анализ теоретических и конструктивных направлений развития электрических машин линейного перемещения 12

1.1 Специфические особенности конструктивных реализаций линейных электрических машин 12

1.2 Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя 26

1.3 Обзор методик проектирования линейных машин 31

1.4 Моделирование электромагнитных процессов на основе метода конечных элементов 38

1.5 Цель работы и задачи исследования 41

Глава 2 Алгоритмизация электромагнитного расчета бесконтактного цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 43

2.1 Постановка задачи 43

2.2 Анализ цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с продольно - радиальной конструкцией магнитной системы 45

2.3 Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока 48

2.4 Оценка теплового состояния цилиндрического линейного двигателя 62

Глава 3 Моделирование и выбор рациональных совокупностей выходных параметров цилиндрического линейного электродвигателя постоянного тока 64

3.1 Синтез линейного цилиндрического двигателя постоянного тока на основе критериев максимальных удельных тяговых, энергетических показателей 64

3.2 Моделирование цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов 69

3.2.1 Описание исходных данных для моделирования 69

3.2.2 Анализ результатов моделирования 78

Глава 4 Практическая реализация и результаты экспериментальных исследований цилиндрических линейных двигателей 90

4.1 Макетные образцы цилиндрических линейных двигателей постоянного тока 90

4.1.1 Конструктивные компоненты архитектуры линейного двигателя 90

4.1.2 Макетная реализация цилиндрических линейных электродвигателей 95

4.1.3 Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем 96

4.2 Результаты экспериментальных исследований разработанных вариантов цилиндрических линейных электродвигателей 100

4.2.1 Исследование теплового состояния линейного двигателя 101

4.2.2 Экспериментальные исследования индукции в зазоре опытных образцов линейных двигателей 103

4.2.3 Исследования электромагнитной тяговой силы удержания от тока в обмотке 107

4.2.3 Исследование зависимости тяговой силы разработанных линейных электродвигателей от величины перемещения подвижной части 110

4.2.3 Механические характеристики разработанных образцов линейных двигателей 118

Выводы 119

Заключение 120

Список литературы 122

Приложение А 134

Приложение Б 144

Приложение В 145

Введение к работе

Актуальность темы.

В настоящее время все большее распространение получают цилиндрические линейные двигатели, в качестве исполнительных элементов электроприводов специального назначения, реализуемых в рамках электротехнических комплексов, используемых, в частности, в космической, медицинской технике. При этом наличие непосредственного прямого действия исполнительного органа в цилиндрических линейных двигателях определяет их преимущество относительно плоских линейных двигателей. Это обусловлено отсутствием сил одностороннего притяжения, а также меньшей инертностью подвижной части, что определяет их высокие динамические качества.

Следует отметить, что в области разработки средств анализа конструктивных вариантов линейных двигателей имеются положительные результаты, полученные как отечественными (Вольдек А.И., Свечарник Д.В., Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н.), так и зарубежными исследователями (Ямамура, Wang J., Jewell Geraint W., Howe D.). Однако данные результаты нельзя рассматривать в качестве основы создания универсальных средств, позволяющих осуществлять выбор оптимальных конструктивных вариантов линейных электродвигателей применительно к конкретной объектной области. Это обуславливает необходимость проведения дополнительных исследований в области проектирования специальных линейных двигателей цилиндрической архитектуры с целью получения рациональных конструктивных вариантов, носящих объектно-ориентированный характер.

Таким образом, на основании вышеизложенного, актуальность темы исследования продиктована необходимостью проведения дополнительных исследований, ориентированных на разработку средств моделирования и анализа цилиндрических линейных двигателей с магнитоэлектрическим возбуждением с целью получения рациональных конструктивных решений.

Тематика диссертационного исследования соответствует одному из основных научных направлений ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы (Разработка и.исследование интеллектуальных и информационных технологий проектирования и управления сложными промышленными комплексами и системами. ГБ НИР № 2007.18).

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание комплекса средств анализа конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением, позволяющих осуществлять выбор их рациональных вариантов, ориентированных на использовании в рамках электроприводов специального назначения, реализующих предельные значения удельных энергетических показателей и уровня динамических свойств.

В соответствии с данной целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:

анализ рациональных конструкций цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, обеспечивающих в рамках электроприводов специального назначения предельные значения удельных энергетических показателей;

проведение теоретических исследований процессов, протекающих в линейных бесконтактных двигателях постоянного тока, как основы построения алгоритма электромагнитного расчета цилиндрического линейного электродвигателя;

разработка алгоритма электромагнитного расчета с учетом особенностей, обусловленных архитектурой магнитных систем цилиндрического линейного двигателя;

разработка структур конечно-элементных моделей для анализа электромагнитных процессов применительно к условиям цилиндрического линейного двигателя;

Проведение экспериментальных исследований опытных образцов, под
тверждающих адекватность аналитических моделей и разработанного алгорит
ма проектирования цилиндрических линейных двигателей.

Методы исследований. В работе использованы методы теории поля, теории электрических цепей, теории проектирования электрических машин, вычислительной математики, физического эксперимента.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

предложена конструкция магнитной цепи цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающаяся новой архитектурой построения подвижной части линейного электродвигателя;

разработан алгоритм расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока с аксиально-намагниченными постоянными магнитами в составе магнитной системы с радиальной направленностью намагниченности, отличающийся учетом особенностей, обусловленных архитектурой построения подвижной части цилиндрического линейного электродвигателя;

разработаны структуры конечно-элементных моделей, отличающиеся специальным набором граничных условий в краевых зонах;

разработаны рекомендации по выбору рациональных проектных решений, направленных на повышение удельных энергетических показателей и динамических качеств цилиндрических линейных электродвигателей постоянного тока на основе количественных данных численных расчетов, а также результатов экспериментальных исследований опытных образцов.

Практическая значимость работы. Практическую ценность диссертационной работы составляют:

Алгоритм проектирования цилиндрических линейных двигателей
малой мощности;

конечно-элементные модели в двумерном анализе цилиндрических линейных двигателей, позволяющие сопоставлять удельные характеристики двигателей различных конструктивов магнитных систем;

Предложенные модели и алгоритм могут быть использованы в качестве математической основы создания специальных средств прикладного программного обеспечения систем автоматизированного проектирования бесконтактных двигателей постоянного тока.

Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы на предприятии «НИИ Механотроники - Альфа» при выполнении НИР «Исследование путей создания современных высокоресурсных механотронных исполнительных приводов различных видов движения в вариациях с цифровым информационным каналом и бездатчиковым управлением при идентификации фазовых координат, интегрированных в системы жизнеобеспечения космических аппаратов (КА)», НИР «Исследование путей создания «интеллектуальных» электроприводов линейного перемещения с управлением по вектору состояния для систем автоматики КА», НИОКР «Исследование и разработка интеллектуальных меха-тронных движителей линейного прецизионного перемещения с нетрадиционной модульной компоновкой для промышленного, медицинского и специального оборудования нового поколения», а также внедрены в учебный процесс кафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" в лекционный курс «Специальные электрические машины».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на региональной научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве"

(Воронеж 2006, 2007), на межвузовской студенческой научно-технической

конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (Воронеж, 2007), на всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2008), в международной школе-конференции «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2008), на I международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (г. Невинномысск, 2008), на научно-техническом совете «Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института Механотроники-Альфа» (Воронеж, 2008), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов кафедры автоматики и информатики в технических системах ВГТУ (Воронеж, 2006-2008). Кроме того, результаты диссертации опубликованы в сборниках научных трудов «Электротехнические комплексы и системы управления», «Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» (г. Воронеж 2005-2007 г.), в журнале «Электротехнические комплексы и системы управления» (г. Воронеж 2007-2008 г.), в Вестнике Воронежского государственного технического университета (2008 г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования, материал изложен на 145 страницах и содержит 53 рисунка, 6 таблиц и 3 приложения.

В первой главе проведен обзор и анализ современного состояния в области разработки линейных электродвигателей прямого действия. Выполнена классификация линейных электродвигателей прямого действия по принципу действия, а также по основным конструктивным исполнениям. Рассмотрены вопросы теории разработки и проектирования линейных двигателей с учетом особенностей линейной машины. Обосновано использование метода конечных элементов, как современного инструмента проектирования сложных электро-

механических систем. Поставлена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены вопросы формирования методики проектирования бесконтактных цилиндрических линейных двигателей постоянного тока, представлен электромагнитный расчет различных конструктивных реализаций магнитных систем линейного двигателя, содержащий следующие этапы: выбор основных размеров, расчёт мощности; расчёт машинной постоянной; определение тепловых и электромагнитных нагрузок; расчёт обмоточных данных; расчет электромагнитной тяговой силы; расчет магнитной системы, выбор размеров постоянных магнитов. Произведен оценочный расчет процесса теплообмена линейного электродвигателя.

В третьей главе приведены выражения универсального критерия оптимизации позволяющего, выполнить сравнительный анализ двигателей постоянного и переменного тока малой мощности с учётом требований по энергетике и быстродействию. Сформированы положения методики моделирования цилиндрического линейного двигателя постоянного тока методом конечных элементов, определены основные допущения, на которых построен математический аппарат для анализа моделей указанных типов двигателей. Получены двумерные конечно-элементные модели для цилиндрического линейного двигателя для различных конструкций подвижной части: с псевдо-радиальной намагниченностью магнитов-сегментов на штоке и с аксиально-намагниченными магнитами-шайбами.

В четвертой главе представлена практическая разработка образцов цилиндрических линейных синхронных двигателей, показана схемотехническая реализация блока управления цилиндрическим линейным двигателем. Освещены принципы управления указанным электродвигателем. Продемонстрированы результаты экспериментальных исследований цилиндрического линейного синхронного двигателя с различной конструкцией магнитной системы подвижной части, включающие: исследования тепловых режимов электродвигателя,

зависимость тягового усилия электродвигателя от токов и перемещения. Проведено сопоставление результатов моделирования методом конечных элементов с физическим экспериментом, оценка полученных параметров линейного двигателя с современным техническим уровнем.

В заключении изложены основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Анализ разрабатываемой конструкции цилиндрического линейного электродвигателя

Линейный электропривод с управлением по вектору состояния предъявляет ряд конкретных требований к конструкции и работе ЦЛСД. Поток энергии из сети через управляющее устройство поступает в якорную обмотку, что обеспечивает правильную последовательность взаимодействия электромагнитного поля обмотки с полем постоянных магнитов подвижного штока согласно адекватным законам коммутации. Если на штоке расположен высококоэрцитивный постоянный магнит, то реакция якоря практически не искажает основного магнитного потока. Качество электромеханического преобразования энергии определяется не только рационально выбранной магнитной системой, но и соотношением энергетических параметров марки магнита и линейной нагрузки якорной обмотки статора. Расчет электромагнитного поля МКЭ и поиск рациональной конструкции электрической машины методом численного эксперимента, направленного при помощи полученного критерия оптимизации позволяет сделать это с минимальными затратами средств.

С учетом современных требований в отношении ресурса, диапазона регулирования и позиционирования компоновка ЦЛСД строится по классическому принципу динамического взаимодействия магнитного потока возбуждения подвижного штока с магнитным потоком якорной обмотки беспазового статора.

Предварительный технический анализ разработанной конструкции позволил установить следующее:

Вопрос энергетики двигателя, зависит от числа фаз и схемы включения обмотки якоря, при этом важную роль играет форма результирующего магнитного поля в воздушном зазоре и формы напряжения, подводимого к фазам обмотки;

На подвижном штоке располагаются редкоземельные постоянные магниты с псевдо - радиальной структурой намагничивания, каждый из которых состоит из шести сегментов, объединённых в конструкцию полой цилиндрической формы;

В разработанной конструкции возможно обеспечить технологическое единство рабочего механизма и штока ЦЛСД;

Подшипниковые опоры с оптимизированными коэффициентами нагрузок обеспечивают необходимый качественный запас по уровню гарантированной наработки и диапазону регулирования скорости перемещения штока;

Возможность прецизионной сборки с минимальными допусками и обеспечение необходимой селективности сопрягаемых поверхностей деталей и узлов позволяет повысить ресурс работы;

Возможность совмещения поступательного и вращательного видов движения в единой геометрии двигателя позволяет расширить его функциональные возможности и расширить область применения.

Якорь ЦЛСД представляет собой цилиндр, выполненный из магнитомяг-кой стали, то есть имеет беспазовую конструкцию. Магнитопровод ярма якоря выполнен из шести модулей - втулок, соединяющихся внахлёст и выполненных из стали 10 ГОСТ 1050-74. Во втулках имеются отверстия для выводных концов катушек двухфазной обмотки якоря. Втулки, собранные в пакет, образуют, по существу, ярмо для проведения основного магнитного потока и получения требуемой величины магнитной индукции в суммарном немагнитном рабочем зазоре. Беспазовая конструкция якоря наиболее перспективна с точки зрения обеспечения высокой равномерности скорости в области минимальных значений диапазона регулирования линейной скорости, а также точности позиционирования подвижного штока (в немагнитном зазоре пульсации электромагнитной тяговой силы зубцового порядка отсутствуют). Катушки якорной обмотки имеют барабанную форму, витки обмотки из провода с самоспекаемой изоляцией ПФТЛД или с эмалевой изоляцией ПЭТВ ГОСТ 7262-54, пропитанного термореактивным компаундом на основе эпоксидной смолы, намотаны на алюминиевый каркас, обладающий жёсткостью формы и рассчитанный на температурный режим до 200 С. После формовки и полимеризации пропиточного компаунда катушка представляет собой жесткий монолитный узел. Подшипниковые щиты собираются вместе с модулями ярма якоря. Корпуса подшипниковых щитов изготовлены из алюминиевого сплава. В корпусах подшипниковых щитов установлены втулки из бронзы.

По результатам проведенного патентного поиска были определены две конструктивные реализации магнитных систем, отличающиеся главным образом магнитной системой подвижной части цилиндрического линейного двигателя.

Подвижный шток базовой конструкции электродвигателя содержит редкоземельные постоянные магниты N35, между которыми установлены неферромагнитные делительные шайбы, имеет 9 полюсов (из них в область активной длины машины перекрывают не более 4-х). Конструкция машины обеспечивает симметрирование магнитного поля от постоянных магнитов с целью снижения первичного продольного краевого эффекта. Высококоэрцитивные магниты обеспечивает требуемый уровень индукции в воздушном зазоре. Постоянные магниты защищены неферромагнитной гильзой, обеспечивающей функции направляющей и имеющие заданные свойства поверхности скольжения. Материал гильзы - направляющей должен быть неферромагнитным, то есть втулка не должна экранировать магнитное поле обмотки и модулей магнитов, потокосцепление которых должно быть максимальным. В то лее время гильза должна обладать заданными механическими свойствами, гарантирующими высокий ресурс работы и малый уровень механических потерь на трение в линейных опорах - подшипниках. В качестве материала гильзы предлагается использовать коррозионно стойкую и жаропрочную сталь.

