CC BY
28
Literatura
1. YAsinskij F.N., Guyumdzhyan P.P., Dmitrieva L.A. Nekotorye obobshcheniya eksperimental'nyh issledovanij udarnogo razrusheniya hrupkih materialov. // XII Benardosovskie chteniya. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. - Ivanovo, 2005.147pp.
2. Levdanskij A.E., Levdanskij E.I., Vil'kockij A.I. Energosberegayushchaya tekhnologiya proizvodstva krupy // Belorusskoe sel'skoe hozyajstvo. - 2002. - №3.-P.41-42.
3. Matijevic E. Nanosize Precursors as Building Blocks for Monodispersed Colloids // Kolloidnyj zhurnal. - 2001. - T. 69.- №1. - P. 33-42.
4. Ametistov E.V., Dmitriev A.S. Novaya otrasl' nauki i praktiki - monodispersnye tekhnologii // Vestnik RAN.- 2001.- T.- 71.- №9.- 818 p.
5. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Mekhanoaktivatory agropromyshlennogo kompleksa. Analiz, innovacii, izobreteniya // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. - 2014. - №5 (chast' 1). - P. 182 - 183.
6. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie selektivnosti processa izmel'cheniya v elektromagnitnyh mekhanoaktivatorah: monografiya. - SPb.: SPbGAU, 2016. 248 s.
7. Maksvell D.K. O Faradeevyh silovyh liniyah. - M., 1907. - 185 pp.
УДК 624.313 DOI 10.24411/2078-1318-2019-12142
Доктор техн. наук А.П. ЕПИФАНОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, emeo.kaf@yandex.ru) Ассистент Д.Б. КРИЛЬ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, bruder_dan@mail.ru)
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НИЗКОСКОРОСТНЫХ ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОНОРЕЛЬСОВЫХ
ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
В сельском хозяйстве имеется ряд технологических процессов, в которых рабочий орган агрегата совершает линейные перемещения или возвратно-поступательные движения (ленточные транспортёры, сортировальные машины, зернотранспортёры, кормораздатчики). Как было показано в [1,2,3], для привода рабочих органов в этих механизмах рационально применение линейных асинхронных двигателей (ЛАД). Однако в некоторых процессах (транспортировка, кормораздача, сбор урожая в теплицах) требуется низкая скорость перемещения рабочего органа (транспортного средства).
В настоящее время это достигается путём совмещения вращающегося асинхронного двигателя и различного рода передач (зубчатых, фрикционных, ременных), понижающих скорость (редукторы). Данный способ имеет ряд недостатков: 1) передача тягового усилия трением; 2) пробуксовка отдельных узлов (ведущие ролики, ремни, шкивы); 3) усложнённая кинематическая схема; 4) зависимость коэффициента сцепления от состояния путевой структуры.
Предлагались варианты сельскохозяйственных агрегатов, в которых низкие скорости достигались применением ЛАД (рис. 1). Благодаря конструктивным особенностям, ЛАД, помимо возможности успешного совмещения вторичного элемента (или индуктора) с рабочим органом, лишён недостатков, присущих классическому приводу. Однако низкие скорости приводят к снижению энергетических показателей (r|, COS <р) электродвигателя и механизма в целом.
Рис. 1. Виды с.-х. агрегатов с приводом на базе ЛАД: а) решетный стан для очистки зерна; б) инерционный конвейер для транспортировки влажного сахара в) тяговый модуль монорельсовой транспортной системы; г) поперечный разрез модуля
Действительно, эти показатели определяются как [6,7]:
Р2 М-(о Л = = --(1)
Р1 М-<о+ЛРзл1 + ЛРзл2+ЛРРе
Отсюда видно, что при М = и при снижении угловой скорости вращения со,
полезная мощность Р2 снижается, а потери в обмотках машины (ДРэл1 -Ь ДРэл2) не изменяются, что приводит к снижению КПД .
Для коэффициента мощности справедливо [9]:
Р1
СО 5 (р — | (2)
Р1+(}1
При несинусоидальных формах напряжения и тока:
Р1
X , , (3)
где Т - мощность искажения (по характеру - реактивная).
Питание электродвигателя от преобразователя частоты (ПЧ) (рис. 2) приводит к дополнительным потерям и снижению г| и х, связанным с потерями в вентилях, потерями от токов высших гармоник, искажением формы II И / и режимами работы. Энергетические показатели привода в большей степени определяются п, поскольку х может быть повышен за счет применения различных мероприятий по компенсации реактивной мощности [5].
соаф
-f_l=50 Гц
f_l=25 Гц
2,5 3 3,5 4 4,5 5
Ток двигателя, Ii
Рис. 2. Зависимость коэффициента мощности от загрузки АД при питании от ПЧ
Снижение п и х в низкоскоростных двигателях рассматривалось в [6,7,8]. Несмотря на это, вопрос повышения эффективности таких машин остаётся актуальным и на сегодняшний день.
