Синтез многоконтурной схемы замещения линейного электромагнитного двигателя с массивным якорем на основе численного расчета нестационарного магнитного поля в комплексе программ elcut Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 6213183 А. С. ТАТЕВОСЯН

А. А. ТАТЕВОСЯН

Н. В. ЗАХАРОВА

Омский государственный

технический университет

СИНТЕЗ МНОГОКОНТУРНОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С МАССИВНЫМ ЯКОРЕМ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В КОМПЛЕКСЕ ПРОГРАММ ЕЮУТ

В статье дается решение цепно-полевой задачи расчета нестационарного магнитного поля в линейном электромагнитном двигателе с массивным якорем, возникающего вследствие переходного процесса при подключении е го обмотки к источнику постоянного напряжения при фиксированной величине р а бочего з азора, изменяющейся в пределах хода якоря. Линейные электромагнитные двигатели с массивным якорем являются неотъемлемой частью силовых электромагнитных импульсных систем, получивших широкое применение во многих областях техники, где существует необходимость генерации силовых ударных нагрузок заданной частоты, воздействующих на исполнительные органы технологических машин или обрабатываемую среду. При расчете нестационарного магнитного поля в п акете ЕЬСиТ 6.0 (профессиональная версия) учитывается осевая симметрия магнитной системы электромагнитного двигателя, вихревые токи в стали, возникающие в м ассивном якоре. Исследование переходного процесса в электрической цепи обмотки н а основе численного расчета нестационарного магнитного поля в п акете ЕЬСиТ направлено н а получение временной зависимости тока обмотки, выделения из нее с вободной составляющей и разложения затухающей кривой в экспоненциальный ряд. По операторному сопротивлению цепи устанавливаются уравнения св язи между амплитудными значениями и коэффициентами затухания экспонент, участвующих в разложении кривой тока обмотки. По ним определяются пара метры многоконтурной схемы за мещения электромагнитного двигателя с массивным якорем.

Ключевые слова: электромагнитный двигатель, массивный якорь, переходный процесс, многоконтурная схема з а мещения, ра бочий за зор, ход якоря.

Линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) Особенности импульсного питания обмотки

являются составной частью силовых электромагнит- ЛЭМД, сложная геометрия элементов магнитной

ных импульсных систем (СЭМИС), генерирующих системы при наличии в ней переменной величины

импульсы силы определенной частоты и интенсив- рабочего зазора, обусловленной движением якоря

ности, воздействующей на исполнительный орган под действием электромагнитных сил и упругих сил

машины или на обрабатываемую среду. Совпадение сжимаемой пружины, вихревые токи в массивном

параметров движения исполнительного и рабочего якоре создают большие математические трудности

органов обеспечило широкое применение СЭМИС для определения его динамических характеристик

в различных областях техники [1—4]. Якорь в ЛЭМД [4, 6, 7, 9].

может быть одновременно рабочим органом ма- Несмотря на то что работы по созданию опти-

шины: бойком в молотах, поршнем в компрессорах мальных СЭМИС и развитию их теории ведутся

и насосах, пуансоном в прессах, вытеснителем в га- давно [1—5], проблема поиска решения задачи

зовых криогенных машинах. Создание силовых, динамики ЛЭМД с массивным якорем остается до

зачастую ударных нагрузок исполнительных орга- сих пор актуальной. Появление на потребительском

нов технологических машин ведет к необходимости рынке новых пакетов прикладных программ иссле-

использования в конструкциях ЛЭМД массивного дования динамики сложных систем (пакеты БЬСиТ,

якоря, изготовленного из нешихтованного магнито- Ма1;1аЬ/81ти1тк и др.) позволяет надеяться, что

провода, предотвращающего его разрушение в про- построенная полная математическая модель дина-

цессе эксплуатации [5 — 8]. мики ЛЭМД с массивным якорем будет успешно

Рис. 1. Геометрия магнитной системы ЛЭМД втяжного типа: прямоугольный магнитопровод собран из тонких листов электротехнической стали; якорь — цельнометаллический изготовлен из стали той же марки;

8Н £ х{1) £ 5к — ход якоря, 6Н и 6К — соответственно начальный и конечный рабочий зазор;

8. —

паразитный зазор

Рис. 2. Присоединенная электрическая цепь, содержащая пассивные элементы, источник постоянного напряжения и массивный якорь

решена. Однако в настоящее время при построении модели приходится использовать упрощающие задачу допущения, при которых ее решение распадается на несколько этапов [6 — 8].