Следует отметить, что повышение удельных энергетических показателей обычно достигается за счет использования постоянных магнитов, обладающих большой магнитной энергией, в частности из сплавов с редкоземельными металлами. В настоящее время в подавляющем большинстве лучших изделий применены магниты неодим - железо - бор (Nd-Fe-В) с присадками из таких материалов, как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий; и т.д. Добавление названных материалов ведет к улучшению стабильности магнита с температурной точки зрения. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +240С.

Так как втулки постоянных магнитов должны быть намагничены ради-ально, в ходе их изготовления возникла технологическая проблема, связанная с необходимостью обеспечить требуемый поток для намагничивания и малыми геометрическими размерами. Ряд разработчиков постоянных магнитов , отмечали, что их предприятия не выпускают радиально намагниченные постоянные магниты из редкоземельных материалов. В результате было принято решение разработать втулку постоянного магнита в виде магнита - сборки из шести криволинейных призм - сегментов.

Путем разработки, а затем сравнения энергетических показателей магнитных систем оценим энергетические возможности, а также рассмотрим соответствие показателей электродвигателя современному техническому уровню.

Схема цилиндрического линейного синхронного двигателя с продольно радиальной магнитной системой показана на рисунке 1.8.

В результате сопоставления и анализа уровня энергетических показателей двух, разработанных в ходе НИР, конструктивных реализаций магнитных систем, полученных в результате физического эксперимента, адекватность аналитических, численных методов расчета и проектирования рассматриваемого типа линейного электродвигателя будет подтверждена в последующих разделах.

Алгоритм электромагнитного расчета цилиндрического линейного двигателя постоянного тока

Основой для расчёта ЦЛСД являются следующие данные:

Габаритные размеры;

Длина хода подвижной части (штока)

Синхронная скорость штока Vs, м/с;

Критическое (максимальное) значение электромагнитной тяговой силы FT Н;

Напряжение питания /, В;

Режим работы двигателя (продолжительный, ПВ);

Диапазон температуры окружающей среды АТ,С;

Исполнение двигателя (защищенное, закрытое).

В индуктивных электрических машинах энергия электромагнитного поля концентрируется в рабочем зазоре и зубцовой зоне (в ЦЛДПТ с гладким якорем зубцовая зона отсутствует), поэтому выбор объёма рабочего зазора при синтезе электрической машины имеет первостепенное значение.

Удельная плотность энергии в рабочем зазоре может быть определена как отношение активной мощности машины Рг к объёму рабочего зазора. В основе классических методов расчёта электрических машин лежит выбор машинной постоянной СА (постоянной Арнольда), связывающей основные конструктивные размеры с допустимыми электромагнитными нагрузками (им соответствует предельная тепловая нагрузка)

Для обеспечения скольжения штока на постоянные магниты одевается гильза толщиной Аг Величина Аг зависит от технологических факторов и выбирается минимально возможной.

Линейная синхронная скорость штока ЦЛДПТ и эквивалентная синхронная частота вращения связаны соотношением

Для обеспечения требуемого значения тяговой силы при минимальном значении постоянной времени и отсутствии фиксирующей силы (уменьшении её до приемлемого значения) предпочтение отдано беззубцовой конструкции с возбуждением от постоянных магнитов на основе высокоэнергетических магнитотвердых материалов (неодим - железо - бор). При этом двигатель имеет рабочий зазор, достаточный для размещения обмотки.

Основная задача расчета магнитной системы состоит в определении конструктивных параметров, оптимальных по энергетическим параметрам, силе тяги и другим показателям, обеспечивающим в рабочем зазоре заданную величину магнитного потока. На начальной стадии проектирования наиболее важным является нахождение рационального соотношения между толщинами спинки магнита и катушки.

Расчет магнитной системы с постоянными магнитами связан с определением кривой размагничивания и магнитных проводимостей отдельных участков. Постоянные магниты неоднородны, картина поля в зазоре имеет сложный характер из - за продольного краевого эффекта и потоков рассеяния. Поверхность магнита не является эквипотенциальной, отдельные участки в зависимости от положения относительно нейтральной зоны имеют неодинаковые магнитные потенциалы. Это обстоятельство затрудняет расчет магнитных проводимостей рассеяния и потока рассеяния магнита.

В целях упрощения расчета принимаем допущение о единственности кривой размагничивания, а действительный поток рассеяния, зависящий от распределения МДС по высоте магнита, заменяем расчетным, который проходит по всей высоте магнита и целиком выходит из поверхности полюса.

Существует ряд графоаналитических методов расчета магнитных цепей с постоянными магнитами, из которых наибольшее применение в инженерной практике нашли метод размагничивающего фактора, применяемый для расчета прямых магнитов без арматуры; метод отношений, используемый для расчета магнитов с арматурой, а также метод электрической аналогии, применяемый при расчёте разветвленных магнитных цепей с постоянными магнитами.

Точность дальнейших расчётов в существенной степени зависит от погрешностей, связанных с определением состояния магнитов с полезной удельной энергией со з.опт, развиваемой ими в немагнитном рабочем зазоре 8v. Последняя должна соответствовать максимуму произведения индукции результирующего поля в рабочем зазоре на удельную энергию магнита.

Распределение индукции в рабочем зазоре ЦЛСД наиболее точно можно определить в ходе конечно- элементного анализа конкретной расчётной модели. На начальном этапе расчёта, когда речь идёт о выборе некоторой совокупности геометрических размеров, обмоточных данных и физических свойств материалов, усреднённым эффективным значением индукции в рабочем зазоре Bscp целесообразно задаваться. Адекватность задания В3ср в пределах рекомендуемого интервала будет фактически определять трудоёмкость поверочного электромагнитного расчёта машины методом конечных элементов.

Применяемые магнитотвердые редкоземельные магниты на основе редкоземельных металлов имеют практически релейную кривую размагничивания, поэтому в широком диапазоне изменения напряжённости магнитного поля величина соответствующей индукции изменяется сравнительно мало.

Для решения задачи определения высоты спинки магнита-сегмента hM на первом этапе синтеза ЦЛСД предлагается следующий подход.

Описание исходных данных для моделирования

В основе электромагнитного расчета численным методом лежит модель, включающая в себя геометрию машины, магнитные и электрические свойства её активных материалов, режимные параметры и действующие нагрузки. В ходе расчёта определяются индукции и токи в сечениях модели. Затем определяются силы и моменты, а также энергетические показатели.

Построение модели включает в себя определение системы основных допущений, устанавливающую идеализацию свойств физических и геометрических характеристик конструкции и нагрузок, на основе которой строится модель. Конструкция машины, изготовленная из реальных материалов, имеет ряд особенностей, включающих в себя несовершенство формы, разброс и неоднородность свойств материалов, (отклонение их магнитных и электрических свойств от установленных значений) и т.п.

Типичным примером идеализации реального материала является присвоение ему свойств однородности. В ряде конструкций линейных двигателей такая идеализация невозможна, т.к. она приводит к неверным результатам расчета. Примером может служить цилиндрический линейный синхронный двигатель с неферромагнитным токопроводящим слоем (гильзой), в котором электрические и магнитные свойства меняются скачкообразно при переходе границы раздела материалов.

Помимо насыщения на выходные характеристики двигателя большое влияние оказывают поверхностный и продольный краевой эффект. При этом одной из главных задач становится задание начальных условий на границах активных областей машины.

Таким образом, модель может быть наделена лишь частью свойств реальной конструкции, поэтому её математическое описание упрощено. От того, на сколько удачно выбрана модель, зависит трудоёмкость расчета и точность его результатов.

Математический аппарат для анализа моделей цилиндрических линейных синхронных двигателей базируется на основе уравнений электромагнитного поля и построен на следующих основных допущениях :

1. Электромагнитное поле является квазистационарным, так как токи смещения и запаздывание в распространении электромагнитной волны в пределах области поля пренебрежимо малы.

2. По сравнению с токами проводимости в проводниках, токи проводимости в диэлектриках и конвекционные токи, возникающие при движении зарядов вместе со средой, пренебрежимо малы, в связи с чем последними можно пренебречь. Так как токи проводимости, токи смещения и конвекционные токи в диэлектрике, заполняющем зазор между статором и ротором не учитываются, скорость перемещения диэлектрика (газа или жидкости) в зазоре не оказывает. влияния на электромагнитное поле.

3. Величина ЭДС электромагнитной индукции много больше ЭДС Холла, Томпсона, контактной и т.д., в связи с чем последними можно пренебречь.

4. При рассмотрении поля в неферромагнитной среде относительная магнитная проницаемость этой среды принимается равной единице.

Следующим этапом расчета является математическое описание поведения модели, или построение математической модели.

Электромагнитный расчёт МКЭ состоял из следующих этапов:

1. Выбор типа анализа и создание геометрии модели для МКЭ.

2. Выбор типов элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов и элементов геометрическим областям.

3. Разбиение областей модели на сетку конечных элементов.

4. Приложение к модели граничных условий и нагрузок.

5. Выбор вида электромагнитного анализа, установка опций решателя и численное решение системы уравнений.

6. Использование макросов постпроцессора для расчёта интересующих интегральных величин и анализ результатов.

Этапы 1-4 относится к препроцессорной стадии расчёта, этап 5 - к процессорной стадии, этап 6 - к постпроцессорной стадии.

Создание конечно - элементной модели является трудоемким этапом расчёта МКЭ, т.к. связано с воспроизведением по возможности более точной геометрии объекта и описанием физических свойств его областей. Обоснованное приложение нагрузок и граничных условий также представляет определенные трудности.

Численное решение системы уравнений выполняется автоматически и при всех прочих равных условиях определяется аппаратными ресурсами используемой вычислительной техники. Анализ результатов несколько облегчён имеющимися в составе используемых программных средств (ПС) инструментальными средствами визуализации, вместе с тем это один из наименее формализованных этапов, имеющий самую большую трудоёмкость.

Определялись следующие параметры: комплексный векторный потенциал магнитного поля А, скалярный потенциал Ф, величина индукции магнитного поля В и напряжённость Н. Анализ переменных во времени полей использовался для нахождения влияния вихревых токов в системе.

Решение (7) для случая переменного тока имеет вид комплексного потенциала (характеризуется амплитудой и фазовым углом) для каждого узла модели. Магнитную проницаемость и электрическую проводимость материала области можно задать как константу или как функцию от температуры. Используемые ПС позволяют применить на стадии постпроцессора соответствующие макросы для вычисления ряда важнейших параметров: энергии электромагнитного поля, электромагнитных сил, плотности вихревых токов, потерь электрической энергии и т.д.

Следует подчеркнуть, в ходе конечно - элементного моделирования главной задачей является определение структуры моделей: выбор конечных элементов с конкретными базовыми функциями и степенями свободы, описание физических свойств материалов в различных областях, задание приложенных нагрузок, а также начальных условий на границах.

Как следует из основной концепции МКЭ, все части модели делятся на множества конечных элементов, соединенных между собой в вершинах (узлах). Используются конечные элементы достаточно простой формы, в которых параметры поля определяется с помощью кусочно-полиномиальных аппроксимирующих функций.

Границы конечных элементов при двумерном анализе могут быть кусочно-линейными (элементы первого порядка) или параболическими (элементы второго порядка) . Кусочно-линейные элементы имеют прямые стороны и узлы только в углах. Параболические элементы могут иметь промежуточный узел вдоль каждой из сторон. Именно благодаря этому стороны элемента могут быть криволинейными (параболическими). При равном количестве элементов параболические элементы дают большую точность вычислений, т. к. они более точно воспроизводят криволинейную геометрию модели и имеют более точные функции формы (аппроксимирующие функции). Однако расчет с применением конечных элементов высоких порядков требует больших аппаратных ресурсов и большего машинного времени.

Существует большое количество используемых типов конечных элементов, среди которых есть элементы, конкурирующие между собой, при этом для различных моделей нет математически обоснованного решения, как эффективнее разбить область .

Поскольку для построения и решения рассматриваемых дискретных моделей вследствие большого объема перерабатываемой информации используется компьютер, важным является условие удобства и простоты вычислений, что и определяет выбор допустимых кусочно-полиномиальных функций. При этом важнейшее значение приобретает вопрос о точности, с которой они могут аппроксимировать искомое решение.

В рассматриваемых задачах неизвестными являются значения векторного магнитного потенциала А в узлах (вершинах) конечных элементов соответствующих областей конкретной конструкции машины, при этом теоретическое и численное решение совпадают в центральной части конечного элемента , поэтому максимальная точность вычисления магнитных потенциалов и плотностей токов будет в центре элемента.

Структура блока управления цилиндрическим линейным электродвигателем

Блок управления реализует программные алгоритмы управления линейного электропривода. Функционально блок управления разбит на две части: информационную и силовую. Информационная часть содержит микроконтроллер с цепями ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов, а также схему обмена данных с компьютером. Силовая часть содержит схему преобразования ШИМ-сигналов в напряжения фазных обмоток.

Схема электрическая принципиальная блока управления линейным электродвигателем представлена в приложении Б.

Для организации питания информационной части блока управления используются следующие элементы:

Формирование питания стабилизированным напряжением +15 В (питание микросхем DD5, DD6): фильтрующие конденсаторы СІ, С2, стабилизатор + 15 В, защитный диод VD1;

Формирование питания стабилизированным напряжением +5 В (питание микросхем DD1, DD2, DD3, DD4): резистор R1 для снижения тепловых нагрузок стабилизатора, фильтрующие конденсаторы СЗ, С5, С6, регулируемый делитель напряжения на резисторах R2, R3, сглаживающий конденсатор С4, регулируемый стабилизатор +5 В.

Разъем ХР1 служит для подключения датчика положения. Через разъем ХР2 осуществляется программирование микроконтроллера. Резистор R29 и транзистор VT9 автоматически формируют сигнал логической «1» в цепи сброса в режиме управления и не участвует в работе блока управления в режиме программирования.

Разъем ХРЗ, микросхема DD1, конденсаторы С39, С40, С41, С42 осуществляют передачу данных между персональным компьютером и блоком управления в обоих направлениях.

