Возбуждение серией импульсов линейного импульсного преобразователя электродинамического типа, работающего в силовом и скоростном режимах

Болюх Владимир Федорович; Щукин Игорь Сергеевич

Електричнi машини та апарати

УДК 621.313:536.2.24:539.2 ^к 10.20998/2074-272Х.2020.4.01

В.Ф. Болюх, И.С. Щукин

возбуждение серией импульсов линейного импульсного преобразователя электродинамического типа, работающего в силовом и скоростном режимах

Представлена математична модель лжшного ¡мпульсного перетворювача електродинам1чного типу (Л1ПЕТ), в якш ршення р1внянь, що описують взаемопов 'язан електричт, магттн1, механ1чт та теплов1 процеси, подан1 в рекурен-тному виглядь Дослджено електромехашчш Ь електродинам1чш характеристики Л1ПЕТ при робот1 в швидтсному режимц що забезпечуе прискорення обмотки якоря з виконавчим елементом, та в силовому режим1 при загальмованш обмотц1 якоря. Показано, що при збудженн одиночным шпульсом Л1ПЕТ, який працюе в швидтсному режимц в пор1-внянш з силовим режимом, в1дбуваеться зменшення амплтуди струму в обмотках на 7,5 %, амплтуди електродина-м1чних зусиль (ЕДЗ) - на 21,8 %, значення ¡мпульсу ЕДЗ - на 27,1 %. При цьому обмотка якоря з виконавчим елементом розганяеться до швидкост 7,1 м/с. При збудженн1 сер1ею ¡мпульав в1д однакових секцш емн1сного накопичувача енерги (СНЕ) та робот1 Л1ПЕТ в силовому режим1 амплтуди ¡мпульав струму Ь ЕДЗ практично незм1нн1, а при робо-т1 в швидтсному режим1 в1дбуваеться послдовне зменшення цих амплтуд. Збтьшення тлькост тпульсш збуджен-ня при збереженж енерги СНЕ призводить до зменшення основних показнитв Л1ПЕТ. Але за рахунок зменшення амплтуди ЕДЗ, яка проявляешься як сила в1ддач1, ефективнкть Л1ПЕТ збтьшуеться. Для Л1ПЕТ, що працюе в швидтсному режим1, запропоновано зменшення максимальних амплтуд струму Ь ЕДЗ за рахунок посл1довного збтьшення емностей секцш СНЕ, ят формуют серп Шпульав збудження. Для Л1ПЕТ, що працюе в силовому режим1 доцтьно використовувати однаков1 емност всгх секцш СНЕ. Бiбл. 22, рис. 9.

Ключовi слова: лшшний iмпульсний перетворювач електродинамiчного типу, математична модель, швидюсний i силовий режим роботи, збудження серieю iмпульсiв, сила ввддач^ критерш ефективность

Представлена математическая модель линейного импульсного преобразователя электродинамического типа (ЛИПЭТ), в которой решения уравнений, описывающих взаимосвязанные электрические, магнитные, механические и тепловые процессы, представлены в рекуррентном виде. Исследованы электромеханические и электродинамические характеристики ЛИПЭТ при работе в скоростном режиме, обеспечивающем ускорение обмотки якоря с исполнительным элементом, и в силовом режиме, когда обмотка якоря заторможена. Показано, что при возбуждении одиночным импульсом ЛИПЭТ, работающего в скоростном режиме, по сравнению с силовым режимом происходит уменьшение амплитуды тока в обмотках на 7,5 %, амплитуды электродинамических усилий (ЭДУ) - на 21,8 %, значения импульса ЭДУ - на 27,1 %. При этом обмотка якоря с исполнительным элементом разгоняется до скорости 7,1 м/с. При возбуждении серией импульсов от одинаковых секций емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) и работе ЛИПЭТ в силовом режиме амплитуды импульсов тока и ЭДУ практически неизменны, а при работе в скоростном режиме происходит последовательное уменьшение амплитуд токов и ЭДУ. Увеличение количества импульсов возбуждения при сохранении энергии ЕНЭ приводит к уменьшению основных показателей ЛИПЭТ. Но за счет уменьшения амплитуды ЭДУ, которая проявляется как сила отдачи, эффективность ЛИПЭТ увеличивается. Для ЛИПЭТ, работающего в скоростном режиме, предложено уменьшение максимальных амплитуд тока и ЭДУ за счет последовательного увеличения емкостей секций ЕНЭ, формирующих серии импульсов возбуждения. Для ЛИПЭТ, работающего в силовом режиме, целесообразно использовать одинаковые емкости всех секций ЕНЭ. Библ. 22, рис. 9. Ключевые слова: линейный импульсный преобразователь электродинамического типа, математическая модель, скоростной и силовой режим работы, возбуждение серией импульсов, сила отдачи, критерий эффективности.

