WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» Академия электротехнических наук Российской Федерации при поддержке ...»

-- [ Страница 2 ] --

1.Реализованы математические модели анализа пуска АД в системах фазных и преобразованных координат; результаты практически совпали .

2.В ряде случаев (симметричные условия на зажимах) предпочтение может быть отдано переменным, поскольку решение получается практически мгновенно .

3.Результаты выполненных расчетных исследований могут использоваться в приближенном анализе рассмотренного вида переходных процессов и учебном процессе .

Литература

1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: учебник для вузов. – М.:

Энергия, 1980. – 928 с .

2. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб .

для вузов по спец. "электрические машины". – М.: Высш.шк., 1987. – 248. с .

3. Громов А.К. Электромеханическое преобразование энергии: учеб.пособие / ГОУВПО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина". – Иваново, 2007. – 200 с .

Громов Аркадий Константинович, ФГБОУ ВПО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина" E-mail: gromovar@mail.ru Лихачева Анна Валентиновна, ФГБОУ ВПО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина" E-mail: anna@em.ispu.ru

–  –  –

Анализ профиля полюсных наконечников, формирующих рабочий зазор в магнитожидкостном сепараторе Аннотация. Выполнен анализ геометрии профиля полюсных наконечников в магнитожидкостном сепараторе, способствующей постоянству силы выталкивания немагнитных тел из магнитной жидкости. Определены границы рационального выбора геометрических и магнитных параметров сепаратора .

Ключевые слова: магнитная жидкость, сепаратор, немагнитное тело

–  –  –

Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: elmash@em.ispu.ru Analysis of the profile pole pieces, forming the working gap in the magnetic fluid separator Abstract. Analysis of the pole pieces geometry in the magnetic fluid separator, performed. Boundaries of geometric and magnetic parameters of the separator, identified .

Key words: magnetorheological fluid, separator, nonmagnetic body .

–  –  –

1. Берковский, Б.М. Магнитные жидкости / Б.М.Берковский, В.Ф.Медведев, М.С.Краков М.: Химия, 1989. – 240с .

2. Кравченко Н.Д. Магнитная сепарация отходов цветных металлов / Н.Д .

Кравченко, В.И. Карамзин. М.: Металлургия, 1986. 120 с .

Страдомский Юрий Иосифович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», E-mail: elmash@em.ispu.ru

–  –  –

Анализ точности индукционных датчиков перемещения Аннотация. Рассмотрено распределение магнитного потока в системе двухстержневого датчика линейных перемещений. Показана зависимость потока в зазоре от торцевого потока и допустимой намагничивающей силы. Намечены пути увеличения точности фиксации измерительного элемента .

Ключевые слова: датчик линейных перемещений, магнитный поток, точность фиксации .

–  –  –

Analysis of the accuracy of inductive displacement sensors Abstract. Magnetic flux distribution in the double rod linear encoder, discussed. Dependence of the flux in the gap from the axial flux and allowed the magnetizing force, is shown. Ways to increase the accuracy of of fixing the measuring element, described .

Key words: linear encoder, magnetic flux, fixing precision .





В системах автоматики широко применяются индукционные датчики положения, в которых значение ЭДС, наводимой в измерительной катушке, определяет положение этой катушки относительно источника магнитного потока. Магнитная система представляет собой два линейных магнитопроводящих элемента, расположенных параллельно на заданном постоянном расстоянии между их боковыми поверхностями .

Это могут быть два цилиндрических стержня. На одном или на обоих стержнях установлены измерительные катушки, которые свободно перемещают вдоль стержней. Значение ЭДС измерительной катушки соответствует её положению на стержне .

Точность фиксации положения измерительной катушки относительно начала стержневой магнитной системы зависит от значения в стержне магнитного потока, который охватывается измерительной катушкой. Особенностью такой линейной магнитной системы является постепенное уменьшение магнитного потока в стержне по мере его перехода из одного стержня в другой. Значение магнитного потока Фh, переходящего из одного стержня в другой через зазор между ними на участке длиной h можно определить по формуле Фh U gh, (1) где U – магнитное напряжение между стержнями на произвольном участке h; g – магнитная проводимость зазора между стержнями на единице длины; h – длина участка .

У начала стержней магнитное напряжение U равно намагничивающей силе Iw, создающей магнитный поток в стержнях. Если представить стержни разбитыми на множество участков равной длины h, то в начале стержней магнитный поток участка Фh будет иметь наибольшее значение. По мере перехода магнитного потока из одного стержня в другой значение магнитного потока в стержне уменьшается, что ведёт к нелинейному изменению магнитного напряжения между стержнями .

При уменьшении напряжённости магнитного поля в стержне Н падение магнитного потенциала Hh постепенно уменьшается, что вызывает уменьшение магнитного напряжения U и потока Ф между стержнями .

Рис. 1. Стержневая магнитная система датчика перемещения Если принять распределение напряжённости магнитного поля в стержне в виде НХ = Н0 – (Н0 – НТ)х/L, то выражение для элементарного

–  –  –

Из полученных выражений видно, что наиболее рациональным путём увеличения точности фиксирования положения измерительной катушки является рост частоты тока катушки намагничивания при использовании ферритов для выполнения магнитной системы. Увеличение начальной напряжённости магнитного поля Н0 ограничивает линейность начального участка кривой намагничивания. Для феррита 2000НМ эта величина не должна быть больше 50 А/м, что соответствует магнитной индукции 0,2 Тл .

Морозов Николай Александрович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», E-mail: elmash@em.ispu.ru Морозов Александр Николаевич, ОАО «Ивэлектроналадка»

–  –  –

Расчёт силовой характеристики магнитожидкостного демпфера Аннотация. Предложен оригинальный алгоритм расчёта силовой характеристики магнитожидкостного демпфера с учётом сложных реологических свойств магнитной жидкости .

Ключевые слова: магнитная жидкость, магнитожидкостный демпфер, силовая характеристика .

S.A. NESTEROV, postgraduate student Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: elmash@em.ispu.ru Calculation of force-velocity relationship of the magnetorheological fluid damper Abstract. Calculation of force-velocity relationship of the magnetorheological fluid damper by original algorithm is proposed. Complex rheological properties of magnetic fluid considered Key words: magnetorheological fluid, magnetorheological fluid damper, forcevelocity relationship .

При проектировании новых демпфирующих устройств возникает необходимость в простой и эффективной оценке получаемой силовой характеристики – зависимости силы сопротивления демпфера от скорости перемещения штока .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства В магнитожидкостном демпфере (МЖД) использование узких дроссельных отверстий, получившее наибольшее распространение в демпферах с классическими рабочими жидкостями, малоприменимо, так как получаемый при этом градиент скорости слишком велик, что сводит на нет все усилия по регулировке. В МЖД максимальный эффект будет достигнут при использовании зазора между поршнем и корпусом и воздействии магнитным полем на большой объём медленнотекущей жидкости. В настоящее время вопрос о поиске упрощенной методики, позволяющей предварительно оценить свойства МЖД, до конца не решён .

В изученных источниках отмечается ламинарный характер течения МЖ в зазоре МЖД. Это связано с достаточно большой вязкостью МЖ и стабилизирующим влиянием внешнего магнитного поля .

При наличии внешнего магнитного поля и проявлении структурирования в МЖ, её реологическая кривая, зависимость касательного напряжения от градиента сдвига слоёв жидкости, имеет вид кривой на рис. 1. Профиль скорости потока, соответствующий данной реологической кривой, представлен на рис. 2. Более подробно о профиле скорости и вычислении расхода МЖ можно познакомится в работах [1, 2] .

, Пa 1 2 R д r1 r0 с Рис. 1. Реологическая кривая Рис. 2. Схема течения жидкости МЖ при воздействии с изменяющейся динамической магнитного поля вязкостью Следует отметить решения, приведённые в [3] и основанные на представлении МЖ как тела, описываемого моделью Шведова-Бингама .

Недостаток данного способа заключается в отсутствии учёта начального участка реологической кривой МЖ, что даст неверные результаты при малых градиентах сдвига МЖ в зазоре. Представленный здесь подход лучше учитывает сложность реологической кривой МЖ, что позволяет говорить о результатах, более приближенных к реальным, и не зависящим от величины градиента сдвига в зазоре МЖД .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Практически во всех случаях область диссипации энергии в МЖД представляет собой чередующиеся участки с присутствием и отсутствием магнитного поля (полюса и межполюсные пространства). Сложность расчёта силовой характеристики состоит в том, что профиль скорости потока и вязкость жидкости на каждом из участков могут быть различны и определяться свойствами МЖ. Предложенный порядок расчёта силовой характеристики МЖД представлен на рис. 3 .

–  –  –

Литература

1. Течение магнитной жидкости в щелевом канале с поперечным магнитным полем / Морозов Н.А., Нестеров С. А. // 16-я международная плеская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям. Сборник научных трудов. (Плёс, 9 – 12 сентября 2014 года) / ИГЭУ им. В.И. Ленина. – Иваново,

2014. С.173-179 .

2. Исследование напорного течения магнитной жидкости / Казаков Ю.Б., Морозов Н.А., Нестеров С. А. // IV Всероссийская науч. конф. «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» 15–19 сентября 2013 г. сб. науч. тр. ГОУ ВПО «Ставропольский гос. ун-т», Ставрополь, 2013. – С. 129

– 135 .

3. Modelling of dynamic behaviour of magnetorheological fluid damper by genetic algorithms based inverse method / G. Ghi, M. Giuclea, T. Sireteanu // The 6 th International Conference on Hydraulic Machinery and Hydrodynamics Timisoara, Romania, October 21 - 22, 2004 – pp. 619-628 .

4. Gudmundsson I. A Feasibility Study of Magnetorheological Elastomers for a Potential Application in Prosthetic Devices / School of Engineering and Natural Sciences University of Iceland. – Prentun: Hsklaprent Reykjavk, September 2011 .

– 108 р .

Нестеров Сергей Александрович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: sergeinesterov37@gmail.com Влияние шихтованных элементов конструкции силового трансформатора на его поле рассеяния Аннотация. Рассматриваются вопросы влияния шихтованных элементов конструкции силового трансформатора на его поле рассеяния. Представлены варианты конструктивного исполнения магнитных шунтов и прессующих колец, предложен оптимальный вариант их установки .

Ключевые слова: конструкция, трансформатор, поле рассеяния .

–  –  –

Ivanovo State Power Engineering University 153003, Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: admin@tam.ispu.ru Influence of laminated constructional elements of power transformer to its dissipation field Abstract. Deals with the influence of laminated constructional elements of power transformer to its dissipation field. Presents variants of embodiment of magnetic shunts and pressing rings, offers the optimal variant to install them .

Key words: construction, transformer, dissipation field .

С увеличением единичной мощности силовых трансформаторов, усложнением их конструкции возрастает напряженность поля рассеяния, как в области обмоток, так и на поверхности ферромагнитных элементов конструкции, что приводит к увеличению доли добавочных потерь в потерях короткого замыкания .

Причем относительные значения потерь в элементах существенно различны и зависят от той части потока рассеяния, которая замыкается через них. В связи с этим широкое распространение получили методы снижения добавочных потерь, основанные на управлении магнитным полем для уменьшения или канализации части потока магнитными шунтами в обход тех элементов конструкции, в которых имеются заметные добавочные потери, без изменения основных размеров трансформатора. Поскольку магнитные шунты набираются из листовой электротехнической стали, потери в них незначительны [1, 2] по сравнению с потерями в элементах конструкции при отсутствии шунтов .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства Для всех трансформаторов с концентрическими обмотками характерным является резкое увеличение радиальной составляющей индукции поля рассеяния и резкое уменьшение ее осевой составляющей у торцов обмоток. Попытка ”выровнять” поле рассеяния в этой области изменением направления шихтовки прессующих колец (ПК) обмоток с радиального (рис. 1, а) на осевое (рис. 1, б) к существенным результатам не приводит. Направление шихтовки ферромагнитного ПК сказывается только на местном изменении составляющих индукции в зоне кольца, не приводя к заметному изменению картины поля у торцов обмоток. При выборе направления шихтовки надо стремиться к уменьшению потерь в ПК, то есть стремиться к тому, чтобы составляющая индукции, перпендикулярная к плоскости шихтовки, была минимальной [1]. С этой точки зрения лучшей является конструкция с осевой шихтовкой ПК, поскольку в этом случае радиальная составляющая индукции в ПК приблизительно на 40% больше, а осевая составляющая на (8 10)% меньше, чем при радиальной шихтовке .

Установка магнитных шунтов по рис. 2, а, при осевой шихтовке ПК обеспечивает уменьшение радиальной составляющей индукции у торца обмотки высокого напряжения (ВН) приблизительно в 4 раза (рис. 3, кривая 3). Однако при этом у края обмотки примерно в 3 раза возрастает осевая составляющая индукции в канале между обмотками высокого и низкого (ВН-НН) напряжения (рис. 4, кривая 3) .

–  –  –

Оптимальной представляется конструкция с установкой магнитных шунтов по рис. 2, б, при которой получается наиболее благоприятное соотношение радиальной и осевой составляющих индукции у торцов обмоток .

В этом случае по сравнению с конструкцией, изображенной на рис. 2, а, радиальная составляющая индукции увеличивается примерно в 2 раза, а осевая составляющая уменьшается в 1,3 раза .

–  –  –

Литература

1. Снижение добавочных потерь в мощных трансформаторах / В.Ш. Аншин [и др.] // Электротехника. – 1967. – № 4. – С. 10-13 .

