Науково-технічні основи створення поліфункціональних електромеханічних перетворювачів технологічного призначення

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Заблодський Микола Миколайович

УДК 621.313.33:621.318.122

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ПОЛІФУНКЦІОНАЛЬНИХ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини й апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2008Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі електричних машин і апаратів в Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Шинкаренко Василь Федорович,

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут", м. Київ,

завідувач кафедри електромеханіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Яковлєв Олександр Іванович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний

інститут", м. Харків, професор кафедри

електродвигунів літальних апаратів;

доктор технічних наук, професор

Ковальов Євген Борисович,

Донецький національний технічний університет,

м. Донецьк, професор кафедри гірничої

електротехніки і автоматики;

доктор технічних наук, професор

Римша Віталій Вікторович,

Одеський національний політехнічний

університет, м. Одеса, професор кафедри

електричних машин.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут"

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С.Марков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема створення енергозберігаючих і екологічно чистих технологій переробки сировини в різних галузях промисловості і сільському господарстві стала особливо гострою у зв'язку з зростанням цін на енергоносії і виникаючої за цієї причини недоцільності експлуатації енергоємних комплексів старого зразка. Розумною альтернативою традиційним комплексам, які містять окремо сформовані одиниці обладнання, стають електротехнічні комплекси на базі поліфункціональних електромеханічних перетворювачів (ПЕМП) технологічного призначення, які передбачають ефективне використання дисипативної складової енергії, структурну, функціональну і теплову інтеграцію. поліфункціональний електромеханічний перетворювач

Загальний ККД ПЕМП вельми високий, що забезпечує ефективну реалізацію принципів енергоресурсозбереження. Створення ПЕМП і технологій на їх основі базується на ідеї суміщення в одному електромеханічному пристрої одночасно нагрівальних, транспортуючих, змішувальних (турбулентноформуючих) функцій, інтеграції теплової енергії і спрямування останньої в зону переробки сировини. В ПЕМП використовується конструкція трифазного статора і порожнистого феромагнітного ротора (ПФР), який виконує одночасно функції ротора асинхронного двигуна (АД), нагрівача, виконавчого механізму і захисного корпуса. При цьому ПФР охолоджується сировиною, яка переробляється. У зв'язку з цим важливою науково-технічною проблемою електромеханіки є створення ПЕМП для виконання нових специфічних функцій технологічного призначення.

Оскільки ПЕМП являє собою цілковито перспективний електромеханічний перетворювач, при його створенні виникає комплекс невирішених теоретичних і практичних проблем. Перш за все, повинні бути проведені генетичне моделювання і розробка основних принципів структурної, функціональної і теплової інтеграції ПЕМП технологічного призначення.

Складність опису взаємопов'язаних теплових, електромагнітних і механічних процесів, необхідність координації потоків енергії, а також наявність нетрадиційних для сучасних асинхронних машин багатомодульної структури і режимів роботи, таких як тривала "стоянка під струмом" (РСС), робота при великих ковзаннях, динамічні режими форсування потребують глибоких теоретичних і експериментальних досліджень. Такі дослідження з точним врахуванням ефекту витиснення струмів в ПФР, нелінійної залежності магнітної проникності, а також впливу на параметри і характеристики температури ПФР, яка може досягати 350⁰С, можливі тільки методами теорії електромагнітного (ЕМП) і теплового (ТП) полів на основі узагальненої математичної моделі (ММ), програмних засобів автоматизованого аналізу і синтезу ПЕМП.

ПЕМП слід розглядати і як теплообмінну систему з внутрішніми джерелами теплової енергії, в якій ведеться пошук оптимальної структури, яка забезпечує не тільки припустимі рівні температур електричної ізоляції у відповідності до класу її нагрівостійкості, але ж і досягнення максимальної рекуперації теплової енергії. У зв'язку з цим необхідна розробка нової ідеології оцінки енергетичної ефективності перетворення енергії і моделювання ТП в рамках термодинаміки нерівновагих процесів (ТДНП) з визначанням феноменологічних параметрів і співвідношень для різних типів ПЕМП.

Рішення вказаних задач, присвячених розробці науково-технічних основ створення поліфункціональних електромеханічних перетворювачів для енергоресурсозберігаючих технологій, є актуальним та складає предмет досліджень даної дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у рамках науково-дослідних робіт кафедри електричних машин і апаратів Донбаського державного технічного університету тематика яких безпосередньо пов'язана з:

- госпдоговірною темою "Дослідження і розробка пристроїв для створення мікроклімату в оболонках вибухобезпечних електродвигунів" (Первомайський електромеханічний завод ім. К.Маркса, м. Первомайськ, № ДР 74024799, 1981, здобувач - відповідальний виконавець);

- госпдоговірною темою "Розробка вихідних технічних вимог на вибухобезпечний апарат для ремонту кабелів і рекомендацій по ремонту гнучких та броньованих кабелів в системах підземного електропостачання з напругою 10 кВ" (Інститут гірничої справи ім. О.О.Скочинського, м. Люберці, № ДР № 018900054, 1990, здобувач - відповідальний виконавець);

- госпдоговірною темою "Розробка низькотемпературного індукційного електротермічного обладнання нового технічного рівня, організація його промислового випуску" (Луганське відділення Державного інноваційного фонду України, м. Луганськ, 1995, здобувач - відповідальний виконавець);

- госпдоговірною темою "Розробка конструкції апарата і технології ремонту високовольтних кабелів на напругу 35 кВ" (Вільногірський державний гірничо-металургійний комбінат, м. Вільногірськ, 2000, здобувач - науковий керівник).

