Циліндричний лінійний двигун. Еволюція у русі. Аналіз та вибір раціональних конструкцій циліндричного лінійного двигуна з магнітоелектричним збудженням рижків Олександр Вікторович Спеціальність 05.09 03 лінійні циліндричні електродвигуни

[email protected]

Юрій Скоромець

У звичних для нас двигунах внутрішнього згорянняпочаткова ланка-поршні, здійснюють зворотно-поступальний рух. Потім цей рух, за допомогою кривошипно-шатунного механізму перетворюється на обертальний. У деяких пристроях перша і остання ланка здійснюють один вид руху.

Наприклад, у двигун-генераторі немає необхідності спочатку зворотно-поступальний рух перетворювати на обертальний, а потім, у генераторі, з цього обертального руху витягувати прямолінійну складову, тобто робити два протилежні перетворення.

Сучасний розвиток електронної перетворювальної техніки дозволяє адаптувати для споживача вихідну напругу лінійного електрогенератора, це дає можливість створити пристрій, в якому частина замкнутого електричного контуру здійснює не обертальний рух у магнітному полі, а зворотно-поступальний разом із шатуном двигуна внутрішнього згоряння. Схеми, що пояснюють принцип роботи традиційного та лінійного генератора, наведено на рис. 1.

Мал. 1. Схема лінійного та звичайного електрогенератора.

У звичайному генераторі для отримання напруги використовується дротяна рамка, що обертається в магнітному полі і що приводиться в рух зовнішнім рушієм. У запропонованому генераторі дротяна рамка рухається лінійно в магнітному полі. Ця невелика і непринципова відмінність дає можливість значно спростити і здешевити рушій, якщо в якості використовується двигун внутрішнього згоряння.

Також, в поршневому компресорі, що рухається поршневим двигуном, вхідна і вихідна ланка здійснює зворотно-поступальний рух, рис. 2.

Мал. 2. Схема лінійного та звичайного компресора.

Переваги лінійного двигуна

1. Малі габарити та вага, через відсутність кривошипно-шатунного механізму.
   
2. Високе напрацювання на відмову, через відсутність кривошипно-шатунного механізму та через присутність лише поздовжніх навантажень.
   
3. Невисока ціна, через відсутність кривошипно-шатунного механізму.
   
4. Технологічність - виготовлення деталей необхідні лише нетрудомісткі операції, токарні і фрезерні.
   

Можливість переходу на інший вид палива без зупинки двигуна.


Управління запалюванням за допомогою тиску при стисканні робочої суміші.


У звичайного двигуна для подачі електричної напруги (струму) на свічку запалювання повинно виконуватись дві умови:


Перша умова визначається кінематикою кривошипно-шатунного механізму – поршень повинен перебувати у верхній мертвій точці (без урахування випередження запалення);


Друга умова визначається термодинамічний цикл - тиск в камері згоряння, перед робочим циклом, повинен відповідати паливу, що використовується.


Одночасно виконати дві умови дуже складно. При стисканні повітря або робочої суміші, відбувається витік газу, що стискається в камері згоряння через кільця поршня та ін. Чим повільніше відбувається стиск (повільніше обертається вал двигуна), тим витік вище. При цьому тиск у камері згоряння, перед робочим циклом, стає менше оптимального і робочий цикл відбувається за неоптимальних умов. Коефіцієнт корисної дії двигуна падає. Тобто забезпечити високий коефіцієнт корисної дії двигуна можна лише у вузькому діапазоні швидкостей обертання вихідного валу.


Тому, наприклад, коефіцієнт корисної дії двигуна на стенді становить приблизно 40%, а в реальних умовах, на автомобілі, за різних режимів руху, ця величина падає до 10...12%.


У лінійному двигуні немає кривошипно-шатунного механізму, тому не треба виконувати першу умову, не має значення де знаходиться поршень перед робочим циклом, має значення тільки тиск газу в камері згоряння перед робочим циклом. Тому, якщо подачею електричної напруги (струму) на свічку запалювання керуватиме не положення поршня, а тиск у камері згоряння, то робочий цикл (запалювання) завжди буде починатися при оптимальному тиску, незалежно від частоти роботи двигуна, рис. 3.





Мал. 3. Управління запалюванням за допомогою тиску в циліндрі, у циклі «стиск».


Таким чином, у будь-якому режимі роботи лінійного двигуна, ми матимемо максимальну площу петлі термодинамічного циклу Карно, відповідно, і високий коефіцієнт корисної дії при різних режимах роботи двигуна.


Управління запалюванням за допомогою тиску в камері згоряння також дає можливість «безболісно» переходити на інші види палива. Наприклад, при переході з високооктанового виду палива на низькооктановий вигляд, в лінійному двигуні, треба тільки дати команду системі запалювання, щоб подача електричної напруги (струму) на свічку запалювання відбувалася при нижчому тиску. У звичайному двигуні для цього необхідно було змінювати геометричні розміри поршня або циліндра.


Реалізувати керування запаленням тиском у циліндрі можна за допомогою


п'єзоелектричного або ємнісного методу вимірювання тиску


Датчик тиску виконаний у вигляді шайби, що поміщена під гайку шпильки кріплення головки циліндра, рис. 3. Сила тиску газу в камері стиснення діє на датчик тиску, який знаходиться під гайкою кріплення головки циліндра. І інформація про тиск у камерестискання, передається на блок управління моментом запалювання. При тиску в камері, який відповідає тиску запалювання даного палива, система запалювання подає електричну напругу (струм) на свічку запалювання. При різкому збільшенні тиску, що відповідає початку робочого циклу, система запалювання знімає електричну напругу зі свічки запалювання. За відсутності збільшення тиску через заданий час, що відповідає відсутності початку робочого циклу, система запалювання подає керуючий сигнал пуску двигуна. Також вихідний сигнал датчика тиску в циліндрі використовується для визначення частоти роботи двигуна та його діагностики (визначення компресії та ін.).


Сила стискання прямо пропорційна тиску в камері згоряння. Після того, як тиск, у кожному з протилежних циліндрів, стане не менше заданого (залежить від виду палива, що використовується), система управління подає команду для запалювання горючої суміші. За потреби перейти на інший вид палива, змінюється величина заданого (опорного) тиску.


Також регулювання моменту запалювання горючої суміші може здійснюватися в автоматичному режиміяк у звичайному двигуні. На циліндрі розміщено мікрофон – датчик детонації. Мікрофон перетворює механічні звукові коливання корпусу циліндра електричний сигнал. Цифровий фільтр, з цього набору суми синусоїд електричної напруги, отримує гармоніку (синусоїду), що відповідає режиму детонації. При появі на виході фільтра сигналу відповідному появі детонації двигуна, система управління знижує величину опорного сигналу, який відповідає тиску запалювання горючої суміші. За відсутності сигналу відповідного детонації, система керування, через деякий час збільшує величину опорного сигналу, який відповідає тиску запалювання горючої суміші, до появи попередніх частот детонації. Знову, при появі частот, що передують детонації, система знижує опорний сигнал, що відповідає зниженню тиску запалювання до бездетонационного запалювання. Таким чином, система запалювання підлаштовується під вид палива, що використовується.


Принцип роботи лінійного двигуна


Принцип роботи лінійного, як і звичайного двигуна внутрішнього згоряння, заснований на ефект теплового розширення газів, що виникає при згорянні паливно-повітряної суміші і забезпечує переміщення поршня в циліндрі. Шатун передає прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня лінійному електрогенератору, або поршневому компресору.


Лінійний генератор, рис. 4 складається з двох поршневих пар, що працюють в протифазі, що дає можливість збалансувати двигун. Кожна пара поршнів з'єднана шатуном. Шатун підвішений на лінійних підшипниках і може вільно коливатися разом із поршнями в корпусі генератора. Поршні поміщені у циліндри двигуна внутрішнього згоряння. Продування циліндрів здійснюється через продувні вікна, під дією невеликого надлишкового тиску, створюваного в передпускній камері. На шатуні розташована рухома частина магнітопроводу генератора. Обмотка збудження створює магнітний потік, необхідний для генерації електричного струму. При зворотно-поступальному русі шатуна, а разом з ним і частини магнітопроводу лінії магнітної індукції, створюваної обмоткою збудження, перетинають нерухому силову обмотку генератора, індукуючи в ній електричну напругу і струм (при замкнутому електричному ланцюгу).





Мал. 4. Лінійний бензогенератор.


Лінійний компресор, рис. 5 складається з двох поршневих пар, що працюють в протифазі, що дає можливість збалансувати двигун. Кожна пара поршнів з'єднана шатуном. Шатун підвішений на лінійних підшипниках і може вільно коливатися разом із поршнями у корпусі. Поршні поміщені у циліндри двигуна внутрішнього згоряння. Продування циліндрів здійснюється через продувні вікна, під дією невеликого надлишкового тиску, створюваного в передпускній камері. При зворотно-поступальному русі шатуна, а разом з ним і поршнів компресора, повітря під тиском подається в ресивер компресора.




Мал. 5. Лінійний компресор.


Робочий цикл у двигуні здійснюється за два такти.


5. Такт стиснення. Поршень переміщається від нижньої мертвої точки поршня до верхньої мертвої точки поршня, спочатку перекриваючи продувні вікна. Після закриття поршнем продувних вікон, відбувається впорскування палива і в циліндрі починається стиск горючої суміші. У передпускній камері під поршнем створюється розрядження, під дією якого через клапан надходить повітря в передпускну камеру.
   

   2. Такт робочого ходу. При положенні поршня біля верхньої мертвої точки, стисла робоча суміш займається електричною іскрою від свічки, внаслідок чого температура та тиск газів різко зростають. Під дією теплового розширення газів поршень переміщається до нижньої мертвої точки, при цьому гази, що розширюються, здійснюють корисну роботу. Одночасно поршень створює високий тиск у передпускній камері. Під дією тиску клапан закривається, не даючи, таким чином, повітрі потрапити у впускний колектор.
   

   Система вентиляції
   

   При робочому ході у циліндрі, рис. 6 робочий хід, поршень під впливом тиску в камері згоряння, рухається в напрямку зазначеному стрілкою. Під дією надлишкового тиску в передпускній камері клапан закритий, і тут відбувається стиск повітря для вентиляції циліндра. При досягненні поршнем (компресійними кільцями) продувних вікон, рис. 6 вентиляція, тиск у камері згоряння різко падає, і далі поршень з шатуном рухається по інерції, тобто маса рухомої частини генератора грає роль маховика у звичайному двигуні. При цьому повністю відкриваються продувні вікна і стиснене у передвпускній камері повітря, під дією різниці тисків (тиск у передпускній камері та атмосферний тиск), продує циліндр. Далі, при робочому циклі в протилежному циліндрі здійснюється цикл стиснення.
   

   При русі поршня в режимі стиснення, рис. 6 стиск, поршнем закриваються продувні вікна, здійснюється упорскування рідкого палива, в цей момент повітря в камері згоряння знаходиться під невеликим надлишковим тиском початку циклу стиснення. При подальшому стисканні, як тільки тиск палива, що стискається, стане рівним опорному (заданому для даного виду палива), на електроди свічки запалювання буде подана електрична напруга, відбудеться запалення суміші, почнеться робочий цикл і процес повториться. У цьому двигун внутрішнього згоряння є лише два співвісних і протилежно розміщених циліндра і поршня, пов'язаних між собою механічно.
   

   
   

   Мал. 6. Система вентиляції лінійного двигуна.
   

   Паливний насос
   

   Привід паливного насоса лінійного електрогенератора є кулачковою поверхнею, затиснутою між роликом поршня насоса і роликом корпусу насоса, рис. 7. Кулачкова поверхня здійснює зворотно поступальний рух разом з шатуном двигуна внутрішнього згоряння, і розсуває ролики поршня і насоса при кожному такті, при цьому поршень насоса рухається щодо циліндра насоса і відбувається виштовхування порції палива до форсунки впорскування палива, на початку циклу стиснення. При необхідності змінити кількість палива, що виштовхується за один такт, здійснюється поворот кулачкової поверхні щодо поздовжньої осі. При повороті кулачкової поверхні щодо поздовжньої осі, ролики поршня насоса та ролики корпусу насоса, будуть розсуватися або зрушуватись (залежно від напрямку обертання) на різну відстань, зміниться хід поршня паливного насоса та зміниться порція палива, що виштовхується. Поворот поворотно-поступально кулачка, що рухається навколо своєї осі, здійснюється за допомогою нерухомого валу, який заходить в зачеплення з кулачком за допомогою лінійного підшипника. Таким чином, кулачок рухається зворотно-поступально, а вал залишається нерухомим. При повороті валу навколо своєї осі здійснюється поворот кулачкової поверхні навколо своєї осі і хід паливного насоса змінюється. Суміння порції упорскування палива, наводиться в рух кроковим двигуномчи вручну.
   