Для образования обратной связи по напряжению каждой мостовой схемы используются следующие элементы: делители напряжения R19-R20, R45-R46, усилитель DD3, фильтрующие RC-цепочки R27, R28, С23, С24.

Реализованные, с помощью микросхемы DD4, логические схемы позволяют реализовать двухполярную симметричную коммутацию одной фазы двигателя с помощью одного ШИМ-сигнала, подаваемого непосредственно с ножки микроконтроллера.

Для реализации необходимых законов управления двухфазным линейным электродвигателем используется раздельное формирование токов в каждой обмотке статора (неподвижной части) с помощью двух мостовых схем, обеспечивающие выходной ток до 20 А в каждой фазе при напряжении питания от 20 В до 45 В. В качестве силовых ключей использованы МОП-транзисторы VT1-VT8 IRF540N фирмы International Rectifier (США), имеющие достаточно низкое сопротивление сток-исток RCH = 44 мОм, приемлемую цену и наличие отечественного аналога 2П769 фирмы ВЗПП (Россия), изготавливаемого с приемкой ОТК иВП.

Специфические требования к параметрам управляющего сигнала МОП-транзистора: сравнительно большое напряжение затвор-исток, необходимое для полного включения МОП-транзистора, для обеспечения быстрой коммутации необходимо изменять напряжение на затворе в течение весьма малого времени (доли микросекунд), значительные токи перезарядки входных емкостей МОП-транзистора, возможность их повреждения при снижении управляющего напряжения в режиме «включено», как правило, диктуют необходимость использования дополнительных элементов кондиционирования входных сигналов управления.

Для быстрого перезаряда входных емкостей МОП-транзисторов импульсный ток управления должен составлять примерно от 1А для приборов малой и до 7А у транзисторов большой мощности. Согласование малоточных выходов микросхем общего применения (контроллеров, ТТЛ или КМОП - логики, и т.п.) с высокоемкостным затвором осуществляется с помощью специальных импульсных усилителей (драйверов).

Проведенный обзор драйверов позволил выявить два драйвера Si9978DW фирмы Vishay Siliconix (США) и IR2130 фирмы International Rectifier (США) наиболее подходящих для управления мостом МОП-транзиторов.

Данные драйверы имеют встроенную защиту транзисторов от пониженного напряжения питания, гарантируя при этом необходимое напряжение питания на затворах МОП-транзисторов, совместимы с 5-вольтовой КМОП- и ТТЛ-логикой, обеспечивают очень большие скорости переключения, малую мощность рассеивания и могут работать в бутстрепном режиме (на частотах от десятков Гц до сотен кГц), т.е. не требуют дополнительных взвешенных источников питания, что позволяет получить схему с минимальным количеством элементов.

Помимо этого эти драйверы имеют встроенный компаратор, позволяющий реализовать схему защиты от токовой перегрузки, и встроенную схема исключения протекания сквозных токов во внешних МОП-транзисторах.

В качестве драйверов блока управления использованы микросхемы IR2130 фирмы International Rectifier DD5, DD6, так как при прочих равных технических условиях более широко распространены на российском рынке электронных компонентов и имеется возможность их розничного приобретения.

Датчик тока мостовых схем реализован с помощью резисторов R11, R12, R37, R38, выбранными для реализации токоограничения на уровне 10 А.

С помощью встроенного в драйвер усилителя тока, резисторов R7, R8, ЮЗ, R34, фильтрующих RC-цепочек R6, С18-С20, R30, С25-С27 реализуется обратная связь по фазным токам электродвигателя. Компоновка макетного образца панели блока управления линейным электроприводом прямого действия приведена на рисунке 4.8.

Для реализации алгоритмов управления и быстрой обработки поступающей информации в качестве микроконтроллера DD2 использован цифровой микроконтроллер AVR ATmega 32 семейства Mega производства фирмы «At-mel». Микроконтроллеры семейства Mega являются 8-разрядными микроконтроллерами. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление.

Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013 2

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода»

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Масандилов Лев Борисович

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханики» ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»

Беспалов Виктор Яковлевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, главный специалист «ЛифтАвтоСервис» филиала МГУП «МОСЛИФТ»

Чупрасов Владимир Васильевич

Ведущая организация : Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина»

Защита диссертации состоится «7» июня 2013 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. кандидат технических наук, доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

40 – 50 % производственных механизмов имеют рабочие органы с поступательным или возвратно-поступательным движением. Несмотря на это, в настоящее время наибольшее применение в приводах таких механизмов имеют электродвигатели вращательного типа, при использовании которых требуется наличие дополнительных механических устройств, осуществляющих преобразование вращательного движения в поступательное: кривошипно-шатунный механизм, винт и гайка, шестерня и рейка и т. п. Во многих случаях данные устройства представляют собой сложные узлы кинематической цепи, характеризующиеся значительными потерями энергии, что усложняет и удорожает привод.

Использование в приводах с поступательным движением рабочего органа вместо двигателя с вращающимся ротором соответствующего ему линейного аналога, который дает непосредственное прямолинейное движение, позволяет исключить передаточный механизм в механической части электропривода. Это решает задачу максимального сближения источника механической энергии – электродвигателя и исполнительного механизма.

Примерами промышленных механизмов, в которых в настоящее время могут быть использованы линейные двигатели, являются: подъемнотранспортные машины, устройства возвратно-поступательного движения, например, насосы, коммутационные аппараты, тележки кранов, двери лифтов и др.

Среди линейных двигателей наиболее простыми по конструкции являются линейные асинхронные двигатели (ЛАД), особенно цилиндрического типа (ЦЛАД), которым посвящено много публикаций. По сравнению с вращающимися асинхронными двигателями (АД) ЦЛАД характеризуются следующими особенностями: разомкнутостью магнитной цепи, приводящей к возникновению продольных краевых эффектов, и значительной сложностью теории, связанной с наличием краевых эффектов.

Применение ЛАД в электроприводах требует знания их теории, которая позволила бы рассчитывать как статические режимы, так и переходные процессы. Однако, к настоящему времени из-за отмеченных особенностей их математическое описание имеет весьма сложный вид, что приводит к значительным трудностям при необходимости проведения ряда расчетов. Поэтому целесообразно использовать упрощенные подходы к анализу электромеханических свойств ЛАД. Нередко для расчетов электроприводов с ЛАД без доказательств используют теорию, которая свойственна обычным АД. В этих случаях расчеты часто связаны со значительными погрешностями.

Для расчетов электромагнитных жидкометаллических насосов Вольдеком А.И. была разработана теория, основанная на решении уравнений Максвелла. Эта теория послужила основой для появления различных методик расчета статических характеристик ЦЛАД, среди которых можно выделить широко известный метод аналогового моделирования многослойных структур.

Однако, данный метод не позволяет рассчитывать и анализировать динамические режимы, что весьма важно для электроприводов.

Вследствие того, что безредукторные электроприводы с ЦЛАД могут найти широкое применение в промышленности, их исследования и разработка представляют значительный теоретический и практический интерес.

Цель диссертационной работы – развитие теории цилиндрических линейных асинхронных двигателей с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур и приложение этой теории к расчетам статических и динамических характеристик электроприводов, а также разработка частотно-управляемого безредукторного электропривода с ЦЛАД для широко распространенных в промышленности автоматических дверей.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи :

1. Выбор математической модели ЦЛАД и разработка методики определения соответствующих выбранной модели обобщенных параметров ЦЛАД, с использованием которых расчеты статических и динамических характеристик обеспечивают приемлемое совпадение с экспериментами.

2. Разработка методики экспериментального определения параметров ЦЛАД.

3. Анализ особенностей применения и разработка электроприводов по системам ПЧ–ЦЛАД и ТПН–ЦЛАД для дверей лифта.

4. Разработка вариантов схем механизма безредукторного привода раздвижных дверей кабины лифта с ЦЛАД.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались: теория электропривода, теоретические основы электротехники, теория электрических машин, в частности метод аналогового моделирования многослойных структур, моделирование и разработка средствами персонального компьютера в специализированных программах Mathcad и Matlab, экспериментальные лабораторные исследования.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных лабораторных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

с помощью разработанного способа определения обобщенных параметров низкоскоростного ЦЛАД обосновано его математическое описание в виде системы уравнений, что дает возможность производить различные расчеты статических и динамических характеристик электропривода с ЦЛАД;

предложен алгоритм экспериментального способа определения параметров АД с вращающимся ротором и ЦЛАД, характеризующийся повышенной точностью обработки результатов экспериментов;

в результате исследований динамических свойств ЦЛАД выявлено, что переходные процессы у ЦЛАД характеризуются гораздо меньшей колебательностью, чем у АД;

использование ЦЛАД для безредукторного привода дверей лифта позволяет при простом управлении в системе ПЧ–ЦЛАД формировать плавные процессы открывания и закрывания дверей.

Основной практический результат диссертации состоит в следующем:

разработан способ определения обобщенных параметров низкоскоростного ЦЛАД, позволяющий производить исследования и расчеты при эксплуатации и разработке электроприводов;

результаты исследования низкочастотных ЦЛАД подтвердили возможность минимизации требуемой мощности преобразователя частоты при их использовании в безредукторных электроприводах, что улучшает технико-экономические показатели таких электроприводов;

результаты исследования ЦЛАД, подключенного к сети через преобразователь частоты, показали, что для привода дверей лифта не требуется тормозной резистор и тормозной ключ, так как у ЦЛАД в используемой для работы привода зоне частот отсутствует режим рекуперативного торможения. Отсутствие тормозного резистора и тормозного ключа позволяет снизить стоимость привода дверей лифта с ЦЛАД;

для одностворчатых и двухстворчатых раздвижных дверей кабины лифта разработана схема механизма безредукторного привода, которая выгодно отличается применением цилиндрического линейного асинхронного двигателя, характеризующегося поступательным движением подвижного элемента, для осуществления поступательного движения створок дверей.

Апробация работы . Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры «Автоматизированного электропривода» НИУ «МЭИ», докладывались на 16 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2010 г.).

Публикации . По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, в том числе 1 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, и получен 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы . Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Количество страниц - 146, иллюстраций - 71, число наименований использованной литературы - 92 на 9 страницах.

В первой главе представлены конструкции исследуемых ЦЛАД. Описан способ расчета статических характеристик ЦЛАД с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур. Рассмотрено развитие безредукторных приводов дверей кабины лифта. Указаны особенности существующих электроприводов дверей лифта, поставлены задачи исследований.

Метод аналогового моделирования многослойных структур основан на решении системы уравнений Максвелла для различных областей линейных асинхронных двигателей. При получении основных расчетных формул принимается допущение о том, что индуктор в продольном направлении считается бесконечно длинным (продольный краевой эффект не учитывается). С помощью этого метода определяются статические характеристики ЦЛАД по формулам:

где d 2 – внешний диаметр вторичного элемента ЦЛАД.

Следует отметить, что расчеты статических характеристик ЦЛАД по формулам (1) и (2) являются громоздкими, т.к. в указанные формулы входят переменные, для определения которых требуется проводить много промежуточных вычислений.

Для двух ЦЛАД с одинаковыми геометрическими данными, но различным числом витков wф обмотки индуктора (ЦЛАД 1 – 600, ЦЛАД 2 – 1692) по формулам (1) и (2) осуществлен расчет их механической и электромеханической характеристик при f1 50 Гц, U1 220 В. Результаты расчетов для ЦЛАД 2 представлены далее на рис. 1.

В нашей стране в большинстве случаев для дверей лифтов используются нерегулируемые электроприводы с относительно сложной механической частью при относительно простой электрической части. Основными недостатками таких приводов являются наличие редуктора и сложной конструкции осуществляющего преобразование вращательного движения в поступательное механического устройства, при работе которых возникает дополнительный шум.

В связи с активным развитием преобразовательной техники наметилась тенденция упрощения кинематики механизмов с одновременным усложнением электрической части привода за счет применения преобразователей частоты, с помощью которых стало возможным формирование желаемых траекторий движения дверей.

Таким образом, в последнее время для дверей современных лифтов начинают применяться регулируемые электроприводы, которые обеспечивают практически бесшумное быстрое и плавное перемещение дверей. В качестве примера можно привести частотно-регулируемый привод дверей российского производства с блоком управления типа БУАД и асинхронным двигателем, вал которого соединен с механизмом дверей через клиноременную передачу. По мнению ряда специалистов у известных регулируемых приводов, несмотря на их преимущества по сравнению с нерегулируемыми, существуют и недостатки, связанные с наличием ременной передачи и их относительно большой стоимостью.

Во второй главе разработана методика определения обобщенных параметров ЦЛАД, с помощью которой обосновано его математическое описание в виде системы уравнений. Представлены результаты экспериментальных исследований статических характеристик ЦЛАД. Проанализированы характеристики ЦЛАД с составными ВЭ. Исследована возможность изготовления ЦЛАД низкочастотными.

Предлагается следующий подход к исследованию электропривода с ЦЛАД и его математическому описанию:

1) используем полученные с помощью метода аналогового моделирования многослойных структур формулы (1) и (2) для статических характеристик ЦЛАД (механических и электромеханических) и рассчитываем эти характеристики (см. рис. 1);

2) на полученных характеристиках выбираем две точки, для которых фиксируем следующие переменные: электромагнитная сила, ток индуктора и комплексное сопротивление фазы для одной из этих выбранных точек (см.

3) полагаем, что статические характеристики ЦЛАД можно также описать формулами (5) и (6), которые приведены далее и соответствуют установившемуся режиму обычного асинхронного двигателя с вращающимся ротором и получены из его дифференциальных уравнений;

4) попытаемся по двум выбранным точкам найти обобщенные параметры, входящие в указанные формулы (5) и (6) статических характеристик;

5) подставляя найденные обобщенные параметры в указанные формулы (5) и (6), полностью рассчитываем статические характеристики;

6) производим сравнение статических характеристик, найденных в п. и в п. 5 (см. рис. 2). Если эти характеристики достаточно близки друг к другу, то можно утверждать, что математические описания ЦЛАД (4) и АД имеют аналогичный вид;

7) используя найденные обобщенные параметры, можно записать как дифференциальные уравнения ЦЛАД (4), так и вытекающие из них более удобные для расчетов формулы различных статических характеристик.

Рис. 1. Механические (а) и электромеханические (б) характеристики ЦЛАД Приближенное математическое описание ЦЛАД, которое аналогично соответствующему описанию обычных АД, в векторной форме и в синхронной системе координат имеет следующий вид:

Используя результаты решения системы (4) в установившихся режимах (при v / const), получены формулы для статических характеристик:

Для нахождения обобщенных параметров исследуемых ЦЛАД, входящих в (5) и (6), предлагается применить известный способ экспериментального определения обобщенных параметров Т-образной схемы замещения для АД с вращающимся ротором по переменным двух установившихся режимов.

