Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности практического применения систем с импульсными электромагнитными машинами в технологиях и на объктах апк. задачи и методы исследований 22
1.1. Импульсные электромагнитные системы в операциях и техно логиях сел ьхозпроизводства 22
1.1.1. Возможности использования электромагнитных импульсных систем в стационарных установках и процессах (на примере операции сводообрушения) 33
1.1.2. Оценка возможности применения передвижных электромагнитных систем на объектах АПК (на примере погружения стержневых элементов) 45
1.1.3. Электромагнитный привод формообразующих элементов в наплавочных технологиях 59
1.2. Обобщенная структурная схема импульсной электромаг нитной системы для технологий АПК 66
1.2.1. Современный уровень и основные показатели импульсных электромагнитных машин 66
1.2.2. Источники тока для питания импульсных электромагнитных машин 16
1.3. Задачи и методы исследований 87
Выводы 91
2. Линейные электромагнитные двигатели импульсных машин с повышенными энергети ческими показателями 92
2.1. Задачи исследований 92
2.2. Магнитные системы линейных электромагнитных двигателей цилиндрической структуры 94
2.3. Сравнительный анализ способов формирования движущей силы в рабочем цикле однообмоточного ЛЭМД 103
2.4. Влияние нагружения неподвижного якоря на характеристики рабочего цикла импульсного ЛЭМД 110
2.5. Импульсные линейные электромагнитные двигатели с форсированным аккумулированием магнитной энергии 116
Выводы 123
3. Энергопреобразование в рабочих циклах импульсных электромагнитных машин 124
3.1. Режимы ЛЭМД и задачи исследований 124
3.2. Процесс электромагнитного преобразования энергии в рабочем цикле ЛЭМД 126
3.3. Процесс электромеханического преобразования энергии в рабочем цикле ЛЭМД 130
3.4. Энергопреобразование в ЛЭМД с аккумулированием магнитной энергии в период холостого хода 140
Выводы 148
4. Взаимодействие импульсных электромагнит ных машин с мобильными электроисточни ками и устройствами питания и управления 149
4.1. Постановка задачи 149
4.2. Сравнительные показатели электромагнитной машины, подключаемой к бензогенератору 151
4.2.1. Электрические преобразователи для источников переменного тока 151
4.2.2. Динамические характеристики и показатели рабочего цикла ударной электромагнитной машины 156
4.3. Аккумуляторные источники и управляющие преобразователи электромагнитных машин с ЛЭМД 163
4.3.1. Влияние ЛЭМД импульсной машины на показатели аккумуляторного источника 163
4.3.2. Исследование процессов импульсных электрических преобразователей электромагнитных машин с ХИТ 181
4.4. Комбинированные системы питания импульсных электромагнитных машин 205
Выводы 218
5. Рабочие процессы импульсных машин и систем с линейными электромагнитными двигателями 220
5.1. Экспериментальные исследования электромагнитных машин. Стенды, измерительная аппаратура, методики исследований 220
5.2. Статические режимы и характеристики ЛЭМД импульсных машин 237
5.2.1. Влияние элементов магнитной системы на статические характеристики ЛЭМД 237
5.2.2. Основные статические характеристики электромагнитной машины с аккумуляторным питанием 248
5.3. Рабочие процессы передвижных электромагнитных машин и систем 255
5.3.1. Исследование рабочих циклов импульсной машины с аккумуляторным питанием 256
5.3.2. Влияние конструктивных и режимных факторов на характеристики рабочих циклов импульсных машин 264
5.3.2.1. Электромагнитная машина с аккумуляторным питанием 264
5.3.2.2. Электромагнитная машина с конденсаторным питанием 288
5.3.3. Исследование рабочих циклов электромагнитной машины с конденсаторным питанием 302
5.3.4. Тепловые процессы электромагнитной машины с аккумуляторным питанием 317
Выводы 327
6. Расчет и проектирование импульсных электромагнитных машин и их элементов 328
6.1. Постановка задач 328
6.2. Кинематические схемы и компоновка импульсных машин с броневыми цилиндрическими ЛЭМД 329
6.3. Расчет конструктивных параметров ЛЭМД по выходной механической энергии 333
6.4. Оценка режимов работы электромагнитной машины с учетом допустимой мощности потерь 343
6.5. Определение параметров устройств передачи механической энергии ЛЭМД нагрузке 349
6.6. Расчет энергии удара для погружения стержня 369
Выводы 373
7. Результаты создания систем с электромаг нитными машинами для импульсных технологий 375
7.1. Электромагнитные импульсные машины для технологий группы А 375
7.2. Импульсные электромагнитные машины для безударных технологий группы Б 384
7.3. Технико-экономическая оценка результатов внедрения импульсных электромагнитных систем 385
Выводы 391
Общие выводы и заключение 392
Список литературы 397
Приложения 420
- Обобщенная структурная схема импульсной электромаг нитной системы для технологий АПК
- Магнитные системы линейных электромагнитных двигателей цилиндрической структуры
- Энергопреобразование в ЛЭМД с аккумулированием магнитной энергии в период холостого хода
- Сравнительные показатели электромагнитной машины, подключаемой к бензогенератору
Введение к работе
Сложившаяся ситуация и наметившийся подъем в производственных отраслях выдвигают перед инженерами-разработчиками актуальную задачу создания конкурентоспособной техники для реализации перспективных или совершенствования традиционных перерабатывающих, строительных и ремонтных технологий, без которых невозможно нормальное функционирования как отдельных сельскохозяйственных предприятий, так и всего агропромышленного комплекса (АПК) в целом.
В настоящее время подъем, становление и устойчивое развитие сельскохозяйственной отрасли неразрывно связаны с поиском и внедрением прогрессивных методов интенсификации операций и процессов, среди которых импульсные и вибрационные способы, позволяющие концентрировать и эффективно расходовать энергию, занимают существенное место. Например, в работе [37] убедительно показано, что использование импульсов и вибраций в условиях сельскохозяйственного производства позволяет усовершенствовать или упростить конструкцию и повысить КПД машин, улучшить качество выполняемых процессов в полеводстве, животноводстве, переработке продукции, ремонте сельскохозяйственной техники, механизировать операции и процессы, в которых другие способы оказываются нерезультативными.
В группах потенциально реализуемых в АПК с применением импульсов (группы А, Б) или вибраций (группа В) технологий важное место принадлежит операциям и процессам, обеспечиваемым ударными (группа А) или силовыми (группа Б) импульсами значительной интенсивности на объект, продукт или среду. Для определенности отнесем к этой группе воздействия с усилиями F 10 кН или энергией Ау в диапазоне 0,04 - 1,0 кДж. Анализ опубликованных данных показывает, что применение таких воздействий позволяет, например, эффективно отжимать сок из ягод или мягких плодов, предотвращать образование устойчивых сводов в бункерах хранения сыпучих продуктов, забивать (выдергивать) в грунт стержневые электроды при устройстве заземлений или катодной защиты при электрификации или газификации села, вести инженерные изыскания при строительстве или реконструкции объектов АПК и т.п.
