Введение к работе
Настоящая работа посвящена совершенствованию модельного сопровождения исследования устойчивости, разработке методов определения условий существования различных режимов в системах с иеедннственным установившимся режимом и применению полученных критериев устойчивости при синтезе жидкометаллнческих контактных и дуговых систем.
Актуальность проблемы. Во многих энергоемких отраслях народного хозяйства повышение эффективности технологических процессов связано с достижением управляемости режимов питающих электрических цепей. Основным средством управления рабочими режимами сильноточных электроустановок и защиты их от аварийных режимов является коммутационная аппаратура, построенная на.базе коммутирующих контактов. Электрические аппараты и контактные соединения оказывают существенное влияние на надежность и бесперебойность энергоснабжения установок и па улучшение условий труда. Контактные узлы должны удовлетворять комплексным требованиям: иметь малое падение напряжения в рабочем режиме и малый ток утечки на холостом ходу, сохранять работоспособность в длительных режима и при коммутациях, обеспечить необходимое быстродействие с приемлемым уровнем массо-габаритиых показателей и мощности приводных устройств.
Эффективным средством решения проблем сильноточных разъемных контактных соединений является применение в них жидкометаллнческих или пластичных проводящих промежуточных тел. Реализация преимуществ жпдкометаллическо-го контакта, в частности его повышенного ресурса и малого стабильного контактного сопротивления, возможна лишь при обеспечении термодинамической устойчивости твердых деталей и промежуточного проводящего тела путем подбора их физико-химических свойств и совершенствования общей компановки аппаратов. Электроконтактные и электродуговые системы являются многорежимнымп, то есть в них, в зависимости от конкретного набора управляющих параметров, могут быть реализованы качественно различные переходные процессы. Электрические контакты шмгюг режим с малым сопротив-
леиием, когда ток распределен равномерно, и режим коигра-гированного протекания тока лишь по части поверхности контактирования. Дуга может переходить в режим с нулевой проводимостью, то есть в режим гашения, или существовать с ненулевой проводимостью в стационарном и автоколебательном режимах, режимах синхронного или асинхронного движений в магнитных полях, со стабилизацией проводящего состояния в форме одного ствола или многодуговой системы параллельных разрядов. Так как анализ устойчивости предполагает построение полных фазовых портретов, то при моделировании мпогорежнмных, электродуговых и элсктроконтактных систем целесообразно использовать результаты исследований динамических характеристик плазмы и реопомных материалов, полученные в смежных областях их применения. Системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающие контакты и дугу на мнкроуровне, существенно различаются по набору законов сохранения и уравнений состояния. Общим для электроконтактных и электродуговых систем является наличие сложных граничных условии, задаваемых обыкновенными дифференциальными уравнениями электрической цепи, а также то обстоятельство, что динамически стабилизированная дуга и реономные электрические контакты являются элементами тепловых и силовых цепей и их сопротивления зависят от значения температуры п величины силового воздействия. Эти особенности определяют возможность разработки для электродуговых и элсктроконтактных систем общих методов преобразования координат на макроуровне и единых подходов к системным исследованиям устойчивости и оптимизации. Результаты исследования устойчивости в форме критериев существования качественно отличных режимов дают возможность определить функциональные назначения отдельных элементов мпогорежнмных систем и вид ограничений при проведении их оптимизации.
Разработка указанных проблем предусмотрена в НИР СамПИ, включающих тему диссертации н координируемых ЦНТП «Экономия электроэнергии» Госкомобразования СССР, разделы 05.09, 05.10; ЦНТП «Надежность конструкций» Минвуза РСФСР, раздел 2.8; планом Научного Совета АН СССР по проблеме «Физика низкотемпературной плазмы», секция 'Приложение низкотемпературной плазмы»; комплексной программой «Сибирь» СО АН СССР, проблема 02 «Разработка плазменного оборудования технологических процессов для получения веществ и материалов».
Целью работы является разработка методов анализа устойчивости в малом, большом и целом динамически стабили-
зпрованноіі дуги, исследование перегревиой неустойчивости термозавпсимых реологических контактных узлов и термодинамической стабильности пластичных электропроводных материалов, постановка и решение оптимизационных задач по повышению точности моделирования, снижению приведенных затрат и повышению быстродействия аппаратов с учетом ограничений, накладываемых критериями устойчивости, реализация различных функциональных состоянии в многорежим-пых системах и разработка на этой основе сильноточных жид-кометаллическнх контактных и дугогасительных устройств.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
1. Совершенствование методов модельного сопровожде
ния исследования устойчивости и повышение обусловленно
сти конечномерных моделей дуги и распределенных электри
ческих контактов.
