Электропривод пружинный для борьбы с гололедом воздушных линий

Автор: Исмагилов Флюр Рашитович, Янгиров Ильгиз Флюсович, Максудов Денис Вилевич, Каланов Харис Халилович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power

Рубрика: Электроэнергетика

Статья в выпуске: 2 т.17, 2017 года.

Бесплатный доступ

Разработана оригинальная многофункциональная конструкция электропружинного двигателя (ЭПРД). Создана математическая модель ЭПРД, получены выражения для определения силовых приводных характеристик и чувствительности в зависимости от геометрических размеров и магнитных характеристик. Разработанная конструкция ЭПРД экономична, технологична и проста в эксплуатации относительно известных устройств по борьбе с гололедом воздушных линий (ВЛ).

Гололед, воздушная линия, математическая модель, пружина, электропривод

Короткий адрес: https://sciup.org/147158398

IDR: 147158398   |   DOI: 10.14529/power170204

Текст научной статьи Электропривод пружинный для борьбы с гололедом воздушных линий

В работе рассматривается один из вариантов борьбы с гололедом воздушных линий (ВЛ) в виде электромеханического устройства. Эта проблема является актуальной проблемой в современной энергетике.

Решение задачи

Электропружинный двигатель (ЭПРД) (см. рисунок) содержит полый корпус 1, внутри которого имеется ось 5 по всей длине корпуса. На ось свободно одеты инерционное кольцо 4 с возможностью перемещения вдоль нее, а также электропроводящая цилиндрическая пружина 3, которая одним концом жестко закреплена на головке корпуса, а другим связана с кольцом. В головке корпуса установлены блоки питания и управления 2,

имеющие автономное питание с целью создания импульсного напряжения. При получении импульса напряжения по электропроводящей пружине протекает ток, причем имеющий одинаковые направления в соседних ветвях. Между витками возникает притягивающая электродинамическая сила, вследствие чего пружина сжимается. Когда импульс тока равен нулю, пружина разжимается с кольцом и на корпус двигателя действует импульс реактивной движущейся силы. Дальше процесс повторяется и движение двигателя стабилизируется. Конструкция проста, надежна, удобна в эксплуатации. Такой двигатель найдет в перспективе в современной энергетике. Двигатели такой конструкции найдут широкое также применение в дви-гателестроении, машиностроении, приборостроении, медицине.

Рис. 1. Электропружинный двигатель

Электроэнергетика

Математическая модель ЭПРД выглядит следующим образом:

d 2 Sw d rw2

2 sw dtw

1     d Sw

+ — x-w rw  d rw

2 sw rw 2

, 1 2 S 2 s w = P--- x — w ,

E    d t

d s

+ 2 n Ex — +®0 Sw d t

= - 2 n A вх sin ю t x s w (1) +

+ <

i 2 ( "2"

VL

dL 0 w + 2 NN dM 0 w , n

Z Z

dL 0 w     1 1 dr 0 w

ew = Bо lw    + iR + di d t       dr

N

N

NN

+ TKl Тк Lw

NN

Z L 0 w + 2 ZZ M 0 w , n

( N

+i I Z KLw V 1

di

iR +-- dr

N

NN ddw+2ZZ к

NN

-      dS w )

Mw , n i, I , , dt J

di

+— dt

Mw , n

-J

( N

+ B 0 il

s w ,

NN

Z K Lw S w + ZZ K мw , n S w I +

Z L о w + 2 ZZ M о w , n

di

+— dt

N

NN

Z K tw S w + ZZ Kmw , n S w

( N ds NN      ds )

+ i У к^—- + 2 У У Kмwn—w ,

I Z dt ZZ Mw , n dt J ,

s w L    = 0,

| rw = '0

s w = N L = 1, rw = r 0

где sw - радиальное перемещение w -го витка спирали; E - модуль упругости первого рода; ц - коэффициент Пуассона; n E - коэффициенты трения и демпфирования; ю 0 - частота собственных колебаний; ю - частота вынужденных колебаний; rw ‒ радиус w -го витка; lw ‒ длина участка витка; B 0 ‒ индукция магнитного поля; sw (1) ‒ форма колебаний спирали магнитного поля; R ‒ активное сопротивление спирали; e ( t ) ‒ подводимое напряжение; L 0 w и M 0 w ‒ индуктивность и взаимоиндуктивность спирали в статическом состоянии; KL 0 w , KMin ‒ некоторые конструктивные постоянные.