Введение. Линейные импульсные преобразователи электродинамического типа (ЛИПЭТ) широко используются для разгона исполнительного элемента (ИЭ) до высокой скорости на коротком активном участке и для создания мощных силовых импульсов на объект воздействия при незначительном перемещении ИЭ [1-3]. Такие преобразователи, работающие как в скоростном, так и в силовом режимах, широко используются во многих отраслях науки и техники в качестве электромеханических ускорителей ИЭ и ударно-силовых устройств [4, 5].

Как показывает анализ, ЛИПЭТ обладают повышенными силовыми и скоростными показателями по сравнению с преобразователями индукционного и электромагнитного типов, которые также широко используются для аналогичных применений [6].

В преобразователе индукционного типа якорь выполнен в виде одно- или многовитковой коротко-замкнутой обмотки, в которой индуцируется ток от

обмотки индуктора. Однако из-за фазового сдвига между токами в обмотках индуктора и якоря помимо электродинамических усилий отталкивания возникают и паразитные силы притяжения. Вследствие этого эффективность такого преобразователя снижается [7].

У преобразователя электромагнитного типа якорь выполнен ферромагнитным и на него со стороны обмотки индуктора действует электромагнитная сила притяжения. Однако из-за физических свойств ферромагнетика в таком преобразователе электромагнитные процессы носят замедленный характер с относительно невысокими амплитудами сил. Это также обуславливает низкую эффективность преобразователя электромагнитного типа, особенно при работе в скоростном режиме [8].

ЛИПЭТ содержит подвижную обмотку якоря (ОЯ), которая электродинамически взаимодействует с неподвижной обмоткой индуктора (ОИ) [9, 10]. Эти

обмотки, как правило, соединены последовательно и возбуждаются от емкостного накопителя энергии (ЕНЭ). Поскольку обе обмотки намотаны встречно по магнитному полю, то между ними возникают электродинамические усилия (ЭДУ) отталкивания. Обмотки ЛИПЭТ выполнены многовитковыми в форме дисков, коаксиально установленных друг напротив друга (рис. 1).

Рис. 1. Схема ЛИПЭТ: 1 - ОИ, 2 - ОЯ, 3 - ИЭ, 4 - упор, 5 - ЕНЭ

В скоростном режиме работы под действием ЭДУ отталкивания ОЯ вместе с ИЭ аксиально перемещаются относительно ОИ вдоль оси г со скоростью уг. Однако эти же ЭДУ воздействует и на ОИ, что приводит к возникновению силы отдачи ЛИПЭТ. Сила отдачи негативно влияет на функционирование преобразователя во многих технических объектах и системах, снижая их механическую надежность. Для ряда применений, например, клепального, долбежного, маркировочного и иных ручных ударных инструментов, для пусковых систем, например, катапульт для беспилотных летательных аппаратов, различных автономных пускателей и др. сила отдачи негативно воздействует как на само устройство, так и на обслуживающий персонал [11]. Особенно негативно сила отдачи проявляется в различных измерительных устройствах. Так, в баллистическом лазерном гравиметре, предназначенном для измерения ускорения свободного падения, используется электромеханическая катапульта, которая обеспечивает вертикальное подбрасывание ИЭ - уголкового оптического отражателя [12]. Этот отражатель является составной частью измерительной системы лазерного интерферометра Майкельсона. Возникающая при подбрасывании ИЭ сила отдачи вызывает автосейсмические колебания, которые снижают точность измерения ускорения свободного падения [13].

В последнее время появились исследования линейных импульсных электромеханических преобразователей, для возбуждения которых от ЕНЭ используются различные формы импульсов тока, формируемые электронными устройствами [14]. Интерес представляет возбуждение линейного электромеханического ускорителя индукционного типа со сверхпроводящими магнитами серией прямоугольных импульсов [15, 16]. Данная система возбуждения используется для рекуперации части энергии в источнике питания.

Известен способ возбуждения линейного электромеханического ускорителя индукционного типа серией последовательных импульсов от секций ЕНЭ [17]. Однако в этом ускорителе каждая секция ЕНЭ

подключается к своей секции ОИ, которые смещены друг относительно друга вдоль оси перемещения электропроводящего якоря. Однако если ОИ выполнена несекционированной, то такая система не решает задачу уменьшения силы отдачи.

Таким образом, снижение амплитуды ЭДУ, проявляющихся в виде силы отдачи, при выполнении ЛИПЭТ своих функций в скоростном и силовом режимах, является актуальной задачей.

Целью статьи является повышение эффективности ЛИПЭТ при работе в скоростном и силовом режимах за счет уменьшения амплитуды силы отдачи путем возбуждения его обмоток серией импульсов от секций ЕНЭ.

Для возбуждения ЛИПЭТ от ЕНЭ используем однополупериодный полярный импульс, формируемый пусковым тиристором УЗ, полагая, что его сопротивление в прямом направлении пренебрежимо мало, а в обратном направлении его проводимость столь же мала. Заметим, что при таком импульсе возбуждения к концу рабочего цикла часть энергии сохраняется в ЕНЭ, что позволяет ее дальнейшее использование [18, 19].