Исходя из рассмотрения физических процессов и анализа теории электрических машин (вращающихся и линейных), можно сформулировать несколько путей решения вопроса повышения эффективности ЛАД:
— выбор рациональных значений конструктивных параметров (5; d2", Yz'r Л)>
— новые конструктивные исполнения вторичного элемента (короткозамкнутая клетка, шлицованная реактивная шина), (рис. 3);
— максимально возможное уменьшение немагнитного зазора: А = ör + d2-
В низкоскоростных ЛАД концевые эффекты оказывают слабое влияние на КПД, поэтому их можно не учитывать. Для каждого из предложенных выше вариантов следует учитывать, что при разработке ЛАД существуют ограничения:
1) по скорости (min < 2 ■ т ■ < max),
2) по зазору (min < ö < max),
3) по материалу РШ (min <у2< max),
as т 2с
4) по отношению - и — > min,
5 т
5) по технологии изготовления.
Цель исследования - поиск и анализ наиболее доступных и эффективных способов повышения энергетических характеристик в низкоскоростных ЛАД.
Рис. 3. Различные исполнения вторичной структуры: а) однородная изотропная проводящая шина; б) составная шина с магнитопроводящим элементом; в) шлицованная шина; г) развёрнутая «беличья» клетка
Материалы, методы и объекты исследования. Объект исследования -полномасштабный макет монорельсовой транспортной системы с низкоскоростным ОЛАД с массивным обратным магнитопроводом. Предмет исследования - влияние конструктивных особенностей индуктора и ВЭ ОЛАД на его тягово-энергетические показатели.
Для установления количественных соотношений были выполнены расчётно-теоретические исследования. Расчёт параметров и интегральных характеристик ЛАД выполнялся по методике (рис. 4) [4], базирующейся на рассмотрении трёхмерного электромагнитного поля в зазоре и РШ. В результате расчёта получены зависимости усилий, мощностей, г| и COS <р в функции скольжения s. Как было показано в [9], данная методика наилучшим образом учитывает физические процессы в машине, что обеспечивает высокую сходимость экспериментальных и теоретических данных (расхождение не более 5%) [3,9].
а)
f(x,t)=Fj<M1
V-
1
0,8 зе^ a<\z\<0,5L
7
Рис. 4 Трехмерная расчётно-математическая модель: а) общая схема; б) продольный разрез (по оси х); в) распределение МДС по оси х; г) распределение МДС по поперечной оси ъ. Для построения и анализа характеристик был выбран ЛАД со следующими параметрами:
Индуктор: исполнение - односторонний; обмотка - однослойная; 2 с = 0,12 м;
г = 0,12 м; А1 = 50000 ]л = 5000000 2р = 4; А = 10 Гц
Вторичный элемент: изотропная проводящая шина; Ь = 0,2 м; д.2 = 2 и 4 мм; у2Си = 5,7 ■ 107 —; у2й' = 11,4- Ю7 —; ц2 = 1; й2 = 9 мм; ^ = 400 [8,9].
м м
Воздушный зазор: 5 = 1 мм Результаты исследования:
Полученные характеристики представлены на рис. 5 и 6.
¿2 = 2 мм й2 = 4 мм
Рис. 5. Графики зависимости силы тяги от скольжения при различных электропроводности и толщины ВЭ
a.: IJ,3 с» tu до о.'
Скольжение
d7 = 2 мм
0Д 0,25 о,з о,»
Скольжение d7 = 4 мм
Рис. 6. Графики зависимости КПД и cos (р от скольжения при различных электропроводности и толщины ВЭ
-COS (р
— V
Рис. 7. Графики зависимости КПД и cos (р от удельной электропроводности ВЭ
Видно, что КПД быстро растёт и достигает максимального значения при скольжении s = 0,2; при этом 7j = (0,493 — 0,53) и cos <р = (0,59 - 0,773) прий2 = 2мми = \ 0 --2 - 0 -о ) Л ::Oi ^ = 0 i:':L\5 - О У-о ) г;:: Л -V: = - мм. Следует отметить,
мм.
что электропривод кормораздатчика с вращающимся АД имеет }] = (0,45— 0,55) [3]. При увеличении 8 до 2 мм тягово-энергетические характеристики ухудшаются: = 'Л) -07 - 0 ;i = \0 öö - 0 S I- ) То же самое происходит при
увеличении толщины шины d2 = (3 — 4) ММ. Очевидно, что для данной модификации ЛАД значения 8=1 мм и d2 = 2 ММ являются наилучшими.