Система дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами представляет собой математическую модель обобщенной конструкции ЭПРД с пружинным вторичным элементом и позволяет исследовать характеристики ЭПРД.

В случае подключения электропроводящей механической пружины к синусоидальному источнику тока i = I m sinω t поставленная задача упрощается и выкладки становятся более наглядными. При этом уравнение колебания точки приведения системы будет иметь вид

x + 2 n Ex + ю0 x =

= Z S w (1) ^

Im 2 2

Z dL ». + 2 Z dM »^ I+I Z K L, + 2 ZZ к м,., dr 0w         dr 0 w J V

sin 2 ю t + B0I m l sin ю t > .

Решение полученного уравнения находится как сумма решений вида:

z sw (1) im x1 =--------T"

4 M пр ю 0

(у dhow + 2 у dM Ну к + 2у у к LVZ dr,w  Z ar,w J Vz w ZZ n

,

x 2 =

z s w, (1) i m

4 M ^Va - 4 q 2 ) + 16 D 2 q 2

dM 0 w dr 0 w

+ 2 у dM Ow У Гу к  2 у у к

Vw            V wn dr0 w J V

cos ( 2 ю t + ф 2 ) , (3)

Zv S w (1) I m B 0 l          /        \

x 3 =-------- ,                      - sin ( ю t + Ф з ) .

m пр ю 07 (1 - q 2 ) 2 + 4 d 2 q 2

Суммарное результирующее усилие, развиваемое пружинным ЭПРД в режиме вибродвигателя, находится из второго закона Ньютона [1, 2] как произведение приведенной массы на ускорение точки приведения системы

A

F   M пр

V

d 2 x 1 + d 2 x 2 dt 2     dt 2

d 2 x

+----:

dt

J

.

Исмагилов Ф.Р., Янгиров И.Ф., Максудов Д.В., Каланов Х.Х.

Общая формула для расчета характеристики электропружинного двигателя к   to2y m

F s   s sw (1) ^

to o

dl^w + 2У ydMw Uy K + 2 у ук lw            мwn dr0w          drow J V

7 (1 4 q 2 ) + 16 D 2 qq .     I m B0       sin ( 2 to t + Ф3)

7 (1 q 2 ) 2 + 4 D 2 q 2    '         '

- cos ( 2 to t + Ф 3 )

.

Из полученного выражения видно, что электродинамическое усилие двигателя представляет собой сумму сил с частотой питающего источника и двойной частотой источника. ЭПРД с пружинным вторичным элементом представляет также интерес как генератор низкочастотных колебаний, поэтому необходимо, чтобы выполнялось неравенство F S (2 to ) ^^ F S M ( to ) для исключения нежелательные вибрации с двойной частотой.

Этого можно добиться исключительно варьированием геометрических размеров пружины – шага витка, поперечных размеров, а также увеличением индукции первичного магнитного поля. В случае необходимости генерации колебаний двойной частоты необходимо исключить постоянное магнитное поле. Из этих соображений усилие, развиваемое электропружинным двигателем, находится в общем случае из соотношения

F S M

  • = I m B 0 l ^ ,    S uw " '      sin (to t + ^ .


to 0 7(1 q 2 ) 2 + 4 d 2 qq

Необходимо рассмотреть предельные частные случаи для режима двигателя.

