Высокочастотные электромеханические преобразователи для автономных электрогидравлических вибраторов

Погуляев, Михаил Никифорович

Электротехнические комплексы и системы

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Высокочастотные электромеханические преобразователи для автономных электрогидравлических вибраторов

кандидата технических наук: Погуляев, Михаил Никифорович
город: Гомель
год: 1998
специальность ВАК РФ: 05.09.03

Автореферат по электротехнике на тему «Высокочастотные электромеханические преобразователи для автономных электрогидравлических вибраторов»

Автореферат диссертации по теме "Высокочастотные электромеханические преобразователи для автономных электрогидравлических вибраторов"

с?

^ ГОМЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ** ИМ. П.О. СУХОГО

—

УДК 621.527.2: 681.587.34

ПОГУЛЯЕВ МИХАИЛ НИКИФОРОВИЧ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВИБРАТОРОВ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гомель 1998

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированный электропривод" Гомельского политехнического института им. П.О. Сухого

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Оппонирующая организация

- доктор технических наук, профессор Луковников В.И.

- доктор технических наук, профессор Фираго Б.И.;

- кандидат технических наук, доцент Черномашенцев В.Г.

Белорусский металлургический завод

Защита состоится "22" апреля 1998 года в 15— часов на заседании совета по защите диссертаций К 02.13.01 в Гомельском политехническом институте им. П.О. Сухого по адресу:

246746, г.Гомель, пр. Октября, 48, корп. 1, ауд. 516, Гомельский политехнический институт им. П.О. Сухого.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гомельского политехнического института им. П.О. Сухого.

Автореферат разослан "/7" МйрПШ 1998г.

Ученый секретарь совета _ - р ___

по защите диссертаций Г.И.Селиверстов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Согласно Перечня Государственных научно-технических программ и научно-технических проектов на период с 1996 до 2000 года одним из приоритетных направлений научно-технической деятельности в Республике Беларусь является "Охрана окружающей среды, использование природных ресурсов", а в качестве одного из основных путей реализации этого направления указано "Расширение геологоразведочных работ по развитию минерально-сырьевой базы страны". В связи с этим требуется активизация работ по поиску и разведке новых месторождений руд, нефти, газа, сырья для производства минеральных удобрений и строительных материалов. Это заставляет усиленно искать пути повышения эффективности одного из наиболее перспективных методов геологоразведки, использующего вибросейсмическое просвечивание подземной среды с помощью электрогидравлических вибрационных источников (ЭГВИ).

Применяемые в настоящее время для зондировании земли ЭГВИ не отвечают требованиям современной сейсморазведки в основном из-за низкого верхнего предела излучаемых частот - 150 Гц. Расширение диапазона частот, воспроизводимых сейсмоисточником, позволит увеличить разрешающую способность метода, что в конечном итоге снизит затраты и ускорит поиск и разведку месторождений полезных ископаемых. Требуются высокочастотные вибраторы и в технике проведения испытаний изделий на вибропрочность и вибростойкость, а также при определении резонансных частот различных конструкций.

Задача создания высокочастотных вибрационных источников может быть успешно решена только при условии существенного увеличения быстродействия электромеханического преобразователя (ЭМП), преобразующего электрический сигнал управляющего электронного блока в перемещение золотника первого каскада гидроусилителя. Это обусловлено тем, что для обеспечения устойчивой работы ЭГВИ необходимо, чтобы резонансная (собственная) частота нагруженного ЭМП почти втрое превышала требуемую верхнюю частоту сейсмоисточника. Недостаточное быстродействие электромеханических преобразователей, используемых сегодня в электрогидравлических вибрационных источниках, сдерживает создание сейсмических комплексов с высокой разрешающей способностью, способных существенно поднять эффективность геологоразведочных работ.

Таким образом, разработка и исследование высокочастотных ЭМП

для ЭГВИ является актуальной задачей, решение которой заметно усложняется тем, что в автономных электрогидровибраторах передвижных сейсморазведочных комплексов жестко ограничивается энергопотребление преобразователя по полной мощности. Как показывает анализ литературы по данной проблеме, в настоящее время вопросы теории, расчета и проектирования быстродействующих ЭМП для гидроприводов разработаны недостаточно полно. В большинстве опубликованных работ, в основном, рассматриваются электромагнитные ЭМП постоянного и переменного токов релейного действия или подробно исследуются преобразователи только электродинамического типа. До сих пор отсутствуют четкие рекомендации по выбору критериев оценки быстродействия ЭМП, позволяющих проводить их сравнительный анализ, нигде не рассматривается возможность применения электромашинных преобразователей в качестве вибровозбудителей для гидравлических усилителей. Мало внимания уделяется и разработке новых схемных реализаций ЭМП повышенного быстродействия, предназначенных для работы в ЭГВИ. Вышеперечисленные аргументы говорят о необходимости проведения исследований, основное содержание которых сформулировано в цели и задачах настоящей работы.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в разработке основ теории, схемных реализаций, методов анализа и синтеза электромеханических преобразователей, ориентированных на применение в автономных высокочастотных электрогидравлических вибраторах (ЭГВ).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать систему критериев оценки быстродействия преобразователей, работающих в составе высокочастотных ЭГВ, провести по ней обзор и сравнительный анализ характеристик известных типов ЭМП.

2. Построить уточненную математическую модель обобщенного преобразователя ограниченной полной мощности и разработать математическое и программное обеспечения анализа и оптимального синтеза ЭМП по максимуму собственной частоты.

3. Проанализировать влияние параметров источника электропитания, преобразователя и нагрузки на собственную частоту, определить пути усовершенствования серийных и найти новые схемные реализации ЭМП повышенного быстродействия.

4. Провести экспериментальные исследования макетных образцов ЭМП различных типов.