В настоящее время в технике такие воздействия обеспечиваются разнообразными по конструкции и параметрам пневматическими, гидравлическими, гидропневматическими, электрическими импульсными машинами, которые формируют силовые или ударные импульсы, передаваемые, обычно, через инструмент (волновод) в обрабатываемую среду. Поскольку во многих практических конструкциях происходит именно ударное взаимодействие подвижного элемента (бойка) с инструментом, то для обозначения технических устройств или приспособлений, наряду с названием «импульсные», в работе употребляется термин «ударные».
Системный подход, послуживший плодотворной методологической базой при исследовании и создании подобных машин и систем с их использованием, позволил к настоящему времени придать результатам вполне четкую трактовку в виде теории силовых импульсных систем, основные положения которой разработаны в трудах А.И. Москвитина, П.М. Алабужева, О.Д. Алимова, А.В. Фролова, Н.П. Ряшенцева, Ю.З. Ковалева, Ф.Н. Сарапулова, В.В Ивашина, О.Н. Веселовского, Б.Ф. Симонова, В.Н. Гурницкого, Г.Г. Угарова, Г.В. Никитенко, Е.М. Тимошенко, А.В. Львицына, А.Н. Мирошниченко, А.Т. Малова, В.И. Мошкина, В.Ю. Неймана и других специалистов. При этом и в технической литературе, и в опубликованных работах толкование термина «силовая импульсная система» не является однозначным.
Известная подвижность познавательных принципов системного подхода, в соответствии с которыми любую сложную систему можно расчленить (всегда не единственным образом) на конечное число подсистем, а каждую подсистему (высшего уровня) можно, в свою очередь, расчленить на конечное число более мелких подсистем, позволяет называть силовой импульсной системой как собственно машину (с пневмо-, гидро- или другим приводом), так и машину с некоторой совокупностью объектов, обеспечивающих её работоспособность и представляющих функциональное единство. В последнем случае машина (ударный механизм) является лишь частью, выходным элементом (исполнительным органом) силовой импульсной системы, содержащей помимо самой машины системы приготовления, поддержания или регулирования нужных параметров рабочего тела (энергоносителя) и его транспортировки к машине (в пневмо- и гидросистемах) или источник электропитания, преобразователь и управляющее устройство (в электрических системах). Именно эти элементы системы во многом определяют удельные выходные показатели и степень совершенства импульсной машины, без этих элементов функционирование машин невозможно.
В настоящее время большая часть практических задач в АПК традиционно решается с помощью пневмо- и гидроимпульсных систем или электроприводов вращательного действия. Сравнение показателей гидроударных машин показывает, что это, как правило, крупногабаритные устройства, имеющие навесное исполнение или доставляемые к месту работы транспортными средствами. Для их установки в рабочее положение и перемещения на объекте необходимы подъёмно — транспортные механизмы, а для энергообеспечения - стационарные сети или мощные передвижные установки.
Однако значительная доля перечисленных операций и процессов при строительстве, реконструкции или ремонте объектов АПК выполняется, зачастую, в стеснённых условиях строительной площадки, на откосах, траншеях, вблизи или внутри строящихся или реконструируемых зданий и сооружений, когда мощные навесные импульсные машины малоэффективны или вовсе не применимы, а известные переносные или ручные инструменты и приспособления (молотки, перфораторы, бетоноломы) могут не обеспечивать нужного результата. Кроме того, некоторые виды работ ведутся на необорудованных местах, при отсутствии энергокоммуникаций, либо значительном их удалении, когда питание от автономных источников ограниченной мощности предпочтительно или безальтернативно.
Свойственные традиционным импульсным системам усложненность конструкции и, сопровождаемая потерями на промежуточных стадиях, мно гоступенчатость преобразования первичной энергии в механическую послужили в свое время важным стимулом к созданию силовых импульсных систем с электроприводом. Здесь, из сложившихся традиционно направлений, перспективным, при разработке импульсных машин и систем с их использованием, является линейный электрический привод. При этом применение импульсных линейных электрических двигателей представляется особенно предпочтительным, поскольку позволяет обеспечить непосредственное преобразование электрической энергии в механическую работу подвижной части с линейной траекторией движения. Объединение в одном блоке машины-двигателя и машины-орудия даёт такие известные преимущества, как упрощение и удешевление всего устройства, повышение его энергетических характеристик, надёжности, снижение затрат на обслуживание [122].
Анализ выполненных конструкций машин, использующих линейные электродвигатели разных типов, сопоставление их технических характеристик [39,49,63,69,94,100,110,115,138,182,186,187,194] показывают, что в приводе машин для совершенствования технологий в АПК-целесообразно применить линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД).
ЛЭМД относятся к импульсным электромеханическим преобразовате-•• лям и представляют самостоятельный класс специальных электрических машин, обладающих специфическими свойствами [62,93,100,122]. В них сочетаются конструктивная простота и надежность, они наиболее приспособлены к тем приводным устройствам, в которых рабочий орган совершает возвратно-поступательные движения. Применение ЛЭМД в этих изделиях следует считать идеальным, так как вид движения двигателя и рабочего органа машины совпадают [100,122].
Накопленный к, настоящему времени значительный положительный опыт создания и практического применения импульсных машин и устройств различного назначения с линейными электрическими, в том числе, электромагнитными двигателями свидетельствует об интенсивном развитии так называемых силовых электромагнитных импульсных систем (СЭМИС). Пред почтительность их применения при совершенствовании перечисленных и схожих технологий предопределяется лучшей экологичностью, возможностью упрощения кинематических схем и конструкций машин, уменьшения многоступенчатости энергопреобразования, улучшения массогабаритных характеристик изделий и выступает важным направлением энерго- и ресурсосбережения в АПК. Прогнозные оценки показывают, что использование СЭМИС вместо традиционных электроприводов в перечисленных или схожих операциях позволяет сократить энергозатраты на реализацию отдельной операции от двух и более раз и сэкономить за год, в среднем, не менее 1000 кВт-ч электроэнергии на каждую систему.
