Новый рабочий цикл двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка

Электромагнитные машины для импульсных и виброимпульсных технологий нашли широкое практическое применение в различных отраслях промышленности [1–7].

Среди данного класса машин в особенности следует выделить линейные синхронные электромагнитные машины как обладающие наиболее высокими удельными энергетическими показателями, для которых механическая частота колебаний бойка (якоря), разгоняемого электромагнитными силами, равна или кратна частоте промышленной сети 50 Гц [8–10].

Методы расчета и проектирования электромагнитных машин широко известны и, несмотря на это продолжают совершенствоваться [11–19].

Существенная роль в решении вопросов энергосбережения электромагнитных машин и устройств, созданных на их основе, отводится изучению процессов энергопреобразования [20–27].

Актуальность и научная значимость вопроса

Импульсный характер отбора мощности при питании данных машин от источника напряжения промышленной частоты ограничивает в значениях энергии единичного удара, определяемые допустимой импульсной мощностью самого источника. В особенности эта проблема актуальна для элек- тромагнитных машин, имеющих синхронную частоту ударов 50 с–1 (3000 уд/мин) [28].

Поэтому одним из перспективных направлений создания электромагнитных машин с повышенной энергией удара является создание новых рабочих циклов и способов управления, обеспечивающих снижение амплитуды тока и влияние работы электропривода на питающую сеть.

Полученные в [29] результаты качественного анализа рабочих циклов этих машин показывают принципиальную возможность в реализации рабочих циклов с механической импульсной мощностью на выходе, сопоставимой или превышающей импульсную мощность источника, без дополнительного использования для этих целей внешних накопительных устройств.

Постановка задачи и способ её решения

В практике создания электромагнитных машин ударного действия, отличающихся повышенной энергией удара, задача снижения влияния работы электропривода на питающую его сеть решается либо за счет использования в схеме управления промежуточных конденсаторных накопителей энергии, либо за счет увеличения числа последовательно установленных катушек, обеспечивающих многократный разгон бойка в магнитном поле электромагнитными силами [3–5].

Однако в первом и во втором случаях решение проблемы подобным образом приводит к увеличению общей массы электропривода.

Среди многокатушечных конструкций наибольшее практическое применение получил вариант схемы двухкатушечной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка [25, 30]. Основным отличием двухкатушечного варианта схемы является то, что в качестве реверсирующего устройства используется массивный буфер, с помощью которого осуществляется изменение направления движения бойка за счет его соударения с большей массой, движущейся ему навстречу. Постоянное воздействие на боек электромагнитных сил за счет перекрытия времени действия тяговых усилий катушек рабочего и обратного хода, несмотря на некоторое снижении к.п.д. обеспечивает устойчивые режимы работы машины в широком диапазоне изменения коэффициента отскока бойка от рабочего инструмента.

Для реализации рабочего цикла в известном способе управления [25] используются две полуволны напряжения, что обеспечивает частоту ударов, равную частоте питающей сети при питании катушек по однополупериодной схеме выпрямления. Дальнейшее увеличение энергии единичного удара в известном способе управления возможно только за счет увеличения амплитуды тока, что только усилит влияние работы электропривода на питающую сеть.

Целью настоящей работы является решение задачи увеличения энергии единичного удара в варианте схемы двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка за счет использования нового рабочего цикла и реализация нового способа управления, позволяющего уменьшить влияние работы электропривода на питающую сеть.

Методы исследований основаны на детальном описании составляющих баланса энергии электромеханической системы, за полный рабочий цикл энергопреобразования учитывающего в соответствии с новым способом управления строгую последовательность взаимодействия всех элементов конструкции ударного узла.

В предлагаемом рабочем цикле двухкатушечной синхронной электромагнитной машины разгон бойка электромагнитными силами осуществляется за три полуволны напряжения вместо двух в известном рабочем цикле, что позволяет повысить энергию единичного удара без увеличения амплитуды тока.

Один из возможных вариантов исполнения ударного узла, объединяющего в себе элементы магнитной и механической подсистемы, двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка приведен на рис. 1. В соответствии с реализованным способом управления на рис. 2 приведен новый рабочий цикл в виде диаграммы перемещения х бойка, напряжения u и тока i катушек рабочего и обратного хода, получающих питание от полуволн напряжения переменного однофазного источника промышленной частоты согласно с заданным алгоритмом.

Ударный узел (см. рис. 1) содержит рабочий инструмент 1 , определяющий ударную массу боёк 2 , магнитопровод 3 , установленные на одной оси внутри магнитопровода намагничивающие катушки рабочего 5 и обратного 6 хода и расположенное в задней части реверсирующее устройство, выполненное в виде инерционного преобразователя 7 , связанного с возвратной пружиной 4 .

