CC BY
21
электроэнергетика и электротехника
УДК 621.313.3 В.И. Мошкин,
Курганский государственный университет Г.Г. Угаров
Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
продолжительность включения линейного электромагнитного двигателя в приводе технологического оборудования
Аннотация. Проведен анализ составляющих единичного цикла импульсных машин с электромагнитными двигателями. Определены значения продолжительности включения через стандартные значения с учетом особенностей работы технологического оборудования и в зависимости от частоты ходов. Найдена предельная частота ходов для двигателей электромагнитных прессов.
Ключевые слова: импульсный линейный электромагнитный двигатель, продолжительность включения, частота ходов.
V.I. Moshkin, Kurgan State University,
G.G. Ugarov, Yuri Gagarin Saratov State Technical
University
DUTY RATING OF ELECTROMAGNETIC MOTOR IN THE DRIVE SYSTEM OF TECHNOLOGICAL EQUIpment
Annotation. We carried out the analysis of the components of a single cycle of pulse machines with electromagnetic motors. The values of the duty rating are determined through the standard values taking into account peculiarities of the technological equipment process and dependency on the stroke frequency. It is foundthe threshold stroke frequency for press electromagnetic motors.
Keywords: pulse linear electromagnetic motor, duty rating, stroke frequency.
Импульсные линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) в приводе технологического оборудования работают в режимах одиночных ходов (единичный цикл, включающий в себя рабочий и холостой ходы), непрерывных ходов и серии ходов. Режимы непрерывных ходов и серии ходов имеют различные значения времени паузы tn, из-
меняемые от tп = 0 до задаваемого технологическим процессом времени ожидания очередного срабатывания.
В частоударных электромагнитных машинах (молотках, перфораторах, вибраторах), приводимых в движение импульсными ЛЭМД, время работы электромагнитной машины представляет, как правило, пакет временных импульсов, поскольку эти машины питаются импульсами электрического напряжения и генерируют ударные импульсы. Определяют продолжительность включения двигателя в этом случае, исходя из формулы [1-3]:
ПВст = ——, t
1ц—
(1)
где - время работы импульсного ЛЭМД в режиме пакета; ^п= ^п+ ^ - время цикла такого режима; ^ - время паузы, представляющее собой время до следующего удара.
Однако, в выражении (1) не отражена структура временного импульса, учет которой представляется необходимым для редкоударных ЛЭМД, используемых в приводе крупных машин (прессов, молотов и т.д.).
Для редкоударных импульсных ЛЭМД (молоты, прессы) будем считать, что время работы двигателя - это время нахождения его обмотки под импульсом тока за рабочий ход в течение единичного цикла, состоящего из рабочего и холостого ходов, в результате чего якорь двигателя совершает единичный удар, после чего наступает пауза до следующего единичного цикла длительностью ^ Определим структуру этого времени.
Время нахождения обмотки импульсного ЛЭМД под импульсом тока при рабочем ходе включает в себя следующие составляющие [1;4]:
'ри _ 'тр + 'дв + 'г , (2)
где - время трогания якоря ЛЭМД, отсчитываемое от появления и нарастания тока в обмотке возбуждения до начала движения якоря; tдв - время движения якоря под импульсом тока; tг - время гашения магнитного поля.
Продолжительность цикла для редкоударных импульсных машин в этом случае будет отличаться от времени единичного цикла ^дц временем паузы К :
'ци = tри + ' хх + 'п = ^ (3)
где ^ - время холостого хода (без тока) для конструктивной схемы двигателя, например, с возвратной пружиной [5].
Время паузы tп при единичном цикле будет ^ = а при работе электромагнитной машины с частотой ходов в минуту п (п< ппрвд) оно зависит от это й частоты. Следо вател ь н о , п родолжител ь-
84
Вестник КГУ, 2016. № 3
ность цикла £ для редкоударных электромагнитных машин из (3) и рисунка1 также зависит от частоты ходов, то есть £ = ^п).
Рисунок 1 - Циклы частоударных и редкоударных электро-
магнитных машин
Например, при £п = 0 время цикла будет минимально возможным и равным времени единичного цикла:
?ед.ц ?ри + ? хх,
(4)
которое обеспечивает предельную частоту ходов машины п .
" пред
Введём понятие «относительное время Д£, протекания тока в обмотке импульсного ЛЭМД за единичный цикл». В общем случае при времени паузы £п, отличающемся от нуля, для редкоударных машин получим:
Аи = ^.
