Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор вибрационных устройств с изменяемой частотой 9
1.1. Вибраторы, работающие с изменяемой частотой 9
1.2. Электромагнитный вибратор с изменяемой частотой колебаний 17
Выводы 21
Глава 2. Проектирование конструкции вибратора 22
2.1. Механическая система вибратора 22
2.2. Методика расчета основных механических параметров вибратора 29
2.3. Анализ и выбор конструктивной схемы электромагнитного преобразователя 32
2.4. Методика расчета основных параметров электромеханического преобразователя 45
Выводы 59
Глава 3. Проектирование системы питания вибратора 60
3.1. Выбор структурной схемы системы питания 60
3.2. Разработка формирователя токов 64
3.3. Разработка зарядного устройства 83
3.4. Описание системы управления 87
Выводы 90
Глава 4. Математическое моделирование и экспериментальные исследования 91
4.1. Экспериментальное исследование электрической и магнитной систем макета вибратора 91
4.2. Экспериментальное исследование динамики работы вибратора 114
4.3. Математическое моделирование 123
Выводы 133
Заключение 134
Список использованной литературы 137
Приложение А
- Электромагнитный вибратор с изменяемой частотой колебаний
- Методика расчета основных механических параметров вибратора
- Разработка формирователя токов
- Экспериментальное исследование динамики работы вибратора
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в различных областях техники широкое применение находят вибрационные технологии. Существуют различные типы вибраторов, создающих вибрации с различными значениями амплитуд, частот и усилий, каждые из них обладают своими достоинствами и недостатками. Большинство выпускаемых вибраторов работают на постоянных частотах, однако в некоторых областях (например, при проведении вибрационной сейсморазведки, виброуплотнении строительных смесей) необходимы вибрации с изменяющейся по определенном закону частотой и амплитудой колебаний. Поддержание заданной амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) силовых воздействий сопряжено с определенными трудностями, которые обусловливаются особенностями технических конструкций известных вибраторов и принципами их работы.
Из проведенного анализа следует, что существуют простые по конструктивному исполнению и эксплуатации, а потому недорогие и надежные вибраторы электромагнитного типа. Однако все они проектируются для работы только на одной (резонансной) частоте, уход от которой приводит к падению амплитуды создаваемых колебаний. Предпринималась попытка поддержания эффективности работы методом изменения резонансной частоты при помощи гидропневматических пружин с изменяемой жесткостью [30, 72]. Однако такое устройство получилось сложным в синхронном управлении электродвигателем и гидросистемой, изменяющей жесткость пружин. Это ограничило его применение на практике, а работы были завершены изготовлением опытной модели.
Также известен способ поддержания эффективности работы изменением резонансной частоты при помощи специального электромагнитного устройства - магнитной пружины (МП), эквивалентную жесткость которой можно плавно регулировать величиной тока [25, 31, 44]. В результате анализа конструкции и работы МП была выявлена принципиальная возможность совмещения МП и линейного двигателя электромагнитного типа в единый электромагнитный преобразователь (ЭМП) [24, 27, 28]. Такой ЭМП способен преобразовывать в потенциальную энергию магнитного поля кинетическую энергию движения масс (выполняя функцию механической пружины) и создавать переменную силу, выполняя функцию двигателя [28, 65]. Управляет этими процессами специальная система питания (СП) вибратора. Она позволяет задавать определенный закон изменения тока в обмотках электромагнитного двигателя и тем самым производить управляемое изменение как частоты колебаний, так и создаваемого вибратором усилия. Ввиду отсутствия методики проектирования такого электромагнитного вибратора (ЭМВ), при его разработке возникает ряд новых научно-технических задач, касающихся выбора его механических параметров, конструктивной схемы ЭМП, изучения особенностей динамики работы, а так же создания специальной СП.
Вышеперечисленные факторы инициировали проведение научно-исследовательских работ в НИЛ-6 ТолГУ по разработке ЭМВ с изменяемой частотой и амплитудой колебаний.
Необходимость создания такого ЭМВ востребована, например, в сейсморазведке, где в настоящее время используются вибраторы электрогидравлического типа [1, 33, 38, 48]. В них механическое воздействие на грунт создается гидравлическим приводом, имеющим сложную конструкцию и невысокий КПД, что обуславливает большую величину эксплуатационных расходов и стоимость виброустановки в целом.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования является ЭМВ сейсмического назначения, а предметом исследования - его ЭМП и СП.
Цель и задачи работы.
Целью работы является разработка ЭМВ с изменяемой частотой и амплитудой колебаний, позволяющего расширить возможности применения вибрационных технологий, а так же методики его проектирования.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
Анализ возможных вариантов конструкции ЭМП вибратора, его СП и выбор их наиболее перспективных технических решений.
