CC BY
11
Обзор и анализ интегральных характеристик для оценки функционального состояния электромагнитов
А.К. Землякова, Е.Р. Кайгородова, А.Н. Парыкин, Н.Е. Макеев, Н.Г. Кулев
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени
М.И. Платова, Новочеркасск
Аннотация: Тренд на миниатюризацию и снижение материалоёмкости современных электротехнических изделий переменного тока предъявляет повышенные требования к качеству их отдельных элементов. Все электротехнические изделия переменного тока (электромагниты, электромагнитные реле, двигатели) имеют подвижную и неподвижную части магнитопровода и как минимум одну рабочую катушку. В ходе эксплуатации электротехнических изделий переменного тока в рабочей катушке протекает ток, создается рабочий магнитный поток в неподвижной части магнитопровода, приводящий в движение подвижную его часть. Величина магнитного потока определяется конструкцией, взаимным расположением частей магнитопровода и рабочей катушки, а также количеством витков в ней и величиной протекающего тока. В течение рабочего цикла электротехнических изделий переменного тока подвижная часть магнитопровода перемещается относительно неподвижной, что также приводит к изменению магнитного потока. Требуется знать их механические, электрические и магнитные свойства. Каждая группа показателей требует применения своих методов и средств испытания электротехнических изделий переменного тока. Данная ситуация стимулирует поиск интегральных характеристик электротехнических изделий переменного тока, позволяющих сделать выводы о качестве отдельных частей и эксплуатационных свойствах всего изделия. В статье предлагается в качестве интегральной характеристики электромагнита использовать вебе-амперную характеристику рабочего цикла. Для получения вебер - амперной характеристики электротехнических изделий переменного тока необходимо воздействовать на магнитопровод внешним изменяющимся магнитным полем и измерять специальным сенсором возникающий в его сечении магнитный поток. При определении вебер - амперной характеристики рабочего цикла испытанию подвергается электротехнические изделия переменного тока в собранном виде, что делает невозможным использование сенсоров магнитного потока. Поэтому применение существующих методов измерения не представляется возможным, в связи с чем также необходима разработка метода определения вебер - амперной характеристики рабочего цикла электротехнических изделий переменного тока, обладающего приемлемой точностью и не требующего использования дополнительных сенсоров. Ключевые слова: электромагниты, интегральные характеристики, оценка функционального состояния, магнитные измерения.
В настоящее время сфера электротехники развивается широкими темпами. Основными объектами, отвечающими за работу сложных мехатронных систем, являются электротехнические изделия переменного тока (ЭИПТ), такие, как, например, электромагниты, электродвигатели, реле
Введение
и т.п. В качестве объекта исследования выбран электромагнит, так как в настоящее время именно этот вид ЭИПТ активно внедряется в различные области науки и техники. Современные требования к точности, быстродействию, миниатюризации, а также к энергоэффективности электромагнитов нуждаются в постоянном совершенствовании методов контроля и диагностики, включая применение новых методик [1], для технологического процесса производства.
Целью является определение наиболее информативных интегральных характеристик электротехнических изделий переменного тока для эффективного контроля в процессе производства и диагностики в процессе эксплуатации [2].
Электромагниты как объект исследования
Рассмотрим подробней ЭИПТ на примере электромагнита, его эксплуатационные характеристики и особенности с точки зрения процесса контроля их работоспособности [3, 4].
Электромагниты - это электротехнические изделия, позволяющие создавать в определенном месте пространства магнитное поле при помощи рабочей катушки под действием электрического тока [5,6]. Электромагнитные приводы различаются по области применения, конструкции, и, следовательно, по параметрам и характеристикам. В связи с этим, разделение электромагнитов на классы позволяет тщательнее изучить процессы, происходящие в них при работе.
Наиболее распространённые виды электромагнитов отражены на рисунке 1. Учитывая большое разнообразие электромагнитных приводов, они состоят из одинаковых базовых частей:
- намагничивающие обмотки (электромагнитный привод может иметь как одну, так и несколько обмоток) 1;
- ферромагнитный корпус (неподвижная часть магнитопровода) 2;
- якорь (подвижная часть магнитопровода) 3.