Оценивая возможности совершенствования технологий агропромышленного комплекса машинами и системами с линейными электромагнитными двигателями, операции и процессы целесообразно разделить на группы, оп-. ределяемые соотношением результирующих перемещений инструмента и якоря двигателя и характером их взаимодействия в каждом цикле при выполнении операции или процесса:
— группа А - разгон якоря и удар по нагрузке или инструменту, обеспечивающий их малое, в сравнении с ходом якоря, перемещение (сводообру-шение в бункерах, забивание стержневых элементов и др.);
— группа Б — безударная передача силовых импульсов инструменту или нагрузке совершающим рабочий ход якорем, при которой их перемещения совпадают или близки (прессование кип, кормораздача тросовыми или штанговыми транспортерами и др.);
— группа В — колебательное движение якоря двигателя с относительно большой частотой и малой амплитудой, обеспечивающее вибрацию рабочего инструмента или среды. Электрические машины и системы для таких технологий лишь упоминаются ввиду ограниченного объема настоящей работы и подробно представлены, например, в [37,60,138].
При этом из [49,53,61,62,69,71,75,82,94,98,100,122 и др.] следует, что главным препятствием в рациональной замене традиционных электроприво дов и систем импульсными, электромагнитными являются отсутствие, либо неприспособленность известных машин с ЛЭМД к операциям и процессам сельхозпроизводства, а необходимым условием расширения областей их эффективного применения в технологиях АПК, основанных на использовании ударных (группа технологий А) или силовых дискретных (группа технологий Б) воздействий, является повышение эффективности как электромагнитных двигателей импульсных машин, так и совершенствование систем с их использованием стационарного и мобильного исполнения, в том числе, переносных с автономными источниками.
Поскольку линейный электромагнитный двигатель обоснованно выдвигается главной операциональной «единицей» при анализе таких систем, значительная часть исследований направлена на совершенствование и повышение эффективности именно ЛЭМД. При этом, изучению других важных компонентов системы, определяющих ее практическую пригодность и оказывающих непосредственное влияние на показатели импульсных машин с ЛЭМД - источникам тока, накопителям энергии, электрическим управляющим преобразователям, - при исследовании СЭМИС уделяется значительно меньше внимания.
Недостаточность проработки общесистемных вопросов сдерживает развитие, ограничивает функциональные возможности и особенно отчетливо проявляется при создании мобильных импульсных электромагнитных систем, повышающих эффективность инженерных изысканий при сооружении и реконструкции объектов АПК, технологий выполнения заземляющих устройств в сельских электроустановках или катодной защиты при газификации села, изготовления изгородей при обустройстве пастбищ, малодебитных водяных скважин в фермерских и дачных хозяйствах, других схожих технологий, поскольку здесь становятся важными свойства не только составных частей СЭМИС, но и закономерности функционирования сложного объекта в целом. Появляется совокупность новых задач по определению рациональной структуры системы, организации взаимодействия элементов и подсистем, учету влияния внешней среды, выбору энергетически выгодных режимов действия, оптимальному управлению системой и др.
Преодолеть подобную ограниченность, определить недостаточность прежних условий для постановки и решения новых практических задач, обозначить отличные от существующих структурные и типологические характеристики элементов СЭМИС, позволяет системный подход. Комплексному, с учетом принципов этого подхода, решению проблемы совершенствования и создания, в том числе, мобильных систем с импульсными электромагнитными машинами, повышающими эффективность и экологичность целого ряда операций и процессов в технологиях АПК, посвящена настоящая диссертация.
Основанием для этой работы, представляющейся продолжением комплекса работ по созданию и совершенствованию машин с импульсными линейными электромагнитными двигателями, предназначенных для механизации трудоемких технологических процессов, являются программы:
— Научно-координационный план РАН по проблеме 1.11.1- теория машин и систем машин по теме «Динамика и синтез механизмов для возбуждения силовых воздействий большой интенсивности»;
— Направление 1.11.1.8 координационного плана РАН по теме «Динамический анализ и синтез схем и конструкций виброударных и импульсных машин и механизмов по условиям оптимального взаимодействия со средой»;
— Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу (утв. Президентом РФ 30 марта 2002 г. № Пр - 576);
— Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы.
— НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» «Разработка технического обеспечения аграрных технологий».
Цель работы. Создание и совершенствование силовых электромагнитных импульсных машин и систем, обеспечивающих энергосбережение в технологиях АПК за счет повышения эффективности линейных электромагнитных двигателей и рабочих процессов в системах с их использованием.
Научная проблема заключается в том, что существующие научно обоснованные методы, подходы и технические решения не позволяют создать электромагнитные импульсные машины и системы с существенно новыми свойствами для рациональной замены традиционных электроприводов и систем и энергосбережения в ряде процессов и технологий на предприятиях агропромышленного комплекса.
Рабочая гипотеза основана на том, что в системах с импульсными ЛЭМД циклическая концентрация подводимой электрической и дискретное дозирование передаваемой объекту механической энергии достигаются меньшим, чем в традиционных системах, числом звеньев и стадий энергопреобразования в простых и технологичных двигателях или машинах, что способствует энергосбережению и повышает эффективность ряда операций и процессов в АПК.
Задачи исследований:
— обосновать целесообразность применения силовых электромагнитных импульсных машин и систем в технологиях и на объектах АПК, сформулировать представление и установить научно-методические основы исследования и создания этих систем, в том числе, мобильных, определяемых совокупностью импульсной машины с ЛЭМД, управляющего преобразователя и источника питания ограниченной мощности;
— сопоставить наиболее характерные типы магнитных систем ЛЭМД импульсных машин и выявить систему с высокими потенциальными возможностями, наиболее эффективную с точки зрения энергопреобразовательных процессов, отличающуюся конструктивной универсальностью, позволяющую создавать и проектировать импульсные электромагнитные машины различного технологического назначения с использованием ЛЭМД одного типа;
— наметить пути совершенствования энергопреобразовательного процесса за счет реализации такой совокупности режимов в рабочем цикле двигателя, при которой обеспечивается наиболее эффективное преобразование электрической энергии в механическую работу в ЛЭМД;
— оценить показатели и потенциальные возможности автономных электроисточников и накопителей энергии при энергопитании ЛЭМД импульсных машин; создать автономный мобильный источник, обеспечивающий требуемые динамические и энергетические характеристики импульсных машин с ЛЭМД; проанализировать принципы построения и разработать принципиальные схемы электрических преобразователей для ЛЭМД импульсных, в том числе, переносных машин, обеспечивающих наиболее эффективное энергопреобразование в рабочем цикле;
— исследовать рабочие процессы в силовой электромагнитной импульсной системе; выявить сочетание конструктивных и режимных факторов, повышающее динамическую и энергетическую эффективность импульсных, в том числе, мобильных, переносных машин и систем с ЛЭМД;
— проанализировать основные структурные и функциональные признаки и разработать принципиальные схемы электромагнитных машин, представляемых совокупностью импульсного ЛЭМД и устройства вывода и передачи ударных или силовых импульсов объекту или среде; сопоставить способы и обосновать конструктивные схемы и параметры устройств передачи механической энергии от якоря ЛЭМД к нагрузке;
— разработать методы расчета основных энергетических параметров и конструктивных размеров ЛЭМД импульсных машин;
разработать конструкции функциональных и удобных в эксплуатации импульсных электромагнитных, в том числе, мобильных машин и установок для забивания-выдергивания стержней, электродов, интенсификации раз грузки бункеров, других применений; провести производственные и полевые испытания созданных образцов импульсных машин и систем.
