Использование электродинамических усилий в электроэнергетике и нефтегазовой промышленности

Во многих отраслях промышленности используются механизмы на основе электродинамических усилий (ЭДУ). Например, электродинамические (ЭДМ) и индукционно-динамические механизмы (ИДМ) применяются в электроэнергетике, в нефтяной и газовой промышленности.

ЭДМ и ИДМ являются механизмами импульсного действия. В результате этого достигается высокая плотность магнитной энергии в зазоре между проводниками с токами, что вызывает появление больших (до

200 кН и более) ЭДУ, действующих на проводники. Так как подвижные массы этих механизмов небольшие, то электродинамические силы вызывают значительное ускорение движущихся частей. Поэтому ЭДМ и ИДМ обладают высоким быстродействием.

В нефтегазовой отрасли используют электродинамические усилия в установках для разрушения твердых сред, например, горных пород. Данное изобретение носит название электродинамический ударный механизм [5].

Принцип действия электродинамического ударного механизма заключается в применении электродинамических усилий, преобразовывающихся под действием специального механизма в механическую работу по разрушению материала.

Схема рассматриваемого устройства представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Электродинамический ударный механизм ( 1 -корпус, 2 – индуктор из магнитопровода, 3 – каркас, 4 – двухсекционная обмотка, 5 – диамагнитные шайбы, 6 – якорь-ударник, 7 – упругий элемент.

В исходном состоянии незначительной силой реакции упругого элемента 7, действующего между корпусом 1 и якорем-ударником 6, секции обмотки индуктора 4 плотно прижимаются к диамагнитным шайбам 5.

При подключении обмотки индуктора 4 к источнику тока в ней протекает рабочий ток, который вызывает образование внутри короткозамкнутых витков, выполненных в виде диамагнитных шайб 5, вихревых токов. Электромагнитные поля рабочего тока в секциях 4 обмотки индуктора и вихревых токов в короткозамкнутых витках, взаимодействуя между собой, обуславливают возникновение электродинамических усилий. Эти интенсивные силы отталкивания между диамагнитными шайбами 5 и секциями 4 обмотки индуктора действуют на якорь-ударник 6.

На основе действия этого принципа известен электродинамический ударный механизм, включающий в себя корпус с установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения рабочим инструментом и неподвижным импульсным индуктором [2]. В данном устройстве длительность и частоту ударного импульса можно регулировать за счет изменения длительности и частоты электрического импульса в катушке-индукторе. Однако недостатком данного устройства является низкий коэффициент полезного действия, так как ударное воздействие на разрушаемый материал передается через промежуточное звено – волновод, имеющий вид стержнеобразного элемента.

Улучшенной версией является ударный механизм электродинамического действия, имеющий некоторые конструкционные особенности [3]. Коэффициент полезного действия данного устройства значительно выше предыдущего, так как практически вся электрическая энергия, преобразованная на статоре, через рабочий инструмент передается разрушаемому материалу. А наличие пружинных амортизаторов снижает динамические нагрузки на корпус преобразователя и поддерживающего элемента.

В настоящее время из большого количества разнообразных электромагнитных приводов в электроэнергетике наиболее популярным и перспективным является индукционно-динамический механизм (ИДМ).

Индукционно-динамические приводы благодаря простоте конструкции и наиболее широко применяются в быстродействующих коммутационных аппаратах как для непосредственного воздействия в них на контакты, так и в качестве расцепителей. Основными элементами конструкции привода являются цилиндрическая катушка 1, проводящий диск 2, магнитная система 3 (конденсаторная батарея и система управления, обеспечивающая ее предварительный заряд и последующий разряд на катушку в аварийном режиме) [6].

Рис. 2. Модель индукционно-динамического привода с витой катушкой (слева) и диском (справа).

Принцип действия привода основан на отталкивании проводящего диска от торцов катушки в момент начала аварийного процесса. В этот момент системой управления обеспечивается подключение катушки к батарее. В процессе ее разряда в диске наводятся вихревые токи. Электродинамические усилия, характеризующие взаимодействие токов катушки и диска, отталкивают диск от неподвижной катушки и приводят в действие механизм отключения быстродействующего коммутационного аппарата [1].

Одним из наиболее распространенных типов ИДМ является ИДМ с диском (рис. 2). Основное их достоинство в том, что подвижный элемент 2 (диск) не связан с катушкой-индуктором 1. В связи с этим механическая износостойкость индукционно-динамических механизмов может быть весьма высокой. Источником энергии ИДМ служит, как правило, емкостный накопитель энергии (ЕНЭ).

Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) относятся к разряду наиболее мощных энергоисточников, они представляют собой батарею конденсаторов, заряжаемых от сети переменного тока через выпрями-тель.Энергию, накопленную в конденсаторе можно в тепло, получая при этом необходимую работу [4]. ЕНЭ обеспечивают надежность электросети, бесперебойное питание, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса, уменьшение природного топлива в связи с меньшимиэнергозатратами. Благодаря этим качествам, их используют в индукционно-динамическом приводе.

Для зарядки ЕНЭ могут быть использованы маломощные зарядные устройства. Вследствие малой удельной энергоемкости, создание ЕНЭ с запасаемой энергией более 10 МДж затруднительно. Так же его недостатком является трудность регулирования и стабилизации напряжения заряда [7].

В настоящее время разработаны так называемые «суперконденсаторы», которые представляют собой конденсаторы с двойным электрическим слоем. Они отличаются от обычных импульсных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред [8].

Основными преимуществами суперконденсаторов, по сравнению с обычными являются: более высокие скорости зарядки и разрядки, слабая деградация после сотен тысяч циклов, малый вес, низкая токсичность материалов, высокая эффективность. Но в тоже время, они являются очень дорогими, и существует необходимость изменения полярности батарей при переключениях из заряда в разряд и напряжение зависит от степени заряженности.

Таким образом, благодаря механизмам на основе ЭДУ решаются важнейшие задачи в промышленности. Использование ЭДМ и ИДМ актуально на сегодняшний день, поэтому стоит задача совершенствования конструкции приводов, а также повышения быстродействия и надёжности конденсаторных батарей.