-
Определение условий корректного упрощения многомерных систем дифференциальных уравнений, описывающих процессы в контактно-дугогасительных устройствах.
-
Разработка методов анализа устойчивости в малом, большом и целом сложных видов электродугового разряда, включая и многодуговые системы. Исследование устойчивости режима равномерного распределения тока в контактных устройствах с термопластичными элементами.
-
Оптимизация мпогорежимных электродуговых п контактных систем по критериям быстродействия п приведенных затрат с учетом критериев устойчивости.
-
Создание новых пластичных электропроводных материалов, сильноточных контактных узлов, коммутационных аппаратов и исследование их стационарных и переходных режимов.
Методы исследований. Моделирование динамически стабилизированной дуги п реономных контактов как эквивалентных двухполюсников проведено с помощью рассмотрения механизма теплового скольжения зоны проводимости и с привлечением феноменологических уравнений термопластичности. Параметры моделей определялись методами идентификации динамических объектов с обработкой данных рабочих режимов и режимов со специальными возмущениями. Нестационарные процессы в электродуговой плазме п в пластичных электропроводных материалах исследованы с использованием аппарата термодинамики необратимых процессов. Характеристики взаимодействия жидкого металла и подложки определялись металлографическими методами. Вязкость пластичных элекг-
ропроводных материалов измерялась по методике Гэпплера. Удельное электрическое її удельное контактное 'сопротивления определены по разработанному способу, исключающему погрешность от промежуточных измерении.
Устойчивость в малом исследована с помощью блочного представлення элементов с термозависпмой проводимостью, применения метода разделения движении на быстрые и медленные. При исследовании устойчивости в большом использован прямой метод Ляпунова. Устойчивость нестационарных систем исследована методом гармонической линеаризации и с помощью проведения нелинейных преобразований координат. Достоверность полученных критериев устойчивости проверялась путем исследования существенности малых параметров и сопоставления бифуркационных значений параметров с экспериментальными данными.
Оптимизация проведена с использованием метода наименьших квадратов, метода неопределенных множителей Лагран-жа в виде условий Куна-Таккера, методов теории оптимального управления для задач в понтрягннской форме.
Научная новизна работы. Впервые моделирование процессов в структурно нестабильных распределенных электрических контактах проведено с помощью передаточных функций обобщенного электрического двухполюсника, сложные динамически стабилизированные электрические разряды представлены как многодуговые взаимосвязанные системы. Структура динамических моделей дуги обоснована сравнением функций производства энтропии. Предложен алгоритм получения характеристических уравнений многоканальных систем с помощью блочного представлення линеаризованных эквивалентных двухполюсников. Для многодуговых систем определены условия, когда упрощение характеристического уравнения высокого порядка путем априорного пренебрежения быстрыми движениями приводит к неверным результатам в исследовании устойчивости.
Исследован механизм неустойчивости режима протекания тока по параллельным термозавпеимым контактам, определена зависимость области устойчивости от параметров передаточной функции контакта и цепи питания. Обоснована структура контактов, включающая термопластичные элементы, стабилизирующие распределение тока. Определено влияние на степень равномерности распределения тока в плоских жидко-металлических контактах характеристик твердых электродных участков. Создана методика получения пластичного электропроводного материала со стабильным физико-химическим составом при повышенных температурах,
Получены критерии устойчивости режимов динамически стабилизированной душ, препятствующих се гашению и определены условия их нарушения. Предложена энергетическая форма функции Ляпунова для расчета границы области устойчивости в большом электродугово/i цени п в аналитической форме определены условия падежного гашения дуги при переходе тока через нулевое значение. Подобраны функции для нелинейного преобразования координат и исследована устойчивость периодических режимов горения п движения дуги. Оценено влияние характеристик дугогаептельиых систем и электрической цепи питания на бифуркационные значения параметров, разделяющие области существования стационарных периодических н апериодических движении.
Обоснована применимость правила равенства относительных приростов приведенных затрат и принципа оптимальности Белмана при оптимизации распределенных жидкометал-лнческих контактов. Найдены оптимальные значения балласт-пых сопротивлений для многодуговых систем с использованием критериев устойчивости в качестве ограничений.
Основные положения, которые выносятся на защиту
-
Структуры моделей динамически стабилизированной дуги с самоустанавлпвающейся длиной и изменяющимся диаметром п структуры моделей нестабильных термозависпмых электрических контактов.
-
Методики экспериментального и теоретического исследования контактного сопротивления и определения параметров динамических моделей дуги.
-
Оценки областей устойчивости в пространствах параметров и состояний, включая критерии устойчивости медленных и быстрых подсистем стационарных многоканальных систем и критерии устойчивости нестационарных систем — автоколебательных, периодически неоднородных, периодически нестационарных.