Математическая модель ЛИПЭТ. Рассмотрим математическую модель ЛИПЭТ, в которой используются сосредоточенные параметры активных элементов - ОИ и ОЯ. Такая модель позволяет оперативно осуществлять расчет показателей ЛИПЭТ при возбуждении серией последовательных импульсов. Для учета взаимосвязанных электрических, магнитных, механических и тепловых процессов, а также ряда нелинейных зависимостей решения уравнений, описывающих указанные процессы, представим в рекуррентном виде. При расчете рабочий процесс разбиваем на ряд численно малых интервалов времени Д/ = 4+1 - 4, в пределах которых все величины считаем неизменными. При таком подходе для определения тока возбуждения и напряжения ЕНЭ на расчетном интервале времени Д/ можно использовать линейные уравнения и соотношения.

Электрические процессы в ЛИПЭТ при возбуждении одиночным токовым импульсом от ЕНЭ можно описать уравнением [7]:

[[(71) + ВД)] • I + + И = 0, ис (0) = и0, (1)

м с0 ■> 0 0

где п = 1,2 - индексы ОИ и ОЯ соответственно; Яп, Тп - активное сопротивление и температура п-ой обмотки соответственно;. / - ток ОИ и ИЯ; С0 - емкость ЕНЭ, заряженного до напряжения и0; ис - напряжение ЕНЭ;

-£- = [[ " 2Ми(г) + ¿2] 2^(/)- 12 •

Л/

а/

(2)

где Ьп - индуктивность п-ой обмотки; М12(г) - взаимная индуктивность между ОИ и ОЯ, перемещаемой вдоль оси г со скоростью Уг.

На численно малом интервале времени Д/ полагаем, что все функциональные зависимости неизменны: ВД) = ЯЬ Я2(Т2) = Я2, МЖ) = Ми, Уг(0 = уг.

Подставляя уравнение (2) в (1) получаем:

Ri + R2 - 2vz

dM,

12

dz

• i + [Zi-2Mi2 + L2 ]] +

dt

1 d

--idt

C0 J

(3)

= 0.

где «i2 =-0,5 — +

0,25| — | — 1

CoS

0,5

характеристического уравнения; A1, A2 - произвольные постоянные;

S = Li - 2Mi2 + L2;

— = Ri + Я2 - 2vz

dM,

i2

dz

i(tk)

¡•(«2 -«1)

■[2 exp(c«At)- «i exp^At)]. «2 - «i Напряжение на ЕНЭ:

uc (tk+1) = UC (tk) + &'l(tk) [«2 exp«.) - «i exp(«2 At)] + «2 - «i

го уравнения представим в виде:

«1,2 =S± j^i = ®0 exp(/[ + в))

Uc (tk+i) = [uc (tk) - i(tk )sS + 0• i(tk )](SAt +1)> x exp(- SAt)+i(tk )(SS - —).

(12)

Решение уравнения (3) будем искать в виде:

i = A1 exp(«t) + A2 exp(a2t), (4)

Величину перемещения ОЯ с ИЭ относительно ОИ можно представить в виде рекуррентного соотношения:

К ('к+1) = К ) + у2 )А' + 3 ■ М V( + ш2 ) ,(16) где у2 ((к+1) = у2 ((к) + 3 ■ М/(ша + ш2) - скорость ОЯ с

- корни

ИЭ;

3 = fz (z, t) - KTVz (tk) - 0,125^a^dVz (tk);

fz (z, t) = i 2(tk)

dM,

12

dz

(z) - мгновенное значение акси-

Если 0 > 2^ЗС- , то после ряда преобразований получаем выражения для произвольных постоянных в момент времени 4:

А = ис Ук) +00 ■ Кк) + «2,1З ■' (к) (5)

1,2 Зехр(«1,2'к Х«2,1 "«1,2) '

Подставляя выражения (5) в уравнение (4), получаем выражение для тока в рекуррентном виде:

'"('к+1) = иС+ 0-) [ехр(«хМТ)-ехр^М)]+

альных ЭДУ между обмотками; ш2, ша - масса ОЯ и масса ИЭ соответственно; к2 - величина перемещения ОЯ с ИЭ; КТ - коэффициент динамического трения; уа - плотность среды перемещения; Д - коэффициент аэродинамического сопротивления; Бг2 - наружный диаметр ИЭ.

При работе ЛИПЭТ в силовом режиме между ОИ и ОЯ существует тепловой контакт через изоляционную прокладку. Температуру п-ой обмотки ЛИПЭТ при этом можно описать рекуррентным соотношением [20]:

)(р2еп - ) +

(6)

Tn(tk+1) = Tn(tk)Í+ (1 -í[-1f2('k)Rn(TnP -P2

+ 0,25 [T0PenHnaTn + Tm (tk )Xa (TК x {0,25[«TnPenHn +Xa(T)d- ^ ,

At

,(17)

где % = exp<! -

cn(Tn )Yn

0,25Pen«Tn + la (T)

daHn J

(7)

З '('к) «« ехр{аМг) - «« ехр(«2 АГ) I «2 " «1

Если 0 < 2^ЗС-1 , то корни характеристическо-

(8)

где 8 = О,50З_1; в = аг^(4з0~2С-1 -1)0,5;

«о = (ЗС0)-0,5; ©1 = (з-Оо-1 -О.2502З"2)0,5.