Разработка методики проектирования ЭМВ, включающей выбор его механических параметров, выбор конструктивных размеров и расчет силовых параметров ЭМП; выбор схемотехнических решений и расчет СП.
3. Разработка математической модели, учитывающей нелинейность магнитной системы ЭМП и позволяющей посредством математического моделирования осуществить проверку правильности произведенных расчетов.
4. Разработка, создание и экспериментальное исследование действующей модели ЭМВ.
Методы исследования.
Исследования проводились с помощью математических и экспериментальных методов. Расчет электромагнитного поля производился при помощи программного комплекса Elcut 5.1, основанного на методе конечных элементов. Для математического моделирования использовали программный комплекс Matlab/Simullink. Обработка результатов осуществлялась с использованием математического программного пакета MathCad 2001. Экспериментальные исследования проведены на физической модели вибратора при помощи методов исследования колебательных и электромагнитных систем.
Научная новизна.
1. Разработана методика проектирования ЭМВ сейсмического назначения, включающая выбор его механических параметров, расчет конструктивных и силовых параметров его ЭМП, выбор схемотехнических решений и расчет СП. Методика основана на результатах теоретического и экспериментального анализа.
Разработана математическая модель ЭМВ, учитывающая потоки рассеяния и кривую намагничивания материала ЭМП, а так же результирующую нелинейность его силовой передаточной характеристики. Модель позволяет теоретически проводить исследование динамики работы и пусковых процессов ЭМВ и его СП при различных параметрах нагрузки и алгоритмах управления.
Предложено и запатентовано (в соавторстве) конструктивное решение вибратора с изменяемой частотой и амплитудой колебаний на основе 2-х тактного ЭМП возвратно-поступательного движения и специальной СП, формирующей в его обмотках необходимые импульсы токов [56].
Практическая ценность работы.
1. На основе анализа выявлены и рассчитаны перспективные варианты конструктивного исполнения ЭМП и схемотехнического решения СП.
2. Разработан и экспериментально апробирован релейный алгоритм управления формирователем токов СП, использующий 3 возможных состояния.
Создана и экспериментально исследована действующая модель ЭМВ с изменяемой частотой. Результаты исследований подтвердили практическую возможность создания такого вибратора, правильность разработанных методик и адекватность разработанной математической модели.
Получена частотная зависимость амплитуд токов, необходимых для поддержания постоянной амплитуды создаваемой вибратором силы.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика проектирования электромагнитных вибраторов с изменяемой частотой колебаний, включающая выбор и расчет механических параметров, ЭМП и СП с последующим математическим моделированием работы.
Алгоритм управления СП, обеспечивающий формирование в обмотках возбуждения ЭМП импульсов тока заданной частоты, амплитуды и формы в условиях наличия ЭДС движения.
Новое техническое решение вибратора с изменяемой частотой колебаний на основе предложенного 2-х тактного ЭМП обращенной конструкции с двумя зонами энергопреобразования.
Реализация результатов работы.
Теоретические и практические результаты работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР, касающихся разработки ЭМВ сейсмического назначения, а так же в учебном процессе в курсе лекций и при дипломном проектировании (Приложения Д, Е).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электро-технологий» (г.Тольятти, ТГУ, 2004 г)
Научно-технических семинарах кафедры «Промышленная электроника» (г. Тольятти, ТГУ (ТолПИ), 2001-2004 г.)
Научно-техническом семинаре в «Тюменнефтегеофизика» (г. Тюмень 2003 г)
Второй международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT-2005» (г.Тольятти, ТГУ, 2005 г)
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из них 4 статьи в научных журналах, 3 доклада на конференции и один патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 136 страницах и содержащих 85 рисунков и 11 таблиц, списка литературы, включающего 98 наименований, и приложений на 18 страницах.
Содержание работы.
Во введении дается обоснование актуальности темы работы, излагаются цель и содержание работы, обосновывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов.
В первой главе выполнен аналитический обзор вибрационных устройств, работающих с изменяемой частотой, и указаны недостатки каждого из типов вибраторов. Рассмотрены способы, которые применяются для изменения частоты работы и регулирования усилия, а также технические сложности, связанные с осуществлением этих способов. Обоснована перспективность создания ЭМВ, способного работать с изменяемой частотой для применения в промышленных и специальных вибротехнологиях, например, вибрационной сейсморазведке полезных ископаемых, где в настоящее время применяются вибраторы электрогидравлического типа.
Во второй главе описана конструктивная схема электромагнитного вибратора с изменяемой частотой колебаний на примере вибратора сейсмического назначения, рассчитаны его основные механические параметры. В результате анализа возможных конструкций электромагнитного преобразователя выбрана наиболее перспективная. Произведен расчет выбранной конструкции (выбор размеров электромагнитного преобразователя и получение его силовой передаточной характеристики).
