Содержание к диссертации
Введение
1 Магнитно-импульсные устройства, методы их исследования и расчета 15
1.1 Магнитно-импульсные устройства и схемы их питания 15
1.2 Расчет процессов в индукторных системах с использованием теории поля 23
1.3 Расчет магнитно-импульсных устройств методами электрических цепей 30
1.4 Выводы и постановка задачи 36
2 Эффективность преобразования энергии в магнитно-импульсных устройствах 38
2.1 Зависимость КПД преобразования энергии от параметров плоской ИС иЕНЭ 38
2.2 Исследование МИУ соленоидного типа 43
2.3 Выводы 50
3 Электромеханические переходные процессы при торможении проводников импульсным магнитным полем 52
3.1 Исследование торможения массивных проводников ИМП 52
3.2 Математическая модель тормозных индукторных систем ... 65
3.3 Электромеханические переходные процессы при одновременном разряде ЕНЭ на ускоряющий и тормозной индукторы... 67
3.4 Сравнение схем параллельного и последовательного соединения ускоряющего и тормозного индукторов 87
3.5 Экспериментальное исследование торможения массивных проводников ИМП 90
3.6 Выводы 103
4 Исследование влияния конструктивного построения индуктора на эффективность электромеханического преобразования энергии емкостного накопителя 105
4.1 Основные соотношения между параметрами ИС с однослойным и многослойным индуктором 105
4.2 Влияние числа слоев и высоты слоя обмотки индуктора на эффективность торможения проводников ИМП 113
4.3 Влияние числа слоев и высоты слоя обмотки индуктора на КПД преобразования энергии накопителя 117
4.4 Экспериментальное исследование ИС с однослойными и многослойными индукторами 121
4.5 Выводы 130
5 Анализ схем питания группы исполнительных механизмов МИУ от одного источника 132
5.1 Математическое исследование синхронной работы двух ИМ... 132
5.2 Экспериментальные исследования схем питания группы ИМ 143
5.3 Выводы 148
6 Разработка методики расчета, быстродействующих приводов и технологических установок на основе магнитно-импульсных устройств 150
6.1 Определение оптимальных параметров МИУ 150
6.2 Расчет оптимальных параметров ИС и ЕНЭ при торможении ИМП 152
6.3 Приближенный расчет скорости проводника при торможении ИМП 155
6.4 Быстродействующие приводы 159
6.5 Приводы с торможением импульсным магнитным полем 163
6.6 Технологические устройства 170
6.7 Выводы 175
7 Разработка магнитно-импульсных установок для технологии разрушения сводов и очистки оборудования 176
7.1 Воздействие магнитно-импульсной установки на очищаемое оборудование 177
7.2 Разработка магнитно-импульсных установок для разрушения сводов и очистки оборудования 189
7.3 Магнитно-импульсный способ зачистки вагонов от остатков смерзшихся грузов 200
7.4 Выводы 205
Заключение 206
Список использованных источников 2 09
- Расчет процессов в индукторных системах с использованием теории поля
- Зависимость КПД преобразования энергии от параметров плоской ИС иЕНЭ
- Математическая модель тормозных индукторных систем
- Влияние числа слоев и высоты слоя обмотки индуктора на эффективность торможения проводников ИМП
Введение к работе
Одной из первоочередных задач развития экономики страны является ускорение научно-технического прогресса. В связи с этим предусматривается дальнейшее развитие научных исследований, направленных на создание и внедрение новой техники и совершенной энергосберегающей технологии, отвечающих высоким требованиям современного производства, проведение исследований с целью совершенствования существующих и разработки новых способов преобразования энергии. Особое внимание уделяется расширению выпуска прогрессивных и экономичных машин и оборудования для всех отраслей народного хозяйства, повышению их технического уровня, качества и надежности.
В настоящее время в электроаппаратостроении, электротехнологии и других областях науки и техники все более широкое применение находят магнитно-импульсные устройства (МИУ), принцип действия которых основан на силовом воздействии импульсного магнитного поля (ИМП) на проводник с током. В большинстве таких устройств источников энергии является емкостный накопитель (ЕНЭ), при разряде которого на индукторную систему (ИС) происходит перемещение проводника (якоря) под действием электромагнитной силы (ЭМС). На этом принципе основана работа магнитно-импульсных установок, предназначенных для обработки металлов давлением (МИОМ), быстродействующих приводов коммутационных аппаратов, разнообразных клапанов, задвижек и устройств специального назначения, используемых в электрофизических установках, а также магнитно-импульсных установок для разрушения сводов и очистки стенок технологического оборудования от налипших порошкообразных материалов.