Подставляя значения корней (8) в уравнение (6) и учитывая, что

2 ] ът^М^ = ехр(]а1м) - ехр(- ]а1м), получаем:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

'('к+1) = -©Г1 ехр(- М )|з"1 [с Ск) + 0■ '('к)] х ът(©>1М)+©0'('к) вт^М - в). Напряжение на ЕНЭ при этом:

ис ('к+1) = -©0©-1 ехр(-¿М^ис Ук) + 0■ '('к )]х

х 8ш(©1 А/ - в) + '('к ©З 8ш(©М/ - 2в)

Если 0 = 2^ЗС-1 , то б = ©0 и ток равен: '('к+1) = ехр(- 8м)м\('к )б - З"1 х х[ис ('к) + 0■ '('к )]} Напряжение на ЕНЭ при этом:

Ла(Т) - коэффициент теплопроводности прокладки; ёа - толщина прокладки; Беп, - внешний и внутренний диаметры п-ой обмотки соответственно; аТп, сп - коэффициент теплоотдачи и теплоемкость п-ой обмотки соответственно.

При работе ЛИПЭТ в скоростном режиме температуру п-ой обмотки можно описать рекуррентным соотношением [20]:

Tn (tk+1) = Tn (tk )Z + (i - x)T + 4[~2i2(tk)

(18)

(9)

(10)

(11)

0

x Rn (Tn )«-n Pe-H-1 ((e2n - Pin У ],

где Z = exp{- 0,25.AtPen« Tn c- (Tn )rñ1).

Для расчета характеристик и показателей ЛИПЭТ используем алгоритм циклического действия, позволяющий учесть комплекс взаимосвязанных процессов и различных нелинейных зависимостей, например Rn(Tn), M12(z). По полученным в момент времени 4н значениям тока рассчитываются температуры обмоток T1 и T2, перемещение hz и скорость ОЯ vz, взаимоиндуктивность M12 между обмотками и др. Значение расчетного шага At выбирается таким образом, чтобы оно не оказывало существенного влияния на результаты расчета, обеспечивая при этом необходимую точность.

Начальные условия математической модели: Tn(0) = T0 - температура n-ой обмотки; in(0) = 0 - ток n-ой обмотки; hz(0) = hz0 - расстояние между ОИ и ОЯ;

uc(0) = U0 - напряжение ЕНЭ; vz(0) = 0 - скорость ОЯ вдоль оси z.

Основные параметры ЛИПЭТ. Рассмотрим ЛИПЭТ, у которого ОИ (n = 1) и ОЯ (n = 2) выполнены в форме двуслойных дисковых катушек. ОИ намотана медной шиной сечением 1,2*5,0 мм2, а ОЯ -медной шиной сечением 1,2*2,5 мм2. Число витков n-ой обмотки Nn = 60, внешний диаметр Den=100 мм, внутренний диаметр Din = 8 мм. ЕНЭ: энергия W0 = 180 Дж, напряжение U0 = 300 В. Начальное расстояние между обмотками hz0 = 1 мм.

При работе ЛИПЭТ в скоростном режиме будем использовать ИЭ массой ma = 0,5 кг, а его эффективность будем оценивать максимальной скоростью vzm при минимальной силе отдачи. При работе ЛИПЭТ в силовом режиме будем полагать отсутствие перемещения ОЯ с ИЭ (ma = ж), а его эффективность будем оценивать максимальным значение импульса ЭДУ

Pz =| fz (z, t)dt при минимальной силе отдачи.

Возбуждение ЛИПЭТ одиночным импульсом

осуществляется от ЕНЭ емкостью С0 = 4 мФ. При работе в силовом режиме (рис. 2) амплитуда тока в обмотках ЛИПЭТ составляет im = 1,478 кА, что приводит к возникновению между обмотками ЭДУ амплитудой fm = 10,56 кН. Значение импульса ЭДУ к концу рабочего процесса (1,65 мс) составляет Pz = 7,88 Н-с. Заметим, что превышения температур обмоток вп = T0 - Tn незначительны (в\ = 0,2 °С, в2 = 0,7 °С).

/,кА; и„ V;X,kN; AN-!

20

15

10

-5

10/ 2Рг

fz /\

0,05 ис ЧЮ-ОО-ОООО^К

Уменьшаются и превышения температур обмоток (61 = 0,18 °С, 62 = 0,6 °С). Такое изменение рабочего процесса обусловлено перемещением ОЯ с ИЭ, кото-

рые достигают максимальной скорости vzm

kA; ис у- f kN; hz, mm;vZl m/s

= 7,1 м/с.

20

15

10

-5

10/ К J

vz

0,05 ис

0

0,5

1,0

1,5

2,0 t

2,5

Рис. 3. Электромеханические характеристики ЛИПЭТ при работе в скоростном режиме

Возбуждение ЛИПЭТ серией импульсов осуществляется путем последовательного во времени подключения к клеммам а и Ь секций ЕНЭ. Так образуется параллельное подключение секций ЕНЭ к обмоткам преобразователя.