Из выражений (5) и (6) следует:

где k FI – коэффициент, не зависящий от скольжения. Записывая отношения вида (7) для двух произвольных скольжений s1 и s2 и поделив их друг на друга, получаем:

При известных значениях электромагнитных сил и токов индуктора для двух скольжений из (8) определяется обобщенный параметр r:

При дополнительно известном для одного из скольжений, например s1, значении комплексного сопротивления Z ф (s1) схемы замещения ЦЛАД, формула для которого может быть также получена в результате решения системы (4) в установившихся режимах, обобщенные параметры и s вычисляются следующим образом:

Значения электромагнитных сил и токов индуктора для двух скольжений, а также комплексное сопротивление схемы замещения ЦЛАД для одного из скольжений, входящие в (9), (10) и (11), предлагается определять методом аналогового моделирования многослойных структур по (1), (2) и (3).

С использованием указанных формул (9), (10) и (11) рассчитаны обобщенные параметры ЦЛАД 1 и ЦЛАД 2, с помощью которых далее по формулам (5) и (6) при f1 50 Гц, U1 220 В получены их механические и электромеханические характеристики (для ЦЛАД 2 представлены кривыми 2 на рис. 2). Также на рис. 2 приведены статические характеристики ЦЛАД 2, определенные методом аналогового моделирования многослойных структур (кривые 1).

Рис. 2. Механические (а) и электромеханические (б) характеристики ЦЛАД Из графиков на рис. 2 видно, что кривые 1 и 2 практически совпадают друг с другом, откуда следует, что математические описания ЦЛАД и АД имеют аналогичный вид. Поэтому при дальнейших исследованиях возможно использовать полученные обобщенные параметры ЦЛАД, а также более простые и удобные формулы для расчетов характеристик ЦЛАД. Обоснованность использования предложенного метода для расчета параметров ЦЛАД также дополнительно проверена экспериментальным путем.

Проанализирована возможность изготовления ЦЛАД низкочастотными, т.е. рассчитанными на повышенное напряжение и изготовленными с повышенным числом витков обмотки индуктора. На рис. 3 построены статические характеристики ЦЛАД 1 (при f1 10 Гц, U1 55 В), ЦЛАД 2 (при f1 10 Гц, U1 87 В) и низкочастотного ЦЛАД (при f1 10 Гц и U1 220 В, кривые 3), у которого число витков обмотки индуктора в 2,53 раза больше, чем у ЦЛАД 2.

Из приведенных на рис. 3 графиков видно, что при одинаковых механических характеристиках рассматриваемых ЦЛАД в первом квадранте ЦЛАД 2 имеет более чем в 3 раза меньший ток индуктора, чем ЦЛАД 1, а низкочастотный ЦЛАД – в 2,5 раза, чем ЦЛАД 2. Таким образом, получается, что использование низкочастотного ЦЛАД в безредукторном электроприводе позволяет минимизировать требуемую мощность преобразователя частоты, улучшая тем самым технико-экономические показатели электропривода.

1, Рис. 3. Механические (а) и электромеханические (б) характеристики ЦЛАД 1, В третьей главе разработан способ экспериментального определения обобщенных параметров ЦЛАД, который реализуется простым способом при неподвижном ВЭ и позволяет определить параметры ЦЛАД, геометрические данные которого неизвестны. Приведены результаты расчетов обобщенных параметров ЦЛАД и обычного АД с помощью указанного способа.

В опыте, схема которого изображена на рис. 4, обмотки двигателя (АД или ЦЛАД) подключаются к источнику постоянного тока. После замыкания ключа К токи в обмотках изменяются во времени от начального значения, определяемого параметрами схемы, до нуля. При этом зависимость тока в фазе А от времени фиксируется с помощью датчика тока ДТ и, например, специализированной платы L-CARD L-791, установленной в персональном компьютере.

Рис. 4. Схема проведения опыта для определения параметров АД или ЦЛАД В результате математических преобразований получена формула для зависимости спадания тока в фазе ЦЛАД, которая имеет вид:

где p1, p2 – константы, связанные с обобщенными параметрами s, r и ЦЛАД или АД следующим образом:

Из формул (12) и (13) следует, что вид переходного процесса спадания тока ЦЛАД зависит только от обобщенных параметров s, r и.

Для определения обобщенных параметров ЦЛАД или АД по экспериментальной кривой спадания тока предлагается на ней выделить три равноудаленных друг от друга момента времени t1, t2 и t3 и зафиксировать соответствующие значения токов. В этом случае с учетом (12) и (13) становится возможным составить систему из трех алгебраических уравнений с тремя неизвестными – s, r и:

решение которой целесообразно получить численным способом, например методом Левенберга-Марквардта.

Эксперименты по определению обобщенных параметров АД и ЦЛАД были проведены для двух двигателей: АД 5А90L6KУ3 (1,1 кВт) и ЦЛАД 2.

На рис. 5 приведены теоретические и экспериментальные кривые спадания тока ЦЛАД 2.

Рис. 5. Кривые спадания тока ЦЛАД 2: 1 – кривая, рассчитанная по обобщенным параметрам, которые получены во второй главе; 2 – кривая, рассчитанная по обобщенным параметрам, которые получены в результате их экспериментального определения Механические и электромеханические характеристики исследуемых двигателей, рассчитанные с использованием различных вариантов (теоретических и экспериментальных) обобщенных параметров располагаются близко друг к другу, что еще раз подтверждает адекватность предложенного математического описания для ЦЛАД.

В четвертой главе выявлены особенности характера переходных процессов в ЦЛАД. Разработан и исследован электропривод по системе ПЧ– ЦЛАД для дверей лифта.

Для качественной оценки особенностей характера переходных процессов в ЦЛАД использован известный метод, заключающийся в анализе коэффициентов затухания, характеризующих зависимости переменных АД с вращающимся ротором при постоянной скорости.

Наибольшее влияние на скорость затухания (колебательность) переходных процессов переменных ЦЛАД или АД имеет наименьший коэффициент затухания 1. На рис. 6 изображены рассчитанные зависимости коэффициентов затухания 1 от электрической скорости для двух ЦЛАД (ЦЛАД 1 и ЦЛАД 2) и двух АД (4АА56В4У3 (180 Вт) и 4А71А4У3 (550 Вт)).

Рис. 6. Зависимости наименьшего коэффициента затухания 1 для ЦЛАД и АД Из приведенных на рис. 6 зависимостей видно, что коэффициенты затухания ЦЛАД практически не зависят от скорости в отличие от коэффициентов затухания рассматриваемых АД, для которых 1 при нулевой скорости в 5 – 10 раз меньше, чем при номинальной. Также следует отметить, что у двух рассмотренных АД значения коэффициентов затухания 1 при низких скоростях существенно ниже, чем у ЦЛАД 1 (в 9 – 16 раз) или ЦЛАД 2 (в 5 – 9 раз). В связи со сказанным, можно предположить, что реальные переходные процессы у ЦЛАД характеризуются гораздо меньшей колебательностью, чем у АД.

Для проверки сделанного предположения о меньшей колебательности реальных переходных процессов в ЦЛАД по сравнению с АД осуществлен ряд численных расчетов прямых пусков ЦЛАД 2 и АД (550 Вт). Полученные зависимости момента, усилия, скорости и тока АД и ЦЛАД от времени, а также динамические механические характеристики подтверждают высказанное ранее предположение о том, что переходные процессы ЦЛАД характеризуются гораздо меньшей колебательностью, чем у АД, из-за значительного отличия их наименьших коэффициентов затухания (рис. 6). При этом динамические механические характеристики ЦЛАД меньше отличаются от статических, чем для АД с вращающимся ротором.

Для типового лифта (с проемом 800 мм) проанализирована возможность использования в качестве приводного двигателя механизма дверей лифта низкочастотного ЦЛАД. По отзывам специалистов для типовых лифтов с шириной проема 800 мм статические усилия при открывании и закрывании дверей отличаются друг от друга: при открывании составляют порядка 30 – 40 Н, а при закрывании – порядка 0 – 10 Н. Т.к. переходные процессы у ЦЛАД имеют значительно меньше колебаний по сравнению с АД, рассмотрена реализация движения створок дверей с помощью низкочастотного ЦЛАД за счет переключений на соответствующие механические характеристики, по которым ЦЛАД разгоняется или тормозится до заданной скорости.

В соответствии с выбранными механическими характеристиками низкочастотного ЦЛАД осуществлен расчет его переходных процессов. В расчетах принято, что суммарная масса электропривода, определяемая массами ВЭ ЦЛАД и дверями кабины и шахты типового лифта (с проемом 800 мм), составляет 100 кг. Полученные графики переходных процессов представлены на рис. 7.

Рис. 7. Переходные процессы низкочастотного ЦЛАД при открывании (а, в, д) Характеристика Р обеспечивает разгон привода до установившейся скорости 0,2 м/с, а характеристика Т обеспечивает торможение с установившейся скорости до нуля. Рассмотренный вариант управления ЦЛАД для открывания и закрывания дверей показывает, что использование ЦЛАД для привода дверей обладает рядом преимуществ (плавные переходные процессы при относительно простом управлении; отсутствие дополнительных устройств, осуществляющих преобразование вращательного движения в поступательное и др.) по сравнению с использованием обычных АД и поэтому представляет значительный интерес.

Привод дверей кабины лифта с обычными АД или ЦЛАД, как было отмечено выше, характеризуется разными значениями сил сопротивления при открывании и закрывании дверей. При этом приводная электрическая машина может работать как в двигательном, так и тормозном режимах в процессе открывания и закрывания дверей лифта. В диссертации проведен анализ возможности отдачи энергии в сеть при работе ЦЛАД в тормозных режимах.

Показано, что у ЦЛАД 2 в большом диапазоне частот вообще отсутствует режим рекуперативного торможения. Приведена формула для определения граничной частоты, ниже которой отсутствует генераторный режим с отдачей электроэнергии в сеть у АД и ЦЛАД. Проведенные исследования энергетических режимов работы ЦЛАД позволяют сделать важный вывод: при использовании подключенного к сети через преобразователь частоты ЦЛАД для привода дверей лифта не требуется тормозной резистор и тормозной ключ. Отсутствие тормозного резистора и тормозного ключа позволяет снизить стоимость привода дверей лифта с ЦЛАД.

В пятой главе проведен обзор существующих приводов дверей лифта.

Разработаны варианты схем механизма безредукторного привода раздвижных дверей лифта с ЦЛАД.

Для одностворчатых и двухстворчатых раздвижных дверей кабины лифта предлагается использовать разработанный безредукторный привод с ЦЛАД. Схема механизма такого привода в случае одностворчатых дверей изображена на рис. 8, а, в случае двухстворчатых дверей – на рис. 8, б.

Рис. 8. Схемы механизма привода раздвижной одностворчатой (а) и двухстворчатой (б) двери кабины лифта с ЦЛАД: 1 – ЦЛАД, 2 – индуктор ЦЛАД, 3 – вторичный элемент ЦЛАД, 4 – опорная линейка, 5, 6 – створки двери, 7, 8 – блоки канатной системы, Предлагаемые технические решения позволяют создавать безредукторные приводы раздвижных одностворчатых или двухстворчатых дверей, в частности, кабины лифта, которые характеризуются высокими техникоэкономическими показателями, а также надежной и недорогой эксплуатацией при использовании для формирования поступательного движения створок двери простого и относительно недорогого цилиндрического линейного электродвигателя с поступательным движением подвижного элемента.

По предложенным вариантам безредукторных приводов одностворчатых и двухстворчатых раздвижных дверей с ЦЛАД получен патент на полезную модель № 127056.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

2. С помощью разработанного способа определения обобщенных параметров низкоскоростного ЦЛАД обосновано его математическое описание в виде системы уравнений, что дает возможность производить различные расчеты статических и динамических характеристик электропривода с ЦЛАД.

3. Использование низкочастотного ЦЛАД в безредукторном электроприводе позволяет минимизировать требуемую мощность преобразователя частоты, что улучшает технико-экономические показатели электропривода.

4. Предложен способ экспериментального определения обобщенных параметров ЦЛАД, характеризующийся повышенной точностью обработки результатов экспериментов.

5. Использование ЦЛАД для безредукторного привода дверей лифта позволяет при простом управлении в системе ПЧ–ЦЛАД формировать плавные процессы открывания и закрывания дверей. Для реализации желаемых процессов необходимо применение относительно недорогого преобразователя частоты, обладающего минимальным набором требуемых функциональных возможностей.

6. При использовании ЦЛАД, подключенного к сети через преобразователь частоты, для привода дверей лифта не требуется тормозной резистор и тормозной ключ, так как у ЦЛАД в используемой для работы привода зоне частот отсутствует режим рекуперативного торможения. Отсутствие тормозного резистора и тормозного ключа позволяет снизить стоимость привода дверей лифта с ЦЛАД.

7. Для одностворчатых и двухстворчатых раздвижных дверей, преимущественно, кабины лифта разработана схема механизма безредукторного привода, которая выгодно отличается применением цилиндрического линейного асинхронного двигателя, характеризующегося поступательным движением подвижного элемента, для осуществления поступательного движения створок дверей. По предложенным вариантам безредукторных приводов одностворчатых и двухстворчатых раздвижных дверей с ЦЛАД получен патент на полезную модель № 127056.

1. Масандилов Л.Б., Новиков С.Е., Кураев Н.М. Особенности определения параметров асинхронного двигателя при частотном управлении.

// Вестник МЭИ, №2. – М.: Издательский дом МЭИ, 2011. – С. 54-60.

2. Патент на полезную модель № 127056. Масандилов Л.Б., Кураев Н.М., Фумм Г.Я., Жолудев И.С. Привод раздвижной двери кабины лифта (варианты) // БИ № 11, 2013.

3. Масандилов Л.Б., Кураев Н.М. Особенности выбора расчетных параметров асинхронного двигателя при частотном управлении // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 683. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – С. 24-30.

4. Масандилов Л.Б., Кураев Н.М. Расчет параметров Т-образной схемы замещения и характеристик цилиндрических линейных асинхронных двигателей // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 687. – М.: Издательский дом МЭИ, 2011. – С. 14-26.

5. Масандилов Л.Б., Кузиков С.В., Кураев Н.М. Расчет параметров схем замещения и характеристик цилиндрических линейных асинхронных и МГД-двигателей // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ.

