CC BY
27
6. Татевосян А. А., Осинина Е. В. Исследование динамических характеристик линейного магнитоэлектрического привода для испытания вязкоупругих свойств эластомеров // Электротехнические комплексы и системы. 2014. Т. 10, № 4. С. 32-44.
УДК 621.373.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО УСТРОЙСТВА
ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
DETERMINATION OF PARAMETERS OF THE SCHEME OF SUBSTITUTION OF THE ELECTRIC IMPULSE DEVICE CLEANING THE SURFACE FROM CONTAMINATION
А. С. Татевосян, А. А. Татевосян, Н. В. Захарова, А. А. Лукачева
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. S. Tatevosyan, A. A. Tatevosyan, N. V. Zaharova, A. A. Lukacheva
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Электростатические фильтры очистки газообразных сред от угольной пыли широко используются на предприятиях топливно-энергетического комплекса. С их помощью происходит разделение материалов методом выделения дисперсных частиц с использованием электростатического эффекта и дезодорации. При работе электростатических фильтров на электродах-пластинах постоянно происходит накопление слоя угольной пыли. С увеличением слоя угольной пыли качество очистки фильтрами газообразной среды резко снижается, что вызывает потребность проведения периодического обслуживания по их очистке. В мощных производственных установках осадительные и кронирующие пластины-электроды механически встряхивают, при этом осаждаемый на электродах слой угольной пыли под действием силы тяжести осыпается в специальный бункер и затем утилизируется. Среди известных методов очистки электродов-пластин электростатических фильтров (силовое механическое воздействие, генерация звуковых колебаний) наибольший эффект дает использование электроимпульсных устройств очистки. В таком устройстве происходит высоковольтный разряд емкостного накопителя на исполнительный элемент, состоящий из катушки индуктора и якоря (токопроводящая пластина). В результате взаимодействия вихревых токов в якоре с магнитным полем катушки индуктора за время переходного процесса, исчисляемое в миллисекундах, возникает импульс электромагнитной силы, создающий максимальное перемещение и ускорение очищаемой поверхности пластин-электродов электростатического фильтра в диапазоне упругих механических напряжений. В данной статье предложена методика к расчету параметров двухконтурной схемы замещения электроимпульсного устройства очистки, основанная на разложении кривой затухания постоянного тока в короткозамкнутой катушке индуктора с якорем в экспоненциальный ряд. Разложение кривой тока в катушке индуктора на сумму двух экспонент позволяет записать операторное сопротивление схемы замещения электроимпульсного устройства очистки, а по нему получить формулы для определения ее параметров. Использование схем замещения электроимпульсных устройств очистки позволяет воспользоваться хорошо разработанным математическим аппаратом теории электрических цепей для оптимизации силового воздействия на пластины-электроды электростатических фильтров. Определение кривой затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем при варьировании расстояния между ними проводится на основе расчета нестационарного магнитного поля с присоединенной цепью в комплексе программ ELCUT 6.0 (профессиональная версия).
Ключевые слова: катушка индуктора, токопроводящая пластина (якорь), нестационарное магнитное поле, затухание постоянного тока, параметры схемы замещения.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-102-108
I. Введение
Принцип действия электроимпульсных устройств очистки электростатических фильтров от осаждаемого слоя угольной пыли на поверхности пластин-электродов основан на использовании силового воздействия импульсного магнитного поля катушки индуктора на токи, индуктируемые в токопроводящей пластине, называе-
мой якорем. Ток большой плотности в катушке индуктора вызван высоковольтным разрядом накопителя энергии (конденсаторной батареи) на катушку индуктора с якорем. Индуктор представляет собой плоскую однослойную катушку, витки которой залиты электроизоляционным прочным материалом (эпоксидной смолой). Якорь размещается между катушкой индуктора и очищаемой поверхностью оборудования. При изготовлении якоря используются материалы с высокой электропроводностью, чаще других используется дюралюминий. Индуктор с якорем плотно прижимаются к очищаемой поверхности электростатического фильтра. Импульсы электромагнитной силы являются силами взаимного отталкивания между индуктором и якорем. Под их действием происходит смещение якоря в сторону очищаемой поверхности объекта воздействия и сообщение ей упругих колебаний. Очищаемая поверхность объекта с налипшим слоем угольной пыли приобретает знакопеременное ускорение и происходит разрушение связей сцепления слоя угольной пыли с поверхностью пластин-электродов, и он осыпается в специальный бункер под действием силы тяжести.