В третьей главе осуществлен выбор структурной схемы, схемотехнических решений и основных силовых элементов системы питания ЭМВ. Особое внимание уделено формирователю токов, для которого рассмотрена возможность использования подмагничивания. Приведен пример расчета системы питания (формирователя токов и зарядного устройства) и выбора основных элементов.
В четвертой главе произведено экспериментальное исследование действующей модели электромагнитного вибратора и математическое моделирование его работы. Исследование системы питания подтвердило правильность методики ее разработки. Исследование электромагнитной и механической систем вибратора позволило получить их характеристики, которые не только подтвердили правильность разработанной методики проектирования, но и были использованы для математического моделирования. Полученные АЧХ силы на излучающей плите, позволившие получить частотную зависимость амплитуд токов, необходимых для поддержания постоянной амплитуды создаваемой вибратором силы при изменении частоты. Математическое моделирование производилось в среде MatLab/Simulink, а адекватность математической модели была подтверждена сравнением результатов моделирования и практических экспериментов.
Автор считает приятным долгом поблагодарить за участие и полезные наставления в работе своего научного руководителя засл. деятеля науки и техники, д.т.н, проф. В.В. Ивашина; коллектив лаборатории НИЛ-6 Тольяттинского государственного университета, в особенности к.т.н. М.В. Позднова, а также коллег кафедры «Промышленная электроника».
Электромагнитный вибратор с изменяемой частотой колебаний
Задача создания вибратора с изменяемой частотой является актуальной, что доказывается многократными попытками ее решения. Результатами этих попыток являются описанные выше вибраторы различных типов, каждый из которых обладает рядом недостатков, ограничивающих его применение. В то же время в промышленности нашли применение вибраторы электромагнитного типа. Они являются простыми по конструктивному исполнению и эксплуатации, а потому недорогими и надежными, однако проектируются для работы на одной (резонансной) частоте, уход от которой приводит к падению эффективности [41]. В свете этого кажется перспективной попытка создания вибратора электромагнитного типа, способного работать с изменяемой частотой.
ЭМВ в простейших случаях (рис. 1.6) выполнены на основе электромагнита (линейного двигателя электромагнитного типа), содержащего якорь, один или два индуктора и обмотки возбуждения [96]. Якорные и индукторные массы соединяются упругими элементами (пружинами). В обмотки от СП подают импульсы тока, приводящие к возникновению магнитных потоков. В результате появления магнитных потоков электромагнит создает силовые воздействия между якорем и индуктором, вызывающие их взаимные колебания. Якорь или индуктор соединяются с нагрузкой для передачи ей силовых воздействий [42, 78, 79, 88, 89]. Достоинством ЭМВ является использование для создания колебаний наиболее доступного и сравнительно легко управляемого вида энергии (электрической энергии) [22].
Из анализа конструкций и принципа действия ЭМВ не видно препятствий, делающих принципиально невозможным создание таких вибраторов, способных эффективно работать с изменяемой частой. Тот факт, что они не были разработаны ранее, может быть объяснен отсутствием полупроводниковой элементной базы, необходимой для создания СП такого вибратора. В настоящее время уже существуют быстродействующие полностью управляемые силовые приборы, способные коммутировать токи порядка сотен и даже тысяч ампер при напряжениях до нескольких киловольт. Постоянно идет совершенствование элементной базы: разработка новых силовых полупроводниковых модулей (IGBT, IEGT и т.п.), совершенствование и разработка запираемых GTO тиристоров [12, 81].
Наиболее эффективным режимом возбуждения вибраций является работа вблизи резонанса, при этом собственная частота вибраций механической системы со0 близка к частоте повторения возбуждающей силы Юр. Поэтому вибраторы (рис. 1.6), работающие на постоянной частоте, рассчитываются для работы в резонансном режиме. В принципе, если в обмотки этих вибраторов от системы питания подавать импульсы токов с изменяемой частотой, то вибратор будет работать с изменяемой частотой. Однако такой режим его работы будет не эффективным, т.к. уход от резонансной частоты будет сопровождаться резким падением амплитуды колебаний, зависящей от добротности механической колебательной системы. Для сохранения эффективной работы вибраторов во всем необходимом частотном диапазоне необходимо решить ряд вопросов, связанных с их конструкцией, системой питания и процессами энергопреобразования. Одним из способов поддержания эффективной работы вибратора является изменение его резонансной частоты в соответствии с необходимой частотой колебаний.