Для реализации рабочего цикла используется система из двух катушек. В отличие от своего аналога [25, 30] катушка обратного хода обеспечивает разгон ударной массы электромагнитными силами в двух направлениях. Конструктивным отличием является разная длина катушек, определяемая временем движения бойка при синхронизации его механических колебаний с частотой питающего источника.

Работа ударного узла электромагнитной машины осуществляется в следующем порядке. При подаче импульса напряжения на катушку 5 рабочего хода боёк 2 наносит удар по рабочему инструменту 1 и после отскока от инструмента разгоняется в обратном направлении под действием электромагнитных сил разворачивающегося электромагнитного поля катушки 6 обратного хода, нанося удар в конце хода по инерционному преоб-

Рис. 1. Вариант исполнения ударного узла двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка

Рис. 2. Новый рабочий цикл двухкатушечной электромагнитной машины

разователю 7 , движущемуся навстречу бойку за счет действия упругих сил сжатия возвратной пружины 4 . Одновременно при выходе бойка 2 из положения магнитного равновесия относительно полюсной системы катушки обратного хода на катушку 6 подается повторный импульс напряжения. Боёк 2 после обмена ударами с инерционным преобразователем 7 изменяет свою скорость движения на противоположную и под действием электромагнитных сил катушки 6 обратного хода движется в направлении рабочего инструмента 1 . Далее импульс напряжения подается на катушку 5 рабочего хода. При входе в полюсную систему катушки рабочего хода боёк под действием электромагнитных сил этой катушки ускоренно перемещается в направлении рабочего инструмента и наносит по нему удар. Одновременно после обмена ударами с бойком инерционный преобразователь 7 отходит в противоположную движению бойка 2 сторону и сжимает пружину 4 , чтобы снова начать свое движение навстречу возвращающемуся после нанесения удара по рабочему инструменту бойку. Далее цикл повторяется.

Работа ударного узла осуществляется при полной синхронизации по времени работы электрической, магнитной и механической подсистем электропривода с помощью заданного алгоритма управления.

Полный рабочий цикл ударного узла при заданном способе управления будет превышать время одного периода напряжения питающего источника, и при частоте f = 50 Гц будет обеспечивать синхронную частоту ударов бойка n _уд и длительность времени рабочего цикла t _уд :

nv„ = 60f- = 2000 уд/мин ; t = — = 0,03 с, уд 2 р ц f где 2р = 1,5 - число периодов напряжения.

В соответствии с цикличностью повторяющихся процессов энергопреобразование рассмотрим только за время одного рабочего цикла на идентичных процессу интервалах времени в указанной на диаграмме (см. рис. 2) последовательности.

Для упрощения анализа силами сопротивления движению бойка пренебрегаем. Также полагаем, что на момент времени t = 0 механическая система обладает определенным начальным запасом кинетической энергии, приобретенной в предыдущем цикле в результате отскока бойка от рабочего инструмента.

Первый этап энергопреобразования совместим со временем возврата бойка после нанесения удара по рабочему инструменту. Данный этап начинается с момента времени t = 0 (см. рис. 2) и совпадает со временем подачи импульса напряжения на катушку обратного хода.

На интервале времени 0... t 1 катушка рабочего хода обладает остаточным запасом магнитной энергии и при выходе бойка из положения магнитного равновесия относительно полюсной системы катушки процесс энергопреобразования изменится на обратный и будет характеризоваться электромагнитным торможением. Электрическая энергия катушкой рабочего хода не потребляется. Механическая работа внешних сил, затраченная на преодоление электромагнитного торможения бойка, преобразуется в магнитную энергию с последующим преобразованием в электрическую энергию и рекуперируется обратно в сеть, компенсируя при этом энергию тепловых потерь катушки рабочего хода.

Уравнение энергетического баланса катушки t ₁

^{A W} м.рх ( х , t ) + J f эм.рх vdt =

t1

= J i рх ^Rр х dt + ^A ^ эл.рх ⁽ х , t ) , 0

где Awмрх (х, t) - остаточная энергия магнитного поля катушки рабочего хода от предыдущего цикла; fэм.рх – электромагнитная сила катушки рабо- чего хода, равная электромагнитному торможению бойка; v – скорость движения бойка, iр2хRрх – мощность тепловых потерь катушки рабочего хода; iрх , Rрх – соответственно ток и сопротивление

Кинетическая энергия бойка к моменту времени t2 составляет v2                2

f mvdv = —-

J 2

.

катушки рабочего хода; A w _элрх ( х , t ) - электриче-

В момент времени t2 на катушку обратного ская энергия, генерируемая в сеть катушкой рабо- чего хода.