   
   

   Мал. 7. Паливний насос лінійного електрогенератора.
   

   Привід паливного насоса лінійного компресора, є також кулачковою поверхнею, затиснутою між площиною поршня насоса і площиною корпусу насоса, рис. 8. Кулачкова поверхня здійснює зворотно-обертальний рух разом з валом шестерні синхронізації двигуна внутрішнього згоряння, і розсуває площини поршня і насоса при кожному такті, при цьому поршень насоса рухається щодо циліндра насоса і відбувається виштовхування порції палива до форсунки впорскування палива, . При роботі лінійного компресора немає необхідності змінювати кількість палива, що виштовхується. Робота лінійного компресора мається на увазі лише в парі з ресивером - накопичувачем енергії, який може згладжувати піки максимального навантаження. Тому доцільно виводити двигун лінійного компресора лише на два режими: режим оптимального навантаження та режим холостого ходу. Перемикання між цими двома режимами здійснюється за допомогою електромагнітних клапанів, Системою управління.
   

   
   

   Мал. 8. Паливний насос лінійного компресора.
   

   Система пуску
   

   Система пуску лінійного двигуна здійснюється, як і у звичайного двигуна, за допомогою електроприводу та накопичувача енергії. Пуск звичайного двигуна відбувається за допомогою стартера (електроприводу) та маховика (накопичувача енергії). Пуск лінійного двигуна здійснюється за допомогою лінійного електрокомпресора та пускового ресивера, рис. 9.
   

   
   

   Мал. 9. Система запуску.
   

   При пуску поршень пускового компресора при подачі живлення поступово рухається за рахунок електромагнітного поля обмотки, а потім пружиною повертається у вихідний стан. Після накачування ресивера до 8-12 атмосфер, живлення знімається з клем пускового компресора і двигун готовий до запуску. Пуск відбувається шляхом подачі стисненого повітря передвпускні камери лінійного двигуна. Подача повітря здійснюється за допомогою електромагнітних клапанів, роботою яких керує система керування.
   

   Так як система управління не має інформації, в якому положенні знаходяться шатуни двигуна перед пуском, то подачею високого тиску повітря в передпускні камери, наприклад, крайніх циліндрів, поршні гарантовано пересуваються у вихідний стан перед запуском двигуна.
   

   Потім проводиться подача високого тиску повітря в передпускні камери середніх циліндрів, таким чином проводиться вентиляція циліндрів перед запуском.
   

   Після цього проводиться подача високого тиску повітря знову до передпускних камер крайніх циліндрів, для запуску двигуна. Як тільки почнеться робочий цикл (датчик тиску покаже високий тиск у камері згоряння, що відповідає робочому циклу), система управління за допомогою електромагнітних клапанів припинить подачу повітря від пускового ресивера.
   

   Система синхронізації
   

   Синхронізація роботи шатуновлінійного двигуна здійснюється за допомогою синхронізуючої шестерні та пари зубчастих рейок, рис. 10, прикріплених до рухомої частини магнітопроводу генератора або поршнів компресора.Зубчаста шестерня одночасно є приводом масляного насоса, за допомогою якого здійснюється примусове мастило вузлів тертьових деталей лінійного двигуна.
   

   
   

   Мал. 10. Синхронізація роботи шатунів електрогенератора.
   

   Зменшення маси магнітопроводу та схеми включення обмоток електрогенератора.
   

   Генератор лінійного бензогенератора є синхронною електричною машиною. У звичайному генераторі ротор здійснює обертальний рух і маса рухомої частини магнітопроводу не є критичною. У лінійному генераторі рухома частина магнітопроводу здійснює зворотно-поступальний рух разом з шатуном двигуна внутрішнього згоряння, і висока маса рухомої частини магнітопроводу робить роботу генератора неможливою. Необхідно знайти спосіб зменшення маси рухомої частини магнітопроводу генератора.
   

   
   

   Мал. 11. Генератор.
   

   Для зменшення маси рухомої частини магнітопроводу необхідно зменшити його геометричні розміри, відповідно зменшиться об'єм і маса, але тоді магнітний потік перетинає тільки обмотку в одній парі вікон замість п'яти, це рівнозначно, що магнітний потік перетинає провідник у п'ять разів коротше, відповідно , і вихідна напруга (потужність) зменшиться в 5 разів.
   

   Для компенсації зменшення напруги генератора необхідно додати кількість витків в одному вікні, таким чином, щоб довжина провідника силової обмотки стала такою, як і в початковому варіанті генератора, рис 11.
   

   Але щоб більше витків лягло у вікні з незмінними геометричними розміраминеобхідно зменшити поперечний перерізпровідника.
   

   При незмінному навантаженні та вихідній напрузі, теплове навантаження, для такого провідника, у цьому випадку збільшиться, і стане більш оптимальним (струм залишився таким самим, а поперечний переріз провідника зменшився майже в 5 разів). Це було б у тому випадку, якщо обмотки вікон з'єднані послідовно, тобто коли струм навантаження протікає через усі обмотки одночасно, як у звичайному генераторі. обмотка за такий короткий проміжок часу не встигне перегрітися, оскільки теплові процеси інерційні. Тобто необхідно поперемінно підключати до навантаження тільки ту частину обмотки генератора (пару полюсів), яку перетинає магнітний потік, решта часу вона повинна остигати. Таким чином, навантаження постійно включено послідовно тільки з однією обмоткою генератора.
   

   При цьому значення струму, що протікає через обмотку генератора, не перевищить оптимальної величини, з точки зору нагріву провідника. Таким чином, можна значно більш ніж в 10 разів знизити масу не тільки рухомої частини магнітопроводу генератора, а і масу нерухомої частини магнітопроводу.
   

   Комутація обмоток здійснюється за допомогою електронних ключів.
   

   Як ключі, для поперемінного підключення обмоток генератора до навантаження, використовуються напівпровідникові прилади – тиристори (симістори).
   

   Лінійний генератор це розгорнутий звичайний генератор, рис. 11.
   

   Наприклад, при частоті відповідної 3000 цикл/хв і ході шатуна 6 см, кожна обмотка нагріватиметься протягом 0.00083 сек, струмом в 12 разів перевищує номінальний, решта часу - майже 0,01 сек, ця обмотка охолоджуватиметься. При зменшенні робочої частоти час нагріву буде збільшуватися, але, відповідно, зменшуватиметься струм, який тече через обмотку і через навантаження.
   

   Симистор – це вимикач (може замикати або розмикати електричний ланцюг). Замикання та розмикання відбувається автоматично. При роботі, як тільки магнітний потік почне перетинати витки обмотки, то на кінцях обмотки з'являється індукована електрична напруга, це призводить до замикання електричного кола (відкриття симистора). Потім, коли магнітний потік перетинає витки наступної обмотки, то падіння напруги на електродах симістора призводить до розмикання електричного ланцюга. Таким чином, у кожний момент часу навантаження весь час включено, послідовно, тільки з однією обмоткою генератора.
   

   На рис. 12 показаний складальний креслення генератора без обмотки збудження.
   

   Більшість деталей лінійних двигунів утворені поверхнею обертання, тобто мають циліндричні форми. Це дає можливість виготовляти їх за допомогою найдешевших і піддаються автоматизації токарних операцій.
   

   
   

   Мал. 12. Складальний креслення генератора.
   

   Математична модельлінійного двигуна
   

   Математична модель лінійного генератора будується на основі закону збереження енергії та законів Ньютона: у кожний момент часу, при t 0 і t 1 повинна забезпечуватися рівність сил діють на поршень. Через мінімальний проміжок часу, під впливом результуючої сили, поршень переміститься на деяку відстань. У цьому короткому ділянці приймаємо, що поршень рухався рівноприскорено. Значення всіх сил зміняться відповідно до законів фізики та обчислюються за відомими формулами
   

   Усі дані автоматично заносяться до таблиці, наприклад, у програмі Excel. Після цього t 0 присвоюються значення t 1 цикл повторюється. Тобто ми робимо операцію логарифмування.
   

   Математична модель є таблицею, наприклад, у програмі Excel, і складальний креслення (ескіз) генератора. На ескізі проставлені не лінійні розміри, а координати осередків таблиці Excel. У таблицю вносяться відповідні передбачувані лінійні розміри, і програма обчислює та будує графік руху поршня у віртуальному генераторі. Тобто, підставивши розміри: діаметр поршня, обсяг передвпускної камери, хід поршнів до продувних вікон і т. д., ми отримаємо графіки залежності пройденої відстані, швидкості та прискорення руху поршня від часу. Це дає можливість віртуально прорахувати сотні варіантів і вибрати найоптимальніший.
   

   Форма обмотувальних проводів генератора.
   

   Шар дротів одного вікна лінійного генератора, на відміну від звичайного генератора, лежить в одній закрученій по спіралі площині, тому обмотку простіше намотувати проводами не круглого перерізу, а прямокутного, тобто обмотка є закрученою по спіралі мідною пластиною. Це дозволяє підвищити коефіцієнт заповнення вікна, а також значно збільшити механічну міцність обмоток. Слід враховувати, що швидкість шатуна, отже і рухомий частини магнитопровода, не однакова. Це означає, що лінії магнітної індукції перетинають обмотку різних вікон із різними швидкостями. Для повного використанняобмотувальні проводи, кількість витків кожного вікна, повинна відповідати швидкості магнітного потоку біля цього вікна (швидкості шатуна). Кількість витків обмоток кожного вікна вибирається з урахуванням залежності швидкості шатуна від відстані, пройденого шатуном.
   

   Також для більш рівномірної напруги генерованого струму можна намотувати обмотку кожного вікна мідною пластиноюрізної товщини. На ділянці, де швидкість шатуна не велика, намотування здійснюється пластиною меншої товщини. У вікно поміститься більша кількість витків обмотки і, при меншій швидкості шатуна на цій ділянці, генератор видаватиме напругу порівнянну з напругою струму на більш «швидкісних» ділянках, хоча генерований струм буде значно нижчим.
   

   Використання лінійного електрогенератора.
   

   Основне застосування описаного генератора - джерело безперебійного живлення на підприємствах невеликої потужності, що дозволяє підключеному обладнанню тривалий час працювати при зникненні напруги мережі, або при виході його параметрів за допустимі норми.
   

   Електрогенератори можуть застосовуватися для забезпечення електричною енергією промислового та побутового електрообладнання, у місцях відсутності електричних мереж, а також як силового агрегатудля траспортного засобу (гібридний автомобіль), в якості мобільного генератора електричної енергії.
   

   Наприклад, генератор електричної енергії у вигляді дипломата (валізи, сумки). Користувач бере з собою в місця, де немає електричних мереж (будівництво, похід, заміський будинок, і т.д.) При необхідності, натиснувши на кнопку «пуск», генератор запускається і живить електричною енергією електричні прилади, що підключені до нього: електроінструмент, побутові прилади. Це звичайне джерело електричної енергії, тільки набагато дешевше та легше аналогів.
   

   Застосування лінійних двигунів дає можливість створити недорогий, простий в експлуатації та керуванні легкий автомобіль.
   

   Транспортний засіб з лінійним електрогенератором
   

   Транспортний засіб з лінійним електрогенератором є двомісний легкий (250 кг) автомобіль, рис. 13.
   

   
   

   Рис.13. Автомобіль з лінійним бензогенератором.
   

   При керуванні не потрібно перемикати швидкість (дві педалі). За рахунок того, що генератор може розвивати максимальну потужність, навіть при «торканні» з місця (на відміну від звичайного автомобіля), то розгінні характеристики, навіть при невеликих потужностях тягового двигуна, мають кращі показники, ніж аналогічні характеристики звичайних автомобілів. Ефект посилення керма та системи ABSдосягається програмно, так як все необхідне «залізо» вже є (привід на кожне колесо дозволяє управляти крутним або гальмівним моментом колеса, наприклад, при повороті керма перерозподіляється крутний момент між правим і лівим колесом, що управляє, і колеса повертаються самі, водій тільки дозволяє їм повертатися , тобто керування без зусиль). Блокове компонування дозволяє компонувати автомобіль за бажанням споживача (можна легко за кілька хвилин замінити генератор на потужніший).
   

   Це звичайний автомобільтільки набагато дешевше та легше аналогів.
   

   Особливості-простота керування, дешевизна, швидкий набір швидкості, потужність до 12 кВт, привід на всі колеса (автомобіль підвищеної прохідності).
   

   Транспортний засіб із запропонованим генератором, через специфічну форму генератора, має дуже низький центр тяжіння, тому матиме високу стійкість під час руху.
   

   Також такий транспортний засіб матиме дуже високі характеристики розгону. У запропонованому транспортному засобі може використовуватися максимальна потужність силового агрегату при діапазоні швидкостей.
   

   Розподілена маса силового агрегату не навантажує кузов автомобіля, тому його можна зробити дешевим, легким та простим.
   

