CC BY
24
УДК 621.314
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ «КАТУШКА ИНДУКТОРА-ТОКОПРОВОДНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ»
В. А. Захаренко, Н. В. Захарова, А. А. Лукачева
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-27-30
Аннотация - Электромагнитно-импульсные технологии очистки поверхностей технологического оборудования от загрязнений и обледенения перспективны для практического применения. В их основе лежит принцип образования ударной волны в объекте воздействия при переходном процессе, вызванной высоковольтным разрядом емкостного накопителя на катушку индуктора, расположенную вблизи токо-проводной пластины. Определение основных массогабаритных, электрических, магнитных и тепловых параметров таких систем связано со значительными трудностями, в том числе, с учетом физических свойств материалов для изготовления токопроводящей пластины. В статье рассматривается решение поставленных задачи при помощи программного обеспечения ELCUT моделирования нестационарного магнитного поля для электромагнитно-импульсной системы, состоящей из катушки индуктора и токо-проводящей пластины. Проведено исследование эффективности индукционных взаимодействий в зависимости от применения различных материалов (алюминий, дюраль, сталь) и геометрических параметров токопроводной пластины. По результатам параметрического анализа работы электромагнитно -импульсной установки сделан вывод о целесообразности изготовления токопроводной пластины ударного узла из алюминия толщиной 3,5 мм.
Ключевые слова: электромагнитно-импульсная система, катушка, индуктор, токопроводная поверхность, емкостный накопитель.
I. Введение
История развития электромагнитно-импульсной очистки поверхностей начала развиваться с середины 80-х годов прошлого века. Научно-исследовательская группа под руководством И. А. Левина создала на основе этого принципа противообледенительную систему для удаления льда с поверхностей обшивок самолетов [1]. В дальнейшем появились патенты, расширяющие области применения таких систем в промышленности [2-4]. В настоящее время ООО «Интертех» освоило производство магнитно-импульсных установок МИГ, которые применяются для очистки емкостей и устранения зависаний в бункерах, предотвращения и разрушения отложений, налипаний и намерзаний сыпучих материалов на стенках технологического оборудования, а также регенерации рукавных фильтров и очистки электрофильтров [5]. Перспективы широкого применения таких систем в технологиях производства сыпучих материалов и борьбы с обледенениями делают актуальными задачи исследований электромагнитно-импульсных взаимодействий с целью повышения их эффективности и оптимизации конструкций систем, использующих эти принципы.
II. Постановка задачи
В данной статье рассмотрена зависимость влияния материала токопроводной поверхности пластины (алюминия, дюрали, стали) на эффективность системы «катушка индуктора - токопроводная поверхность». Поскольку эффективность электромагнитно-импульсной системы зависит от электропроводности материала, в котором наводятся вихревые токи, то необходимо исследовать и оценить основные электрофизические параметры взаимодействия катушки индуктора и токопроводной пластины. В работе поставлена задача моделирования и анализа электромагнитно-импульсных взаимодействий при помощи профессиональной версии программы Elcut 6.0. Поставлена задача получения экспериментальных данных электромагнитно-импульсных взаимодействий с материалом токопроводной пластины, для которого по результатам расчета можно получить вывод о наибольшей эффективности таких систем.
III. Теория
Математическая формулировка задачи расчета поля сводится к преобразованию уравнений Максвелла и получению уравнения, записанного относительно векторного магнитного потенциала в цилиндрической системе координат
д_ дг
-1 -(гА)
Цр г дг
д + —
dz
-1 — А
Цр dz
Л
дА
~У^Г = "Ц0 • J кат. dt
(1)
где A - векторный магнитный потенциал, имеющий, так же как вектор плотности тока jKar. одну составляющую, перпендикулярную плоскости zr расчетной модели; у - электропроводность материала; Цр = const. Плотность индуцированных вихревых токов в электропроводном диске определяется из уравнения
'вихр
__ дА
= Удиск dt ■
(2)
Электрическое состояние цепи при разряде предварительно заряженного конденсатора до напряжения источника питания на катушку индуктора описывается уравнением
i • R
+
dVKi
dt
- + — [i • dt С J
= 0,
(3)
где ^кат - полное потокосцепление катушки индуктора, изменяющееся во времени при переходном процессе; Ккат - активное сопротивление катушки, I- ток в цепи.