Заметим, что параллельное подключение секций ЕНЭ к ОИ линейного импульсного ускорителя индукционного типа исследовано в работах [21, 22]. Однако в этих исследованиях все секции ЕНЭ подключаются к ОИ одновременно.

Суммарная емкость секций равна С0 = 4 мФ. Время задержки подключения секций определяет период следования импульсов тока возбуждения. При таком способе возбуждения эффективность ЛИПЭТ в силовом и скоростном режимах будем оценивать безразмерными критериями:

* Pf0 * v f0

к * — z J zm к * = zm J zm

P ~ f n0 ' v~ f 0

zm

fzm P0

zm z

(19)

0 0,5 1,0 1,5 2,0

Рис. 2. Электродинамические характеристики ЛИПЭТ при работе в силовом режиме

При работе в скоростном режиме происходит затягивание рабочего процесса до 2 мс с уменьшением всех основных показателей (рис. 3). Амплитуда тока в обмотках уменьшается до 1т = 1,375 кА, что приводит к уменьшению амплитуды ЭДУ между обмотками до значения /1т = 8,67 кН. Значение импульса ЭДУ к концу рабочего процесса составляет Рг = 6,2 Н-с.

где /°т, Р°, у°т - максимальные значения амплитуды и импульса ЭДУ, скорости ОЯ с ИЭ соответственно при возбуждении одиночным импульсом.

Суть указанных критериев состоит в обеспечении наибольшего значения импульса ЭДУ для силового режима, и наибольшей скорости ОЯ с ИЭ для скоростного режима при минимальной амплитуде ЭДУ, которая определяет силу отдачу. Эти критерии оценивают эффективность ЛИПЭТ при возбуждении серией импульсов по отношению к возбуждению одиночным импульсом.

На рис. 4 показаны электродинамические характеристики ЛИПЭТ при работе в силовом режиме от

пяти одинаковых секций ЕНЭ, подключаемых к обмоткам последовательно с задержкой 0,75 мс. При каждом импульсе возбуждения амплитуда тока практически неизменна и составляет 1т = 0,788 кА, что почти в 2 раза меньше, чем при возбуждении одиночным импульсом. Еще в большей степени уменьшается амплитуда ЭДУ, составляя /1т = 3 кН. Значение импульса ЭДУ к концу рабочего процесса также уменьшается, но в меньшей степени, составляя Р2 = 4,9 Н-с. Уменьшаются и превышения температур обмоток

(в1 = 0,13 °С, в2 = 0,42 °С). Однако критерий эффек-

*

тивности преобразователя Кр повышается более чем

в 2 раза, по сравнению с его возбуждением одиночным импульсом.

и кА; /г,

шш; К, т/в

/

0,5 Аг /

А5/

У'г д

и /\ \ / \

\\ К N

0,75 1,5 1,25 3,0 /, тяЗ,75

Рис. 4. Электродинамические характеристики ЛИПЭТ при возбуждении от одинаковых секций ЕНЭ

На рис. 5 показаны электромеханические характеристики ЛИПЭТ при работе в скоростном режиме от пяти одинаковых секций ЕНЭ, подключаемых к обмоткам последовательно с задержкой 1 мс. Особенностью данного преобразователя является последовательное уменьшение амплитуд токов 1т и ЭДУ /т при подключении секций ЕНЭ. Такое уменьшение указанных амплитуд обусловлено последовательным ослаблением магнитной связи между обмотками за счет перемещения ОЯ на величину Нг. В данном преобразователе наибольшие амплитуды наблюдаются в первом импульсе, составляя для тока 1т = 0,783 кА, для ЭДУ /1т = 2,95 кН. Значение импульса ЭДУ составляет при этом Р2 = 3,34 Н-с, обеспечивая скорость ОЯ с ИЭ у2 = 3,82 м/с. Превышения температур обмоток составляют в1 = 0,11 °С, в2 = 0,37 °С. Таким образом в скоростном режиме все показатели ЛИПЭТ, возбуждаемого серией из пяти импульсов, уменьшаются по сравнению с возбуждением одиночным импульсом, но критерий эффективности преобразовате-*

ля Ку при этом повышается на 58 %.

0 1 2 3 4 та 5

Рис. 5. Электромеханические характеристики ЛИПЭТ при возбуждении от одинаковых секций ЕНЭ

Оценить влияние количества импульсов возбуждения N на показатели ЛИПЭТ позволяет рис. 6. Как в силовом, так и в скоростном режимах работы, при увеличении количества импульсов возбуждения неизменном напряжении секций ЕНЭ и0 = 300 В и сохранении общей их энергии = 180 Дж все основные показатели уменьшаются. Это амплитуды токов /т и ЭДУ /1т, величина импульса ЭДУ Р2 и скорость ОЯ вместе с ИЭ уг. Но за счет более сильного уменьшения амплитуды ЭДУ /1т, которая проявляется как сила отдачи, от увеличения количества импульсов возбуждения критерии

* *

эффективности ЛИПЭТ Кр и Ку повышаются.