Методы исследования. При аналитических исследованиях ЭМП использовались традиционные методы интегро-дифференциального и операционного исчислений, методы теории электрических и магнитных цепей, теории автоматического управления и электропривода с последующими расчетами на современных персональных ЭВМ. Подтверждение достоверности полученных теоретических результатов производилось экспериментальными исследованиями серийно выпускаемых и созданных макетных образцов ЭМП на специальном испытательном стенде.

Научная новизна полученных результатов:

1. Предложены новые критериальные оценки быстродействия ЭМП электрогидравлических вибраторов.

2. Впервые сформулированы направления решения и решена задача синтеза ЭМП, оптимального по быстродействию, в условиях ограниченной полной мощности источника управления.

3. Построена уточненная математическая модель обобщенного ЭМП, ограниченной полной потребляемой мощности.

4. Получены общие соотношения связи критериальных оценок быстродействия с массо-габаритными и энергетическими показателями преобразователя.

5. Разработаны новые принципы построения и найдены их схемные решения для реализации быстродействующих ЭМП электромагнитного и электромашинного типов.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработаны новые инженерные методики и их программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющие оптимально проектировать электромагнитные быстродействующие ЭМП для ЭГВ с учетом в комплексе: насыщения магнитной цепи, влияния вихревых токов и ограничения источника по полной мощности.

2. Найдены конструктивные решения для четырех новых быстродействующих ЭМП электромагнитного типа.

3. Установлены соотношения для массо-габаритных параметров подвижных частей ЭМП, позволяющие оптимизировать его конструкцию применительно к использованию в высокочастотных ЭГВ.

4. Определены направления и найден ряд технических решений для усовершенствования конструкций серийных ЭМП электромашинного типа (электродвигателей постоянного тока с дисковым и полыми якорями, асинхронных электродвигателей с полым ротором, синхронных электродвигателей с катящимся ротором) для работы в режиме высо-

кочастотных колебаний золотника гидроусилителя.

5. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, , полученные в работе, внедрены на Жлобинском ОАО "БЕЛФА", используются при чтении специальных дисциплин учебного плана студентов специальности Т.11.02.01 - Автоматизированный электропривод в Гомельском политехническом институте и направлены для внедрения в НПО "Сейсмотсхника" г. Гомеля.

Экономическая значимость полученных результатов: Предложенные схемные реализации, методики проектирования и их программное обеспечение для ПЭВМ позволяют синтезировать оптимальные конструкции быстродействующих ЭМП, необходимых для создания высокочастотных электрогидравлических разведочных комплексов с повышенной разрешающей способностью. Потребность в таких комплексах остро ощущается при проведении разведочных работ на нефть, газ, минеральное сырье и др. как в Республике Беларусь, так и в странах СНГ. Их применение значительно ускоряет и удешевляет проведение поисковых работ.

Эти аргументы позволяют рассматривать новые схемные реализации быстродействующих ЭМП, методики их оптимального проектирования и программное обеспечение для ПЭВМ как коммерческий продукт.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автором защищаются:

1. Критерии оценки быстродействия ЭМП электрогидравлических вибраторов.

2. Уточненная математическая модель обобщенного ЭМП ограниченной мощности.

3. Методики анализа, синтеза и программы, реализующие их на ПЭВМ, для ЭМП электромагнитного типа, оптимальных по максимуму собственной частоты при ограниченной потребляемой полной мощности.

4. Принципы и схемные решения быстродействующих маломощных ЭМП электромагнитного и электромашинного типов.

Личный вклад соискателя. Приведенные в настоящей работе результаты и материалы получены в основном при личном участии автора. Анализ результатов проведен под руководством научного руководителя.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

- всесоюзной научно-технической конференции "Динамические

режимы работы электрических машин" (г. Каунас, 1988 г.);

- всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов" (г. Бишкек, 1991г.);

- научно-практическом семинаре по электромеханике (г. Екатеринбург, 1991 г.);

- третьей Дальневосточной научно-практической конференции "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий " (г. Комсомольск-на-Амуре, 1992 г.);

- научно-технических конференциях Гомельского политехнического института 1990-1996 гг.;

- республиканских научно-технических конференциях "Автоматизированный электропривод промышленных установок" (г. Минск, 1994, 1995 гг.);

- межрегиональном научно-техническом семинаре "Автоматизация и прогрессивные технологии" (г. Новоуральск, 1996 г.);

- международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (г. Гомель, 1996 г.).

Опубликованность результатов. По результатам выполненных исследований в научно-технических изданиях, сборниках, материалах и тезисах конференций опубликовано 16 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Общий объем работы составляет 188 страниц, в том числе 34 рисунка на 28 страницах, 22 таблицы на 16 страницах, три приложения на 23 страницах и список используемых источников из 108 наименований на 9 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены принципы построения электромеханических преобразователей электрогидравлических вибраторов и приведены технические характеристики более 50 отечественных и зарубежных ЭМП различных типов ( магнитоэлектрических, электромагнитных, электродинамических, индукционных, пьезоэлектрических и др.), которые могут использоваться для работы в составе автономных высокочастотных ЭГВ . Устойчивость и стабильность работы электрогидравлического вибратора на высоких частотах, в значительной степени, определяется частотными свойствами входящего в его состав ЭМП,

преобразующего электрический сигнал электронного блока управления в колебательное движение золотника управляющего каскада гидроусилителя.

Верхняя граница рабочей частоты существующих электрогидравлических вибраторов сейсмокомплексов типа СВ и СВП не превышает 150 Гц, что не всегда отвечает нуждам современной сейсморазведки. Как показали аналитические исследования и опыт проведения сейсмо-разведочных работ, достаточная разрешенность сейсмической записи достигается при увеличении максимальной рабочей частоты вибрационного источника до 300 ... 320 Гц, что практически реализуется путем повышения быстродействия электромеханического преобразователя, входящего в его состав.

