Введение к работе
Актуальность темы
Известно, что энергоемкость валового внутреннего продукта (ВВП) России одна из самых высоких в мире, превышает показатели некоторых стран в 2-3 раза (рис.1). В целях повышения энергоэффективности Федеральным законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ определены основные принципы повышения энергетической эффективности, а Правительством России утверждена федеральная программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности, которой предусмотрено снижение показа геля энергоемкости российского ВВП на 40% к 2020 году.
Энергоемкость 88П различных стран в 2007 году (TPES/ВВГГ)
энергоемкость ВВП TPES/BBIT
Весь мир !
Развить страны <ОЭСР}
Великобритания ИЗ
TPcS (tola! pnmaiy energy siippfyj —общее внутреннее
ПОТребПвНИв лер&іМНЬІХ топливно-энергетических ресурсов.
Показатель TPES используется s качестве оценки анергопотребпении знутрн страны
Япония [ I
Германия И
Франция I 1
США Si
Канада 1*1
Страны бывшего Советского Союза
I Беларусь Я
Украина ?S
'пересчет ВВП в USD проводился ло ларитету покупательной способности і
"1ое=41,агДж
"доллары 2000 года
Россия шт
Казахстан ЯШ
Бразилия 13
Индия X pi
Китай I
—, 1 1 ,—.— ., teeJSffiOfl"
О 0.1 0 7 0.3 0.4 0,5 О Є
,1,.-,. л.
Рис. 1. Сравнительная энергоемкость ВВП
Эту задачу необходимо решать на каждом уровне производства внедрением новых или модернизацией устаревших технологий. Дешевая по сравнению с другими странами мира электроэнергия в СССР, затем в России не стимулировала повсеместную модернизацию производства в части ее энергоэффективности.
Применительно к теме исследования задача повышения энергоэффективности, а также снижения ресурсоемкое при производстве и эксплуатации аппаратуры управления и зашиты может быть решена на стадии проектирования применением оптимизационных расчетов, использования конструкций и схем включения аппарата, обеспечивающих наиболее эффективное использование материалов, электроэнергии и трудозатрат.
С точки зрения ресурсо- и энергосбережения применение форсированного управления для уменьшения массогабаритных показателей, особенно силовой аппаратуры, имеет важпое значение. Злободневен вопрос форсированного управления для снижения массы
активных материалов и потребляемой мощности в режиме удержания для силовой коммутационной аппаратуры.
Известно, что порядка 90% потребляемой электромагнитом (ЭМ) в режиме удержания мощности расходуется неэффективно. Схемы форсированного управления электромагнитным приводом применяются в сильноточных контакторах, поскольку позволяют более рационально использовать потребляемые материальные и энергетические ресурсы, обеспечить падежное срабатывание контакторов в условиях снижения напряжения в питающей сети до 0,5-Ю,6 номинального значения; преодолеть противоречие между относительно высокой эффективностью функционирования ЭМ постоянного тока и более широким распространением сетей переменного тока.
Сопоставление приводных ЭМ постоянного и переменного тока свидетельствуют, что первые из них имеют большие массогабаритные показатели. Поэтому снижение массогабаритных показателей ЭМ постоянного и выпрямленного напряжения может быть обеспечено форсированным управлением их обмотками.
Клапанные электромагнитные системы нашли применение в качестве основы приводов коммутационных электрических аппаратов (КЭА) (рис.2).
Однако, несмотря на широкое распространение клапанных ЭМ, на сегодня отсутствуют методики проектного расчета приводных ЭМ КЭА с учетом влияния схем выпрямленного питания и форсированного управления.
Анализу и расчету схем выпрямленного питания обмоток ЭМ уделено внимание в работах Алымкулова К.А., Буля Б.К., Гордона А.В., Дзюбана B.C., Дударева Л.Е., Завьялова В.И., Зборовского И.А., Клименко Б.В., Колпахчьяна П.Г., Комара В.Г., Котляревского А.П., Маевского О.А., Свинцова Г.П., Сливинской А.Г. и других. Существующие методики применяются для решения ограничешюго ряда задач, предлагаются решения, допускающие ограничения, сужающие область использования, предлагаются подходы к решению, по не даются конкретные методики и др.