   Тяговий двигун транспортного засобу, в якому як силовий агрегат використовується лінійний електрогенератор, повинен задовольняти такі умови:
   

   Силові обмотки двигуна повинні безпосередньо, без перетворювача, підключатися до клем генератора (для збільшення коефіцієнта корисної дії електричної трансмісії та зменшення ціни перетворювача струму);
   

   Швидкість обертання вихідного валу електродвигуна повинна регулюватися в широкому діапазоні і не повинна залежати від частоти роботи електрогенератора;
   

   Двигун повинен мати високий напрацювання на відмову, тобто бути надійним у роботі (не мати колектора);
   

   Двигун має бути недорогим (простим);
   

   Двигун повинен мати високий момент, що крутить, при низькій частоті обертання вихідного валу;
   

   Двигун повинен мати невелику масу.
   

   Схема включення обмоток такого двигуна показано на рис. 14. Шляхом зміни полярності живлення обмотки ротора отримуємо момент ротора, що крутить.
   

   Також шляхом зміни величини та полярності живлення обмотки ротора вводиться ковзання обертання ротора щодо магнітного поля статора. Управлінням струму живлення обмотки ротора відбувається управління ковзанням, в діапазоні від 0 ... 100%. Потужність живлення обмотки ротора становить приблизно 5% від потужності двигуна, тому перетворювач струму треба робити не для всього струму тягових двигунів, а тільки для їх струму збудження. Потужність перетворювача струму, наприклад, для бортового електрогенератора 12 кВт становить всього 600 Вт, причому ця потужність розділена на чотири канали (для кожного тягового двигуна колеса свій канал), тобто потужність кожного каналу перетворювача становить 150 Вт. Тому невисокий коефіцієнт корисної дії перетворювача не вплине на ККД системи. Перетворювач може бути побудований за допомогою малопотужних, дешевих напівпровідникових елементів.
   

   Струм із висновків електрогенератора без будь-яких перетворень подається на силові обмотки тягових електродвигунів. Перетворюється тільки струм збудження, таким чином, щоб він завжди знаходився у протифазі зі струмом силових обмоток. Так як струм збудження складає всього 5 ... 6% від всього струму, споживаного тяговим електродвигуном, то перетворювач необхідний потужність 5 ... 6% від всієї потужності генератора, що значно знизить ціну і вагу перетворювача і підвищить коефіцієнт корисної дії системи. В цьому випадку, перетворювачі струму збудження тягових двигунів необхідно «знати», в якому положенні знаходиться вал двигуна, щоб у кожен момент часу на обмотки збудження подавати струм для створення максимального моменту, що крутить. Датчиком положення вихідного валу тягового двигуна є абсолютний енкодер.
   

   
   

   Рис.14. Схема увімкнення обмоток тягового двигуна.
   

   Застосування лінійного електрогенератора, як силовий агрегат транспортного засобу дозволяє створити автомобіль блокової компонування. При необхідності можна за кілька хвилин поміняти великі вузли та агрегати, рис. 15, а також застосувати кузов з найкращим обтіканням, так як у малопотужного автомобіля немає резерву потужності для подолання опору повітря через недосконалість аеродинамічних форм (через високий коефіцієнт опору).
   

   
   

   Рис.15. Можливість блокового компонування.
   

   Транспортний засіб з лінійним компресором
   

   Транспортний засіб з лінійним компресором є двомісний легкий (200 кг) автомобіль, рис. 16. Це більш простий та дешевий аналог автомобіля з лінійним генератором, але з нижчим ККД трансмісії.
   

   
   

   Рис.16. Пневмопривід автомобіля.
   

   
   

   Рис.17. Управління приводами коліс.
   

   Як датчик швидкості обертання колеса використовується інкрементальний енкодер. Інкрементальний енкодер мають імпульсний вихід, при повороті на певний кут на виході генерується імпульс напруги. Електронна схема датчика, «підраховує» кількість імпульсів за одиницю часу, і записує цей код у вихідний регістр. При «подачі» системою керування коду (адреси) даного датчика, електронна схемаенкодера, у послідовному вигляді видає код з вихідного регістру, на інформаційний провідник. Система керування зчитує код датчика (інформацію про швидкість обертання колеса) і за заданим алгоритмом виробляє код для керування кроковим двигуном виконавчого механізму.
   

   Висновок
   

   Вартість транспортного засобу для більшості людей становить 20…50 місячних заробітків. Люди не можуть собі дозволити придбати новий автомобільза 8...12 тис $, а на ринку немає автомобіля в ціновому діапазоні 1...2 тис $. Використання лінійного електрогенератора або компресора, як силовий агрегат автомобіля, дозволяє створити просте в експлуатації, і недорогий транспортний засіб.
   

   Сучасні технології виробництва друкованих плат, і асортимент електронної продукції, що випускається, дозволяє зробити майже всі електричні з'єднання за допомогою двох проводів – силового та інформаційного. Тобто не проводити монтаж з'єднання кожного окремого електричного приладу: датчиків, виконавчих та сигнальних пристроїв, а приєднати кожен прилад до загального силового та загального інформаційного проводу. Система управління, по черзі, виводить коди (адреси) приладів, у послідовному коді, на інформаційний провід, після чого чекає інформацію про стан приладу, теж у послідовному коді, і по цій лінії. На підставі цих сигналів система управління формує коди управління для виконавчих та сигнальних пристроїв і передає їх для перекладу виконавчих або сигнальних пристроїв в новий стан (при необхідності). Таким чином, при монтажі або ремонті кожен пристрій необхідно з'єднати з двома проводами (ці два дроти є спільними для всіх бортових електроприладів) та електричною масою.
   

   Для зниження собівартості, а відповідно і ціни продукції для споживача,
   

   необхідно спростити монтаж та електричні з'єднання бортових приладів. Наприклад, при традиційному монтажі, для включення заднього габаритного вогню, необхідно замкнути, за допомогою вимикача, електричний ланцюг живлення освітлювального приладу. Ланцюг складається з: джерела електричної енергії, з'єднувального дроту, порівняно потужного вимикача, електричного навантаження. Кожен елемент ланцюга, крім джерела живлення, потребує індивідуального монтажу, недорогий механічний вимикач, має низьку кількість циклів включення-вимикання. При великій кількості бортових електроприладів, ціна монтажу та сполучних проводів зростає пропорційно до кількості пристроїв, підвищується ймовірність помилки через людський фактор. При великосерійному виробництві простіше управлінняприладами та зчитування інформації з датчиків зробити по одній лінії, а не по індивідуальній, для кожного приладу. Наприклад, для включення заднього габаритного вогню, в цьому випадку, необхідно доторкнутися сенсорного датчика дотику, схема управління сформує код управління для включення заднього габаритного вогню. На інформаційний провід буде виведено адресу пристрою включення заднього габаритного вогню та сигнал на включення, після чого замкнеться внутрішній ланцюг живлення заднього габаритного вогню. Тобто електричні ланцюги формуються комплексно: автоматично при виробництві друкованих плат (наприклад, при монтажі плат на SMD лініях), та шляхом електричного з'єднання всіх приладів із двома загальними проводами та електричною масою.
   

   Список літератури
   

   1. Довідник з фізики: Кухлінг Х. Пер. з ним. 2-ге вид. - М.: Світ, 1985. - 520 с., Іл.
   2. Газова турбіна на залізничному транспорті. Бартош Е. Т. Вид-во «Транспорт», 1972, стор 1-144.
   3. Креслення - Хаскін А. М. 4 - е вид., Перрераб. І дод. –.: Вищашк. Головне вид - в, 1985. - 447 с.
   4. Симистори та їх застосування в побутовій електроапаратурі, Ю. А. Євсєєв, С. С. Крилов. 1990.
   5. Щомісячний рекламно-інформаційний журнал «Електротехнічний ринок» №5(23) вересень-жовтень 2008 року.
   6. Проектування автотракторних двигунів Р. А. Зейнетдінов, Дьяков І. Ф., С. В. Яригін. Навчальний посібник. Ульяновськ: УлГТУ, 2004. - 168 с.
   7. Основи перетворювальної техніки: навчальний посібник для вузів/О. З. Попков. 2-ге вид., стереот. - М.: Видавничий дім МЕІ, 2007. 200 с.: Іл.
   8. Основи промислової електроніки: Підручник для неелектротехнічних. спец. вузів/В.Г. Герасимов, Про М. Князьков, А Є. Краснопільський, В.В. Сухоруков; за ред. В.Г. Герасимова. - 3-тє вид., Перероб. та дод. - М.: Вищ. шк., 2006. - 336 с., іл.
   9. Двигун внутрішнього згорання. Теорія та розрахунок робочих процесів. 4-те вид., переробок, і доповн. За загальною редакцією А.С. Орліна та М.Г. Круглова. М: Машинобудування. 1984.
   10. Електротехніка та електроніка в 3-х кн. За ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Електромагнітні пристрої та електричні машини. - М.: Вища шк. - 2007 р.
   11. Теоретичні засади електротехніки. Учеб.для вузів. У трьох т. під общ.ред. К.М.Поліванова. Т.1. К.М.Поліванов. Лінійні електричні ланцюги із зосередженими постійними. М.: Енергія, 1972. -240с.

Лінійні двигуни стали широко відомі як високоточна та енергоефективна альтернатива звичайним приводам, що перетворюють обертальний рух на поступальний. За рахунок чого це стало можливим?

Отже, давайте звернемо увагу на кулько-гвинтову пару, яка в свою чергу може вважатися високоточною системою перетворення обертального руху на поступальне. Зазвичай ККД ШВП становить близько 90%. При обліку ККД серводвигуна (75-80%), втрат у муфті чи ремінної передачі, у редукторі (у разі його використання) виходить, що лише близько 55% потужності витрачається безпосередньо на здійснення корисної роботи. Таким чином, нескладно здогадатися, чому лінійний двигун, який безпосередньо передає об'єкту поступальний рух, ефективніший.

Зазвичай найпростішим поясненням його конструкції є аналогія з звичайним двигуномобертального руху, який розрізали за твірною і розгорнули на площині. Насправді саме такою і була конструкція перших лінійних двигунів. Плоский лінійний двигун із сердечником першим вийшов на ринок і зайняв свою нішу як потужна та ефективна альтернатива іншим приводним системам. Незважаючи на те, що загалом їх конструкція виявилася недостатньо ефективною через значні втрати на вихрові струми, недостатню плавність тощо, вони все одно вигідно відрізнялися з точки зору ККД. Хоча перераховані вище недоліки несприятливо позначалися на високоточній «натурі» лінійного двигуна.

U-подібний лінійний двигун, конструктивно виконаний без сердечника, розроблений з метою усунення недоліків класичного плоского лінійного двигуна. З одного боку, це дозволило вирішити низку проблем, таких як втрати на вихрові струми в сердечнику та недостатню плавність переміщення, але з іншого — привнесло кілька нових аспектів, що обмежують його використання в областях, що потребують ультрапрецизійних переміщень. Це значне зниження жорсткості двигуна та ще більші проблеми з тепловиділенням.

Для ринку ультрапрецизійного обладнання лінійні двигуни були як послання з небес, несучи у собі обіцянки нескінченно точного позиціонування та високого ККД. Однак сувора реальність проявила себе, коли тепло, що виділяється внаслідок недостатньої ефективності конструкції в обмотках та сердечнику, безпосередньо передавалося до робочої зони. У той час, як дедалі більше розширювалася сфера використання ЛД, термічні явища, що супроводжують значне тепловиділення, зробили позиціонування з субмікронними точностями дуже складним, щоб не сказати неможливим.

Для підвищення ККД, ефективності лінійного двигуна необхідно було повернутися до його конструктивних основ, і через максимально можливу оптимізацію всіх їх аспектів отримати найбільш енергоефективну приводну систему з максимально можливою жорсткістю.

Фундаментальна взаємодія, що лежить в основі конструкції лінійного двигуна, - це прояв Закону Ампера - наявність сили, що впливає на провідник зі струмом в магнітному полі.

Наслідком із рівняння для сили Ампера є те, що максимальне зусилля, що розвивається двигуном, дорівнює добутку сили струму в обмотках на вектор добутку магнітної магнітної індукції поля на вектор довжини проводу в обмотках. Як правило, для підвищення ККД лінійного двигуна необхідно зменшувати силу струму в обмотках (бо втрати на нагрівання провідника прямо пропорційні квадрату сили струму в ньому). Зробити це при постійній величині вихідного зусилля приводу можна лише при збільшенні інших складових, що входять до рівняння Ампера. Саме так і вчинили розробники Циліндричного Лінійного Двигуна (ЦЛД) разом із деякими виробниками ультрапрецизійного обладнання. Фактично в ході останнього дослідження в Університеті Вірджинії (UVA) було встановлено, що ЦЛД споживає на 50% менше енергії для здійснення тієї ж роботи, за тих самих вихідних характеристик, що й аналогічний U-подібний лінійний двигун. Щоб зрозуміти, яким чином досягнуто настільки значне підвищення ефективності роботи, окремо зупинимося на кожній складовій вищезгаданого рівняння Ампера.