Рис. 1. Структурная схема электроимпульсного устройства очистки.
На рис. 1 обозначено: ЗУ - зарядное устройство, состоящее из повышающего трансформатора, высоковольтного выпрямителя и умножителя напряжения; НЭ - емкостной накопитель энергии (батарея конденсаторов); ТК - блок тиристорных коммутаторов; ПУ - пульт управления; КС - коробка соединительная.
В электроимпульсных устройствах очистки длительность процесса аккумулирования энергии в течении десятков секунд, а затем ее выделение в чрезвычайно малые промежутки времени, исчисляемое миллисекундами, позволяет получить максимально возможные величины механического импульсного воздействия на очищаемую поверхность электростатического фильтра [1, 2]. Максимальное рабочее напряжение на емкостном накопителе энергии варьируется в диапазоне от 1 до 5 кВ [3]. При числе точек импульсного воздействия на очищаемой поверхности больше одной силовой блок изготавливается многоканальным. К каждому каналу через соединительные коробки и высоковольтный коаксиальный кабель подключаются один или два исполнительных элемента. Электроимпульсные устройства очистки электростатических фильтров относятся к устройствам ударного типа и по эффективности очистки не имеют конкуренции по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения (например, вибраторы, электромагнитные и пневматические ударные механизмы). При этом к недостаткам электроимпульсных устройств очистки относят накопление усталостных деформаций на очищаемой поверхности объекта воздействия и превышение санитарных норм по уровню звукового давления.
II. Постановка задачи
Импульсный подвод энергии от заряженной конденсаторной батареи к индуктору с якорем вызывает не только количественные, но и качественные изменения его электромагнитных процессов в электрической цепи катушки индуктора и его магнитном поле. Моделирование таких процессов возможно только при расчете нестационарного магнитного поля электроимпульсного устройства очистки с присоединенной электрической цепью, например с использованием профессиональной версии комплекса программ ELCUT 6.0 [4]. Однако этот путь сопровождается чрезмерно большими затратами машинного времени [5], что существенно усложняет решение вопросов оптимизации параметров электроимпульсного устройства очистки, вследствие перебора боль-
шого количества вариантов геометрии исполнительного элемента и обмоточных данных катушки индуктора. Поэтому возникает потребность воспользоваться хорошо разработанным аппаратом теории электрических цепей, а именно построением схемы замещения электроимпульсного устройства очистки на основе расчета затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем при замыкании ее выводов накоротко.
III. Теория
Нестационарное магнитное поле затухания постоянного тока в короткозамкнутой катушке индуктора с якорем описывается системой уравнений в частных производных относительно векторного магнитного потенциала и уравнений, содержащих массивный проводник в магнитном поле. Осевая симметрия геометрии исполнительного элемента электроимпульсного устройства очистки позволяет принять в расчете допущение об осесимметричном характере магнитного поля. Расчет осесимметричной модели магнитного поля в кусочно-однородной среде с одинаковой магнитной проницаемостью ц и удельной электропроводностью у связан с решением уравнений относительно векторного магнитного потенциала A = A(r,z) в цилиндрической системе координат, имеющих вид:
д_ Sr
1 SA ( r, z )
r Ц
Sr
S + —
Sz
1 SA (r, z )
Sz
SA (r, z) -у--—- = —j .
I J ст°р
(1)
В этих уравнениях плотность полного тока заменяется суммой плотностей стороннего тока в катушке индуктора, вызванного напряжением и источника питания, и вихревого тока, индуцированного переменным магнитным полем в якоре
j = j + J
J J стор. вихр.
= —у • grad^i — у
SA (r, z)
St
(2)
При расчете нестационарного магнитного поля с присоединенной электрической цепью к уравнениям (1), записанным для кусочно-однородных зон, на которые разбивается область моделирования, добавляются уравнения ветвей, содержащих массивные проводники в магнитном поле
I = U—уГ
R J
SA(r,z )
S t
dS
(3)
q
где R - омическое сопротивление катушки индуктора постоянному току.