Особенности расчета различных магнитных систем (МС) и оценка влияния на электромагнитные характеристики геометрии МС подробно рассмотрены в трудах Афанасьева А.А., БугаеваГ.А., Буля Б.К., Буля ОБ., Витенберга М.И., Демирчяна К.С., Иванова-Смоленского А.В., Кузнецова В.А., Курбатова П.А., Лобова Б.Н., Любчика М.А., Михайлова Н.М., Никитенко А.Г., Нестерпна В.А, Павленко А.В., Пеккера И.И., Свинцова Г.П., Софронова Ю.В. Шоффы В.Н. и других.
Существенная трудоемкость вычислений, накладываемые ограничения, погрешности предлагаемых методик расчета и проектирования обусловлены отсутствием обобщенного математического описания электтюмагнитных, тепловых характеристик ЭМ в форме, устанавливающей непосредственную связь названных характеристик с геометрическими соразмерностями в МС и магнитным состоянием её ферромагнитных элементов. Магнитодвижущая сила (МДС) обмоток ЭМ и развиваемые усилия и момешы изменяются в широких пределах, что затрудняет их математическое описание в традиционной форме представления кривых намагничивания и пагрузочных характеристик при нелинейной МС.
Вопросы оптимизационных расчетов ЭМ проработаны в трудах Бугаева Г.А., Витенберга М.И., Гордона А.В., Гурпицкого В.Н., Карасева В.А., Курносова А.В., Лобова Б.Н., Любчика М.А., Могилевского Г.В., Никитенко А.Г., Павленко А.В., РуссовойН.В., Свикцова Г.П., Сливинской А.Г., Шоффы В.Н. и других ученых. Однако все методики содержат те или иные ограничения и допущения, либо требуют значительных затрат времени на расчеты.
При разработке коммутационных аппаратов на основе клапанной МС наибольшее применение находят методики проектного расчета. Простой и наглядной является методика проектного расчета, базирующаяся на основе конструктивного фактора, предложенного Г. Ротерсом. Однако она обоснованно применима при условной полезной работе 0,6 кг-см, при превышении температуры нагрева 70 С в длительном режиме работы аппарата. Реальные условия функционирования могут существенно отличаться от названных.
Анализ известных публикаций, возросшие возможности электронно-вычислительной техники, а также развитие методов обобщенного описания функциональных характеристик ЭМ позволяют сделать вывод о возможности и необходимости разработки усовершенствованных мегодик проектного расчета МС КЭА, обеспечивающих их эффективное функционирование, удобство использования результатов синтеза, достаточную их точность и минимальные трудозатраты на их получение.
а б в
(контакторы: а - МК1, б -КПВ-604, в -КТП-6, г - КГ 6600, д - КЭ16, реле: е - РПУ-3, ж - РЭВ-200)
Цель работы: разработка и усовершенствование методик проектного расчета ресурсо-и энергосберегающих клапанных приводных электромагнитов на основе их обобщенных математических моделей, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований.
Задачи исследований:
-
Моделирование и исследование схем форсированного управления электромагнитами и вьшрямлеішого питати их обмоток. Представление результатов в обобщегаюй форме, удобной для решения задач проектирования.
-
Исследование основных характеристик двухдиодной двухполупериодной схемы выпрямления для питания электромагнита с обмоткой со средней точкой при различных коэффициентах магнитной связи между полуобмотками.
-
Исследование и анализ статических электромагнитных характеристик магнитных систем клапанных электромагнитов с цилиндрическим полюсным наконечником.
-
Определите диаметра цилиндрического полюсного наконечника клапанного электромагнита, обеспечивающего максимальный электромагнитный момент.
-
Расчетное моделирование проводимости путей магнитного потока в немагнитном промежутке между сердечником и скобой мапштопровода клапанной магнитной системы.
-
Разработка усовершенствованных методик проектирования клапанных электромагнитов при различных схемах питания.
-
Разработка методики проектного расчета по частным критериям оптимальности клапанных электромагнитов, работающих в длительном режиме.
Методы исследований. В работе использованы методы теории электрических аппаратов; методы теории подобия и планирования эксперимента; методы интегрального и дифференциального исчисления; методы теории цепей (узловых потенциалов); численные методы решения систем уравнений; методы обработки экспериментальных данных, включая программу MicioCAL Origin; методы компьютерного моделирования, использование встроенных алгоритмов математического программного обеспечения MathCAD, программы для моделирования работы электрических цепей Місго-САР.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием обоснованных методов исследования и подтверждается:
проверкой полученных результатов на реальных конструкциях аппаратов;
сопоставлением полученных результатов с исследованиями, изложенными в научной литературе;
обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами и учеными в области электромеханики и электроники на международных и всероссийских конференциях.