2. Щелыкалов, Ю.Я. Определение полей и потерь в элементах конструкций силовых трансформаторов численным методом / Ю.Я. Щелыкалов, М.Н. Шурыгин // Автоматизация исследований и проектирования электрических машин и трансформаторов: межвузовский сборник научных трудов. – Иваново: ИГЭУ, 1987. – С. 48-53 .

Шурыгин Андрей Михайлович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: admin@tam.ispu.ru Шурыгин Михаил Николаевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: admin@tam.ispu.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: rogozin.roman93@gmail.com Основные методы и проблемы электромагнитных расчетов трансформаторов. Перспективы метода конечных разностей Аннотация. Рассматриваются вопросы автоматизированного проектирования трансформаторов, в частности проблема электромагнитных расчетов .

Основное внимание уделено анализу современных возможностей метода конечных разностей .

Ключевые слова: трансформатор, САПР, метод конечных разностей .

Ivanovo State Power University named after V.I. Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34. E-mail: rogozin.roman93@gmail.com The basic methods and problems of electromagnetic calculations of transformers .

Prospects for the finite difference method Abstract. The problems of computer-aided design of transformers, in particular the problem of electromagnetic calculations. Emphasis is placed on the analysis of current capabilities me-Toda finite differences .

Keywords: transformer, CAD, finite-different stey .

С развитием энергетики и других отраслей народного хозяйства, в современном обществе возрастает потребность в силовых трансформаторах самого различного назначения и конструктивного исполнения. Растут единичные мощности и токи трансформаторов, предъявляются новые требования к их характеристикам, усложняются схемы и конструкции отдельных узлов. Всё это выдвигает новые сложные задачи проектирования, в том числе задачи электромагнитных расчётов, т.е .

расчётов местных и интегральных параметров магнитного поля .

Результатами электромагнитных расчётов являются токи и напряжения обмоток и их частей при различных режимах, индуктивности, потери и электродинамические усилия. В качестве промежуточных результатов для расчёта усилий, потерь, магнитострикции и для сопоставления результатов с результатами экспериментальных исследований необходимо определить напряжённость магнитного поля или его вектор магнитной индукции. Исходными данными для электромагнитного расчёта обычно бывают устройство и геометрические размеры трансформатора, свойства материалов и сведения о режимах и условиях работы .

Задача поиска наилучшего варианта трансформатора, в частности распределения витков по сечению обмоток, т.е. задача синтеза оптимального электромагнитного поля, решается аналитически лишь в очень упрощённых случаях. Практически невозможно искать аналитическую функцию четырёх независимых аргументов (три координаты и время) или трёх (если рассматривать статическую или квазистационарную задачу). Поэтому всегда приходиться принимать такие допущения, при которых магнитное поле в каждой из рассматриваемых областей зависит от одной или двух координат, а иногда вовсе не зависит от них .

Методы электромагнитных расчётов:

Физическое моделирование представляет собой изучение таких же по своей физической природе процессов, что и исследуемые, но не в оригинале, а в похожих на него специально изготовленных моделях .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства Результаты измерений пересчитываются для оригинала. Физическое моделирование дает возможность учесть очень сложные формы границ, сред и законы изменения возбуждающей силы, реальные свойства материалов и другие факторы. Однако оно требует много времени и средств на проектирование, изготовление и испытание модели, за счёт чего данный метод не нашёл широкого распространения .

Математическое моделирование полем токов проводимости применяют для исследования магнитного поля рассеяния трансформаторов. С помощью электрической ванны или моделирования на электропроводящей бумаге можно учесть можно учесть сложные двухмерные формы границ сред и распределение возбуждающих сил. Однако широко распространено моделирование только плоскопараллельного поля, моделирование других типов полей связано с существенными техническими ограничениями. Является в основном приближённым методом .

На сегодняшний день вышеперечисленные методы практически не используются, а все расчётные методы определения поля подразделяются на две категории:

Аналитическое решение – поиск функции, удовлетворяющей уравнениям Максвелла при заданных граничных условиях и возбуждающих силах, удаётся лишь в простейших случаях плоскопараллельных и осесимметричных полей при плоских круговых цилиндрических границах сред. С учётом вышесказанного данный метод для расчёта реальных электромеханических объектов не применяется. Метод даёт решение в виде алгебраического уравнения, в которое входят все параметры характеризующие поле .

Численное решение дифференциальных уравнений Максвелла наиболее популярный метод электромагнитных расчётов на сегодняшний день. Численные методы могут быть основаны на конечноразностной модели или же на конечно-элементной, так же существует метод интегральных уравнений, Монте-Карло, граничной коллокации и т.д.

Метод конечных элементов получил наибольшее распространение за счёт ряда преимуществ:

Метод является проекционным, то есть устойчив Позволяет работать с геометрически более сложными объектами Решение сразу представляет собой функцию и значения в любой точке могут быть вычислены сразу На основе этого метода работают наиболее популярные системы автоматизированных инженерных расчётов (ANSYS, Multiphisics и т.д.), но они являются довольно дорогими, что делает их приобретение для некоторых предприятий затруднительным. Так же стоит отметить, что метод конечных разностей обладает более простым матаппаратом, благодаря чему наиболее прост в реализации, и соответственно САПР на его основе будет является более доступным. Так как он имеет прямоугольную сетку, её можно легко адаптировать к трансформаторам, Состояние и перспективы развития электротехнологии без потери точности вычислений. Минимальное число линий сетки по оси X и Y определяется числом границ изменения магнитной проводимости (воздух, сталь и т.п.) в расчётной области, справедливо для 2-х мерной модели. При такой сетке возможно получить результат, но погрешность в расчёте будет велика. Для более точных результатов необходимо полученные области разбить ещё несколькими линиями сетки, с определенным шагом x и y по осям X и Y. Для реализации 3-х мерной модели необходимо вместе с прямоугольной сеткой использовать полярную (основанную на полярной системе координат), данная потребность возникает из-за концентрических обмоток трансформатора. В результате этот метод отошёл на второй план с популяризацией метода конечных элементов. Но с появление современных компьютерных технологий, имеет практический смысл использовать данный метод, для разработки подсистемы уточненного расчета холостого хода трансформаторов .

Литература

1. Лейтес Л. В. Электромагнитные расчёты трансформаторов и реакторов. – М.: Энергия, 1981 .

2. Васютинский С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов Л., «Энергия», 1970 .

Лапин Александр николаевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: elmash@em.ispu.ru Рогозин Роман Михайлович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: elmash@em.ispu.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: aleksandr.rash@mail.ru, ait@dsn.ru Разработка системы автоматизации эксперимента на базе платформы ARDUINO Аннотация. Приведены результаты анализа возможностей автоматизации экспериментальных исследований электротехнических устройств на перспективной платформе Arduino. Для демонстрации возможностей данной платы было собрано устройство, позволяющее передвигать физический объект в трехмерном пространстве с заданной траекторией .

Ключевые слова: автоматизация экспериментальных исследований, платформа Arduino, координатное управление .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства

–  –  –

Development of automation systems based on the platform of the experiment ARDUINO Abstract. Results of the analysis capabilities of automation of experimental studies of electrical devices on a prospective platform Arduino. To demonstrate the capabilities of this board was assembled device allowing to move a physical object in three-dimensional space with a given trajectory .

Keywords: automation of experimental research platform Arduino, coordinate control .

Одной из перспективных задач в настоящее время является автоматизация экспериментальных исследований. Используя ПК, можно в кротчайшие сроки снимать, обрабатывать и передавать большой объём информации, получаемой с датчиков .

Для связи ПК с периферийными устройствами, которые могут использоваться в экспериментальных исследованиях, нами была выбрана платформа Arduino - электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств на базе микроконтроллеров Atmega семейства AVR. У нее простой язык программирования, открытая архитектура и программный код. Устройство программируется через USB без использования программаторов .

Микроконтроллер на плате (рис. 1) программируется при помощи собственного языка Arduino, основанного на языках программирования C/C++ и среды разработки Arduino (AVR GCC компилятор). Проекты устройств, основанные на Arduino, способны работать самостоятельно и, взаимодействуя с программным обеспечением на компьютере (Flash, Processing, MaxMSP). Все ПО для данной платформы и исходные чертежи схем находятся в свободном доступе. При желании платы можно собрать и доработать самостоятельно .

С помощью Arduino можно разрабатывать различные интерактивные устройства и измерительные приборы, обрабатывать данные датчиков и переключателей, управлять двигателями и т.д .

Для демонстрации возможностей данной платы было собрано устройство, позволяющее передвигать физический объект в трехмерном пространстве с заданной траекторией .

Траекторию перемещения описывает программа, написанная на языке программирования - Gкод. Это условное название языка программирования устройств с числовым программным управлением (ЧПУ) был создан в 1960-х гг. Финальная доработка одобрена в 1980 г., как стандарт RS274D. В советской технической литературе G-код обозначается как код ИСО 7-бит (ISO 7-bit) .

Этот язык до сих пор используется производителями устройств с ЧПУ, поскольку данный способ Рис. 2. Внешний вид задачи и контроля траектории экспериментальной установки движения обладает широким функционалом и при необходимости может дорабатываться .

Для передачи G-кода с ПК на платформу Arduino было использовано одно открытое программное обеспечение, работающее с данной платформой и совместимое с ОС Windows, Linux - GrblController 3.0 .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства Прошивка для микроконтроллера Grbl v0.9 также находится в свободном доступе и имеет открытый код, позволяющий изменять ее в зависимости от потребностей пользователя .

Пакет данных ПК передаёт по последовательному usb-порту на плату Arduino, которая обрабатывает их и передаёт на управление двигателями координатного стола параллельно. Поэтому перемещение объекта к заданной программой траектории максимально точно в каждый момент времени. Используемая прошивка для микроконтроллера Grbl v0.9 позволяет не только менять траекторию, но и подключать периферийные устройства с цифровым и аналоговыми входами для передачи и получения как цифровых, так и аналоговых сигналов .

Устройство, позволяющее перемещать объект в трехмерном пространстве, было собрано из комплектующих устаревшего компьютера: CD-ROM, FDD, блока питания, платы Arduinouno и драйверов для шаговых биполярных двигателей. Рабочее пространство хода устройства сравнительно небольшое - 40х40х30 мм, но обладает довольно малым шагом перемещения 0,025 мм .

Для демонстрации возможностей устройства на него был установлен полупроводниковый лазер мощностью в 1,6 Вт, позволяющий наносить информацию путём точечного термического воздействия на обрабатываемый материал сфокусированным лазерным лучом .

Преимущества платформы Arduino делают её удобной для использования автоматизации экспериментальных исследований. Выше мы рассмотрели применение ее для перемещения заданного объекта в трехмерном пространстве. Совместив ее с различными, мы можем использовать ее для систематизации исследования объекта, создания трехмерных моделей исследуемых объектов. Совместив с различными устройствами вывода, можно воздействовать c заданными характеристиками на испытуемый образец термическими, механическими и химическими способами, а также задавать параметры точного положения объекта в пространстве с ПК .

Являясь одним из условий качественного проведения эксперимента, автоматизация экспериментальных исследований в итоге способствует развитию науки .

Подобный Александр Владимирович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: aleksandr.rash@mail.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru Солунин Михаил Альбертович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: admin@fizika.ispu.ru Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: alxstl@mail.ru, ait@dsn.ru Применение подсистем поверочного и теплового расчетов САПР к проектированию оптимальных моделей силовых масляных трансформаторов Аннотация. Описана подсистема поверочного расчета трансформаторов, построенная на основе тепловых моделей трех уровней сложности. Особо выделяются модели, построенные на основе разветвленных схем замещения, позволяют получить повышенную точность расчетов при малом времени расчета, что позволяет использовать их при оптимизации трансформатора .

Ключевые слова: силовой трансформатор, САПР, цепные модели, тепловой расчет, оптимизация .

–  –  –

Ivanovo State Power University named after VI Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34. E-mail: alxstl@mail.ru, ait@dsn.ru Application subsystem verification and thermal calculations CAD to design the optimal models of power oil transformers Abstract. The subsystem testing calculation transformers, built on the basis of thermal models of three levels of difficulty. Highlights the models constructed on the basis of equivalent circuits branched to obtain high accuracy of calculations with a small calculation time, they can be used in the optimization of the transformer .

Keywords: power transformer, CAD, chain models, thermal design, optimization .

Повышение требований к снижению издержек на проектирование и производство трансформаторного оборудования привело к созданию программного обеспечения (ПО), используемого при расчете оптимальных моделей силовых трансформаторов. Описываемое ПО было разработано по заказу ЗАО "Трансформер" (г. Подольск) и представляет собой совокупность подсистем поверочного, теплового и оптимизационного расчетов САПР распределительных и силовых трансформаторов .

Особенностью обмоток низшего напряжения (НН) распределительных трансформаторов, производимых на ЗАО «Трансформер»

является ленточная технология намотки. Известно, что в обмотках, выполненных из широкой полосы ленты или фольги, поперечный магЭлектромеханика и магнитожидкостные устройства нитный поток почти полностью оттесняется вихревыми токами даже при частоте 50 Гц. Вихревые токи, вызванные поперечным полем рассеяния, концентрируются в торцевых частях обмоток, создавая эффект перераспределения части тока нагрузки к торцам обмоток. Существующие инженерные методики на основе РД эти эффекты не учитывают .

Ведущие мировые производители трансформаторного оборудования для исследования эффекта вытеснения тока в обмотках используют ПО на основе расчета электромагнитного поля методом конечных элементов (МКЭ). Существенным недостатком МКЭ является невозможность использования моделей на основе МКЭ в подсистемах оптимального проектирования .