Векторний твір B×L.Використовуючи, наприклад, правило лівої руки нескладно зрозуміти, що для здійснення лінійного переміщення оптимальний кут між напрямком струму у провіднику та вектором магнітної індукції становить 90°. Зазвичай у лінійного двигуна струм 30-80% довжини обмоток протікає під прямим кутом до вектора індукції поля. Решта обмоток, по суті, виконує допоміжну функцію, при цьому в ній виникають втрати на опір і навіть можуть з'являтися сили, протилежні напрямку переміщення. Конструкція ЦЛД така, що 100% довжини проводу в обмотках знаходиться під оптимальним кутом в 90°, а всі зусилля, що виникають, спрямовані з вектором переміщення.

Довжина провідника зі струмом (L).При заданні цього параметра виникає своєрідна дилема. Надто велика довжина призведе до додаткових втрат у зв'язку зі збільшенням опору. У ЦЛД дотримано оптимальний баланс між довжиною провідника та втратами у зв'язку з приростом опору. Наприклад, у ЦЛД, тестованому в Університеті Вірджинії довжина дроту в обмотках була в 1,5 рази більша, ніж у його U-подібному аналогу.

Вектор магнітного поля індукції (B).При тому, що в більшості лінійних двигунів здійснюється перенаправлення магнітного потоку за допомогою металевого сердечника, ЦЛД використовується запатентоване конструктивне рішення: сила магнітного поля природно збільшується завдяки відштовхуванню однойменних магнітних полів.

Величина сили, яку можна розвинути за даної структури магнітного поля, є функція щільності потоку магнітної індукції в проміжку між рухомим і нерухомим елементами. Так як магнітний опір повітря приблизно в 1000 разів більше, ніж у сталі та прямо пропорційно величині зазору, його мінімізація зменшить і магніторушійну силу, необхідну для створення поля необхідної сили. Магніторушійна сила у свою чергу прямо пропорційна силі струму в обмотках, тому при зменшенні її необхідної величини, можна зменшити і величину струму, що дозволить знизити втрати на опір.

Як бачимо, кожен конструктивний аспект ЦЛД було продумано з максимально можливого збільшення ефективності його роботи. Але наскільки це корисно з практичного погляду? Давайте звернемо увагу на два аспекти: тепловиділенняі вартість експлуатації.

Усі лінійні двигуни нагріваються через втрати в обмотках. Тепло, що виділилося, повинно кудись відводитися. І перший побічний ефект тепловиділення це супутні процеси термічного розширення, наприклад елемента, в якому закріплені обмотки. Крім того, відбувається додатковий нагрівання танкеток напрямних, мастила, датчиків, що знаходяться в зоні роботи приводу. З часом циклічні процеси нагрівання та охолодження можуть негативно впливати і на механічні та на електронні компоненти системи. Теплове розширення також призводить до збільшення тертя у напрямних тощо. У тому ж дослідженні, проведеному в UVA, було встановлено, що ЦЛД передавав на змонтовану на ньому плиту приблизно на 33% менше тепла, ніж аналог.

При меншому споживанні енергії знижується вартість експлуатації системи загалом. У середньому США 1 кВч коштує 12,17 центів. Таким чином, середньорічна вартість експлуатації U-подібного лінійного двигуна становитиме $540,91, а ЦЛД - $279,54. (При ціні 3,77 руб. за кВч виходить 16768,21 та 8665,74 руб. відповідно)

При виборі реалізації приводної системи список варіантів дійсно великий, проте при розробці системи, призначеної для потреб ультрапрецизійної верстатної техніки, висока ефективність ЦЛД може забезпечити значні переваги.

Автореферат дисертації по темі ""

На правах рукопису

БАЖЕНОВ ВОЛОДИМИР АРКАДЬОВИЧ

ЦИЛІНДРИЧНИЙ ЛІНІЙНИЙ АСИНХРОННИЙ ДВИГУН У ПРИВОДІ ВИСОКОВОЛЬТНИХ ВИМИКАЧІВ

Спеціальність 05.20.02 - електротехнології та електрообладнання в сільському господарстві

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Іжевськ 2012

Робота виконана у федеральній державній бюджетній освітній установі вищого професійного розвитку «Іжевська державна сільськогосподарська академія» (ФДБОУ В1Ю Іжевська ДСГА)

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

1 у Владикін Іван Ревович

Офіційні опоненти: Віктор Воробйов

доктор технічних наук, професор

ФДБОУ ВПО МДАУ

ім. В.П. Горячкіна

Бекмачов Олександр Єгорович, кандидат технічних наук, керівник проектів ЗАТ «Радіант-Елком»

Провідна організація:

Федеральне державне бюджетне освітній закладви щого про фесу і о ка ли I ої освіти «Чуваська державна сільськогосподарська академія» (ФГОУ ВПО Чуваська ДСГА)

Зашита відбудеться «28» травня 2012 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради КМ 220.030.02 у ФДБОУ ВПО Іжевська ДСГА за адресою: 426069,

м. Іжевськ, вул. Студентська, 11, ауд. 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФДБОУ ВПО Іжевська ДСГА.

Розміщений на сайті: туюлва/гі

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

НЛО. Литвинюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

носгь комплексної автоматизації сільських електричних с^еГнanttT"

дослідженнях Сулімова М.І., Гусєва B.C. відзначено ™ ^

дії релейного захисту та автоматики /рчаГIV З0...35% випадків

орудного стану приводГХчем до TsJTJ™

частку ВМ 10...35 кВ з,nv«,m„n mv»; Дефектів припадає на

Н.М., Палюга M^AaSTZ^rZZr^Tsy

ського повторного включення ГАПШ "ТКа30В астома™че-

приводу в цілому

■ ПП-67 ПП-67К

■ВМП-10П КРУН К-13

"ВМПП-ЮП КРУН К-37

Малюнок I - Аналіз відмов в електроприводах ВМ 6.

відмова механізму відключення, о.

00» ПП-67 ПП-67

■ ВМП-10П КРУ | К-13

■ ВМПП-ЮП КРУН К-37 ПЕ-11

- «„,„«, і зарядного пристроюабо ж випрямного уст-кумуляторної батар 3^ДД ° 0рМЦ0М потужністю 100 кВА. В силу ука-

ройства з "п^^ прнво«о знайшли широкого застосування.

3аШЮНаРГбьш^"проведи ан™ і"з достоїнств „ недоспшюв різних приво-

для ВМ. „„_,.,* ппиводов постійного струму: неможливе

Недоліки еле.сгромап^^^^^ включає електромаг-ность регулювання СК0Р°^ДХ ^ ^эл^^.апнпв, яка збільшує Ш1Та> велика „нду^івносгь обмотки я від поло.

час включення вимикача ^-¿^"^/^^.„.оро включення, акуму-ження сердечника,що привід.п-до потужності та їх

ляторна батарея або-"Р-^ /™ой площі до 70 м> і ДР-великі габарити і маса, що змінного струму: велике по-

Ндостатки ^^^^^^^ „щих проводів,

¡гггг-^5^-швидкості-і

Т-Д" Недоліки індукційно.

Ь^^"ГГЖ циліндричних ліній-Вищеперелічені недогатк* „струк-тивних особешю-

Тому, пропонуємо використовувати їх в

стей і масогабаритних "О^3^""110^0 * е_ \ для масля„их вимикачі силового елемента в пр " ^лення Ростехіагляду по

лей, яких за даними Західно-Урсько компаній в

Удмуртській Республіці ВМГ-35 300 штук.

експлуатації«^^^^^льована наступна мета РаНа підставі вище високовольтних масляних виклю-ботьк підвищення ефектишюсп, "Р^^^оляющего знизити шкоду читачів 6 .35 кВ. працюючого на основі ЦЛАД, дозволяючи

"Якщо були поставлені наступні аналіз існуючих конструкцій приводів

3" теоретичних та характеристик

ГрХГь^С-"- - "" 6-35 *

основі ЦЛАД.

6. Провести техніко-економічний. .

використання ЦЛАД для приводів масляних вимикачів 6...35 кВ.

Об'єктом дослідження є: циліндричний лінійний асинхронний електродвигун(ЦЛАД) приводних пристроїв вимикачів сільських розподільчих мереж 6...35 кВ.

Предмет дослідження: вивчення тягових характеристик ЦЛАД під час роботи у масляних вимикачах 6...35 кВ.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням основних законів геометрії, тригонометрії, механіки, диференціального та інтегрального обчислення. Натуральні дослідження проводилися з вимикачем ВМП-10 з використанням технічних та вимірювальних засобів. Обробка експериментальних даних виконана з використанням програми Microsoft Excel. Наукова новизна роботи.

1. Запропоновано новий тип приводу масляних вимикачів, що дозволяє підвищити надійність їхньої роботи в 2,4 рази.

2. Розроблено методику розрахунку характеристик ЦЛАД, яка на відміну від запропонованих раніше дозволяє враховувати крайові ефекти розподілу магнітного поля.

3. Обґрунтовано основні конструкційні параметри та режими роботи приводу для вимикача ВМП-10, що знижують недовідпуск електроенергії споживачам.

Практична цінність роботи визначається такими основними результатами:

1. Запропоновано конструкцію приводу вимикачів типу ВМП-10.

2. Розроблено методику розрахунку параметрів циліндричного лінійного асинхронного двигуна.

3. Розроблено методику та програму розрахунку приводу, які дозволяють розраховувати приводи вимикачів подібних конструкцій.

4. Визначено параметри пропонованого приводу для ВМП-10 та подібних до нього.

5. Розроблено та випробувано лабораторний зразок приводу, який дозволив зменшити втрати перерв електропостачання.

Реалізація результатів досліджень. Робота проведена відповідно до плану НДДКР ФДБОУ ВПО ЧІМЕСГ, реєстраційний номер№02900034856 "Розробка приводу для високовольтних вимикачів 6...35 кВ". Результати роботи та рекомендації прийняті та використовуються у ВО «Башкіренерго» С-ВЕС (отримано акт впровадження).

Робота ґрунтується на узагальненні результатів досліджень, виконаних самостійно та у співдружності з науковцями ФДБОУ ВПО Челябінського державного агроуніверситету (м. Челябінськ), ФГОУ ВПО Іжевської державної сільськогосподарської академії.

На захист винесено такі положення:

1. Тип приводу масляних вимикачів на основі ЦЛАД

2. Математична модель розрахунку характеристик ЦЛАДу, а також тягового

зусилля залежно від конструкції паза.

програма розрахунку приводу для вимикачів типу ВМГ, ВМП напругою 10...35 кВ. 4. Результати досліджень запропонованої конструкції приводу масляних вимикачів на основі ЦЛАДу.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи доповідалися та обговорювалися на наступних науково-практичних конференціях: XXXIII наукова конференція, присвячена 50-річчю інституту, Свердловськ (1990); міжнародна науково-практична конференція «Проблеми розвитку енергетики в умовах виробничих перетворень» (м. Іжевськ, ФДБОУ В ПЗ Іжевська ДСГА 2003); Регіональна науково-методична конференція (Іжевськ, ФДБОУ ВПО Іжевська ДСГА, 2004); Актуальні проблеми механізації сільського господарства: матеріали ювілейної науково-практичної конференції «Вищій агроінженерній освіті в Удмуртії - 50 років». (Іжевськ, 2005), на щорічних науково-технічних конференціях викладачів та співробітників ФДБОУ ВПО «Іжевська ДСГА».

Публікації на тему дисертації. Результати теоретичних та експериментальних досліджень відображено у 8 друкованих працях, у тому числі: в одній статті, опублікованій у журналі, рекомендованому ВАК, двох депонованих звітах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновківта додатків, викладена на 167 сторінках основного тексту, містить 82 рисунки, 23 таблиці та списку використаних джерел із 105 найменувань та 4 додатків.

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, розглянуто стан питання, мету та завдання досліджень, сформульовано основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі виконано аналіз конструкцій приводів вимикачів.

Встановлено:

Принципова перевага суміщення приводу з ЦЛАД;

Необхідність подальших досліджень;

Цілі та завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі розглянуто методи розрахунку ЦЛАДу.

З аналізу поширення магнітного поля обрано тривимірна модель.

Обмотка ЦЛАД у випадку складається з окремих котушок, включених послідовно в трехфазную схему.

Розглядається ЦЛАД з одношаровою обмоткою та симетричним щодо осердя індуктора розташуванням вторинного елемента в зазорі.