Вариант синтеза многоконтурной схемы замещения ЛЭМД с массивным якорем с последующим составлением на ее основе системы уравнений динамики СЭМИС и применения численных методов анализа для определения ее динамических характеристик представляется целесообразным [10— 13].

В данной статье предлагается методика определения параметров многоконтурной схемы замещения ЛЭМД с массивным якорем, основанная на решении задачи нестационарного магнитного поля в комплексе программ БЬСИТ 6.0 (профессиональная версия) [14] при фиксированной величине рабочего зазора, изменяющегося в пределах хода якоря.

Решение задачи рассмотрим на примере магнитной системы ЛЭМД с массивным якорем, эскиз которой показан на рис. 1.

Расчет нестационарного магнитного поля ЛЭМД с массивным якорем в комплексе программ БЬСИТ связан с необходимостью определения временной зависимости тока переходного процесса при подклю-

чении обмотки к источнику постоянного напряжения с заданием фиксированной величины рабочего зазора, изменяющейся в пределах хода якоря.

Наличие в конструкции магнитной системы ЛЭМД обмотки и якоря, выполненных в форме цилиндров, позволяет в классе модели Б1си1 задать магнитное поле осесимметричным. Насыщение стали при расчете нестационарного магнитного поля не учитывается.

В данной конструкции магнитной системы ЛЭМД (рис.1) число витков обмотки ^=500. Активное сопротивление обмотки Я = 4,5 Ом. Напряжение источника питания и = 8 В. Физические свойства используемых сред относительные магнитные проницаемости стали = 2000 и воздуха т'в =1, электропроводность стали якоря Ус =8-1060м-м, электропроводность медного обмоточного провода у м = 57-1060м-м. Паразитный зазор 80 =1мм. Фиксированная величина рабочего зазора 8 в модели изменяется в пределах хода якоря 0 £ х(£)<12мм. Значения рабочего зазора 8 в расчете заданы 2, 6 и 12 мм.

Нестационарное магнитное поле ЛЭМД моделируется в пакете БЬСИТ совместно с присоединенной электрической цепью, показанной на рис. 2.

Свойства метки блока - Магнитол ровод

TS

Общие

Магнитная проницаемость

[ij = 2DDC| 'Й-1 Относительная

Мт= 2000 .'Абсолютная

(Г] Нелинейный материал С Анизотропный материал Коэрцитивная сила магнита Координаты

Вели«ина: {] (АЛи) © Декартовы

Направление: 0 {Град} © Полярные Электропроводность (только для переходных процессов)

0

Источники поля

(См/м) О Зависит от температуры

Температура: 0

W

i= 0

(f) Плотность тока © Полное число Ампер-витков

I I Плотность тока как 1/г

[А/м2] ^ f

Проводники соединены

(§) Параллельно С Последовательно

ОК

Отмена

Справка

Свойства метки блока - Воздух

Общие |

Магнитная проницаемость

и,- Т~

Мт= 1

О Нелинейный материал Коэрцитивная сила магнита

Величина:

© Относительная О Абсолютная О Анизотропный материал

Координаты (А/м) !§} Декартовы (Град) © Полярные

Направление: О Электропроводность (только для переходных процессов)

у= о

Источники ПОЛЯ

(См/м) _] Зависит от температуры

Температура: О (К)

0

® Плотность тока © Полное число Ампер-витков

I I Плотность тока как 1А

tA/м2] ( f

Проводники соединены

@ Параллельно Последовательно

Справка

Свойства метки блока - Обмотка

Ш

Общие |

ф Относительная © Абсолютная

Магнитная проницаемость

V < I

Ит= 1

(П Нелинейный материал 0 Анизотрогный материал

Коэрцитивная сила магнита Координаты

Величина: о (А/м) ® Декартовы

Направление: 0 (Град) <£) Полярные

Электропроводность (только для переходных процессов)