Для оценки быстродействия преобразователей ЭГВ предложена система критериев , содержащая , кроме общеизвестных показателей — собственного ускорения с0, относительного электромагнитного момента Mos, электрической постоянной времени г и новый критерий -резонансную (собственную) частоту колебаний нагруженного ЭМП fpc3, определяющую динамические свойства всей электрогидравлической системы и диапазон ее рабочих частот.

Определены численные значения этих и других параметров электромеханического преобразователя, позволяющие повысить верхний предел рабочей частоты гидравлического вибратора вдвое, без увеличения полной электрической мощности существующего автономного источника электропитания. Основные из них таковы:

- собственное угловое ускорение не менее 1.3-105 с"2;

- относительный электромагнитный момент не ниже 0.07 Нм/ВА;

- резонансная частота колебаний нагруженного преобразователя не менее 750 Гц;

- полная потребляемая мощность не более 42 ВА;

- амплитуда линейных колебаний якоря в рабочем диапазоне частот не менее 0.1 мм.

Последнее требование обусловлено необходимостью обеспечить достаточную для нормальной работы гидравлической части вибратора амплитуду колебаний золотника первого каскада.

С помощью предложенной системы критериев, по требуемым численным значениям, проведен сравнительный анализ быстродействия отобранных в начале главы преобразователей различного типа.

Выявлено, что существующие ЭМП не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым к преобразователям, предназначенным для работы в составе автономных высокочастотных ЭГВ. Наиболее

перспективными для использования оказались преобразователи электромагнитного типа, обладающие не только наилучшими динамическими, частотными и массо-габаритными характеристиками, но и отличающиеся удобством конструктивного сочленения с входными элементами гидроусилителей. Просматривается также возможность применения отдельных серийных электромашинных ЭМП в качестве быстродействующих при соответствующей доработке их конструкции.

Указано на необходимость учета при разработке методик расчета и проектирования высокочастотных ЭМП ограниченности источника электропитания автономного ЭГВ по полной мощности и влияния на характеристики преобразователя электромагнитной жесткости, ЭДС движения, действия вихревых токов, насыщения и других факторов.

С учетом вышесказанного были сформулированы цель и задачи проводимых исследований.

Во второй главе изложены вопросы теории и оптимального синтеза высокочастотных электромеханических преобразователей колебательного движения с ограниченным энергопотреблением.

Математическая модель (ММ) обобщенного преобразователя ограниченной полной потребляемой мощности представлена системой уравнений в матричной форме

Ме1 = 0,

с№

N. (Е-ик-— )=0,

МтФ=0, (Р-ит)=0

С^эм

(О

т>

¿X

1<ГДО„,Е<ЕД01!,

где I, Ни, Е, Ч', Ф, ит , Р — векторы токов, электрических напряжений на активных сопротивлениях, ЭДС источников электроэнергии, потокосцеплений, магнитных потоков, магнитных напряжений и МДС;

1Доп, Ед0П- векторы допустимых значений тока и ЭДС источников электроэнергии;

Ме, Мщ, - топологические матрицы соединений электрических (е) и магнитных (ш) ветвей в узле М и контуре И; - энергия электромагнитного поля;

X, qH - обобщенная координата перемещения подвижного элемента и нагрузочное усилие на нем.

Модель (1) позволяет получить конкретные математические описания ЭМП различных типов ( электромагнитных, электродинамических, электромашинных и др. ).

В частности, с её помощью была построена ММ базового электромагнитного преобразователя с поляризацией, применяемого в автономных ЭГВ сейсмокомплексов СВ и СВП (рис. 1а).

¿Ф

e=i-R+W— , dt

<J>i Ri - Ф3 R3 = i W , Ф4 R4 - 3>2 Rz = i W,

ф = Ф, - ф2 , (2)

ф, + ф3 = ф2 + ф4=2 Фп ,

d\V d2a , da „

-— = J—r + b— + С a,

da dt2 dt

e ^ Em.ncT , 1 ^ Im.HCT »

где e - ЭДС источника электропитания; i - ток в обмотке управления преобразователя;

Ri, ..., R-4 - магнитные сопротивления воздушных зазоров плеч моста магнитопровода;

R=RHct+Rm+Rct — суммарное активное сопротивление источника, обмотки управления и эквивалентного потерям в стали; Ф, Ф], ...,Ф4 - магнитные потоки в якоре и полюсах ( воздушных зазорах);

Фп - магнитный поток одного постоянного магнита;

W - суммарное число витков обмотки управления;

a, J, Ь, С - угол поворота якоря, момент инерции, коэффициенты

демпфирования и упругости нагрузки и якоря;

Еш.ист> Im.ncT - максимально допустимые значения ЭДС и тока на

выходе источника питания.

Полученная математическая модель мостового ЭМП, в отличие от известных, позволяет учесть ограниченность источника по полной мощности на уровне Еш ист •!„.„„, потери на гистерезис и вихревые токи через RCT и влияние ЭДС движения через Ф.

Преобразование модели и вывод расчетных соотношений, необходимых для создания методик анализа и синтеза ЭМП, выполнены операторным методом и методом гармонического баланса, с

С учетом вышесказанного были сформулированы цель и задачи проводимых исследований.

Ме1 = 0,

с№

)= О,

МпФ=0,

а\Уэм

(1)

<1х

-Ян=о,

1<1Д0П,Е<ЕЛ0„,

где I, ия, Е, 1Р, Ф, и г,, Е - векторы токов, электрических напряжений на активных сопротивлениях, ЭДС источников электроэнергии, потокосцеплений, магнитных потоков, магнитных напряжений и МДС;

1доп, Ед0П- векторы допустимых значений тока и ЭДС источников электроэнергии;

Ме, N5, Мга, - топологические матрицы соединений электрических (е) и магнитных (т) ветвей в узле М и контуре N5 и'эм - энергия электромагнитного поля;

X, qн — обобщенная координата перемещения подвижного элемента и нагрузочное усилие на нем.

