Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия

Показано, что характер протекания энергетических процессов индукционно-динамического преобразователя ударного действия во многом определяется формой импульса тока возбуждения. Рассмотрены схемы возбуждения индуктора от емкостного накопителя, реализующие переменно-полярный, однополупериодный и аперио...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Болюх, В.Ф., Марков, А.М., Лучук, В.Ф., Щукин, И.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2009
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143182
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия / В.Ф. Болюх, А.М. Марков, В.Ф. Лучук, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 2. — С. 9-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143182
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1431822025-02-09T09:38:30Z Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия Energy processes and efficiency of a dynamic induction percussion converter Болюх, В.Ф. Марков, А.М. Лучук, В.Ф. Щукин, И.С. Електричні машини та апарати Показано, что характер протекания энергетических процессов индукционно-динамического преобразователя ударного действия во многом определяется формой импульса тока возбуждения. Рассмотрены схемы возбуждения индуктора от емкостного накопителя, реализующие переменно-полярный, однополупериодный и апериодический импульсы. Проанализированы критерии эффективности, учитывающие: полезную работу и потери в активных элементах; полезную работу и энергию источника; ускоряемую массу, энергию источника и импульс аксиальной силы, действующий на якорь, а также остаточную энергию в емкостном накопителе. Показано, що характер протікання енергетичних процесів індукційно-динамічного перетворювача ударної дії суттєво визначається формою імпульсу струму збудження. Розглянуті схеми збудження індуктора від ємнісного накопичувача, що реалізують перемінно-полярний, однопівперіодний і аперіодичний імпульси. Проаналізовані критерії ефективності, що враховують: корисну роботу та втрати в активних елементах; корисну роботу та енергію джерела; прискорювальну масу, енергію джерела та імпульс аксіальної сили, яка діє на якір, а також залишкову енергію в ємнісному накопичувачі. It is shown that energy processes behavior in a dynamic induction percussion converter is mainly specified by the form of excitation current impulse. Inductor excitation circuits from a capacitive energy storage which generate alternating-polar, half-wave and aperiodic pulses are considered. Efficiency criteria which take into account the yield and loss in the active components, the yield and power of the source, an accelerated mass, energy of the source and axial force impulse acting on the armature, as well as residual energy in the capacitive energy storage, are analyzed. 2009 Article Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия / В.Ф. Болюх, А.М. Марков, В.Ф. Лучук, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 2. — С. 9-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143182 621.313:536.2.24:539.2 ru Електротехніка і електромеханіка application/pdf Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Болюх, В.Ф. Марков, А.М. Лучук, В.Ф. Щукин, И.С. Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия Електротехніка і електромеханіка
description	Показано, что характер протекания энергетических процессов индукционно-динамического преобразователя ударного действия во многом определяется формой импульса тока возбуждения. Рассмотрены схемы возбуждения индуктора от емкостного накопителя, реализующие переменно-полярный, однополупериодный и апериодический импульсы. Проанализированы критерии эффективности, учитывающие: полезную работу и потери в активных элементах; полезную работу и энергию источника; ускоряемую массу, энергию источника и импульс аксиальной силы, действующий на якорь, а также остаточную энергию в емкостном накопителе.
format	Article
author	Болюх, В.Ф. Марков, А.М. Лучук, В.Ф. Щукин, И.С.
author_facet	Болюх, В.Ф. Марков, А.М. Лучук, В.Ф. Щукин, И.С.
author_sort	Болюх, В.Ф.