МИУ характеризуются сравнительно невысоким КПД преобразования энергии. Поэтому задача повышения эффективности преобразования энергии импульсного источника в полезную работу является актуальной. Кроме того, МИУ отличаются относительно высокой скоростью перемещения ПОДВИЖНЫХ частей (несколько десятков метров в секунду), поэтому для их стабильной, на-
дежной и долговечной работы требуются тормозные (буферные) устройства, способные поглощать кинетическую энергию подвижных элементов после завершения рабочей операции.
Одним из путей решения проблемы создания тормозных устройств является использование в МИУ электромагнитных демпферов, принцип действия которых основан на торможении проводников в ИМИ. При этом одновременно расширяются функциональные возможности МИУ благодаря созданию высокоскоростных устройств двухстороннего действия.
Широкое применение магнитно-импульсных установок для разрушения сводов и очистки технологического оборудования от налипших материалов сдерживалось отсутствием научно-обоснованных технических и технологических решений, связанных с разработкой и эффективным использованием указанных установок.
Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью создания магнитно-импульсных устройств, обладающих повышенным КПД преобразования энергии источника, надежностью и долговечностью работы, а также разработки передовых энергосберегающих технологий с их использованием и внедрение в народное хозяйство с целью ускорения научно-технического прогресса.
Работа выполнена в Высоковольтном научно-исследовательском центре -филиале Государственного унитарного предприятия «Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина» (ВНИЦ ВЭИ им. В.И.Ленина), г.Истра Московской области в период с 1975 по 2003 годы по плану важнейшей научно-технической тематики по проблеме 016.03 и в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» по Программе важнейших прикладных научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ Государственного научного центра РФ ГУЛ ВЭИ им. В.И.Ленина (№№ госрегистрации тем; 01.97.0005122, 01.99.0009283, 01.99.0009284, 01.2001.08.250, 01.2002.04.310, 01.2003.04.835),
где диссертант являлся научным руководителем или ответственным исполнителем указанных работ.
Методы исследования. В работе использовались методы теории подобия при анализе электрических цепей с нелинейными параметрами, математического моделирования, численные методы решения дифференциальных уравнений и методы математического планирования эксперимента. Экспериментальные исследования проведены на разработанных макетах, опытных образцах МИУ и в промышленных условиях эксплуатации.
Научная новизна работы. В результате исследования эффективности электромеханического преобразования энергии в плоских и цилиндрических ИС показано, что при одинаковых значениях основных безразмерных параметров обе системы в оптимальных режимах позволяют достигать близких значений КПД, но в соленоидной ИС оптимальные значения относительной ускоряемой массы в 100-200 раз меньше, чем в плоской. Установлена функциональная зависимость КПД преобразования энергии от совокупности параметров ЕНЭ и плоской ИС, позволяющая решать задачи синтеза и оптимального проектирования МИУ.
Выполнен анализ влияния на эффективность торможения массивного проводника, движущегося с заданной начальной скоростью, в ИМП, создаваемом при разряде ЕНЭ на плоский индуктор, безразмерных параметров, характеризующих процесс торможения, и определены диапазоны значений данных параметров, обеспечивающих достижение наибольшей эффективности торможения. Установлено, что существует оптимальное начальное расстояние между индуктором и проводником, при котором конечная скорость проводника минимальна. Предложена полученная с помощью методов математического планирования эксперимента математическая модель тормозных ИС, позволившая установить связь конечной скорости проводника с параметрами ЕНЭ и ИС при колебательном затухающем разряде и шунтировании ЕНЭ в момент перехода напряжения на нем через нулевое значение.
?
Выявлены основные факторы, влияющие на характеристики МИУ при одновременном разряде ЕНЭ на ускоряющий и тормозной индукторы. Показано, что при параллельном соединении индукторов быстродействие МИУ и эффективность торможения диска ИМП существенно выше, чем при последовательном. Для параллельной схемы с помощью методов планирования эксперимента получены аналитические зависимости времени срабатывания МИУ, максимальной и конечной скорости диска от критериев подобия, которые позволяют выбирать оптимальные значения параметров ИС и ЕНЭ при проектировании и оценить степень влияния каждого из них на характеристики МИУ.
Разработана и подтверждена экспериментально методика определения соотношений параметров МИУ с однослойным и многослойным индукторами. Впервые установлено существование оптимального числа слоев и высоты одного слоя обмотки многослойного индуктора, при которых КПД преобразования энергии емкостного накопителя и эффективность торможения проводников в ИМП максимальны.
Исследованы особенности и эффективность электромеханического преобразования энергии при питании нескольких МИУ, выполняющих одновременно одинаковые функции, от одного ЕНЭ. Показано влияние формы импульса тока разряда на характеристики МИУ. Установлено, что при питании двух МИУ от одного ЕНЭ с целью обеспечения одновременности их срабатывания с минимальным разбросом необходимо применять схему последовательного соединения индукторов. При питании от ЕНЭ более двух МИУ с целью достижения наибольшей эффективности преобразования энергии и одновременности срабатывания необходимо использовать комбинированные схемы соединения индукторов.