Методы исследований. Все исследования в работе осуществлялись с позиций основополагающих принципов системного подхода. Теоретические исследования проводились с использованием законов электромеханики, теоретических основ электротехники, основных положений теории электрических машин и автоматизированного электропривода, аппарата математического анализа и численных методов решения задач.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры. Задачи, решаемые в работе, привели к созданию двух стендов для лабораторных исследований физических моделей и опытных образцов электромагнитных импульсных машин. Научная новизна:
— развито представление о силовой электромагнитной импульсной системе и сформулировано понятие мобильной электромагнитной импульсной системы как функционального единства ограниченных по массе, габаритам и мощности источника питания, рабочей машины с ЛЭМД и согласующего их взаимодействие импульсного преобразователя, которое повышает эффективность решения целого ряда практических задач в АПК;
— выдвинут, обоснован и практически подтвержден тезис об универсальности магнитной системы и конструкции броневого цилиндрического двухзазор-ного ЛЭМД, позволяющей сменой способа вывода механической мощности и выбором длины рабочего хода якоря создавать машины и импульсные системы для различных применений в процессах и технологиях АПК;
предложен способ передачи механической мощности от якоря двигателя выходному элементу и принципиальные схемы электромагнитных машин со сквозным осевым каналом, обеспечивающие при ограниченном рабочем ходе якоря любые необходимые линейные перемещения выходного эле мента и неторцевую забивку продольно-неустойчивых стержневых элементов произвольной длины;
— установлена предпочтительность аккумуляторного энергопитания для переносных электромагнитных импульсных машин кратковременного режима и комбинированного, с использованием конденсаторных накопителей, -для машин повторно-кратковременного и продолжительного режимов, определяемая минимальными габаритами, массой и высокими энергетическими показателями системы;
— обосновано применение низковольтных конденсаторных накопителей фа-радной и многофарадной емкости при передаче энергии источника двигателю, обеспечивающее эффективные энергопреобразовательные процессы ЛЭМД и высокие выходные характеристики переносных импульсных машин при одновременном многократном снижении мощности первичного источника - бензоагрегата или аккумуляторной батареи;
— выявлена целесообразность секционирования емкостного накопителя для неодновременного, поочередного разряда секций на обмотку машины в рабочем цикле, позволяющего влиять на форму питающего импульса и расширяющего возможности управления выходной энергией;
— развиты принципы построения тиристорных преобразователей для ЛЭМД переносных машин; разработан преобразователь с переменной коммутационной способностью, обеспечивающий хорошие выходные показатели импульсной машины, питаемой и от аккумуляторной батареи, и от емкостного накопителя;
-— предельные статические режимы ЛЭМД при намагничивающем токе в обмотке, соответствующем рабочему режиму импульсной машины;
— выявлены и реализованы рабочие циклы ЛЭМД импульсных машин с сочетанием энергопреобразовательных режимов, обеспечивающим увеличение выходных энергетических показателей при одновременном снижении энергопотребления от источника.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована:
— сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследований характеристик импульсных ЛЭМД и рабочих процессов ударных машин и комплексов с их использованием;
— экспериментальными данными, полученными на специально разработанных стендах при испытаниях ЛЭМД и электромагнитных ударных машин;
— результатами полевых испытаний опытных образцов автономных ударных комплексов с импульсными ЛЭМД, созданных на основе или с учетом результатов проведенных исследований.
На защиту выносится: для технологий групп А, Б
— кинематическое, на холостом ходе, разделение якоря и элемента вывода механической мощности из ЛЭМД позволяет при создании электромагнитных машин преодолеть противоречия, определяемые ограниченным ходом 5 якоря и существенной нелинейностью силовой характеристики F3(S), повысить функциональность импульсных электромагнитных машин и расширить области их эффективного применения, в том числе, в АПК;
— применение сквозного осевого канала в линейном электромагнитном двигателе позволяет создавать машины для ударных и неударных технологий с любыми необходимыми осевыми перемещениями выходного элемента при ограниченном ходе 8 якоря и передаче его механической мощности к элементу в неторцевом произвольном сечении элемента;
для технологий группы А — в ЛЭМД переносной импульсной машины автоколебания якоря за счет обратной связи по его координате на рабочем и холостом ходе повышают выходные энергетические показатели, в среднем, в 1,3 раза при одновре - менном снижении энергопотребления от источника за счет реализации устойчивого режима динамического индуктивного накопителя энергии при холостом, и предотвращения режима короткого замыкания при рабочем ходе якоря;
— в электромагнитной ударной машине со сквозным осевым каналом частичная кинематическая развязка корпуса и наковальни за счет их взаимного осевого перемещения на величину 0,1 от хода якоря снижает коэффициент восстановления его скорости при ударе в среднем в два раза и улучшает вибрационно-силовые характеристики и эффективность ударной машины;
— стартерные аккумуляторы и переносные бензоагрегаты, оснащенные конденсаторными накопителями фарадной- емкости, позволяют создавать импульсные источники с необходимыми показателями для питания электромагнитных машин кратковременного, повторно-кратковременного и продолжительного режима с выходной энергией =0,04...0,8 кДж и частотой , ходов «=0,2... 10 с"1;
— питаемая от стартерных аккумуляторов переносная электромагнитная ударная машина кратковременного режима обеспечивает сопоставимые с пневмо- и гидроударниками выходные,показатели при номинальной емко-сти батареи Сн на единицу массы. w машины CJnv=\, 1...1,5 А-ч/кг и удельном-напряжении на обмотке /,/ =0,8.,. 1,5 В/ виток;
— батареям электролитических конденсаторов фарадной и более емкости при разряде на обмотку импульсного ЛЭМД с выходной энергией 0,8 кДж развивает удельную мощность до 0,75 кВт на кг массы машины, и формирует униполярные питающие импульсы с необходимыми параметрами при единичных (n Q,2 с 1) и непрерывных (п 10 с х) срабатываниях, обеспечивая режим питания» электромагнитной машины, схожий с аккумуляторным при собственных удельных показателях 0-2 кДж/кг и 80 кДж/м ;
— неодновременный разряд секций емкостного накопителя на обмотку ЛЭМД в функции координаты совершающего рабочий ход якоря создает предпосылки к улучшению удельных показателей и электромагнитных машин, и импульсных источников с накопителями за счет лучшего согласования разрядного процесса накопителя с динамическими в ЛЭМД; для технологий группы Б — в линейных двигателях неударных машин выходные элементы в виде зубчатых или гладких штанг или тросов, перемещаемые на каждом рабочем ходе якорем на величину д, позволяют реализовывать любые результирующие перемещения п-д, п-\, 2,... при неизменном, на всей длине п-д, среднем усилии Fcp=const, величина которого тем меньше отличается от начального — конечного усилия двигателя на ходе д, чем короче рабочий ход 8 якоря.