Прийняті такі припущення: 1. Струм обмотки, покладеної на довжині 2рт, зосереджений в нескінченно тонких струмових шарах, розташованих на феромагнітних поверхнях індуктора і створює суто синусоїдальну хвилю, що біжить. Амплітуда пов'язана відомим співвідношенням з лінійними щільністю струму та струмовим навантаженням

створює суто синусоїдальну хвилю, що біжить. Амплітуда пов'язана відомим співвідношенням з лінійними щільністю струму та струмовим навантаженням

до ""д."«*. (1)

т – полюсне; ш – число фаз; W – число витків у фазі; I – діюче значення струму; Р – число пар полюсів; J – щільність струму;

К6| - обмотковий коефіцієнт основної гармоніки.

2. Первинне поле в області лобових частин апроксимується експоненційною функцією

/(") = 0,83 ехр ~~~ (2)

Достовірність такої апроксимації до реальної картини поля свідчать проведені раніше дослідження, а також досліди на моделі ЛАД. При цьому можна замінити L-2 с.

3.Початок нерухомої системи координат х, у, z розташовано на початку обмотаної частини набігаючого краю індуктора (рис. 2).

За прийнятої постановки завдання н.с. обмотки можна представити у вигляді подвійного ряду Фур'є:

де, А - лінійне струмове навантаження індуктора; Коб – обмотковий коефіцієнт; L – ширина реактивної шини; С – загальна довжина індуктора; а - кут зсуву;

z = 0,5L – а – зона зміни індукції; п – порядок гармоніки по поперечній осі; v- порядок гармонік по поздовжній осн;

Рішення знаходимо для векторного магнітного потенціалу струмів А В області повітряного зазору Аг задовольняє наступним рівнянням:

divAs = 0. J(4)

Для ВЕ рівняння А 2 рівняння мають вигляд:

ТАК2. = ГгМ 2 сІУ Т2 = 0.

Розв'язання рівнянь (4) та (5) виробляємо методом поділу змінних. ^спрощення задачі наведемо лише вираз для нормальної складової індукції в зазорі:

пекло [КИ<л

у 2а V 1й<ЬК0.51.

_1- 2с -1 -1 "

Малюнок 2 - Розрахункова математична модель ЛАД без урахування розподілу обмотки

КП2. СОБ---АХ

X (силу + С^ЬЛу) ехр у

Повна електромагнітна потужність 8ЗМ, що передається з первинної частини в з" орТвЕ, Хег бути знайдена як потік нормальної 8, що становить вектора Пойтинга через поверхню у - 5

= / / ЯуЖсЬ =

" - - \shXS + С2сІЛд\2

^ГрЛс^ГвВеГ""" С0СтаШ1ЯЮЩА" У™«*»«« механічну мощ-

Р™со" зР™"ША С°СТАСЛЯЮЧА"УЧИШАЄ ПОТІК „

С - комплекс, сполучень з С2.

„з-ор,",г«.мша"" лад «». ..з

II "в е., ЪгсЬс

^ І О Л V о_£ V у

- " " \shXS + С.СЬАЗ?"

""-^/Н^н^м-^гІ

л \shXS +С2с1гЛ5^

по поп^еч^^Л^еТоТ^^" Ь = 2с> ™ -рмо„ік координата Л-УКроме Г Г^Г в двомірне, по

чиї сталевого ^тора^то^^^я е^прашуществ^Г ^ЧСТЬ нашг"

2) Механічна потужність

Електромагнітна потужність £,.,«1 = р /с» + .у, /С1 „1"

за виразом, формулою (7) розраховувалася зі-

4) Втрати у міді індуктора

Р,г1 = ШI1 Гф^

де ГФ - активний опір фазної обмотки;

5) До п д. без урахування втрат у сталі сердечника

„ р.-і ■ (12) Р, Р„(5>+Л,..

6) Коефіцієнт потужності

р т!\ги+гф) ^ тиф1 т1 Z £

де 2 = + х1 є модуль повного опору послідовної

схеми заміщення (рис. 2).

х1=х„+ха1 О4)

v -Язі-г (15)

х = х + х + х + Ха - індуктивний опір розсіювання первинної об-п а * год

Таким чином, отримано алгоритм розрахунку статичних характеристик ЛАД з короткозамкненим вторинним елементом, що дозволяє враховувати властивості активних частин конструкції на кожному зубцевому розподілі.

Розроблена математична модель дозволяє: . Застосувати математичний апарат для розрахунку циліндричного лінсшюго асинхронного двигуна, його статичних характеристик на основі розвсрну-схем заміщення електричних первинної і вторинної та магнітно-це-

Провести оцінку впливу різних параметрів та конструкцій вторинного елемента на тягові та енергетичні характеристики циліндричного лінійного асинхронного двигуна. . Результати розрахунків дозволяють визначити першому наближенні оптимальні основні техніко-економічні дані при проектуванні циліндричних лінійних асинхронних двигунів.

У третьому розділі «Розрахунково-теорентські дослідження» наведено результати чисельних розрахунків впливу різних параметрів і геометричних на енергетичні та тягові показники ЦЛАД за допомогою математичної моделі описаної раніше.

Індуктор ЦЛАД складається з окремих шайб, розташованих у феромагнітному циліндрі. Геометричні розміри шайб індуктора, прийняті в розрахун-тПшведені на рис. 3. Кількість шайб і довжина феромагнітного циліндра -Гя" числом полюсів і числом пазів на полюс і фазу обмотки індуктора 1^заш(сімі перемішовані приймалися параметри індуктора (геометрія зубцевого шару, число полюсів, полюсний поділ, довжина і ширина) втор. обмотки, електрична провідність С2 – Уг Л, а

також параметри зворотного магнітопроводу. При цьому результати дослідження представлені у вигляді графіків.

Малюнок 3 - Влаштування індуктора 1-Вторинний елемент; 2-гайка; З-ущільнювальна шайба; 4-котушка; 5-корпус двигуна; 6-обмотка, 7-шайба.

Для приводу вимикача, що розробляється, однозначно визначені:

1 Режим роботи, який може бути охарактеризований як «пуск». Час роботи - менше секунди (t.=0,07c), повторні пуски можуть бути, але навіть у

У цьому випадку загальний час роботи не перевищує секунди. Отже, електромагнітні навантаження - лінійне струмове навантаження, щільність струму в обмотках можуть бути взяті, істотно вище прийнятих для jустановлених режимів електричних машин: А = (25...50) 10 А/м, J (4.../) А/ мм2. Тому тепловий стан машини не можна розглядати.

3. Необхідне тягове зусилля F„ > 1500 Н. При цьому зміна зусилля за час роботи має бути мінімальною.

4. Жорсткі обмеження габаритів: довжина Ls. 400 мм; зовнішній діаметр статора Д = 40...100 мм.

5 Енергетичні показники (л, coscp) не мають значення.

Таким чином, завдання досліджень може бути сформульована наступним чином: при заданих габаритах визначити електромагнітні навантаження значення конструктивних параметрів ЛАД, що забезпечують неохо-

димі тягове зусилля в інтервалі 0,3

Виходячи із сформованого завдання досліджень, основним показником ЛАД є тягове зусилля в інтервалі ковзань 0,3

Таким чином, сила тяги ЛАД є функціональною залежністю.

Fx = f(2р, г, d2,y2,Yi, Ms > Ч< Wk, A, a) U<>>

метрів деякі пр-т-ко і т = 400/4 = 100 - * 66,6 ммГч

тель„оСПяВГИЧе"Ієм ЧИСЛЗ П°ЛЮС0В "У"0806 ТЯГОВЕ ЗУІЛЬСТВО падає значи- 5

ТЯГОВОГО° ЗУСИЛІ ЗВ'ЯЗАНО З Зменшенням полюсної поділу т і магнітної індукції в повітряному І поділу т

є 2р = 4 (рис. 4). °З Душному зазорі Отже, оптимальним

ОД 0.2 0.3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 9

Ковзання Б, ое

Рисунок 4 - Тягова характеристика ЦЛАД „залежно від числа півшсів

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 ■

1,5|у 2,0л<

0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 ^кіслення Б, ое

РИСУ5ЮК5, азо.

ра(6=1,5мм та 5=2,0мм)

провідність у2,у3 та магнітна проникність ц3 ВЕ.

Зміна електропровідності сталевого циліндра» (рис. 6) на тягове зусилля ЦЛАД має малоістотне значення до 5%.

0 0,10,23,30,40,50,60,70,83,91

Ковзання 8, ое.

Рисунок 6. Тягова характеристика ЦЛАД при різних значеннях електропровідності сталевого циліндра

Зміна магнітної проникності ц3 сталевого циліндра (рис. 7) не дає значних змін тягового зусилля Рх = ДБ). При робочому ковзанні 8=0,3 тягові характеристики збігаються. Пускове тягове зусилля змінюється не більше 3...4%. Отже, враховуючи несуттєве вплив уз і Мз на тягове зусилля ЦЛАД, сталевий циліндр може бути виготовлений з магнітом'якої сталі.

0 0 1 0 2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 КовзанняЗ,

Рисунок 7. Тягова характеристика ЦДАД при різних значеннях магнітної проникності (Цз = 1000цо І Цз = 500цо) сталевого циліндра

З аналізу графічних залежностей (рис. 5, рис. 6, рис. 7) випливає: зміни провідності сталевого циліндра і магнітної проникності, обмеження немагнітного проміжку домогтися сталості тягового зусилля 1"Х неможливо внаслідок їх малого впливу.

у=1,2-10"Див/м

у=3 10»Див/м

Про 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ковзання Е, ое

Рисунок 8. Тягова характеристика ЦЛАД при різних значеннях електропровідності ВЕ

Параметр, за допомогою якого можна досягти сталості тягового зусилля =/(2р, г,<$ й2 ,у2, уз, цз, Я, А, а) ЦЛАД, является удельная электропроводимость у2 вторичного элемента. На рисунке 8 указаны оптимальные крайние варианты проводимостей. Эксперименты, проведенные на экспериментальной установке, позволили определить наиболее подходящую удельную проводимость в пределах у=0,8-10"...1,2-ю"См/м.

На рисунках 9...11 наведено залежності Г, I, т),оо$<р = /(я) при различных значениях числа витков в катушке обмотки индуктора ЦЛАД с экранированным вторичным э л е м е нто в (с/,=1 мм; 5=1 мм).

Лг аз о* ~05 Про й5 То

Рисунок 9. Залежність 1=Г(8) при різних значеннях числа витків у котушці

Рисунок 10. Залежність eos

Малюнок! I Залежність t] = f (S)

Графічні залежності енергетичних показників від числа витків у кашках збігаються. Це говорить про те, що зміна числа витків у котушці не призводить до значної зміни цих показників. Це причина відсутності уваги до них.

Збільшення тягового зусилля (рис. 12) зі зменшенням числа витків у котушці пояснюється тим. що збільшується переріз проводу при постійних значеннях геометричних розмірів та коефіцієнта заповнення міддю паза індуктора та незначною зміною значення щільності струму. Двигун у приводах вимикачів працює у пусковому режимі менше секунди. Тому для приводу механізмів з великим пусковим тяговим зусиллям та короткочасним режимом роботи ефективніше використовувати ЦЛАД з малим числом витків та великим перетином дроту котушки обмотки індуктора.

мовляв /"4а? /?(/,"■ Ш0О 8оо боа íoo 2 ос ■

Про / О.З oi 05 Про 07 os ¿J? То

Рисунок 12. Тягова характеристика ЦЛАД за різних значень числа витків era гірської котушки

Однак, при частих включеннях таких механізмів необхідно мати запас двигуна нагрівання.

Таким чином, на підставі результатів чисельного експерименту за описаною методикою розрахунку можна з достатнім ступенем точності визначити тенденцію зміни електричних і тягових показників при різних змінних ЦЛАД. p align="justify"> Основним показником для сталості тягового зусилля є електропровідність покриття вторинного елемента у2 Змінюючи її в межах у = 0,8-10 ... 1,2-10 См / м, можна отримати необхідну тягову характеристику.

Отже, для сталості тяги ЦЛАД достатньо поставитися постійними значеннями 2р, т, 8, у) , Цз,

! ],=/(К у2, \Ук) (17)

де К = / (2р, т, 8, Л2, у, Цз »

У четвертому розділі викладено методику проведення експерименту досліджуваного способу приводу вимикача. Експериментальні дослідження характеристик приводу проводили на високовольтному вимикачі ВМП-10 (рис. 13)

Рисунок 13 Експериментальне встановлення.

Також у цьому розділі визначено інерційний опір вимикача, який виконано з використанням методики, представленої графоаналітичним методом, використовуючи кінематичну схему вимикача. Визначено характеристики пружних елементів. При цьому в конструкцію масляного вимикача входять кілька пружних елементів, які протидіють включенню вимикача і дозволяють акумулювати енергію для відключення вимикача:

1) Пружини прискорення ДПу",

2) Пружина відключення Г по ",

31 Пружні сили, створювані пружинами контактів Рк. - №1, 2012р. З. 2-3. - Режим доступу: http://w\v\v.ivdon.ru.