Разработана инженерная методика расчета оптимальных параметров МИУ, при которых достигаются наибольшие эффективность преобразования энергии и торможение массивных проводников в ИМП при минимальной энергоемкости накопителя.
Разработана методика выбора оптимальных параметров МИУ с учетом механических процессов в очищаемом оборудовании. Показано, что эффективность воздействия МИУ на оборудование при разрушении сводов и очистке стенок от налипших материалов определяется величиной полного импульса силы и незначительно зависит от амплитуды и длительности импульса электромагнитной силы. Разработаны научно-технические основы энергосберегающих технологических процессов разрушения сводов и очистки оборудования от налипших материалов с использованием МИУ.
Практическая значимость и реализация результатов работы. В результате анализа влияния параметров ИС и ЕГО на эффективность торможения проводника в ИМП, движущегося с заданной начальной скоростью, предложена и экспериментально реализована схема управления разрядом ЕНЭ на тормозной индуктор по оптимальному начальному расстоянию между индуктором и проводником. Разработано несколько вариантов схем питания МИУ и определена область их рационального применения. Разработанная методика расчета МИУ позволяет определить оптимальные параметры ИС и ЕНЭ, обеспечивающие наиболее эффективное преобразование энергии емкостного накопителя.
На основе проведенных исследований разработаны новые конструкции быстродействующих приводов, в том числе с торможением подвижных частей ИМП, и технологических устройств, отличающихся стабильностью характеристик, надежностью и долговечностью. Разработанные МИУ защищены авторскими свидетельствами, используются в электрофизических установках, опытной и промышленной эксплуатации.
Разработанные быстродействующие приводы на основе МИУ в темение нескольких лет находятся в эксплуатации в Объединенном институте ядерных исследований в составе системы быстродействующей аварийной защиты ядерного реактора ИБР-2, во ВНИЦ ВЭИ им. В.И.Ленина на стенде в составе выключателя постоянного тока, при разработке опытного образца вакуумного выключателя с пружинно-моторным приводом для быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР), при разработке в ВЭИ им. В.ИЛенина
выключателя переменного тока для КРУЭ-1150 кВ взамен электромагнитов управления.
Разработанный быстродействующий привод циклического действия внедрен на опытно-промышленном электронном ускорителе в Московском радиотехническом институте АН СССР. Разработанная методика расчета оптимальных параметров МЙУ и устройства для магнитно-импульсной штамповки используются на Агрегатном заводе «Наука» (г.Москва). Опытный образец импульсной головки внедрен на Опытном заводе «ВНИИПТУГЛЕМАЛІ», разработанный магнитно-импульсный инструмент для клепки использован в Московском авиационном институте для получения заклепочных соединений композитных материалов при высокоскоростной одноударной клепке.
Установочная серия разработанной под руководством и непосредственном участии автора установки МИУС-1-16 для разрушения сводов и очистки оборудования от налипших материалов в количестве более 200 штук выпущена Опытным заводом ВНИЦ ВЭИ им. В.И.Ленина и используется на предприятиях России и стран СНГ. В настоящее время серийное производство установок МИУС-1-16 осуществляет НПФ «Агрегат-Импульс» (г.Москва).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях и совещаниях;
Всесоюзном научном семинаре по магнитно-импульсной обработке металлов при Северо-западном заочном политехническом институте, Ленинград, 1977г.;
Всесоюзном научно-техническом совещании по применению методов случайного поиска в САПР, Выру-Кубия, 1979г.;
научно-технической конференции молодых ученых в Институте электродинамики АН УСССР, Киев, 1979г.;
П-УП научно-технических конференциях Истринского отделения ВЭИ им. В.И.Ленина, Истра, 1975-1980г.г.;
Всесоюзной научно-технической конференции «Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной и сильноточной техники», Москва, 1986г.;
Всесоюзном научно-техническом совещании «Повышении надежности и технического уровня высоковольтных коммутационных аппаратов», Москва, 1988г.;
Всесоюзной научно-технической конференции «Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники"» Москва, 1989г.;
заседании 1У секции научного совета АН СССР, Харьков, 1981г.;
шестой Всесоюзной конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем, Ташкент, 1982г.;
второй Всесоюзной научно-технической конференции молодых специалистов по трансформаторостроению и аппаратостроению, г.Свердловск, 1984г.;
Всесоюзном совещании «Расчет, проектирование, технология изготовления, эксплуатация индукторных систем», Тула, 1988г.;
Всесоюзной научно-технической конференции «Новые технологические процессы магнитно-импульсной обработки, оборудование и инструмент», Куйбышев, 1990г.;
Всесоюзной научно-технической конференции «Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной преобразовательной техники», ВЭИ, Москва, 1991г.;
1-й Международной конференции «Металлдеформ-99», Самара, 1999г.;
Всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием «На рубеже веков», Москва, 1999г.;
заседании Международной ассоциации магнитно-импульсной обработки материалов, г.Самара;
У1-УП Симпозиуме «Электротехника 20І0», Москва, 2001,2003г.г.;
- второй Международной научно-технической конференции Металлдеформ-2004 Самара, 2004г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 печатных работ [91-166], из которых 24 изобретения.