Уменьшить максимальные амплитуды тока и ЭДУ в первом импульсе серии для ЛИПЭТ, работающего в скоростном режиме, можно за счет последовательного увеличения емкостей секций ЕНЭ при сохранении их суммарного значения С0 = 4 мФ.

На рис. 7 показаны электромеханические характеристики ЛИПЭТ при работе в скоростном режиме и возбуждении от пяти секций ЕНЭ, емкости которых линейно возрастают от 0,4 мФ в первой секции до 1,2 мФ в пятой секции.

При таком возбуждении ЛИПЭТ, работающего в скоростном режиме, максимальная амплитуда тока наблюдается не в первом, а в четвертом импульсе серии и равна 1т = 713,9 А, что ниже, чем при возбуждении от одинаковых секций ЕНЭ. Максимальная амплитуда ЭДУ наблюдается в третьем импульсе серии и составляет = 2,04 кН. Заметим, что уменьшение амплитуды тока после четвертого импульса серии обусловлено ослаблением магнитной связи между ОИ и ОЯ. А уменьшение амплитуд ЭДУ после третьего импульса серии дополнительно вызвано увеличением расстояния между ними.

При данном способе возбуждения ЛИПЭТ значение импульса ЭДУ составляет Р2 = 3,33 Н-с, что обеспечивает скорость ОЯ с ИЭ у2 = 3,81 м/с.

Рис. 7. Электромеханические характеристики ЛИПЭТ при работе в скоростном режиме и возбуждении от секций ЕНЭ, емкости которых линейно возрастают

Рис. 6. Зависимость показателей работы ЛИПЭТ в силовом (а) и скоростном (б) режимах от количества импульсов возбуждения

На рис. 8 показаны электродинамические характеристики ЛИПЭТ при работе в силовом режиме и возбуждении от пяти секций ЕНЭ, емкости которых линейно возрастают от 0,5 мФ в первой секции до 1,1 мФ в пятой секции. При таком возбуждении ЛИПЭТ, работающего в силовом режиме, максимальная амплитуда тока возникает в пятом импульсе серии и равна 'ш = 908 А, что выше, чем при возбуждении от одинаковых секций ЕНЭ. Максимальная амплитуда ЭДУ возникает также в пятом импульсе серии и составляет = 3,98 кН. Значение импульса ЭДУ составляет Рг = 4,98 Н-с.

Рис. 8. Электродинамические характеристики ЛИПЭТ при работе в силовом режиме и возбуждении от секций ЕНЭ, емкости которых линейно возрастают

Оценить влияние закономерности распределения емкостей по секциям ЕНЭ на показатели ЛИПЭТ при работе в скоростном и силовом режимах позволяет рис. 9, где использован показатель распределения емкостей по секциям ЕНЭ:

Kc ~ 2(Cmax _ Cmin XCmax Cmin ) ,

где Cmin, Cmax - емкость первой и пятой секции ЕНЭ соответственно.

*

Заметим, что при Kc = 0 емкости всех пяти секций ЕНЭ одинаковы.

а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

im,kA;Xm,kN; Л N-s v^m/s К*

2 K?^*^'

0,5 vzm --□----

0,5 Pz

0,5 fzm ____

lm

0,25

0,5

0,75

Kl

1,25

0,375 б

Рис. 9. Зависимость показателей работы ЛИПЭТ в скоростном (а) и силовом (б) режимах от показателя распределения емкостей по секциям ЕНЭ

При работе ЛИПЭТ в скоростном режиме увеличение показателя Кс существенно изменяет только максимальную амплитуду ЭДУ /ш, которая заметно умень-

*

шается в интервале Кс с (0, 1). Это влияет на критерий

*

эффективности Ку, максимальное значение которого

будет при К*=1 (Стш = 0,4 мФ, Стах = 1,2 мФ). При

*

превышении показателем Кс значения 1 критерий

*

эффективности Ку снижается за счет увеличения амплитуды ЭДУ в последнем пятом импульсе серии.

При работе ЛИПЭТ в силовом режиме повышение

*

показателя Kc приводит к увеличению максимальной

амплитуды ЭДУ fzm, вследствие чего критерий эффек-

*

тивности Kp уменьшается.

Таким образом, при возбуждении серией импульсов от секций ЕНЭ за счет уменьшения амплитуды силы отдачи обеспечивается повышение эффективности ЛИПЭТ. Для преобразователя, работающего в скоростном режиме, целесообразно увеличение показателя распределения емкостей по сек*

циям ЕНЭ до определенного значения (Kc = 1). Для преобразователя, работающего в силовом режиме, целесообразно использовать одинаковые емкости для всех секций ЕНЭ.

Выводы.

1. Показано, что при возбуждении обмоток серией импульсов от секций емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) обеспечивается повышение эффективности линейного импульсного преобразователя электродинамического типа (ЛИПЭТ) при работе в скоростном и силовом режимах за счет уменьшения амплитуды силы отдачи.