title	Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия
title_short	Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия
title_full	Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия
title_fullStr	Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия
title_full_unstemmed	Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия
title_sort	энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143182
citation_txt	Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия / В.Ф. Болюх, А.М. Марков, В.Ф. Лучук, И.С. Щукин // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 2. — С. 9-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT bolûhvf énergetičeskieprocessyiéffektivnostʹindukcionnodinamičeskogopreobrazovatelâudarnogodejstviâ AT markovam énergetičeskieprocessyiéffektivnostʹindukcionnodinamičeskogopreobrazovatelâudarnogodejstviâ AT lučukvf énergetičeskieprocessyiéffektivnostʹindukcionnodinamičeskogopreobrazovatelâudarnogodejstviâ AT ŝukinis énergetičeskieprocessyiéffektivnostʹindukcionnodinamičeskogopreobrazovatelâudarnogodejstviâ AT bolûhvf energyprocessesandefficiencyofadynamicinductionpercussionconverter AT markovam energyprocessesandefficiencyofadynamicinductionpercussionconverter AT lučukvf energyprocessesandefficiencyofadynamicinductionpercussionconverter AT ŝukinis energyprocessesandefficiencyofadynamicinductionpercussionconverter
first_indexed	2025-11-25T10:16:14Z
last_indexed	2025-11-25T10:16:14Z
_version_	1849757035520851968
fulltext	Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 9 УДК 621.313:536.2.24:539.2 В.Ф. Болюх, А.М. Марков, В.Ф. Лучук, И.С. Щукин ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНДУКЦИОННО- ДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Показано, що характер протікання енергетичних процесів індукційно-динамічного перетворювача ударної дії суттє- во визначається формою імпульсу струму збудження. Розглянуті схеми збудження індуктора від ємнісного накопичу- вача, що реалізують перемінно-полярний, однопівперіодний і аперіодичний імпульси. Проаналізовані критерії ефекти- вності, що враховують: корисну роботу та втрати в активних елементах; корисну роботу та енергію джерела; при- скорювальну масу, енергію джерела та імпульс аксіальної сили, яка діє на якір, а також залишкову енергію в ємнісно- му накопичувачі. Показано, что характер протекания энергетических процессов индукционно-динамического преобразователя ударно- го действия во многом определяется формой импульса тока возбуждения. Рассмотрены схемы возбуждения индук- тора от емкостного накопителя, реализующие переменно-полярный, однополупериодный и апериодический импуль- сы. Проанализированы критерии эффективности, учитывающие: полезную работу и потери в активных элементах; полезную работу и энергию источника; ускоряемую массу, энергию источника и импульс аксиальной силы, дейст- вующий на якорь, а также остаточную энергию в емкостном накопителе. ВВЕДЕНИЕ Ударные электромеханические преобразователи являются одними из наиболее эффективных уст- ройств, предназначенных для ускорения различных массивных объектов до высоких скоростей или воз- буждения силовых импульсов повышенной мощности. Среди указанного класса устройств особое место за- нимает индукционно-динамический преобразователь (ИДП) ударного действия, обеспечивающий индукци- онное взаимодействие стационарного индуктора, ко- торый импульсно возбуждается от емкостного нако- пителя энергии (ЕНЭ), и электропроводящего якоря, установленного с возможностью аксиального пере- мещения относительно индуктора [1, 2]. В результате такого взаимодействия на начальном этапе рабочего процесса происходит импульсное отталкивание элек- тропроводящего якоря от стационарного индуктора. На основе ИДП разрабатываются различные ли- нейные ускорители массивных объектов, называемые в иностранной литературе coil-gun, и ударные индук- ционно-динамические электродвигатели, развиваю- щие значительные механические нагрузки импульсно- го характера [3, 4]. Эти преобразователи характери- зуются кратковременным рабочим циклом, высокими скоростными показателями, развиваемыми на корот- ком активном участке, и удельными параметрами, обусловленными интенсивными импульсными на- грузками при незначительной