Для устранения указанных недостатков и учета эффекта вытеснения были разработаны уточненные математические модели [2] и разработаны соответствующие программные средства [1, 3, 4] .

Данные программные средства выполнены в среде MATLAB в связке с табличным процессором Excel, посредством среды программирования Visual Basic .

Апробация подсистем производилась в рамках работы конструкторского отдела ЗАО «Трансформер», результаты апробации сравнивались с результатами приемосдаточных и типовых испытаний физических образцов в лаборатории ЗАО «Трансформер» .

Основным критерием при сравнении расчетных данных и результатов испытаний были потери холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ), а также превышения средних температур обмоток НН и высшего напряжения (ВН) над температурой окружающей среды. Результаты расчета потерь трансформатора приведены в табл. 1 и табл. 2 .

Рис.1. Тепловой расчет активной части масляного трансформатора в полевой постановке Flow Simulation Особенностью подсистемы теплового расчета САПР является многоуровневая структура тепловых моделей с разной степенью точности, быстродействия и уровня визуализации результатов [1] .

1) модели 1 уровня основываются на инженерных методиках, изложенных в РД 16452-88 «Трансформаторы силовые масляные с системами охлаждения М и Д. Тепловой расчет обмоток» и предназначены для отыскания первоначальной точки поиска оптимального решения;

2) модели 2 уровня основаны на разветвленных электрических схемах замещения и предназначены для уточненного теплового расчета в процессе поиска оптимального решения;

3) модели 3 уровня основываются на решении задачи теплового расчета в полевой постановке и предназначены для имитации проведения тепловых испытаний в виртуальной среде .

Результаты многоуровневого теплового расчета и результаты тепловых испытаний масляных трансформаторов приведены в табл. 3-6 .

–  –  –

Проведенная серия расчетов оптимальных моделей масляных трансформаторов с помощью разработанного ПО привела к снижению материальных затрат на 8,7 % .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства Кроме проведения оптимизационных расчетов разработанное ПО позволяет решать исследовательские задачи по разработке принципиально новых конструкций трансформаторов, а тепловые модели 3 уровня позволяют исследовать течение охлаждающей жидкости в трансформаторе для повышения эффективности системы охлаждения .

Литература

1. Стулов, А.В. Разработка многоуровневой подсистемы тепловых расчетов САПР активной части распределительных трансформаторов // А.В.Стулов, А.И .

Тихонов, И.А. Корнев / ФГБОУ ВПО "Ивановский государственный энергетический университет им. Ленина". – Иваново, 2014 – 96 с .

2. Стулов, А.В. Разработка уточненных математических моделей для создания подсистем САПР распределительных трансформаторов с обмотками из ленты / А.В. Стулов, А.С. Зайцев, И.А. Трофимович, В.И. Печенкин // Вестник ИГЭУ. –

2014. Вып. 6. – С. 87-91 .

3. Тихонов, А.И. Разработка подсистемы оптимизации САПР распределительных трансформаторов / А.И. Тихонов, А.С.Зайцев, А.В.Стулов, И.А. Трофимович // Вестник ИГЭУ. – 2014. Вып. 6. – С. 87-91 .

4. Тихонов А. И., Стулов А.В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Подсистема тепловых расчетов распределительных трансформаторов на основе электрических схем замещения» – № 2014619822;

23.09.2014. – М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам .

Стулов Алексей Вадимович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: alxstl@mail.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: kornevispu@gmail.com, alxstl@mail.ru, ait@dsn.ru Параметрическая модель для расчета распределения тока в фольговых обмотках распределительного трансформатора с использованием библиотеки численного моделирования электрических цепей Аннотация. Приведена математическая модель, построенная на основе конечно-элементной модели магнитного поля и модели электрической цепи, позволяющая осуществлять расчет распределения токов и потерь в фольговых обмотках силового трансформатора с учетом эффекта вытеснения тока .

Состояние и перспективы развития электротехнологии Ключевые слова: силовой трансформатор, фольговые обмотки, метод конечных элементов, метод переменных состояния, электрические схемы замещения .

<

–  –  –

Parametric model for the calculation of the current distribution in the foil winding distribution transformer using a library of numerical simulation of electrical circuits Abstract. A mathematical model is constructed based on the finite element model of the magnetic field and the electric circuit model that allows for the calculation of the current distribution and losses in foil windings power transformer for the effect of current displacement .

Keywords: power transformer, foil coil method, finite element method, the state variables, the electrical equivalent circuit .

В работах [1, 2] рассматривается модель фольгового реактора, представленного в виде электрической схемы замещения. Одной из главных недостатков данной модели является трудоемкость формирования модели электрической цепи, которая в зависимости от конструкции реактора может изменяться, требуя каждый раз перестройки системы уравнений, описывающих данную цепь. Для того чтобы автоматизировать процесс формирования и расчета подобных цепных моделей была разработана библиотека EClib [1], открывающая новые возможности в плане численного моделирования электрических цепей .

Одновременно решалась задача распространения математического аппарата расчета фольговых реакторов на задачи расчета процессов в фольговых обмотках распределительных трансформаторов .

Одной из главных возможностей, предоставляемых библиотекой ECLib, является возможность параметрической генерации однотипных моделей электрических цепей. В частности, на рис. 1 приведена электрическая схема замещения обмоток распределительного трансформатора в опыте холостого хода. Обмотка высшего напряжения (ВН) представлена приведенным сопротивлением 34 и элементом 66, который представляет собой совокупность приведенной собственной индуктивности обмотки ВН и приведенных взаимных индуктивностей с контурами обмотки низшего напряжения (НН) .

В свою очередь фольговая обмотка НН представлена электрической схемой замещения, аналогичной [2, 3]. Здесь каждая ветвь соответствует расчетной секции обмотки НН и содержит сопротивление секции и элемент, который представляет собой совокупность собственЭлектромеханика и магнитожидкостные устройства ной индуктивности расчетной секции и взаимных индуктивностей с остальными контрами .

–  –  –

Рис. 2. Матрицы цепной модели обмоток трансформатора, сгенерированные параметрическим генератором электрической цепи Матрица индуктивностей строится с использованием библиотеки конечных элементов. Параметрическая генерация электрической схемы замещения обмоток трансформатора, а также расчет матрицы омических сопротивлений секций [R] осуществляется с помощью программного кода в среде Excel, который задействует соответствующие функции библиотеки ECLib. Сгенерированные матрицы соединений, номиналов и типов элементов цепи визуализируются на листе Excel (рис. 2). Данные матрицы передаются в библиотеку ECLib, где осуществляется анализ исходных В настоящее время ведется работа по параметрической генерации электрических цепей, структура которых меняется во времени по заданному алгоритму .

Литература

1. Тихонов А.И., Корнев И.А. Библиотека для формирования и исследования моделей электрических цепей в динамических режимах / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. – М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. № 2013610691. Заявка № 2012660143, приоритет от 22.11.2012, Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9.01.2013 .

2. Тихонов А.И., Иванов А.В. Использование библиотеки моделирования магнитного поля при расчете реактора из алюминиевой ленты. - "Вестник ИГЭУ", 2009, Вып. 3, с. 25-28 .

3. Тихонов А.И., Иванов А.В. Расчет и производство токоограничивающих реакторов из алюминиевой ленты / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2010. – 116 с .

Корнев Илья Александрович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: kornevispu@gmail.com Стулов Алексей Вадимович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: alxstl@mail.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: korostelev.k@gmail.com, ait@dsn.ru, alxstl@mail.ru Разработка способов упрощения электрической схемы замещения тепловой модели обмоток трансформаторов и токоограничивающих реакторов Аннотация. Приведены результаты исследования способа упрощения электрической схемы замещения теплового состояния фольговой обмотки силового трансформатора или токоограничивающего реактора. Данный способ позволяет существенно совратить сложность электрической цепи путем введения корректирующей функции, полученной в численном эксперименте .

Ключевые слова: тепловая модель обмотки трансформатора, фольговые обмотки трансформатора, численное исследование, электрическая схема замещения тепловых процессов .

Ivanovo State Power University named after VI Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34 E-mail: korostelev.k@gmail.com, ait@dsn.ru, alxstl@mail.ru Develop ways to simplify the electrical equivalent circuit of the thermal model of transformer windings and current limiting reactors Abstract. The results of the study ways to simplify the electrical equivalent circuit of the thermal state of the foil-winding power transformer or current-limiting reactor. This method allows to seduce the complexity of the circuit by introducing a correction function obtained in the numerical experiment .

Keywords: thermal model of the transformer, foil windings of the transformer, the numerical study, the electrical equivalent circuit of thermal processes .

Одним из главных требований к системам проектирования трансформаторов и токоограничивающих реакторов является требования точности тепловых расчетов обмоток при обеспечении их быстродействия. Обычно повышенная точность тепловых расчетов достигается путем использования современных CAE-систем, в основе которых лежит трехмерное моделирование физических полей, например, ANSYS, Cosmos, Comsol и т.п. Время расчета трехмерного теплового поля силового трансформатора с учетом движения охлаждающей среды на современных персональных компьютерах составляет порядка одного или нескольких часов, что недопустимо в современном проектировании, особенно при оптимизации проекта. В то же время инженерные модели, рекомендуемые для тепловых расчетов трансформаторов [1, 2] не учитывают некоторых особенностей современных типоисполнений, например, эффект вытеснения тока в фольговых обмотках .

Поэтому в [3, 4] предложено использовать в алгоритмах оптимизации уточненные тепловые модели обмоток трансформаторов и токоограничивающих реакторов, построенные на основе электрических схем замещения, которые могут быть построены и исследованы либо с помощью имитационного пакета Simulink, либо с помощью математической библиотеки ECLib [5], ориентированной на решение задач автоматизированного построения и имитации работы электрических схем. При этом доказывалось, что использование библиотеки ECLib является более предпочтительным, так как позволяет автоматизировать численное исследование путем параметрической генерации электрической схемы замещения и программирования серии расчетов модели .

Одной из проблем таких моделей является рост сложность модели при попытке учесть неоднородность среды концентров обмоток .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства В частности, для повышения точности расчетов рекомендовалось каждый виток ленточного проводника фольговой обмотки разбить на расчетные секции (кольца), изолированные друг от друга слоем изоляции. При этом каждое кольцо в схеме замещения было представлено источником тока, имитирующего теплопотери и тепловыми сопротивлениями. Сложность электрической схемы замещения при этом возрастала настолько, что ее расчет становился сопоставимым с расчетом двухмерного теплового поля, что недопустимо в алгоритмах оптимизации. Попытка упростить схему замещения путем объединения нескольких проводников в рамках одного концентра, построенного из композитного материала (чередование витков проводника со слоями изоляции с учетом распределенных по виткам теплопотерь), привела к необходимости введения поправочных коэффициентов. Электрическая схема замещения тепловой цепи одной расчетной секции при этом имеет вид рис. 1 .

Рис. 1. Схема замещения тепловой цепи расчетной секции фольговой обмотки:

P – источник тока с номиналом, равным мощности тепловыделений в секции; Rz, Rr – сопротивления теплопроводности концентров обмоток в осевом и радиальном направлениях; Rk – сопротивление теплопроводности воздуха; VDk – тепловые сопротивления воздуха вдоль канала с учетом конвекции; R – сопротивления теплоотдачи с поверхностей концентров с учетом конвекции и излучения;

С – электроемкоть с номиналом, равным теплоемкости расчетной секции

–  –  –

максимальной температурой; N – количество витков в расчетной секции; – коэффициент теплопроводности; S – площадь проводника в радиальном направление; a – радиальная толщина расчетной секции; p

– линейная плотность теплопотерь; Р - полные теплопотери секции; k = 1/4 – поправочный коэффициент; Rt – тепловое сопротивление секции, вычисленное при допущении об отсутствии в ней теплопотерь и распространении теплового потока в одном направлении, вычисляемое по формуле a Rt. (2) S Тепловой поток при одинаковой температуре на разных концах проводника, распределяется в равной мере на обе стороны .

Формула (1) получена при допущении о непрерывности и однородности среды расчетной секции. Так как расчетная секции состоит из N витков, то поправочный коэффициент k будет отличаться от предельного значения 1/4. Проведенное исслеРис. 2. Зависимость коэффициента k от количедование позволило ства витков N в расчетной секции фольговой построить зависимость обмотки и отношения толщины изоляции к k = f(N,dиз/dпр), которая толщине проводника dиз/dпр может быть использована при расчете Rr .

Литература

1. РД 16 472-88. Трансформаторы силовые сухие общего назначения. Тепловой расчет .

2. РД 16 476-88. Трансформаторы силовые масляные. Тепловой расчет систем охлаждения М и Д .

3. Стулов А.В., Тихонов А.И. Тепловой расчет обмоток сухих трансформаторов и токоограничивающих реакторов с использованием электрических схем замещения. - "Вестник ИГЭУ", 2012, Вып. 6, с. 40-43 .

4. Стулов А.В., Тихонов А.И. Исследование тепловой модели обмоток силовых трансформаторов на основе электрической схемы замещения (XVII Бенардосовские чтения): Материалы междунар. науч.-техн. конф. / Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2013. - с.172-175 .

5. Тихонов А.И., Корнев И.А. Библиотека для формирования и исследования моделей электрических цепей в динамических режимах / Свидетельство о Электромеханика и магнитожидкостные устройства государственной регистрации программы для ЭВМ. – М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. № 2013610691. Заявка № 2012660143, приоритет от 22.11.2012, Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9.01.2013 .