,с!Ф

лГ

■I

Ф, Я, - Фз = I w ,

Ф4 Я4 - Ф2 1*2 = 1 W,

Ф = ф, - Ф2 ,

ф, + Фз = ф2 + ф4 =2 Фп ,

с1\У, й2а , йа

-— = Л—Г + Ь— + С а,

ёа <¿1

С ^ Ет.ИСТ 9 1 — ^ГП.ИСТ 9

(2)

где е - ЭДС источника электропитания; I - ток в обмотке управления преобразователя;

Яь ..., 114 - магнитные сопротивления воздушных зазоров плеч моста магнитопровода;

11= !?.„„ + +11от - суммарное активное сопротивление источника, обмотки управления и эквивалентного потерям в стали; Ф, Фь ...,Ф4 - магнитные потоки в якоре и полюсах ( воздушных зазорах);

Ф„ - магнитный поток одного постоянного магнита;

\У - суммарное число витков обмотки управления;

а, .Г, Ь, С - угол поворота якоря, момент инерции, коэффициенты

демпфирования и упругости нагрузки и якоря;

Еш.ист> 1т.исг_ максимально допустимые значения ЭДС и тока на

выходе источника питания.

Полученная математическая модель мостового ЭМП, в отличие от известных, позволяет учесть ограниченность источника по полной мощности на уровне Етист-1тисх, потери на гистерезис и вихревые токи через Кст и влияние ЭДС движения через Ф.

последующей проверкой и анализом полученных уравнений на ЭВМ. При аналитическом исследовании статических и динамических свойств преобразователя использованы выражения для АЧХ и ФЧХ по основным и промежуточным переменным (перемещению якоря, потребляемому току, электромагнитному моменту, магнитной индукции в якоре и др.)

Для проведения синтеза ЭМП, оптимального по быстродействию при заданной полной мощности автономного источника, разработано математическое обеспечение, основу которого составляют уравнения целевой функции и ограничений.

Уравнение целевой функции получено из решения системы (2) и связывает основной критерий быстродействия - резонансную частоту с массо-габаритными параметрами преобразователя

^«=¿1 з-тс.ё-(1 + кгдв)-а:ор(| 16-4 12-шзол-птор-ь-атор +

+ 2-У.К "атоР -(з-пт2ор +к12)-Ь-а^р + 12-уЯК -атор -птор -Ъ2 -с1?ор +

+ 3'тзол'птоР + 3• УЯК -атор -Ъ3-с!2ор +12-шЭ0Я-Ь2 +

+Уяк-атор-птор'(п?ор+к2)-с1?ор ] \ | ,

где уяк - удельная масса материала якоря; g — модуль упругости материала торсиона; Ь, с1тор - размер окна катушки управления и диаметр торсиона; кь кГДв - коэффициенты запаса по креплению торсиона в якоре и гидродинамической жёсткости; тзол -суммарная масса тяги и золотника;

атор, птоР — расчётные коэффициенты, зависящие от отношения поперечных сечений полюса и якоря, коэффициента запаса к! и относительной ширины якоря ао.

Уравнения ограничений получены на основе требований, предъявляемых к ЭМП со стороны автономного ЭГВ, и условия ненасыщения якоря рабочим магнитным потоком

Г ^т — ^т ист ,

^ Хт>Хтр, (4)

[ Вт< к5 В5,

где Хт р - требуемая по техническому заданию величина амплитуды линейных колебаний якоря;

1т, Хш, Вт - расчетные значения амплитуды потребляемого тока , линейных колебаний якоря и магнитной индукции в якоре; В5, к5 - индукция насыщения материала якоря и коэффициент запаса по насыщению.

Решение задачи синтеза оптимального по быстродействию ЭМП заключается в определении значений конструктивных параметров с1тор, Ь и ао, при которых значение резонансной частоты по (3) максимально и одновременно выполнены условия ограничений (4).

Поскольку и целевая функция (3), и ограничения (4) являются нелинейными, взаимосвязанными и неявными функциями трех независимых переменных, то для решения задачи оптимизации использован метод упорядоченного перебора, не требующий сложных математических преобразований оптимизируемой функции и ограничений. Такой подход позволил разработать достаточно простую и эффективную методику и алгоритм расчета параметров ЭМП с максимальным быстродействием для заданных значений напряжения итист и тока 1ГП ИСТ источника электропитания и амплитуды линейных якоря Хт р.

Оптимизация конструктивных параметров базового преобразователя, выполненная с использованием созданной методики, позволила повысить его собственную частоту почти в 1,6 раза.

В третьей главе с помощью разработанной программы оптимального синтеза проанализировано влияние параметров ЭМП и источника электропитания на собственную частоту. Выявлено, что ее росту способствует не только увеличение магнитной индукции в зазорах от постоянных магнитов, повышение мощности источника электроэнергии и снижение величины воздушного зазора, но и оптимальные геометрия и материалоемкость конструкции.

Это позволило определить основные пути повышения быстродействия мостовых ЭМП и способы их практической реализации (использование высококоэрцитивных постоянных магнитов, изменение геометрии поверхностей, образующих воздушный зазор, применение катающегося якоря и т.д.).

Так, например, выполнение поверхности полюсов не плоскими, а в виде сектора кругового цилиндра (рис. 16) равносильно уменьшению воздушного зазора, что приводит к увеличению электромагнитного момента, развиваемого преобразователем, и улучшению его динамических характеристик.

Применение в конструкции базового ЭМП полюсов с цилиндрической поверхностью позволяет повысить его собственную частоту

почти на 11%. Конструкция данного преобразователя, разработанная при непосредственном участии автора, защищена авторским свидетельством №1690112.

Более значительному росту быстродействия электромагнитного мостового ЭМП способствует замена плоского якоря на катающийся. В этом случае, как показывают прогнозные расчеты, его резонансная частота в 2 раза превысит требуемую для создания высокочастотного ЭГВ.