массе, что связано с отсутствием специального магнитопровода. Однако для ИДП характерна низкая эффектив- ность преобразования накопленной энергии ЕНЭ в механическую, совершаемую подвижным якорем. Полезная механическая работа может представлять собой, например, разгон исполнительного элемента до высокой скорости, быстрое объемное сжатие газа, ударное деформирование жесткого объекта, срабаты- вание пускового механизма, возбуждение силового импульса, например, в земле при сейсморазведке, в активном объеме испытательного стенда и др. Из-за невысокой эффективности электромехани- ческого преобразования в ИДП возникают вопросы: куда уходит значительная часть энергии, обуславливая повышенные потери, и каким образом эту энергию можно перенаправить в полезную работу. В отличие от электромеханических преобразова- телей продолжительного действия для ИДП ударного действия не разработаны общепринятые критерии оценки эффективности их работы. Целью статьи является анализ энергетических про- цессов и оценка критериев эффективности, учитывающая различные аспекты преобразования энергии в ИДП. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ При возбуждении неподвижного индуктора от ЕНЭ в коаксиально установленном электропроводя- щем якоре наводятся вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем индуктора приводит к возникновению аксиальной электродинамической силы, приводящей к отталкиванию якоря от индукто- ра. Для учета неравномерности распределения инду- цированных токов в массивном ускоряемом якоре в электрической схеме замещения якорь можно пред- ставить совокупностью N элементарных короткозамк- нутых контуров, равномерно распределенных по по- верхности диска и имеющих изменяемую магнитную связь с первичным контуром – индуктором, подклю- чаемым к емкостному накопителю. В таком случае электрические процессы в ИДП можно описать сис- темой дифференциальных уравнений [5]: ×+++++⋅ ∫ )(...)( 1 )( 0 1 01 0 0 0 0000 zM dt di zMdti Cdt di LiTR k t 0 001 1 ...)( U dz dM i dz dM itV dt di k k k =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +++× ; ++++++⋅ dt di M dt di M dt di zM dt di LiTR k k1 2 12 0 01 1 1111 ...)()( 0...)( 112 2 01 0 =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++++ dz dM i dz dM i dz dM itV k k ; ×+++++⋅ − kkkk k kkkk M dt di M dt di zM dt di LiTR 1 1 1 0 0 ...)()( ⎜⎜ ⎝ ⎛ =⎟ ⎠ ⎞+++× − − − 0...)( 1 1 1 1 0 0 1 dz dM i dz dM i dz dM itV dt di kk k kkk , где i0, L0, R0 – соответственно ток, индуктивность и сопротивление индуктора; ik, Lk, Rk - соответственно ток, индуктивность и сопротивление элементарного короткозамкнутого k-го контура якоря, перемещаю- щегося со скоростью V(t) вдоль оси z относительно индуктора; Mkp - взаимоиндуктивность между соот- ветствующими токовыми контурами (k≠p); Tk – тем- пература k-го токового контура; C, U0 – соответствен- но емкость и напряжение ЕНЭ. Аксиальное перемещение ΔZ якоря с исполни- 10 Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 тельным элементом возникает под действием элек- тродинамической силы ∑⋅= N k k nknz z dz dM tititf )()()()( 0 0 , и их скорость можно представить в виде рекуррентно- го соотношения: ×−⋅ + −+= ∑+ + P k k nkn nn nn K dz dM titi mm tt tVtV 0 0 21 1 1 )()()()( )(125,0)()( 22 2 nmaanTn tVDtVKtZ βγ⋅π⋅−⋅−Δ× , где m1, m2 - масса якоря и исполнительного элемента, соответственно; KP - коэффициент упругости пружи- ны; KT - коэффициент динамического сопротивления; γa - плотность воздуха; βa - коэффициент аэродинами- ческого сопротивления; D2m - наружный диаметр си- ловой пластины. Для определения температуры индуктора или якоря, изменяемой в течение рабочего процесса и рас- пределенной по сечению, используется нелинейное уравнение теплопроводности )()( 1 )()( z 2 2 2 2 2 * Tktj z T r T rr T T t T Tc w ρ⋅⋅+ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂+ ∂ ∂+ ∂ ∂λ= ∂ ∂γ⋅ , где c(T) - усредненная удельная теплоемкость; γ - усред- ненная плотность материала; j(t) - плотность тока; λw(T) - коэффициент теплопроводности; kz - коэффициент за- полнения индуктора; ρ(T) – удельное сопротивление. Рассмотрим ИДП, обеспечивающий стремитель- ный разгон исполнительного элемента и сжатие упру- гой пружины. В качестве базового варианта принят преобразователь, индуктор