Коростелев Константин Андреевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: korostelev.k@gmail.com Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru Стулов Алексей Вадимович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: alxstl@mail.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: komned37@yandex.ru, ait@dsn.ru Анализ точности расчетов магнитного поля распределительных трансформаторов с использованием двухмерных моделей Аннотация. Исследована возможность использования при проектировании силовых трансформаторов двухмерной конечно-элементной модели магнитного поля. Исследование осуществлялось путем сравнения результатов расчета с результатами, полученными на 3D-модели .

Ключевые слова: метод конечных элементов, 3D-моделирование, плоскопараллельная модель магнитного поля .

–  –  –

Analysis of the accuracy of calculations of the magnetic field distribution transformers using two-dimensional models Abstract. The possibility of use in the design of power transformers twodimensional finite element model of the magnetic field. The study was carried out by comparing the calculation results with the results obtained in the 3D-model .

Keywords: finite element method, 3D-modeling, model plane-parallel magnetic field .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Одним из основных требований, предъявляемых к современному проектированию распределительных трансформаторов, является требования сокращения сроков проектирования при уменьшении партии изделий, выпускаемых по данному проекту. Так как стадия изготовления и исследования опытного образца при этом исключается, то это приводит к необходимости повышения адекватности и точности моделей, заложенных в подсистему поверочного расчета трансформатора .

Кроме того, для оптимизации проекта или для расчета устройства в динамических режимах работы необходимо использовать модели с высоким быстродействием. Поэтому возникает актуальная проблема разработки моделей, позволяющих совместить в себе требования достижения точности расчета, характерной для полевых задач, при высоком быстродействии .

В настоящее время развитие компьютерных технологий позволяет достичь высокого быстродействия при расчете двухмерных моделей физических полей. В частности, расчет двухмерного магнитного стационарного поля в распределительном трансформаторе осуществляется за 0,1–1 с в зависимости от требуемой точности расчета. В то же время возникает сомнение в корректности расчета трансформатора в двухмерной постановке, так как в случает трансформатора отсутствует плоскопараллельная или плоскомеридианная симметрия, наличие которых необходимо для сведения объемной полевой задачи к двухмерной постановке. Однако расчет трансформатора в трехмерной постановке требует в тысячи раз большего расчетного времени, что существенно усложняет решение проектных задач .

Таким образом, была поставлена задача провести анализ возможности использования двухмерных моделей для расчета магнитного поля распределительных трансформаторов. Для решения задачи использовалась система конечно-элементного моделирования Maxwell .

Результаты расчета 3D-модели распределительного трансформатора ТМГ–1000–10/0,4 представлены на рис. 1. Расчет магнитного поля осуществлялся в режиме холостого хода при подаче напряжения на обмотку ВН. По результатам расчета определялся основной магнитный поток равный сумме потоков в нижнем и верхнем ярме трансформатора верх.я ниж.я (1) Результаты расчета магнитного поля в 2D-модели распределительного трансформатора ТМГ-1000-10/0,4 представлены на рис. 2 .

–  –  –

Рис. 1. 3D-модель распределительного трансформатора ТМГ-1000-10/0,4 Рис. 2. 2D-модель распределительного трансформатора ТМГ-1000-10/0,4 Результаты расчета потока для 3D-модели и 2D-модели представлены в табл .

1. Известно, что при двухмерной постановке задачи расчет ведется на единицу длины в третьем измерении. 3D-модель повторяет размеры и габариты реального трансформатора, во всех трех измерениях, в связи с этим полученные значения потоков сильно отличаются. Для того чтобы 2D-модель соответствовала 3D необходиСостояние и перспективы развития электротехнологии мо полученные значения привести друг к другу через коэффициент приведения .

–  –  –

Величина и распределение магнитного потока зависит от количества используемой стали, соответственно для того чтобы свести две модели нужно чтоб объем сердечников были равны k прVсер.2D Vсер.3D (2) Определив объемы для моделей и выразив коэффициент приведения, получим Sэф k пр (3) b1пlм где Sэф – эффективное сечение стержня; b1п - ширина 1 пакета стали сердечника; lм - длина 2D-модели в третьем измерении .

В табл.1 приведены также результаты расчета погрешности вычислений. Для основного потока и потоков в ярмах магнитопровода она не превышает 5% что говорит о высокой точности произведенного расчета и возможности использования двухмерной постановки задачи для определения распределения основного и рабочего потока в распределительных трансформаторах .

Что касается определения потока рассеяния как разность между основным потоком и рабочим, то погрешность его вычислений приближается к 100%. Такая точность расчета недопустима, но в данной ситуации трудно сказать, правильно ли рассчитывется поток рассеяния, так как его значения в 1000 раз меньше значений основного потока. В связи с этим определение такой малой величины не совсем корректно при данной постановке конечно-элементной задачи, как для трехмерной модели, так и для двухмерной. В настоящее время ведутся работы по разработке алгоритмов расчета потока рассеяния как для 3Dмоделей, так и для 2D .

Пайков Игорь Александрович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: komned37@yandex.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru Электромеханика и магнитожидкостные устройства

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: komned37@yandex.ru, ait@dsn.ru, schmeloff@yandex.ru Модель для расчета индуктивности рассеяния обмоток распределительных трансформаторов и токоограничивающих реакторов с использованием эллиптических интегралов Лежандра Аннотация. Рассмотрена математическая модель, построенная с использованием полных эллиптических интегралов Лежандра первого и второго рода, позволяющая рассчитывать потоки и индуктивности рассеяния обмоток трансформаторов и токоограничивающих реакторов при заданной картине распределения плотности тока .

Ключевые слова: эллиптические интеграла Лежандра, индуктивность рассеяния олбмоток трансформатора, численное моделирование .

I.A. PAIKOV, graduate student; I.A. ROZIN, Ph.D., associate professor;

A.I. TIKHONOV, Prof.; A.S. SHMELEV, applicant Ivanovo State Power University named after VI Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34 E-mail: komned37@yandex.ru, ait@dsn.ru, schmeloff@yandex.ru Model for calculating the leakage inductance of the windings of distribution transformers and current-limiting reactors using elliptic integrals Legendre Abstract. A mathematical model is constructed using the complete elliptic integrals of Legendre first and second kind, which allows to calculate flow and leakage inductance of transformer windings and current limiting reactors at a given current density distribution pattern .

Keywords: elliptic integrals Legendre, the leakage inductance of the transformer olbmotok, numerical modeling .

–  –  –

Литература

1. Цыкин Г.С. Трансформаторы низкой частоты. Теория, расчет и конструирование. – М.: Связьиздат. 1955. – 424 с .

2. Тихонов А.И., Иванов А.В. Использование библиотеки моделирования магнитного поля при расчете реактора из алюминиевой ленты. - "Вестник ИГЭУ", 2009, Вып. 3, с. 25-28 .

3. Тихонов А.И., Иванов А.В. Расчет и производство токоограничивающих реакторов из алюминиевой ленты / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2010. – 116 с .

4. Тихонов А.И., Шмелев А.И., Розин Е.Г. Разработка метода численного моделирования магнитного поля на основе классических положений электромагнетизма. - Иваново: "Вестник ИГЭУ", 2014, Вып. 4, с. 45-48 .

5. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. Формулы, гафики, таблицы / пер. с 6-го нем. перераб. изд.; под ред. Л.И. Седова. – М.: Наука. Гл. ред .

физ.-мат. лит., 1977. – 342 с .

Пайков Игорь Александрович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: komned37@yandex.ru Розин Евгений Геннадьевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: admin@fizika.ispu.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru Шмелев Александр Сергеевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: schmeloff@yandex.ru Электромеханика и магнитожидкостные устройства

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: schmeloff@yandex.ru, ait@dsn.ru Имитационная модель электрического и магнитного полей на основе уравнения диффузии Аннотация. Приведены уравнения электрического и магнитного полей, а также уравнения диффузии. Отмечен факт изоморфизма данных уравнений .

Приведены формулы для расчета масштабных коэффициентов, позволяющих пересчитать результаты имитации диффузии частиц в величины, характеризующие электрическое и магнитное поля .

Ключевые слова: первая теорема подобия, имитационное моделирование, метод Монте-Карло, численное моделирование электрического и магнитного полей .

A.S. SHMELEV, applicant; A.I. TIKHONOV, Prof .

Ivanovo State Power University named after VI Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34. E-mail: schmeloff@yandex.ru, ait@dsn.ru Simulation model of the electric and magnetic fields on the basis of the diffusion equation Abstract. The equations of electric and magnetic fields, as well as the diffusion equation. While noting the isomorphism of these equations. The formulas for calculating the scale factors that allow simulation results to recalculate the diffusion of particles in quantities that characterize the electric and magnetic fields .

Keywords: first theorem of similarity, simulation, Monte Carlo numerical simulation of electric and magnetic fields .

–  –  –

где C – скорость изменения концентрации, равная суммарной массе частиц, нарождающихся в единицу времени на единичной площади .

Так как модель не должна быть точной копией оригинала (например, идеального газа), то броуновское движение частиц можно где dN+ – количество частиц, прошедших через элементарную поверхность dS' за время dt в направлении нормали n к поверхности dS'; dN- – количество частиц, прошедших через элементарную поверхность dS' за время dt в направлении, обратном к направлению нормали n .

Из модели можно определить количество частиц dNij, выходящих из i-й элементарной области (ячейки) модели в j-ю через сторону Рис. 1. Иллюстрация диффузного ячейки dL'ij за время dt, и количе- метода ство частиц dNji, входящих в i-ю ячейку из j-й через данный участок за время dt (рис. 1). Проекции вектора плотности потока частиц на оси х и y для i-й ячейки

–  –  –

Шмелев Александр Сергеевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: schmeloff@yandex.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: zeron88@yandex.ru, pashok_kul@mail.ru, ait@dsn.ru Адаптация библиотеки конечно-элементного моделирования физических полей к решению задачи расчета теплового поля Аннотация. Приведены результаты модернизации библиотеки конечноэлементного моделирования магнитного поля к решению задачи расчета стационарного теплового поля в твердых телах .

Ключевые слова: метод конечных элементов, численный расчет магнитного поля, численный расчет теплового поля .

–  –  –

Ivanovo State Power University named after VI Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34 E-mail: zeron88@yandex.ru, pashok_kul@mail.ru, ait@dsn.ru Adapting the library of finite element modeling of physical fields to the problem of calculating the thermal field Abstract. The results of the modernization of the library of finite element modeling of the magnetic field to the solution of the problem of calculating the stationary thermal field in solids .

Keywords: finite element method, numerical calculation of the magnetic field, the numerical calculation of the thermal field .

–  –  –

Задача расчета теплового поля может быть решена, если хотя бы в одном узле на границе расчетной области задано граничное условие первого рода или хотя бы между одной парой узлов задано условие третьего рода .

Построение конечно-элементной модели, формирование и решение системы уравнений, описывающих тепловое поле, осуществляется с использованием математического аппарата, который был разработан ранее Состояние и перспективы развития электротехнологии для моделирования магнитного поля. Благодаря изоморфизму уравнения (1) и уравнения Пуассона для двухмерного стационарного магнитного поля, изменения в программном коде библиотеки моделирования физических полей коснулись лишь вычисления элемента вектора невязок и матрицы Якоби. Данные изменения вызваны как необходимостью учета анизотропии свойств материалов, учет которой ранее отсутствовал в аппарате библиотеки, так и учета граничных условий третьего рода .

Литература

1. Тихонов А.И., Булатов Л.Н. Платформонезависимая библиотека конечноэлементного моделирования магнитного поля / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. – М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. –№ 2011614852. Заявка № 2011613040, приоритет от 28.04.2011, Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.06.2011 .

2. Тихонов А.И., Казаков Ю.Б. Программирование численного эксперимента с использованием конечно-элементной модели магнитного поля в объектах электромеханики / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 80 с .

3. Тихонов А.И., Севрюгов Д.М., Ли-Орлов В.К. Численное моделирование термодинамических систем / ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2014. – 100 с .

Севрюгов Денис Михайлович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: zeron88@yandex.ru Кулешов Павел Владимирович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: pashok_kul@mail.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru УДК 621.313 А.С. ЗАЙЦЕВ, аспирант;

А.И. ТИХОНОВ, д.т.н., профессор Быстродействующая подсистема оптимизации САПР распределительных трансформаторов Аннотация. Описано применение комбинированного алгоритма для подсистемы оптимизации трансформатора. Наибольшая эффективности применения комбинированного метода достигается при решении сложных оптимизационных задач с дискретной многоэкстремальной целевой функцией .

Ключевые слова: силовой трансформатор, САПР, подсистема оптимизации, генетические алгоритмы, метод деформируемого многогранника .

–  –  –

Ivanovo State Power University named after VI Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34. E-mail: as_zaitsev@mail.ru, ait@dsn.ru Rapid CAD subsystem optimization of distribution transformers Abstract. The application of a combined algorithm for optimizing transformer subsystem. The highest efficiency of the combined method is achieved in solving complex optimization problems with discrete Multiple-function .

Keywords: power transformer, CAD subsystem optimization, genetic algorithms, flexible polyhedron method .

Развитие технологии производства распределительных трансформаторов привело к внедрению трансформаторов с обмотками из ленты, гофрированных баков герметичного исполнения, сухих трансформаторов с литыми обмотками и т.п. Это потребовало совершенствования существующих и разработки новых математических моделей [1] .

В сложившихся условиях важнейшей задачей является разработка САПР с подсистемой оптимизационных расчетов способной взаимодействовать с современными математическими моделями .

Результатом работы подсистемы оптимизации является проект трансформатора с минимальной себестоимостью .

Формулировка оптимизационной задачи сводится к математическому описанию объекта и осложняется рядом факторов, а именно: целевая функция является многоэкстремальной, овражной и дискретной .