В ряде случаев корпус электромагнитного привода может состоять из
нескольких частей (фланцев, основания, втулки).
3
а)
б)
в)
г)
Рис. 1. - Наиболее распространенные виды электромагнитных приводов.
Между подвижной и неподвижной частями магнитопровода присутствуют рабочий 8 и паразитный зазоры, что является основным приводимым в движение (под действием электромагнитного поля) механизмом электромагнитного привода.
Процесс работы электромагнитного привода может быть выражен, приведенной на рисунке 2, структурной схемой (ГОСТ 19264-1982). Проанализировав структурную схему работы электромагнита, можно сделать вывод, что составляющие её элементы могут быть отражены нелинейными
3
2
1
1
2
1
3
1
2
2
характеристиками, которые усложняют дальнейшие исследования
электромагнитов.
Электрический сигнал
Магнитное
поле -►
Сила электромагнитного
притяжения -►
Перемещение
Механическая система
Преобразователь силы
Рис. 2. - Обобщенная структурная схема процесса работы электромагнита.
Обзор и анализ основных характеристик электромагнитов
Различают следующие типичные виды статических тяговых характеристик наиболее распространенных конструктивных форм электромагнитов [7]:
1. Гиперболический вид. Его имеют электромагниты, у которых поток рассеяния (не проходящий через рабочий воздушный зазор и через якорь) не создает силы.
2. Седлообразный вид. Его имеют электромагниты, у которых возникает дополнительная сила, создаваемая потоком рассеяния (не проходящим через рабочий воздушный зазор, но проходящим через рабочий воздушный зазор, и проходящим через часть якоря). Это происходит в том случае, когда якорь втягивается внутрь катушки.
3. Л-образный вид с максимумом у средней части катушки. Он присущ электромагнитным приводам, состоящим из неподвижной части магнитопровода и подвижной, втягиваемой внутрь рабочей обмотки, его также имеют короткоходные электромагнитные приводы с разомкнутой магнитной цепью, у которых подвижная часть магнитопровода втягивается внутрь рабочей обмотки, а также электромагнитные приводы перпендикулярно направленного действия.
и
4. Константный вид. Его имеют длинноходные электромагнитные приводы с разомкнутой или замкнутой магнитной цепью, якорь которых втягивается внутрь рабочей обмотки. Подобную характеристику имеют электромагниты переменного тока - трехфазные (с тремя катушками) с Ш-образным ярмом и якорем. Особенностью этих электромагнитов является отсутствие вибрации якоря.
Процессы, происходящие в электромагните, описываются уравнениями
[5, 8]:
1. Уравнение цепи рабочей катушки электромагнитного привода:
и = ж+^
й, (1)
где и - напряжение в рабочей катушке; I -ток, протекающий в рабочей
катушке; Я - активная составляющая сопротивления рабочей катушки; й -скорость изменения потокосцепления у, пронизывающего рабочую катушку, за время
Уравнение (1) позволяет проанализировать первую стадию энергетических преобразований в электромагнитном приводе - процесса преобразования электрической энергии в энергию магнитного поля.
2. Уравнение описывающее вебер-амперную характеристику электромагнитного привода связывает ток в обмотке I, потокосцепление ^ и рабочий зазор 8:
V = /2 (1,8) (2)
Эта характеристика сильно зависит от магнитных свойств материала магнитопровода.
Форма вебер-амперной характеристики электромагнитного привода и ее изменения при перемещении подвижной части магнитопровода отражают
и
преобразование действующей в данный момент электромагнитной силы в механическую.
3. Уравнение электромагнитный силы, представляющее собой энергетические преобразования и отражающее функцию запаса энергии Жм, заключающуюся в магнитном поле электромагнитного привода:
^ = /з (К ), (3)
4. Уравнение перемещения подвижной части магнитопровода электромагнитного привода:
Л2 х „ „ „Г Лх Л т—- = ¥э - ¥п„ - ¥\ — I
& ^ &) (4)
где х - перемещение якоря; т -масса подвижной части магнитопровода;
¥ (Лх/Л )
с 1 ' ' - сила сопротивления, зависящая от скорости движения.