Принципиальными недостатками базового ЭМП, сдерживающими получение высокого быстродействия, являются, - движение якоря вдоль воздушного зазора и прохождение магнитного потока от рабочих обмоток вдоль якоря. Первое не позволяет выполнить воздушный зазор малым по величине, второе - уменьшить момент инерции якоря.

Предложена новая перспективная конструкция электромагнитного преобразователя типа "сэндвич" ( рис. 1в), у которого указанные недостатки устранены за счет перехода к движению якоря поперек воздушного и использования поперечного магнитного поля. В результате этого удалось существенно повысить быстродействие преобразователя. Так, значение собственного ускорения "сэндвича" в 3 раза выше, чем базового ЭМП.

Разработаны оригинальные конструкции электромагнитных преобразователей с дисковым якорем ( типа "клапан"), принцип действия которых базируется на идее прерывания рабочего магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами ( рис. 1г) или обмотками возбуждения постоянного тока, управляемым (насыщаемым) ферромагнитным экраном. При этом мощность, потребляемая от источника электропитания на управление экраном относительна невелика, а электромагнитное усилие, развиваемое преобразователем, может достигать весьма больших величин, так как оно почти полностью определяется магнитной энергией постоянного магнита. Кроме того, момент инерции дискового якоря существенно ниже, чем обычного якоря. Вследствие этого, быстродействие преобразователя с управляемым магнитным экраном оказывается более чем в 2 раза выше быстродействия мостового ЭМП традиционного исполнения.

Для всех представленных в главе преобразователей получены общие уравнения связи их силовых характеристик с энергетическими и массо-габаритными параметрами, на основе которых построены методики проектирования.

Оценена возможность применения в быстродействующих авто-

крлк

1як

сЗтор

аяк=ап

а)

5\Г

А 2

6 /5

б)

А-А

В)

Ж]

I/5

г)

Рис. 1. Конструкции электромеханических преобразователей:

а) - базовый; б) - с цилиндрическими полюсами; в) - "сэндвич"; г)-типа "клапан"; 1-якорь; 2 - полюса; 3 - основание магнитопровода; 4 - постоянные магниты; 5 - обмотки управления; б - торсион; 7 - магнитный экран

номных ЭГВ электромашшшых преобразователей ( электродвигателей постоянного и переменного тока ). В результате анализа статических и динамических параметров удалось отобрать шесть электродвигателей (ДП-95, АДП-1362, ДБМ-120-1.6, СДКР, МИГ-ПР, ТМ-510), способных составить конкуренцию электромагнитным преобразователям.

Хотя в комплексе по техническим характеристикам выбранные электродвигатели пока уступают базовому ЭМП, но по некоторым показателям ( собственному ускорению — ДП-95, МИГ- ПР , относительному и пусковому электромагнитным моментам - СДКР, ДБМ-120-1,6 ) они в 5 ... 15 раз превосходят его.

Определены направления, по которым необходимо модернизировать конструкции серийных электродвигателей, с тем чтобы они полностью удовлетворяли техническим требованиям ЭМП с собственной частотой 750 Гц. Даны конкретные рекомендации по проведению модернизации рассмотренных электромашинных преобразователей. В четвертой главе содержится описание экспериментальной установки для проведения исследований ЭМП и представлены результаты опытных испытаний макетных образцов преобразователей различных типов. В ходе выполнения экспериментальных исследований получены амплитудно-частотные и статические характеристики электромагнитных ЭМП и преобразователей на базе серийных электродвигателей постоянного ( ДП-95-90) и переменного токов (АДП-563А, АДП-1262А), определены значения их резонансных частот. Подтверждена работоспособность макетных образцов преобразователей новых конструктивных исполнений, - с управляемым ферромагнитным экраном ( типа "клапан") и поперечным магнитным полем с дисковым якорем, движущимся поперек воздушного зазора (типа "сэндвич"), практически проверено влияние конструктивных параметров на быстродействие ЭМП.

Сравнение расчетной и экспериментальной амплитудно-час-тотных характеристик базового электромагнитного ЭМП ( рис.2) показывает, что в зоне рабочих частот (до 0.4-£рм) различие в амплитудах колебаний якоря не превосходит 14%.

Вне рабочей зоны максимальное расхождение характеристик наблюдается на частоте 0.9-Грез и не превышает 22 %. Действительное и вычисленное значение резонансной частоты преобразователя практически совпадают ( отличие не более 5 %). Хорошая сходимость результатов, полученных аналитически и опытным путем, указывают на

адекватность разработанной математической модели мостового электромагнитного ЭМП и построенных на ее основе методик анализа и оптимального синтеза его параметров. Из представленных характеристик также следует, что оптимизация конструктивных параметров базового ЭМП позволила повысить его резонансную частоту с 375 Гц до 611 Гц, т. е. почти на 60 %.

Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики базового электромагнитного ЭМП: расчетные - не оптимизированного (1), оптимизированного (2); экспериментальные - не оптимизированного( 3), оптимизированного (4)

Оценить возможность использования серийных электромашинных преобразователей в качестве вибровозбудителей для автономных высокочастотных ЭГВ позволяют результаты экспериментальных исследований электродвигателей постоянного тока ДП-95-90-6 и асинхронных АДП-563А и АДП-1262А, колебательный режим работы которых создавался способом разночастотного питания. При этом для улучшения энергетических характеристик асинхронных электродвигателей, работающих в режиме колебаний, использованы технические решения, защищенные авторскими свидетельствами №1631689 и №1623788.

Из анализа амплитудно-частотных характеристик рассматриваемых преобразователей, нагруженных жесткостью 5 105 Н •м' ( такой же как у базового ЭМП) следует, что значение резонансной частоты двигателя ДП-95 равно 305 Гц, а 410 Гц и 450 Гц имеют соответственно

двигатели АДП-563А и АДП-1262А, т.е. несколько выше, чем у электромагнитного мостового ЭМП. Однако в рабочем диапазоне частот амплитуда колебаний ротора асинхронных преобразователей оказывается в 2...5 раз ниже требуемой, а потребляемая мощность в 1,5...2 раза превышает максимально допустимую мощность автономного источника электропитания. По этим причинам исследуемые электрические двигатели в стандартном промышленном исполнении не могут быть использованы для работы в составе высокочастотных ЭГВ мобильных установок сейсмического зондирования земли. В данном случае необходимо в соответствии с рекомендациями, полученными в работе, провести модернизацию их конструкций, направленную на увеличение пускового электромагнитного момента и снижение полной потребляемой мощности.