Решение многоэкстремальных задач сводится к поиску глобального экстремума функции. Подобные задачи хорошо изучены и освещены в литературе [2, 4-6]. Универсального метода (алгоритма), способного точно определять глобальный экстремум таких функций не существует. Достаточной точности можно достичь лишь разработкой специализированного под конкретную задачу алгоритма .

Решение задач с дискретностью входных данных (аргументов) функции описано в [2, 3]. В большинстве случаев предлагается приведение дискретных функций к непрерывному виду, однако, это не всегда возможно и ведет к искажению результатов и необходимости последующей обработки результатов оптимизационных расчетов .

Наиболее сложной является проблема овражности функции [3] .

Оптимизация такого объекта, как трансформатор сводится к работе именно в условиях овражности исследуемой функции .

Специализированные методы позволяют работать с функциями, решая лишь одну из описанных задач. Для решения всех поставленных задач предлагается использовать эволюционные алгоритмы [4], коэволюционные алгоритмы [5] и генетические алгоритмы (ГА) [6]. Исследования показали [7], что даже при работе с функциями двух переменных, при имитации многоэкстремальности, дискретности и овражности требуется создание определенной, подходящей под конкретную задачу, Состояние и перспективы развития электротехнологии модели ГА (настройка ГА), либо создание самонастраивающихся ГА .

Другим вариантом является объединение достоинств ГА с традиционными методами оптимизации, например, с симплекс-методом .

Так, был разработан комбинированного алгоритма оптимизации, в котором сочетаются достоинства ГА и симплекс-метода. Разработана модель параллельного ГА в одной из подпопуляций которого лучшая особь обучается алгоритмом Нелдера-Мида .

Для тестирования полученной модели был выбран распределительный трансформатор, целевая функция которого имеет на входе двенадцать аргументов. Выбор аргументов осуществляется из произвольного множества описывающих объект величин. Количество аргументов является достаточным для определения объекта и для учета параметрических и критериальных ограничений .

Важной частью работы оптимизационных алгоритмов является определение области допустимых значений, которая формируется исходя из параметрических и критериальных ограничений. Функция ограничений, описывающая область допустимых значений является нелинейной .

Нелинейность целевой функции и функции ограничений приводят к необходимости организации этапа отбора особей в начальную популяцию. Принцип отбора особей на подготовительном этапе описан в [7] .

На рис. 1 представлена структура комбинированного алгоритма оптимизации .

На рис. 2 и рис. 3 показано, что применение комбинированного алгоритма позволяет выйти на оптимальное значение целевой функции на 65 % быстрее. Следует иметь ввиду, что выигрыш в 65 % не является постоянным вследствие особенностей работы ГА, однако это позволяет сделать выводы об эффективности применения комбинированного метода при решении сложных оптимизационных задач (обратных задач) .

Разработанная подсистема оптимизации интегрирована в единую САПР распределительных трансформаторов. Результаты работы подсистемы сравнивались с результатами натурных исследований физических образцов и приемо-сдаточных испытаний трансформаторов в испытательной лаборатории ЗАО «Трансформер» .

По результатам работы сделаны выводы о возможности удешевления активной части трансформаторов. В настоящее время в производство запущена опытная партия распределительных трансформаторов ТМГ 25 кВА 10 кВ со сниженной на 10% себестоимостью. Получены протоколы приемо-сдаточных испытаний подтверждающих соответствие расчетных и экспериментальных данных в пределах допустимой погрешности отклонения контролируемых параметров. Проект трансформатора оптимизирован при помощи рассмотренной выше подсистемы оптимизации .

Электромеханика и магнитожидкостные устройства Рис. 1. Структура комбинированного алгоритма оптимизации

–  –  –

Литература

1. Стулов А.В., Корнев И.А., Тихонов А.И. Параметрическая генерация и расчет электрической схемы замещения тепловых процессов в обмотках из ленты сухих трансформаторов и токоограничивающих реакторов в стационарных режимах // Вестник ИГЭУ. – 2013. – Вып. 6. – С. 47–51 .

2. Пантелеев А.В. Методы оптимизации в примерах и задачах. – М.: Высш. шк., 2002 .

3. Ларичев О.И. Методы поиска локального экстремума овражных функций. – М.:

Наука, 1989 .

4. Каширина И.Л. Введение в эволюционное моделирование. – Воронеж, 2007 .

5. Жукова М.Н. Коэволюционный алгоритм решения сложных задач оптимизации. – Красноярск: СибГАУ, 2004 .

6. Панченко Т.В. Генетические алгоритмы. – Астрахань: Астраханский Университет, 2007 .

7. Зайцев А.С., Тихонов А.И.. Генетический алгоритм, как метод поиска экстремума функций различной сложности (Энергия-2013): Материалы международ .

науч.-техн. конф. / Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2013 .

Зайцев Алексей Сергеевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: as_zaitsev@mail.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: i.trofimovich@mail.ru, ait@dsn.ru Разработка САПР трансформаторов с параметрической генерацией конструкторской и технологической документацией Аннотация. Описана САПР трансформаторов, реализованная с использованием современных доступных математических пакетов. По результатам расчета параметрически генерируется 3D-модель трансформатора, по которому автоматически строится комплект чертежей. В отличие от аналогичных САПР, разработанная система является легковесной .

Ключевые слова: силовой трансформатор, САПР, математические пакеты, параметризация построения чертежей .

–  –  –

Ivanovo State Power University named after VI Lenin 153003 Ivanovo, ul. Rabfakovskaya 34. E-mail: i.trofimovich@mail.ru, ait@dsn.ru CAD design of transformers with parametric generation of design and technological documentation Abstract. The CAD transformers, implemented using modern mathematical packages available. According to the results of calculation of a parametrically generated 3D-model of the transformer, by which automatically builds a set of drawings. Unlike similar CAD-designed system is lightweight .

Keywords: power transformer, CAD, mathematical packages, parameterization of construction drawings .

Одним из требований к современным САПР является требование максимальной автоматизации конструкторско-технологических работ. Поэтому в состав САПР обычно помимо CAE-систем, предназначенных для автоматизации инженерных расчетов, входят CAD-системы, позволяющие автоматизировать чертежные работы. К числу наиболее популярных в России можно отнести такие CAD-системы, как SolidWorks, AutoCad и т.п. Как правило данные системы позволяют осуществлять параметризацию 3D-моделей и автоматизацию построения чертежей по заданным шаблонам. Это позволяет существенно разгрузить конструктора .

Для унификации способа передачи данный из расчетной подсистемы САПР в CAE-систему обычно используется Excel. Кроме того, Excel может использоваться и для реализации собственно инженерных расчетов. Однако ввиду слабого математического обеспечения Excel, рационально комбинировать его возможности с математическим пакетом MatLab посредством интерфейса ExelLink, что позволяет комбинировать возможности Excel и MatLab .

Внешний вид САПР распределительных трансформаторов показан на рис. 1. Система позволяет рассчитывать и оптимизировать сухие и масляные 3-х фазные 2-х обмоточные трансформаторы мощностью до 10000 кВА, класса напряжения до 35 кВ. Масляные трансформаторы выполняются в гофробаке. Сухие трансформаторы выполняются с литой обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотки низшего напряжения (НН) могут быть выполнены из алюминиевого или медного прямоугольного провода (слоевые или винтовые) или фольги. Обмотки ВН могут быть выполнены из круглого или алюминиевого или медного прямоугольного провода (слоевые) или фольги с осевыми или радиальными каналами. Магнитная система выполняется из электротехнической стали (ЭТС) толщиной 0,23; 0,27; 0,3; 0,35 мм. Схемы шихтовки – прямой стык; комбинированный стык; косой стык в “Г” углах; комбинированный стык в “Т” углах; полный косой стык в 2-х исполнениях, Состояние и перспективы развития электротехнологии Stap-Lap. Система предусмотривает возможность выполнения сечения стержня и ярма овальными. Система позволяет оптимизировать проект с использование библиотеки генетических алгоритмов. Список варьируемых переменных зависит от выбранной конструкции обмоток. Выбор проводников осуществляется из списка проводников на складе. Поверочный расчет осуществляется по методикам, изложенным в соответствующих руководящих документах (РД) .

Рис. 1. Внешний вид САПР трансформаторов в среде Excel Комплект чертежей и спецификации строятся автоматическипо шаблонам из типовых 3D-моделей (рис. 2, 3). 3D-модель автоматически перестраивается по размерам готового проекта, экспортируемым из рабочей книги Excel .

–  –  –

Рис. 2. Параметрическая 3D-модель трансформатора ТСЛ Рис. 3. Организация создания чертежей из параметрической модели Технологические карты также генерируются автоматически (рис .

4). Информация по проектам, материалам, отдельным узлам, а также о собранных трансформаторах, включая результаты испытаний и рекламации, сохраняется в базе данных, созданной в среде СУБД Access .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Рис. 4. Автоматически генерируема технологическая карта раскроя пластин электротехнической стали В отличие от аналогичных САПР, разработанная система является довольно легковесной, но в то же время по возможностям она не уступает аналогам .

В настоящее время данная САПР дорабатывается в направлении повышения точности расчетов, в частности, путем использования полевых и цепных моделей, реализуемых библиотеками EMLib и ECLib .

Трофимович Иван Владимирович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: i.trofimovich@mail.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru Электромеханика и магнитожидкостные устройства

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: ait@dsn.ru, popov@bjd.ispu.ru

–  –  –

Аннотация. Проанализированы достоинства и недостатки трансформаторов с магнитопроводом из аморфной стали. Рассчитан период окупаемости трансформатора. Сделан вывод об экономической эффективности использования аморфной стали для трансформаторов малой мощности .

Ключевые слова: силовой трансформатор, аморфная сталь, экономическая эффективность, срок окупаемости .

–  –  –

Abstract. The advantages and disadvantages of transformers with the yoke of amorphous steel. Calculated the payback period of the transformer. It is concluded that the economic efficiency of the use of amorphous steel for low power transformers .

Keywords: power transformer, amorphous steel, cost-effectiveness, the payback period .

Одним из перспективных направлений развития трансформаторостороения является использование аморфной стали. Экономия электроэнергии достигается за счет значительного уменьшения потерь холостого хода. В связи с малой толщиной аморфный ленты материал наиболее пригоден для витой конструкции сердечника, т.е. для трансформаторов малой мощности, поэтому наибольший экономический эффект присутствует при их установке в распределительных и осветительных сетях .

Практически все электромагнитные, механические и потребительские свойства аморфной стали превосходят аналогичные свойства анизотропной электротехнической стали, применяемой в современных трансформаторах, за исключением индукции, составляющей 1,4 Тл и Состояние и перспективы развития электротехнологии коэффициента заполнения.

К техническим преимуществам трансформаторов с сердечником из аморфной стали можно отнести:

низкие потери холостого хода, высокая магнитная проницаемость, прямоугольная форма кривой намагничивания, высокая коррозийная стойкость, отсутствие межлистовой изоляции, стоимость аморфной стали с годами понижается .

К недостаткам аморфной стали можно, в частности, отнести:

допустимая рабочая индукция 1,5 Тл (для холоднокатаной стали это значение составляет 1,7 Тл);

коэффициент заполнения сечения сталью 0,8-0,85, по сравнению с 0,95 для холоднокатаной стали;

аморфная сталь имеет толщину 25-30 мкм и большую твердость, что усложняет сборку сердечника;

высокая стоимость аморфной стали;

себестоимость изготовления распределительных трансформаторов с применением аморфной стали выше примерно на 20-25 % стоимости трансформаторов с традиционной электротехнической сталью;

сложность выпуска аморфной стали в виде широкой ленты и большая стоимость определяют ее использование только для распределительных трансформаторов малой мощности .

на сегодняшний день не существует достаточно обоснованного расчета, какова же будет экономическая эффективность применения таких устройств .

Годовые затраты на производство трансформаторов с сердечником из аморфной стали можно вычислить как Зг= Зтр + ЗхРх + 3кPк + 3pQp, где Зтр = 0,185 X – стоимость трансформатора в год; X – оптовая цена;

Рх – потери холостого хода, квт; Рк – потери короткого замыкания, квт;

Qp – реактивная мощность, квар; Зх = 5 руб./квт – стоимость 1 квт потерь холостого хода в год; Зк = 4 руб./квт – стоимость 1 квт потерь короткого замыкания в год; Зр = 1,5 руб./квар – стоимость 1 квар реактивных потерь в год (затраты на компенсацию реактивной мощности) .

Реактивная мощность:

S 8700 4000 Qp Up, I0 100 8760 8760 где S – номинальная мощность, ква; Io – ток холостого хода, %; Up реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %; 8760 – число часов в году; 8700 – число часов, в течение которых имеют место потери холостого хода в году; 4000 – число часов, в течение которых имеют место потери короткого замыкания .

Таким образом, расчетная формула годовых затрат имеет вид Электромеханика и магнитожидкостные устройства

–  –  –

Период окупаемости трансформатора по предварительным расчетным данным 3,5 года, принимая общую суммарную массу m=260 кг для АТМГ, и m= 240 кг для ТМГ. Как видно из расчета массы распределительных трансформаторов одинаковой мощности с сердечниками из аморфной стали на 15-20 % больше массы трансформаторов с традиСостояние и перспективы развития электротехнологии ционной электротехнической сталью из-за более плотной навивки сердечника и как следствие более высокой ценой на затраты по железу .

.