2. Представлена математическая модель ЛИПЭТ, в которой решения уравнений, описывающих взаимосвязанные электрические, магнитные, механические и тепловые процессы, представлены в рекуррентном виде.

3. Установлено, что при возбуждении одиночным импульсом ЛИПЭТ, работающего в скоростном режиме, по сравнению с силовым режимом происходит уменьшение амплитуды тока в обмотках на 7,5 %, амплитуды электродинамических усилий (ЭДУ) - на 21,8 % значение импульса ЭДУ - на 27,1 %. При этом обмотка якоря с исполнительным элементом разгоняется до скорости 7,1 м/с.

4. Установлено, что при возбуждении серией импульсов от одинаковых секций ЕНЭ при работе ЛИПЭТ в силовом режиме, амплитуды импульсов тока и ЭДУ практически неизменны, а при работе в скоростном режиме происходит последовательное уменьшение амплитуд токов и ЭДУ. Увеличение количества импульсов возбуждения при сохранении энергии ЕНЭ приводит к уменьшению основных показателей ЛИПЭТ. Но за счет уменьшения амплитуды ЭДУ, которая проявляется как сила отдачи, эффективность ЛИПЭТ увеличивается.

5. Для ЛИПЭТ, работающего в скоростном режиме, обосновано последовательное увеличение емкостей секций ЕНЭ, формирующих серии импульсов возбуждения. Для ЛИПЭТ, работающего в силовом режиме целесообразно использовать одинаковые емкости всех секций ЕНЭ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bissal A., Magnusson J., Engdahl G. Comparison of two ultra-fast actuator concept. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, vol. 48, no. 11, pp. 3315-3318. doi: 10.1109/tmag.2012.2198447.

2. Томашевский Д.Н., Кошкин А.Н. Моделирование линейных электродвигателей импульсного действия // Электротехника. - 2006. - № 1. - С. 24-27.

3. J. Young-woo, L. Hyun-wook, L. Seok-won. High-speed AC circuit breaker and high-speed OCD. Proceeding of the conf.

а

«22-th international conference on electricity distribution». 2013, 10-13 June, Stockholm. - Paper 608.

4. D.-K. Lim, D.-K. Woo, I.-W. Kim, D.-K. Shin, J.-S. Ro, T.-K. Chung, H.-K. Jung. Characteristic Analysis and Design of a Thomson Coil Actuator Using an Analytic Method and a Numerical Method. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, vol. 49, no. 12, pp. 5749-5755. doi: 10.1109/tmag.2013.2272561.

5. Puumala V., Kettunen L. Electromagnetic design of ultrafast electromechanical switches. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, vol. 30, no. 3, pp. 1104-1109. doi: 10.1109/TPWRD.2014.2362996.

6. Болюх В.Ф., Кашанский Ю.В., Щукин И.С. Влияние геометрических параметров индуктора и якоря на показатели линейного импульсного электромеханического преобразователя электродинамического типа. Електротехтка i електромехатка, 2019, № 3, С. 11-17. doi: 10.20998/2074-272X.2019.3.02.

7.Болюх В.Ф., Кашанский Ю.В., Щукин И.С. Сравнительный анализ силовых и скоростных показателей линейных импульсных электромеханических преобразователей электродинамического и индукционного типов. Техтчна електродинамжа, 2019, № 6, С. 35-42. doi: 10.15407/techned2019.06.035.

8. Болюх В.Ф., Олексенко С.В., Щукин И.С. Сравнительный анализ линейных импульсных электромеханических преобразователей электромагнитного и индукционного типов. Техтчна електродинамжа, 2016, № 5, С. 46-48. doi: 10.15407/techned2016.05.046.

9. Мишкин В.Н., Толстик А.И. Сравнительная оценка арретирующих устройств на электродинамическом и электромагнитном принципе действия. Электромагнитные импульсные системы, 1989, С. 114-117.

10. Balikci A., Zabar Z., Birenbaum L., Czarkowski D. Improved performance of linear induction launchers. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, vol. 41, no. 1, pp. 171-175. doi: 10.1109/tmag.2004.839283.

11. Abdalla M.A., Mohamed H.M. Asymmetric multistage synchronous inductive coilgun for length reduction, higher muzzle velocity and launching time reduction. IEEE Transactions on Plasma Science, 2016, vol. 44, no. 5, pp. 785-789. doi: 10.1109/TPS.2016.2543500.

12. Bolyukh V.F., Vinnichenko A.I. Concept of an induction-dynamic catapult for a ballistic laser gravimeter. Measurement Techniques, 2014, vol. 56, iss. 10, pp. 1098-1104. doi: 10.1007/s11018-014-0337-z.

13. Bolyukh V.F., Omel'chenko A.V., Vinnichenko A.I. Effect of self-seismic oscillations of the foundation on the readout of a ballistic gravimeter with an induction-dynamic catapult. Measurement Techniques, 2015, vol. 58, no. 2, pp. 137-142. doi: 10.1007/s11018-015-0675-5.