Практическое значение работы:
— обоснованы и предложены принципиальные схемы и конструкции цилиндрических импульсных ЛЭМД, в том числе, со сквозным осевым каналом, позволяющие не только разрабатывать импульсные машины с новыми свойствами и улучшенными характеристиками, но и создавать на базе этих машин автономные переносные электротехнические комплексы для различных применений, оснащая их аккумуляторными, конденсаторными или комбинированными устройствами питания с ограниченными габаритами, массой и мощностью;
— созданы и испытаны в лабораторных и производственных условиях автономные электрические комплексы с переносными и навесными импульсными машинами с выходной энергией 0,04...0,8 кДж с аккумуляторным и аккумуляторно-конденсаторным питанием.
Реализация результатов работы. Основные методические принципы и положения, разработанные по результатам проведенных исследований, рассмотрены научно-техническим советом министерства сельского хозяйства Саратовской области, техническим советом филиала «ПоволжСЭП» («Сель-энергопроект»), признаны важными и рекомендованы для создания и внедрения электромагнитных систем в операции и процессы на предприятиях и объектах сельскохозяйственной отрасли. Результаты исследований были ис пользованы и другими заинтересованными организациями, в частности, специализированным КБ предприятия п/я Г-4586; филиалом ФГУП «НВНИ-ИГГ» «Саратовская геофизическая экспедиция»,- при разработке и проведения испытаний автономных электротехнических комплексов с электромагнитными машинами для импульсных технологий.
Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и цели работы, в предложении новых конструкций импульсных электромагнитных машин и автономных электротехнических комплексов с их использованием, проведении экспериментальных и теоретических исследований и обобщении их результатов, разработке методик расчета основных элементов, осуществлении авторского надзора и выполнении полевых испытаний созданных автономных электротехнических комплексов.
В отличие от близких по электромагнитной тематике исследований предшественников, посвященных повышению эффективности собственно линейных электромагнитных двигателей ([39,82,122]), настоящая работа нацелена на создание по результатам исследований на базе однообмоточных броневых цилиндрических ЛЭМД силовых электромагнитных импульсных систем, в том числе, мобильных с автономными источниками, включающих, в общем случае, электромагнитную машину с ЛЭМД, источник питания и согласующий их взаимодействие управляющий преобразователь.
Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы докладывались на VI Всесоюзном совещании «Электрические виброимпульсные системы» (г. Новосибирск, 1987 г.); Всесоюзной конференции по вибрационной технике (г. Кобулети, 1987 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования электропривода в сельскохозяйственном производстве» (г. Челябинск, 1989 г.); объединенных научно-технических семинарах лаборатории силовых электромагнитных импульсных систем, горных и строительных машин ударного действия и систем управления виброимпульсными источниками Института горного дела СО АН СССР (г. Новосибирск, 1987 - 1991 гг.);
десятой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, 1995 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2004 г.); первой, второй, третьей, Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2002,2003,2005 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ, в том числе, семь - в реферируемых изданиях, указанных в «Перечне...ВАК», одна монография, 8 авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели. Общий объем публикаций составляет 29 п.л., из которых 22,1 п.л. принадлежат лично соискателю.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 210 наименований и 4 приложений. Материал работы изложен на 433 страницах машинописного текста, включая 137 рисунков и 20 таблиц.
Диссертация выполнена в ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И.Вавилова» Министерства сельского хозяйства РФ и обобщает результаты научных исследований и практических разработок автора в период с 1987 по 2007 гг.
Автор благодарит доктора технических наук, профессора Г.Г. Угарова, кандидатов технических наук А.В. Львицына, В.И. Мошкина, А.В. Волгина, В.А. Каргина, Д.А. Варыханова за сотрудничество в разработке проблем создания импульсных электромагнитных систем для процессов и технологий АПК и практическую помощь в работе.
Обобщенная структурная схема импульсной электромаг нитной системы для технологий АПК
К настоящему времени в области создания, совершенствования и практического использования импульсных машин с линейными электромагнитными двигателями определились четыре характерные группы, классифицированные по назначению, выполняемым технологическим операциям, выходным энергетическим показателям и КПД. Подробный, обстоятельный анализ современного уровня и тенденций развития электрических импульсных машин, в том числе, прямого действия, с электромагнитными двигателями, представлен в работах [82,132,134].
К первой группе отнесены молотки, перфораторы, магнитобуры, применяемые для скалывания, ударно-вращательного бурения при выполнении строительно-монтажных, ремонтных работ или схожих технологических операций в других отраслях. Эта группа содержит около двадцати типов машин, часть из которых серийно выпускается предприятиями России или стран бывшего СССР [132,134]. Отличительным для них представляется выходная энергия Ау=0,7...25 Дж, частота ударов =1000...3000 мин"1, масса /72=12...14,5 кг. В отдельную подгруппу выделены бетоноломы, у которых энергия Ау доходит до 50 Дж и масса до 20 кг.
Электромагнитные ударные узлы молотков предельно просты и выполняются одно- или, для более мощных устройств, двухкатушечными; в перфораторах для поворота инструмента и реализации ударно-вращательного режима дополнительно используются коллекторные двигатели вращательного действия. Питание предусматривается от однофазной электрической сети напряжением 220 В, 50 Гц либо непосредственно, либо через разделительный понизительный трансформатор, а для формирования питающих импульсов для электромагнитного ударного узла применяется простейшая схема на полупроводниковых диодах или тиристорах. Конструктивное оформление этих машин предусматривает их переноску и удержание во время работы оператором двумя руками на весу.