Также выполнены расчёты для случая с полюсным делением: Г = 0,06м и f = j Ü „ U. Однако при прочих равных условиях это привело к ухудшению характеристик: г; = (0,373 - 0,298) и cos <р = (0,741 - 0,606) при d2= 2 мм и ц = (0,249 - 0Д98) и cos <р = (0,704 — 0,696) при d2 = 4 мм. Это происходит по причине снижения удельных показателей: возрастание потерь в обмотке индуктора; уменьшение магнитного потока на полюс. Очевидно, что это не способствует достижению поставленной задачи.
Что касается вторичного элемента (ВЭ), то предложено выполнить его в виде короткозамкнутой клетки (КЗК) (рис. 8) со следующими параметрами: с, = 20 мм;
Ьп = 12 мм; Ь3
8 мм; ¡и
25 мм; 1Я = 480 мм; у/ = 5,7 ■ 107 — (Си); 7/ = 3,5 ■ 107 -
М М
(А1). Отсюда 5СТ = ¡1П ■ = 12 ■ 25 = 300 мм2. В результате того, что РШ уложена в пазах обратного магнитопровода, в расчётах клетка заменяется сплошной шиной толщиной :"■ - = I мм, но при сохранении интегральной электропроводности и общего немагнитного зазора. Тогда, при заданном условии у2 будет определяться следующим выражением [10]:
См
п
_ 2-72-5,
(4)
При этом получается:
гХСи) =
гИЩ =
2'5,7'107' 0,3-10 3 10_а ■2■ 10_а 2'Э,5Д07' 0,ЭД0_а
ОД 2
0,12 '0.625 ■ 0,06 ОД 2
= 130,3-107
См
См
-=80- 107 0Д2 '0.625 ■ 0.06 м
(6)
10_а ■2■ 10_а
При анализе процессов в электрических машинах необходимо учитывать их тепловое состояние; полученные проводимости были приведены к рабочей температуре ^■■пай т -V Для меди коэффициент увеличения омического сопротивления на 1°С
1Э0Д107
^ для алюминия =47-нг1 -. югда V- _ II и» "1.1= —
'раб.шддг
а = 4,3 ■ 1СГ3 -; для алюминия = 4,2 - Ю-3Тогда у' (100 =
--г ' "С ¡2 Си У V 1+4,3-Ю-Зш 102
801107
= 91,12 ■ 107 —; И У2А1 (10010 =
1+4,2 ■ 10_а ■ 102
= 5ь 34 - Ю"
м
5
Ж
/ Си '
/Си/
У/
/ Си/ /
я
/ Си /
/л
/ Си У
%
/
/Си/
уА
/ Си/
Си/
/л
/ Си/ /
Р еггит
Рис. 8. Вторичный элемент в виде короткозамкнутой клетки
0 0,05 ОД 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
Скольжение
Рис. 9. Графики зависимости КПД ЛАД от скольжения при различных исполнениях ВЭ
Полученные характеристики представлены на рис. 9. Видно, что значения
ï; = {0,569(Си) - 0,506(j4î)} и cos = {0,672(Си) - 0,547(^0} являются
приемлемыми для данной конфигурации конструктивных параметров (г = 0,06 М; Д = 17 Гц; 5 = 1 MM; d'2 = 1 мм). Наряду с этим был проведён расчёт для Г = 0,045 M; fi= 22 Гц, однако он показал ухудшение показателей:
ï; = {0,446(Си) -н 0,382040}.
Выводы:
1. Обычно характеристики ЛАД ухудшаются по причине увеличенного воздушного зазора, который может быть в несколько раз больше, чем у вращающихся асинхронных машин. Он приводит к увеличению намагничивающего тока ït, при этом г| и COS <р
снижаются (г| - по причине снижения индукции магнитного поля в зазоре В g, a COS <р - по причине роста индуктивного сопротивления рассеяния Ха1). Но, в свою очередь, 5 является ограничивающим параметром: ômi71 = (1 — 1,5)мм для подобного класса машин.
2. Полученные в результате расчётов зависимости показывают, что исполнение ВЭ в виде короткозамкнутой клетки обеспечивает наилучшие энергетические показатели для данного ЛАД.
3. В таких расчётах необходимо учитывать тепловое состояние машины, соответствующее её режиму работы.
4. Помимо предложенных и рассмотренных выше вариантов нельзя оставлять без внимания и другие способы повышения энергетических показателей. Сюда можно отнести замену одностороннего индуктора на двухсторонний.
Литература
1. Туктаров М.Ф. Электропривод решётного стана зерноочистительной машины на базе плоского линейного асинхронного двигателя: дис... канд. техн. наук/ БГАУ. - Уфа, 2013.
2. Акчурин С.В. Инерционный конвейер влажного сахара со звеном предварительного разгона линейного асинхронного электропривода: дис. канд. техн. наук/ БГАУ. - Уфа, 2013.