Вып. 688. – М.: Издательство МЭИ, 2012. – С. 4-16.

6. Байдаков О.В., Кураев Н.М. Модернизация электропривода по системе ТПН-АД с квазичастотным управлением // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010.

Похожие работы:

«Котин Денис Алексеевич АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МЕХАНИЗМОВ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2010 Работа выполнена в ГОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Панкратов Владимир Вячеславович...»

« комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Москва - 2010 Работа выполнена на кафедре Теоретическая электротехника Московского авиационного института (Национального исследовательского университета в области авиационных, ракетных и космических систем) МАИ. Научный...»

«КАМАЛОВ Филюс Аслямович ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС C КОНДУКЦИОННЫМ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ С КОНИЧЕСКИМ КАНАЛОМ (ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА) Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Уфа – 2013 Работа выполнена на кафедре электромеханики ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет. Научный руководитель: доктор технических наук,...»

«ТЮРИН Максим Владимирович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕЗРЕДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук НОВОСИБИРСК – 2009 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет Научный руководитель: кандидат...»

«Стоцкая Анастасия Дмитриевна РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ РОТОРА В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОДВЕСЕ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург - 2013 2 Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина), на кафедре систем автоматического управления Научный руководитель:...»

«ТОЛКАЧЕВА КСЕНИЯ ПЕТРОВНА ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАРУЖНЫХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ Специальность 05.09.07 – Светотехника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саранск 2013 1 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет Научный...»

«Кузнецов Андрей Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ СИСТЕМ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт - Петербург – 2011 Работа выполнена в Санкт – Петербургском государственном электротехническом университете ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина) Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Н. Д. Поляхов...»

«Казьмин Евгений Викторович РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С РАДИАЛЬНЫМИ ПМ НА ПОВЕРХНОСТИ РОТОРА Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2009 2 Работа выполнена на кафедре “Электромеханика” Московского энергетического института (технического университета). Научный руководитель доктор технических наук, профессор Иванов-Смоленский Алексей...»

«Емельянов Олег Анатольевич РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ В ФОРСИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫХ РЕЖИМАХ Специальность 05.09.02 – Электротехнические материалы и изделия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2004 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Научные руководители: доктор...»

«ГРИГОРЬЕВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАНТОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА БАЗЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Кемерово – 2010 2 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет Научный руководитель –...»

«Тихомиров Илья Сергеевич КОМПЛЕКС ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С УЛУЧШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2009 2 Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. В.И. Ульянова (Ленина) Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук,...»

«Шутов Кирилл Алексеевич РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия А в то рефера т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2013 УДК Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт...»

«КУЧЕР ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2012 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический...»

«Коловский Алексей Владимирович Синтез систем управления автоматизированным экскаваторным электроприводом с использованием скользящих режимов. Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы (технические наук и) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск 2012 1 Работа выполнена в Хакасском техническом институте – филиале ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет Научный руководитель доктор технических наук, профессор,...»

«ШИШКОВ Кирилл Сергеевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ СНОВАЛЬНЫХ ВАЛОВ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иваново – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина...»

«ВАСИЛЬЕВ Богдан Юрьевич СТРУКТУРА И ЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ- 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный...»

«Горожанкин Алексей Николаевич ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С СИНХРОННЫМ РЕАКТИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Челябинск 2010 Работа выполнена на кафедре Электропривод и автоматизация промышленных установок Южно-Уральского государственного университета. Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Усынин Юрий...»

«ИВАНОВ Михаил Алексеевич МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПОИСК РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ Специальность: 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж - 2012 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет” Научный руководитель доктор технических наук, доцент Анненков Андрей Николаевич Официальные оппоненты...»

«БАЛАГУЛА Юрий Моисеевич ПРИМЕНЕНИЕ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА В ЗАДАЧАХ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Специальность: 05.09.05 – Теоретическая электротехника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Научный доктор технических наук, профессор руководитель:...»

«КУБАРЕВ Василий Анатольевич СИСТЕМА ЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ШАХТНОЙ ПОДЪЁМНОЙ УСТАНОВКИ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новокузнецк - 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждение высшего профессионального образования Сибирский государственный индустриальный университет Островлянчик Виктор Юрьевич, доктор...»

[email protected]

Юрий Скоромец

В привычных для нас двигателях внутреннего сгорания начальное звено– поршни, совершают возвратно-поступательное движение. Затем это движение, с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразовывается во вращательное. В некоторых устройствах первое и последнее звено совершают один вид движения.

Например, в двигатель-генераторе нет необходимости сначала возвратно-поступательное движение преобразовывать во вращательное, а затем, в генераторе, из этого вращательного движения извлекать прямолинейную составляющую, то есть делать два противоположных преобразования.

Современное развитие электронной преобразовательной техники позволяет адаптировать для потребителя выходное напряжение линейного электрогенератора, это дает возможность создать устройство, в котором часть замкнутого электрического контура совершает не вращательное движение в магнитном поле, а возвратно-поступательное вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания. Схемы, поясняющие принцип работы традиционного и линейного генератора, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схема линейного и обычного электрогенератора.

В обычном генераторе для получения напряжения используется проволочная рамка, вращающаяся в магнитном поле и приводимая в движение внешним движителем. В предложенном генераторе, проволочная рамка движется линейно в магнитном поле. Это небольшое и непринципиальное различие дает возможность значительно упростить и удешевить движитель, если в его качестве используется двигатель внутреннего сгорания.

Также, в поршневом компрессоре, приводимом в движение поршневым двигателем, входное и выходное звено совершает возвратно поступательное движение, рис. 2.

Рис. 2. Схема линейного и обычного компрессора.

Преимуществалинейного двигателя

1. Малые габариты и вес, из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма.
   
2. Высокая наработка на отказ, из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма и из-за присутствия только продольных нагрузок.
   
3. Невысокая цена, из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма.
   
4. Технологичность - для изготовления деталей необходимы только нетрудоемкие операции, токарные и фрезерные.
   

Возможность перехода на другой вид топлива без остановки двигателя.


Управление зажиганием с помощью давления при сжатии рабочей смеси.


У обычного двигателя для подачи электрического напряжения (тока) на свечу зажигания должно выполняться два условия:


Первое условие определяется кинематикой кривошипно-шатунного механизма – поршень должен находиться в верхней мертвой точке (без учета опережения зажигания);


Второе условие определяется термодинамическим циклом – давление в камере сгорания, перед рабочим циклом, должно соответствовать используемому топливу.


Одновременно выполнить два условия очень сложно. При сжатии воздуха или рабочей смеси, происходит утечка сжимаемого газа в камере сгорания через кольца поршня и др. Чем медленнее происходит сжатие (медленнее вращается вал двигателя), тем утечка выше. При этом давление в камере сгорания, перед рабочим циклом, становиться меньше оптимального и рабочий цикл происходит при неоптимальных условиях. Коэффициент полезного действия двигателя падает. То есть обеспечить высокий коэффициент полезного действия двигателя можно только в узком диапазоне скоростей вращения выходного вала.


Поэтому, например, коэффициент полезного действия двигателя на стенде составляет примерно 40%, а в реальных условиях, на автомобиле, при разных режимах движения, эта величина падает до 10…12%.


В линейном двигателе нет кривошипно-шатунного механизма, поэтому не надо выполнять первое условие, не имеет значения, где находится поршень перед рабочим циклом, имеет значение только давление газа в камере сгорания перед рабочим циклом. Поэтому, если подачейэлектрического напряжения (тока) на свечу зажигания будет управлять не положение поршня, а давление в камере сгорания, то рабочий цикл (зажигание) всегда будет начинаться при оптимальном давлении, независимо от частоты работы двигателя, рис. 3.





Рис. 3. Управление зажиганием с помощью давления в цилиндре, в цикле «сжатие».


Таким образом, в любом режиме работы линейного двигателя, мы будем иметь максимальную площадь петли термодинамического цикла Карно, соответственно, и высокий коэффициент полезного действия при разных режимах работы двигателя.


Управление зажиганием с помощью давления в камере сгорания, также дает возможность «безболезненно» переходить на другие виды топлива. Например, при переходе с высокооктанового вида топлива на низкооктановый вид, в линейном двигателе, надо только дать команду системе зажигания, чтобы подача электрического напряжения (тока) на свечу зажигания происходила при более низком давлении. В обычном двигателе для этого необходимо было бы изменять геометрические размеры поршня или цилиндра.


Реализовать управление зажиганием давлением в цилиндре можно с помощью


пьезоэлектрического или емкостного метода измерения давления.


Датчик давления выполнен в виде шайбы, которая помещена под гайку шпильки крепления головки цилиндра, рис. 3. Сила давления газа в камере сжатия, действует на датчик давления, который находится под гайкой крепления головки цилиндра. И информация о давлении в камересжатия, передается на блок управления моментом зажигания. При давлении в камере, соответствующем давлению зажигания данного топлива, система зажигания подает электрическое напряжение (ток) на свечу зажигания. При резком увеличении давления, что соответствует началу рабочего цикла, система зажигания снимает электрическое напряжение (ток) со свечи зажигания. При отсутствии увеличении давления через заданное время, что соответствует отсутствию начала рабочего цикла, система зажигания подает управляющий сигнал пуска двигателя. Также выходной сигнал датчика давления в цилиндре используется для определения частоты работы двигателя и его диагностики (определение компрессии и др.).


Сила сдавливания прямо пропорциональна давлению в камере сгорания. После того, как давление, в каждом из противоположных цилиндров, станет не меньше заданного (зависит от вида используемого топлива), система управления подает команду для зажигания горючей смеси. При необходимости перейти на другой вид топлива, меняется величина заданного (опорного) давления.


Также регулировка момента зажигания горючей смеси может осуществляться в автоматическом режиме, как в обычном двигателе. На цилиндре размещен микрофон — датчик детонации. Микрофон преобразовывает механические звуковые колебания корпуса цилиндра в электрический сигнал. Цифровой фильтр, из этого набора суммы синусоид электрического напряжения, извлекает гармонику (синусоиду), соответствующую режиму детонации. При появлении на выходе фильтра сигнала соответствующему появлению детонации в двигателе, система управление снижает величину опорного сигнала, который соответствует давлению зажигания горючей смеси. При отсутствии сигнала соответствующему детонации, система управления, через некоторое время увеличивает величину опорного сигнала, который соответствует давлению зажигания горючей смеси, до появления частот предшествующих детонации. Опять, при появлении частот, предшествующих детонации, система снижает опорный сигнал, что соответствует снижению давления зажигания, до бездетонационного зажигания. Таким образом, система зажигания подстраивается под используемый вид топлива.


Принцип работы линейного двигателя.


Принцип работы линейного, как и обычного двигателя внутреннего сгорания, основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня линейному электрогенератору, или поршневому компрессору.


Линейный генератор, рис. 4, состоит из двух поршневых пар, работающих в противофазе, что дает возможность сбалансировать двигатель. Каждая пара поршней соединена шатуном. Шатун подвешен на линейных подшипниках и может свободно колебаться, вместе с поршнями, в корпусе генератора. Поршни помещены в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Продувка цилиндров осуществляется через продувочные окна, под действием небольшого избыточного давления, создаваемого в предпускной камере. На шатуне расположена подвижная часть магнитопровода генератора. Обмотка возбуждения создает магнитный поток необходимый для генерации электрического тока. При возвратно-поступательном движении шатуна, а вместе с ним и части магнитопровода, линии магнитной индукции, создаваемой обмоткой возбуждения, пересекают неподвижную силовую обмотку генератора, индуцируя в ней электрическое напряжение и ток (при замкнутой электрической цепи).





Рис. 4. Линейный бензогенератор.


Линейный компрессор, рис. 5, состоит из двух поршневых пар, работающих в противофазе, что дает возможность сбалансировать двигатель. Каждая пара поршней соединена шатуном. Шатун подвешен на линейных подшипниках и может свободно колебаться вместе с поршнями в корпусе. Поршни помещены в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Продувка цилиндров осуществляется через продувочные окна, под действием небольшого избыточного давления, создаваемого в предпускной камере. При возвратно-поступательном движении шатуна, а вместе с ним и поршней компрессора, воздух под давлением подается в ресивер компрессора.




Рис. 5. Линейный компрессор.


Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта.


5. Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки поршня к верхней мертвой точке поршня, перекрывая сначала продувочные окна. После закрытия поршнем продувочных окон, происходит впрыск топлива ив цилиндре начинается сжатие горючей смеси.В предпускной камере под поршнем создается разряжение, под действием которого через открывающийся клапан поступает воздух в предпускную камеру.
   

   2. Такт рабочего хода. При положении поршня около верхней мертвой точки, сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к нижней мертвой точке, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, поршень создает высокое давление в предпускной камере. Под действием давления клапан закрывается, не давая, таким образом, воздуху попасть во впускной коллектор.
   

   Система вентиляции
   

   При рабочем ходе в цилиндре, рис. 6 рабочий ход, поршень под действием давления в камере сгорания, движется по направлению указанном стрелкой. Под действием избыточного давления в предпускной камере, клапан закрыт, и здесь происходит сжатие воздуха для вентиляции цилиндра. При достижении поршнем (компрессионными кольцами) продувочных окон, рис. 6 вентиляция, давление в камере сгорания резко падает, и далее поршень с шатуном движется по инерции, то есть масса подвижной части генератора играет роль маховика в обычном двигателе. При этом полностью открываются продувочные окна и сжатый в предвпускной камере воздух, под действием разницы давлений (давление в предпускной камере и атмосферное давление), продувает цилиндр. Далее, при рабочем цикле в противоположном цилиндре, осуществляется цикл сжатия.
   

   При движении поршня в режиме сжатиясжатия, рис. 6 сжатие, поршнем закрываются продувочные окна, осуществляется впрыск жидкого топлива, в этот момент воздух в камере сгорания находится под небольшим избыточным давлением начала цикла сжатия. При дальнейшем сжатии, как только давление сжимаемой горючей смеси станет равным опорному (заданному для данного вида топлива), на электроды свечи зажигания будет подано электрическое напряжение, произойдет зажигание смеси, начнется рабочий цикл и процесс повторится. При этом двигатель внутреннего сгорания представляет собойтолько два соосных и противоположно размещенных цилиндра и поршня, связанных между собой механически.
   

   
   

   Рис. 6. Система вентиляции линейного двигателя.
   

