автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка математических моделей для исследования электромеханических и тепловых процессов линейных электродвигателей импульсного действия

Оглавление.

Введение.

1. Обзор типов магнито - импульсных устройств и постановка задачи исследования.

1.1 Обзор задач, решаемых посредством применения магнито - импульсных устройств.

1.2 Обзор типов импульсных устройств.

1.3 Постановка задачи исследования.

2. Конечно - разностная модель ЛЭИД.

2.1 Моделирование электромагнитных, тепловых, механических процессов.

2.1.1. Метод детализированных магнитных схем замещения.

2.1.2. Определение компонент вектора магнитной индукции.

2.1.3. Влияние ЭДС движения вторичного элемента.

2.1.4. Особенности решения полевой задачи.

2.1.5. Учет насыщения магнитной цепи.

2.1.6. Оценка тока первичной цепи.

2.1.7. Алгоритм решения электромагнитной задачи.

2.1.8. Оценка усилий и закона движения вторичного элемента.

2.1.9. Оценка потерь энергии и нагрева частей двигателя.

2.2 Описание пакета компьютерных программ моделирования процессов в ЛЭИД.

2.1.2. Описание алгоритма.

2.1.2. Описание интерфейса.

3. Упрощенные модели ЛЭИД в составе магнито - импульсного устройства

3.1 Основные соотношения.

3.2 Модель ЛЭИД, построенная с применением компьютерного пакета Mathcad.

3.3 Модель ЛЭИД в составе магнито - импульсного устройства, построенная с применением приложения Simulink к пакету Matlab.

3.3.1. Уравнения электрической и магнитной цепей.

3.3.2. Учет насыщения.

3.3.3. Расчет усилий "отталкивания токов" и притяжения сердечников, перемещения вторичного элемента.

3.3.4. Структурная схема магнито - импульсного устройства.

4. Исследование режимов работы опытных магнито - импульсных устройств.

4.1. Описание лабораторной магнито - импульсной установки.

4.1.1. Описание генератора магнито - импульсной установки.

4.1.2. Описание лабораторных двигателей магнито - импульсной установки.

4.1.3. Описание компьютерной методики сбора и обработки информации в ходе эксперимента.

4.2. Исследование по конечно - разностной методике двигателя 1.

4.3. Исследование двигателя 2 в составе МИУ с применением модели, созданной в пакете Simulink.

4.4. Исследование ЛЭИД с применением модели, созданной в пакете

MathCad.

4.5. Влияние изменения параметров на характеристики двигателей.

4.6. Сравнение способов питания двигателей.

4.7. Исследование опытно - промышленного двигателя, используемого в составе МИУ для очистки ковшей.

Актуальность темы. На металлургических, горнодобывающих, обрабатывающих предприятиях существует круг технологических процессов, связанных с изменением формы и состояния материалов (очистка бункеров, металлургических ковшей, зависание материалов при разгрузке железнодорожных вагонов, разбивка негабаритов в карьерах и т.д.), для выполнения которых оптимальным решением является применение импульсных технологий. Импульсные технологии характеризуются посылкой отдельных порций энергии к объекту воздействия. Импульсный подвод энергии позволяет за счет оптимизации величины, длительности, частоты воздействия, определенных для каждого конкретного технологического процесса, повысить эффективность решения поставленной технологической задачи. Реализация импульсных технологий осуществляется с помощью разнообразных по конструкции и параметрам пневматических, гидравлических, механических машин ударного действия, взрывчатых веществ и др.

Многочисленные недостатки перечисленных типов машин, опасность при использовании взрывчатых веществ, стремление к принципиальному усовершенствованию технологий привели к необходимости создания ударных машин с электроприводом. Развитие данного направления дает такие преимущества, как упрощение конструкции, удешевление оборудования, технологичность его изготовления, повышение его энергетических характеристик, надежности, долговечности, улучшение массогабаритных показателей, уменьшение затрат на обслуживание, достижение больших ускорений при малом износе механических частей. Данное направление связано с разработкой линейных электродвигателей импульсного действия (ЛЭИД), обеспечивающих быстрое преобразование (в ряде установок заранее запасенной) электрической энергии в механическую работу в электроприводах с линейной траекторией движения рабочего органа. В виду специфических свойств - ограниченным механическим перемещением, дискретным энергопреобразованием - данный тип двигателей должен проектироваться совместно с исполнительным органом индивидуально для решения каждой конкретной технологической задачи.