Объединение уравнений (1) - (3) в систему для совместного решения с учетом заданных граничных и начальных условий основывается на построении расчетной модели нестационарного магнитного поля в комплексе программ Е1сШ: с присоединенной электрической цепью. Решение системы уравнений, описывающих эту модель, позволяет получить временные и амплитудные зависимости токов в катушке индуктора с учётом индукционных взаимодействий с токами в электропроводной пластине.
IV. Результаты расчётов и экспериментов
По результатам моделирования и расчетов при помощи программы Е1сШ: 6.0 получены амплитудно-временные зависимости тока в катушке индуктора для пластин из алюминия, дюрали и стали. Результаты расчетов приведены на рис. 1.
Рис.1. Расчетные амплитудно-временные зависимости тока в катушке индуктора: А - алюминиевая пластина; Б - дюралюминиевая пластина; В - стальная пластина
Из представленных данных можно сделать вывод о том, что токопроводная пластина из алюминия является наиболее эффективной. Анализ результатов расчетов показал, что ток в катушке индуктора с алюминиевой пластиной на 1,46 % превышает ток при взаимодействии с поверхностью из дюралюминия и на 9,26% при взаимодействии с поверхностью из стали.
На рис. 2 приведены результаты моделирования и расчетов по определению глубины проникновения вихревых токов в электропроводную пластину из алюминия.
а) б)
Рис. 2. Исследование проникновения вихревых токов в алюминиевой пластине, выполненный в ELCUT, где А - модель индукционного взаимодействия (1 - катушка индуктора, 2 - токопроводящая пластина, 3 -магнитосиловые линии); Б - расчетная зависимость плотности тока от толщины алюминиевой пластины
По результатам моделтрования и расчетов сделан вывод о целесообразности использования токопроводной пластины не более 3,5 мм. Для проведения экспериментальных исследований была собрана установка, принципиальная электрическая схема которой приведена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема электромагнитно-импульсной установки
Схема состоит из трансформатора питания и гальванической развязки Т1, умножителя напряжения на диодах У01-У09, конденсаторах 0^9, накопительной емкости Сб, тиристорного коммутатора индуктора L, токопроводной пластины ТП и схемы управления на трансформаторе Т2 и диодном мосте Резистор R2 выполняет роль измерительного преобразователя тока через индуктор в напряжение, фиксируемого при помощи осциллографа.
На рис. 4 приведены результаты экспериментальных исследований тока в индукторе в виде осциллограмм, снимаемых с резистора И2.
Рис. 4. Осциллограмма, снимаемая с резистора R2
V. Обсуждение результатов
На основе полученных расчётных и экспериментальных данных анализа работы электроимпульсной установки сделан вывод о целесообразности изготовления токопроводной пластины ударного узла из алюминия толщиной 3,5 мм. Результаты экспериментальных исследований совпадают с расчётными данными, что позволяет сделать вывод об адекватности представленной модели и корректности её использования для решения аналогичных задач в дальнейшем.
Выводы и заключение
В рамках проведенной работы по разработке электроимпульсной установки можно сделать следующие выводы:
• получены амплитудно-временные зависимости тока в катушке индуктора при различных материалах электропроводной поверхности;
• результаты моделирования и расчётов в программной среде Blcut позволили получить важный практический результат по обоснованию толщины токопроводной пластины из алюминия;
• создана лабораторная электромагнитно-импульсная установка, позволившая провести экспериментальные исследования взаимодействия электромагнитных взаимодействий поля индуктора с полем вихревых токов, наводимых в электропроводной поверхности;
• полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований имеют хорошее совпадение
Список литературы
1. Пат. 2096269 Российская Федерация, МПК B 64 D 15/16. Способ удаления отложений, преимущественно льда, с очищаемой поверхности обшивки и устройство его осуществления / Левин И. А. № 4671256/11; заявл. 13.04.1989; опубл. 20.11.1997.
2. Patent № US5129598 A. Attachable electro-impulse de-icer/ Lowell J. Adams, Norbert A.Weisend , Jr., Thomas E. Wohlwender - Appl. No: 07/455,i29; Filed: December 22, i989.
3. Шильников П. Ю., Захаренко В. А. Электроимпульсная очистка поверхностей // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2013. № 1. С. 254-255.
4. Zhang Z. Q, Shen X. B, Lin G. P. Dynamic response analysis of multi-excitation structure of electro-impulse de-icing system // 20i6 IEEE International Conference on Aircraft Utility Systems (AUS). DOI: i0.ii09/AUS.20i6.7748i92.
5. Магнитно-импульсная установка МИГ компания ООО «Интертех». URL: http://inter-teh.com/ (дата обращения: 01.05.2017).