Электромагнитные прессы отнесены во вторую группу, которая включает семь типоразмеров изделий. Эта группа обеспечивает выходную энергию =3,0...250 Дж при частоте ходов инструмента /2/=360...120 мин"1. В конструкциях преобладают однообмоточные ЛЭМД с рабочим ходом якоря до 60 мм. Возврат (холостой ход) подвижной части (якорь с оснасткой) обеспечивается упругим возвратным элементом, обычно, пружиной, однако для активного, с существенным усилием обратного хода оснастки, предложены двухобмоточные системы [100]. В зависимости от мощности, машина подключается к одно- или трехфазной сети 380/220 В, 50 Гц через управляемый выпрямитель, который формирует в обмотке питающие импульсы с требуемыми параметрами. Конструктивно электромагнитный пресс оформлен в виде компактного напольного или настольного станка, в котором на регулируемой (нерегулируемой) станине смонтирован импульсный ЛЭМД с оснасткой и не предназначен для регулярной переноски, тем более удержания его руками во время работы.
Третью и четвертую группу составляют мощные электромагнитные импульсные машины — молоты - с выходной механической энергией, соответственно, до 1 кДж и более 1 кДж, которые насчитывают шестнадцать типоразмеров изделий. Большинство выполнено по схеме молотов двойного действия с обмотками рабочего и холостого хода. Эти группы ударных машин развивают выходную механическую энергию в диапазоне Ау=0,4...30,0 кДж с частотой ходов якоря-бойка 7 =400...24 мин"1. Уникальными в классе мощных электромагнитных ударных машин представляются молоты простого действия МЭМ-100 и МЭМ-400 [107] с энергией удара соответственно 100 и 400 кДж.
Отличительным свойством для импульсных ЛЭМД молотов представляется длина рабочего зазора 8 и хода якоря-бойка, существенно превосходящая этот показатель у других машин и составляющая в различных конструкциях от 120 до 1000 и более миллиметров и необходимая для интенсивного разгона бойка и формирования ударных импульсов. Масса большинства изделий, выполняемых навесными на транспортное средство или шасси, составляет т=0,5...14,3 т, однако имеются образцы, у которых она не превосходит 100 кг и которые могут иметь переносное исполнение [139]. Энергообеспечение большей части машин этого класса осуществляется от мощных передвижных электроустановок или стационарных сетей переменного тока с напряжением 380/220 и 660/380 В через специальные тиристорные преобразователи.
Во всех рассмотренных классах ударных электромагнитных машин применены так называемые одно- или двухобмоточные броневые цилиндрические ЛЭМД, являющиеся наиболее эффективными с точки зрения энергопреобразовательных процессов, компактными, простыми, технологичными, которые легко компонуются в конструкцию большинства машин и отвечают требованиям производственной эстетики.
Таким образом, представленный в работах [69,71,82,94,100,101,132] обзор и подробный анализ результатов практического применения, перспектив и тенденций развития силовых импульсных электромагнитных машин показывает, что: относительное разнообразие типов известных электромагнитных ударных устройств достигается в настоящее время за счет преобладания в перечне, в основном, ручных машин (молотков, перфораторов), электромагнитных прессов станочной конструкции и, в меньшей степени, мощных молотов навесного исполнения. Все машины предназначены, как правило, для подключения к мощной стационарной электрической сети общего назначения и выполнены по конструктивным схемам, обеспечивающим лишь торцевое ударное воздействие бойка на инструмент (стержень, сваю, объект), что сужает области их эффективного применения. Ударные машины с собственной массой т=16...80 кг и выходной механической энергией Лу=0,05...1,0 кДж, которые могут быть переносными, допускать установку в рабочее положение операторами вручную и питаться от переносных автономных источников встречаются лишь в единичном исполнении;
Магнитные системы линейных электромагнитных двигателей цилиндрической структуры
Основным вопросом при создании электрических приводов импульсных машин представляется такой выбор линейного двигателя, чтобы в условиях конструктивных ограничений на объем и массу активных материалов, мощность или энергоемкость источника питания, обеспечить приемлемую экономичность и энергетические показатели всей системы. Электромеханический преобразователь электромагнитного типа - ЛЭМД - осуществляет в СЭМИС основную энергетическую функцию системы — преобразует электроэнергию в механическую работу и обеспечивает необходимые характеристики механического движения рабочего органа. Многочисленные публикации и обширная патентная литература по силовым ЛЭМД [65-68,83,91,98] свидетельствуют о большом количестве существенно отличающихся друг от друга конструкций, расклассифицированных по различным признакам.
Среди существующего многообразия, для импульсных, в том числе, передвижных машин представляют интерес так называемые электрически односторонние, с упругим возвратным элементом, длинноходовые броневые цилиндрические ЛЭМД. В [122] показано, что удельная сила тяги такого двигателя /0=1,02 I-W-B-S / l0, (I-W, В, S, 10 - полный ток, индукция, сечение цепи, длина обмотки соответственно), при достижении индукцией значения насыщения, пропорциональна току в обмотке. Благодаря этой особенности, при прочих равных условиях, в двигателях этого типа обеспечиваются большие усилия, а значительные перемещения якоря дают превосходство по совершаемой механической работе перед другими ЛЭМД, и, следовательно, предпочтительны в приводе мощных импульсных машин.
Представляется важным оценить в первом приближении потенциальные возможности этих ЛЭМД по важнейшему для любой ударной машины показателю - предельной механической энергии на выходе А мех, отнесённой к объёму или массе двигателя. Для вывода выражения, связывающего А л(ех с объёмом Удв двигателя, рассмотрим процесс преобразования электрической энергии в полезную механическую работу для однократного процесса ускорения якоря на интервале его рабочего хода. При этом пренебрежем тепловыделением, процессами в стали, противодействующими силами и трением и будем полагать изменение и преобразование магнитной энергии происходящим лишь в объеме рабочего воздушного зазора, а сечение стали вдоль длины магнитопровода — неизменным.
Для рассматриваемой магнитной системы и принятых допущений сила тяги двигателя может быть определена по формуле [157]: где /J0 - магнитная проницаемость воздуха, Bs - магнитная индукция в рабочем зазоре, S- сечение якоря.