Інші видання:

2. Пястолов, A.A. Розробка приводу для високовольтних вимикачів 6...35 кВ." /AA Пястолов, І.М.Рамазанов, Р.Ф.Юнусов, В.А. Баженов // Звіт про науково-дослідну роботу (х. № ГР 018600223428 лив. №02900034856.-Челябінськ: ЧІМЕСГ.1990 - С. 89-90.

3. Юнусов, Р.Ф. Розробка лінійного електроприводу сільськогосподарського призначення. /Р.Ф. Юнусов, І.М. Рамазанов, В.В. Іваницька, В.А. Баженов// XXXIII наукова конференція. Тези доповідей. - Свердловськ, 1990, С. 32-33.

4. Пястолов, A.A. Привід високовольтного масляного вимикача /Юнусов Р.Ф., Рамазанов І.М., Баженов В.А. //Інформаційний листок № 91-2. -ЦНТІ, Челябінськ, 1991. С. 3-4.

5. Пястолов, A.A. Циліндричний лінійний асинхронний двигун. /Юнусов Р.Ф., Рамазанов І.М., Баженов В.А. //Інформаційний листок № 91-3. -ЦНТІ, Челябінськ, 1991. с. 3-4.

6. Баженов, В.А. Вибір елемента, що акумулює, для вимикача ВМП-10. Актуальні проблеми механізації сільського господарства: матеріали ювілейної науково-практичної конференції «Вищої агроінженерної освіти в Удмуртії – 50 років». / Іжевськ, 2005. С. 23-25.

7. Баженов, В.А. Розробка економічного приводу масляного вимикача. Регіональна науково-методична конференція Іжевськ: ФГОУ ВПО Іжевська ДСГА, Іжевськ, 2004. С. 12-14.

8. Баженов, В.А. Вдосконалення приводу масляного вимикача ВМП-10. Проблеми розвитку енергетики в умовах виробничих перетворень: Матеріали міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 25-річчю факультету „Електрифікації та автоматизації сільського господарства” та кафедри „Електротехнологія сільськогосподарського виробництва”. Іжевськ 2003, С. 249-250.

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних павук

Здано в набор_2012р. Підписано до друку 24.04.2012р.

Папір офсетний Гарнітура Times New Roman Формат 60x84/ 16. Об'єм I печ. Тираж 100 екз. Замовлення №4187. Вид-во ФДБОУ BIIO Іжевської ДСГА м. Іжевськ, вул. Студентсько. 11

Текст роботи Баженов, Володимир Аркадійович, дисертація на тему Електротехнології та електрообладнання у сільському господарстві

ФЕДЕРАЛЬНА ДЕРЖАВНА БЮДЖЕТНА ОСВІТАЛЬНА УСТАНОВА ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ «ІЖІВСЬКА ДЕРЖАВНА СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКА» АКАД

на правах рукопису

Баженов Володимир Аркадійович

ЦИЛІНДРИЧНИЙ ЛІНІЙНИЙ АСИНХРОННИЙ ДВИГУН У ПРИВОДІ ВИСОКОВОЛЬТНИХ ВИМИКАЧІВ

Спеціальність 05.20.02 Електротехнології та електрообладнання у сільському господарстві

ДИСЕРТАЦІЯ на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

Владикин Іван Ревович

Іжевськ - 2012

На різних етапах досліджень робота виконувалася під керівництвом д.т.н., професора, зав. кафедрою "Електричні машини" Челябінського інституту механізації та електрифікації сільського господарства A.A. Пястолова (глава 1, 4, 5) та д.т.н., професора, зав. кафедрою "Електропривід та електричні машини" Санкт-Петербурзького Державного Аграрного Університету А.П. Єпіфанова (глава 2, 3), Автор висловлює щиру подяку.

ВСТУП................................................. .................................................. ....................................5

1 АНАЛІЗ ПРИВОДІВ ОЛІЙНИХ ВИМИКАТІВ І ЇХ ХАРАКТЕРИСТИК.......................................... .................................................. ...........................................7

1.1 Пристрій та принцип роботи вимикачів............................................ ......11

1.2 Класифікація приводів............................................... .....................................14

1.3 Основні елементи приводу.............................................. ................................19

1.4 Загальні конструктивні вимоги до приводів ............................................ ..22

1.5 Електромагнітні приводи............................................... ................................26

1.5.1 Конструкції електромагнітних приводів............................................ .......28

1.5.2 Електромагнітний привід на змінному струмі........................................ .42

1.5.3 Привід на основі плоского ЛАД.......................................... ..........................45

1.5.4 Привід вимикача на основі асинхронного двигуна, що обертається........................................ .................................................. ......................................48

1.5.5 Привід на основі циліндричного лінійного асинхронного

двигуна................................................. .................................................. .......................50

ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ І ЗАВДАННЯ РОБОТИ............................................ ..............................52

2 РОЗРАХУНОК ХАРАКТЕРИСТИК ЛІНІЙНИХ АСИНХРОННИХ ДВІ-ГАГЕЛЕЙ.......................................... .................................................. ............................................55

2.1 Аналіз методик розрахунку характеристик ЛАД............................................ .......55

2.2 Методика на одномірній теорії............................................. ...........................56

2.3 Методика на основі двовимірної теорії............................................ ...............58

2.4 Методика на основі тривимірної моделі............................................ ...............59

2.5 Математична модель циліндричного асинхронного двигуна на

основі схеми заміщення............................................... .................................................65

ВИСНОВКИ ПО РОЗДІЛІ............................................... .................................................. .................94

3 РОЗРАХУНОВО-ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ............................................. ......95

3.1 Загальні положення та розв'язувані задачі (постановка задачі)...........................95

3.2.Досліджувані показники та параметри............................................ .......................96

ВИСНОВКИ ПО РОЗДІЛІ............................................... .................................................. .............105

4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ............................................... ...........106

4.1 Визначення інерційного опору системи ВМ-привод 106

4.2 Визначення характеристик пружних елементів............................................110

4.3 Визначення електродинамічних характеристик...............114

4.4 Визначення аеродинамічного опору повітря та

гідравлічної ізоляційної олії ВМ.............................................. .................117

ВИСНОВКИ ПО РОЗДІЛІ............................................... .................................................. ..............121

5 ТЕХНІКО ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ.............................................. ........122

ВИСНОВКИ ПО РОЗДІЛІ............................................... .................................................. ..............124

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ........................................125

ЛІТЕРАТУРА................................................. .................................................. ..........................126

ДОДАТОК А................................................ .................................................. ...................137

ДОДАТОК Б РОЗРАХУНОК ПОКАЗНИКІВ НАДІЙНОСТІ ПРИВОДІВ ВМ6...35КВ...139

ДОДАТОК ДО ДОВІДКА ПРО ДОСЛІДЖЕННЯ ОБ'ЄКТУ РОЗРОБКИ...................142

I Патентна документація............................................... ........................................142

II Науково-технічна література та технічна документація 143

III Технічні характеристики циліндричного лінійного асинхронного двигуна........................................... .................................................. ...........................144

IV Аналіз експлуатаційної надійності приводів ВМ-6.. .35кВ......................145

V Конструктивні особливості основних типів приводів ВМ-6...35 кВ........150

ДОДАТОК Г................................................ .................................................. ....................156

Приклад конкретного виконання приводу.............................................. ..................156

високовольтного вимикача................................................ ...................................156

Розрахунок потужності, що споживається інерційним приводом......................................162

при операції включення ВМ.............................................. ........................................162

Покажчик основних позначень та скорочень............................................. .........165

ВСТУП

З переведенням сільськогосподарського виробництва на промислову основу суттєво підвищуються вимоги до рівня надійності електропостачання.

Цільова комплексна програма підвищення надійності електропостачання сільськогосподарських споживачів /ЦКП ПН/ передбачає широке впровадження засобів автоматизації сільських розподільчих мереж 0,4...35 кВ, як один з найбільш ефективних способів досягнення цієї мети. Програма включає, зокрема, оснащення розподільчих мереж сучасною комутаційною апаратурою та приводними пристроями до них. Поруч із передбачається широке використання, особливо у першому етапі, первинної комутаційної апаратури, що у експлуатації

Найбільшого поширення у сільських мережах знайшли масляні вимикачі (ВМ) із пружинними та пружинно-вантажними приводами. Однак, з досвіду експлуатації відомо, що приводи ВМ є одним із найменш надійних елементів розподільчих пристроїв. Це знижує ефективність комплексної автоматизації сільських електричних мереж. Наприклад, у зазначається, що 30...35% випадків дії релейного захисту та автоматики /РЗА/ не реалізується через незадовільний стан приводів. Причому до 85% дефектів посідає частку ВМ 10...35 кВ з пружинно-вантажними приводами. За даними роботи 59,3% відмов автоматичного повторного включення /АПВ/ на базі пружинних приводів відбувається через блок-контактів приводу та вимикача, 28,9% через механізми включення приводу та утримання його у включеному положенні. Про незадовільний стан та необхідність модернізації та розробки надійних приводів зазначається в роботах.

Є позитивний досвід застосування найбільш надійних електромагнітних приводів постійного струму для ВМ 10 кВ на знижувальних підстанціях сільськогосподарського призначення. Проте з низки особливостей ці приводи не знайшли широкого застосування [ 53 ].

Метою цього етапу НДР є вибір напряму дослідження.

У процесі роботи вирішувалися такі:

Визначення показників надійності основних типів приводів ВМ-6.. .35 кВ та їх функціональних вузлів;

Аналіз конструктивних особливостей різних типів приводів ВМ-6...35 кВ;

Обґрунтування та вибір конструктивного рішення приводу ВМ 6...35 кВ та напрямки досліджень.

1 АНАЛІЗ ПРИВОДІВ ОЛІЙНИХ ВИМИКАТІВ ТА ЇХ ХАРАКТЕРИСТИК

Робота приводу масляних вимикачів 6 – 10 кВ багато в чому залежить від досконалості конструкції. Конструктивні особливості визначаються вимогами до них:

Потужність, споживана приводом у процесі виконання операції включення ВМ, має бути обмежена, т.к. харчування здійснюється від малопотужних трансформаторів потреб. Ця вимога є особливо суттєвою для знижуючих підстанцій сільськогосподарського електропостачання.

Привід масляного вимикача повинен забезпечувати достатню швидкість комутації,

Дистанційне та місцеве управління,

Нормальне спрацьовування при допустимих рівнях зміни робочої напруги та ін.

Виходячи з цих вимог, основні механізми приводів виконуються у вигляді механічних перетворювачів з різним числом каскадів (ступенів) посилення, які в процесі відключення та включення споживають невелику потужність для управління великим потоком енергії, що витрачається вимикачем.

У відомих приводах каскади посилення конструктивно виконуються у вигляді замикаючих пристроїв (ЗУО, ЗУВ) з засувками, редукуючих механізмів (РМ) з багатоланковими важелями, що ламаються, а також механічних підсилювачів (МУ) з використанням енергії піднятого вантажу або стиснутої пружини. На рис.2 та 3 (додаток Б) представлені спрощені схеми приводів масляних вимикачів різних типів. Стрілками та цифрами над ними показано напрямок та послідовність взаємодії механізмів у процесі роботи.

Основними комутаційними апаратами на підстанціях є масляні та безмасляні вимикачі, роз'єднувачі, запобіжники напругою до 1000 і вище, автоматичні вимикачі, рубильники. В електричних мережах невеликої потужності напругою 6-10 кВ встановлюються найпростіші комутаційні апарати-вимикачі навантаження.

У розподільних пристроях 6... 10 кВ, у викочування КРУ, часто застосовуються маломасляні підвісні вимикачі з вбудованими пружинними або електромагнітними приводами (ВМПП, ВМПЕ): Номінальні струми цих вимикачів: 630 А, 1000 А, 1600 А, 3200 А.

Струм відключення 20 і 31,5 кА. Такий діапазон виконань дозволяє застосовувати вимикачі ВМП як в електроустановках середньої потужності, так і на великих вступних лініях і на стороні вторинних ланцюгів щодо великих трансформаторів. Виконання на струм 31,5 кА дозволяє застосовувати компактні вимикачі ВМП у потужних мережах 6.. .10 кВ без реакції і тим самим зменшити коливання та відхилення напруги у цих мережах.

Маломасляні горщикові вимикачі типу ВМГ-10 з пружинними та електромагнітними приводами виготовляються на номінальні струми 630 та 1000 А та струм відключення КЗ 20 кА. Вони вбудовуються в стаціонарні камери серії КСО-272 та застосовуються переважно в електроустановках середньої потужності. Випускаються також маломасляні вимикачі типу ВММ-10 невеликої потужності із вбудованими пружинними приводами на номінальний струм 400 А та номінальний струм відключення 10 кА.