Як науковий керівник здобувач очолював виконання держбюджетних робіт МОН України за науковим напрямком "Енергоефективні і ресурсозберігаючі технології в промисловості і агропромисловому комплексі": "Дослідження електротепломеханічних перетворювачів для енергозберігаючих технологій переробки сипучих і легкоплавких речовин" (№ ДР 0104U002172, 2004 р.); "Розробка теорії і методології створення поліфункціональних електротехнічних комплексів технологічного призначення з повним використанням дисипативної складової енергії" (№ ДР 0107U001473, 2007 р.). Був відповідальним виконавцем теми "Розробка способів забезпечення умов вибухобезпечності і рівномірності температурного поля індукційно-резистивного електротермічного обладнання" (№ ДР 0198U002881, 1997 р.).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - розробка теоретичних основ, принципів і методології створення поліфункціональних електромеханічних перетворювачів, розробка математичних і програмних засобів для підвищення ефективності їх проектного синтезу, аналізу і оптимізації.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- аналіз наукових і технічних проблем створення ПЕМП;

- визначення основних принципів створення ПЕМП;

- визначення меж існування та розробка систематики видового різноманіття класу ПЕМП як системної основи для упорядкування знань та реалізації стратегії направленої еволюції класу технологічних систем, що досліджується;

- розробка генетичної моделі структуроутворення домінуючого виду для визначення структурного потенціалу та реалізації функції передбачення нових структурних різновидів ПЕМП з визначеною функцією мети;

- розробка узагальненої коло-польової ММ взаємопов'язаних електромагнітних, теплових і механічних процесів ПЕМП;

- розробка ММ ПЕМП як системи з НДТП для оптимізації процесів перетворення енергії;

- енергетичний аналіз процесів взаємодії ПЕМП і робочого навантажувально-охолоджуючого середовища (РНОС) з різними реологічними властивостями для обґрунтованого вибору механічних і теплових навантажень ПЕМП;

- обґрунтування методології, розробка алгоритмів і математичного забезпечення об'єктно-орієнтованого проектування (ООП) і оптимізації ПЕМП;

- розробка метода експериментального визначення ЕММ і параметрів ПЕМП;

- розробка методів і засобів підвищення стійкості роботи ПЕМП в динамічних режимах;

- теоретичне обґрунтування процесу формування і розробка методів експериментального визначення спектра вищих гармонік (ВГ) ПЕМП з урахуванням температурної несиметрії ПФР.

Об'єктом дослідження є динамічні режими, електромагнітні і теплові поля поліфункціональних електромеханічних перетворювачів технологічного призначення.

Предметом дослідження є область існування та рангова структура основних систематичних одиниць класу і основні принципи створення поліфункціональних електромеханічних перетворювачів, експериментальне визначення параметрів і характеристик, оптимізація нерівновагих термодинамічних процесів перетворення з використанням дисипативної складової енергії, розробка нових технічних рішень.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження електромагнітних і теплових полів, енергетичних процесів і характеристик ПЕМП базується на фундаментальних положеннях теорії електричних машин і теорії термодинаміки нерівноважних процесів, на структурно-системному підході, генетичному моделюванні та аналізі, методах математичного моделювання, методах теорії нелінійної електротехніки, основаних на використанні концепції динамічних параметрів ПЕМП для врахування нелінійності електромагнітних зв'язків.

Експериментально з використанням мікропроцесорних комплексів досліджені спектри гармонік магнітного поля і динамічні властивості ПЕМП. Вірогідність теоретичних результатів підтверджується багаточисельними експериментальними дослідженнями дослідних зразків ПЕМП різних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблені теоретичні основи і принципи створення перспективного класу електромеханічних перетворювачів з масивним ротором - ПЕМП, де вперше передбачено використання теплової енергії активних частин і механічних вузлів в технологічних процесах, які забезпечуються ПЕМП;

- розроблена природна геносистематика видів класу ПЕМП, що вміщує впорядковану інформацію щодо видового різноманіття як відомих, так і потенційно можливих видів класу. Запропонована генетична модель внутрішньої структури виду циліндричних повздовж-симетричних ПЕМП з обертовим рухом робочого органу, яка використана при розробці нових технічних рішень;

- розроблена узагальнена коло-польова ММ взаємопов'язаних електромагнітних, теплових і механічних процесів в ПЕМП, яка, на відміну від відомих, дозволяє аналізувати стан і динамічні режими перетворювача з урахуванням всієї сукупності основних факторів: складної конфігурації активної зони, нелінійності фізичних властивостей матеріалів, ефектів витиснення вихрових струмів в ПФР з урахуванням обертового характеру магнітного поля, реального нагріву елементів конструкції і умов теплообміну з робочим навантажувально-охолоджуючим середовищем, особливостей розподілу електромагнітних сил і моментів;

- вперше розроблена ММ ПЕМП як системи з неврівноваженими термодинамічними процесами перетворення енергії, яка дозволяє робити оптимізацію трьох процесів перетворення енергії (електричної в механічну, електричної в теплову, механічної в теплову). Встановлено, що термодинамічна ефективність ПЕМП при спрямуванні потужності спотворення до нуля приймає значення, близькі до енергетичного критерію, який являє собою добуток електричного ККД, теплового ККД і коефіцієнта потужності;

- визначені основні закономірності впливу нагріву і ефекту "закручування" силових ліній поля, обумовленого обертовим характером електромагнітного поля, на глибину проникнення, величину і часову фазу вихрових струмів в ПФР, що дозволяє підвищити точність визначення параметрів і результуючого електромагнітного моменту ПЕМП;

- удосконалено метод розрахунку стаціонарних теплових процесів ПЕМП, який за рахунок поєднання метода еквівалентних теплових схем і пінч-принципів дозволяє оцінювати міру інтеграції теплових потоків і ефективність внутрішнього теплообміну;

- вперше увесь спектр гармонік магнітного поля у повітряному проміжку двигунового (ДМ) і гальмівного (ГМ) модулів розглянуто як джерело формування корисної теплової і механічної потужності, а також низьких частот обертання ПЕМП без механічного редуктора. Теоретично обґрунтовані процеси утворення ВГ у повітряному проміжку ПЕМП при періодичній зміні умов охолодження ПФР.