Личный вклад автора. Автор внес определяющий вклад в постановку задачи, выбор направлений и методов исследования, в проведение экспериментальных исследований и промышленных испытаний, в разработку технических решений и реализацию изделий, обобщение полученных результатов. В работах и изобретениях [92,93,96,97,99-101,104,106-114,116-125,127-132], написанных в соавторстве, автору принадлежит идея торможения подвижных частей магнитным полем, схемы питания магнитно-импульсных устройств, методы проведения исследований, математические модели и решение уравнений переходных процессов. В работах [134-135] - получение расчетных формул, разработка методики расчета. В работах [136-161,163,166] - идея использования многослойных индукторов для повышения эффективности преобразования энергии, соотношения параметров однослойных и многослойных индукторов, объяснение существования оптимального количества слоев и высоты одного слоя обмотки многослойного индуктора, результаты стендовых и промышленных испытаний.
Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
В первом разделе диссертации проводится анализ МИУ, схем их питания и основных методов расчета по данным опубликованных работ и исследованиям автора, определяются задачи настоящей работы.
Второй раздел посвящен исследованию эффективности преобразования энергии в МИУ с плоским и цилиндрическим (соленоидным) индукторами, проведен их сравнительный анализ. Получена функциональная зависимость КПД от параметров ЕНЭ и плоской ИС для решения задач синтеза и оптимального проектирования МИУ.
В третьем разделе исследуются электромеханические переходные процессы при торможении проводников ИМП. Здесь рассматриваются вопросы
торможения проводника, движущегося с заданной начальной скоростью, исследуются процессы при одновременном разряде ЕНЭ на ускоряющий и тормозной индукторы. С помощью методов математического эксперимента поручены аналитические зависимости основных показателей МИУ от параметров ИС и ЕНЭ.
В четвертом разделе проводится теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструктивного построения индуктора, в частности количества слоев и высоты одного слоя обмотки индуктора на эффективность торможения проводников ИМП и КПД преобразования энергии емкостного накопителя. Установлено существование оптимального количества слоев и высоты одного слоя обмотки многослойного индуктора.
Пятый раздел посвящен анализу схем питания нескольких МИУ, выполняющих одинаковые функции, от одного ЕНЭ. Показано влияние формы импульса тока разряда на характеристики МИУ и даны рекомендации по схемам соединения индукторов.
В шестом разделе излагается разработанная на основании проведенных в предыдущих разделах исследований инженерная методика расчета оптимальных параметров МИУ, при которых достигается наибольшие эффективность преобразования энергии и торможение массивных проводников в ИМП при минимальной энергоемкости накопителя. Приведены результаты разработки и испытаний быстродействующих приводов и технологических устройств на основе МИУ.
Седьмой раздел посвящен разработке, стендовым и промышленным испытаниям МИУ для разрушения сводов и очистки поверхностей технологического оборудования от налипших материалов.
В заключении подводятся итоги выполненной работы.
Положения, выносимые на защиту.
1. При оптимальных значениях безразмерных параметров плоская и цилиндрическая индукторые системы позволяют достигать близких значений КПД
преобразования энергии емкостного накопителя. В цилиндрической ИС оптимальные значения относительной ускоряемой массы в 100-200 раз меньше, чем в плоской.
Функциональная зависимость КПД преобразования энергии от совокупности параметров ЕНЭ и ИС, полученная с помощью методов математического планирования эксперимента, позволяет решать задачи синтеза и оптимального проектирования МИУ.
Математическая модель тормозных индукторных систем, позволившая предложить принцип управления началом разряда ЕНЭ на тормозной индуктор по оптимальному начальному расстоянию между индуктором и якорем.
Методика определения соотношений параметров ИС с однослойным и многослойным индукторами, использование которой позволяет определить оптимальные число слоев и высоту одного слоя обмотки многослойного индуктора, при которых достигается наибольшие эффективность преобразования энергии и торможение массивных проводников в ИМИ при минимальной энергоемкости накопителя.
Разработанные новые конструкции быстродействующих приводов, в том числе с торможением подвижных частей ИМИ, и технологических устройств, отличающихся стабильностью характеристик, надежностью и долговечностью, высокой энергетической эффективностью.