В простейшей колебательной системе с одной степенью свободы, состоящей из массы т, соединенной через упругий элемент жесткостью к с неподвижной точкой опоры, резонансную частоту соо можно выразить: 1 Рассмотрим амплитудно-частотню характеристику (АЧХ) такой системы (рис. 1.7а). АЧХ - это частотная зависимость величины (xm / хСТ), где хт - амплитуда колебаний массы т, вызываемая переменной силой с амплитудой, равной значению статической (постоянной) силы, вызывающей статическое отклонение хст. На ней отчетливо виден максимум, показывающий, что на резонансной частоте со0 колебания с заданной амплитудой хт можно получить при меньших по амплитуде силовых воздействиях. В свою очередь фазо-частотная характеристика (рис. 1.76) показывает, что при резонансе сдвиг фаз между колебательной скоростью v и возмущающей силой Р равен нулю, что соответствует работе источника силового воздействия на чисто активную нагрузку. Именно в этом режиме работают применяемые в промышленности резонансные ЭМВ [39].Следует отметить, что режим резонанса на заданной частоте является довольно нестабильным процессом ввиду того, что параметры, определяющие частоту соо по (1.2), во время работы могут непрерывно меняться. В частности, изменению может подвергаться масса m вследствие изменения параметров нагрузки, например, неравномерности загрузки в процессе движения по трубопроводам транспортируемых сыпучих материалов, или изменения параметров грунта при проведении сейсморазведочных работ. С другой стороны, жесткость к также может изменяться, что связанно с процессами, происходящими в пружинах вибратора - старением пружин и изменением их свойств в результате нагрева во время работы.
Для поддержания эффективности работы при изменении частоты необходимо одновременно изменять резонансную частоту, что традиционно осуществляли двумя методами, следующими из формулы (1.2): изменением массы m и (или) регулированием жесткости к. Как правило [86, 45], регулирование сводится к следующим приемам: изменению числа упругих элементов, изменению длины активной части (числа витков, длины защемляемой части у рессор и торсиона), изменению силой защемления (для рессор) или изменению массы колебательных частей.
Обзор методов регулирования собственной (резонансной) частоты показывает, что большинство из них не обеспечивают одновременно плавность, контролируемость и оперативность изменения собственной частоты системы, а также сопряжены с обязательным остановом работы вибратора, что является неприемлемым для нашей задачи.
Существует возможность регулирования резонансной частоты применением дополнительного упругого элемента с регулируемой жесткостью. На конструкции по рис. 1.5. [30] в этом качестве используются гидропневматические пружины, представляющее собой герметичную камеру, давление, объем воздуха в которой, а следовательно и ее жесткость, изменяются в зависимости от объема масла, закачиваемого в нее при помощи гидравлического регулятора частоты.
В работах [25, 31, 44, 55, 61, 20] в качестве дополнительного упругого элемента предлагается использовать специальное электромеханическое устройство - магнитную пружину (МП). Она представляет собой электромагнитное устройство, силовая характеристика (зависимость механической силы от относительного перемещения подвижных частей) которого соответствует характеристике механического упругого элемента. Жесткость (податливость) такой пружины можно плавно регулировать по заданному закону величиной тока в обмотке возбуждения. Применение такого устройства с электрически управляемой жесткостью открывает качественно новые возможности в регулировании частотных свойств колебательных механических систем вибраторов.
Методика расчета основных механических параметров вибратора
Разработка методики расчета в общем виде является сложной задачей, поэтому опишем ее на примере расчета электромагнитного вибратора сейсмического назначения на усилие 5 тс с частотами 20-80 Гц. Для этого сначала необходимо сформулировать техническое задание (ТЗ): Амплитуда усилия: Рт=5 тс (50 кН); Рабочий диапазон частот: fm;n=20rx fmax=80 Гц; Режим работы: разворот по частоте от fmin до fmax в течении 6 секунд, далее 6-й секундная пауза (см. рис. 1.1 б). Для упрощения расчетов примем допущение, что колебания в системе происходят по гармоническому закону. Сигналы именно такой формы требуются от вибраторов для сейсмоисследований. Принимая во внимание протяженность эффективного участка энергопреобразования электромагнита хє(-10;10)мм, определяемую в п.2.4.2, величину этой амплитуды примем xmi(fmin)=8 мм. В соответствии с схемой замещения рис.2.5. и допущениями раздела 2.1 масса индуктора mi Следует учитывать при определении т3, что, с одной стороны, увеличение перемещения хт3 приводит к уменьшению массы конструкции за счет снижения массы индуктора, с другой - к увеличению кинетической энергии, накапливаемой в индукторной массе. Это нежелательно, т.к. приведет к необходимости увеличения мощности электромагнитного преобразователя, который сообщает индукторным массам эту кинетическую энергию. Практически величина ш3 может быть увеличена при помощи пригруза, жестко прикрепляемого к индуктору. 2.2.3. Амплитуда колебаний на максимальной частоте определяется из условия, накладываемого на изменение амплитуды силового воздействия с изменением частоты, т.е. зависимости Pm(n) = P (n)-Pm(fmin), где n=f/fmin расстройка текущей рабочей частоты от fmin. Обычно это условие (например, для электрогидравлических вибраторов) выражается в постоянстве амплитуды силового воздействия при изменении частоты Р (п)=1. 