Тогда производимая двигателем механическая работа при перемещении якоря на интервале рабочего хода 5 будет: В соответствии с рис.2.1,а величина рабочего воздушного зазора может быть выражена через относительную начальную глубину внедрения якоря 3 = 1-(1-К), где К т і -S/ ( что позволяет представить механическую работу по выражению (2.1) в виде: Величина S-1-Q.-K) в выражении (2.2) определяет объём Vs воздушного рабочего зазора и энергию, запасаемую магнитным полем при индукции В5. Для 5 = I, относительная начальная глубина внедрения якоря К—0, а максимально предельный объём воздушного рабочего зазора равен объёму якоря двигателя VH =S /. Выражение для предельной механической работы может быть преобразовано к виду: Исходя из условия равной загрузки магнитопровода по магнитному потоку (рис.2.1,а), выразим объём якоря Уя через объём электромагнитного двигателя Vde: Обозначая в (2.4) z = r,/r2 [157], запишем: После подстановки (2.5) в (2.3) механическая работа определится как Согласно закону сохранения энергии для машин ударного действия кинетическая энергия движения якоря в конце процесса энергопреобразования будет равна энергии удара и определится выражением (2.6). Приняв за максимальное значение индукции при насыщении магнитопровода на уровне Вст = 2,0 Тл, запишем выражение для максимально предельной энергии удара в объёме электромагнитного двигателя в виде: Из анализа рациональных соразмерностей электромагнитных двигателей по критерию максимальной работы в единице объёма следует, что величина z может быть выбрана в диапазоне 0,53...0,74 [157]. Полагая К = 0, что соответствует максимальной работе, с учетом интервала изменения для z, получим Принимая удельный вес обмоточного материала приближённо равным удельному весу стали магнитопровода, получим численное значение максимальной энергии удара, приходящейся на единицу веса двигателя. Разделив левую и правую части выражения (2.8) на массу двигателя, получим: где а = Амех /т - удельная энергия удара, приходящаяся на единицу массы т двигателя, ус - удельная плотность стали магнитопровода. Расчёт по формуле (2.9) даёт а = (57...112)Дж/кг. Выражение (2.9) позволяет определить диапазон предельных значений удельной энергии удара броневых цилиндрических импульсных ЛЭМД. Не единственность определения значений для предельной удельной энергии удара импульсного ЛЭМД объясняется отсутствием острого максимума для отношения z = rl/r2. Полученные соотношения и анализ известных выполненных конструкций молотков, перфораторов, прессов и молотов показывают, что тип магнитной системы двигателя оказывает решающее влияние на эффективность энергопреобразования и его выходные показатели. Поэтому поиск новых эффективных и улучшение характеристик известных магнитных систем импульсных ЛЭМД являются актуальными. При этом, из многочисленных типов систем, подробно рассмотренных, например, в [62,70,100], в настоящей работе основное внимание-уделяется лишь показанным на рис.2.1, как наиболее часто применяемым на практике в ЛЭМД ударных машин, в том числе, с автономным питанием [71,119,139,141].
Энергопреобразование в ЛЭМД с аккумулированием магнитной энергии в период холостого хода
Энергопреобразовательные процессы, рассмотренные в п.п.3.2 и 3.3 свойственны той части цикла импульсной машины, когда ЛЭМД подключен к источнику и обеспечивается рабочий ход якоря. Часть полезной механической энергии двигателя при этом аккумулируется в упругом элементе - пружине, - и обеспечивает возврат якоря в исходное положение (холостой ход) по окончании питающего импульса. В одноударных электромагнитных машинах, например, сводообрушителях, избыток этой энергии не может быть использован и диссипатирует в буфере.
Для электромагнитных двигателей с непрерывными последовательными срабатываниями якоря, например, в передвижных, переносных машинах для забивания стержней, представляется необходимым обеспечить рекуперацию и использование этой части энергии в последующем энергопреобразовательном цикле.
Анализ рабочих процессов электромагнитных ударных машин подтверждает эффективность рабочих циклов, использующих в рабочем ходе энергию, аккумулированную в период холостого хода. Так, например, основные энергетические показатели (КПД, удельная энергия, ударная мощность) двухобмоточных ударных машин, использующих аккумулирование кинетической энергии при холостом ходе, выше, чем у однообмоточных машин, не использующих такую возможность [131,136].
Исследование энергопреобразования в электромагните [69,92] показывает, что аккумулирование магнитной энергии при движущемся якоре для последующего ее использования возможно при работе электромагнита в режиме динамического индуктивного накопителя для циклов с постоянным по-токосцеплением (идеальный цикл ipr=consf) и с увеличивающимся потокос-цеплением и током (if/i у/2, Ii d2 (рис.3.4)).
Практическая реализация цикла, близкого \f/=const, вызывает определенные технические трудности, связанные с сильной форсировкой скорости нарастания магнитного поля. При этом электрическая энергия поступает в электромагнит только до начала движения якоря. Более эффективен и прост в реализации последний цикл: при движущемся якоре преобразуются два вида энергии - электрическая и механическая.
В указанном режиме энергопреобразования электромагнит является, по существу, динамическим накопителем магнитной энергии, которая преобразуется из поступающей механической и электрической энергии. На этой стадии рабочего цикла, представляющего холостой ход, уравнение баланса энергии может быть представлено в виде де Wc, Амех, Q, Ам — соответственно, электрическая энергия источника, механическая работа, направленная против сил магнитного поля, потери в меди обмотки, составляющие энергии магнитного поля, преобразованные из электрической и механической энергии. Из (3.54) следует, что энергия, потребляемая из сети за вычетом потерь в меди, и механическая энергия внешних сил затрачиваются на изменение энергии магнитного поля. Аналитическое выражение процесса динамического аккумулирования магнитной энергии для случая возврата якоря пружиной может быть записано в виде где и, i,fn - мгновенные значения напряжения, тока, усилия пружины; R - активное сопротивление обмотки; х — перемещение якоря. Правая часть уравнения (3.55) определяет величину магнитной энергии к моменту начала периода рабочего хода якоря. Найдем связь энергии магнитного поля Ам, преобразованной из механической (площадь треугольника ОАВ), с начальной магнитной Wo энергией (площадь треугольника О A Wi). Из рис.3.4 следует: где к=І\/І2\ m=L]/L2 , Lj, L2 - начальная и конечная индуктивность электромагнитной системы. Считая энергию магнитного поля, запасенную в рабочих воздушных зазорах магнитной системы, полезной, так как ее можно частично преобразовать в механическую работу в период рабочего хода, можно записать выражение для КПД электромагнита в режиме динамического накопителя магнитной энергии следующим образом: Процесс энергопреобразования в предлагаемом рабочем цикле проиллюстрирован в плоскости координат «потокосцепление - ток» (рис.3.4). На правление стрелок указывает режим энергопреобразования в электромагните: по часовой - генераторный, против - двигательный. Конечное значение тока Ік—І2 определяет запас магнитной энергии в воздушном зазоре, пропорциональный площади Бовд- Это же значение тока определяет и ток трогания, при котором якорь начнет перемещение в двигательном режиме. Таким образом, рассматриваемый рабочий цикл, начинающийся со второго рабочего хода, представляет многократное преобразование электрической энергии источника. В период холостого хода механическая энергия пружины и электрическая энергия источника преобразуются в магнитную. В период рабочего хода, запасенная магнитная энергия превращается в механическую и электрическая энергия источника преобразуется частично в магнитную и механическую. Уравнение энергетического баланса в период рабочего хода будет иметь вид: где э, V— мгновенные значения электромагнитной силы, скорости якоря. Согласно (3.56) энергия магнитного поля, запасенная системой в период холостого хода за интервал времени - , и электрическая энергия, поступающая из сети в период рабочего хода за время tj-із, расходуется на совершение механической работы, увеличение потенциальной энергии возвратной пружины, а так же на изменение энергии магнитного поля ЛЭМД. На рис.3.5 показана функциональная схема электромагнитной системы, с помощью которой осуществлено формирование рабочего цикла с режимом аккумулирования магнитной энергии на этапе возврата якоря пружиной [135,195]. На рис.3.6 приведены динамические характеристики рабочих циклов импульсной машины, реализующей процесс накопления магнитной энергии на этапе холостого хода с последующим ее преобразованием в механическую энергию на этапе рабочего хода при питании обмотки от источника постоянного тока. Работа двигателя осуществлялась в автоколебательном режиме. Начало и окончание импульса тока в обмотке формировалось датчиками ВП и НП (рис.3.5), фиксирующими положение бойка соответственно в период рабочего и холостого хода.