и якорь которого выпол- нены в виде коаксиально расположенных дисков с наружным диаметром 100 мм. Индуктор представляет собой пропитанный эпоксидной смолой плоский диск высотой 10 мм, который плотно намотан в два ряда медной шиной прямоугольного сечения. Якорь вы- полнен в виде медного диска толщиной 2,0 мм. Для возбуждения индуктора используется ЕНЭ с базовыми параметрами U0=500 В и C=3000 мкФ. Масса уско- ряемого исполнительного элемента составляет m2=0,25 кг. В исходном состоянии якорь плотно при- жат к индуктору при помощи возвратной пружины, которая взаимодействует с исполнительным элемен- том и имеет коэффициент упругости KP=75 кН/м. При расчетах будем полагать отсутствие дефор- мации элементов преобразователя и отдачи индукто- ра, считая перемещения якоря строго аксиальным. Влиянием вспомогательных элементов преобразова- теля, в частности подводящих и соединительных про- водов, электронных приборов пренебрегаем. Рассмотрим три схемы возбуждения индуктора: - "переменно-полярный импульс" (ППИ), при которой реализуется полный разряд ЕНЭ с возникновением колебательно-затухающего тока; - "однополупериодный импульс" (ОИ), при которой реа- лизуется полярный однополупериодный импульс тока с помощью тиристора при сохранении заряда в ЕНЭ; - "апериодический импульс" (АИ), при которой реали- зуется полярный апериодический импульс тока с по- мощью тиристора при шунтировании индуктора обрат- ным диодом и отсутствии остаточного заряда в ЕНЭ. На рис. 1 представлены плотность тока в непод- вижном индукторе j1 и усредненная плотность тока в перемещаемом якоре j2 при использовании указанных схем возбуждения индуктора. -500 -250 0 250 500 750 1000 1250 j, А/мм2 0 0,5 1,0 1,5 2,0 t, мс ППИ ОИ АИ j1 j2 Рис. 1 Характер протекания токов в активных элемен- тах преобразователя во многом определяется схемой возбуждения индуктора. Однако различия в токах проявляются лишь через определенное время (0,6…0,7 мс) после начала рабочего процесса. При этом в схемах ОИ и АИ ток индуктора не меняет по- лярности, а ток якоря изменяет полярность через 0,8…0,9 мс. Вследствие этого электродинамическая сила между якорем и индуктором меняет характер взаимодействия из отталкивания на притяжение. При этом необходимо учитывать, что на якорь помимо электродинамической действуют и иные силы, прежде всего – это сила сжатия пружины, направленные про- тивоположно силе отталкивания якоря от индуктора. На рис. 2 представлены результирующая сила f, действующая на якорь, который перемещается на рас- стояние ΔZ со скоростью V, а также значения превы- шений температур индуктора θ1 и якоря θ2 для схемы ППИ (жирные линии), схемы ОИ (тонкие линии) и схемы АИ (линии с метками). Аксиальная сила, действующая на якорь, имеет импульсный характер, обусловленный электродина- мическим отталкиванием от индуктора, с последую- щим изменением знака, связанного в основном с воз- действием сжимаемой пружины (рис. 2,а). Из-за изме- нения полярности аксиальной силы начинает сразу же снижаться скорость, которая через определенное вре- мя меняет знак. Якорь вместе с исполнительным эле- ментом перемещается на некоторое максимальное расстояние от индуктора ΔZm, после чего следует об- ратное движение (рис. 2,б). При всех схемах возбуждения начальные элек- тромеханические и тепловые параметры одинаковы, в том числе максимальные значения силы f и скорости V, однако в последующем наблюдается значительное различие. Так максимальное перемещение якоря и скорость в конце рассматриваемого временного ин- тервала наблюдаются при использовании схемы ППИ. Однако при такой схеме наблюдается наибольший нагрев якоря, в то время как индуктор наибольше на- гревается при использовании схемы АИ (рис. 2,в). Рассмотрим энергетические диаграммы рассматри- ваемого преобразователя при использовании указанных схем возбуждения. На рис. 3 показана динамика измене- ния основных составляющих энергий в ИДП в течение рабочего процесса при использовании схем возбуждения индуктора: ИИП (а), ОИ (б) и АИ (в). Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 11 -5 0 5 10 15 20 f, кН; V, м/с 0 0,5 1,0 1,5 2,0 t, мс V f а) 0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 t, мс ΔZ, мм б) 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 t, мс θ, К θ2 θ1 в) Рис. 2 Составляющими энергиями являются: ∫= t p dtRtiW 0 2 01 )( – потери в индукторе; ∑∫= N k t kkp dtRtiW )(2 2 – потери в якоре; )( ),()()()(5,0 1 0 1 1 0 2 nktitizMtiLW N k N n nkkn N k kkm ≠⋅⋅+= ∑ ∑∑ + = = + = – магнитная энергия; )()(5,0 2 21 tVmmWkin ⋅+= – кинетическая энергия; )(5,0 2 tuCW cc ⋅⋅= – энергия ЕНЭ; )(5,0 2 tZKW Ppr Δ⋅= – энергия сжатия пружины. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 t, мс W, о.е. Wp1 Wp2 Wm Wkin Wc Wpr а) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 t, мс W, о.е. Wp2 Wm Wkin Wc Wpr Wp1 б) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 t, мс W, о.е. Wp1 Wp2 Wm Wkin Wc Wpr в) Рис. 3 Как следует из рис. 3 характер изменения раз- личных составляющих энергий во многом зависит от схемы возбуждения преобразователя. Так, при использовании схемы ППИ, реализующей полный разряд ЕНЭ, к концу рассматриваемого рабочего интервала основными становятся все возрастающие по- тери в индукторе Wp1 и якоре Wp2. Здесь наблюдается колебательный процесс между энергией магнитного поля Wm и энергией ЕНЭ Wc, оказывающий влияние и на остальные составляющие энергий (рис. 3,а). При использовании схемы ОИ, реализующей од- нополупериодный импульс, потери в индукторе и яко- ре выходят на стабильный уровень уже через 1,5…2 мс, не достигая столь значительных величин, как в схеме ППИ. При этом энергия магнитного поля Wm быстро затухает, и к концу рассматриваемого рабоче- 12 Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 го интервала основной становится сохраненная энер- гия в ЕНЭ Wc (рис. 3,б). При использовании схемы АИ, реализующей апериодический импульс, основная часть энергии идет на нагрев индуктора, энергия магнитного поля затухает, но постепенно, в то время как энергия емко- стного накопителя обнуляется практически в начале (0,8 мс) рабочего процесса (рис. 3,в). Отметим, что кинетическая энергия Wkin и энер- гия сжатия пружины Wpr в процессе работы ИДП, пе- рераспределяется между собой, переходя из одной в другую, практически сохраняя неизменную их сум- марную величину. Однако при отсутствии пружины эта суммарная энергия, представляющая собой лишь кинетическую энергию, снижается по сравнению с их суммарным значением, что объясняется более суще- ственным уменьшением магнитной связи между ин- дуктором и якорем. КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ Для оценки эффективности работы ИДП исполь- зуем ряд критериев, оценивающих его работу с раз- личных аспектов. В традиционных электрических ма- шинах продолжительного действия в качестве крите- рия эффективности для двигателей используется КПД – отношение полезной механической к подведенной электрической мощности. При этом оперируют ус- редненными во времени значениями мощностей, на- пример за период, не учитывая изменений для каждо- го конкретного момента времени. Для ИДП ударного действия использовать поня- тия мощности не целесообразно. Здесь необходимо оперировать понятиями энергии, анализируя, каким образом энергия заряженного ЕНЭ преобразуется в кинетическую или иную механическую энергию за рабочий цикл. При этом можно использовать началь- ные и конечные значения энергий для ИДП. Однако более перспективным является представление крите- риев эффективности не в виде одного значения, а в виде динамически изменяемой величины, что позво- ляет оценивать потенциальные возможности преобра- зователя на основе, например, максимальных значе- ний критериев, предусматривая возможность преры- вания рабочего процесса, например, путем ограниче- ния тока в индукторе при помощи электронной схемы. Поскольку преобразование энергии емкостного накопителя в полезную работу (ускорение якоря и сжа- тие пружины) сопровождается потерями в неподвиж- ном индукторе и ускоряемом якоре, первый критерий эффективности можно выразить следующим образом: ( )[ ] ( ) ,% )()()(2)( )()(100 )( 2 1 00 22 21 22 21 1 tZKdtTRtitVmm tZKtVmm t p N k t kkk p Δ⋅++⋅+ Δ⋅+⋅+⋅ =η ∑∫ + = Аналогичное выражение для критерия эффектив- ности ИДП использовано в работах [1, 6]. Второй критерий эффективности использует от- ношение полезной работы к исходной энергии ЕНЭ ( ) ,% )()( 100)( 2 0 22 21 2 UC tZKtVmm t p ⋅ Δ+⋅+ =η . Аналогичное выражение для критерия эффектив- ности ИДП использовано в работах [7, 8]. Третий критерий эффективности можно выра- зить через значение импульса аксиальной силы, воз- действующей на якорь в течение всего рабочего про- цесса, что важно, например, для силового воздействия на сжимаемую пружину [9] ,%),( 100 )( 2 021 2 0 1 3 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⋅=η ∫ −− t dtztf mm UC t . Рассмотрим динамику изменения этих критериев при использовании схемы ППИ (а), ОИ (б) и АИ (в) (рис. 4). 