Новизна научных результатов:
-
Впервые получены обобщенные критериальные функции характерных значений токов в широко известных схемах однофазного вьшрямлеішого питания электромагнитов, в том числе в схемах форсировки с балластным резистором в форме, удобной для решения задач проектирования.
-
Предложена усовершенствованная инженерная методика проектного расчета клапшшых электромагнитов постоянного напряжения, учитывающая влияпие тепловых и мехаїшческих характеристик, изменяющихся в широких пределах, а также режима их работы.
-
Получены обобщенные функция оптимальных геометрических соразмерностей и технико-эксплуатационных параметров клапанных электромагнитов постоянного напряжения, работающих в длительном режиме, в широком диапазоне варьирования исходных дшшых проектирования.
-
Разработаны и усовершенствованы алгоритм и методики проектного расчета клапашшх электромагнитов в схемах форсированного управлсши с балластным резистором, учитывающих условия надежного срабатывания и возврата якоря электромаггагга, регламентированные ГОСТ 2491-82, с учетом допустимых условий нагрева обмотки и элементов схемы управления.
Практическая ценность
Разработанные эффективные методики и атгоритмы расчета оптимальных ЭМ позволяют при создшши современных электромагнитных аішарагов сократить время па их проектирование и повысить качество разрабатываемых аппаратов, в том числе обеспечивая ресурсо- и энергосбережение.
Реализация результатов работы
Алгоритмы и методики использованы в разработках серий контакторов КЭ16 па токи 10, 25, 63, 100 А па предприятиях; ОАО «Всероссийский научно-исследовательский, проектно- конструкторский и технологический ипституг релестроения с опытным производством» (ВНИИР), ЗАО «Чебоксарский электроаппаратами завод» (ЧЭАЗ) и отражены в актах внедрения.
Результаты диссертационной работы используются при выполнении НИР «Разработка и исследование ресурсо- и энергосберегающих приводов для электрических аппаратов», выполняемой в рамках тематического плана научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова», проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ.
Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре электрических и электрошшх аппаратов ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» и отражены в акте использования результатов.
Основные положения, которые выносятся на защиту:
-
Математические модели характерных значений токов в однофазных схемах выпрямленного питания электромагнитов в виде критериалышх зависимостей;
-
Результаты оптимизации диаметра цилиндрического полюсного наконечника клапшшого электромапшта, обеспечивающего максимальный электромагнитный момент;
-
Аналитические зависимости для расчета магнитной проводимости немагнитного промежутка между сердечником и скобой магнитопровода;
-
Усовершенствованные методики проектного расчета магнитных систем клапанных электромагнитов при различных схемах питания;
-
Алгоритм и результаты расчета в виде полиноминальных зависимостей оптимальных соразмерностей в магнитной системе клапанных электромагнитов постоянного напряжения, работающих в длительном режиме в широком диапазоне варьироваїшя исходных данных проектирования.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: VI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», г.Чебоксары, 2006 г.; VI Региональной научно-практической студенческой конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», г.Томск, г. 2006; Ш-й молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения», г.Казань, 2008 г.; VI Республиканской научно-технической конференции молодых специалистов, г.Чебоксары, 2008 г.; XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты», г.Алушта, 2008 г.; Международной паучио-технической конферепции «Состояние и перспективы развили электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения), г.Иваново, 2009 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г.Тольятти, 2009 г.; Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения», г.Казань, 2010 г.; 13th International conference on electromecbanics, electrotechnology, electromaterials and components, г.Алушта, 2010 г.; VII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологий в электротехнике и электроэнергетике», г.Чебоксары, 2010 г.;
Публикации
По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 9 тезисов докладов на конферешщях, 8 статей, 4 патеїгга на полезную модель.
Направлены в печать: 1. Обобщенные экспериментальные статические нагрузочные характеристики клапанных электромагнитов постоянного тока с круглыми полюсными наконечниками. Расчет оптимальпого диаметра полюсного наконечника и обмоточных данных // Электротехника. Приказщиков А.В. и др.
2. К расчету оптимальных клапанных электромагнитов постоянного напряжения с круглыми полюсными наконечниками// Известия института инженерной физики. Приказщиков А.В. и др.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Диссертация изложена на 169 страішцах и проиллюстрирована 50 рисунками и 20 таблицами. В приложении приведены патенты и акты об использовании и внедрении результатов диссертационной работы.
Похожие диссертации на Моделирование клапанных электромагнитов и усовершенствование методик их проектного расчета