У великому діапазоні виконань і параметрів виготовляються електромагнітні вимикачі наступних типів: ВЕМ-6 з вбудованими електромагнітними приводами на напругу 6 кВ, номінальні струми 2000 і 3200 А, номінальний струм відключення 38,5 і 40 кА;

ВЕМ-10 з вбудованим електромагнітним приводом, на напругу 10 кВ, номінальні струми 1000 та 1250, номінальний струм відключення 12,5 та 20 кА;

ВЕ-10 із вбудованими пружинними приводами, на напругу 10 кВ, номінальні струми 1250, 1600, 2500, 3000 А. Номінальні струми відключення 20 та 31,5 кА.

Електромагнітні вимикачі за своїми параметрами відповідають маломасляним вимикачам ВМП і мають таку область застосування. Вони придатні для частих комутаційних операцій. Комутаційна здатність вимикачів залежить від типу приводу його конструктивного виконання та надійності роботи. На підстанціях промислових підприємств переважно застосовуються пружинні та електромагнітні приводи вбудовані у вимикач. Електромагнітні приводи використовуються у відповідальних установках:

При живленні електроприймачів першої та другої категорії з частими операціями вимикачами;

Особливо відповідальні електроустановки першої категорії незалежно від частоти операцій;

За наявності акумуляторної батареї.

Для підстанцій промислових підприємств застосовуються комплектні великоблочні пристрої: КРУ, КСВ, КТП різної потужності, напруги та призначення. Комплектні пристрої з усіма апаратами, вимірювальними приладами та допоміжними пристроями виготовляються, комплектуються та випробовуються на заводі або в майстерні та у зібраному вигляді доставляються на місце встановлення. Це дає великий економічний ефект, оскільки прискорює та здешевлює будівництво та монтаж та дозволяє вести роботи індустріальними методами. Комплектні розподільні пристрої мають два принципово різних конструктивних виконання: викочування (серії КРУ) та стаціонарне (серії

КСВ, КРУН та ін.). Пристрої обох видів однаково успішно дозволяють завдання електромонтажних та експлуатаційних робіт.

Викочування розподільного пристрою більш зручні, надійні і безпечні в експлуатації. Це досягається завдяки захисту всіх струмопровідних частин та контактних з'єднань надійною ізоляцією, а також можливості швидкої заміни вимикача шляхом викочування та обслуговування в майстерні. Розташування приводу вимикача таке, що його зовнішній огляд можна здійснити як при включеному, так і при відключеному положенні вимикача без викочування останнього.

Заводами виготовляються уніфіковані серії викочування КРУ для внутрішньої установки на напругу до 10 кВ, основні технічні параметри яких наведені в таблиці 1.

Таблиця 1.1 Основні параметри КРУ на напругу 3-10 кВ для внутрішньої установки

Серія Номінальна напруга, кВ Номінальний струм, А Вид масляного вимикача Тип приводу

КРУ2-10-20УЗ 3,6, 10 630 1000 1600 2000 2500 3200 Маломасляний горщиковий ВМП-Юлд ПЕ-11 ПП67 ПП70

КР-10-31, 5УЗ 6,10 630 1000 1600 3200 Маломасляний горщик

КР-10Д10УЗ 10 1000 2000 4000 5000 Маломасляний горщик

КЕ-10-20УЗ 10 630 1000 1600 2000 3200 Електромагнітний

КЕ-10-31, 5УЗ 10630 1000 Електромагнітний

1.1 Пристрій та принцип роботи вимикачів

Вимикачі типу ВМГ-10-20 відносяться до триполюсних високовольтних вимикачів з малим об'ємом дугогасної рідини (трансформаторної олії). Вимикач призначений для комутації високовольтних ланцюгів змінного струму напругою 10 кВ у нормальному режимі роботи установки, а також для автоматичного відключення цих ланцюгів при струмах короткого замикання та перевантаження, що виникають при ненормальних та аварійних режимах роботи установок.

Принцип роботи вимикача заснований на гасінні електричної дуги, що виникає при розмиканні контактів потоком газомасляної суміші, що утворюється в результаті інтенсивного розкладання трансформаторного масла під дією високої температури горіння дуги. Цей потік отримує певний напрямок у спеціальному пристрої дугогасіння, розміщеному в зоні горіння дуги.

Управління вимикачем здійснюється приводами. При цьому, оперативне включення проводиться за рахунок енергії приводу, а відключення - за рахунок енергії пружин самого вимикача, що відключають.

Конструкція вимикача показана на рис.1.1. Три полюси вимикача змонтовані на загальній зварній рамі 3, що є основою вимикача та має отвори для кріплення вимикача. На лицьовій стороні рами встановлено шість порцелянових ізоляторів 2 (по два на полюс), що мають внутрішнє еластичне механічне кріплення. Кожну пару ізоляторів підвішується полюс вимикача 1.

Привідний механізм вимикача (рис. 9) складається з валу 6 з привареними до нього важелями 5. До крайніх важелів 5 приєднані відключаючі пружини 1, до середнього - буферна пружина 2. На протилежних кінцях важелів механічно укріплені ізоляційні важелі 9 за допомогою-

щи сережки 7 і служать передачі руху від валу вимикача до контактного стрижня.

установки (тип ВМП-10) - загальний вигляд

Між крайнім та середнім важелями на валу вимикача приварена пара двоплечих важелів 4 з роликами на кінцях. Ці важелі служать обмеження включеного і відключеного положень вимикача. При включенні один з роликів підходить до болта 8 при відключенні другий ролик переміщує шток масляного буфера 3; більш докладний пристрій якого показано на рис.1. 2.

Залежно від кінематики осередку вимикач допускає середнє чи бічне приєднання приводу. При середньому приєднанні приводу використовується важіль 13 (рис. 1.1), для приєднання на вал вимикача додатково встановлюється важіль 12 (рис. 1.1).

Малюнок 1.2 - Полюс вимикача

Основною частиною полюса вимикача (рис. 1.2) є циліндр 1. Для вимикачів на номінальний струм 1000 ці циліндри виконані з латуні. Циліндри вимикачів на номінальний струм 63ОА виконані зі сталі та мають поздовжній немагнітний шов. До кожного циліндра приварені дві скоби для кріплення його до опорних ізоляторів, і кожух 10 з маслоналивною пробкою 11 і масловказівником 15. Кожух служить доповніть

Дослідження впливу несинусоїдності напруги живлення, обумовленої широтно-імпульсною модуляцією, на енергетичні характеристики асинхронних двигунів

• • Технології та засоби механізації сільського господарства
  • Електротехнології та електрообладнання у сільському господарстві
  • Технології та засоби технічного обслуговування у сільському господарстві

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використане в безштангових насосно-свердловинних установках для видобутку пластових рідин із середніх та великих глибин, переважно у нафтовидобутку. Циліндричний лінійний асинхронний двигун містить циліндричний індуктор з багатофазною обмоткою, виконаною з можливістю осьового переміщення та змонтованої всередині сталевого вторинного елемента. Сталевий вторинний елемент є корпусом електродвигуна, внутрішня поверхня якого має високопровідне у вигляді шару міді покриття. Циліндричний індуктор виконаний з декількох модулів, вибраних із котушок фаз і з'єднаних між собою гнучким зв'язком. Число модулів індуктора кратне числу фаз обмотки. При переході від одного модуля до іншого котушки фаз укладені з почерговою зміною розташування окремих фаз. При діаметрі двигуна 117 мм, довжині індуктора 1400 мм, частоті струму індуктора 16 Гц електродвигун розвиває зусилля до 1000 Н і потужність 1,2 кВт при охолодженні природного і до 1800 Н при масляному. Технічний результат полягає у підвищенні тягового зусилля та потужності на одиницю довжини двигуна в умовах обмеження по діаметру корпусу. 4 іл.

Малюнки до патенту РФ 2266607

Винахід відноситься до конструкцій занурювальних циліндричних лінійних асинхронних двигунів (ЦЛАД), що використовуються в безштангових насосно-свердловинних установках для видобутку пластових рідин із середніх та великих глибин, переважно у нафтовидобутку.

Найбільш поширеним способом видобутку нафти є підйом нафти з свердловин за допомогою штангових насосів плунжерних, керованих верстатами-гойдалками.

Крім очевидних недоліків, властивих таким установкам (великі габарити і маса верстатів-качалок і штанг; зношування насосно-компресорних труб і штанг), істотним недоліком є ​​також малі можливості для регулювання швидкості переміщення плунжера, а значить, і продуктивності штангових насосних агрегатів, неможливість роботи у похилих свердловинах.

Можливість регулювати ці характеристики дозволила б враховувати природні зміни дебіту свердловини в процесі її експлуатації та скоротити кількість типорозмірів насосних агрегатів, що використовуються для різних свердловин.

Відомі технічні рішення щодо створення безштангових глибинно-насосних установок. Одним із них є використання глибинних насосів плунжерного типу з приводом на основі лінійних асинхронних двигунів.

Відома конструкція ЦЛАД, змонтованого в насосно-компресорній трубі над плунжерним насосом (Іжеля Г.І. та ін. «Лінійні асинхронні двигуни», Київ, Техніка, 1975, стор.135) /1/. Відомий двигун має корпус, поміщений у нього нерухомий індуктор і рухомий вторинний елемент, розташований усередині індуктора і тягне через плюжер насоса.

Тягове зусилля на рухомому вторинному елементі з'являється внаслідок взаємодії наведених у ньому струмів з магнітним полем лінійного індуктора, що біжить, створюваним багатофазними обмотками, з'єднаними з джерелом живлення.

Такий електродвигун використаний в безштангових насосних агрегатах (а.с. СРСР №491793, публ. 1975) /2/ і (а.с. СРСР №538153, публ. 1976) /3/.

Однак умови експлуатації занурювальних плунжерних насосів та лінійних асинхронних двигунів у свердловині накладають обмеження на вибір конструкції та розмірів електродвигунів. Відмінною особливістю занурювальних ЦЛАД є обмеженість діаметра двигуна, зокрема не перевищує діаметр насосно-компресорної труби.

Для таких умов відомі електродвигуни мають відносно низькі техніко-економічні показники:

К.п.д. та cos поступаються аналогічним показникам асинхронних двигунів традиційного виконання;

Розвиваються ЦЛАД питомі механічна потужність і тягове зусилля (на одиницю довжини двигуна) відносно малі. Довжина двигуна, розміщеного в свердловині, обмежена довжиною насосно-компресорної труби (трохи більше 10-12 м). При обмеженні довжини двигуна важко досягти необхідного підйому рідини тиску. Деяке підвищення тягового зусилля та потужності можливе лише за рахунок збільшення електромагнітних навантажень двигуна, що веде до зниження к.п.д. та рівня надійності двигунів через підвищені теплові навантаження.

Ці недоліки можна усунути, якщо виконати «навернену» схему «індуктор-вторинний елемент», тобто індуктор з обмотками розмістити всередині вторинного елемента.

Таке виконання лінійного двигуна відоме («Індукційні електродвигуни з розімкненим магнітопроводом». Інформелектро, М., 1974 р., стор.16-17) /4/ і може бути прийнято як найближче до заявляється рішенню.

Відомий лінійний двигун містить циліндричний індуктор з обмоткою, змонтований усередині вторинного елемента, внутрішня поверхня якого має високопровідне покриття.

Таке виконання індуктора по відношенню до вторинного елемента було створено для полегшення намотування та монтажу котушок і застосовувалося не як привод для занурювальних насосів, що працюють у свердловинах, а наземного використання, тобто. без жорсткого обмеження за габаритами корпусу двигуна.

Завдання цього винаходу полягає у розробці конструкції циліндричного лінійного асинхронного двигуна для приводу занурювальних плунжерних насосів, який в умовах обмеження по діаметру корпусу двигуна має підвищені питомі показники: тяговим зусиллям і потужністю на одиницю довжини двигуна при забезпеченні необхідного рівня надійності та заданому енергоспоживання.

Для вирішення поставленої задачі циліндричний лінійний асинхронний двигун для приводу занурювальних плунжерних насосів містить циліндричний індуктор з обмоткою, змонтований всередині вторинного елемента, внутрішня поверхня якого має високопровідне покриття, при цьому індуктор з обмотками труб виконаний з можливістю осьового переміщення стінки якого не менше 6 мм, а внутрішня поверхня корпусу покрита шаром міді завтовшки не менше 0,5 мм.

Враховуючи нерівність поверхні свердловин і, як наслідок, можливий вигин корпусу електродвигуна, індуктор електродвигуна слід виконувати з декількох модулів, з'єднаних між собою гнучким зв'язком.

При цьому для вирівнювання струмів фазами обмотки двигуна число модулів обрано кратним числу фаз, а при переході від одного модуля до іншого котушки укладені з почерговою зміною розташування окремих фаз.

Сутність винаходу полягає у наступному.