I
(5)
ци
Используя выражение (5), определим время £р протекания тока в импульсном ЛЭМД, когда задано время работы машины £ в виде пакета импульсов:
?р ?рп ' А?*
(6)
Продолжительность включения для редкоударных машин можно найти через ПВст из (1) для частоударных по формуле:
п
, получим относительное время:
ци
п
Аг* = гри ■ —, * ри 60
где продолжительность цикла £ предполагает в ее составе паузу, обусловленную технологическим процессом (рисунок 1). Из (8) следует, что, если длительность £ неизменна, то с ростом частоты ходов п относительное время также растет. Тогда выражение (7) с учетом (8) примет вид:
I
ПВ = ПВ_ ■ п ■
ст
ри 60
(9)
Найдём минимально возможное относительное время протекания тока в импульсном ЛЭМД за единичный цикл, когда £ равно нулю, с учетом (4) и (5):
Аг
ри
мин*
I
(10)
ед.ц
Выражение (4) позволяет определить предельно возможную частоту ходов в минуту из экспериментальных данных:
п
пред
60
ед.ц
(11)
Примем ппрвд из (11) за базисную величину, выразив относительное значение частоты ходов п, в минуту для импульсного ЛЭМД:
ПВ
г
А?* ■
^рп
цп
I
■■ ПВст ■ А?*. (7)
цп
Выражение (7), в отличие от (1), позволяет учесть время нахождения под током импульсных ЛЭМД редкоударных машин и, тем самым, определить с меньшей погрешностью, чем по (1), продолжительность включения.
Представим (7) через другие параметры, определяемые расчётными либо экспериментальными путями. Для этого подставим в (5) выражение для £ из формулы частоты ходов в минуту
ед.ц 60
(12)
Тогда выражение (10) с учетом (11) и (12) примет вид:
ПВ = ПВСТ ■ п* ■ А?МиН*, (13)
в котором 0 < п, < 1.
Подставив в (5) значение времени £ из (10), получим относительное время, выраженное через минимально возможное:
А?* =А?мин* ■ ■ (14)
?ци
п* = п
г
р
Тогда с учётом (14) формула (7) для ПВ примет окончательный вид:
ПВ = ПВст ■ Atмин*
ед.ц
t
. (15)
ци
At* = 0,3 ■
Выражения (13) и (15) позволяют определить истинное значение продолжительности включения ПВ импульсного ЛЭМД через значение ПВСТ, задаваемое в [1], а также через число ходов n, и предельные значения времени протекания тока в
ЛЭМД за единичный цикл ^мин* , времени единичного цикла t (при отсутствии паузы), вре- = 144.10-3 с получим: мени цикла t при наличии паузы, учитывая тем самым особенности работы технологического оборудования.
Минимально возможное время протекания
тока ^мин * за единичный цикл можно определить адресно для конкретных ЛЭМД, выполняющих в прессовом оборудовании конкретные технологические операции.
Так, например, из анализа осциллограмм для рабочих процессов электромагнитных прессов ПЭМ-1,0 и ПЭМ--3,0 для клёпки, уплотнения
литейных смесей величина ^мин * = 0,3 [2]. На рисунке 2 представлено семейство характеристик ПВ = f(n*) при ПВ = const.
ется расчетом по (3). Для этого же ПВ=0,06 при различных ПВст можно получить другие частоты ходов. Так, для ПВст=0,6 получим п,=0,33, а для ПВст=0,25 получим п,=0,8.
Для импульсного ЛЭМД пресса ПЭМ-1,0 усилием 10 кН (1 тс) при частоте п = 60 ход/мин, для продолжительности цикла tци = 1 с и при длительности ¿едц = 14410-3 с согласно (14) получим относительное время:
144 ■ 10-3
At* = 0,3----= 0,0432 = 4,32%;
при n = 300 ход/мин для времен f = 0,2 с и ¿ед ц
144■10
0,2
-3
= 0,216 = 21,6%.
Для импульсного ЛЭМД пресса ПЭМ-3,0 усилием 30 кН (3 тс) при частоте ходов в минуту п = 60 ход/мин для времен t = 1 с и t = 186-10"
" " ~ ци ед.ц
3 с получим:
186 10-3
At* = 0,3----= 0,0558 = 5,58%;
при n = 300 ход/мин для времен f = 0,1 с и ?едц
= 18610-3 с получим:
ПВ, o.e.
0,25
0,20
0,15
0,! 0
0,05
ПВ„-1,о/
/
7 O^J
0AJ
/ Я у 0,25 rJJ£5_
/1 '■Г -д- 1
At* = 0,3 ■
186■10
Ö2~
-3
= 0,279 = 27,9%.
Предельная частота ходов в минуту при известных конструктивных, геометрических, режимных и технологических факторах (без учёта теплового состояния) для ЛЭМД пресса ПЭМ-
\-3
t =144■10"
1,0 усилием 10 кН (1 тс) при едц (определено из осциллограмм [2]) будет:
с
n
пред
60 ■ 103 ллп
-= 417 ход/мин;
144 ь
0 0,2 0,4 па 0,6 0,8 fit, o.e.
Рисунок 2 - Зависимость продолжительности включения ПВ от частоты ходов n, редкоударной машины
для ЛЭМД пресса ПЭМ-3,0 усилием 30 кН
/о , ^дц = 186 ■ 10-3 R
(3 тс) при ед ц с будет:
при
At
мин *
= 0,3 для различных ПВс1
Рассмотрим случай, когда частота ходов равна половине предельной, то есть п, = па=0,5. Тогда для ПВст =0,4 получим точку а на рисунке 2, которой соответствует истинное значение ПВ = 0,06. Граф и ч е ски найденное з н ач е н и е ПВ подт в е ржда-86
n =
пред
60-10 186
= 323ход/мин.