-
Методики оптимизации многодуговых систем, плоских контактов, коммутационных аппаратов, учитывающие ограничения по устойчивости.
-
Технология приготовления пластичного электропроводного материала для сильноточных контактов и аппаратов, технические решения по шунтирующим выключателям, электродинамическим токоограничителям, тепловым выключателям, частотным коммутаторам и контактным нагревателям, защищенные авторскими свидетельствами.
Практическая ценность и реализация результатов исследований
Созданы коммутационные аппараты с естественным ох
лаждением на ток 100 кА, напряжение 100 В для шунтирова
ния электролизеров. Предложены технические решения и про
ведена опытно-конструкторская проработка защитного элект
родинамического жидкометаллического токоограничителя на
ток 4 кА, напряжение 380 В, теплового выключателя для бы
товых электроприборов мощностью 1,2 кВт и быстродейству
ющего предохранителя на ток 630 А. Разработаны пластич
ные электропроводные материалы для контактных узлов и
аппаратов со стабильным фазовым составом при повышенных
температурах (~250С). Спроектированы контактные элект
ронагреватели на ток 25 кА, напряжение 6—10 В для пред
пускового разогрева электролизеров с равномерным распре
делением тока. Рабочая документация для изготовления кон
тактных электронагревателей н коммутационных аппаратов
разработана совместно с Ченецкпм механическим заводом.
Технические проекты самовоссганавлпвающегося электроди
намического предохранителя и частотного коммутатора пере
даны предприятиям, разрабатывающим перспективные схемы
автономных электроустановок. Технология приготовления
пластичных электропроводных материалов передана ПО
«Каустик» г. Волгоград, ПО «Каустик» г. Стерлитамак и ПО
Чепецкнй механический завод г. Глазов. Технические проекты
термозащигных выключателей различных видов бытовой тех
ники переданы ПО «Металлист» г. Самара, Средиеазцветмет
г. Ташкент, Кировскому электро-механическому заводу г. Ки
ров. Технология восстановления быстродействующих пред
охранителей передана ПО «Каустик» г. Волгоград. Стенды
для испытаний контактов п контактных узлов внедрены в
учебный процесс на кафедре «Электрические станции» Самар
ского политехнического института. Экономическая эффектив
ность разработок, в которых автор участвовал в качестве ис
полнителя и научного руководителя, составляет более 1 млн.
рублей. ;
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедр «Теоретические основы электротехники» и «Электрические станции» СамПИ, совместно с которыми решены многие вопросы, нашедшие отражение в диссертации.
Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались на III Всесоюзном семинаре по применению прямого метода Ляпунова в энергетике, г. Новосибирск, 1975 г.; VI и VII Таллинских со-6
вещаниях по электромагнитным расходомерам п электротехнике жидких проводников, г. Таллии, 1973, 1976 г.; VII, VIII, XI Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы, г. Алма-Ата, 1977, г. Новосибирск, 1980, г. Каунас, 1986, г. Новосибирск, 1989 г.; V Всесоюзной конференции «Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения» г. Ульяновск, 1985 г.; Всесоюзных конференциях «Специальные коммутационные элементы», г. Рязань, 1982, 1984 г.; Всесоюзных совещаниях «Пути повышения качества п надежности электрических контактов» г. Ленинград, 1978, 1986 г.; Всесоюзном семинаре по жидкометал-лическим контактам, г. Каунас, 1982 г.; XI Всесоюзном совещании по магнитной гидродинамике, г. Саласпнлс, 1982 г.; Всесоюзном семинаре «Пути повышения качества и надежности жидкометаллпческих контактов», г. Каунас, 1987 г.; VII Всесоюзної"! конференции «Физика низкотемпературной плазмы», г. Ташкент, 1987 г.; Всесоюзной конференции по нелинейным цепям и системам, г. Ташкент, 1982 г.; семинарах по физике гашения дуги НИЦ ВВА, 1975—1978 г.; семинарах секции «Низкотемпературная плазма» НС АН СССР «Физика плазмы» г. Москва, 1982 г., г. Куйбышев, 1984 г.; Всесоюзной конференции «Повышение качества п надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения», г. КуГібьппеп, 1989 г.; семинаре по контактным явлениям, г. Алма-Ата, 1984 г.; Всесоюзном семинаре «Нестационарные дуговые и приэлектродные процессы в электрических аппаратах и плазмотронах, г. Улан-Удэ, 1991 г.
Публикации. Основные результаты дпеергацпонной работы отражены в 63 печатных работах, в том числе четырех монографиях п 25 авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников (271 наименование), трех приложений и содержит 266 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 8 таблиц.