При стоимости потерь электрической энергии 5 руб/кВт ч увеличение затрат на 20 % для трансформатора мощностью 63 кВА окупается за 3,5 года. Следует отметить перспективность использования сердечников из аморфной стали в столбовых трансформаторах, используемых в сельской местности. В настоящее время по всему миру широко внедряется новая схема энергосбережения удаленных потребителей в сельской местности, в частности коттеджных поселков. Особенность данной схемы состоит в использовании столбовых трансформаторов для питания нескольких (3-4-х) сельских домов. При этом трансформатор устанавливается вблизи этих домов, так что длина линии электропередач 0,4 кВ не превышает 100 м. К трансформатору при этом подводится напряжение 10,5 кВ. Это позволяет существенно снизить потери электроэнергии в сети 0,4 кВ. По предварительным расчетам использование таких трансформаторов с сердечником из аморфной стали позволяет экономить за счет снижения потерь холостого хода от 250 до 500 руб в месяц .

Еремин Илья Витальевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: admin@fizika.ispu.ru Тихонов Андрей Ильич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: ait@dsn.ru Попов Геннадий Васильевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: popov@bjd.ispu.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина, Российская федерация, Иваново, Рабфаковская, 34 E-mail: psm@upm.ispu.ru Создание высоко градиентных магнитных полей в рабочих зазорах МЖГ встречно намагниченными магнитами Аннотация. Рассмотрен способ создания резко неоднородных магнитных полей с помощью встречно намагниченных магнитов.Исследовано влияние расстояния между магнитами и размеров магнита на удерживаемый перепад давлений магнитожидкостногогерметизатора. Предложенмагнитожидкостныйгерметизатор, отличающийся простотой конструкции и технологичностью .

–  –  –

Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34 E-mail: psm@upm.ispu.ru, perminovaas@mail.ru, stradomskiy.urij@mail.ru Creating a high gradient magnetic fields in the working gap of the magnetic liquid sealant counter magnetized magnets Abstract. A method of creating sharply inhomogeneous magnetic fields using counter magnetized magnets was considered. The influence of the distance between the magnets and the size of the magnet is on hold pressure differential magnetic-dock was investigated. A magnetic liquid sealer, characterized by simplicity of design and manufacturability was proposed .

Keywords: magneticfield,magnetic field intensity, shaftseal Повышение удерживающей способности МЖГ немагнитных валов является актуальной задачей. Это можно достичь, используя новые способы формирования высоко градиентных магнитных полей в рабочих зазорах МЖГ .

Магнитная система предлагаемого герметизатора состоит как минимум из двух одинаковых кольцевых постоянных магнитов, расположенных на одной оси и обращенных друг к другу одноименными полюсами .

Картина прохождения магнитных потоков рядом расположенных магнитов показана на рис. 1. Магнитные потоки, выходящие из одноименных полюсов соседних магнитов, проходят через ограниченные по размерам концентричные поверхности, совпадающие с наружными и внутренними поверхностями магнитов. На этих Рис. 1. Распределение поверхностях наблюдается максивекторного магнитного мальная концентрация линий потока и, потенциала двух встречно соответственно, максимальная напря- намагниченных магнитов женность магнитного поля в магнитной системе. При сближении магнитов площадь концентричных поверхностей уменьшается, что позволяет регулировать градиент и максимальную напряженность поля. Выходя из межполюсного пространства, магнитные потоки магнитов рассредоточиваются Состояние и перспективы развития электротехнологии в окружающем пространстве, а напряженность поля быстро снижается .

Если поверхность вала герметизатора расположена близко от внутренней поверхности магнитов, то на поверхности вала наблюдается поле высокой напряженности, так как линии потока на малом расстоянии еще не успевают рассредоточиться. Максимальная напряженность поля в рабочем зазоре будет определяться величиной рабочего зазора герметизатора, расстоянием между магнитами, размерами магнитов и свойствами магнитотвердого материала, используемого в магните .

Для определения эффективности предлагаемого МЖГ был проведен эксперимент на основе математического моделирования магнитного поля магнитной системы. Использовался метод конечных элементов. На начальном этапе исследований важно подтвердить работоспособность способа повышения градиента напряженности и максимальной напряженности поля, поэтому было рассмотрено, каким образом величина расстояния между постоянными магнитами влияет на величину индукции на поверхностях немагнитного вала. В эксперименте величина рабочего зазора между поверхностью вала и внутренней поверхностью магнитов была задана 0.05 мм, использовались постоянные магниты из закритического самарий-кобальтового магнитотвердого материала КС-37. Применение закритического магнитотвердого материала в магнитах данной системы обязательно, что исключает их взаимное размагничивание при сближении. Размеры магнитов выбраны следующими: наружный диаметр Фн=30 мм, внутренний Фвн=20 мм, длина магнитов L=4 мм .

На рис. 1 показана полученная в результате расчета картина распределения линий векторного магнитного потенциала магнитной системы, которая соответствует принципом распределения магнитного поля в пространстве и заданным граничным условиям. На рис. 2 показана трансформация распределения напряженности поля на поверхности вала при расстоянии между магнитами 5, 1, и 0 мм. Сближение магнитов приводит к росту напряженности магнитного поля в зоне выхода магнитного потока из зазора между магнитами, Максимальная напряженность достигается, когда данный зазор равен нулю, при этом абсолютное значение напряженности, практически, вдвое превышает значение напряженности, достигаемое под кромками разнесенных магнитов. Моделирование подтверждает эффективность рассматриваемого метода для формирования высоко градиентных магнитных полей в рабочих зазорах магнитожидкостных герметизаторов немагнитного вала .

–  –  –

2. При создании МЖГ необходимо стремится минимизировать величину рабочего зазора между валом и магнитами .

3. На максимально удерживаемый перепад давлений МЖГ влияют размеры магнита и в первую очередь его длина .

4. Предложенное МЖГ отличается простотой конструкции, технологичностью изготовления, надежностью .

Перминова Анастасия Сергеевна ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: perminovaas@mail.ru Перминова Анастасия Сергеевна ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: psm@upm.ispu.ru Страдомский Юрий Иосифович ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: stradomskiy.urij@mail.ru

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина, Российская федерация, Иваново, Рабфаковская, 34 E-mail: psm@upm.ispu.ru Повышение эффективности универсального МЖУ при герметизации немагнитного вала Аннотация. Исследованомагнитожидкостноеуплотнение состоящее из последовательного ряда плотно прилегающих друг к другу встречно намагниченных постоянных магнитов. Рассмотрено распределение напряженности в рабочем зазоре уплотнения. Определено влияние параметров полюсных приставок на распределение напряженности поля в зазоре .

Ключевые слова: магнитожидкостное уплотнение, напряженность поля, удерживающая способность A.S. PERMINOVAgraduate engineer, S.M. PERMINOV Candidate of Engineering, senior scientific officer, J.I. STRADOMSKIJ Candidate of Engineering,professor Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34 E-mail: psm@upm.ispu.ru,perminovaas@mail.ru, stradomskiy.urij@mail.ru Improving the efficiency of the universal magnetic fluid seal with sealing magnetic roller Abstract. Ferrofluidic seal consisting of a succession of tightly adjacent to each other oppositely magnetized permanent magnets was investigated. The distribution of tension in the air gap seal was considered. The influence of the Электромеханика и магнитожидкостные устройства parameters of the pole-top boxes for distribution of the field in the gap was determined .

Key words: magnetic fluid seal,field intensity, holding capacity Введение. Совершенствование МЖУ на основе встречно намагниченных постоянных магнитов для герметизации немагнитных валов представляет как практический, так и научный интерес .

Совершенствование конструкции МЖУ. Исследование МЖУ, состоящего из последовательного ряда плотно прилегающих друг к другу встречно намагниченных постоянных магнитов [1], показало, что максимальная напряженность магнитного поля в рабочем зазоре такого уплотнения ограничена. Увеличение поперечных сечений магнитов не приводит к росту напряженности поля в зазоре. Это объясняется тем, что линиям векторного магнитного потенциала, проходящим через среднюю часть магнита, приходится преодолевать значительный участок от середины магнита до рабочего зазора по среде с низкой магнитной проницаемостью близкой к единице, что приводит к значительному падению магнитодвижущей силы на их пути. По этой причине линии Рис. 1. Конструкция магнитной векторного магнитного потенциа- системы МЖУ ла в магните распределяются неравномерно, они сконцентрированы у внешней и внутренней поверхности магнита, а в средней части их плотность низкая. Энергия средней часть магнита слабо используется в работе. Устранить недостаток позволяют полюсные приставки из магнитомягкого материала, расположенные между встречными магнитами. Свободные поверхности полюсных приставок в данном уплотнении выполнены на одном уровне с внутренними и внешними поверхностями магнитов (рис.1). При наличии полюсных приставок индукция внутри постоянных магнитов выравнивается, энергия, отдаваемая магнитом, увеличивается, а напряженность магнитного поля в рабочем зазоре возрастает .

Распределение напряженности поля в рабочем зазоре уплотнения. Характер распределения напряженности поля в зазоре может варьировать, в зависимости от толщины полюсной приставки и величины рабочего зазора. На рис. 2 показано распределение напряженности поля на поверхности немагнитного вала в пределах половины ступени уплотнения для различных величин рабочих зазоров. Из рисунка видно, что при больших зазорах максимум индукции на поверхности вала наблюдается по центру полюсной приставки и по абсолютной величине он значительно ниже, чем при малых зазорах .

пиков на кривой распределения напряженности поля в зазоре формируется и начинает работать дополнительная магнитожидкостная пробка под полюсом. Перепад давлений, удерживаемый единичным блоком уплотнения, определяться суммой перепадов, удерживаемых основной и дополнительной магнитожидкостными пробками (рис. 3) .

4. Дальнейшее увеличение толщины полюсных приставок приводит к снижению напряженности поля как в области стыков магнитов с полюсными приставками, так и под центром полюсной приставки, что приводит к снижению удерживающей способности основной магнитожидкостной пробки и повышению удерживающей способности дополнительной магнитожидкостной пробки. Под центром полюсной приставки напряженность поля падает быстрее, чем под стыками магнитов с полюсными приставками, поэтому удерживающая способность дополнительной магнитожидкостной пробки интенсивно растет и компенсирует спад удерживающей способности основной пробки. В результате удерживающая способность единичного блока уплотнения с увеличением толщины полюсной приставки постоянно растет .

5. При увеличении толщины полюсных приставок выше 0.5-0.6 мм рост удерживающей способности единичного блока уплотнения постоянный, но незначительный .

Таким образом, толщину полюсных приставок выполнять меньше

0.5 мм не следует из-за низкой удерживающей способности единичного блока уплотнения, а в диапазоне выше этого значения толщину можно выбирать, исходя из технологических соображений производства уплотнений .

Литература

1. Перминов С.М., Перминова А.С.. Разработка нового способа формирования высоко градиентных магнитных полей в рабочих зазорах магнитожидкостных герметизаторов. Вестник ИГЭУ. 2013. № 6, с.56-59 .

Перминова Анастасия Сергеевна ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: perminovaas@mail.ru Перминова Анастасия Сергеевна ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: psm@upm.ispu.ru Страдомский Юрий Иосифович ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: stradomskiy.urij@mail.ru Разделение модели гармонического возмущения при структурно-параметрическом синтезе астатических систем управления электроприводами Аннотация. Решается задача улучшения отработки гармонического возмущения момента нагрузки электродвигателя. Использован принцип разделения модели возмущения на интегральную и колебательную составляющие с переносом одной из них в состав «быстрой» подсистемы двухконтурных структур электромеханических систем. Разрабатываются методики расчета параметров регуляторов и выполняются сравнительные исследования синтезируемых электромеханических систем по комплексу основных и дополнительных критериев качества .

Ключевые слова: двухконтурная электромеханическая система, компенсация гармонических возмущений, разделение модели возмущения, синтез и структурная оптимизация регуляторов, селективная инвариантность .

–  –  –

Separation of harmonic disturbance model for structural-parametric synthesis of astatic control systems for electric drive Abstract. The problem of response improvement of harmonic disturbance of electric drive load torque is solved. Separation principle of disturbance model into integral and oscillatory components and transfer of one of the disturbance model components into “rapid” subsystem of dual circuit structures of electromechanical systems are used. Methods of calculation of control devices parameters are Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части госзадания в сфере научной деятельности на 2014-2016 г.г .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы developed. Comparative researches of synthesized electromechanical systems by using the complex of the main and the additional quality factors are implemented .

Key words: dual circuit electromechanical system, harmonic disturbance compensation, internal model separation, synthesis and structural optimization of control devices, selective invariance .

В машиностроении применение индивидуальных приводных устройств технологических машин приводит к тому, что главный рабочий орган (РО) становится доминирующим элементом механической части электромеханических систем (ЭМС). Это обусловливает появление характерных гармонических возмущений момента нагрузки электродвигателя (ЭД) (рис. 1, а), которые в первом приближении можно представить в виде [1] MН = M0 + M1sin 1t, (1) где М0, М1, 1 - соответственно постоянная составляющая, амплитуда колебаний момента и скорость вращения РО .

Эффективным способом компенсации подобных воздействий является применение принципа селективной инвариантности систем автоматического управления (САУ), основанного на использовании внутренней модели возмущения (МВ) [2, 3]. При этом полиномы, формирующие постоянную и колебательную составляющие возмущения (1), вводятся в знаменатель передаточной функции (ПФ) регулятора в виде G(s ) = s (s + 1 ), (2) где s – комплексная переменная Лапласса, 1 = /i, – частота вращения ЭД, i – передаточное отношение редуктора .