Для исследования характеристик ЛЭИД, оптимизации элементов конструкции как самого двигателя, так и системы электропривода в целом, необходимо иметь комплекс математических и физических моделей, позволяющих проводить полный анализ характеристик ЛЭИД.

Цель работы состоит в разработке методов расчета, технических и программных средств моделирования электромагнитных, тепловых, механических процессов в ЛЭИД, в исследовании данных процессов при работе ЛЭИД в составе конкретных магнито-импульсных установок.

Задачи исследования:

- разработка математических моделей для расчета ЛЭИД;

- разработка алгоритма и программного обеспечения для расчета динамических электромагнитных, тепловых и механических процессов в ЛЭИД; исследование электромагнитных, тепловых, механических процессов в ЛЭИД разных типов;

- разработка и создание лабораторной установки для исследования работы ЛЭИД с использованием компьютерной техники;

- разработка и создание программного и методического обеспечения для лабораторной установки и внедрение лабораторной установки в учебный процесс;

- экспериментальная проверка основных научных результатов.

Методы исследований. Поставленные в работе задачи решаются с применением аппарата математического анализа, основных положений теоретических основ электротехники и теории электрических машин. Использованы методы численного решения систем дифференциальных нелинейных и линейных уравнений, аналитической и кусочно-линейной аппроксимации нелинейных функций. Основные теоретические результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями, выполненными на реальных моделях ЛЭИД в лабораторных и производственных условиях с использованием специально разработанных стендов и методик, с применением ЭВМ. Расчёты и экспериментальные исследования проводились на персональной ЭВМ с 32-битной платформой по разработанным моделям и алгоритмам с использованием языка программирования C++Builder v.5.0 for Windows.

Научная новизна работы заключается в теоретических и экспериментальных исследованиях, сущность которых содержится в следующих решённых задачах:

- разработана математическая модель расчета электромагнитных, тепловых, механических процессов в ЛЭИД;

- разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета электромагнитных, тепловых, механических процессов в ЛЭИД в динамике; проведено исследование электромагнитных, тепловых, механических процессов в ЛЭИД для разных типов двигателей в динамических режимах работы.

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

- разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета электромагнитных, тепловых, механических процессов в ЛЭИД при различной форме питающего напряжения (конденсаторная батарея, сеть и т.д.);

- разработана и создана лабораторная установка для исследования работы ЛЭИД с применением компьютерной техники, а также необходимое программное обеспечение для проведения эксперимента.

Реализация результатов работы заключается в том, что:

- разработанное программное обеспечение и созданная лабораторная установка внедрены в учебный процесс, что подтверждается соответствующим актом;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований были использованы в ходе создания и испытания совместно с НИИ "Унипромедь" и ОАО "Кировоградский медеплавильный комбинат" магнито - импульсной установки для очистки медеплавильных ковшей в 1996 - 1997 г.г., что подтверждается соответствующим актом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах по энергосберегающей технике и электротехнологиям (Екатеринбург, 1998, 1999 г.г.), на четвертой международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Санкт-Петербург, 21- 24 июня, 1999 г.), на пятой международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Щецин, 05 - 08 сентября, 2001 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 8 приложений, содержит 102 страницы основного текста, 90 рисунков, список использованных источников из 77 наименований. Общий объем работы составляет 176 страниц.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработана математическая модель для исследования электромагнитных, механических и тепловых процессов ЛЭИД методом конечных разностей, учитывающая насыщение магнитопровода, влияние вихревых токов, изменение параметров ЛЭИД вследствие перемещения ВЭ. Расчет может быть произведен при любой форме питающего напряжения (конденсаторная батарея, сеть и т.д.). Данная модель предоставляет возможность расчета индукций, токов и усилий в каждой клетке моделируемой области при сколь угодно подробном разбиении устройства. Это позволяет оценить усилия, действующие на отдельные витки катушки индуктора, а также на отдельные области сечения ВЭ.

2. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета динамических характеристик ЛЭИД с использованием математической модели на основе метода конечных разностей в среде программирования высокого уровня С++ Builder 5.