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 t, мс η, % η1 η3 η2 а) 0 5 10 15 20 25 30 0 0,5 1,0 1,5 2,0 t, мс η, % η2 η1 η3 б) 0 5 10 15 20 25 30 η, % η1 η2 η3 0 1 2 3 4 t, мс в) Рис. 4 Все критерии эффективности резко возрастают в начале работы преобразователя, после чего наблюдает- ся их понижение. Критерий η1, учитывающий потери в индукторе и якоре, возрастает до наибольшей величины (около 24%), но он и сильнее снижается. Критерии η2 и η3 в начале рабочего процесса практически совпадают, а различие между ними проявляется позже. До первого максимума характер поведения всех критериев не зави- сит от схемы возбуждения индуктора, однако в конце Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 13 наблюдается интересная особенность – возрастание критерия η1 при использовании схемы ППИ, в то время как в остальных схемах величина этого критерия со временем понижается. Таким образом, по всем указанным выше критери- ям наиболее эффективной является схема ППИ, а наиме- нее эффективной – схема АИ. Заметим, что только при использовании схемы АИ можно применять полярный ЕНЭ, выполненный на базе компактных электролитиче- ских конденсаторов большой емкости [5]. В схеме возбуждения ОИ после рабочего цикла сохраняется значительная часть энергии в ЕНЭ, кото- рую можно использовать для последующего рабочего цикла. Если учитывать только потраченную энергию ЕНЭ на рабочий цикл, второй и третий критерии можно видоизменить следующим образом: ( ) ( ) ,% )( 100)( 2 1 2 0 22 21 2 UUC ZKtVmm t p −⋅ Δ+⋅+ =η , ( ) ,%),( 100 )( 2 021 12 1 2 0 1 * 3 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + −⋅=η ∫ −− t dtztf mm UUC t , где U1 – остаточное напряжение ЕНЭ после рабочего цикла. 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0,5 1,0 1,5 2,0 t, мс η, % ОИ ППИ η* 2 η* 3 Рис. 5 ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИДП НА ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ Рассмотрим влияние массы ускоряемой нагрузки и соотношений параметров ЕНЭ на эффективность работы преобразователя, возбуждаемого по схеме ОИ. На рис. 6,а представлены зависимости макси- мальных значений аксиальной силы fm, скорости Vm и перемещения ΔZm якоря в зависимости от массы уско- ряемого исполнительного элемента. С увеличением массы ускоряемой исполнительного элемента m2 мак- симальные значения скорости и перемещения якоря снижаются, но при этом величина действующей на якорь электродинамической силы возрастает. Послед- нее обстоятельство объясняется более сильным маг- нитным взаимодействием якоря и индуктора. В результате увеличения массы ускоряемого ис- полнительного элемента от 0 до 0,5 кг эффективность ИДП по всем критериям снижается, даже критериев η3 и η* 3, учитывающих импульс электродинамической силы, действующей на якорь (рис. 6,б). Однако сте- пень уменьшения этих критериев различна: η1 – на 41 %, η2,3 – на 18 %, η* 2,3 – на 66 %. Заметим, что крите- рии η2 и η3 изменяются практически синхронно, хотя учитывают различные аспекты работы ИДП. Параметры емкостного накопителя – напряжение U0 и емкость C, при сохранении его энергии сущест- венно влияют на эффективность работы электромеха- нического преобразователя (рис. 7). С увеличением емкости и соответствующим уменьшением зарядного напряжения снижаются все электромеханические па- раметры преобразователя: максимальные значения аксиальной силы fm, скорости Vm и перемещения ΔZm якоря (рис. 7,а). В результате такого перераспределе- ния параметров источника уменьшаются и все крите- рии эффективности ИДП. 0 10 20 30 40 0 0,1 0,2 0,3 0,4 m2, кг f,кН V,м/с ΔZ, мм Vm fm ΔZm а) 0 20 40 60 80 100 0 0,1 0,2 0,3 0,4 m2, кг η, % η* 2 η1 η* 3 η2 η3 б) Рис. 6 Поскольку при минимальных значениях емкости и массы ускоряемого