2.2.4. Якорные массы (излучающей плиты, якоря и элементов конструкции, связанных с ними) должны быть как можно меньше, чтобы на их колебания потреблялась минимальная энергия от вибровозбудителя. В практических конструкциях [102] она составляет 0,4 - 0,8 от массы индуктора, т.е.: 1П3 = (0,4 ч- 0,8) m . Принимаем: Излучающая плита должна иметь как можно меньшую массу, но в то же время обладать высокой жесткостью. 2.2.6. Прижимное устройство состоит из пружин 2-з и пригруза т2 (роль которого обычно выполняет транспортное средство). Как было сказано ранее для обеспечения безотрывного от грунта режима работы необходимо выполнения условия P)g+ P3g+ P2g Pm т.е. вес всей установки должен превышать максимально развиваемое ей усилие. Минимальная масса т2 может быть найдена: m2=(Pm/g)- m3- m,=50000/9.81-396-238 = 4462 кг, где g=9.81 м/с2 - ускорение свободного падения. Если масса транспортного средства окажется меньше необходимой, то ее необходимо увеличить при помощи пригруза. Податливость пружин 2-з выбирается из условия, что резонансная частота колебательной системы Ъ -ъ - т2 должна быть в несколько раз меньше минимальной частоты работы вибратора comjn. 2.2.7. Жесткость механических пружин. Для компенсации веса индуктора mi (см.рис.2.1) используются упругие элементы ,1.3. В качестве упругих элементов могут быть использованы механические пружины [7]. Механической нагрузкой вибратора в основном являются инерционные массы, поэтому ее характер для источника механической силы является реактивным. При работе вибратора пружины участвуют в энергообмене, частично компенсируя реактивную составляющую мощности. В вибраторах, работающих на постоянной частоте, компенсацию реактивной составляющей мощности, потребляемой вибровозбудителем, осуществляют с помощью механических пружин, настроенных на резонанс [83, 84, 85, 87]. В нашем случае вибратор имеет диапазон рабочих частот (fmiiT"fmax)-Если выбрать резонансную частоту fpc3 меньше либо равной минимальной рабочей частоты (fpe3 fmin), то с увеличением частоты все большая и большая часть кинетической энергии частей вибратора будет обмениваться с энергией его магнитного поля. В силу фильтрующего действия резонансного конура, образованного механической пружиной и массами вибратора, высокочастотные составляющие перемещений инерционных масс будут подавляться, что положительно скажется на гармоническом составе создаваемых колебаний. При невыполнении этого условия (например, при настройке на механический резонанс на максимальной частоте или в середине частотного диапазона), как показали экспериментальные исследования макета вибратора, гармоники силы, кратные рабочей частоте, попадают в дорезонансную область, где они не подавляются, что приводит к ухудшению гармонического состава колебаний (форма колебаний сильно отличаться от синусоидальной). Если настроить систему на резонанс на нижней частоте (fPe3= fmin), то такой режим будет самым выгодным с энергетической точки зрения, но на резонансе амплитуда колебаний резко увеличивается и будет сильно зависить от добротности, что создаст трудности для системы управления. Поэтому следует резонансную частоту немного уменьшить (на 10-20%). Для этого суммарная жесткость механических пружин необходимо выбрать Наиболее простыми по изготовлению являются винтовые пружины сжатия. Их число в конструкции выбирается четным, поскольку они должны работать в паре. Из опыта конструирования, приобретенного при конструировании действующего макета электромагнитного вибратора, число пружин должно быть не менее 6 (3-х пар). Следует помнить, что с его увеличением усложняется конструкция механического узла, поэтому предпочтительным считается использование от 6 до 12 пружин. Для примера примем количество пружин, равным шести. Вследствие параллельной работы всех пружин жесткость одной пружины к] определяется из выражения к,=- = 0,67-106Н/м. 1 В данном разделе проанализированы возможные конструкции электромеханического преобразователя, проведена их качественная оценка и выбрана наиболее перспективная. Электромагнитные преобразователи (ЭМП) могут быть условно разделены на работающие на продольном и поперечном магнитных потоках. Самой распространенной конструкцией электромагнитного преобразователя, работающего на продольном магнитном потоке, является конструкция по рис.2.6г (так называемый плоский магнит, конструкция со стопом) [71]. Эта конструкция обладает наилучшими удельными силовыми характеристиками (механическая сила магнита, отнесенная к его массе). Однако в такой конструкции возможно возникновение ударных режимов работы, при которых происходят удары якоря об индуктор, приводящие к разрушению магнитопроводов. Использование такой конструкции требует применения сложной системы авторегулирования и реализации специальных алгоритмов управления для системы питанием магнита для получения необходимого закона изменения силы. Традиционно в системах авторегулирования в качестве сигнала обратной связи берется значение тока, что в данном случае нецелесообразно, т.к. сила зависит не только от тока, но и от рабочего зазора 5. Существует возможность управления формой силы по обратной связи - магнитному потоку центрального полюса Ф. Такой способ более перспективен, т.к. в данной системе магнитный поток является переменной состояния (не может измениться скачком), а электромагнитная сила Р, выраженная через поток, практически не зависит от зазора. где S- площадь центрального полюса.