Практичне значення одержаних результатів для електромашинобудівної галузі полягає у наступному:

- розроблена і реалізована методологія створення поліфункціональних ПЕМП технологічного призначення, що забезпечує досягнення показників призначення і оптимізацію ПЕМП по термодинамічній ефективності і максимуму вихідної потужності;

- на основі вивчення фізико-реологічних характеристик і моделей РНОС, яке безпосередньо контактує з ПФР, сформовані рекомендації по технологічним режимам переробки сировини на підприємствах гірничо-металургійного і агропромислового комплексів;

- на основі класового уявлення розроблена методика і її програмна реалізація для інженерного проектування ПЕМП;

- для промислових умов розроблено метод і апаратурну реалізацію експериментального визначення залежностей ЕММ ДМ і ГМ від часу і ковзання, а також отримання результуючих характеристик ПЕМП;

- теоретично обґрунтовані і експериментально реалізовані способи підвищення динамічної стійкості ПЕМП при роботі на низьких частотах обертання (до 150 об/хв.);

- запропонована система заходів щодо формування безпечних властивостей ПЕМП.

Отримані результати впроваджені на ВАТ "Первомайський електромеханічний завод ім. К.Маркса" (м. Первомайськ) при розробці і виготовленні ПЕМП шнекового і заглибного типів (пат. України № 50242, № 39226), дослідної партії комбайнових двигунів ЕКВ-4У з електротепломеханічними пристроями технічного кондиціювання повітря усередині оболонки, на Новомосковському електромеханічному заводі (Тульська обл., Росія) при розробці і організації серійного випуску електротепломеханічних апаратів АВК-1 для виконання кінцевих заділок і ремонту електричних кабелів у відповідності до ліцензійного договору (рег. номер 654/92).

Ефективність розробок підтверджується досвідом промислової експлуатації ПЕМП типу ЕДШ-1 у складі електричних комплексів для сушіння вугільних шламів і концентратів на ЗАТ "ЦЗФ Селідовська" (м. Селідово) і ТОВ "Кондратівська ЦЗФ" (м. Горлівка), електротепломеханічних пристроїв АВК на 35 промислових підприємствах гірничо-металургійного і агропромислового комплексів України, ЗАТ "АвтоВаз" (Росія), на кафедрі електричних машин і апаратів ДонДТУ.

Основні положення роботи використовуються в навчальному процесі в лекційних курсах "Електричні машини", "Проектування електромеханічних пристроїв", "Моделювання електромеханічних пристроїв", "Електромеханічні пристрої з вихровими струмами", в лабораторному практикумі, курсовому і дипломному проектуванні при підготовці спеціалістів за спеціальністю "Електричні машини і апарати".

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота містить теоретичні положення і результати, що отримані здобувачем особисто, а саме: розробка основ теорії, принципів і методології створення ПЕМП, технічних рішень і програмного забезпечення для проектування основних типів ПЕМП. Спільно з співавторами здійснена розробка геносистематики базових видів ПЕМП, проведено обговорення основних концепцій і варіантів, виконані конструкторські, технологічні і патентні роботи, проведені експериментальні дослідження, виготовлені дослідні зразки, проведені промислові випробування і впровадження ПЕМП.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: міжнародних симпозіумах "Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика" (Харків, 2000-2007); VI, VII, VIII, IX міжнародних конференціях "Проблеми сучасної електротехніки" (Київ, 2000, 2002, 2004, 2006); X, XI міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика" (Крим, Алушта, 2002, 2003); II міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційна техніка і електромеханіка" (Луганськ, 2003); міжнародній науково-практичній конференції "Інтегровані технології і енергозбереження" (Крим, Алушта, 2003); міжнародних науково-технічних конференціях "Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації" (Кременчук, 2006, 2007); міжнародній конференції "Экология и безопасность жизнедеятельности" (Феодосія, 2000); симпозіумі "Наука Луганщины в контексте развития региона. Фундаментальные и научно-технические проблемы" (Луганськ, 1999); семінарі "Состояние и перспективы развития энергосбережения в Луганской области" (Луганськ, 2002); III міжнародній конференції "Стратегія якості у промисловості та освіті" (Варна, Болгарія, 2007); першому українсько-китайському форумі "Наука - виробництво" (Харків, 2007); II міжнародній конференції "Моделювання і методи оптимізації електротехнічних систем" (Дунауйварош, Угорщина, 2007).

Зразки ПЕМП демонструвались на міжнародних виставках: "Уголь-Майнинг-2004" (м. Донецьк); "Східна Брама" (м. Луганськ, 2004, 2006, 2007); "Винаходи і інновації-2007" (м. Київ).

Публікації. Основні положення дисертації відображені у 55 публікаціях, серед яких 39 статей у наукових фахових виданнях ВАК України, 6 патентів України і 1 А.С. СРСР.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації складає 479 сторінок. Робота містить 53 ілюстрації за текстом, 43 ілюстрації на 36 окремих сторінках; 2 таблиці за текстом, 3 таблиці на 7 окремих сторінках; список використаних джерел із 245 найменувань на 24 сторінках; 10 додатків на 114 сторінках. Обсяг основного тексту дисертації складає 298 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми, сформульовано мету та основні задачі дисертаційної роботи, наведена загальна її характеристика.

У першому розділі розглянуто суть і стан проблеми створення ПЕМП для енергозберігаючих технологій переробки сипучих, в'язких і легкоплавких речовин. Визначено, що створення ресурсоенергозберігаючих технологій має два основних напрямки. Перший з них пов'язаний з підвищенням ККД окремих елементів системи перетворення енергії, другий - ґрунтується на інтегруванні функціональних властивостей в одному агрегаті та використанні дисипативної складової енергії. Для технологічних систем, об'єднуючих процеси транспортування, нагріву, сушіння, змішування матеріалів, другий напрямок з використанням ПЕМП слід вважати найбільш перспективним. На базі огляду науково-технічної та патентної літератури, аналізу і узагальнення досліджень, що проводяться у галузі електромеханічних перетворювачів енергії з ПФР, які суміщені з виконавчим механізмом, а дисипативна складова енергії розглядається як корисна, визначені невирішені проблеми та обґрунтовано напрям досліджень.