у = 57DDOOOO (См/м) EJ Зависит от температуры

Температура: 0

(К)

Источники поля

(В) f

) Напряжение Полный ток

Проводники соединены © Параллельно (•) Последовательно

ОК | Отмена | [ Справка

Свойства метки блока - Якорь

Общие

Магнитная проницаемость 2000) Цт= 2000

I Нелинейный материал Коэрцитивная сила магнита Величина: о

Направление: О Электропроводность (только

Ф Относительная © Абсолютная ' I Анизотропный материал

Координаты (А/м) (о Декартовы (Град) О Полярные

у= 8000000

Источники ПОЛЯ

и- I

для переходных процессов) (См/м) П Зависит от температуры

Температура: 0

оо

] и 0

(3} Напряжение £ Полный ток

Проводники соединены Ф Параллельно (£) Последовательно

Справка

Рис. 3. Физические свойства выделенных блоков в модели ЛЭМД а — магнитопровод, б — воздух, в — обмотка, г — якорь

Рис. 4. Расчетная область с сеткой конечных элементов в пакете БЬСиТ

б

а

в

г

Рис. 5. Цветные картины нестационарного магнитного поля ЛЭМД распределения магнитной индукции по окончании времени интегрирования (слева) и временных зависимостей тока в обмотке ЛЭМД (справа) при переходном процессе для различных фиксированных значений рабочего зазора (сверху вниз)

соответственно 2, 4 и 6 мм

Обмотка ЛЭМД моделируется в пакете БЬСиТ, состоящая из 500 соединенных последовательно проводников (рис. 3).

Расчетная область модели ЛЭМД в задаче БЬСиТ ограничена прямоугольником площадью 104x54 мм2 и покрывается автоматически сеткой конечных элементов, содержащей 8886 узлов (рис. 4).

На границе расчетной области принимается условие, что функция магнитного потока у = г ■ А0 =0 Вб.

Временные параметры модели в задаче БЬСиТ заданы при условии, что максимальное время интегрирования составляет 0,1 с, шаг интегрирования 0,001 с, запоминание решения задачи каждые 0,001 с.

Результаты расчета нестационарного магнитного поля ЛЭМД при переходном процессе включения обмотки ЛЭМД на постоянное напряжение при рабочих зазорах 2, 6 и 12 мм показаны на рис. 5.

Обработка текстовых файлов временных зависимостей тока в обмотке при переходном процессе для различных значений рабочего зазора позволила

выделить из общего решения свободную составляющую тока, которую в общем виде можно представить в виде экспоненциального ряда

<1V

4=1

где 1к, 1к,к = 1,2 2, ... п определяются последовательным выделением из исходной временной зависимости свободной составляющей тока обмотки экспоненты с большим значением 1к на основе выполнения операции логарифмирования и аппроксимации функции на участке уравнением прямой линии по методу наименьших квадратов, так что функционал

р=2

1=1

4 )-Ё'кв-14

<8

принимает наименьшее значение, лежащее в пределах допустимой ошибки 8.

Рис. 6. Многоконтурная схема замещения ЛЭМД с массивным якорем

1,8 1,6 1,4 „ 1,2 ^ 1,0 §0,8 0,6 0,4 0,2

0

V 2 = 0,01 0м

,3 длях

1

20

40 60

1,мс

80 100

1,8 1,6 1.4

^ 1,0

8 0,8 0,6 0,4

0,2

0

= 0,00( м

\ 3 длях

2

V -1

20

40 60 1,мс

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0.4 0,2

100

ДЛЯ X = 0 м

А 2

,3

10 15

1,мс

20

25

Рис. 7. Временные зависимости свободной составляющей тока в обмотке: 1 — кривая, полученная расчетом нестационарного магнитного поля в пакете БЬСиТ; 2 — кривая, полученная разложением исходной кривой на сумму двух экспонент; 3 — кривая, построенная на основе аналитического расчета переходного процесса в цепи с использованием вычисленных параметров многоконтурной схемы замещения ЛЭМД

Разложение временной зависимости свободной составляющей тока обмотки на сумму экспонент позволяет записать операторное сопротивление схемы замещения

Ф) =

я\Арп + А2рп-1 +...+Апр]

(10 В! - А2)рп-1 +(10 В 2 - Аз)рп-2 +...