исполнительного элемента рас- сматриваемого диапазона параметров эффективность преобразователя максимальна, рассмотрим энергети- ческие процессы ИДП, который возбуждается от ЕНЭ с энергией 375 Дж и емкостью 1 мФ при отсутствии исполнительного элемента (m2 = 0) (рис. 8). По срав- нению с базовым вариантом (рис. 2,б) критерии эф- фективности данного преобразователя существенно повышаются: η1 – на 40,6%, η2 – на 56,7%, η3 – на 57,5%. Это достигается за счет снижения потерь в индукторе Wp1 на 33,6 % и в якоре Wp2 – на 22%, что можно объяснить более короткими токовыми импуль- сами. А механическая энергия, представляющая собой сумму энергий кинетической Wk и сжатия пружины Wpr, возрастает на 40 %. 14 Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 0 10 20 30 40 1 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 С, мФ f,кН V,м/с ΔZ, мм Vm fm ΔZm а) 0 20 40 60 80 100 1 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 С, мФ η, % η* 2 η1 η* 3 η2,3 б) Рис. 7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 t, мс W, о.е. Wp1 Wp2 Wm Wk Wc Wpr Рис. 8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Характер протекания энергетических процессов ИДП ударного действия во многом определяется схе- мой возбуждения индуктора от ЕНЭ, реализующей переменно-полярный, однополупериодный или апе- риодический импульс тока. Проанализированы критерии эффективности, учитывающие: полезную работу и потери в активных элементах; полезную работу и энергию ЕНЭ; уско- ряемую массу, энергию ЕНЭ и импульс аксиальной силы, действующий на якорь. Исследована динамика изменения этих критериев для основных схем возбуж- дения индуктора. Показано, что при использовании схемы, обеспе- чивающей однополупериодный импульс тока в индук- торе, энергия в ЕНЭ частично сохраняется после ра- бочего цикла, и критерий эффективности ИДП, учи- тывающий остаточную энергию, превышает 60%. Установлено, что при минимальных значениях емкости и массы ускоряемого исполнительного эле- мента эффективность преобразователя максимальна, что объясняется более короткими, но мощными сило- выми импульсами, действующими на якорь. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. J.A.Andrews, J.R.Devine, "Armature design for coaxial induction launchers", IEEE Trans. Magnetics, vol. 27, № 1, pp. 639-643, 1991. 2. Ю.Н.Васьковский, С.М.Рогач, В.Т.Чемерис, "Математи- ческое моделирование индукционно-динамического ударного двигателя", Техн. электродинамика, № 4, С. 42-48, 1984. 3. R. Kaye, "Operational requirements and issues for coilgun electromagnetic launchers", IEEE Trans. Magnetics, vol. 41, № 1, pp. 194-199, 2005. 4. В.А. Тютькин, "Магнитно-импульсный способ разру- шения сводов и очистки технологического оборудования от налипших материалов", Электротехника, № 11, С. 24-28, 2002. 5. В.Ф.Болюх, А.М.Марков, В.Ф.Лучук, И.С.Щукин, "Тео- ретические и экспериментальные исследования индукционно- динамического двигателя, возбуждаемого от полярного емко- стного накопителя", Техн. електродинаміка. Тем. випуск: Проблеми сучасної електротехніки, Ч. 2, сс. 65-70, 2006. 6. B.M.Novac, P.Senior, I.R.Smith et al, "Studies of a very high efficiency cryogenic launcher", IEEE Trans. Magnetics, vol. 37, № 1, pp. 123-128, 2001. 7. M.Liao, Z.Zabar, D.Czarkowski et al, "On the design of a coilgun as a rapid-fire grenade launcher" // IEEE Trans. Magnet- ics, vol. 35, № 1, pp. 148-153, 1999. 8. В.П.Гальетов, Е.Г.Иванов, "Повышение эффективности электромагнитного индукционного ускорителя проводни- ков", Журнал прикладной механики и техн. физики, № 4, С. 105-108, 1979. 9. В.Ф.Болюх, "Эффективность электромеханических импульсных преобразователей индукционного типа. Крите- рии и анализ", Електротехніка і електромеханіка, № 3. - С. 13-18, 2004. Поступила 26.09.08 Болюх Владимир Федорович, д.т.н., проф., Марков Александр Михайлович, с.н.с., Лучук Владимир Федосеевич, к.т.н., с.н.с., Щукин Игорь Сергеевич, к.т.н., доц. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", каф. "Общая электротехника" и "Электрические машины", тел. (057) 70-76-427, e-mail: bolukh@kpi.kharkov.ua, tech@tetra.kharkiv.com.

Энергетические процессы и эффективность индукционно-динамического преобразователя ударного действия

Репозитарії

Схожі ресурси