У другому розділі сформульовані принципи і теоретичні основи створення ПЕМП. Запропоновані найбільш перспективні конструкції шнекових (рис. 1) та бістаторних заглибних ПЕМП (рис. 2).

Розроблені принципи побудови ПЕМП умовно поділені на чотири групи: структурної та функціональної інтеграції; інтеграції теплових процесів; саморегулювання у розділенні на складові корисної потужності; безредукторного забезпечення малої частоти обертання і кратного посилення обертового моменту.

Принцип структурної і функціональної інтеграції ПЕМП полягає у наступному: суміщена технічна система, яка поєднує електромеханічну, механічну і теплові підсистеми для реалізації інтегральної функції по сукупності функціональних ознак електродвигуна, виконавчого механізму та нагрівача, створюється на основі збереження спадкоємності інформації первинного джерела ЕМП, кореляції структурних ознак з генетичними операторами синтезу (схрещування, реплікації, внутрішньовидової мутації, просторової і електромагнітної інверсії).

Здійснена постановка задачі та розроблена природна геносистематика видів класу ПЕМП, що вміщує впорядковану інформацію щодо видового різноманіття як відомих, так і потенційно можливих видів класу систем, що досліджуються.

Інтеграція теплових процесів - це формування можливості добирання тепла від вузлів ПЕМП, координація теплових потоків, сформованих при цільовому перетворені електричної енергії у теплову та каналізація її до ланок технологічного ланцюга, де саме є потрібним нагрів робочих поверхонь і об'ємів.

Першим принципом інтеграції теплових процесів є принцип координації термоградієнта. Основна умова ефективного використання дисипативної складової енергії ПЕМП полягає в тому, що термоградієнти у напрямку лінії зв'язку активних частин з РНОС і додатковим охолоджуючим агентом повинні мати напрямок у бік активних частин. ПФР ПЕМП - основний елемент системи, який регулює напрямок термоградієнту.

Ефективність структури ПЕМП, як теплообмінної системи з внутрішніми джерелами теплової енергії, при виконанні усіх призначених для перетворювача функцій досягається при максимально можливому перекритті на температурно-ентальпійній площині складених кривих "холодних" і "гарячих" потоків та їх економічно доцільному зближенні (пінч-принцип).

Принцип забезпечення замкненості теплових ланцюгів у системі "ПЕМП-РНОС" формулюється так: елементи конструкції, активні частини, теплообмінні поверхні та РНОС, як елемент ПЕМП, пов'язані таким чином, що утворюють замкнений тепловий ланцюг, а вся теплова енергія, що виробляється ПЕМП, шляхом прямої теплопередачі або рекуперації витрачається на приріст ентальпії речовини, що переробляється.

Принцип саморегулювання у розподіленні на складові корисної потужності розроблено на основі енергетичного аналізу двох станів, які характерні для ПЕМП заглибного типу (див. рис. 2): А - нерухомий стан ПФР (s=1), що відповідає випадку твердого стану речовини (наприклад, мазуту) або штучному режиму РСС у відповідності до вимог технологічного процесу; Б - стан прискорення обертання ПФР (dn/dt > 0), який відповідає переходу речовини у рідку фазу та послідовного зниження в'язкості.

Для стану А електромагнітна енергія зовнішнього ДМ та внутрішнього ГМ повністю дисипує у теплову потужність ПФР.

Частковий розподіл електромагнітної потужності на два потоки корисної потужності здійснюється у згоді з поточною величиною ковзання, яка виходячи з співвідношення ЕММ ДМ та ГМ встановлюється на рівні, який забезпечує необхідну для даного технологічного режиму корисну механічну і теплову потужність.

ПЕМП, до складу якого входять як мінімум два (умовно ДМ і ГМ) електромагнітних модулів, які утворені статорами і відповідними зонами ПФР, короткочасно, періодично або постійно працюють у одому з наступних режимів: а) узгоджений напрямок відповідно прямих і зворотних МРС обертових синхронних магнітних полів модулів, які створюють при взаємодії з вихровими струмами ПФР, напрямок обертання якого узгоджений з прямими МРС поля, сумарний, кратно збільшений по відношенню до номінального, ЕММ (форсований режим); б) протилежний напрямок відповідно прямих і зворотних МРС обертових синхронних магнітних полів модулів, які утворюють при взаємодії з вихровими струмами ПФР різних частот, визначених співвідношенням ковзань ДМ та ГМ, ЕММ протилежних напрямків, що формують при навантаженні ПЕМП частоту обертання з 5…10 кратним зниженням по відношенню до синхронної без застосування механічного редуктора (рис. 3). Найбільш характерні точки робочого діапазону швидкостей ПФР: п_прф - межа частоти обертання для форсованого режиму; п_ном - номінальна частота обертання на рівні 50…100 об/хв.

Сформульовано узагальнену ММ взаємопов'язаних електромагнітних, теплових та механічних процесів ПЕМП. При формуванні ММ прийняті такі припущення: взаємопов'язані електромагнітні і теплові процеси ДМ відбуваються незалежно від аналогічних процесів ГМ; використовуються двомірні польові моделі в межах перетину кожного з модулів. Узагальнена ММ складається з наступних рівнянь:

Ш диференціальних рівнянь рівноваги обмоток статорів модулів ПЕМП

; (1)

Ш диференціального рівняння ЕМП відносно векторного магнітного потенціалу

; (2)

Ш диференціального рівняння теплового поля відносно температури

; (3)

Ш диференціального рівняння руху МФР ЕТМП з урахуванням силової дії усіх модулів

, (4)

Ш рівнянь, що визначають відповідно еквіваленту щільність струмів статора, магнітну індукцію, повні магнітні потокозчеплення усіх фаз обмотки статора, питомі теплові виділення і теплову залежність електропровідності матеріалу ротора, розрахунок ЕММ за методом тензора магнітного тяжіння:

; ; ; ; (5)

; ; ,

де k = 1, 2 - індекс модуля (k = 1 для ДМ; k = 2 для ГМ); , магнітна проникність та електропровідність ділянок середовища в межах розрахункової області; - значення густини струму, обумовленого сторонніми ЕРС; I - діюче значення струму обмотки статора; w_П - кількість послідовно з'єднаних елементарних провідників у пазу; S_П - площа паза статора; S_А - площа інтегрування, яка складається з сумарної площі перерізу сторін усіх послідовно з'єднаних котушок фази, які мають струми одного напрямку; - активна довжина статора; , с, - відповідно теплопровідність, теплоємність та щільність матеріалу розрахункової області; - радіус повітряного проміжку.