Создание такого устройства с сложной системой авторегулирования требует отдельных исследований, поэтому использование такой конструкции было признано нецелесообразными для первых моделей электромагнитных вибраторов.
Наиболее распространенной конструкцией, работающей на поперечном магнитном потоке, является конструкция, изображенная на рис.2.6а. Другой (альтернативной) конструкцией магнитной системы может быть втяжная конструкция (рис.2.66). Конструкция по рис.2.6а может быть модернизирована заменой паразитного зазора дополнительной зоной энергопреобразования (рис.2.6в). Данный принцип известен и широко применяется в магнитных преобразователях [49].
Разработка формирователя токов
Задачей формирователя токов является формирование в двух активно-индуктивных нагрузках (каждая из которых представляет собой две соединенные последовательно одноименные обмотки электромагнита) однополярных токов заданной формы, амплитуды и частоты. Так как нагрузок две, то формирователь токов будет состоять из двух одинаковых ячеек, работающих каждая на свою нагрузку Z. Вариант схемы такого формирователя тока приведен на рис.3.За, а диаграммы ее работы на рис.3.36. Рассмотрим его работу на примере первой ячейки. Ю: подаём управляющие импульсы на тиристоры VS1.1 и VS1.3. tOl: конденсатор начинает разряжается по цепи C1-VS1.1-Z1-VS1.3-С1. Ток II возрастает. tl: когда напряжение на конденсаторе становится равным нулю ток через нагрузку близок к максимальному значению. tl2: конденсатор заряжается обратной полярностью, ток через нагрузку начинает уменьшаться. К дросселю насыщения Lkl прикладывается напряжение. t2: дроссель LKI насыщается, диод VD1 открывается, к VS1.1 прикладывается обратное напряжение и он закрывается. t23: ток замыкается в цепи Lkl-VDl-Zl-VS1.3-Lkl. Ток постепенно уменьшается из-за активных потерь. t3: открываем тиристор VS1.2. Ток начинает протекать по цепи Z1-VS1.2-Cl-Lkl-VDl-Zl. Обратное напряжение с конденсатора С1 прикладывается к VS1.3 и он закрывается. t34: конденсатор разряжается до нуля, VS1.3 восстанавливает свои запирающие свойства. t45: конденсатор заряжается энергией, рекуперирующейся из нагрузки, ток уменьшается до нуля. t56: тиристор VS1.2 закрывается и восстанавливает свои запирающие свойства. t67: открывается зарядный тиристор VS1 и конденсатор постепенно дозаряжается зарядным устройством до номинального напряжения. t7: тиристор VS1 закрывается. t8: далее процессы повторяются. Вторая ячейка работает поочередно с первой, т.е. формирует ток нагрузки 12 в течении времени t58. Данная схема позволяет регулировать амплитуду тока (заряжая конденсатор С до различных напряжений) и частоту, изменяя момент открытия тиристора VS1.2. Однако она не позволяет регулировать форму импульса тока (время фронта и спада тока однозначно задаются величиной емкости и индуктивностью нагрузки). Отклонение формы тока от необходимой (синусоидальной) приведет к ухудшению гармонического состава создаваемых вибратором колебаний. Амплитуда тока зависит от емкости С и индуктивности нагрузки, зависящей от текущего относительного положения якоря и индуктора. Следовательно, амплитуда тока и создаваемой им силы будет зависеть от режима работы вибратора (частоты работы и характера нагрузки). Кроме того, при увеличении частоты подачи импульсов их форма будет изменяться от прямоугольной к трапецеидальной и к синусоидальной, что приведет к зависимости гармонического состава от частоты колебаний. К достоинствам схемы следует отнести использование тиристоров в качестве силовых управляемых приборов и простоту системы управления. Произвольно регулировать форму тока позволяют схемы на полностью управляемых силовых приборах. Такие приборы (силовые IGBT транзисторы) последнее время получают все более широкое распространение в связи с бурным развитием полупроводниковой техники и научно техническим прогрессом в целом [73]. Возможны различные схемы таких формирователей, например схема по рис. 3.4. Управляя транзисторами VT1 VT3 мы имеем возможность формировать в обмотках Z1 и Z2 импульсы тока нужной формы и амплитуды. Недостатком такой схемы является взаимная обмотках, невозможно увеличение при зависимость напряжений на Например, Рис. 3.4 - Возможная схема формирователя токов на транзисторах. организовать обмотке тока в одной одновременном уменьшении его в другой. Наиболее подходящей для