  • 1.    Аргумент функции Бесселя бесконечно малая величина. В этом случае соотношение для действую-

  • щего усилия имеет вид

17-^ Г Д / R 1 R 0    V1    — Y0        qq

F =    ImB01/

  • 2        R 0 — Y 0 R 1 w = 1 Y W J (1 q 2 ) 2 + 4 D 2 q 2

или переходя к геометрическим размерам

N2    22

f-2± t r i   R 0  У r w r 0 q_______

F      ImB0l  2   2 ^.

  • 2    R 0 r 0 w = 1   r w   7(1 q 2 ) 2 + 4 d 2 q2

    2. Аргумент функции Бесселя бесконечно большая величина. Действующее усилие в этом случае


    „ V2 _ .

    F = — ImBol

    2 m 0


    E sin ^ 1 0 Y


    w



    q 2


    . f l0R  n)       f l0R0  n)    1(1-a2)2 +4D2a2

    sin -°-0- — — A cos '  — W q ) + 4 Dq

    V R 1    4 J       V R 1    4 J



и для двухвитковой пружинной машины с бесконечно большими геометрическими размерами

F

V2 _ .

= —ImBol

2 m 0

q 2 ) 2 + 4 D 2 qq

что совпадает с формулой, полученной ранее для расчета классических электрических машин в режиме вибрационных колебании с линейными геометрическими размерами [3, 4].

В соответствии с законом Ампера

2 n INBr = F S ,                                                                                (12)

где N – число витков пружины; r – радиус витка пружины; B – индукция в пружине; I – ток в витках пружинного привода. Магнитная индукция, создаваемая в пружине, определяется выражением

B =

Fs

2 n IVr

а сила тока в витках механической пружины

I =     U вх

7R2 + w 2 1 2 ,

где R – активное сопротивление цилиндрической пружины; U вх – напряжение источника питания. При подстановке (14) в (13)

R P 7R27

B = Fy--------

S  2nNUBX вх

.

Электроэнергетика

Чувствительность ЭПРД e=dB.                              (16)

dt

Малое перемещение ЭПРД за один такт работы F kx = F ^ x = 5 = — ,                (17)

k где k – жесткость пружины

Время перемещения ЭПРД по воздушной линии за один такт at2         2S

S = — ^ t = —,                (18)

2a из Fs = (M + m) a ускорение перемещения a =

Fs  ,

M + m ’

где М – масса установки; m – масса инерционного элемента.

Время работы пружинного привода

1 2 ( M + m )

t = \ k ’ а скорость движения ЭПРД по ВЛ

9 = F — ---?.

k ( M + m )

Таким образом, получены все необходимые соотношения для проектирования ЭПРД по техническим требованиям испытуемого объекта.

Выводы

  • 1.    Разработана оригинальная многофункциональная конструкция ЭПРД.

  • 2.    Создана математическая модель ЭПРД, получены выражения для определения силовых приводных характеристик и чувствительности в зависимости от геометрических размеров и магнитных характеристик.

  • 3.    Разработанная конструкция ЭПРД экономична, технологична и проста в эксплуатации относительно известных устройств по борьбе с гололедом ВЛ.

Список литературы Электропривод пружинный для борьбы с гололедом воздушных линий

  • Герасимов, В.Г. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий/В.Г. Герасимов, В.В. Клюев, В.Е. Шатерников. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -265 с.
  • Пат. 2028835 Российская Федерация. Устройство для возбуждения крутильных колебаний/И.Х. Хайруллин, И.Ф. Янгиров, Ф.Р. Исмагилов, Т.И. Хайруллин. -Опубл. 20.02.1995, Бюл. № 5. -3 с.
  • Янгиров, И.Ф. Электромеханические преобразователи/И.Ф. Янгиров. -М.: Машиностроитель, 2005. -№ 8. -С. 14-15.
  • Янгиров, И.Ф. Датчик перемещений и ускорений/И.Ф. Янгиров//Изобретатели машиностроению. -2002. -№ 1. -С. 46.
Статья научная