   Топливный насос
   

   Привод топливного насоса линейного электрогенератора, представляет собой кулачковую поверхность, зажатую между роликом поршня насоса и роликом корпуса насоса, рис. 7. Кулачковая поверхность совершает возвратно поступательное движение вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания, и раздвигает ролики поршня и насоса при каждом такте, при этом поршень насоса движется относительно цилиндра насоса и происходит выталкивание порции топлива к форсунке впрыска топлива, в начале цикла сжатия. При необходимости изменить количество выталкиваемого за один такт топлива, осуществляется поворот кулачковой поверхности относительно продольной оси. При повороте кулачковой поверхности относительно продольной оси, ролики поршня насоса и ролики корпуса насоса, будут раздвигаться или сдвигаться (в зависимости от направления вращения) на разное расстояние, изменится ход поршня топливного насоса и изменится порция выталкиваемого топлива. Поворот возвратно-поступательно движущегося кулачка вокруг своей оси, осуществляется с помощью неподвижного вала, который заходит в зацепление с кулачком посредством линейного подшипника. Таким образом, кулачок движется возвратно-поступательно, а вал остается неподвижным. При повороте вала вокруг своей оси, осуществляется поворот кулачковой поверхности вокруг своей оси и ход топливного насоса изменяется. Вализменения порции впрыска топлива, приводится в движение шаговым двигателем или вручную.
   

   
   

   Рис. 7. Топливный насос линейного электрогенератора.
   

   Привод топливного насоса линейного компрессора, представляет собой также кулачковую поверхность, зажатую между плоскостью поршня насоса и плоскостью корпуса насоса, рис. 8. Кулачковая поверхность совершает возвратно-вращательное движение вместе с валом шестерни синхронизации двигателя внутреннего сгорания, и раздвигает плоскости поршня и насоса при каждом такте, при этом поршень насоса движется относительно цилиндра насоса и происходит выталкивание порции топлива к форсунке впрыска топлива, в начале цикла сжатия. При работе линейного компрессора нет необходимости менять количество выталкиваемого топлива. Работа линейного компрессора подразумевается только в паре с ресивером – накопителем энергии, который может сглаживать пики максимальной нагрузки. Поэтому целесообразно выводить двигатель линейного компрессора только на два режима: режим оптимальной нагрузки и режим холостого хода. Переключение между этими двумя режимами осуществляется с помощью электромагнитных клапанов, системой управления.
   

   
   

   Рис. 8. Топливный насос линейного компрессора.
   

   Система пуска
   

   Система пуска линейного двигателя осуществляется, как и у обычного двигателя, с помощью электропривода и накопителя энергии. Пуск обычного двигателя происходит с помощью стартера (электропривода) и маховика (накопителя энергии). Пуск линейного двигателя осуществляется с помощью линейного электрокомпрессора и пускового ресивера, рис. 9.
   

   
   

   Рис. 9. Система пуска.
   

   При пуске, поршень пускового компрессора, при подаче питания, поступательно движется за счет электромагнитного поля обмотки, а затем пружиной возвращается в исходное состояние. После накачки ресивера до 8…12 атмосфер, питание снимается с клемм пускового компрессора и двигатель готов к запуску. Пуск происходит путем подачи сжатого воздуха в предвпускные камеры линейного двигателя. Подача воздуха осуществляется с помощью электромагнитных клапанов, работой которых управляет система управления.
   

   Так как система управления не имеет информации, в каком положении находятся шатуны двигателя, перед пуском, то подачей высокого давления воздуха в предпускные камеры, например, крайних цилиндров, поршни гарантировано передвигаются в исходное состояние перед запуском двигателя.
   

   Затем производится подача высокого давления воздуха в предпускные камеры средних цилиндров, таким образом, производится вентиляция цилиндров перед запуском.
   

   После этого производится подача высокого давления воздуха опять в предпускные камеры крайних цилиндров, для запуска двигателя. Как только начнется рабочий цикл (датчик давления покажет высокое давление в камере сгорания, соответствующее рабочему циклу), система управления, с помощью электромагнитных клапанов прекратит подачу воздуха от пускового ресивера.
   

   Система синхронизации
   

   Синхронизация работы шатуновлинейного двигателя осуществляется с помощью синхронизирующей шестерни и пары зубчатых реек, рис. 10, прикрепленных к подвижной части магнитопровода генератора или поршней компрессора.Зубчатая шестерня одновременно является приводом масляного насоса, с помощью которого осуществляется принудительная смазка узлов трущихся деталей линейного двигателя.
   

   
   

   Рис. 10. Синхронизация работы шатунов электрогенератора.
   

   Уменьшение массы магнитопровода и схемы включения обмоток электрогенератора.
   

   Генератор линейногобензогенератора представляет собой синхронную электрическую машину. В обычном генераторе ротор совершает вращательное движение, и масса подвижной части магнитопровода не является критичной. В линейном генераторе подвижная часть магнитопровода совершает возвратно-поступательное движение вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания, и высокая масса подвижной части магнитопровода делает работу генератора невозможной. Необходимо найти способ уменьшения массы подвижной части магнитопровода генератора.
   

   
   

   Рис. 11. Генератор.
   

   Для уменьшения массы подвижной части магнитопровода, необходимо уменьшить его геометрические размеры, соответственно уменьшится объем и масса, рис 11. Но тогда магнитный поток пересекает только обмотку в одной паре окон вместо пяти, это равнозначно, что магнитный поток пересекает проводник в пять раз короче, соответственно, и выходноенапряжение (мощность) уменьшиться в 5 раз.
   

   Для компенсации уменьшения напряжения генератора необходимо добавить количество витков в одном окне, таким образом, чтобы длина проводника силовой обмотки стала такой же, как и в первоначальном варианте генератора, рис 11.
   

   Но чтобы большее количество витков легло в окне с неизменными геометрическими размерами, необходимо уменьшить поперечное сечение проводника.
   

   При неизменной нагрузке и выходном напряжении, тепловая нагрузка, для такого проводника, в этом случае увеличится, и станет больше оптимальной (ток остался такимже, а поперечное сечение проводника уменьшилось почти в 5 раз). Это было бы в том случае, если обмотки окон соединены последовательно, то есть когда ток нагрузки протекает через все обмотки одновременно, как в обычном генераторе.Но если к нагрузке попеременно подключать только обмотку пары окон, которую в данный момент пересекает магнитный поток, то эта обмотка за такой короткий промежуток времени, не успеет перегреться, так как тепловые процессы инерционны. То есть необходимо попеременно подключать к нагрузке только ту часть обмотки генератора (пару полюсов), которую пересекает магнитный поток, остальное время она должна остывать.Таким образом, нагрузка все время включена последовательно только с одной обмоткой генератора.
   

   При этом действующее значение тока, протекающего через обмотку генератора, не превысит оптимальной величины, с точки зрения нагрева проводника. Таким образом, можно значительно, более чем в 10 раз, снизить массу не только подвижной части магнитопровода генератора, а и массу неподвижной части магнитопровода.
   

   Коммутация обмоток осуществляется с помощью электронных ключей.
   

   В качестве ключей, для попеременного подключения обмоток генератора к нагрузке, используются полупроводниковые приборы – тиристоры (симисторы).
   

   Линейный генератор, это развернутый обычный генератор, рис. 11.
   

   Например, при частоте соответствующей 3000 цикл/мин и ходе шатуна 6 см, каждая обмотка будет нагреваться в течении 0.00083 сек, током в 12 раз превышающим номинальный, остальное время — почти 0,01 сек, эта обмотка будет охлаждаться. При уменьшении рабочей частоты, время нагрева будет увеличиваться, но, соответственно, будет уменьшаться ток, который течет через обмотку и через нагрузку.
   

   Симистор –это выключатель (может замыкать или размыкать электрическую цепь). Замыкание и размыкание происходит автоматически. При работе, как только магнитный поток начнет пересекать витки обмотки, то на концах обмотки появляется индуцированное электрическое напряжение, это приводит к замыканию электрической цепи (открыванию симистора). Затем, когда магнитный поток пересекает витки следующей обмотки, то падение напряжения на электродах симистораприводит к размыканию электрической цепи. Таким образом, в каждый момент времени, нагрузка все время включена, последовательно, только с одной обмоткой генератора.
   

   На рис. 12 показан сборочный чертеж генератора без обмотки возбуждения.
   

   Большинство деталей линейных двигателей, образованы поверхностью вращения, то есть имеют цилиндрические формы. Это дает возможность изготавливать их с помощью самых дешевых и поддающихся автоматизации токарных операций.
   

   
   

   Рис. 12. Сборочный чертеж генератора.
   

   Математическая модель линейного двигателя
   

   Математическая модель линейного генератора строится на основе закона сохранения энергии и законов Ньютона: в каждый момент времени, при t 0 и t 1 , должно обеспечиваться равенство сил действующих на поршень. Через малый промежуток времени, под действием результирующей силы, поршень переместится на некоторое расстояние. На этом коротком участке принимаем, что поршень двигался равноускорено. Значение всех сил изменятся согласно законам физики и вычисляются по известным формулам
   

   Все данные автоматически заносятся в таблицу, например в программе Excel. После этого t 0 присваиваются значения t 1 и цикл повторяется. То есть мы производим операцию логарифмирования.
   

   Математическая модель представляет собой таблицу, например, в программе Excel, и сборочный чертеж (эскиз) генератора. На эскизе проставлены не линейные размеры, а координаты ячеек таблицы в Excel. В таблицу вносятся соответствующие предполагаемые линейные размеры, и программа вычисляет и строит график движения поршня, в виртуальном генераторе. То есть, подставив размеры: диаметр поршня, объём предвпускной камеры, ход поршней до продувочных окон и т. д., мы получим графики зависимости пройденного расстояния, скорости и ускорения движения поршня от времени. Это дает возможность виртуально просчитать сотни вариантов, и выбрать самый оптимальный.
   

   Форма обмоточных проводов генератора.
   

   Слой проводов одного окна линейного генератора, в отличие от обычного генератора, лежит в одной закрученной по спирали плоскости, поэтому обмотку проще наматывать проводами не круглого сечения, а прямоугольного, то есть обмотка представляет собой закрученную по спирали медную пластину. Это дает возможность повысить коэффициент заполнения окна, а также значительно увеличить механическую прочность обмоток. Следует учитывать, что скорость шатуна, а значит и подвижной части магнитопровода, не одинакова. Это значит, что линии магнитной индукции пересекают обмотку разных окон с разными скоростями. Для полного использования обмоточных проводов, количество витков каждого окна, должно соответствовать скорости магнитного потока возле этого окна (скорости шатуна). Количество витков обмоток каждого окна выбирается с учетом зависимости скорости шатуна от расстояния, пройденного шатуном.
   

   Также для более равномерного напряжения генерированного тока, можно наматывать обмотку каждого окна медной пластиной разной толщины. На участке, где скорость шатуна не велика, намотка осуществляется пластиной меньшей толщины. В окно поместится большее количество витков обмотки и, при меньшей скорости шатуна на этом участке, генератор будет выдавать напряжение соизмеримое с напряжением тока на более «скоростных» участках, хотя генерированный ток будет значительно ниже.
   

   Применение линейного электрогенератора.
   

   Основное применение описанного генератора - источник бесперебойного питания на предприятиях небольшой мощности, позволяющий подключенному оборудованию продолжительное время работать при пропадании сетевого напряжения, или при выходе его параметров за допустимые нормы.
   

   Электрогенераторы могут применяться для обеспечения электрической энергией промышленного и бытового электрооборудования, в местах отсутствия электрических сетей, а также в качестве силового агрегата для транспортного средства (гибридный автомобиль), в качестве мобильного генератора электрической энергии.
   

   Например, генератор электрической энергии в виде дипломата (чемодана, сумки). Пользователь берет с собой в места, где нет электрических сетей (стройка, поход, загородный дом, и т. д.) При необходимости, нажав на кнопку «пуск», генератор запускается и питает электрической энергией подключенные к нему электрические приборы: электроинструмент, бытовые приборы. Это обычный источник электрической энергии, только гораздо дешевле и легче аналогов.
   

   Применение линейных двигателей дает возможность создать недорогой, простой в эксплуатации и управлении, легкий автомобиль.
   

   Транспортное средство с линейным электрогенератором
   

   Транспортное средство с линейным электрогенератором представляет собой двухместный легкий (250 кг) автомобиль, рис. 13.
   

   
   

   Рис.13. Автомобиль с линейнымбензогенератором.
   

   При управлении не требуется переключать скорости (две педали). За счет того, что генератор может развивать максимальную мощность, даже, при «трогании» с места (в отличие от обычного автомобиля), то разгонные характеристики, даже при небольших мощностях тягового двигателя, имеют лучшие показатели чем аналогичные характеристики обычных автомобилей. Эффект усиления руля и системы ABS достигается программно, так как все необходимое «железо» уже есть (привод на каждое колесо позволяет управлять крутящим или тормозным моментом колеса, например, при повороте руля перераспределяется крутящий момент между правым и левым управляющим колесом, и колеса поворачиваются сами, водитель только разрешает им поворачиваться, то есть управление без усилий). Блочная компоновка позволяет компоновать автомобиль по желанию потребителя (можно без труда за несколько минут заменить генератор на более мощный).
   

   Это обычный автомобиль только гораздо дешевле и легче аналогов.
   

   Особенности-простота управления, дешевизна, быстрый набор скорости, мощность до 12 кВт, привод на все колеса (автомобиль повышенной проходимости).
   

   Транспортное средство с предложенным генератором, из-за специфической формы генератора, имеет очень низкий центр тяжести, поэтому будет иметь высокую устойчивость при движении.
   

   Также такое транспортное средство будет иметь очень высокие разгонные характеристики. В предложенном транспортном средстве может использоваться максимальная мощность силового агрегата при всем диапазоне скоростей.
   

   Распределенная масса силового агрегата не нагружает кузов автомобиля, поэтому его можно сделать дешевым, легким и простым.
   

   Тяговый двигатель транспортного средства, в котором в качестве силового агрегата используется линейный электрогенератор, должен удовлетворять таким условиям:
   

   Силовые обмотки двигателя должны непосредственно, без преобразователя, подключаться к клеммам генератора (для увеличения коэффициента полезного действия электрической трансмиссии и уменьшения цены преобразователя тока);
   

   Скорость вращения выходного вала электродвигателя должна регулироваться в широком диапазоне, и не должна зависеть от частоты работы электрогенератора;
   

   Двигатель должен иметь высокую наработку на отказ, то есть быть надежным в работе (не иметь коллектора);
   

   Двигатель должен быть недорогим (простым);
   

   Двигатель должен иметь высокий крутящий момент при низкой частоте вращения выходного вала;
   

   Двигатель должен иметь небольшую массу.
   