Эффективность воздействия МИУ на оборудование при разрушении сводов и очистке поверхностей от налипших материалов определяется величиной полного импульса силы и мало зависит от амплитуды и длительности электромагнитной силы.
Научно-технические основы разработки энергосберегающих технологических процессов разрушения сводов и очистки поверхностей оборудования от налипших материалов с использованием МИУ повышенной энергетической эффективности, результаты промышленных испытаний и отработки технологических аспектов промышленной эксплуатации установок, позволившие организовать серийный выпуск МИУ.
Расчет процессов в индукторных системах с использованием теории поля
Переходные электромагнитные и электромеханические процессы при разряде высоковольтных конденсаторных батарей на ИС с массивными проводниками рассматриваются в ряде работ, посвященных технике получения и использования сильных ИМП [20, 69, 89,90], деформированию металлических заготовок [22-24,29-32, 77-80] и ускорению проводников в ИМП [4,7,21,23,25, 26, 33-37,39]. Природа механических сил при МИОМ, индукционном ускорении и торможении проводников одинакова. Различия имеются в предъявляемых требованиях к величине силы и характеру её изменения во времени. В МИОМ процессы рассчитываются часто без учета перемещения рабочего тела, что значительно облегчает расчет.
При определении картины поля требуется знать распределение плотности тока в индукторе и проводнике. Для упрощения расчетов напряженность магнитного поля между индуктором и проводником в большинстве случаев принимается неизменной, то есть используется приближение плоской электромагнитной волны [24, 26]. В некоторых работах учитываются и краевые эффекты [21, 25].
Во многих работах, методы теории поля применяются для расчета интегральных параметров, в частности, индуктивности ИС. В работе [63] при условии резко выраженного поверхностного эффекта получены расчетные формулы для индуктивности системы массивных проводников «одновитковыи соленоид-цилиндр» и «одновитковыи соленоид-плоскость», учитывающие протекание части тока вне области изоляционного зазора. В работе [22] приближенно определяется среднее значение индуктивности системы «одновитковыи соленоид - соосный замкнутый экран» за первый полупериод тока колебательного разряда конденсаторной батареи с учетом поверхностного эффекта. Указанная ИС исследуется в предложении неподвижности её элементов и установившегося электромагнитного процесса в металле. Кроме того, токи индуктора и экрана считаются равными по модулю и противоположными по фазе. Эти допущения значительно упрощают определение интегральных параметров ИС, которые могут быть использованы при приближенных расчетах процесса МИОМ. В работе [2] определяется эквивалентная индуктивность плоской ИС и рассчитывается сила взаимодействия между проводящим диском и индуктором.
Для нахождения коэффициента А рассматривается поле элементарного витка с током, расположенного вблизи проводящего диска. Получены приближенные формулы для расчета А и параметров Lu, Ra . Изложенная в [2] методика, как и в большинстве опубликованных работ, предполагает, что полный разряд батареи происходит прежде, чем диск успеет заметно переместиться от индуктора. Такое допущение не позволяет определить оптимальные, с точки зрения наибольшего КПД преобразования энергии емкостного накопителя, параметры МИУ.
В теории электромеханического преобразования энергии известна связь между КПД и изменением индуктивности системы.
Расчет процессов при силовом воздействии ИМП на проводники методами теории поля совершенствуется [23 - 26, 39, 68]. В ряде работ изучаются явления при проникновении поля в проводники [23-26, 63], однако в этих работах используется приближение плоской электромагнитной волны. В [63] получено трансцендентное выражение для операторного сопротивления соленоида с тонкостенной трубой и предложена схема замещения соленоида в виде бесконечного количества параллельного соединенных цепочек. Аналогичный метод используется в [21] для случая разряда ЕНЭ на плоскую ИС. Влиянием перемещения проводника на параметры схемы замещения пренебрегается.
В качестве расчетной модели принята кольцевая катушка с равномерно распределенным по радиусу поверхностным током, которая расположена над проводящим полупространством (рис. 1.3). В [21] показано, что переходный процесс проникновения ЭМП в проводники при наличии резко выраженного поверхностного эффекта подчиняется закономерностям, справедливым для одномерного случая (плоская волна), а пространственное распределение поля в установившемся и переходном квазистационарном режимах совпадают,
В работе [23] исследуется возможность замены системы с полем в металле эквивалентной схемой замещения на основе анализа временной зависимости суммар Рисунок 1.3 Плоская кольцевая катушка над проводящим полупространством [25]
Под параметрами Lj и R, понимаются такие постоянные значения индуктивности и активного сопротивления, которые к моменту времени t обеспечивают такое же энергетическое состояние системы, что и фактические переменные значения [23]. Из результатов данной работы следует, что вследствие переходного процесса при t 0,15Т активное сопротивление Rt меньше установившегося значения, а индуктивность Lt больше, то есть добротность системы с ЭМП в металле в переходном режиме выше, чем в установившемся. Это важное обстоятельство необходимо учитывать при расчете и анализе процессов силового воздействия ИМП на проводники. Показанная в [23] возможность замены системы с полем в металле фиксированными постоянными значениями индуктивности и активного сопротивления позволяет существенно облегчить общий анализ процессов в цепи разряда ЕНЭ.