Вышеприведенное уравнение (4) позволяет охарактеризовать механические процессы, происходящие при переключении электромагнитного привода.
5. Уравнение охлаждения и нагрева электромагнитного привода отражает зависимость температуры нагрева $ и мощностью Р, выделяющейся в рабочей катушке, габаритами электромагнитного привода и
временем работы ^вкл:
$ = /4 (Л ^, размеры), (5)
Таким образом, рассмотренные уравнения с (1) по (5) отражают наиболее значимые характеристики электромагнитного привода.
Важнейшими характеристиками электромагнитного привода с точки зрения его функциональных возможностей являются следующие:
1. Статическая тяговая характеристика электромагнита, которая отражает зависимость электромагнитной силы от рабочего зазора
магнитопровода при постоянных значениях напряжения, подведенного к
рабочей катушке ^э " -^^^с^, или тока / в рабочей катушке ~ ^(8)1=соп81.
2. Сила противодействия электромагнитного привода отражена
зависимостью всех противодействующих сил от рабочего зазора ^ =/ 8)
3. Время переключения электромагнитного привода - это время, исчисляемое с момента подведения напряжения к рабочей катушке и до перемещения подвижной части магнитопровода электромагнита в заданное положение.
4. Зависимость потокосцепления от тока в обмотке при заданных значениях рабочего зазора 8 ^()-=ссп8(.
Некоторые из вышеприведенных характеристик показаны на рисунке 3, где и /н - номинальные значения потокосцепления и тока соответственно.
Рис.3. - Статические характеристики электромагнитных приводов.
Влияние конструкции электромагнита отражено в тяговой
характеристике [5]. На рисунке 3 приведены зависимости ^э " ^(8) 1=«>^1 для различных форм подвижной части магнитопровода электромагнитного привода. В современных автоматических системах для высокоточного управления различными процессами, например при подаче топлива в систему в двигателях внутреннего сгорания, зачастую используются пропорциональные втягивающие электромагнитные приводы, отличительной особенностью которых является присутствие линейного участка тяговой
характеристики (рисунок 4). Вид тяговой характеристики зависит от размеров и положения немагнитной вставки.
I = 1,4 А - I = 1,0 А . I = 0,6 А --I = 0,2 А
5
Рис.4. - Пропорциональный втяжной электромагнит (а) и его тяговые характеристики (б).
В [9, 10] в качестве основной характеристики электромагнита рассматривается вебер-амперная характеристика (ВАХ), так как большинство характеристик, используемых при приемо-сдаточных испытаниях, зависят от
¥ = /7 (1,5)
потокосцепления, тока или зазора 4 '.
Вебер-амперная характеристика электромагнитного привода изображена на рисунке 5 [11]. На электромагнитный привод подается напряжение питания. После этого, ток в рабочей катушке возрастает до значения тока, достаточного для перемещения подвижной части магнитопровода (точка 1). В этот момент происходит перемещение подвиижной части магнитопровода, в процессе которого уменьшается рабочий зазор 8, индуктивность рабочей катушки возрастает, и ток падает, пока якорь не притянется к сердечнику (точка 2). При движении подвижной части магнитопровода электромагнитного привода, зависимость между потокосцепления у и тока I определяется кривой 1-2. По завершению перемещения подвижной части магнитопровода ток вновь возрастает, достигая установившегося значения (точка 3).
и
I
Рис.5. - Вебер-амперная характеристика рабочего цикла электромагнита.
Таким образом можно сделать вывод о том, что среди основных характеристик электромагнитов: тяговой, время-токовой и вебер-амперной более информативной является ВАХ, потому что она интегрально отражает как магнитные характеристики магнитопровода, так и электрические, что делает возможным использовать ее для комплексного испытания электромагнитов и других электротехнических изделий [12].
1. Браганец С.А., Гольцов А.С., Савчиц А.В. Система диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата Волжской ГЭС. // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1912.