3. Разработана математическая модель для исследования динамических характеристик ЛЭИД в составе МИУ методом детализированных магнитных схем замещения, учитывающая насыщение магнитопровода, влияние вихревых токов, возможные усилия, действующие на рабочий орган в механической части электропривода. Данная математическая модель реализована в среде структурного моделирования Simulink пакета Matlab.

4. Разработана математическая модель для расчета характеристик ЛЭИД в комплексных величинах методом детализированных магнитных схем замещения. Данная модель реализована в среде MathCad. Она предоставляет возможность наглядного сравнения характеристик различных типов ЛЭИД.

5. На примере ИДД проведен анализ и сделаны выводы о влиянии на характеристики двигателя его параметров - числа витков, коэффициента заполнения паза, величины воздушного зазора. Проведено сравнение различных способов питания ЛЭИД - от заряженной конденсаторной батареи и от сети переменного напряжения.

6. Разработан и создан лабораторный стенд МИУ, ряд ЛЭИД к нему. Предусмотрена возможность связи МИУ с компьютером для сбора и обработки характеристик ЛЭИД, для чего создано необходимое программное обеспечение в среде программирования С++ Builder 5.

7. Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических предпосылок и созданных на их основе математических моделей. Максимальное отклонение расчетных характеристик от

102 экспериментальных не превышает 7% для метода конечных разностей и 15 % для метода детализированных магнитных схем замещения.

8. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований были использованы в ходе совместной работы НИИ "Унипромедь" и ОАО "Кировоградская металлургическая компания" по созданию системы по очистке металлургических ковшей на основе ИДД в составе МИУ.

9. Программные продукты на основе разработанных математических моделей, а также лабораторное МИУ используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по курсам "Теория электромагнитного поля" и "Специальные ЭТУ".

Заключение

В настоящей работе поставлена и решена задача создания математических моделей для исследования электромеханических и тепловых процессов ЛЭИД.

1. Архангельский А.Я. Интегрированная среда разработки С++ Builder 5 М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2000. - 272 е.: ил. (Все о "С++ Builder 5").

2. Архангельский А.Я. Разработка прикладных программ для Windows в С++ Builder 5 М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2000. - 256 е.: ил. (Все о "С++ Builder 5").

3. Архангельский А.Я. Язык С++ в С++ Builder 5 (справочное пособие) М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2000. - 224 е.: ил. (Все о "С++ Builder 5").

4. Ашавский A.M., Вольперт А.Я., Шейнбаум B.C. Силовые импульсные системы. М.: Машиностроение, 1970. 200 с.

5. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. T.l. М.: Наука, 1966. 632 с.

6. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб. и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М.: "Высш. школа", 1973. 752 с. с илл.

7. Быковская JI.B. Математическая модель точности показателей качества серийно выпускаемого асинхронного двигателя: Автореф. дис. канд. техн. наук. Екатеринбург, 1999. -24 с.

8. Васьковский Ю.Н. Математическое моделирование индукционно-динамического двигателя с учетом насыщения его магнитопровода. // Электричество. 1988. № 11. с. 60-65.

9. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.

10. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 е., ил.

11. Вопросы создания мощных электромагнитных машин ударного действия / Ряшенцев Н.П., Малов А.Т., Угаров Г.Г. и др. // Материалы к 33 научно-технической конференции. Саратов: СПИ, 1970. с. 79-81.

12. Гибридные линейные электромагнитные двигатели цилиндрической структуры / Усанов К.М., Львицин А.В., Федонин В.Н. и др. // Электромагнитные импульсные системы: Сборник научных трудов. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989. с. 59-67.

13. Гордон А.В., Сливинская А.Г. Электромагниты переменного тока. М.: Энергия, 1988. 200 с.

14. Гурницкий В.Н. Нелинейное подобие нейтральных электромагнитных элементов. Изд-во Ростовского ун-та. 1991. 160 с.

15. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах. JL: Энергоатомиздат, 1983.256 с.

16. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб: Питер, 2001. 528 с.

17. Ефимов И.Г., Соловьев А.В., Викторов О. А. Линейный электромагнитный привод. Л.: Изд-во ЛГУ, 1990 - 212 с.

18. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 496 с.

19. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

20. К выбору критериев оценки электромагнитных ударных машин / Ряшенцев Н.П., Кибрин Ю.А., Малов А.Т. и др. // Электрические силовые импульсные системы: Сборник научных трудов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1969. с. 60-67.

21. Клименко Б.В. Форсированные электромагнитные системы. М.: Энергоатомиздат, 1989. 160 с.

22. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985. 560 с.

23. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа, 1987. 248 с.

24. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. -М.: Энергия, 1973.400 с.

25. Кошкин А.Н., Родионов И.Е., Томашевский Д.Н., Пути повышения эффективности специальных магнитоимпульсных установок. // Энергосбережение 99, с. 19.

26. Магнитогидродинамические машины с бегущим или пульсирующим магнитным полем. Методы расчета: Учебное пособие / Ф.Н.Сарапулов, О.Ю.Сидоров. Екатеринбург: УГТУ, 1994. 206 с.

27. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране. М.: Мир, 1977. 584 с.

28. Мамонтов Н.П., Томашевский Д.Н., Кошкин А.Н., Высокоэффективные магнито-импульсные устройства специального технологического назначения. // Энергосбережение 98, с.42.

29. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения: Учебное пособие / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шымчак. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2001. 236 с.

30. Массад А. Универсальный электромагнитный привод для переносных ударных механизмов. Автореф. дис. канд. техн. наук. Саратов, 2001.- 18 с.

31. Москвитин А.И. Электрические машины возвратно -поступательного движения. М.: Изд-во АН СССР, 1950. 144 с.

32. Нейман В.Ю., Угаров Г.Г. Линейные электромагнитные двигатели с многократным использованием магнитного потока // Импульсный электромагнитный привод: Сборник научных трудов. Новосибирск: Наука. 1988.-е. 110-117.

33. Новгородцев К.И., Шинкаренко В.Ф. Перспективы применения линейных электродвигателей. К.: УКРНИИНТИ, 1978. 63 с.

34. Огарков Е.М., Васильевский С.П. Уточненный метод расчета полей плоских линейных индукционных двигателей // Электротехника. 1973. №3. с. 21-33.

35. Основы теории электрических аппаратов: Учеб. для вузов по спец. "Электрические аппараты" / И.С.Таев, Б.К.Буль, А.Г.Гаджело и др.; Под ред. И.С. Таева. М.: Высш. шк., 1987. - 352 е.: ил.

36. Особенности расчета характеристик электродинамических двигателей / П.В. Белоусов, А.Н. Кошкин, Ф.Н. Сарапулов и др. // Тез. докл. Семинара "Нетрадиционные электромеханические преобразователи с компьютерным управлением". М., 1992. с. 7-8.

37. Очков В.Ф. Mathcad 8 Pro для студентов и инженеров. М.: КомпьютерПресс, 1999. - 523 е.: ил.

38. Польщиков С.А., Угаров Г.Г. Обобщенные уравнения динамики импульсных линейных электромагнитных двигателей // Динамические задачи электромеханики: Сборник научных трудов. Омск: Изд. ОмПИ, 1989. с. 99107.

39. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов / И.П. Копылов, Ф.А. Гряинов, П.К. Клоков и др.; под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980. 496 с.

40. Расчет параметров цепей электротехнологических установок: Учебное пособие / Ф.Н. Сарапулов. Екатеринбург: УГТУ, 1999. 83 с.

41. Расчет статических характеристик линейных асинхронных машин / Ф.Н. Сарапулов, В.А. Бегалов, С.В. Иваницкий и др. Свердловск: УПИ, 1989. 104 с.

42. Родионов И.Е., Томашевский Д.Н., Сидоров О.Ю., Математическое моделирование индукционно-динамического двигателя. // FOURTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON UNCONVENTIONAL ELECTROMECHANICAL AND ELECTRICAL SYSTEMS. Volume 2 of 3. Szczecin 1999. c.424 - 430.

43. Ручные электрические машины ударного действия / Ряшенцев Н.П., Алабужев П.М., Никишин Н.И. и др. М.: Недра, 1970. 198 с.

44. Ряшенцев Н.П., Ковалев Ю.З. Динамика электромагнитных импульсных систем. Изд. "Наука", 1974, с. 188.