   Схема включения обмоток такого двигателя показана на рис. 14. Путем изменения полярности питания обмотки ротора получаем крутящий момент ротора.
   

   Также путем изменения величины и полярности питания обмотки ротора вводится скольжение вращение ротора относительно магнитного поля статора. Управлением тока питания обмотки ротора, происходит управление скольжением, в диапазоне от 0…100%. Мощность питания обмотки ротора составляет, примерно, 5% от мощности двигателя, поэтому преобразователь тока надо делать не для всего тока тяговых двигателей, а только для их тока возбуждения. Мощность преобразователя тока, например, для бортового электрогенератора 12 кВт, составляет всего 600 Вт, причем эта мощность разделена на четыре канала (для каждого тягового двигателя колеса свой канал), то есть мощность каждого канала преобразователя составляет 150 Вт. Поэтому невысокий коэффициент полезного действия преобразователя не окажет существенного влияния на КПД системы. Преобразователь может быть построен с помощью маломощных, дешевых полупроводниковых элементов.
   

   Ток с выводов электрогенератора без всяких преобразований подается на силовые обмотки тяговых электродвигателей. Преобразовывается только ток возбуждения, таким образом, чтобы он всегда находился в противофазе с током силовых обмоток. Так как ток возбуждения составляет всего 5…6% от всего тока, потребляемого тяговым электродвигателем, то преобразователь необходим на мощность 5…6% от всей мощности генератора, что значительно снизит цену и вес преобразователя и повысит коэффициент полезного действия системы. В этом случае, преобразователю тока возбуждения тяговых двигателей необходимо «знать», в каком положении находится вал двигателя, чтобы в каждый момент времени на обмотки возбуждения подавать ток для создания максимального крутящего момента. Датчиком положения выходного вала тягового двигателя является абсолютныйэнкодер.
   

   
   

   Рис.14. Схема включения обмоток тягового двигателя.
   

   Применение линейного электрогенератора, в качестве силового агрегата транспортного средства позволяет создать автомобиль блочной компоновки. При необходимости, можно за несколько минут поменять крупные узлы и агрегаты, рис. 15, а также применить кузов с наилучшим обтеканием, так как у маломощного автомобиля нет резерва мощности для преодоления сопротивления воздуха из-за несовершенства аэродинамических форм (из-за высокого коэффициента сопротивления).
   

   
   

   Рис.15. Возможность блочной компоновки.
   

   Транспортное средство с линейным компрессором
   

   Транспортное средство с линейным компрессором представляет собой двухместный легкий (200 кг) автомобиль, рис. 16. Это более простой и дешевый аналог автомобиля с линейным генератором, но с более низким КПД трансмиссии.
   

   
   

   Рис.16. Пневмопривод автомобиля.
   

   
   

   Рис.17. Управление приводами колес.
   

   В качестве датчика скорости вращения колеса используется инкрементальныйэнкодер.Инкрементальныйэнкодер имеют импульсный выход, при повороте на определённый угол на выходе генерируется импульс напряжения.Электронная схема датчика, «подсчитывает» количество импульсов за единицу времени, и записывает этот код в выходной регистр. При «подаче» системой управления кода (адреса) данного датчика, электронная схема энкодера, в последовательном виде выдает код с выходного регистра, на информационный проводник. Система управления считывает код датчика (информацию о скорости вращения колеса) и по заданному алгоритму вырабатывает код для управления шаговым двигателем исполнительного механизма.
   

   Заключение
   

   Стоимость транспортного средства, для большинства людей, составляет 20…50 месячных заработков. Люди не могут себе позволить приобрести новый автомобиль за 8…12 тыс $, а на рынке нет автомобиля в ценовом диапазоне 1…2 тыс $. Использование линейного электрогенератора или компрессора, в качестве силового агрегата автомобиля, позволяет создать простое в эксплуатации, и недорогое транспортное средство.
   

   Современные технологии производства печатных плат, и ассортимент выпускаемой электронной продукции, позволяет сделать почти все электрические соединения с помощью двух проводов – силового и информационного. То есть не производить монтаж соединения каждого отдельного электрического прибора: датчиков, исполнительных и сигнальных устройств, а подсоединить каждый прибор к общему силовому, и общему информационному проводу. Система управления, по очереди, выводит коды (адреса) приборов, в последовательном коде, на информационный провод, после чего ожидает информацию о состоянии прибора, тоже в последовательном коде, и по этой же линии. На основании этих сигналов система управления формирует коды управления для исполнительных и сигнальных устройств и передает их, для перевода исполнительных или сигнальных устройств в новое состояние (при необходимости). Таким образом, при монтаже или ремонте каждое устройство необходимо соединить с двумя проводами (эти два провода являются общими для всех бортовых электроприборов) и электрической массой.
   

   Для снижения себестоимости, а соответственно и цены продукции для потребителя,
   

   необходимо упростить монтаж и электрические соединения бортовых приборов. Например, при традиционном монтаже, для включения заднего габаритного огня, необходимо замкнуть, с помощью выключателя, электрическую цепь питания осветительного прибора. Цепь состоит из: источника электрической энергии, соединительного провода, сравнительно мощного выключателя, электрической нагрузки. Каждый элемент цепи, кроме источника питания, требует индивидуального монтажа, недорогой механический выключатель, имеет низкое количество циклов «включения-выключения». При большом количестве бортовых электроприборов, цена монтажа и соединительных проводов возрастает пропорционально количеству устройств, повышается вероятность ошибки из-за человеческого фактора. При крупносерийном производстве проще управление приборами и считывание информации с датчиков сделать по одной линии, а не поиндивидуальной, для каждого прибора. Например, для включения заднего габаритного огня, в этом случае, необходимо дотронуться до сенсорного датчика прикосновения, схема управления сформирует код управления для включения заднего габаритного огня. На информационный провод будет выведен адрес устройства включения заднего габаритного огня и сигнал на включение, после чего замкнется внутренняя цепь питания заднего габаритного огня. То есть электрические цепи формируются комплексно: автоматически при производстве печатных плат (например, при монтаже плат на SMD линиях), и путем электрического соединения всех приборов с двумя общими проводами и электрической «массой».
   

   Список литературы
   

   1. Справочник по физике: Кухлинг Х. Пер. с нем. 2-е изд. – М.: Мир, 1985. – 520 с., ил.
   2. Газовая турбина на железнодорожном транспорте.Бартош Е. Т. Изд-во «Транспорт», 1972, стр. 1-144.
   3. Черчение - Хаскин А. М. 4 – е изд., перрераб. И доп. –.: Вищашк. Головное изд – во, 1985. – 447 с.
   4. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре, Ю. А. Евсеев, С. С. Крылов. 1990.
   5. Ежемесячный рекламно-информационный журнал «Электротехнический рынок» №5 (23) сентябрь-октябрь 2008.
   6. Проектирование автотракторных двигателей. Р. А. Зейнетдинов, Дьяков И. Ф., С. В. Ярыгин. Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2004.- 168 с.
   7. Основы преобразовательной техники: учебное пособие для вузов/ О. З. Попков. 2-е изд., стереот. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 200 с.: ил.
   8. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2006. – 336 с., ил.
   9. Двигатели внутреннего сгорания. Теория и расчёт рабочих процессов. 4-е изд., переработ, и дополн. Под общей редакцией А.С. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение. 1984.
   10. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. – М.: Высшая шк. – 2007 г.
   11. Теоретические основы электротехники. Учеб.для вузов. В трех т. Под общ.ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. М.:Энергия, 1972. –240с.

Автореферат диссертации по теме ""

На правах рукописи

БАЖЕНОВ ВЛАДИМИР АРКАДЬЕВИЧ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В ПРИВОДЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование сельском хозяйстве

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального ^разоватш «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ В1Ю Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

1 у Владыкин Иван Ревович

Официальные оппоненты: Воробьев Виктор

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО МГАУ

им. В.П. Горячкина

Бекмачев Александр Егорович кандидат технических наук, руководитель проектов ЗАО «Радиант-Элком»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетном образовательном учреждение вы с ше го п ро ф е с с и о к ал ы I о го образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Чувашская ГСХА)

Зашита состоится «28» мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069,

г. Ижевск, ул. Студенческая, 11, ауд. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Размещен на сайте: туюл^вЬа/ги

Ученый секретарь диссертационного совета

НЛО. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

носгь комплексной автоматизации сельских электрических с^еГнanttT"

исследованиях Сулимова М.И., Гусева B.C. отмечено ™ ^

действия релейной защиты и автоматики /рчаГIV З0...35% случаев

творительного состояния приводГХчем до TsJTJ™

долю ВМ 10...35 кВ с,nv«,m„n mv"; Дефектов приходится на

Н.М., Палюга M^AaSTZ^rZZr^Tsy

ского повторного включения ГАПШ " °ТКа30В астома™че-

привода в целом

■ ПП-67 ПП-67К

■ВМП-10П КРУН К-13

"ВМПП-ЮП КРУН К-37

Рисунок I - Анализ отказов в электроприводах ВМ 6.. 35 кВ ВИЯ, они потребляют большую мощность и требуют установки громоздкой

отказ механизма отключения, о.е.

00» ПП-67 ПП-67

■ ВМП-10П КРУ| К-13

■ ВМПП-ЮП КРУН К-37 ПЭ-11

- «„,„«, и зарядного устройства или же выпрямительного уст-кумуляторнои батар 3^ДД°0рМЦ0М мощностью 100 кВА. В силу ука-

ройства со "п^^ прнво«о нашли широкого применения.

3аШЮНаРГбьш^"проведи ан™ и"з достоинств „ недоспшюв различных приво-

довдляВМ. „„_,.,* ппиводов постоянного тока: невозмож-

Недостатки эле.сгромап^^^^^ включающего электромаг-ность регулировки СК0Р°^ДХ ^ ^эл^^.апнпв, которая увеличивает Ш1Та> большая „нду^ивносгь обмотки я от поло.

время включения выключателя ^-¿^"^/^^.„.оро включения, аккуму-жения сердечника,что привод.п-к мощности и их

ляторная батарея или-"Р-^ /™ой площади до 70 м> и ДР-большие габариты и масса, что посменного тока: большое по-

Нсдостатки ^^^^^^^ „щих проводов,

¡гггг-^5^-скорости-и

Т-Д" Недостатки индукционно. привод

Ь^^"ГГЖ цилиндрических лиией-Вышеперечисленные недогатк* „струк-тивных особешю-

„ь,х асинхронных двн^е" Поэтому предлагаем использовать их в

стей и массогабаритных "О^3^""110^0 * э_ \ для масля„ых выключате-качестве силового элемента в пр " ^лення Ростехиадзора по

лей, которых по данным Западно-Ур^ьско^ компаний в

удмуртской Республике ВМГ-35 300 штук.

эксплуатации«^^^^^лирована следующая цель РаНа основании выше высоковольтных масляных выклю-ботьк повышение эффектишюсп, "Р^^^оляющего снизить ущерб чателей 6 .35 кВ. работающего на основе ЦЛАД, позволя

"ели были поставлены следующие анализ существующих конструкций приводов

3" теоретических и характеристик

ГрХГь^С-"- - "" 6-35 *

основе ЦЛАД.

6. Провести технико-экономическое. .

использования ЦЛАД для приводов масляных выключателей 6...35 кВ.

Объектом исследования является: цилиндрический линейный асинхронный электродвигатель (ЦЛАД) приводных устройств выключателей сельских распределительных сетей 6...35 кВ.

Предмет исследования: изучение тяговых характеристик ЦЛАД при работе в масляных выключателях 6...35 кВ.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных законов геометрии, тригонометрии, механики, дифференциального и интегрального исчисления. Натуральные исследования проводились с выключателем ВМП-10 с использованием технических и измерительных средств. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием программы «Microsoft Excel». Научная новизна работы.

1. Предложен новый тип привода масляных выключателей, позволяющий повысить надежность их работы в 2,4 раза.

2. Разработана методика расчета характеристик ЦЛАД, которая в отличие от предложенных ранее, позволяет учитывать краевые эффекты распределения магнитного поля.

3. Обоснованы основные конструкционные параметры и режимы работы привода для выключателя ВМП-10, снижающие недоотпуск электроэнергии потребителям.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

1. Предложена конструкция привода выключателей типа ВМП-10.

2. Разработана методика расчета параметров цилиндрического линейного асинхронного двигателя.

3. Разработана методика и программа расчета привода, которые позволяют рассчитывать приводы выключателей подобных конструкций.

4. Определены параметры предлагаемого привода для ВМП-10 и ему подобных.

5. Разработан и испытан лабораторный образец привода, который позволил уменьшить потери перерывов электроснабжения.

Реализация результатов исследований. Работа проведена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧИМЭСХ, регистрационный номер №02900034856 «Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ». Результаты работы и рекомендации приняты и используются в ПО «Башкирэнерго» С-ВЭС (получен акт внедрения).

Работа основана на обобщении результатов исследований, выполненных самостоятельно и в содружестве с учеными ФГБОУ ВПО Челябинского государственного агроуниверситета (г. Челябинск), ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.

На защиту вынесены следующие положения:

1. Тип привода масляных выключателей на основе ЦЛАД

2. Математическая модель расчета характеристик ЦЛАД, а также тягового

усилия в зависимости от конструкции паза.

программа расчета привода для выключателей типа ВМГ, ВМП напряжением 10...35 кВ. 4. Результаты исследований предлагаемой конструкции привода масляных выключателей на основе ЦЛАД.

Апробация результатов исследований. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: XXXIII научная конференция посвященная 50-летию института, Свердловск (1990); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований» (г. Ижевск, ФГБОУ В ПО Ижевская ГСХА 2003); Региональная научно-методическая конференция (Ижевск, ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2004); Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». (Ижевск, 2005), на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА».

Публикации по теме диссертации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены 8 печатных работах, в том числе: в одной статье, опубликованной в журнале, рекомендованном ВАК, двух депонированных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, изложена на 167 страницах основного текста, содержит 82 рисунка, 23 таблицы и списка использованных источников из 105 наименований и 4 приложений.

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены состояние вопроса, цель и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ конструкций приводов выключателей.

Установлено:

Принципиальное преимущество совмещения привода с ЦЛАД;

Необходимость дальнейших исследований;

Цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы расчета ЦЛАД.

На основании анализа распространения магнитного поля выбрана трехмерная модель.

Обмотка ЦЛАД в общем случае состоит из отдельных катушек, включенных последовательно в трёхфазную схему.

Рассматривается ЦЛАД с однослойной обмоткой и симметричным относительно сердечника индуктора расположением вторичного элемента в зазоре.