Как показано в [4], сочетание принципа внутренней модели возмущения (МВ) с другими принципами построения САУ – подчиненного регулирования (П), каскадного регулирования (КР), регулирования состояния (РС), полиномиального регулирования по выходу (ПР), разделения темпов движения (РД) – позволяет получить самые разнообразные сочетания показателей качества отработки управляющего и возмущающего воздействий, помехоустойчивости, параметрической грубости, устойчивости к влиянию запаздывания сигналов и др. при различном уровне сложности регуляторов .

Однако степень достижения основного показателя ЭМС – качества отработки возмущения по моменту нагрузки ЭД, а также уровень сложности регуляторов в предложенных структурных решениях могут не удовлетворить проектировщика .

Повышение эффективности отработки гармонического возмущения (1) при одновременном снижении сложности регуляторов и сохранении других показателей качества возможно путем использования дополнительного принципа разделения модели возмущения (РМВ) (2)

Состояние и перспективы развития электротехнологии

на интегральную и колебательную составляющие с перемещением одной из них в «быструю» внутреннюю подсистему объединенной ЭМС .

Перемещение интегральной составляющей МВ в «быстрый»

внутренний контур управления ЭМС призвано обеспечить улучшение качества отработки постоянной составляющей момента нагрузки ЭД и снижение (в той или иной мере) порядка полиномиального регулятора внешнего контура, содержащего колебательную часть МВ, а также префильтра .

Сочетание принципов РД и РМВ может быть обеспечено при измерении как вектора состояния (рис. 1, б), так и одной выходной координаты (рис. 1, в) объекта для внутренней «быстрой» подсистемы .

Внешний контур с ПР содержит колебательную составляющую МВ. При его синтезе возможна аппроксимация внутренней подсистемы звеньями пониженного порядка .

Перемещение колебательной составляющей МВ во внутренний («быстрый») контур управления ЭМС (рис. 1, г) призвано обеспечить улучшение качества отработки переменной составляющей момента (1) нагрузки ЭД и снижение порядка регулятора внешнего контура, содержащего интегральную часть МВ, при соответствующем упрощении внеконтурного префильтра. Для реализации принципа селективной инвариантности такой ЭМС в ее внешнем и внутреннем контурах управления используются только полиномиальные регуляторы «входавыхода» .

Была выполнена сравнительная оценка эффективности работы управляющих устройств, синтезированных сочетанием перечисленных методов, по следующим факторам: качество раздельной отработки ступенчатого изменения постоянной составляющей момента нагрузки и воздействия его гармонической составляющей, диапазон допустимых вариаций момента инерции механической части, уровень пульсаций выходного сигнала скорости при наложении аддитивной помехи в виде «белого» шума в канале его измерения, максимальное значение времени «чистого» запаздывания сигнала в силовом преобразователе, при котором система сохраняет устойчивость, а также суммарный порядок динамических звеньев регуляторов .

Полученные результаты наглядно показывают, что применение принципа разделения модели гармонического возмущения момента нагрузки ЭД создает новые возможности для улучшения показателей качества селективно-инвариантных ЭМС различных исполнений .

Однако следует принимать во внимание, что улучшение качества отработки возмущений и уменьшение степени сложности регуляторов достигается при этом ценой определенного повышения чувствительности таких систем к влиянию факторов, не учтенных при их синтезе, например, к запаздыванию сигналов в силовом преобразователе .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Этот неблагоприятный эффект становится более выразительным с увеличением порядка динамической составляющей регулятора, вводимой в состав «быстрой» подсистемы, поэтому структурные решения ЭМС, предполагающие введение более простой интегральной Состояние и перспективы развития электротехнологии составляющей модели возмущения в состав внутреннего контура управления, представляются более предпочтительными .

Литература

1. Шёнфельд Р. Автоматизированные электроприводы / Р. Шёнфельд, Э. Хабигер; пер. с нем.; под ред. Ю.А. Борцова. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр .

отд-ние, 1985 .

2. Кулебакин В.С. Об основных задачах и методах повышения качества автоматического регулирования систем / В.С. Кулебакин // Тр. II Всес. совещ. по теории автоматического регулирования. Т. II – М.: Наука, 1965 .

3. Гудвин Г.К. Проектирование систем управления / Г.К. Гудвин, С.Ф. Гребе, М.Э. Сальгадо. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004 .

4. Копылова Л.Г. Компенсация гармонических возмущений момента нагрузки в следящих электромеханических системах и элементы структурной оптимизации регуляторов / Л.Г. Копылова, С.В. Тарарыкин // Вестник ИГЭУ, 2012, Вып. 6 .

Копылова Лариса Геннадьевна, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: klg@eims.ispu.ru Тарарыкин Сергей Вячеславович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: rector@ispu.ru Тихомирова Ирина Александровна, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: 3kitti4@gmail.com

–  –  –

Частотный анализ инвариантных свойств электромеханических систем Аннотация. На примере решения задачи регулирования скорости типового электропривода с одномассовой (жесткой) механической частью выполнен структурно-параметрический синтез и сделана сравнительная оценка эффективности отработки управляющего и возмущающего воздействий различных вариантов электромеханических систем .

Ключевые слова: электромеханическая система, компенсация возмущений, селективная инвариантность, внутренняя модель возмущения .

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части Госзадания в сфере научной деятельности на 2014-2016 гг .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Abstract. Structural-parametric synthesis of different types of electromechanical systems is implemented by problem solving example of speed control of standard electric drive with single-mass (rigid) mechanical part .

Key words: electromechanical system, disturbances compensation, selective invariance, internal model of disturbance .

Погрешности изготовления, сборки и монтажа рабочих органов технологических машин являются причинами появления гармонических возмущений момента нагрузки электродвигателей (ЭД) электромеханических систем (ЭМС), которые в первом приближении можно представить в виде [1]:

М Н t M 0 M1 sin 1t, (1) где M 0 – постоянная составляющая; M 1 и 1 – амплитуда колебаний момента и скорость вращения рабочего органа .

Уменьшить влияние доминирующего возмущения (1) можно путем повышения петлевого усиления и быстродействия ЭМС, которые могут строиться на принципах подчиненного регулирования координат (рис. 1, а), использования безынерционных регуляторов состояния (рис. 1, б) или динамических (полиномиальных) регуляторов «входа-выхода» (рис. 1,в) .

Система подчиненного регулирования координатЭМС постоянного тока настраивается на «технический оптимум» регуляторами тока (РТ) и скорости (РСК) с соответствующими передаточными функциями (ПФ) 0,02s 1 H ; PCК 4, H РТ 0,0268 0,02s но при подаче гармонического момента возмущения (1) в системе возникаетвысокий уровень колебаний скорости ЭД, который является неприемлемым для прецизионных систем электропривода .

На основе модального управления (МУ) возможен синтез регулятора состояния (РС) с вектором коэффициентов обратных связей по напряжению, току и скорости K = [k1k2k3] = 0,0009 0,015 0,091, Состояние и перспективы развития электротехнологии который обеспечивает биномиальное распределение полюсов синтезированной ЭМС и достижение более высокого быстродействия (50 мс) по сравнению с системой подчиненного регулирования .

–  –  –

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы Аналогичный по качеству отработки сигнала задания скорости результат получаем при синтезе методами МУ динамического полиномиального регулятора (ПР) с полиномами вида:

Rs 0,4638s 2 192,5s 6676;

C s s 2 516,7s 106624,5 .

Для ЭМС на базе ПР удается в большей степени уменьшить амплитуду колебаний скорости от синусоидальной составляющей момента нагрузки по сравнению с ЭМС на базе РС и КР, но происходит снижение ее помехоустойчивости из-за наличия высших производных выходной координаты в структуре управления .

Таким образом, в ЭМС традиционных структур попытки улучшить компенсацию гармонического возмущения момента нагрузки приводит к потере других составляющих качества .

Рациональным способом разрешения указанной проблематики является применение принципа селективной (избирательной) инвариантности САУ, основанного на использовании внутренней модели возмущения (МВ) [2] .

Наиболее простым структурным решением систем данного типа регуляторов, является ЭМС, представленная на рис. 1, г, имеющая только один регулятор, объединяющий ПР и МВ.

В результате синтеза объединенного регулятора на частоте настройки МВ = 1,57 c, получены следующие выражения полиномов:

Es 9,668s 4 4951,9s 3 728171,4s 2 55928854,5s 1757743006;

F s s 2 1,57 2 s 2 1156,667s 553688,9 .

Для всесторонней оценки возможностей синтезированной селективно-инвариантной ЭМС по отработке широкого спектра возмущений были рассчитаны амплитудно-частотные характеристики всех рассмотренных вариантов систем по управляющему и возмущающему воздействиям .

Соответствующие графики 1-4 для системы подчиненного регулирования, ЭМС на базе РС, ПР, а также селективно инвариантной ЭМС при различных частотах настойки МВ ( 1 = 1,57 c 1, 15,7 c 1 и 157 c 1 ) приведены на рис. 2, а, б в логарифмических масштабах величин .

Сравнительный анализ «частотных портретов» различных систем управления типовым электромеханическим объектом позволяет сделать ряд важных наблюдений и выводов .

При малых различиях исследуемых ЭМС в отработке управляющих воздействий селективно-инвариантная САУотличается лучшей отработкой возмущений по моменту нагрузки ЭД не только на частоте настройки МВ, но и на других частотах скоростного диапазона электропривода. Гораздо эффективнее селективно-инвариантная САУ отрабатывает возмущения в виде постоянного момента нагрузки (гармоники нулевой частоты), несинусоидальные периодические возмущения Состояние и перспективы развития электротехнологии момента ЭД с широким спектром гармоник, например, воздействия ударного характера, вызванные дисбалансом вращающихся масс, неравномерностью трения и т.п .

Селективно-инвариантная ЭМС имеет дополнительные резервы повышения качества отработки возмущений при адаптивной перестройке параметров МВ в соответствии с изменениями скорости электропривода, а также при введении интеграла в закон управления .

Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики по управляющему (а) и по возмущающему (б) воздействиям для ЭМС: с РТ и РСК (графики 1), с РС (графики 2), с ПР (графики 3) и с внутренней МВ (графики 4) .

Улучшение показателей селективно-инвариантной ЭМС обеспечивается ценой определенного повышения сложности управляющего устройства, которое должно содержать модель гармонического возмущения. Однако высокая эффективность такой структуры ЭМС делает эти усложнения вполне оправданными .

Литература

1. Шёнфельд Р. Автоматизированные электроприводы / Р. Шёнфельд, Э. Хабигер; пер. с нем.; под ред. Ю.А. Борцова. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр .

отд-ние, 1985 .

2. Гудвин Г.К. Проектирование систем управления / Г.К. Гудвин, С.Ф. Гребе, М.Э. Сальгадо. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004 .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы Тихомирова Ирина Александровна, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: 3kitti4@gmail.com Копылова Лариса Геннадьевна, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: klg@eims.ispu.ru Тарарыкин Сергей Вячеславович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: rector@ispu.ru

–  –  –

Разработка стенда на основе платы ввода-вывода NI PCIe-6343 и библиотеки реального времени ПК MATLAB для исследования мехатронных систем Аннотация. Предложен и разработан способ построения многофункционального стенда на основе персонального компьютера, оснащенного программным комплексом MATLAB и платой ввода-вывода предназначенного для исследования и быстрого NI PCIe-6343, прототипирования мехатронных систем .

Ключевые слова: синтез регулятора, плата ввода-вывода, мехатронная система, программное и аппаратное обеспечение .

–  –  –

Design of stand on the basis of the input-output circuit board NI PCIe-6343 and real time library of software package MATLAB for research of mechatronic systems Abstract. Method of design of multifunctional stand based on the personal computer equipped with the software package MATLAB and the input-output circuit board NI PCIe-6343 is offered and developed. The stand is designed for research and quick prototyping of mechatronic systems .

Key words: regulator design, input-output circuit board, mechatronic system, software and hardware .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00972) .

При изучении мехатронных систем зачастую возникает необходимость выполнять тестовое включение того или иного объекта управления с целью предварительного анализа переходных процессов и выбора дальнейших путей синтеза регулятора. Подходы к решению этой задачи, наработанные в промышленности, являются несколько неудобными ввиду малой наглядности. Кроме того, в лабораторных условиях желательно иметь возможность оснастить исследуемый объект тем или иным регулятором за минимальное время без разработки дополнительного и доработки имеющегося аппаратного обеспечения. Поэтому была поставлена задача разработать удобный и наглядный стенд для исследования мехатронных систем .

С целью решения обозначенной выше задачи предлагается использовать плату ввода-вывода NI PCIe-6343 [1], обладающую достаточно широкими возможностями взаимодействия с внешними устройствами. Так, плата оснащена аналоговыми входами и выходами, счетчиками, дискретными линиями ввода-вывода, которых достаточно для осуществления коммуникации с многими мехатронными объектами .

Для управления платой ввода-вывода и, в свою очередь, объектом, целесообразно применять персональный компьютер под управлением операционной системы семейства Windows и программный комплекс MATLAB с библиотекой реального времени [2]. В качестве объекта используется сервопривод серии СПШ [3]. Предполагается реализовать синтезированный регулятор с помощью среды Simulink ПК МATLAB .

Управляющий сигнал с регулятора выдавать на привод посредством платы сопряжения NI PCIe-6343. Эта же плата служит промежуточным звеном для получения сигнала обратной связи регулятора, т. е. вводит в MATLAB текущее значение угловой скорости двигателя, измеряемой энкодером, установленным на его валу. Структурная схема стенда представлена на рис. 1 .

Предложенный подход позволяет быстро и наглядно оснастить объект управления регулятором, изучить прямые показатели качества переходных процессов, протекающих в объекте и в системе, при необходимости внести любые коррективы в регулятор, в том числе полностью изменить его структуру. Кроме того, при такой конфигурации стенда проектируемый регулятор может быть исследован на модели (рис. 2, а) и перенесен на реальный объект управления (рис. 2, б) без необходимости внесения каких-либо изменений, связанных с адаптацией регулятора к иной аппаратной платформе .