наших целей является схема однофазного полууправляемого коммутатора тока (рис.3.5), описанного в [23, с.620] как «Инвертор напряжения с однополярным выходным током». Она имеет большее количество силовых приборов, нежели предыдущая, но позволяет независимо формировать токи в каждой из обмоток. Запитывать формирователь предполагается от зарядного устройства (ЗУ) на выход которого подключен емкостной накопитель Сн. Формирователь токов состоит из двух одинаковых ячеек. Первая ячейка (1-й коммутатор) содержит следующие силовые приборы: транзисторы VT 1.1 и VT 1.2, диоды VD 1.1 и VD 1.2. Нагрузка Z1 представляет собой две одноименные обмотки двух секций электромагнита, соединенные последовательно. Ток И, создаваемый в нагрузке Z1, приводит к появлению силы, тянущей якорь вибратора в одну, а ток 12, создаваемый в нагрузке Z2 - в другую сторону. Каждый коммутатор в определенный момент времени может находится в одном из трех состояний (состояния показаны на примере первого коммутатора и условно обозначены логической переменной SW): 1. «Накачка» (SW=1) - транзисторы VT1.1 и VT1.2 - открыты, энергия из накопительного конденсатора Сн поступает в нагрузку Z1, ток II, протекая по цепи+Сн-VT1.2-Z1 - VT1.1 - Сн, быстро возрастает. 2. «Полка» (SW=0) - один из транзисторов VT1.1 или VT1.2 открыт, а другой - закрыт, например VT 1.1-открыт, а УТ1.2-закрыт, тогда ток II, протекая по цепи Z1 - VD1.1 - VT1.2 - Z1, медленно спадает из-за активных потерь в полупроводниковых приборах и обмотке. 3.5 - Формирователь токов на транзисторах. 3. «Рекуперация» (SW=-1) - оба транзистора закрыты. Энергия из нагрузки Z1 рекуперируется в накопительный конденсатор, ток II в нагрузке Z1, протекая по цепи - Сн - VD1.2 - Z1 - VD 1.1 - +Сн, быстро спадает. Чередуя описанные состояния можно формировать токи необходимой формы, несмотря на наличие в нагрузке ЭДС движения и зависимости величины нагрузки от положения х. Токи поочередно формируются то в нагрузке Z1, то в нагрузке Z2, приводя к появлению переменной силы. В принципе, схема позволяет формировать токи одновременно в обоих нагрузках, но это приведет к появлению взаимокомпенсирующих сил (направленных в противоположные стороны). Задачей формирователя токов является поддержание токов, равными заданному Із (с определенной погрешностью). Кривая Із - это заданный ток. АІ - допустимая погрешность. Тогда Із+АІ - верхний порог суммарного тока (его максимально допустимое значение), а Із-АІ - нижний порог суммарного тока (его минимально допустимое значение). Во время работы 1-го коммутатора (формирования тока II) транзисторы 2-го коммутатора закрыты (ток 12=0), а во время формирования тока 12 (на рисунке он условно показан отрицательным) закрыты транзисторы 1-го коммутатора. При этом возможно использование как стандартных алгоритмов управления, так и специально разработанного для данного применения релейного алгоритма с тремя возможными состояниями [64]. Классический релейный алгоритм управления [23] выглядит следующим образом (рис.3.5в). 1. При достижении током II значения Із-АІ коммутатор переводится в состояние «накачка»; 2. При достижении током II значения Із+АІ коммутатор переводится в состояние «рекуперация». Видно, что в нем используются только 2 из 3-х возможных состояний коммутатора. Разработанный модернизированный релейный алгоритм с тремя возможными состояниями (рис.3.5в) отличается наличием 3-го условия: 3. При достижении током II значения Із коммутатор переводится в состояние «полка»; Временные диаграммы токов для модернизированного алгоритма изображены на рис.3.56. Рассмотрим его на примере работы 1-го коммутатора: В момент времени tl ток достигает нижнего порога (кривая Із-АІ), коммутатор переходит в состояние «накачка» (оба транзистора 1-го канала открываются) и ток начинает быстро возрастать. Накачка будет продолжаться до тех пор, пока ток не достигнет значения Із (момент t2). В этот момент один из транзисторов 1-го канала закрывается и коммутатор переходит с состояние «полка» (ток при этом медленно спадает). В t3 вновь начинается «накачка», а в t4 - «полка». В момент t5 ток вновь становится равным заданному значению, однако с транзисторами ничего не происходит,
Экспериментальное исследование динамики работы вибратора