45. Ряшенцев Н.П., Львицын А.В., Угаров Г.Г. К выбору магнитной системы пресса с линейным электромагнитным приводом // Вопросы теории и проектирования электрических машин: Сборник научных трудов. Саратов: СГУ, 1978. с. 63-67.

46. Ряшенцев Н.П., Малов А.Т., Угаров Г.Г. Силовые импульсные электромагниты в технике // Электрические силовые импульсные системы: Сборник научных трудов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1969. с. 3-11.

47. Ряшенцев Н.П., Мирошниченко А.Н. Введение в теорию энергопреобразования электромагнитных машин. Новосибирск: Наука, 1987. 160 с.

48. Ряшенцев Н.П., Ряшенцев В.Н. Электромагнитный привод линейных машин. Новосибирск: Наука, 1985. - 152 с.

49. Ряшенцев Н.П., Сбоев В.М. Классификация электромагнитных машин возвратно поступательного движения // Исследование электрических машин возвратно - поступательного движения: Сборник научных трудов. Новосибирск: Наука, 1969. с. 3-13.

50. Ряшенцев Н.П., Угаров Г.Г., Стецко А.А. Расчет силы тяги насыщенного электромагнита // Вопросы теории и проектирования электрических машин: Сборник научных трудов. Саратов: СГУ, 1978. с. 7580.

51. Свинцов Г.П. Моделирование и оптимизация электромагнитных приводов электрических аппаратов. Автореф. дис. докт. техн. наук. , 2001.-40 с.

52. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины (специальный курс): Учебное пособие для ВУЗов по спец. "Электрические машины". 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1987. 287 с.

53. Сипайлов Г.А., JTooc А.В. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высш. школа, 1988. 176 с.

54. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов. В.А. Иванушкин, Ф.Н. Сарапулов, П. Шымчак Щецин: 2000 г. 310 с.: ил.

55. Теоретические основы электротехники: Учебное пособие / Ф.И.Андреев. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 347 с.

56. Томашевский Д.Н., Кошкин А.Н., Родионов И.Е., Магнито-импульсные устройства технологического назначения. // Электрические машины и электромашинные системы: Сборник научных трудов. Пермь: ПГТУ, 1999. с.219 224.

57. Туровский Я. Электромагнитные расчеты электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1986. 200 с.

58. Угаров Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели с повышенными силовыми и энергетическими показателями. Дис. докт. техн. наук. Новосибирск, 1992. - 492 с.

59. Угаров Г.Г. Принципы повышения удельных силовых и энергетических показателей // Импульсные линейные электрические машины: Сборник научных трудов. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991. с. 43-50.

60. Угаров Г.Г., Федонин В.Н., Малов А.Т. Приближенный расчет параметров длинноходового электромагнитного двигателя ударного действия // Исследование электрических силовых импульсных систем: Сборник научных трудов. Новосибирск: Наука, 1974. с. 50-57.

61. Угаров Г.Г., Ямпольский Ю.Г., Денисенко А.А. Сравнительный анализ линейных электрических двигателей для импульсных технологий // Импульсные линейные электрические машины: Сборник научных трудов. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991. с. 99-109.108

62. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / А.В. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А.И. Власов и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 216 с.

63. Черносвитов A. Visual С++ 6 и MFC. Курс MCSD для профессионалов СПб: Издательство "Питер", 2000. - 544 е.: ил.

64. Численные методы и программирование на Фортране для персонального компьютера. М.: Радио и связь, 1996. - 224 е.: ил.

65. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К.Розанова. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 752 е.: ил.

66. Электрические силовые импульсные системы / Сипайлов Г.А., Фролов А.В., Туровский П.С. и др. // Сборник научных трудов ФПИ. Фрунзе, 1974.-е. 132-148.

67. Электромагнитные прессы / Ряшенцев Н.П., Угаров Г.Г., Львицын А.В. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - 216 с.

68. Электропривод с линейными электромагнитными двигателями / Ряшенцев Н.П., Угаров Г.Г., Федонин В.Н. и др.; Новосибирск, Наука. 1981. -150 с.

69. Tomashevsky D.N., Sidorov O.Yu., Rodionov I.E., The analysis of efforts in induction dynamical motor. // FIFTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON UNCONVENTIONAL ELECTROMECHANICAL AND ELECTRICAL SYSTEMS. Volume 2 of 3. Szczecin 2001. - c. 369 - 372.