Розроблено ММ ПЕМП як системи з ТДНП перетворення енергії. В рамках ТДНП будь-який перетворювач вільної енергії може бути представлений "чорною скринькою", яка перетворює вільну енергію на вході у вихідну вільну енергію (рис. 5).

Термодинамічна ефективність ПЕМП визначається як співвідношення швидкостей вироблення та споживання вільної енергії. Тому енергетичний процес необхідно розглядати на основі векторного уявлення споживаної повної потужності S і її ортогональних складових P, Q, N. Вихідною є тільки активна потужність P. Очевидно, що термодинамічна ефективність не є еквівалентом ККД, який визначається співвідношенням корисної та споживаної активних потужностей. При намаганні потужності спотворення N досягти нуля, термодинамічна ефективність приймає значення, близьке до енергетичного критерію

, (6)

де , - відповідно електричний та тепловий ККД.

У третьому розділі представлені результати дослідження процесів та характеристик ПЕМП чисельними методами з використанням розробленої узагальненої ММ. Для чисельного розв'язання системи алгебраїчних рівнянь методом скінченних елементів (МСЕ) з урахуванням характерної для МСЕ симетричності та стрічкової структури матриці системи застосовано метод Краута. Оскільки ротор ПЕМП має гладку структуру, конфігурація розрахункової області при обертанні ротора не змінюється і, відповідно, в деформації або перебудові сітки скінченних елементів нема потреби. При цьому вплив відносного переміщення електропровідного ротора і обмотки ротора на електромагнітне поле ПЕМП враховується конвективною складовою . Важливою особливістю застосування МСЕ є необхідність ітераційного рішення системи алгебраїчних рівнянь відносно магнітної проникливості . В роботі для розв'язання нелінійних алгебраїчних рівнянь застосовано метод Ньютона-Рафсона. Практична реалізація ММ ПЕМП виконана в рамках програмно-обчислювального комплексу FEMLAB 3.1.

Особливістю функціонування шнекового ПЕМП є його робота при малій частоті обертання ПФР в умовах нестабільності моменту опору. Робочій діапазон ковзання ПФР для ДМ складає 0,85 … 0,95, а для ГМ відповідно - 1,05.. 1,15. Виконана оцінка розподілу вектора тензора магнітного натягу повздовж активної поверхні ПФР (рис. 8).

Отримані розрахункові залежності ЕММ модулів та результуючого ЕММ від ковзання ПФР. На рис. 10 представлені залежності M = f(s) ДМ (М1), ГМ (М2) та результуючого ЕММ для діапазону зміни ковзання s = 0,6…1,4 при коефіцієнті на- вантаження k_н = 6. Механічний момент навантаження обумовлений опором сипучого матеріалу і має характер, який наближається до лінійної залежності

, (7)

де k_н - коефіцієнт навантаження; М_СО - постійна складова навантаження, яка незалежна від швидкості (тертя матеріалу в приграничній зоні днища та інш.).

Крива моменту кожного модуля має вигляд, характерний для механічних характеристик АД з масивним ротором, для яких максимум моменту досягається при ковзання s > 1. При такому характері навантаження номінальний режим ПЕМП реалізується при ковзанні ПФР s = 0,88. Рівність ЕММ модулів виникає при s 0,78 або частоті обертання ротора 165 об/хв. (ідеальний холостий хід). Цей розрахунковий результат добре узгоджується з експериментальними даними, у відповідності з якими при відсутності корисного механічного навантаження (відсутність сипучого матеріалу), але наявності власного моменту опору (тертя в підшипниках та інш.)) дослідний зразок 8-полюсного ПЕМП обертається з частотою 110 об/хв., тобто при s = 0,85. Такий режим є режимом реального холостого ходу.

Вплив зміни електропровідності матеріалу ПФР. Нагрівання ПФР вихровими струмами веде до істотного зменшення його електропровідності. При цьому через поверхневий ефект максимуми струмів і температури (рис. 9) виникають на внутрішній поверхні ПФР, а величина електропровідності змінюється по глибині ПФР. В результаті проведеного аналізу (рис. 7) було встановлено, що урахування зміни температури і електропровідності ПФР веде до зниження розрахункової амплітуди струмів на поверхні ПФР на 25…30% і збільшенню глибини проникнення струмів на 35…45%. В результаті за інших рівних умов розрахунковий ЕММ в діапазоні ковзань s = 0,85…0,9 зменшується на 10…15%.

Розроблена польова методика аналізу є універсальною і дозволяє розрахувати ЕММ без введення симетричних складових струмів ПФР прямого і зворотного порядку проходження фаз і виявити основні характеристики цього ефекту, який виявляється перш за все, при пуску ПЕМП. Відомо, що механічна характеристика АД з несиметричним ротором має важливу особливість в районі ковзання s = 0,5, що виявляється в істотному (у декілька разів) зниженні ЕММ в порівнянні з випадком симетричного ротора. В діапазоні робочих ковзань ПЕМП s = 0,85…1 вплив несиметрії параметрів ПФР виявляється значно менше (рис. 11).

У четвертому розділі розглянуті енергетичні процеси взаємодії ПЕМП з РНОС. ПЕМП являє собою термодинамічну гетерогенну відкриту систему, яка знаходиться у нерівновагомому стані і енергетично взаємодіє з РНОС, яке формує для ПЕМП механічне навантаження за участю сил сухого або в'язкого тертя, пружних, гідродинамічних, кавітаційних і інших дій на рухому частину ПЕМП. Одночасно РНОС є і охолоджуючим агентом, який шляхом кондуктивно-конвективного теплообміну, пароутворення або фазового переходу тверда речовина - рідина здійснює відбір теплової енергії від активних частин ПЕМП.