где Я — активное сопротивление обмотки; 10 — начальное значение свободной составляющей тока обмотки, соответствующее моменту времени f=0; А1, А2, А3 ,..., Апи В1, В2 ,..., Вп — коэффициенты, определяемые по найденным значениям амплитуд 1к и показателей степени 1к разложения свободной составляющей тока в экспоненциальный ряд.

По операторному сопротивлению синтезируется многоконтурная схема замещения ЛЭМД с массивным якорем (рис. 6).

По результатам расчета нестационарного магнитного поля в пакете ББСиТ для различных фиксированных значений рабочего зазора операция разложения свободной составляющей тока обмотки в экспоненциальный ряд позволяет представить ее в виде суммы двух экспонент (рис. 7):

1СВ(0®0,9 е+ 0,877-в-"т при 8=0,012м, то есть х=0 м.

С (£)»1,24 - в-29,4' + 0,530 -в-158' при 8 =0,006 м, ,то есть х=0,006 м.

гсв(0 ® 1,22 - в-16'2' + 0,537 - в~152' при 8 = 0,002 м,■ то есть х = 0,010 м.

Полученные временные зависимости гсв(^ позволяют по операторному сопротивлению Z(p) определить параметры двухконтурной схемы замещения ЛЭМД с массивным якорем.

Результатами расчета являются (рис. 6):

— активные сопротивления ветвей Я = 4,5 Ом, Я1 = 14,5 Ом;

— индуктивность участка цепи !1 = 0, 13 Гн;

— зависимость инверсной индуктивности участка цепи от хода якоря

Г0(х) = !-1(х) = 15,9-1100х [Гн-1],

где х — перемещение якоря (задается в метрах).

Выводы.

1. Использование цепно-полевого подхода и возможности комплекса программ БЬСиТ 6.0 (профессиональная версия) расчета нестационарного магнитного поля позволяют синтезировать многоконтурную схему замещения ЛЭМД с массивным якорем, в которой инверсная индуктивность одного из участков цепи в зависимости от перемещения якоря может быть аппроксимирована уравнением прямой линии, другие параметры цепи являются константами.

2. При разложении свободной составляющей тока обмотки ЛЭМД с массивным якорем в экспоненциальный ряд для инженерных расчетов достаточной точностью является представление кривой тока в виде суммы двух (как в рассмотренном примере) или трех экспонент, причем с ростом степени 1 к при экспоненте ее амплитуда 1к уменьшается.

Библиографический список

1. Ряшенцев, Н. П. Динамика электромагнитных импульсных систем / Н. П. Ряшенцев, Ю. 3. Ковалев. — Новосибирск : Наука, 1974. - 186 с.

2. Электропривод с линейными электромагнитными двигателями / Н. П. Ряшенцев [и др.]. — Новосибирск : Наука, 1981. — 150 с.

3. Манжесов, В. К. Динамика и синтез электромагнитных генераторов силовых импульсов / В. К. Манжесов, Н. О. Лу-кутина, Т. О. Невенчанная. — Фрунзе : Илим, 1985. — 185 с.

4. Смелягин, А. И. Синтез и исследование машин и механизмов с электромагнитным приводом / А. И. Смелягин. — Новосибирск : Изд-во Новосибирского ун-та, 1991 — 248 с.

5. Угаров, Г. Г. Анализ показателей электромагнитных ударных машин / Г. Г. Угаров, В. Ю. Нейман // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1996. — № 2. — С. 72 — 80.

+10Вп

6. Нейман, В. Ю. Анализ процессов энергопреобразования линейных электромагнитных машин с аккумулированием магнитной энергии в динамических режимах / В. Ю. Нейман // Электротехника. — 2002. — № 2. — С. 30 — 36.