Эквивалентные параметры, как указывалось выше, определяются обычно для неподвижной ИС, то есть используется допущение о не влиянии на процесс проникновения поля в проводники изменения во времени расстояния между индуктором и диском. Для обоснования такого допущения в [25] рассчитывается ЭМП в ИС, аналогичной рассмотренной в работе [21]. Разница заключается в том, что индуктор с постоянной скоростью удаляется от проводящего полупространства. При расчете используется метод интегральных преобразований Лапласа и Ханкеля, получено аналитическое решение для составляющих поля, когда ток изменяется по синусоидальному закону. Показано, что проникновение ЭМП в проводник имеет характер электромагнитной волны, то есть как и в случае неподвижной ИДС [21], а при скорости г) 20м/с затухание волны и изменение фазы подчиняются тем же закон о-мерностям, что и в одномерном поле [23].
В отличии от [25], в работе [26] исследуются электромагнитные и электромеханические переходные процессы при ускорении проводников в ИМП, создаваемом током разряда батареи конденсаторов на подвижный бифиляр (рис. 1.4). Процессы в бифиляре описаны методами теории поля, а внешний контур, задающий граничные условия на поверхности проводников, представлен схемой замещения по теории электрических цепей. Поле в зазоре между пластинами считается плоскопараллельным. Задача решается разностным методом на ЦВМ. Полученное решение учитывает проникновение импульсного магнитного поля в проводники, изменение скорости и расстояния между пластинами при их ускорении. Показано, что при неограниченном пути ускорения КПД преобразования энергии емкостного накопителя с уменьшением относительной ускоряемой массы а монотонно увеличивается до у с-тановившегося значения, которое определяется другими параметрами ИДС. Если путь ускорения ограничен, то существует оптимальное значение аопт , при котором КПД максимален. Результаты данной работы представляют несомненный интерес, но они справедливы для конкретной задачи. Использование их в осесимметричных ИС практически не представляется возможным.
Зависимость КПД преобразования энергии от параметров плоской ИС иЕНЭ
Путь решения поставленной задачи похож на экспериментальный с той лишь разницей, что в качестве объекта исследования выступает математическая модель, то есть используется математический эксперимент. По сравнению с натурным математический эксперимент имеет целый ряд преимуществ. В частности, он отличается неограниченными возможностями повторения и проверки эксперимента, отсутствием разброса экспериментальных данных, что, в свою очередь, существенно упрощает обработку результатов. Кроме того, математический эксперимент позволяет получить любое сочетание величины параметров, что зачастую сложно выполнить в натурном эксперименте. Для проведения математического эксперимента требуется гораздо меньше затрат труда и времени, поскольку по одной программе можно произвести необходимое количество расчетов, а для натурного эксперимента нужны МИУ и ЕНЭ с различными параметрами.
Указанные выше преимущества математического эксперимента могут быть реализованы лишь в том случае, когда математическая модель процесса достаточно точно его отображает. По возможности это требование удается выполнить, поскольку уравнения решаются на ЦВМ и количество допущений сведено к минимуму.
Используя априорную информацию, можно заключить, что применение планирования первого порядка не дает удовлетворительных результатов, так как зависимость КПД от параметров МИУ нелинейная. Одним из путей получения адекватной модели является переход к планам второго порядка [53-56]. Однако при этом значительно возрастает количество опытов даже при небольшом числе факторов. Так при n = 5 для проведения полного факторного эксперимента (ПФЭ) первого порядка потребуется 25 = 32 опыта, а для проведения ПФЭ второго порядка потребуется З5 = 243 опыта, то есть почти в восемь раз больше. Кроме того, в работах по планированию эксперимента показано [53, 55], что такие планы неэффективны. В нашем случае отсутствует разброс результатов, поскольку используется математический эксперимент, следовательно, не требуется расчет дисперсий коэффициентов. Поэтому целесообразно воспользоваться ортогональным центрально-композиционным планом (ОЦКП) второго порядка [55], который получается путем достраивания плана ПФЭ 2". Такое планирование позволяет найти аналитическое выражение для исследуемого показателя в виде квадратичного полинома: У=ё0 + вцЪ + &ijj+..., где Y - целевая функция или исследуемый показатель; - коэффициент полинома; х = (z —Zo)/Az - нормированные переменные или факторы; z, Zo, Дг - переменная, её среднее значение и интервал варьирования; п - число факторов; х - преобразованный по условию ортогональности матрицы планирования квадратичный член. 1 , X - „ X/ » ———- «- X/ Л где а - номер строки матрицы планирования ОЦКП второго порядка; N - общее число строк матрицы. В ОЦКП к ядру, представляющему собой план ПФЭ 2П добавляется центральная точка (Х[ = 0, і = 1,2..., п) и по две «звездные» точки для каждого фактора.