Розроблені фізичні, динамічні і математичні моделі формування тепломеханічного навантаження. Встановлено, що ПЕМП являє собою двомасову систему, причому момент інерції мас матеріалу є змінна величина, а стартовий рух ПФР з затверділим матеріалом супроводжується ефектами внутрішнього "зриву" і різким зниженням моменту навантаження при нарощуванні швидкості. Загальна математична модель режиму навантаження має вигляд

Z(t) = R(t)·S(t), (8)

де R(t) - безперервна складова, яка характеризує стохастичний характер фізико-механічних властивостей матеріалу і коливання інтенсивності потоку; S(t) - пульсуюча складова, яка характеризує схему функціонування і надійність ПЕМП.

У п'ятому розділі розглянута методологія проектування ПЕМП з оптимальною термодинамічною структурою. У відповідності з методологією розділу 4, з використанням початкових даних і вимог ТЗ виконуються теплові і гідродинамічні розрахунки, результатами яких повинні стати: кількість теплової енергії необхідна для сушіння, нагріву або плавлення матеріалу; час знаходження матеріалу в шнеку; геометричні розміри зовнішнього (внутрішнього) ПФР, які визначають площу поверхні при кондуктивно-конвективному теплообміні; механічну потужність і механічну навантажувальну характеристику . На основі принципів структурно-функціональної і теплової інтеграції вузлам ПЕМП делегують основні функції пристроїв технологічної системи і формують схему розподілу основних потоків тепломасообміну (рис. 14). Практично всі внутрішні вузли ПЕМП є джерелами гарячих утиліт, від яких започатковуються "гарячі" потоки. Потік матеріалу є "холодним" потоком. Основним засобом інтеграції "гарячих" потоків є створення додаткового паралельного "холодного" повітряного потоку з максимально можливою кількістю гілок в зону активних частин ПЕМП. При цьому вихід в цих гілках повинен обов'язково знаходитися в зоні основного "холодного" потоку матеріалу перпендикулярно або протитоком до останнього. Формуванню таких напрямків сприяє правильний підбір перетину отворів S₁-S₆.

Запропонована інженерна методика розрахунку ПЕМП, яка відрізняється від діючих методик розрахунку АД процедурою і змістом аналітичних виразів для визначення головних розмірів, обмоткових даних і параметрів активних частин. Частота обертання ротора визначається різницею ЕММ ДМ і ГМ.

Визначаються головні розміри окремих модулів і питома поверхнева потужність ПФР, за величиною якої з урахуванням температури отримують значення магнітної проникності ₂ і питомого активного опору ₂ ПФР. Оскільки проектна корисна потужність Р_н ПЕМП формується за результатами теплових і гідродинамічних розрахунків РНОС як сума необхідної теплової Р_тп і механічної Р_мех потужностей, то з'являється унікальна можливість визначити МРС ПФР на окремий модуль

, (9)

де А = 1,13+j1,85 - коефіцієнт Неймана; Р_км - корисна потужність модуля; L₂ - довжина активної частини ротора для окремого модуля; k_ф, - коефіцієнт форми поля і відносного подовження ротора відповідно; - довжина пакета статора модуля; - полюсна поділка статора.

Результатом електромагнітного розрахунку стають варіативні комплекси параметрів і характеристик окремих модулів ПЕМП.

Запропоновано методику теплового розрахунку, ціллю якої є не тільки узгодження відповідності перевищень температури ізоляційних структур обраному класу нагрівостійкості, але й встановлення градієнтів температур і пінча теплових потоків у структурі ПЕМП при варіаціях його параметрів і характеристик. До складу ЕТС внесено РНОС з власними тепловиділеннями Р_1М, Р_2М і відповідними середніми температурами перегріву , (рис. 15). Розв'язання системи рівнянь, які відповідають ЕТС, дає змогу встановити середні перевищення температур над температурою Т_ВО охолоджуючого повітря і величини теплових потоків Q між елементами ПЕМП. Для системи теплообміну ПЕМП на температурно-ентальпійній площині здійснюється побудова кривих "холодних" і "гарячих" потоків (рис. 16).

У шостому розділі наведені результати експериментальних досліджень і промислових випробувань ПЕМП різних конструкцій. Розроблено метод експериментального визначення залежностей М = f(s) і М = f(t) безпосередньо в промислових умовах. Мала частота обертання і гладка внутрішня поверхня ПФР дозволяє використовувати для вимірювання напруженості електричного поля (НЕП) спеціально розроблену конструкцію потенціальних зондів, що встановлені в відкритих пазах статора, де укладено початки фаз обмотки. Вимірювання частоти обертання ПФР і результуючого вектора магнітного поля виконується за допомогою давачів Холла, які розміщені у повітряному проміжку. При цьому швидкість обертання вектора поля визначається по тривалості появи максимумів сигналу на перетворювачах Холла, які розташовані на нормовану дистанцію в повітряному проміжку. Основний елемент для реєстрації миттєвих значень НЕП, струмів і напруг в ланцюгах живлення - USB-осцилограф на базі мікроконтролера С8051F321 (розрядність АЦП - 10 бит, частота дискретизації - 0,01 Гц…200 кГц). Запропоновано такий алгоритм обробки даних в перехідних режимах ПЕМП, який складається з двох модулів і живленням від одного джерела:

а) визначається амплітуда НЕП контурів вихрових струмів на поверхні ПФР для кожного моменту часу у трьох еквівалентних фазах ПФР;

б) визначаються еквівалентні хвильові опори і фаза комплексного струму за допомогою модифікованих універсальних кривих залежностей відносин хвильових параметрів ПФР

; , (10)

де - базові хвильові опори при умовах ненасиченості сталі і температури 20⁰С;

в) визначаються діюче значення і далі послідовно комплексна амплітуда і миттєве значення струму ПФР;

г) визначається миттєве значення результуючого ЕММ ПЕМП

. (11)

На основі методології створення ПЕМП, яка викладена в розділі 5, на ВАТ "Первомайський електромеханічний завод ім. К.Маркса" були розроблені і виготовлені дослідні партії шнекових ПЕМП, що увійшли до складу електричних комплексів для сушінні вугільних шламів і концентратів і успішно пройшли промислові випробування на ЗАТ "Селідовська ЦЗФ" і ТОВ "ЦЗФ Кондратівська". Порівняльний аналіз величин, отриманих при експериментальних дослідженнях, свідчить про те, що розбіжність з розрахунковими даними, які отримані за методикою інженерного розрахунку (розділ 5), а також результатами чисельного моделювання (розділ 3), не перевищують 7,5%.