Объединение уравнений (1) - (3) в систему уравнений и ее решение в задаче затухания постоянного тока в короткозамкнутой катушке индуктора с учетом влияния вихревых токов в якоре позволяет в профессиональной версии комплекса программ ELCUT определить временную зависимость тока ОД в катушке индуктора.
Синтез схемы замещения исполнительного элемента электроимпульсной очистки основывается на разложении кривой затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем на сумму экспонент. Если разложить зависимость ОД на сумму двух экспонент
i(t) = Isle—:* + Is:
(4)
то можно записать операторное сопротивление схемы замещения исполнительного элемента очистки, а по его выражению вывести расчетные соотношения для определения ее параметров (рис. 2):
Рис. 2. Схема замещения катушки индуктора с якорем
Параметры схемы замещения:
L - R f is! + is! 1 • A - ^^ + ^ _ • p _ + • L = 1 • R = pL • J = J + J
Lo _ 10U + ^ J ' A° " RI0 L ' p _ I0 ■Ll A ' R PLl' io is1 +is2
IV. Результаты экспериментов Для определения временной зависимости затухания постоянного тока в исполнительном элементе электроимпульсного устройства очистки в комплексе программ ELCUT построим осесимметричную модель нестационарного магнитного поля с присоединенной электрической цепью. При построении геометрии модели выберем единицу измерения в миллиметрах. С учетом осевой симметрии катушки индуктора с якорем (рис. 3) моделирование магнитного поля может быть ограничено половиной расчетной области прямоугольником размерами 50x100 мм. На границах модели и на оси вращения выполняется условие Дирехле, то есть значение функции магнитного потока у - rA (r,z) - 0 . Для осесимметричной модели уравнение у - rA (r,z) - const представляет собой уравнение силовой линии магнитного поля.
граница
В-Е^ Индуктор-якорь - задача нестационарного магнитного поля !■ -й Геометрия: Индуктор-якорь.тос!
Физические свойства: Индуктор-якорь.с1т5 В [3 Метки блоков 3 воздух Д изоляция Д катушка 1 Д якорь Метки ребер | граница ! ось вращения
ось вращения
Рис. 3. Геометрия модели исполнительного элемента
При построении геометрии модели учитывается, что катушка индуктора изготавливается из изолированного медного провода прямоугольного сечения 2.0x5.1 мм2, катушка содержит 15 витков, которые укладываются плашмя, якорь представляет собой дюралюминиевую пластину круглой формы с толщиной стенки 2 мм и диаметром 128 мм. Фиксированный зазор между якорем и катушкой индуктора в модели варьируется в узком диапазоне от 0,25 до 2 мм. Физические свойства выделенных объектов в модели ELCUT (катушка, якорь, воздух и изоляция) задаются удельными электропроводностями для медного провода 58-106 См/м, дюралюминиевой пластины 36,5-106 См/м, воздуха и изоляции равными нулю, относительная магнитная проницаемость среды всех объектов в модели принимается ц' = 1. Присоединенная электрическая цепь исполнительного элемента очистки показана на рис. 4. В электрической цепи предусмотрено использование импульсного источника постоянного напряжения 1000 В длительностью импульса 2 • 10 5 с . При задании свойств задачи в окне ELCUT принимается интегрирование по времени переходного процесса 4 • 10 5 с , шаг интегрирования 1 • 10 6 с и время запоминания решения на шаге, равном шагу интегрирования. Влияние вихревых токов в якоре учитывается наличием в присоединенной электрической цепи блока с выводами замкнутыми накоротко. Подготовительный этап решения задачи заканчивается покрытием области моделирования сеткой, состоящей из узлов и ребер (рис. 4).
Рис. 4. Область моделирования магнитного поля исполнительного элемента очистки, покрытая расчетной сеткой (слева) и присоединенная электрическая цепь (справа)
V. Обсуждение результатов На рис. 5 показаны результаты расчета нестационарного магнитного поля катушки индуктора с якорем, соответствующие моменту времени исчезновения импульса постоянного напряжения на зажимах источника питания.