На интервале времени 0. t2 (см. рис. 2) движение бойка в направлении инерционного преобразователя осуществляется под действием электромагнитных сил катушки обратного хода с некоторым запасом кинетической энергии приобретенной при отскоке бойка от рабочего инструмента. Электрическая энергия, потребляемая из сети катушкой обратного хода, расходуется на изменение кинетической энергии бойка при его ускорении, компенсацию энергии тепловых потерь и приращение энергии магнитного поля катушки, а также на преодоление внешних сил на интервале 0. t1, электромагнитного торможения бойка катушкой рабочего хода.

С учтенным запасом кинетической энергии уравнение баланса энергий катушки обратного хода следует представить в виде t 2

2 „ \    . mv 0

IL iox — iox Rx dt +--= ох ох ох ох

v2

= J mvdv + AWм.ох (х, t) , где u i – мощность источника; u , i – соот-ох ох                                  ох ох ветственно напряжение и ток катушки обратного mv2

хода; 0 – запасенная кинетическая энергия бойка при отскоке от рабочего инструмента; m , v0 – соответственно масса и начальная скорость бойка; v2 – скорость бойка в момент времени t2 ;

A w _{m ох} ( х , t ) - энергия магнитного поля катушки обратного хода.

v2

Составляющая J mvdv правой части уравне- 0

ния баланса определяет кинетическую энергию бойка в конце интервала, которая составляет v2           mv 2 t2               t1

J mvdv = —° + J f эм.ох vdt ^— J f эм.рх ^vdt ,

0             2 0              0

t1

где J f _)мрх vdt - работа электромагнитных сил при 0

торможении бойка катушкой рабочего хода; t ₂

J f _)м . _ох vdt - работа электромагнитных сил катуш- 0

ки обратного хода.

хода подается отрицательная полуволна напряжения. Интервал времени t ₂ . . t 3 характеризуется выходом бойка из положения магнитного равновесия относительно полюсной системы катушки обратного хода и его электромагнитным торможением. Процесс энергопреобразования изменится на обратный, так как внешние силы продолжающего движение в направлении инерционного преобразователя бойка превышают электромагнитное усилие разворачивающегося электромагнитного поля катушки.

Ввиду имеющих место сложности и неоднозначности энергопреобразовательного процесса на данном интервале, на который в значительной степени оказывают влияние внешние условия, процесс энергопреобразования может протекать без потребления электрической энергии.

Механическая работа, затраченная на преодоление электромагнитного торможения бойка, преобразуется в магнитную с последующим преобразованием в электрическую энергию и рекуперацией обратно в сеть, компенсируя при этом энергию тепловых потерь катушки

t3

^A w M» ( х , t ) ⁺J ^f >м.ох vdt =

t2

t3

= J i ох R ох ^{dt + A} w эл.ох ^{( х} , t ) , t ₂

t3

где J f э _мох vdt - механическая работа по преодо- t ₂

лению электромагнитного торможению бойка; A W э _л . _о x ( х , t ) - электрическая энергия, рекуперируемая в сеть.

В приведенном уравнении энергобаланса предполагается, что часть магнитной энергии A w _M .ox ( х , t ) , запасенной системой на предыдущем интервале энергопреобразования, может быть также затрачена на покрытие тепловых потерь катушки или частично преобразована в электрическую энергию и рекуперирована обратно в сеть.

В точке а на кривой хода (см. рис. 2), соответствующей времени t ₃ , выполняется реверс бойка и изменение скорости его перемещения на противоположную. При реверсе происходит энергообмен ударом между бойком и движущимся ему навстречу с большей массой инерционным преобразователем.

В момент энергообмена ударом инерционный преобразователь также меняет свою скорость дви- жения на противоположную и его кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную при сжатии демпферной пружины

2x m v2   2

-----= kx dx ,

x1

где k – коэффициент жесткости пружины; kx – усилие сжатия пружины; m _п , v _п – соответственно масса инерционного преобразователя и его начальная скорость в момент удара.

На интервале 13.. 14 (см. рис. 2) движение бойка осуществляется только под действием электромагнитных сил катушки обратного хода в направлении рабочего инструмента. Электрическая энергия, потребляемая из сети катушкой обратного хода, расходуется на изменение кинетической энергии бойка при его ускорении, компенсацию энергии тепловых потерь и приращение энергии магнитного поля катушки. Учитывая, что движение бойка на рассматриваемом интервале осуществляется с начальным запасом кинетической энергии, приобретенной в результате энергообмена при ударе с инерционным преобразователем, уравнение энергобаланса запишется в виде t4

2          mv _н ²

'ОХ ^ ох — i ox R ox I dt += ох ох ох ох        2

t3 v4

= J mvdv + A w „.ox ( х , t ) ,

v3

mv ²

где н – кинетическая энергия бойка при энерго обмене с инерционным преобразователем.