3. Самсонов Ю.А. Совершенствование монорельсовых внутренних транспортных систем предприятий агропромышленного комплекса путём применения линейного асинхронного двигателя: дис. канд. техн. наук/ СПбГАУ. - СПб, 2014.
4. Епифанов А.П. Научные основы создания тяговых линейных асинхронных двигателей: дис.доктора техн. наук: 05.09.01/ СПбГТУ. - СПб,1992.
5. Поляков Б.А. Конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 232 с. (с черт.)
6. Вольдек А.И. Электрические машины. - М.: Энергия, 1966. - 782 с.
7. Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Особенности расчёта характеристик линейного асинхронного двигателя с массивным магнитопроводом //Электричество. - 1983.- №8. - С. 65-67.
8. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 180 с.
9. Епифанов А.П., Криль Д.Б. Особенности расчёта характеристик и выбора параметров односторонних линейных асинхронных двигателей с массивным обратным магнитопроводом// Электроэнергетика и электрооборудование сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения: сб. науч. трудов международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава.- Ч. I. / СПбГАУ. -СПб., 2018.
Literatura
1. Tuktarov M.F. Elektroprivod reshyotnogo stana zernoochistitel'noj mashiny na baze ploskogo linejnogo asinhronnogo dvigatelya: dis. kand. tekhn. nauk/ BGAU. - Ufa, 2013.
2. Akchurin S.V. Inercionnyj konvejer vlazhnogo sahara so zvenom predvaritel'nogo razgona linejnogo asinhronnogo elektroprivoda: dis... kand. tekhn. nauk/ BGAU. - Ufa, 2013.
3. Samsonov YU.A. Sovershenstvovanie monorel'sovyh vnutrennih transportnyh sistem predpriyatij agropromyshlennogo kompleksa putyom primeneniya linejnogo asinhronnogo dvigatelya: dis. kand. tekhn. nauk/ SPbGAU. - SPb, 2014.
4. Epifanov A.P. Nauchnye osnovy sozdaniya tyagovyh linejnyh asinhronnyh dvigatelej: dis. doktora tekhn. nauk: 05.09.01/ SPbGTU. - SPb,1992.
5. Polyakov B.A. Kondensatornye ustanovki dlya povysheniya koefficienta moshchnosti. - M.-L.: Gosenergoizdat, 1962. - 232 s. (s chert.)
6. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny. - M.: Energiya, 1966. - 782 s.
7. Konyaev A.YU., Sarapulov F.N. Osobennosti raschyota harakteristik linejnogo asinhronnogo dvigatelya s massivnym magnitoprovodom //Elektrichestvo. - 1983. - №8. - S. 65-67.
8. YAmamura S. Teoriya linejnyh asinhronnyh dvigatelej. - L.: Energoatomizdat, 1983. - 180 s.
9. Epifanov A.P., Kril' D.B. Osobennosti raschyota harakteristik i vybora parametrov odnostoronnih linejnyh asinhronnyh dvigatelej s massivnym obratnym magnitoprovodom// Elektroenergetika i elektrooborudovanie sel'skih territorij: sostoyanie, problemy i puti resheniya: sb. nauch. trudov mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii professorsko-prepodavatel'skogo sostava.- CH. I. / SPbGAU. - SPb., 2018.
УДК 553.981.2.1 Б01 10.24411/2078-1318-2019-12150
Канд. техн. наук Р.Т. ХАКИМОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ)
Чл.- кор. РАН, доктор техн. наук, проф. О.Н. ДИДМАНИДЗЕ
Канд. техн. наук Е.П. ПАРЛЮК (ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАНОВОГО ЧИСЛА СОСТАВА СЖИЖЕННОГО
ПРИРОДНОГО ГАЗА
Природный газ представляет собой многокомпонентный состав из органических составляющих: метан - СН4; этан - С2Н5; пропан - С3Н8; бутан - С4Н10; и т.д. и неорганических компонентов: - водород (в небольших количествах) - Н2; углекислый газ -СО2; азот - N2; сероводород - H2S и т.д. [2].
Изучение компонентного состава различных топлив, в основном нефтяных, проводились еще в 1962 году в работах И.И. Вибе, где автор рассматривал закономерности характера скорости сгорания в двигателях на основании общих уравнений скорости цепных химических реакций. В 1974 году авторами [1] подробно представлен расчет октановых чисел бензиновых смесей. Анализ проведенной работы показал, что многокомпонентные смеси, состоящие из 4 - 5 и более компонентов, обладают различной детонационной стойкостью.
Цель исследования. В данной работе представим взаимосвязь октанового числа природного газа с процессом тепловыделения в газовом двигателе.
Согласно источнику [3] на практике расчетное октановое число (ОЧ) смесей рассчитывают по правилу аддитивности, т.е. сумма произведений каждого компонента на долю его в смеси. Данное уравнение имеет вид:
очр = ЕГ=1&-*с, а)