Таким образом, оценка составляющих единичного цикла редкоударных импульсных машин с Л ЭМ Д п оз воляет уч е сть в ре м я н ахожд е н и я под
Вестник КГУ, 2016. № 3
током обмотки двигателя и определить для режима непрерывных ходов продолжительность его включения. Попытка в экспериментах превысить предельную частоту ходов за счёт увеличения частоты питающих обмотку двигателя импульсов напряжения приводит к снижению энергии его рабочего хода и снижению ударной мощности, что подтверждается и расчётами [3].
Полученные выражения для продолжительности включения могут быть использованы при проектном расчёте электромагнитного привода .
Список литературы
1 ГОСТ 15989-83. Молотки ручные электромагнитные. М. : Изд-во стандартов, 1984. 20 с.
2 Определение продолжительности включения линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) в приводе технологического оборудования /Проблемы электроэнергетики //В. И. Мошкин, Г. Г. Угаров, О. В. Вдовина Саратов : Изд-во СГТУ, 2010. С.92-94.
3 Мошкин В. И., Угаров Г. Г., Помялов С. Ю. Продолжительность включения линейного электромагнитного двигателя в приводе технологического оборудования //Достижения науки - агропромышленному производству: материалы LI Международной научно-технической конференции. Ч. 5. Челябинск: Изд-во ЧГАА, 2013. С. 57-60.
4 Прессовое оборудование с линейными электромагнитными двигателями /Электромагнитные силовые импульсные системы // Н. П. Ряшенцев, Г. Г. Угаров, А. В. Львицын и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1982. С. 3-13.
5 Мошкин В. И. Основные энергетические и динамические параметры однообмоточных ЛЭМД с возвратной пружиной // Вестник КГУ, №1 (20). Вып. 6. Курган : Изд-во Курганского гос.ун-та, 2011. С.105-109.
УДК 621.314
И.П. Попов, В.Г. Чумаков, С.С. Родионов, И.В. Шевцов, С.С. Низавитин, В.В. Михайлов Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева
УПРУГАЯ ЕМКОСТЬ В ЦЕПИ ПИТАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Аннотация. Показано, что упругая нагрузка пьезоэлектрического преобразователя может быть представлена в виде емкостного сопротивления в его электрической цепи и обоснована возможность возникновения свободных гармонических колебаний при подключении к преобразователю катушки индуктивности.
Ключевые слова: пьезоэлектрический преобразователь, емкость, индуктивность, упругость, колебания.
I.P. Popov, V.G. Chumakov, S.S. Rodionov, I.V. Shevtsov, S.S. Nizavitin, V.V. Mikhailov Kurgan State Agricultural Academy by T.S. Maltsev
RESILIENT CAPACITY OF APIEZOELECTRIC TRANSDUCER POWER SUPPLY CIRCUIT
Annotation. It is shown that the resilient load of the piezoelectric transducer can be represented as a capacitance in the electrical grid and proved the possibility of free harmonic oscillation in connecting to a transmitter coil.
Keywords: piezoelectric transducer, capacitance, inductance, resiliency, oscillations.
Введение
В настоящее время на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения и сельхозпере-работки широко внедряются системы автоматизации, в том числе, роботизированные комплексы. В составе таких систем в качестве датчиков и высокоточных приводов используются, в частности, пьезокерамические электромеханические преобразователи [1-3]. Актуальной задачей является выявление влияния упругой нагрузки преобразователей на реактивное сопротивление их электрических цепей и вытекающей из этого возможности возникновения свободных гармонических колебаний, которые могут иметь как отрицательное, так и положительное воздействие на систему в целом.
В литературе нет непосредственного решения этой задачи. Предпосылкой ее решения является одна из двух систем аналогий между электромагнитными и механическими величинами, в соответствии с которыми коэффициент упругости связан дуальным соотношением с электрической емкостью к о C.
Однако дуальная связь не является функциональной, поскольку охватываемые ею величины относятся к изолированным друг от друга системам. Поэтому указанное соотношение само по себе не дает оснований рассматривать механическую величину «коэффициент упругости» в качестве параметра электрических цепей.
Целью настоящей работы является представление упругой нагрузки в виде емкостного сопротивления в электрической цепи пьезоэлектрического преобразователя и обоснование возможности возникновения свободных гармонических колебаний при подключении к нему катушки индуктивности.
1 Пьезоэлектрический преобразователь с упругой нагрузкой
На рисунке изображен пьезоэлектрический преобразователь с упругой нагрузкой с коэффициентом упругости к. Работа преобразователя основана на прямом и обратном пьезоэффектах [4-6]. Прямой пьезоэффект проявляется в том, что на обкладках пьезоэлемента при его деформации х появляется электрический заряд q.
q = dxx , (1)