Досліджена стійкість шнекового ПЕМП у динамічному режимі при періодичній зміні М_с. Встановлено, що ознаками динамічно стійкого режиму ПЕМП є: повторення за кожний період навантаження коливань миттєвих значень ЕММ і ковзань; позитивна похідна середнього моменту ; аналогія у характері кривих ЕММ і ковзання. Усталений режим коливань настає після трьох обертів ПФР ().

Розглянуті економічні аспекти використання ПЕМП технологічного призначення. Порівняння масогабаритних характеристик комплексу обладнання діючих технологій сушіння і технологій на базі ПЕМП дозволяє зробити наступні висновки: поєднання виконавчого механізму, нагрівача і електропривода в ПЕМП забезпечує зниження маси і габаритів комплексу майже вдвічі; використання режиму противключення модулів ПЕМП виключає необхідність використання механічного редуктора.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена розробці основ теорії, принципів побудови та методології проектування поліфункціональних електромеханічних перетворювачів технологічного призначення. Сукупність наукових положень і технічних розробок, представлених в дисертації, складає обґрунтоване вирішення важливої науково-практичної проблеми створення перспективного класу високоефективних електромеханічних перетворювачів з повним використанням дисипативної складової енергії і поліфункціональними властивостями.

1. На даний час при створенні енергоресурсозберігаючих технологій існує тенденція суміщення електромеханічних перетворювачів з виконавчим механізмом і використання дисипативної складової енергії. У зв'язку з цим актуальним є розробка нових підходів і нової методології проектування при створенні поліфункціональних електромеханічних перетворювачів, в основу якої покладена структурна, функціональна і теплова інтеграція, нетрадиційний спосіб оцінки енергетичної ефективності, модульне формування результуючих механічних характеристик у широкому діапазоні зміни ковзання з урахуванням усього спектру вищих гармонік.

2. Розроблено принцип структурної і функціональної інтеграції ПЕМП, згідно якого суміщена технічна система, що поєднує електромеханічну, механічну і теплові підсистеми для реалізації інтегральної функції по сукупності функціональних ознак привідного двигуна, виконавчого механізму та нагрівача, створюється на основі збереження спадкоємності інформації первинного джерела електромагнітного поля, кореляції структурних ознак з генетичними операторами синтезу. Здійснена постановка задачі та розроблена геносистематика видів класу ПЕМП. Вперше запропонована генетична модель внутрішньої структури виду циліндричних повздовж-симетричних ПЕМП з обертовим рухом робочого органу, які використані при розробці нових технічних рішень.

3. Розроблені принципи теплової інтеграції ПЕМП, що формують схему добирання тепла від джерел дисипативної енергії, координацію теплових потоків та каналізацію теплової енергії до ланок технологічного ланцюга, де саме є потрібним нагрів робочих поверхонь і об'ємів. Встановлено, що оптимальність ПЕМП, як теплообмінної системи з внутрішніми джерелами теплової енергії, досягається при максимально можливому перекритті на температурно-ентальпійній площині складених кривих "холодних" і "гарячих" потоків та їх економічно доцільному зближенні (пінч-принцип), а всі елементи в системі "ПЕМП - навантажувально-охолоджуюче середовище" пов'язані таким чином, що утворюють замкнений ланцюг.

4. Розроблено принцип саморегулювання у перетворенні електромагнітної енергії ПЕМП, згідно до якого частковий розподіл на корисні потоки теплової і механічної енергії здійснюється у згоді з поточною величиною ковзання, яка виходячи з співвідношення електромагнітних моментів двигунового і гальмівного модулів ПЕМП встановлюється на рівні, що забезпечує приблизно однакові теплові потоки для різних технологічних режимів за рахунок зміни швидкості передачі теплової енергії.

5. Розроблено принципи безредукторного забезпечення частоти обертання з 5…10 кратним зниженням по відношенню до синхронної і кратного посилення обертового моменту ПЕМП, які базуються на використанні взаємодії прямих і зворотних полів двигунового і гальмівного модулів, зміни напрямку обертання поля статора гальмівного модуля і тривалості його дії.

6. Розроблено узагальнену коло-польову ММ взаємопов'язаних електромагнітних, теплових і механічних процесів в ПЕМП, що дозволяє аналізувати сталі і динамічні режими роботи перетворювача з урахуванням всієї сукупності основних чинників: складної конфігурації активної зони, нелінійності фізичних властивостей матеріалів, ефектів витиснення вихрових струмів в масивному роторі з урахуванням обертового характеру магнітного поля, реального нагріву елементів конструкції і умов теплообміну з навантажувально-охолоджуючим середовищем, особливостей розподілу електромагнітних сил і моментів. Встановлено вплив нагрівання ротора на глибину проникнення в нього вихрових струмів і ефект "закручування" вихрових ліній поля ротора, що обумовлений обертовим характером електромагнітного поля. Встановлено, що урахування зміни електропровідності ротора, викликаного його нагріванням вихровими струмами, веде до зниження розрахункової амплітуди струмів на поверхні ротора на 25…30% і збільшенню глибини проникнення струмів на 35…45%. В результаті за інших рівних умов розрахунковий електромагнітний момент в діапазоні робочих ковзань s = 0,85…0,9 зменшується на 10…15%.