Опытные испытания макетных образцов быстродействующих преобразователей новых исполнений типа "клапан" и "сэндвич", показали их работоспособность и практически подтвердили правильность предложенных принципов повышения быстродействия, заложенных в основу их конструктивных схем. В частности, резонансная частота преобразователя с управляемым ферромагнитным экраном и постоянными магнитами составила 479 Гц, а такого же преобразователя с обмотками возбуждения - 578 Гц, что соответственно на 27 % и 48 % выше собственной частоты базового ЭМП.

В тоже время было выявлено, что для нормального функционирования ЭМП типа "сэндвич" необходимо строго соблюдать технологию изготовления отдельных его элементов, а дисковый якорь преобразователя должен выполняться достаточно жестким. Это позволит уменьшить величину односторонних магнитных сил тяжения и избежать залипания якоря на поверхности полюса. Для увеличения электромагнитного момента, развиваемого таким преобразователем, его якорь следует выполнять из нескольких дисков, работающих параллельно на общий торсион.

ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований успешно решена важная научно-техническая задача по разработке основ теории, методик анализа и оптимального синтеза, новых схемных решений быстродействующих электромеханических преобразователей для автономных высокочастотных ЭГВ. Это подтверждается следующими результатами, полученными в работе:

1. Разработана система критериев оценки быстродействия ЭМП, работающих в составе ЭГВ, содержащая, кроме общеизвестных показателей - собственного ускорения, относительного электромагнитного момента, электромеханической постоянной времени, и новый критерий - резонансную частоту нагруженного преобразователя, определяющий динамические характеристики всего электрогидравлического вибратора и диапазон его рабочих частот.

2. С помощью разработанной системы критериев проведен сравнительный анализ быстродействия более 50 современных отечественных и зарубежных ЭМП. Установлено, что существующие ЭМП не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым к преобразователям, предназначенным для работы в составе автономных высокочастотных ЭГВ. Наиболее перспективными для использования в таких ЭГВ являются электромагнитные преобразователи, имеющие, в сравнении с другими, наилучшие динамические, частотные и массо-габаритные характеристики.

3. Построена уточненная математическая модель обобщенного преобразователя, учитывающая ограниченность источника электропитания не только по активной, но и по полной мощности, потери в стали от вихревых токов и на гистерезис, ЭДС движения и электромагнитную жесткость. Эти факторы оказывают определяющее влияние на технические характеристики ЭМП, работающего в составе высокочастотного автономного ЭГВ.

4. Разработаны методика, алгоритм и программное обеспечение оптимального синтеза электромагнитных мостовых преобразователей на ПЭВМ, которые позволяют рассчитать конструктивные параметры ЭМП, обладающего максимальным быстродействием при заданных значениях амплитуды колебаний золотника, напряжения и тока источника электропитания. Оптимизация конструкции базового ЭМП дала возможность повысить его собственную частоту почти на 60 %.

5. Проанализировано влияние параметров источника электропитания, преобразователя и нагрузки на резонансную частоту электромагнитного мостового ЭМП и найдены пути ее повышения. Это могут быть как известные способы, - увеличение мощности источника электропитания, применение высококоэрцитивных постоянных магнитов, так и новые, направленные на усовершенствование конструкции преобразователя, - изготовление полюсов с цилиндрической поверхностью и использование катающегося якоря. Выполнение поверхности полюсов базового преобразователя в виде сектора кругового цилиндра повышает его быстродействие на 11%, а замена плоского якоря на ка-

тающийся - почти в 4 раза.

6. Предложены новые конструктивные схемы электромагнитных ЭМП повышенного быстродействия, - с управляемым магнитным экраном ( типа "клапан") и с поперечным магнитным полем и дисковым якорем, движущимся поперек воздушного зазора (типа "сэндвич"). Доказано, что собственная частота таких преобразователей может достигать значения 1 кГц и выше.

7. Исследована возможность использования маломощных серийных электродвигателей в качестве вибровозбудителей для высокочастотных автономных ЭГВ. Установлено, что двигатели постоянного тока ТМ-510, ДП-95, ДБМ-120-1.6 и переменного тока АДП-1362, СДКР могут выполнять эту функцию, если модернизировать их конструкции в направлении увеличения пускового электромагнитного момента (АДП-1362, ТМ-510), снижения потребляемой мощности (ДП-95, АДП-1362) и уменьшения момента инерции ( ДБМ-120-1.6, СКДР). Практически это может быть реализовано путем увеличения числа пар полюсов, уменьшения величины воздушного зазора и выполнения подвижных элементов в виде полого цилиндра или части дугового сектора.

8. Основные теоретические выводы и рекомендации подтверждены экспериментально. Хорошая сходимость расчетных и опытных данных свидетельствует о том, что изложенные в работе основные теоретические положения адекватно отражают реально происходящие процессы.

Предложенные в работе технические решения защищены авторскими свидетельствами и реализованы при создании опытных образцов электромеханических преобразователей высокочастотных автономных электрогидровибраторов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Погуляев М. Н. Колебательный режим работы асинхронного электродвигателя при питании его постоянным и синусоидальным напряжениями // Задачи динамики электрических машин: Межвуз. сб. науч. тр. - Омск, 1986,- С. 127-130.

2. Луковпиков В. И., Погуляев М. Н., Солепков В. В. Применение обобщенного комплексного метода расчета электрических цепей / Го-мельск. политехи, ин-т. - Гомель, 1987. — 20с. - Деп. в ВИНИТИ 25.10.87, № 670- эт87.