Рис. 5. Цветная картина нестационарного магнитного поля исполнительного элемента в момент коммутации (слева) и распределения плотности тока в катушке индуктора и якоре
Время, 10 мс
Рис. 6. Расчетные кривые затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем
Полученные из расчета нестационарного магнитного поля с присоединенной электрической цепью временные зависимости затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем (рис. 6) можно с высокой точностью (менее 1%) представить при разложении в экспоненциальный ряд в виде суммы двух экспонент:
1 1) = 850 + 530 ^-0,908106 4 при зазоре 0,25мм;
1 1) = 850 ^-0,24406 + 560 -1,025406 е при зазоре 0,5мм;
1 1) = 930 -0,22 406 4 + 470 ^-0,65Н064 при зазоре 1,0 мм;
1 1) = 970 -0,2Ы06 + 410 ^-0,5434064 при зазоре 1,5 мм;
1 1) = 1000 • е-0Д9406 4 + 380 • е-0,5106 при зазоре 2,0 мм.
Вычислив амплитуды и коэффициенты затухания экспоненциальных составляющих затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем, можно определить параметры схемы замещения электроимпульсного устройства очистки. Расчетные кривые, определяющие зависимость параметров для схемы замещения исполнительного элемента очистки от величины зазора между катушкой индуктора и якорем, показаны на рис. 7.
» 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 Зазор, мм
0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 Зазор, мм
0,25 0,50 0.75 1,00 1,25 1,50 1,75 2.00 Зазор, мм
Рис. 7. Параметры схемы замещения электроимпульсного устройства очистки в функции от величины зазора между катушкой индуктора и якорем
VI. Выводы и заключение
Синтез схем замещения электроимпульсных устройств очистки путем разложения временных зависимостей затухания постоянного тока в катушке индуктора с якорем, полученных расчетом нестационарного магнитного поля с присоединенной электрической цепью в профессиональной версии комплекса программ ELCUT, позволяет воспользоваться хорошо изученным аппаратом теории электрических цепей для оптимизации их режимов работы.
Список литературы
1. Тютькин В. А. Магнитно-импульсный способ разрушения сводов и очистки технологического оборудования от налипших материалов // Электротехника. 2002. № 11. С. 24-28.
2. Шильников П. Ю., Захаренко В. А. Электроимпульсная очистка поверхностей // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2013. № 1. С. 254-255.
3. Магнитно-импульсная установка МИГ компания ООО «Интертех». URL: http://inter-teh.com/ (дата обращения: 01.05.2017).
4. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов: руководство пользователя. Версия 6.0. М.: ПК TOP, С-Пб, 2013. 295 с. URL: http://www.exponenta.ru/soft/others/elcut/Manual.pdf.
5. Захаренко В. А., Татевосян А. С., Захарова Н. В., Лукачева А. А. Моделирование процессов нестационарной теплопередачи в системе индуктор - электропроводная поверхность // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2017. № 1. С. 115-120.
УДК 62-1/-9
СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
THE SYSTEM FOR POSITIONING THE ELECTRODES OF A PLASMA-CHEMICAL DIRECT-CURRENT
REACTOR
А. Е. Телепнев, Р. Д. Герасимов, А. Я. Пак
Томский политехнический университет, г. Томск, Россия
A. E. Telepnev, R. D. Gerasimov, A. Y. Pak
Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Аннотация. В работе представлены результаты инженерных прикладных исследований, посвященных разработке системы управления электродуговым плазмохимическим реактором постоянного тока, созданным для получения порошковых материалов на основе углерода. В частности, разработана и реализована система позиционирования анода разрядного контура на линейном приводе с шаговым двигателем. Разработанная система апробирована в работе электродугового реактора. В настоящее время разработанное устройство и методика применяются для позиционирования рабочего инструмента установок и управления процессами подачи.
Ключевые слова: шаговый двигатель, линейный привод, система управления плазмохимическим реактором, позиционирование электродов
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-108-113
I. Введение
В современном мире актуальным вопросом является синтез различных функциональных материалов с заданными свойствами. Существует множество методик получения ультрадисперсных материалов, покрытий и объемных материалов на их основе. В последние годы активно применяются электроразрядные методы получения порошковых материалов, в частности, на основе углерода [1]. Особое место среди рассматриваемой группы методов занимают электродуговые установки постоянного тока, генерирующие плазму в открытой воздушной среде в целях синтеза наноразмерных углеродных частиц [2]. Плазмохимические реакторы постоянного тока совмещенного типа отличаются относительной простотой, невысокой стоимостью и высокой производительностью [3], в последние годы активно развиваются в связи с появлением сведений в мировой периодике о воз-