7. Розроблено польову методику аналізу впливу на механічні характеристики ПЕМП несиметрії параметрів ротора без введення симетричних складових струмів прямого і зворотного порядку проходження фаз. Встановлено, що несиметрія ротора не веде до погіршення умов пуску ПЕМП, але жорсткість реальної механічної характеристики збільшується на 5…7% у порівнянні з розрахунковими характеристиками без врахування несиметрії.

8. Теоретично і експериментально обґрунтовано умови оптимального пуску ПЕМП при різному характері навантаження. Встановлено, що найбільш ефективною є двоступенева схема пуску, яка в залежності від характеру пускового навантаження реалізується або шляхом одночасного, узгодженому за електромагнітними моментами запуску двигунового і гальмівного модулів з наступним реверсом останнього, або шляхом затримки включення гальмівного модуля на певний час, достатній для досягнення ротором рівня номінального ковзання.

9. Вперше розроблено ММ ПЕМП як системи з нерівновагими термодинамічними процесами перетворення енергії, що дозволяє проводити оптимізацію внутрішньої структури ПЕМП за максимумом термодинамічної ефективності і вихідної потужності. Встановлено, що термодинамічна ефективність при намаганні потужності спотворення досягати нуля приймає значення, близьке до енергетичного критерію, який являє собою добуток електричного ККД, теплового ККД і коефіцієнта потужності. Розроблені фізичні, динамічні і математичні моделі енергетичних процесів взаємодії ПЕМП з робочим навантажувально-охолоджуючим середовищем.

10. Удосконалено методику теплових розрахунків при проектуванні ПЕМП, що дозволяє вести не тільки оцінку відповідності перевищень температури ізоляційної структури обраному класу нагрівостійкості, але й визначити градієнти температур, ефективність теплообміну і пінч теплових потоків у структурі ПЕМП при варіаціях його параметрів і характеристик.

11. Розроблено і реалізовано методологію проектування ПЕМП, яка містить наступні нові методики: термодинамічні розрахунки навантажувально-охолоджуючого середовища; структурно-функціональна і теплова інтеграція вузлів; об'єктно-орієнтоване проектування модулів; теплові розрахунки за методом еквівалентних теплових схем, модифікованих на основі пінч-принципів; оптимізація за термодинамічною ефективністю на основі феноменологічних співвідношень. Використання цієї методології дозволяє підвищити загальний ККД комплексів технологічного обладнання на 18…25%, у тому числі електричний ККД ПЕМП - на 5…10%. Розроблена програмна реалізація об'єктно-орієнтованого проектування на мові програмування С⁺⁺, середовище розробки - програма "Microsoft Visual Studio.Net".

12. Розроблено і реалізовано метод експериментального визначення електромагнітного моменту і механічних характеристик ПЕМП та інших електричних машин з масивним ротором, які не мають вихідного кінця валу, безпосередньо в промислових умовах.

13. Теоретично обґрунтовані процеси утворення вищих гармонік у повітряному проміжку ПЕМП при періодичній зміні умов охолодження масивного ротора. Запропоновано спосіб експериментального визначення вищих гармонік магнітного поля ПЕМП, які спричинені наявністю пазів на статорі, насиченням магнітного кола, статичним і динамічним ексцентриситетом, а також температурними коливаннями питомого активного опору і відносної магнітної проникності ділянок масивного ротора. На відміну від методик проектування традиційних АД увесь спектр субгармонік і вищих гармонік використовується в ПЕМП для формування оптимальної корисної теплової і механічної потужностей.

14. Основні результати дисертації впроваджені на ВАТ "Первомайський електромеханічний завод ім. К.Маркса", Новомосковському електромеханічному заводі Тульської області, ЗАТ "ЦЗФ Селідовська" і ТОВ "Кондратівська ЦЗФ". Основні положення роботи використовуються у навчальному процесі за фахом 092206 "Електричні машини і апарати" в Донбаському державному технічному університеті, м. Алчевськ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Заблодський М.М. Теплові розрахунки електротехнічних устаткувань: Навч. посібник. - Алчевськ: ДГМІ, ВПЦ "Ладо", 2003. - 289 с.

2. Заблодский Н.Н., Шадрин С.В., Плюгин В.Е. Основные принципы создания электротепломеханических нагревательных устройств // Вісник Східноукраїнського державного університету. - Луганськ: СУДУ, 1998. - № 4. - С. 113-116.

Здобувач сформулював ідею і основні принципи створення двостаторного електромеханічного нагрівача з суміщенням функцій.

3. Заблодский Н.Н., Плюгин В.Е., Заблодская Т.П. Электромагнитные и тепловые процессы вращающихся электромеханических нагревателей // Вестник Харьковского государственного политехнического университета, тем. вып. "Проблемы совершенствования электрических машин и аппаратов. Теория и практика". - Харьков, 2000. - Вып. № 84. - С. 93-96.

Здобувач розробив математичні моделі електромеханічного нагрівача.

4. Заблодский Н.Н., Плюгин В.Е., Чан Дай Шон. Энергетическая эффективность вращающихся электромеханических нагревателей // Технічна електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". - К., 2000. - Ч. 6. - С. 74-77.

Здобувач виконав узагальнення експериментальних даних та запропонував аналітичні співвідношення для оцінки енергетичної ефективності.

5. Заблодский Н.Н., Дорофеев В.Н., Плюгин В.Е. Высокоэффективные погружные электротепломеханические нагреватели для легкоплавких и сыпучих материалов // Сборник научных трудов Донбасского горно-металлургического ин-та. - Алчевск: ДГМИ, 2000. - Вып. 11. - С. 158-167.

Здобувач запропонував принципи створення електромеханічних нагрівачів і математичну модель тепломасообміну.

6. Заблодский Н.Н., Захарченко П.И., Плюгин В.Е. Математическое моделирование процессов тепломассообмена и гидродинамики вращающегося электромеханического нагревателя // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", тем. вип. "Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика". - Харків, 2001. - № 16. - С. 77-80.

...