Рассмотренные выше плоские ИС не исчерпывают всех возможностей МИУ. Одним из способов получения высоких скоростей твердых тел является использование многокаскадного индукционного ускорителя [142-144]. На рисунке 2.2 представлена расчетная схема МИУ с цилиндрическим индуктором. Система дифференциальных уравнений, описывающих электромеханические переходные процессы при разряде ЕНЭ на соленоид с расположенным соосно внутри него цилиндрическим проводником в безразмерной форме имеет тот же вид, что и в случае МИУ с плоскими индукторами [4]:
Математическая модель тормозных индукторных систем
При расчете и проектировании тормозных ИС целесообразно знать влияние не каждого параметра в отдельности, а совокупности всех параметров, определяющих эффективность торможения, которую будем оценивать по отношению р = 1 е / w0 , показывающему, какую часть составляет конечная скорость от начальной. При этом наибольшая эффективность торможения соответствует наименьшему значенню р . В предыдущем подразделе было показано, что основное влияние на конечную скорость ис проводника при использовании однослойных многовитковых индуктором оказывают критерии р и О г s S0, %. Поэтому определим зависимость. Р /(/ ! / 2, о, S , г). (3.9) Для этого, как и в случае получения зависимости КПД преобразования энергии воспользуемся методами планирования эксперимента [53-56]. Под словом «эксперимент» (опыт) здесь также подразумевается решение системы дифференциальных уравнений (3.6) на ЦВМ. После проведения математического эксперимента и обработки результатов получим [165]: V \ o = -0,996 + 0,833/, +0,1 р2 -3,65 S + 0,004 с + 26,981) +1,8/ + + 2.2/J + 20 S 2,66- Ю-6 о2 - 82uf-0,21jOif2 + 4,34/ S 0-- 13,6 jQ і vt + 0,7/ 2 So - 6,77 p 2 u - 21,7 S X - 0,0175 u o\ Аналогичным образом определена зависимость для показателя эффективности торможения Р в случае шунтирования ЕНЭ в момент перехода напряжения на нем через нулевое значение [165]: t c/ и0 = -1,17 + 2,2jO і + 1,23/)2 - 4,25S„ + 0,0052а + 20,3 v -0,37р/+0,82/ 2? +24,lSo2-5,16- 10V -44,7х-2,5/?,/2+ (ЗЛО) + 5,6/), So + 5,6/ і S?- 51,4 Soi « - 0,01 IVT . Проверка выражений (3.9) и (ЗЛО) на адекватность показала, что полиномы описывают результаты математического эксперимента с погрешностью 10-15%, поэтому могут использоваться для анализа зависимости эффективности торможения проводников ИМП от параметров ИС и ЕНЭ. По полученным полиномам, даже не прибегая к вычислениям, можно установить, как влияет каждая из переменных на величину конечной скорости проводника. Это является одним из преимуществ метода.
Наибольшее влияние на эффективность торможения оказывает начальная скорость i o. С ростом Do эффективное торможение достигается при меньших о, О і и р 2 . Представляет также интерес сравнить режим колебательного разряда и шунтирования. Последний рассматривается здесь как возможное средство для получения эффективного торможения проводника и как необходимый электрический режим при использовании конденсаторов, не допускающих перезарядки. Установлено, что при одних и техже значениях безразмерных параметров в случае шунтирования конечная скорость проводника значительно меньше, а тормозная характеристика более плавная, чем при колебательном разряде. При шунтировании ЕНЭ в момент перехода напряжения на нем через нулевое значение средняя за время процесса торможения величина ЭМС больше, по сравнению с режимом колебательного разряда, поскольку магнитный поток в рабочем зазоре ИС в случае малых р и большой начальной кинетической энергии проводника остается практически постоянным. По мере уменьшения начальной скорости г эффективность торможения при шунтировании конденсаторов снижается, и конечная скорость проводника может быть даже больше, чем в случае колебательного разряда. Это объясняется потерями энергии в активных сопротивлениях и уменьшением (сдвигом фазы) индуктированного тока в проводнике, когда наряду с отталкивающими усилиями на проводник действует и притягивающая ЭМС со стороны индуктора. При малых значениях начальной скорости г о проводник обладает незначительной кинетической энергией, которой недостаточно, чтобы покрыть тепловые потери в ИС.