Заключение
Литература
2. Беляев А.И., Овсянников А.Ю., Лапковский К.А., Дорофеев Е.А. Вейвлет-преобразования как метод диагностики энергетических машин // Инженерный вестник Дона, 2014, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2015/3464.
3. Коротеев И., Жуков В., Касперк Р. Электротехнические системы. М.: CRC Press, 2010. 268 c.
4. Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Магнитоизмерительные приборы и установки. М.: Энергоатомиздат, 1982. 152 с.
5. Frank W. Roller Electric and Magnetic Measurements and Measuring Instruments HardPress, 2012. 414 p.
6. Гордон А.В., Сливинская А.Г. Электромагниты постоянного тока М.: Государственное энергетическое издательство, 1960. 447 с.
7. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. Учебное пособие для студентов вузов. М.: Энергия, 1972. 248 с.
8. Татевосян А.С., Пимонова У.В. Аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования динамики электромагнита постоянного тока // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность! (Омск, 17 октября 2016 г.). - Омск: Издательство Омского государственного технического университета, 2016. - С. 329-332.
9. Шайхутдинов Д.В., Горбатенко Н.И., Широков К.М., Гречихин В.В., Ланкин А.М. Адаптивная подсистема автоматического управления производством интеллектуальных электроприводов // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - №1. URL: science-education.ru/125-20095
10. Gadyuchko A., Kallenbach E. Magnetic Measurement - New ways of functional testing in the production of magnetic actuators. Innovative small and micro drive technology. 2010. pp. 59-64.
11. Ruderman M., Gadyuchko A. Phenomenological Modeling and Measurement of Proportional Solenoid with Stroke-dependent Magnetic Hysteresis Characteristics. IEEE International Conference on Mechatronics. 2013. pp. 180185.
12. Mason A., Mukhopadhyay S. C., Jayasundera K. P., Sensing Technology: Current Status and Future Trends. Springer Science & Business Media. 2013. 273 p.
References
1. Braganecz S.A., Gol'czov A.S., Savchicz A.V. Inzhenerny'j vestnik Dona, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1912.
2. Belyaev A.I., Ovsyannikov A.Yu., Lapkovskij K.A., Dorofeev E.A. Inzhenerny'j vestnik Dona (Rus), 2014, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2015/3464.
3. Koroteev I., Zhukov V., Kasperk R. E'lektrotexnicheskie sistemy' [Electrotechnical systems]. M.: CRC Press, 2010. 268 p.
4. Sergeev V.G., Shixin A.Ya. Magnitoizmeritel'ny'e pribory' i ustanovki [Magnetic measuring instruments and installations]. M.: Energoatomizdat, 1982. 152 p.
5. Frank W. Roller Electric and Magnetic Measurements and Measuring Instruments. HardPress, 2012. 414 p.
6. Gordon A.V., Slivinskaya A.G. E'lektromagnity' postoyannogo toka [DC Electromagnets]. M.: Gosudarstvennoe e'nergeticheskoe izdatel'stvo, 1960. 447 p.
7. Slivinskaya A.G. E'lektromagnity' i postoyanny'e magnity' [Electromagnets and permanent magnets]. Uchebnoe posobie dlya studentov vuzov. M.: E'nergiya, 1972. 248 p.
8. Tatevosyan A.S., Pimonova U.V. Izdatel'stvo Omskogo gosudarstvennogo texnicheskogo universiteta, 2016. pp. 329-332.
9. Shajxutdinov D.V., Gorbatenko N.I., Shirokov K.M., Grechixin V.V., Lankin A.M. Sovremenny'e problemy' nauki i obrazovaniya. 2015. №1. URL: science-education.ru/125-20095
10. Gadyuchko A., Kallenbach E. Innovative small and micro drive technology. 2010. pp. 59-64.
11. Ruderman M., Gadyuchko A. IEEE International Conference on Mechatronics. 2013. pp. 180-185.
12. Mason A., Mukhopadhyay S. C., Jayasundera K. P., Bhattacharyya N. Sensing Technology: Current Status and Future Trends. Springer Science & Business Media. 2013. 273 p.