Принятые следующие допущения: 1. Ток обмотки, уложенной на длине 2рт, сосредоточен в бесконечно тонких токовых слоях, расположенных на ферромагнитных поверхностях индуктора и создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

создает чисто синусоидальную бегущую волну. Амплитуда связана известным соотношением с линейными плотностью тока и токовой нагрузкой

к """д."«*. (1)

т - полюсное; ш - число фаз; W - число витков в фазе; I - действующее значение тока; Р - число пар полюсов; J - плотность тока;

Ко6| - обмоточный коэффициент основной гармоники.

2. Первичное поле в области лобовых частей аппроксимируется экспоненциальной функцией

/(") = 0,83 ехр ~~~ (2)

Достоверность такой аппроксимации к реальной картине поля говорят проведенные ранее исследования, а также опыты на модели ЛАД При этом возможно заменить L-2 с.

3.Начало неподвижной системы координат х, у, z расположено в начале обмотанной частн набегающего края индуктора (рис. 2).

При принятой постановке задачи н.с. обмотки можно представить в виде двойного ряда Фурье:

где, А - линейная токовая нагрузка индуктора; Коб - обмоточный коэффициент; L - ширина реактивной шины; С - общая длина индуктора; а - угол сдвига;

z = 0,5L - а - зона изменения индукции; п - порядок гармоники по поперечной оси; v- порядок гармоник по продольной осн;

Решение находим для векторного магнитного потенциала токов А В области воздушного зазора Аг удовлетворяет следующим уравнениям:

divAs = 0. J (4)

Для ВЭ уравнения А 2 уравнения имеют вид:

ДА2 .= ГгМ 2 сИУ Т2 = 0.

Решение уравнений (4) и (5) производим методом разделения переменных. ^упрощения задачи приведем лишь выражение для нормальной составляющей индукции в зазоре:

ад [КЫ<л

у 2а V 1й<ЬК0.51.

_¿1- 2с -1 -1 "

Рисунок 2 - Расчетная математическая модель ЛАД без учета распределения обмотки

КП2 . СОБ---АХ

X (сИЛу + С^ЬЛу) ехр у

Полная электромагнитная мощность 8ЗМ, передаваемая из первичной части в з" орТвЭ, Хег быть найдена как поток нормальной 8, составляющей вектора Пойтинга через поверхность у - 5

= / / ЯуЖсЬ =

" - - \shXS + С2сИЛд\2

^ГрЛс^ГвВэГ""" С0СтаШ1ЯЮЩаЯ" У™«*»«« механическую мощ-

Р™со" зР™"ШЯ С°СТаСЛЯЮЩаЯ"УЧИТШает поТОк „

С\ - комплекс, сопряжений с С2.

„з-ор,",г«.мша"" лад «». ..з

II "в е., ЪгсЬс

^ И О Л V о_£ V у

- " " \shXS + С.сЬАЗ?"

""-^/Н^н^м-^гИ

л " \shXS +С2с1гЛ5^

по поп^еч^^Л^еТоТ^ ^ " Ь = 2с> ™ -рмо„ик координата Л-УКроме Г Г^Г в двухмерное, по

чие стального ^тора^то^^^я е^прашуществ^Г ^ЧССТЬ нашг"

2) Механическая мощность

Электромагнитная мощность £,.,«1 = р /с» + .у, /С1 „ 1 "

гласно выражению, формуле (7) рассчитывалась со-

4) Потери в меди индуктора

Р,г1 = ШI1 Гф ^

где гф - активное сопротивление фазной обмотки;

5) К п д. без учета потерь в стали сердечника

„ р.-и ■ (12) Р, Р„(5>+Л,..

6) Коэффициент мощности

р т!\гы+гф) ^ тиф1 т1 Z £

где, 2 = + х1 есть модуль полного сопротивления последовательной

схемы замещения (рис 2).

х1=х„+ха1 О4)

v -Язи- г (15)

х = х + х + х + Ха - индуктивное сопротивление рассеяния первичной об-п а * ч

М°™аким образом, получен алгоритм расчёта статических характеристик ЛАД с короткозамкнутым вторичным элементом, позволяющий учитывать свойства активных частей конструкции на каждом зубцовом делении.

Разработанная математическая модель позволяет: . Применить математический аппарат для расчета цилиндрического линсшюго асинхронного двигателя, его статических характеристик на основе развсрну-схем замещения электрических первичной и вторичной и магнитно» це-

Провести оценку влияния различных параметров и конструкций вторичного элемента на тяговые и энергетические характеристики цилиндрического линейного асинхронного двигателя. . Результаты расчётов позволяют определить в первом приближении оптимальные основные технико-экономические данные при проектировании цилиндрических линейных асинхронных двигателей.

В третьей главе «Расчетно-теорстнческие исследования» приведены результаты численных расчётов влияния различных параметров и геометрических на энергетические и тяговые показатели ЦЛАД с помощью математической модели описанной ранее.

Индуктор ЦЛАД состоит из отдельных шайб, расположенных в ферромагнитном цилиндре. Геометрические размеры шайб индуктора, принятые в расче-тПшведены на рис. 3. Количество шайб и длина ферромагнитного цилиндра -Гя" числом полюсов и числом пазов на полюс и фазу обмотки индуктора 1^заш(симые перемеш1Ые принимались параметры индуктора (геометрия зубцового слоя, число полюсов, полюсное деление, длина и ширина) вторичной структуры - тип обмотки, электрическая проводимость С2 - Уг Л, а

также параметры обратного магнитопровода. При этом результаты исследования представлены в виде графиков.

Рисунок 3 - Устройство индуктора 1-Вторичный элемент; 2-гайка; З-уплотнительная шайба; 4- катушка; 5-корпус двигателя; 6-обмотка,7-шайба.

Для разрабатываемого привода выключателя однозначно определены:

1 Режим работы, который может быть охарактеризован, как «пуск». Время " работы - менее секунды (t.=0,07c), повторные пуски могут быть, но даже в

этом случае общее время работы не превышает секунды. Следовательно, электромагнитные нагрузки - линейная токовая нагрузка, плотность тока в обмотках могут быть взять, существенно выше принимаемых для jустановившихся режимов электрических машин: А = (25...50) 10 А/м, J (4.../) А/мм2. Поэтому тепловое состояние машины можно не рассматривать.

3. Требуемое тяговое усилие F„ > 1500 Н. При этом изменение усилия за время работы должно быть минимальным.

4. Жесткие ограничения габаритов: длина Ls . 400 мм; внешний диаметр статора Д = 40... 100 мм.

5 Энергетические показатели (л, coscp) не имеют значения.

Таким образом, задача исследований может быть сформулирована следующим образом: при заданных габаритах определить электромагнитные нагрузки значение конструктивных параметров ЛАД, обеспечивающих неоохо-

димое тяговое усилие в интервале 0,3

Исходя из сформированной задачи исследований, основным показателем ЛАД является тяговое усилие в интервале скольжений 0,3

Таким образом, сила тяги ЛАД представляется функциональной зависимостью..

Fx = f(2р, г, &d2,y2,Yi, Ms > Ч< Wk, A, a) U<>>

таметров некоторые пр-т -ко и т=400/4 = 100 -* 66,6 ммГч

тель„оСПяВГИЧе"ИеМ ЧИСЛЗ П°ЛЮС0В "У"0806 ТЯГОвое усилие падает значи- 5

ТЯГОВОГ° УСИЛИЯ СВЯЗано с Уменьшением полюсной деления т и магнитной индукции в воздушном И деления т

является 2р=4 (рис. 4). °ЗДушном зазоРе Следовательно, оптимальным

ОД 0.2 0.3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 9

Скольжение Б, ое

Рисунок 4 - Тяговая характеристика ЦЛАД „ зависимости от числа полшсов

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 ■

1,5|у 2,0л<

0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 ^кольжение Б, ое

РИСУ5ЮК5 ,азо.

ра(6=1,5мм и 5=2,0мм)

проводность у2,у3 и магнитная проницаемость ц3 ВЭ.

Изменение электропроводимости стального цилиндра » (рис. 6) на тяговое усилие ЦЛАД оказывает малосущественное значение до 5%.

0 0,10,23,30,40,50,60,70,83,91

Скольжение 8, ое.

Рисунок 6. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях электропроводимости стального цилиндра

Изменение магнитной проницаемости ц3 стального цилиндра (рис. 7) не приносит значительных изменений тягового усилия Рх=ДБ). При рабочем скольжении 8=0,3 тяговая характеристики совпадают. Пусковое тяговое усилие изменяется в пределах 3...4%. Следовательно, учитывая несущественное влияние уз и Мз на тяговое усилие ЦЛАД, стальной цилиндр может быть изготовлен из магнитомягкой стали.

0 0 1 0 2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 СкольжениеЗ,ое

Рисунок 7. Тяговая характеристика ЦДАД при различных значениях магнитном проницаемости (Цз=1000цо И Цз =500цо) стального цилиндра

Из анализа графических зависимостей (рис. 5, рис. 6, рис. 7) следует вывод: изменения проводимости стального цилиндра и магнитной проницаемости, ограничения немагнитного промежутка добиться постоянства тягового усилия 1"Х невозможно вследствие их малого влияния.

у=1,2-10"См/м

у=3 10»См/м

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Скольжение Э, ое

Рисунок 8. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях электропроводимости ВЭ

Параметр, при помощи которого можно добиться постоянства тягового усилия =/(2р, г, <$ й2 ,у2, уз, цз, Я, А, а) ЦЛАД, является удельная электропроводимость у2 вторичного элемента. На рисунке 8 указаны оптимальные крайние варианты проводимостей. Эксперименты, проведенные на экспериментальной установке, позволили определить наиболее подходящую удельную проводимость в пределах у=0,8-10"...1,2-ю"См/м.

На рисунках 9...11 приведены зависимости Г, I, т},оо$<р = /(я) при различных значениях числа витков в катушке обмотки индуктора ЦЛАД с экранированным вторичным э л е м е нто в (с/,=1 мм; 5=1 мм).

Лг аз о* ~05 Об й5 То

Рисунок 9. Зависимость 1=Г(8) при различных значениях числа витков в катушке

Рисунок 10. Зависимость eos

Рисунок! I Зависимость t]= f(S)

Графические зависимости энергетических показатели от числа витков в кашках совпадают. Это говорит о том, что изменение числа витков в катушке не приводит к значительному изменению этих показателей. Это является причиной отсутствия внимания к ним.

Увеличение тягового усилия (рис. 12) по мере уменьшения числа витков в катушке объясняется тем. что увеличивается сечение провода при постоянных значениях геометрических размеров и коэффициента заполнения медью паза индуктора и незначительном изменении значения плотности тока. Двигатель в приводах выключателей работает в пусковом режиме менее секунды. Поэтому для привода механизмов с большим пусковым тяговым усилием и кратковременным режимом работы эффективнее использовать ЦЛАД с малым числом витков и большим сечением провода катушки обмотки индуктора.

мол /"4а? /?(/,"■ Ш0О 8оо боа íoo 2 ос ■

О о/ О.З oi 05 Об 07 os ¿J? То

Рисунок 12. Тяговая характеристика ЦЛАД при различных значениях числа витков era горной катушки

Однако, при частых включениях таких механизмов необходимо иметь запас двигателя по нагреву.

Таким образом, на основании результатов численного эксперимента по вышеописанной методике расчёта можно с достаточной степенью точности определить тенденцию изменения электрических и тяговых показателей при различных переменных ЦЛАД. Основным показателем для постоянства тягового усилия является электропроводимость покрытия вторичного элемента у2 Изменяя её в пределах у=0,8-10 ...1,2-10 См/м, можно получить необходимую тяговую характеристику.

Следовательно, для постоянства тяги ЦЛАД достаточно задаться постоянными значениями 2р, т, 8, у} , Цз,

! ],=/(К у2, \Ук) (17)

где К=/(2р, т, 8, Л2, у, Цз »

В четвертой главе изложена методика проведения эксперимента исследуемого способа привода выключателя. Экспериментальные исследования характеристик привода проводили на высоковольтном выключателе ВМП-10 (рис. 13)

Рисунок 13 Экспериментальная установка.

Также в этой главе определено инерционное сопротивление выключателя, которое выполнено с использованием методики, представленной в графоаналитическим методом, используя кинематическую схему выключателя. Определены характеристики упругих элементов. При этом в конструкцию масляного выключателя входят несколько упругих элементов, которые противодействуют включению выключателя и позволяют аккумулировать энергию для отключения выключателя:

1) Пружины ускорения ГПу",

2) Пружина отключения Г по",

31 Упругие силы, создаваемые пружинами контактов Рк. - №1, 2012г. С. 2-3. - Режим доступа: http://w\v\v.ivdon.ru.

Другие издания:

2. Пястолов, A.A. Разработка привода для высоковольтных выключателей 6...35 кВ." /A.A. Пястолов, И.Н.Рамазанов, Р.Ф.Юнусов, В.А. Баженов // Отчет о научно-исследовательской работе (х. № ГР 018600223428 лив. №02900034856.-Челябинск: ЧИМЭСХ.1990. - С. 89-90.

3. Юнусов, Р.Ф. Разработка линейного электропривода сельскохозяйственного назначения. /Р.Ф. Юнусов, И.Н. Рамазанов, В.В. Иваницкая, В.А. Баженов // XXXIII научная конференция. Тезисы докладов.- Свердловск, 1990, С. 32-33.

4. Пястолов, A.A. Привод высоковольтного масляного выключателя. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-2. -ЦНТИ, Челябинск, 1991. С. 3-4.

5. Пястолов, A.A. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов И.Н., Баженов В.А. // Информационный листок № 91-3. -ЦНТИ, Челябинск, 1991. с. 3-4.

6. Баженов, В.А. Выбор аккумулирующего элемента для выключателя ВМП-10. Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». / Ижевск, 2005. С. 23-25.

7. Баженов, В.А. Разработка экономичного привода масляного выключателя. Региональная научно-методическая конференция Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, Ижевск, 2004. С. 12-14.

8. Баженов, В.А. Совершенствование привода масляного выключателя ВМП-10. Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 25-летию факультета «Электрификации и автоматизации сельского хозяйства» и кафедры «Электротехнология сельскохозяйственного производства». Ижевск 2003, С. 249-250.

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Сдано в набор_2012г. Подписано в печать 24.04.2012г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60x84/ 16. Объем I печ.л. Тираж 100 экз. Заказ №4187. Изд-во ФГБОУ BIIO Ижевской ГСХА г. Ижевск, ул. Студенчески. 11