3. Луковников В. И., Погуляев М. Н., Середа В. П. Асинхронный высокочастотный электропривод // Задачи динамики электрических машин: Межвуз. сб. науч. тр. - Омск, 1988. - С. 78-83.

4. Состояние и перспективы развития электромеханических преобразователей электрогидравлических систем / Луковников В. И., Погуляев М. Н., Грачев С. А., Тодарев В. В.; Гомсльск. политехи, ин-т. -Гомель, 1989,- 32с,- Деп. в ВИНИТИ 15.11.89, № 850-эт89.

5. Повышение быстродействия электромагнитных преобразователей углового движения / В. И. Луковников, М. Н. Погуляев, Г.А. Елисеев, В. П. Середа // Приборостроение... (Изв. высш. учеб. заведений). - 1995.-№3-4,- С. 47-48.

6. А. с. №1623788 СССР, МКИ* В 06 В 1/04. Асинхронный электродвигатель колебательного движения / В. И. Луковников, М. Н. Погуляев, В. В. Тодарев (СССР). - №4467123/07; Заявлено 11.05.88; Опубл. 30.01.91, Бюл. №4.- 2с.

7. A.c. №1631689 СССР, МКИ3 Н 02 Р 7/62. Способы управления колебательным электроприводом с асинхронным двигателем / В. И. Луковников, М. Н. Погуляев, В. В. Тодарев (СССР). - №4651139/07; Заявлено 13.02.89; Опубл. 28.02.91, Бюл. №8,- 2с.

8. А. с. №1690112 СССР, МКИ3 Н 02 К 33/06. Электромагнитный преобразователь углового движения / В. И. Луковников, М. Н. Погуляев, В. В. Тодарев (СССР). - №4663053/07; Заявлено 15.03.89; Опубл. 07.11.91, Бюл. №41.-Зс.

9. Грачев С. А., Погуляев М. Н., Тодарев В. В. Динамика колебательного режима несимметричного асинхронного электродвигателя // Тез. докл. V Всесоюз. науч.-техн. конф. "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов". - Каунас, 1988 - С.37.

10. Погуляев М. Н., Середа В. П. Динамика асинхронного электродвигателя в режиме развертки частоты колебательного движения // Тез. докл. V Всесоюз. науч.-техн. конф. "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов". - Каунас, 1988. -С.97.

11. Луковников В. И., Погуляев М. Н. Быстродействующие электромеханические преобразователи электрогидравлических вибраторов // Тез. докл. VI Всесоюз. науч.-техн. конф. "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов". - Бишкек, 1991. - С. 45-46.

12. Луковников В. И., Погуляев М. Н., Елисеев Г. А. Проблемы и пути усовершенствования быстродействующих электромеханических преобразователей // Тез. докл. науч.-практ. семинара по электромеханике. - Екатеринбург, 1991.-С. 123-124.

тающийся - почти в 4 раза.

7. Исследована возможность использования маломощных серийных электродвигателей в качестве вибровозбудителей для высокочастотных автономных ЭГВ. Установлено, что двигатели постоянного тока ТМ-510, ДГ1-95, ДБМ-120-1.6 и переменного тока АДП-1362, СДКР могут выполнять эту функцию, если модернизировать их конструкции в направлении увеличения пускового электромагнитного момента (АДП-1362, ТМ-510), снижения потребляемой мощности (ДП-95, АДП-1362) и уменьшения момента инерции ( ДБМ-120-1.6, СКДР). Практически это может быть реализовано путем увеличения числа пар полюсов, уменьшения величины воздушного зазора и выполнения подвижных элементов в виде полого цилиндра или части дугового сектора.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

2. Луковников В. И., Погуляев М. Н., Соленков В. В. Применение обобщенного комплексного метода расчета электрических цепей / Го-мельск. политехи, ин-т. - Гомель, 1987. - 20с. - Деп. в ВИНИТИ 25.10.87, № 670- эт87.

4. Состояние и перспективы развития электромеханических преобразователей электрогидравлических систем / Луковников В. И., Погуляев М. Н., Грачев С. А., Тодарев В. В.; Гомельск. политехи, ин-т. -Гомель, 1989,- 32с,- Деп. в ВИНИТИ 15.11.89, № 850-эт89.

6. А. с. №1623788 СССР, МКИ3 В 06 В 1/04. Асинхронный электродвигатель колебательного движения / В. И. Луковников, М. Н. Погуляев, В. В. Тодарев (СССР). - №4467123/07; Заявлено 11.05.88; Опубл. 30.01.91, Бюл. №4.- 2с.

13. Луковников В. И., Погуляев М. Н., Тодарев В. В. Математические модели обобщенного электродвигателя непосредственного привода // Тезисы VI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ГПИ. - Гомель, 1992. - С. 38.

14. Луковников В. И., Погуляев М. Н., Елисеев Г. А. Быстродействующий электромагнитный преобразователь углового движения // Тез. докл. 3-й Дальневосточной науч.-практ. конф. "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий". - Комсомольск-на-Амуре, 1992.- С. 25-26.

15. Погуляев М. Н. Электромеханический преобразователь с собственной частотой 1 кГц // Тезисы VII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ГПИ, посвященной 25-летию института. - Гомель, 1994. - С. 43.

16. Погуляев М. Н. Электромеханический преобразователь с повышенной собственной частотой // Автоматизированный электропривод промышленных установок: Тез. докл. республ. науч.-техн. конф. -Минск, 1994.-С. 13.

17. Луковников В. И., Погуляев М. Н. Математическая модель высокочастотного электромеханического вибропреобразователя // Матер, междунар. 51-ой науч.-техн. конф. профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА, посвященной 75-летию Белорусской политехнической академии, "Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в Белорусской политехнической академии": В 8 ч. - Минск, 1995.-Ч.З.-С. 180-181.