7. Ковалев, Ю. 3. Исследование рабочих процессов энергопреобразования в электромагнитном приводе на заданный закон движения якоря при обеспечении максимума к.п.д. / Ю. 3. Ковалев, А. С. Татевосян, А. А. Татевосян // Омский научный вестник. — 2002. — Вып. 18. — С. 78 — 83.

8. Ивашин, В. В. Электромагнитные привода для импульсных и виброимпульсных технологий / В. В. Ивашин, А. К. Кудинов, В. П. Певчев // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 2012. — № 1. — С. 72 — 75.

9. Татевосян, А. А. Расчет оптимальных параметров электромагнитного привода колебательного движения / А. А. Та-тевосян, А. С. Татевосян // Известия ТПУ. — 2014. — Т. 325, № 4. — С. 121 — 132.

10. Татевосян, А. С. Анализ процессов энергопреобразования в электромагнитных механизмах с массивным сердечником при заданном законе движения / А. С. Татевосян, А. А. Та-тевосян, Н. В. 3ахарова // Динамика систем механизмов и машин : материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. — Омск, 2002. — С. 205 — 207.

11. Татевосян, А. С. Математическое моделирование электромагнитных двигателей с массивными сердечниками / А. С. Татевосян, Ю. 3. Ковалев, В. А. Ощепков // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 1992. — № 2. — С. 38 — 44.

12. Татевосян, А. С. Синтез многоконтурной семы замещения электромагнитных двигателей / А. С. Татевосян, В. А. Ощепков // Динамика электрических машин : сб. науч. тр. — Омск : Изд-во ОмПИ, 1985. — С. 136—140.

13. Татевосян, А. С. Программное обеспечение по исследованию моделей электромагнитных устройств / А. С. Татевосян, А. А. Татевосян // Омский научный вестник. — 2001. — Вып. 14. — С. 133 — 135.

14. БЬСиТ. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Руководство пользователя. Версия 6.0. — М., СПб. : ПК ТОР, 2013. — 293 с.

ТАТЕВОСЯН Александр Сергеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теоретической и общей электротехники. ТАТЕВОСЯН Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электрической техники, декан энергетического института.

ЗАХАРОВА Наталья Васильевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры машиноведения.

Адрес для переписки: ast_51@mail.ru

Статья поступила в редакцию 03.10.2016 г.

©А. С. Татевосян, А. А. Татевосян, Н. В. Захарова

удк 621311 Т. Д. ГЛАДКИХ

Тюменский индустриальный университет, филиал, г. Нижневартовск

ПОДХОД

К УПРАВЛЕНИЮ ОБСЛУЖИВАНИЕМ ЭЛЕКТРОСЕТЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ_

Предложен способ корректировки периодичности технического обслуживания и ремонта оборудования электрических сетей нефтепромысловый потребителей на основе качественной оценки риска. Риск определяется вероятностной составляющей отказов и тяжестью их последствий. Вероятность отказа электрооборудования определяется с использованием теории нечетких множеств через оценку статистической вероятности отказа, технического состояния и условий ра боты электрооборудования. Тяжесть последствий отказов оборудования электрических сетей с в язана с недоотпуском продукции (нефти, жидкости). Предложенный подход позволяет облегчить организационную работу эксплуатирующих организаций по уменьшению или устранению последствий отказов в нефтепромысловых электрических сетях.

Ключевые слова: риск, техническое состояние, вероятность отказа, нефтепромысловые электрические сети.

<5

< Одним из важных направлений повышения эф- надежности электроснабжения. Одним из способов

фективности и безопасности работы нефтегазодобы- поддержания требуемой надежности электрических

вающих предприятий (НГДП) является бесперебой- сетей является выполнение графиков ППР электро-

ное снабжение электрической энергией нефтепро- сетевого оборудования (ЭСО). Нормативы периодич-

мысловых потребителей. ности технического обслуживания (ТО) и ремонта

Основные потребители электроэнергии нефтяных ЭСО приведены в [1] и не учитывают условия эксплу-

месторождений относятся к первой категории по атации (климатические, неравномерность износа,