Сравнительные показатели электромагнитной машины, подключаемой к бензогенератору
Рассмотрим кратко особенности импульсных преобразователей переменного тока, питаемых, например, от передвижных электроустановок, схемы которых показаны на рис.4.1,а,б [141,189-191]. Эти преобразователи предназначены для ЛЭМД ударных машин с энергией Ау 100 Дж, применяемых в инженерных изысканиях, для забивки стержней и т.п.
Силовая часть ЭП представляет собой однополупериодный трехфазный управляемый выпрямитель на тиристорах VSL..VS3, нагруженный обмоткой М импульсной машины [141]. Для гашения остаточной энергии магнитного поля обмотка шунтирована цепочкой из последовательно включенных диода VD5 и резистора R8. Для отпирания тиристоров VS1...VS3 и формирования импульса тока в обмотке машины используется накопительный конденсатор С1, который предварительно заряжается через диод VD1 и ограничительный резистор RL Для обеспечения постоянства длительности питающего импульса тока и, следовательно, стабильности энергии единичного удара, устройство содержит вспомогательный тиристор VS4, который управляется формирователем синхронизирующих импульсов напряжения, содержащим резистор R2, стабилитрон VD4, диод VD3, конденсатор С2. Контакт SQ механически связан с якорем ЛЭМД и управляет работой преобразователя. Для этой цели может также использоваться, например, контакт поляризованного реле, подключенного к генератору импульсов (не показаны).
Схема работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор С1 заряжается до напряжения стабилизации стабилитрона VD2 по цепи A-R1-VD1-SA-C1-M-N. Тиристоры VS1...VS3 заперты, так как вспомогательный тиристор VS4 закрыт из-за отсутствия напряжения на его аноде.
В момент перехода напряжения источника через ноль положительные синхронизирующие импульсы напряжения подаются от формирователя синхронизирующих импульсов на управляющий электрод вспомогательного тиристора; при этом их амплитуда недостаточна для отпирания тиристоров VSL..VS3. При переключении контактов тумблера SA в положение "Пуск" на аноде вспомогательного тиристора VS4 появляется положительное напряжение. В момент появления первого положительного синхронизирующего импульса напряжения на управляющем электроде этого тиристора он отпирается и конденсатор С1 разряжается через цепи управляющих переходов тиристоров VSJ...VS3, вызывая их отпирание и срабатывание ЛЭМД.
После втягивания якоря в обмотку происходит переключение контактов SO, и конденсатор CI отключается от цепей управления тиристоров VS1...VS3 и подключается для подзарядки к источнику питания, минуя контакты тумблера SA. В результате тиристоры VS1...VS3 запираются, а остаточная энергия, запасенная в магнитной цепи ЛЭМД, рассеивается в контуре М— VD5-R8. Возврат якоря ЛЭМД пружиной приводит к переключению контактов SO в первоначальное состояние и цикл повторяется. Для отключения схемы переводят тумблер SA в исходное положение.
Изменяя величину сопротивления резистора R6 можно регулировать время протекания тока через обмотку и, тем самым, — энергию удара машины. Схема преобразователя, представленная на рис.4.1,6 обеспечивает более плавное регулирование и стабилизацию энергии удара машины при изменении напряжения питающей сети благодаря применению формирователя импульсов на однопереходном транзисторе VT. Кроме того, благодаря использованию тиристорного оптрона V2, ток управления силовых тиристоров VS1... VS3 протекает лишь в интервалы, соответствующие прямому напряжению на каждом тиристоре. Это облегчает их режим работы и повышает надежность устройства. Подробное описание работы схемы приведено в [189,191].
Для повышения выходных показателей импульсные ЛЭМД ударных машин могут дополнительно оснащаться устройствами для удержания якоря [143]. Нагружение неподвижного якоря некоторым противодействующим усилием интенсифицирует аккумулирование магнитной энергии в индуктив-ностях ЛЭМД на этапе трогания и улучшает силовые и энергетические показатели машины [131,156,158]. На рис.4.2 приведена схема ЭП, предназначенного для ЛЭМД ударной машины, например, сводообрушителя с энергией Ау =20...50 Дж, оснащенного электромагнитом удержания. Особенность преобразователя состоит в том, что питание обмоток удерживающего электромагнита и импульсного ЛЭМД обеспечивается смежными выпрямленными полуволнами напряжения одного источника.
Схема содержит два однофазных однополупериодных управляемых выпрямителя (VS1, VS2), питающих электромагнит удержания YA1 и импульсный ЛЭМД М, накопительные конденсаторы С2, СЗ для формирования тока управления тиристоров VS1, VS2, устройство синхронизации и коммутатор отпирающих импульсов для VS1, VS2 - CKPL Для " генерирования управляющих сигналов тиристоров VS1, VS2 использован общий формирователь импульсов ФИ на однопереходном транзисторе VT, который питается выпрямленным неслаженным напряжением моста VD, обеспечивающим необходимую синхронизацию сигналов. Такое решение позволяет сформировать, при нажатой кнопке SB, в один полупериод напряжения источника питающий импульс удерживающего электромагнита YA, а в последующий, смежный полу период - питание силовой, обмотки импульсного ЛЭМД М При этом, для регулирования усилия удержания YA1 и энергии удара Ау М используется один и тот же резистор R1 формирователя ФИ. Для изменения частоты последовательных срабатываний ЛЭМД при одновременном включении SA и SB служит резистор R2.