Полная кинетическая энергия бойка в конце интервала на момент времени t4 составляет v4

J mvdv = v3

t ₄

2t mvн + J4

t3

где J f эм ох vdt - работа электромагнитных сил t ₃

катушки обратного хода по изменению кинетической энергии бойка.

Интервал времени t 4... t 5 характеризуется выходом бойка из положения магнитного равновесия относительно полюсной системы катушки обратного хода и его электромагнитным торможением. За счет имеющего места начального запаса магнитной энергии катушки процесс энергопреобразования изменится на обратный, так как внешние силы движущегося в направлении рабочего инструмента бойка будут превышать усилие его электромагнитного торможения.

На данном интервале электрическая энергия катушкой обратного хода не потребляется. Механическая работа внешних сил, затраченная на преодоление электромагнитного торможения бойка, преобразуется в магнитную, пополняя имеющийся запас магнитной энергии, с последующим ее преобразованием в электрическую энергию и рекуперацией обратно в сеть, компенсируя при этом энергию тепловых потерь

t5

^A " мох ( х , t ) ⁺ J f эм.ох vdt =

t4

t5

= J i ох R ох dt ^{+ A} " эл.ох ⁽ х , t ) ,

t4

t5

где J f _эмох vdt - работа внешних сил по электро- t ₄

магнитному торможению бойка.

В этот же период времени, на интервале 14.16, импульс напряжения поступает на катушку рабочего хода. Электрическая энергия, потребляемая из сети катушкой рабочего хода, расходуется на изменение кинетической энергии движущегося в направлении рабочего инструмента бойка, ком- пенсацию энергии тепловых потерь, приращение энергии магнитного поля катушки, а также на компенсацию на интервале 14.15 электромагнитного торможения бойка катушкой обратного хода t6

J ( u рх i рх ^— i рх ^R рх ) ^dt =

t4

v6              t5

= J mvdv + J f эм.ох ^{vdt + A} и мрх ( ^х , t ) .

v4            t4

В момент времени t6 боёк наносит удар по рабочему инструменту. Кинетическая энергия бойка за полный рабочий цикл будет определяться суммарной работой электромагнитных сил по его перемещению при обратном и рабочем ходе, что будет соответствовать балансу энергий v4           v6

J mvdv + J mvdv =

v3           v4

mv у²д 2

mv у²д где

– кинетическая энергия бойка по завер- шению рабочего цикла; vуд – предударная ско- рость бойка.

Энергия электромагнитной машины, передаваемая рабочему инструменту по завершении рабочего цикла, составляет

A _уд

(1 — k от )

mv у²д 2

где k _от – коэффициент отскока бойка от рабочего инструмента ( k _от = 0,1 . 0,4)

Таким образом, увеличение энергии единичного удара в варианте схемы двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерцион- ным возвратом бойка достигается увеличением времени рабочего цикла и уменьшением частоты ударов бойка.

Практическая значимость

Реализованный алгоритм и способ управления синхронным электромагнитным двигателем, заключающийся в поочередной подачи за время рабочего цикла трех полуволн питающего катушки напряжения, в отличие от известного способа управления, отличает то, что первые две полуволны подают на катушку обратного хода, а третью полуволну – на катушку рабочего хода с повторением указанной последовательности подачи полуволн напряжений без паузы между ними.

Новизна предлагаемого технического решения и нового способа управления синхронной электромагнитной машиной ударного действия подтверждена патентом на изобретение [31].

При данном способе управления катушка обратного хода обеспечивает разгон ударной массы в двух направлениях, а катушка рабочего хода – только в одном направлении.

В сравнении с известным способом управления в варианте схемы двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка реализация нового рабочего цикла обеспечивает при условии сохранения энергии удара бойка на прежнем уровне уменьшение влияния работы электропривода на питающую сеть за счет ожидаемого снижения амплитуды тока до 35 %.

Заключение

На примере нового рабочего цикла двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка и реализованного на его основе способа управления выполнен детальный анализ составляющих баланса энергии электромеханической системы за время полного рабочего цикла энергопреобразования, учитывающего строгую последовательность синхронно взаимодействующих элементов конструкции ударного узла и поступающих на катушки импульсов напряжения питающего однофазного источника промышленной частоты.

Применение нового способа управления, в сравнении с известными, обеспечивает более высокую концентрацию энергии в конце рабочего цикла за счет ее частичной локализации в элементах конструкции колебательной системы ударного узла с последующим ее преобразованием в период рабочего хода в кинетическую энергию движения бойка и энергию ударного импульса.

Реализация нового рабочего цикла в двухкатушечной синхронной электромагнитной машине с инерционным реверсом бойка по сравнению с известным рабочим циклом позволяет повысить энергию единичного удара без увеличения влияния работы электропривода на питающую сеть.