Выведенные из состояния равновесия внешней возмущающей силой и предоставленные сами себе массы вибратора производят свободные колебания, по которым можно судить о параметрах колебательной системы. В качестве возмущающей силы при подобных исследованиях принимают либо силу с бесконечной амплитудой длящейся по времени бесконечно мало (дельта-импульс), либо скачком спадающую до нуля конечную силу (единичный импульс). С помощью системы питания возможно получить силу, падающую до нуля скачком. Для этого от системы питания в обмотку сначала подавался постоянный . ток, вызывающий силу, а затем скачкообразно уменьшался до нуля. Время уменьшения тока до нуля t=3Mc много меньше постоянных времени механических колебаний и поэтому им можно пренебречь. Для исключения влияния нагрузки эксперимент проводился в режиме, близком к режиму холостого хода (XX), когда излучающая плита устанавливалась на бетонный пол и дополнительно пригружалась массивным пригрузом. В таком режиме якорь практически неподвижен и колебания производит только индуктор, поэтому относительное перемещение якоря и индуктора фактически является перемещением индуктора. Для линейных систем свободные колебания при воздействии ступенчатой силы описываются зависимостью:
Экспериментальные точки временной диаграммы свободных колебаний (снятые с осциллографа) обозначены крестиками на рис.4.21.
Наиболее ценным является полученное значение коэффициента вязкого трения, которое может быть использовано при математическом моделировании.
Важнейшей механической характеристикой вибратора является его амплитудно-частотная характеристика (зависимость амплитуды колебаний от частоты при постоянной силе).
Вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) будет зависеть не только от самого вибратора, но и от характера нагрузки. Крайними случаями нагрузки является абсолютно жесткая нагрузка и абсолютно податливая. Как это описывалось в п.р.1.2, реальная нагрузка будет иметь параметры, средние между параметрами абсолютно упругой и абсолютно жесткой (ближе к абсолютно жесткой) нагрузки. Необходимо исследовать работу вибратора на абсолютно жесткую нагрузку (режим холостого хода (XX)) и абсолютно податливую (режим короткого замыкания (КЗ)).
Итак, опыт холостого хода подразумевает абсолютно жесткую нагрузку. Это значит, что необходимо жестко закрепить излучающую плиту таким образом, что бы она не колебалась при работе вибратора. Такого закрепления добились следующим образом:
На бетонный пол положили стальное основание (массой 40 кг), на которое установили вибратор. Излучающую плиту вибратора жестко пригрузили стальным пригрузом массой 160 кг. В качестве этого пригруза использовали жестко установленный пригруз, ранее устанавливаемый через упругие элементы, и дополнительные стальные болванки. Включив вибратор, убедились, что индуктор колеблется со значительной амплитудой, а якорь и излучающая плита практически неподвижны, из чего сделали вывод о достижении режима холостого хода. АЧХ снимали, подавая в обмотки вибратора ток амплитудой 1м, частотой f и снимая с экрана осциллографа амплитудные значения относительных перемещений якоря и индуктора хм с датчика перемещения. Как уже было сказано ранее, вибратор имеет две обмотки - верхнюю и нижнюю, в которые поочередно подаются импульсы тока. Электромагнитная система вибратора устроена таким образом, что при подаче тока в верхнюю обмотку создается сила, тянущая индуктор вниз (в сторону увеличения значения положения х), а при подаче тока в нижнюю обмотку создается сила, тянущая индуктор вверх (в сторону уменьшения значения положения х). Под током I будем подразумевать суммарный ток Is, подаваемый в обмотки и рассчитываемый по формуле (4.10) как разница токов верхней и нижней обмоток. I = Is = Iup-Idw, где Iup, Idw - ток в верхней и нижней обмотках соответственно.
Когда ток протекает в одной из обмоток, в другой обмотке он равен нулю или близок к нулю, поэтому можно считать, что суммарная электромагнитная Р сила создается суммарным током I=Is. На рис.4.22 приведены осциллограммы тока I и положения х для одного из значений амплитуды тока и частоты f. Осциллограммы для других значений тока и частоты приведены в приложении К. Суммарный ток I имеет форму не идеальной, а ступенчатой синусоиды в связи с особенностями работы схемы питания вибратора. Для снятия АЧХ задавали амплитудное значение тока 1м, частоту f и снимали значения амплитуды перемещения хм. Результаты свели в табл.4.6.