18. Погуляев М. Н. Оптимизация быстродействующих электромеханических преобразователей ограниченной мощности // Матер, межрегионального семинара-выставки "Автоматизация и прогрессивные технологии". -Новоуральск, 1992. - С. 127.

19. Луковников В. И., Погуляев М. Н. Оптимизация электромеханических преобразователей электрогидравлических вибросистем // Современные проблемы машиноведения: Матер, междунар. науч,-техн. конф. - Гомель, 1996. - С. 189-190.

РЭЗЮМЭ

Пагуляеу М1хаш ЬПчыпарав1ч

Высокачастотныя электрамехашчныя псраутваральшю для аутаномных электрапдраул1чных В1братарау

Электрамехашчшл пераутваральшк, матэматычная мадэль, электрагщраул1чны В1братар, анализ, сштэз, аптьтпзацыя, хуткадзейнасць, рэзанансная частата.

Аб'ектам даследавання з'яуляюцца электрамехашчныя пераутваральшк^ працуючыя у саставе высокачастотных аутаномных электрапдраул1чных в1братарау.

Цэль працы заключаецца у распрацоуцы асноу тэорьп, схемных рэалЬаций, метадау анал1зу 1 снггэзу хуткадзейных элекрамеха!пчных пераутваральшкау, арыентаваных на прымяненне у аутаномных электрагщраул1чпых в1братарах.

Навуковая 1 практычная значнасць вышкау складаецца у тым, што:

- прапанаваны новыя крытэрьн ацэны хуткадзейнасщ ЭМП пдрауичных в1братарау з аутаномным электрасшкаваннем;

- упершыню сфармуляваны напрамк1 вырашэння 1 вырашана задача сштэзу ЭМП аптымальнага па хуткадзейнасщ у умовах абмежаванай поунай магутнасщ крышцы электраэнергп;

- пабудавана удакладненная матэматычная мадэль абагульнен-нага ЭМП;

- пабудаваны методыка 1 праграмнае забеспячэнне для анал!зу 1 аптымальнага сштэзу на ПЭВМ пераутваральшкау, маючых мак-амалную рэзанансную частату пры зададзеннай поунай магутнасщ крышцы электраэнерги;

- распрацаваны новыя прынцыпы пабудовы х знойдзены 1х схемныя вырашэнш для рэал1зацьй хуткадзеячых ЭМП электра-магштпага I электрамашыпнага тыпау.

Вынш даследванняу могуць быць выкарыстаны у НПА «Сей-сматэхшка» г. Гомеля пры праектаванш электрамехашчных пераутваральшкау для пдрав1братарау крышц ссйсм1чнага зандз1равання зямль

Галша выкарыстоування - аргащзацьп I прадпрыемства, як1я займаюцца праектаваннем ЭМП для хуткадзеяных электрапдрау-Л1чых в!братарау рознага прызначэння.

РЕЗЮМЕ

Погуляев Михаил Никифорович

Высокочастотные электромеханические преобразователи для автономных электрогидравлических вибраторов

Электромеханический преобразователь, математическая модель, электрогидравлический вибратор, анализ, синтез, оптимизация, быстродействие, резонансная частота.

Объектом исследования являются электромеханические преобразователи, работающие в составе высокочастотных автономных электрогидравлических вибраторов.

Цель работы заключается в разработке основ теории, схемных реализаций, методов анализа и синтеза быстродействующих электромеханических преобразователей, ориентированных на применение в автономных электрогидравлических вибраторах.

Научная и практическая значимость полученных результатов состоит в том, что:

- предложены новые критерии оценки быстродействия ЭМП электрогидравлических вибраторов с автономным электропитанием;

- впервые сформулированы направления решения и решена задача синтеза ЭМП оптимального по быстродействию в условиях ограниченной полной мощности источника электропитания;

- построена уточненная математическая модель обобщенного ЭМП;

- созданы методика и программное обеспечение для анализа и оптимального синтеза на ПЭВМ преобразователей, имеющих максимальную резонансную частоту при заданной полной мощности источника управления;

- разработаны новые принципы построения и найдены их схемные решения для реализации быстродействующих ЭМП электромагнитного и электромашинного типов.

Результаты исследования могут быть использованы в НПО «Сейсмотехника» г. Гомеля при проектировании электромеханических преобразователей для электрогидравлических вибрационных источников сейсмических сигналов.

Область применения - организации и предприятия, занимающиеся проектированием ЭМП для быстродействующих электрогидравлических вибраторов различного назначения.

SUMMARY

Pogulaev Mihail Nikiforovich

High-frequency electromechanic converters for autonomous clectrohydraulic vibrators

Electromechanic converter, mathematical model, electrohydraulic vibrator, analysis, syntheses, optimization, speed, resonance frequency.

The object of study are electromechanic converters, working in the composition of radio-frequency autonomous electrohydraulic vibrators.

The purpose of work is concluded in the development of base of theory, circuital realization, methods of analysis and syntheses of high-speed electromechanic converters, oriented on using in autonomous electrohydraulic vibrators.

The scientific and practical value of tinning results consists in that that:

- offered new standard of judgement of speed EMC hydraulic vibrators with autonomous electrofeeding;

- for the first time worded directions of deciding and speech a pro-blem of syntheses EMC optimum on the speed in conditions limited packed powers a source of management;

- built elaborated mathematical model generalised EMC;

- created strategy and software for the analysis and optimum syn-theses on PC converters, having maximum resonance frequency under given packed powers a source of management;

- designed new principles of building and found their circuital deciding for realization high-speed EMC electromagnetic and electromachine types.

The results of studies can be used in Scientifically Production Association «Seismotehnika» c. Gomel. When designing the electromechanic converters for source hydrovibrators of seismic flexing a land.

Fields of use — the organizations and enterprises, concerning with designing EMC for high-speed electrohydraulic different purpose vibrators.

Похожие работы

Электротехника
05.09.00