14. Zhou Y., Huang Y., Wen W., Lu J., Cheng T., Gaoet S. Research on a novel drive unit of fast mechanical switch with modular double capacitors. Journal of Engineering, 2019, vol. 2019, no. 17, pp. 4345-4348. doi: 10.1049/joe.2018.8148.

15. Fan G., Wang Y., Hu Y., Yan Z. Research on energy recovery system based on HTSM for synchronous induction electromagnetic launcher system. IEEE Transaction on Plasma Science, 2020, vol. 48, no. 1, pp. 291-298. doi: 10.1109/TPS.2019.2960038.

16. Guangcheng F., Wang Y., Xu Q., Xinyi N., Yan Z. Design and analysis of a novel three-coil reconnection electromagnetic launcher. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, vol. 47, no. 1, pp. 814-820. doi: 10.1109/TPS.2018.2874287.

17. Niu X., Li W., Feng J. Nonparametric modeling and parameter optimization of multistage synchronous induction coil-gun. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, vol. 47, no. 7, pp. 3246-3255. doi: 10.1109/TPS.2019.2918157.

18. Bolyukh V.F., Katkov I.I. Influence of the Form of Pulse of Excitation on the Speed and Power Parameters of the Linear Pulse Electromechanical Converter of the Induction Type. Volume 2B:

Advanced Manufacturing, Nov. 2019, 8 p. doi: 10.1115/IMECE2019-10388.

19. Liu X., Yu X., Ban R., Li Z. Analysis of the capacitor-aided meat grinder circuits for an inductive pulsed power supply. IEEE Transactions on Plasma Science, 2017, vol. 45, no. 7, pp. 1339-1346. doi: 10.1109/TPS.2017.2705179.

20. Bolyukh V.F., Shchukin I.S. The thermal state of an electromechanical induction converter with impact action in the cyclic operation mode. Russian electrical engineering, 2012, vol.83, no.10, pp. 571-576. doi: 10.3103/s1068371212100045.

21. Vilchis-Rodriguez D.S., Shuttleworth R., Barnes M. Experimental Validation of a Finite Element 2D Axial Thomson Coil Model with Inductance and Resistance Compensation. 13th IET International Conference on AC and DC Power Transmission (ACDC 2017), 2017, Manchester, UK, 14-16 Feb. 2017. doi: 10.1049/cp.2017.0032.

22. Yadong Z., Ying W., Jiangjun R. Capacitor-driven coil-gun scaling relationships. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, vol. 39, no. 1, pp. 220-224. doi: 10.1109/TPS.2010.2052266.

REFERENCES

1. Bissal A., Magnusson J., Engdahl G. Comparison of two ultra-fast actuator concept. IEEE Transactions on Magnetics, 2012, vol. 48, no. 11, pp. 3315-3318. doi: 10.1109/tmag.2012.2198447.

2. Tomashevsky D.N., Koshkin A.N. Modeling of linear impulse electric motors. Russian Electrical Engineering, 2006, no. 1, pp. 24-27. (Rus).

3. J. Young-woo, L. Hyun-wook, L. Seok-won. High-speed AC circuit breaker and high-speed OCD. Proceeding of the conf. «22-th international conference on electricity distribution». 2013, 10-13 June, Stockholm. - Paper 608.

4. D.-K. Lim, D.-K. Woo, I.-W. Kim, D.-K. Shin, J.-S. Ro, T.-K. Chung, H.-K. Jung. Characteristic Analysis and Design of a Thomson Coil Actuator Using an Analytic Method and a Numerical Method. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, vol. 49, no. 12, pp. 5749-5755. doi: 10.1109/tmag.2013.2272561.

5. Puumala V., Kettunen L. Electromagnetic design of ultrafast electromechanical switches. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, vol. 30, no. 3, pp. 1104-1109. doi: 10.1109/TPWRD.2014.2362996.

6. Bolyukh V.F., Kashanskij Yu.V., Schukin I.S. Influence of geometrical parameters of the inductor and armature on the indicators of a linear pulse electromechanical converter of an electrodynamic type. Electrical engineering & electromechan-ics, 2019, no. 3, pp. 11-17. doi: 10.20998/2074-272X.2019.3.02.

7. Bolyukh V.F., Kashanskyi Yu.V., Shchukin I.S. Comparative analysis of power and speed indicators linear pulse electromechanical converters electrodynamic and induction types. Technical electrodynamics, 2019, no. 6, pp. 35-42. (Rus). doi: 10.15407/techned2019.06.035.

8. Bolyukh V.F., Oleksenko S.V., Shchukin I.S. Comparative analysis of linear pulse electromechanical converters electromagnetic and induction types. Technical electrodynamics, 2016, no. 5, pp. 46-48. (Rus). doi: 10.15407/techned2016.05.046.

9. Mishkin V.N., Tolstik A.I. Comparative evaluation of arresting devices on the electrodynamic and electromagnetic principle of action. Electromagnetic pulse systems, 1989, pp. 114-117. (Rus).