Таким образом, в каждом конкретном случае, в зависимости от исходных параметров ИС и ЕНЭ, преимущество отдается той или иной схеме торможения. Это можно проверить без решения на ЦВМ системы дифференциальных уравнений, произведя расчеты по полученным полиномам. 3.3 Электромеханические переходные процессы при одновременном разряде ЕНЭ на ускоряющий и тормозной индукторы
В случае питания ускоряющего и тормозного индукторов от одного ЕНЭ они могут быть соединены между собой параллельно (рисунок 1.2, а) или последовательно (рисунок 1.2, г). Рассмотрим вначале электромеханические переходные процессы в ИС при параллельном соединении индукторов (рисунок 1.2, а). Схема замещения и расчетная ИС представлены на рисунке 3.5. Диск, расположенный между индукторами, выполнен составным [107]. Его рабочие поверхности изготавливаются из металла с высокой электропроводностью, например, меди или алюминия, а механическая прочность обеспечивается легким и прочным материалом (дюралюминий, титан, пластмассы и пр.). Такое выполнение диска позволяет повысить эффективность электромеханического преобразования энергии ИМП при разряде ЕНЭ на ИС [91]. Толщина проводников 3, 4 составляет обычно несколько миллиметров и определяется величиной эквивалентной глубины проникновения ЭМП в проводник (рисунок 3.5, б).
Размерные и безразмерные переменные, а также размерные и безразмерные параметры и комплексы связаны между собой теми же соотношениями, которые были получены в разделе 2 при описании процесса торможения проводника, движущегося с заданной начальной скоростью. Индексы при переменных и параметрах относятся к соответствующему контуру схемы замещения. Параметр X \ = Li / L2 определяет соотношение индуктивностей ускоряющего (Lj) и тормозного (Ьг ) индукторов, которые в общем случае могут иметь различное число витков, то есть Х Ф 1.
Влияние числа слоев и высоты слоя обмотки индуктора на эффективность торможения проводников ИМП
Многослойный индуктор целесообразно выполнять из провода прямоугольного сечения, позволяющего получить больший коэффициент заполнения токовой полосы индуктора по сравнению с круглым проводом. Высота слоя h обмотки двояко влияет на эффективность электромеханического преобразования энергии. Увеличение Ьсл » с одной стороны, приводит к уменьшению активного сопротивления индуктора, а с другой - к увеличению эквивалентного зазора Se между индуктором и проводником. Поэтому влияние числа слоев индуктора на эффективность преобразования энергии емкостного накопителя необходимо исследовать при различных значениях высоты h .
При расчете активных сопротивлений индукторов следует иметь в виду, что из-за эффектов близости и поверхностного ток неравномерно распределен по сечению проводников, а частота колебаний тока в процессе разряда изменяется за счет перемещения диска относительно индуктора. Кроме того, при разряде ЕНЭ на ИС имеет место переходный процесс, обусловленный постепенным проникновением ЭМП в проводники 23] показано, что при неизменной частоте тока величина ус-редненных активных сопротивлений вследствие переходного процесса снижается до 0,7 - - 0,85 от установившегося значения. В то же время, при торможении проводника в ИМП эквивалентная (суммарная) индуктивность первичной цепи уменьшается примерно в 2-Ї- 4 раза, а глубина проникновения соответственно в 1,1- - 1,4 раза, то есть во столько же раз возрастает активное сопротивление по сравнению с его величиной, определенной при исходном положении проводника в ИС на расстоянии S0 от поверхности индуктора. Из приведенных рассуждений следует, что уменьшение сопротивления в переходном процессе приблизительно компенсирует его увеличе-ниє за счет возрастания частоты колебаний тока разряда. В связи с этим, инженерных расчетах активное сопротивление индуктора и проводника можно определить из условия равномерного распределения плотности тока по эквивалентной глубине проникновения, соответствующей положению проводника на расстоянии S0 от поверхности индуктора. Указанные допущения не вносят существенных погрешностей и значительно облегчают расчет параметров схемы замещения ИС.
При S = 0,2 - 0,3 и 1/0 = 0,1 по мере роста р конечная скорость пр о-водника вначале падает, а затем возрастает, то есть имеется оптимальное значение Ропт = 2, при котором отношение 1Ґе / "Цэ минимально- Меньшее значение конечной скорости проводника при р = 2, чем при р = 1, получается в основном за счет уменьшения относительной массы (ом„ Goq) и , частично, за счет снижения активных потерь в ИС. Увеличение р 2 приводит к рассогласованию режима р-а-боты ЕНЭ с ИС из-за уменьшения частоты колебаний тока разряда, в результате чего эффективность торможения снижается.