Використання сталевого корпусу електродвигуна як вторинний елемент дозволяє максимально ефективно розпорядитися обмеженим простором свердловини. Гранично досяжні значення потужності та зусилля двигуна залежать від гранично допустимих електромагнітних навантажень (щільність струму, індукція магнітного поля) та об'єму активних елементів (магнітопровід, обмотка, вторинний елемент). Поєднання конструктивного елемента конструкції – корпусу електродвигуна з активним вторинним елементом дозволяє збільшити обсяг активних матеріалів двигуна.

Збільшення активної поверхні двигуна дозволяє підвищити тягове зусилля та потужність двигуна на одиницю його довжини.

Збільшення активного об'єму двигуна дозволяє зменшити електромагнітні навантаження, що визначають тепловий стан двигуна, від якого залежить рівень надійності.

При цьому отримання необхідних значень тягового зусилля та потужності двигуна на одиницю його довжини при забезпеченні необхідного рівня надійності та заданому енергоспоживання (к.п.д. та cos) в умовах обмеження по діаметру корпусу двигуна досягається оптимальним підбором товщини сталевої стінки корпусу двигуна, а також товщини високопровідного покриття його активної зони – внутрішньої поверхні корпусу.

Враховуючи номінальну швидкість переміщення робочих частин плунжерного насоса, оптимально відповідну їй швидкість рухомого індуктора, що біжить магнітного поля, можливі технологічні труднощі при виготовленні обмоток, прийнятні значення полюсного поділу (не менше 0,06-0,10 м) і частоти струму індуктора (не Гц), параметри товщини сталевої стінки вторинного елемента і мідного покриття обрані заявленим чином. Ці параметри дозволяють в умовах обмеження діаметра двигуна знизити втрати потужності (і, отже, підвищити к.п.д.) за рахунок виключення зростання струму намагнічування і зниження розсіювання магнітного потоку.

Новий технічний результат, що досягається винаходом, полягає у застосуванні зверненої схеми «індуктор-вторинний елемент» для максимально ефективного використання обмеженого простору свердловини при створенні асинхронного лінійного двигуна з характеристиками, що дозволяють використовувати його в якості приводу занурювальних насосів.

Заявлений двигун ілюструється кресленнями, де на фіг.1 зображено загальний вигляд двигуна з модульним виконанням індуктора, на фіг.2 - те ж, розріз А-А, на фіг.3 зображено окремий модуль, на фіг.4 - те ж, розріз за Б-Б.

Двигун містить корпус 1 – сталеву трубу діаметром 117 мм, з товщиною стінки 6 мм. Внутрішня поверхня 2 труби покрита міддю шаром 0,5 мм. Всередині сталевої труби 1 за допомогою центруючих втулок 3 з антифрикційними прокладками 4 і 5 труби змонтований рухомий індуктор, що складається з модулів 6, з'єднаних між собою гнучким зв'язком.

Кожен з модулів індуктора (фіг.3) набраний з окремих котушок 7, що чергуються з кільцевими зубцями 8, мають радіальний проріз 9, і розміщених на магнітопроводі 10.

Гнучкий зв'язок складається з верхнього 11 і нижнього 12 хомутів, рухомо встановлених за допомогою пазів на виступах сусідніх центруючих втулок.

На верхній площині хомута 11 закріплені струмопідвідні кабелі 13. При цьому для вирівнювання струмів у фазах індуктора число модулів обрано кратним числу фаз, а при переході від одного модуля до іншого котушки окремих фаз змінюються по черзі місцями. Загальна кількість модулів індуктора, отже, і довжина двигуна вибираються залежно від необхідного тягового зусилля.

Електродвигун може бути оснащений штоком 14 для приєднання його до занурювального насоса плунжерного і штоком 15 - для приєднання до струмопідводу. При цьому штоки 14 і 15 з'єднані з гнучким індуктором 16 для запобігання передачі згинального моменту від занурювального насоса і струмопідведення на індуктор.

Електродвигун пройшов стендові випробування та працює наступним чином. При подачі на занурювальний електродвигун живлення від перетворювача частоти, розташованого на поверхні землі, в багатофазній обмотці двигуна з'являються струми, що створюють магнітне поле, що біжить. Це магнітне поле наводить вторинні струми як у високопровідному (мідному) шарі вторинного елемента, так і в сталевому корпусі двигуна.

Взаємодія цих струмів з магнітним полем призводить до створення тягового зусилля, під дією якого переміщається рухомий індуктор, що впливає через тягу плунжер насоса. В кінці ходу рухомої частини по команді датчиків відбувається реверсування двигуна за рахунок зміни чергування фаз напруги живлення. Далі цикл повторюється.

При діаметрі двигуна 117 мм, довжині індуктора 1400 мм, частоті струму індуктора 16 Гц електродвигун розвиває зусилля до 1000 Н та потужність 1,2 кВт при природному охолодженні та до 1800 Н при масляному.

Таким чином, заявлений двигун має прийнятні техніко-економічні характеристики для використання в комплекті з занурювальним плунжерним насосом для видобутку пластових рідин з середніх і великих глибин.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Циліндричний лінійний асинхронний двигун для приводу занурювальних плунжерних насосів, що містить циліндричний індуктор з багатофазною обмоткою, виконаний з можливістю осьового переміщення і змонтований усередині сталевого вторинного елемента, сталевий вторинний елемент являє собою корпус електродвигуна, внутрішня поверхня якого має високопровід. , Що циліндричний індуктор виконаний з декількох модулів, набраних з котушок фаз і з'єднаних між собою гнучким зв'язком, число модулів циліндричного індуктора кратно числу фаз обмотки, а при переході від одного модуля до іншого котушки фаз укладені з почерговою зміною розташування окремих фаз.

У 2010 році електроерозійні верстати Mitsubishi серії NA вперше були оснащені циліндричними лінійними двигунами, що перевершують у цій галузі всі аналогічні рішення.

У порівнянні з ШВП вони мають значно більший запас довговічності та надійності, з більш високою точністю здатні здійснювати позиціонування, а також мають кращі динамічні характеристики. В інших конфігурацій лінійних двигунів ЦЛД виграють за рахунок загальної оптимізації конструкції: меншого тепловиділення, вищої економічної ефективності, простоти монтажу, обслуговування та експлуатації.

Враховуючи всі ті переваги, які мають ЦЛД, здавалося б, навіщо мудрувати з приводною частиною обладнання? Тим не менш, не все так просто, і окреме, відокремлене, точкове вдосконалення ніколи не буде настільки ефективним, як оновлення всієї системи взаємопов'язаних елементів.

Привід осі Y електроерозійного верстата Mitsubishi Electric MV1200R

Тому застосування циліндричних лінійних двигунів не залишилося єдиною інновацією, реалізованою в приводній системі електроерозійних верстатів Mitsubishi Electric. Одним із ключових перетворень, що дозволило повною мірою використовувати переваги та потенціал ЦЛД для досягнення унікальних показників точності та продуктивності обладнання, була повна модернізація системи керування приводами. І, на відміну від власне двигуна, тут настав час для реалізації власних розробок.

Mitsubishi Electric є одним із найбільших світових виробників систем ЧПУ, переважна більшість елементів яких виготовляється безпосередньо в Японії. При цьому до складу корпорації Mitsubishi входить величезна кількість науково-дослідних інститутів, що ведуть дослідження, у тому числі й у галузі систем керування приводами, систем ЧПУ. Не дивно, що й у верстатах компанії практично вся електронна начинка власного виробництва. Таким чином, у них реалізуються сучасні рішення, максимально адаптовані під конкретну лінійку обладнання (безумовно, це набагато простіше зробити з власною продукцією, ніж з покупними компонентами), і за мінімальної ціни забезпечуються максимальна якість, надійність та продуктивність.

Яскравим прикладом застосування практично своїх розробок послужило створення системи ODS- Optic Drive System. У серіях верстатів NA і MV вперше були використані лінійні циліндричні двигуни в приводах подач, керовані через сервопідсилювачі третього покоління.

Верстати Mitsubishi NA і MV були оснащені першою у своєму роді приводною системою Optic Drive System

Ключовою особливістю сервопідсилювачів Mitsubishi сімейства MelServoJ3є можливість здійснення комунікацій за протоколом SSCNET III: зв'язок двигунів, датчиків зворотного зв'язку через підсилювачі із системою ЧПУ відбувається по оптоволоконних каналах зв'язку.

При цьому майже в 10 разів (порівняно із системами попередніх поколінь верстатів) збільшується швидкість обміну даними: з 5,6 Мбіт/с до 50 Мбіт/с.

За рахунок цього тривалість циклу інформаційного обміну скорочується вчетверо: з 1,77 мс до 0,44 мс. Таким чином, контроль поточного положення, видача коригувальних сигналів відбувається в 4 рази частіше - до 2270 разів на секунду! Тому переміщення відбувається більш плавно, яке траєкторія максимально наближена до заданої (це особливо актуально під час руху по складним криволінійним траєкторіям).

Крім того, застосування оптоволоконних кабелів та сервопідсилювачів, що працюють за протоколом SSCNET III, дозволяє значно підвищити схибленість (див. рис.) і надійність обміну інформацією. У тому випадку, якщо імпульс, що надходить, містить некоректну інформацію (результат впливу перешкод), то він не буде відпрацьований двигуном, натомість будуть використані дані наступного імпульсу. Так як загальна кількість імпульсів у 4 рази більша, такий пропуск одного з них мінімально впливає на точність переміщення.

У результаті нова система управління приводом завдяки застосуванню сервопідсилювачів третього покоління і оптоволоконних каналів зв'язку забезпечує більш надійний і в 4 рази швидший обмін даними, що уможливлює здійснення максимально точного позиціонування. Але на практиці дані переваги не завжди виявляються корисними, тому що сам об'єкт управління - двигун, в силу своїх динамічних характеристик не здатний відпрацьовувати керуючі імпульси такої частоти.

Саме тому найбільш виправданим є поєднання сервопідсилювачів j3із циліндричними лінійними двигунами в єдиній системі ODS, застосованій у верстатах серій NA та MV. ЦЛД через свої чудові динамічні властивості — можливості відпрацьовувати величезні та незначні прискорення, стабільно переміщатися на високих і низьких швидкостях, має величезний потенціал щодо підвищення точності позиціонування, реалізувати який допомагає нова система управління. Двигун легко відпрацьовує високочастотні керуючі імпульси, забезпечуючи точне і плавне переміщення.

Верстати Mitsubishi дозволяють отримувати деталі з визначними показниками точності та шорсткості. Гарантія на точність позиціонування – 10 років.

Однак переваги, які отримує електроерозійний верстат, оснащений системою ODS, не обмежуються виключно підвищенням точності позиціонування. Справа в тому, що отримання деталі з певною точністю і шорсткістю на електроерозійному верстаті досягається при переміщенні електрода (дроту) з певною швидкістю вздовж траєкторії та за наявності певної напруги та відстані між електродами (дротом та заготовкою). Величини подачі, напруги та міжелектродної відстані суворо визначені для кожного матеріалу, висоти обробки та бажаної шорсткості. Тим не менш, умови обробки не є строго визначеними, як не є однорідним і матеріал заготівлі, тому для отримання придатної деталі із заданими характеристиками необхідно, щоб у кожний момент часу параметри обробки змінювалися узгоджено зі змінами умов обробки. Це особливо важливо, коли йдеться про отримання мікронної точності та високих показників шорсткості. А також конче необхідно для забезпечення стабільності процесу (дрот не повинен рватися, не повинно бути значних стрибків за величиною швидкості переміщення).

Монітор обробки. Зеленим кольором показаний графік швидкості, який показує роботу адаптивного контролю

Це завдання вирішується за допомогою адаптивного контролю. Верстат самостійно підлаштовується під умови обробки, що змінюються, змінюючи величину подачі і напруга. Від того, наскільки оперативно і коректно вносяться ці поправки, залежить те, наскільки точно і швидко вийде деталь, що обробляється. Таким чином, якість роботи адаптивного контролю певною мірою задає і якість самого верстата через його точність та продуктивність. І тут якраз і виявляються повною мірою переваги використання ЦЛД та системи ODS загалом. Здатність ODS забезпечувати відпрацювання керуючих імпульсів з високою частотою і точністю дозволило значно підвищити якість адаптивного контролю. Тепер параметри обробки коригуються до 4 разів частіше, причому вище і загальна точність позиціонування.

Твердий метал, висота 60 мм, шорсткість Ra 0,12, макс. похибка – 2 мкм. Деталь отримана на верстаті Mitsubishi NA1200

Підбиваючи деякі підсумки, можна сказати, що застосування ЦЛД у верстатах Mitsubishi Electric не було б таким ефективним кроком, що дозволило б досягти нових висот як точності, так і продуктивності обробки без впровадження оновленої системи управління.

Тільки комплексні, проте повністю обгрунтовані і перевірені зміни в конструкції можуть стати ключем до підвищення якості (як сукупного показника рівня надійності та технологічних можливостей обладнання) і конкурентоспроможності верстата. Changes for the Better – ось девіз компанії Mitsubishi.