В рамках предварительных испытаний стенда установлено, что плата ввода-вывода NI PCIe-6343 пригодна для подобного рода применений и позволяет осуществлять управление с периодом дискретизации 1 мс без запаздывания .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Важно отметить, что стенд обладает высокой гибкостью и может быть адаптирован ко многим объектам управления .

Литература

1. NI PCIe-6343. [Электронный ресурс] // National Instuments. [Офис. сайт]. URL:

http://sine.ni.com/psp/app/doc/p/id/psp-890/lang/ru (дата обращения: 08.03.2015) .

2. Simulink Desktop Real-Time. [Электронный ресурс] // MathWorks – MATLAB [Офис. сайт] .

and Simulink for Technical Computing. URL:

http://www.mathworks.com /products/simulink-desktop-real-time/index.html (дата обращения: 08.03.2015) .

3. Интегрированный сервопривод СПШ. [Электронный ресурс] // Сервотехника. [Офис. сайт]. URL: http://www.servotechnica.ru/catalog/type/brand /index.pl?id=18 (дата обращения: 08.03.2015) .

Копылова Лариса Геннадьевна, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: klg@eims.ispu.ru Самаринский Сергей Александрович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: klg@eims.ispu.ru Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская 34 E-mail: vlad-apolonskiy@yandex.ru Экспериментальные исследования цифровых робастных систем автоматического управления на базе безынерционных и динамических регуляторов состояния Аннотация. Показано влияние положительных обратных связей на робастные свойства САУ на базе безынерционных регуляторов состояния и динамических полиномиальных регуляторов на примере двухмассовой электромеханической системы, собранной на экспериментальном многодвигательном стенде. Приведены методы расширения зоны робастности, а также выбора оптимальной структуры регуляторов .

Ключевые слова: робастность, электромеханическая система, регулятор .

V.V. APOLONSKIY, Design engineer Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: vlad-apolonskiy@yandex.ru

–  –  –

Abstract. The effect of positive feedback on the robust properties of ACS based on the free-wheeling state controllers and dynamic polynomial controllers on the example of a two-mass electromechanical system collected the pilot multi-engine stand are showed. Methods extend the range of robustness, as well as the choice of the optimal structure of the controllers .

Key words: robustness, electromechanical system, the controller .

Несмотря на развитие аппаратно-программных средств моделирования сложных динамических систем, окончательный вывод об эффективности предложенных методов робастного управления следует делать по результатам натурных экспериментов на реальной системе автоматического управления (САУ) .

Целью данной работы является практическая апробация полученных ранее результатов синтеза робастных САУ на базе полиномиальных, безынерционных и динамических регуляторов состояния [1-4] Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части госзадания в сфере научной деятельности на 2014-2016 г.г .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы на физической модели двухмассовой электромеханической системы (ЭМС), реализованной с помощью многодвигательного стенда .

На рис. 1 представлены функциональная (рис. 1, а) и структурная (рис. 1, б) схемы ЭМС, построенные на базе двух взаимосвязанных электроприводов, где З – сигнал задания; R1 – цифровой регулятор скорости, реализованный на базе мезонинной платы PCM-023C1 с микроконтроллером LPC2294 ARM7TDMI-S; ЦАП1, ЦАП2 – цифро-аналоговые преобразователи; RI1, RI2 – аналоговые регуляторы тока; СП1, СП2 – силовые преобразователи типа ТПЕ-110; М1, М2 – двигатели постоянного тока ДК1-1.7-110-АТ; ИУ1, ИУ2 – измерители углового положения типа BE-178A5; C12, KД – коэффициент жесткости и вязкого трения вязкоупругой кинематической передачи; K m – масштабирующий коэффициент .

Каждый привод имеет аналоговый токовый контур с регулятором RI, что позволяет аппроксимировать передаточную функцию такой системы интегрирующим звеном с передаточной функцией K/s. Применение программной связи между приводами через звенья C12/s и KД дает возможность реализации различных структур ЭМС без применения механических узлов передачи .

–  –  –

Результаты синтеза ПР2/1 при среднегеометрическом корне (СГК)

-1 -1 0 = 3,73 с и ПР1/0 при 0 = 3,27 с представлены в табл. 3. В данном случае, расположение желаемой динамической характеристики на границе зоны робастности позволяет провести редукцию регулятора ПР 2/0 в ПР1/0 .

Переход к цифровому представлению передаточной функции ПР производится на основе замены производной s конечной разностью

-1 вида: s = (1-z )/T0, где T0 – период квантования сигнала .

–  –  –

На рис. 2 представлены экспериментально снятые переходные

-1 процессы САУ с неминимальным ПР2/1, 0 = 3.73 c (рис. 2, а) и редуцированным ПР1/0, 0 = 3.27 c (рис. 2, б), где графики 1 соответствуют начальным параметрам объекта, графики 2 – изменению коэффициента C12 на +40%. При этом применение фильтра в структуре регулятора (ПР2/1) позволяет существенно расширить зону робастности, а расположение желаемой характеристики на границе этой зоны позволяет синтезировать редуцированный регулятор (ПР1/0) с сохранением робастных свойств САУ .

а) б) Рис. 2 Графики переходных процессов САУ с неминимальным ПР2/1 (а) и минимальным редуцированным ПР1/0 (б) Экспериментальные исследования САУ с регуляторами состояния (РС) проводятся для случая безынерционного РС, а также РС с дополнительными производными по вектору состояния x .

Зона робастности САУ с безынерционным РС, для желаемого характеристического полинома Ньютона, представлена в таблице 2 .

Согласно [3], для редукции регулятора достаточно расположить желаемую динамическую характеристику на одной из границ зоны

Состояние и перспективы развития электротехнологии

робастности, что позволит обнулить один из коэффициентов РС. Примем 0 = 3.3 с, что даст следующие значения вектора регулятора:

K = [0 -0.64 -1] .

Результаты эксперимента представлены графиками переходных процессов (рис. 3, а), где график 1 соответствует исходным значениям параметров объекта, график 2 - изменение C12 на +40%. Таким образом, из рисунка видно, что выбор СГК на границе зоны позволяет синтезировать редуцированный регулятор состояния при сохранении устойчивости и робастных свойств САУ .

–  –  –

Рассмотрим далее метод расширения зоны робастности, для чего введем в структуру регулятора дополнительные производные по вектору состояния [4]. Полученные в результате синтеза вектора K и вектора производных K', отвечающие за формирование статических и динамических показателей САУ независимо друг от друга. Принимая

-1 -1 01 = 6 с и 02 = 1.5 с получаем следующие значения векторов K и K' соответственно:

K = [-0.15 -2.31 -10.94]; K' = [-5.15 -7.66 -12.99] .

Проводя аналогичный анализ графиков (рис. 3, б), приходим к выводу о целесообразности применения дополнительного канала по производным координат состояния, что позволяет расширить зону сохранения робастных свойств САУ .

Таким образом, проведенные эксперименты наглядно демонстрируют возможность применения безынерционных и динамических регуляторов как полного порядка, так и редуцированых для построения робастных САУ на реальном технологическом оборудовании .

Литература

1. Тарарыкин С.В., Аполонский В.В., Терехов А.И. Исследование влияния структуры и параметров полиномиальных регуляторов «входа-выхода» на робастные свойства синтезируемых систем // Мехатроника Автоматизация Управление. – 2013. №11 .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

2. Тарарыкин С.В., Аполонский В.В. Методы синтеза редуцированных полиномиальных регуляторов динамических систем. // Мехатроника, автоматизация, управление, Том 16, 2015, №2 .

3. Аполонский В.В., Тарарыкин С.В. Методы синтеза редуцированных регуляторов состояния линейных динамических систем // Известия РАН. Теория и системы управления, 2014, №6, с. 25-33 .

4. Аполонский В.В., Терехов А.И. Применение гибких обратных связей для робастного управления состоянием электромеханических систем // Труды VII Международной (VIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу: ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2012. – 708 с .

Аполонский Владимир Викторович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: vlad-apolonskiy@yandex.ru

–  –  –

Автоматическая настройка регуляторов состояния с использованием искусственной нейронной сети* Аннотация. Рассматривается метод настройки регуляторов состояния, основанный на идентификации объекта при помощи радиальной нейронной сети, анализирующей переходные характеристики по координатам состояния системы, с последующим расчетом параметров регулятора методом модального управления. Предлагаемый подход позволяет существенно сократить длительность и повысить качество настройки системы управления .

Ключевые слова: регулятор состояния, автоматическая настройка, радиальная нейронная сеть, обучение нейронной сети, электромеханическая система .

A.A. ANISIMOV, Doctor of Engineering, Associate Professor, V.I. LEVIN, student Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya st., 34. e-mail: anis@eims.ispu.ru

–  –  –

Abstract. The article deals with the problem of automatic tuning of the state regulators. The suggested method of tuning is based on the identification of control object with help of the radial neural network, processing system dynamic Состояние и перспективы развития электротехнологии characteristics, and the following calculation of regulator parameters by method of modal control. This approach allows significantly reduce an amount of time, needed for tuning of control system .

Key words: state regulator, automatic tuning, radial neural network, neural network training, electromechanical system .

Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00972) .

Перспективным путем повышения качества управления сложными электромеханическими объектами в настоящее время считается применение регуляторов состояния (РС) различных типов [1]. Вместе с тем, для реализации потенциальных возможностей РС необходимо применение средств автоматической настройки. Это обусловлено погрешностями идентификации, применением упрощенных математических моделей объектов управления, а также большим количеством настраиваемых параметров подобных регуляторов. При этом большинство известных методов настройки основаны на рекуррентных алгоритмах численной оптимизации, что требует большого количества итераций [2] .

Для снижения длительности настройки РС ранее было предложено применение искусственных нейронных сетей (ИНС), позволяющих проводить идентификацию объекта и коррекцию регулятора по результатам единственного эксперимента [2, 3, 4]. Однако подобные исследования проводились в основном для систем с регуляторами “входавыхода”, синтезируемых по передаточной функции объекта. Значительно меньше внимания уделялось системам с обратной связью по вектору состояния, для синтеза которых необходима векторноматричная модель объекта .

–  –  –

Рис. 1. Структурная схема системы автоматической настройки РС С целью повышения эффективности автоматической настройки систем управления с безынерционными РС в данной работе предлагаМикроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы ется использовать радиальную ИНС, на входы которой поступает вектор переменных состояния (рис. 1). На вход объекта управления подается тестовый сигнал, затем по полученным переходным характеристикам ИНС выполняет идентификацию параметров векторно-матричной модели. На основе этих оценок блок “Синтез РС” выполняет расчет параметров регулятора методом модального управления .

В процессе настройки ИНС дает оценки матриц объекта A, B и C на основе анализа переходных характеристик для вектора состояния x и выходной координаты y, как показано на рис. 1, где s – переменная Лапласа; yз – задающее воздействие; K – матрица РС. Такой подход позволяет наиболее точно оценить параметры объекта, в том числе слабо влияющие на выходную координату. При этом в процессе идентификации учитывается априорная информация об объекте управления в виде структуры и ряда известных параметров .

Расчет параметров РС проводится методом модального управления с использованием желаемого характеристического полинома D(s), определяющего динамические свойства формируемой системы [1]. При этом полином D(s) выбирается из ряда стандартных (Ньютона, Бесселя, Баттерворта и других) или формируется путем параметрической оптимизации системы управления .

Как показывает анализ, для решения задачи идентификации параметров системы по переходным характеристикам целесообразно использовать радиальную ИНС, позволяющую наиболее эффективно классифицировать получаемые данные [3, 4]. Подобные ИНС состоят из двух слоев, причем нейроны первого слоя реализуют радиальные функции (в данном случае функции Гаусса), а нейроны второго слоя вычисляют взвешенную сумму входных сигналов .

–  –  –

Для обучения радиальной ИНС используется алгоритм newrb(), входящий в состав программного комплекса MatLab 7.6, позволяющий оптимизировать количество нейронов 1-го слоя и координаты их центров. Обучающая выборка представляет собой массив переходных характеристик, полученных путем вариации параметров объекта управления методом Монте-Карло в диапазоне их возможных изменений .

Анализ массива переходных характеристик позволяет повысить точность идентификации, однако большой объем информации в данСостояние и перспективы развития электротехнологии ном случае приводит к резкому возрастанию количества переменных коэффициентов ИНС, что затрудняет процесс обучения [4]. Эффективным решением этой проблемы является использование на входе ИНС взвешенной суммы переменных состояния объекта .

Исследование предлагаемого метода автоматической настройки проводилось на примере типичной двухмассовой электромеханической системы (ЭМС) [5], структура которой приведена на рис. 2, где UЗ и U – задающее и выходное напряжения силового преобразователя (СП); M и

– моменты двигателя и упругой передачи;, – угловые скорости 1-й и 2-й масс; =7 и =0,01 c – коэффициент передачи и постоянная времени СП; C =2,17 Вб – конструктивный параметр двигателя;

=0,044 с, =1,6 Ом – постоянная времени и сопротивление якорной цепи; =0,06 кг·м, =0,013 кг·м – моменты инерции 1-й и 2-й масс; =54,23 Н·м/рад и =0,15 Н·м – коэффициенты жесткости и трения механической передачи .

Для данного объекта методом модального управления был синтезирован РС на основе желаемого характеристического полинома Ньютона при среднегеометрическом корне =225 рад/c, в результате для номинальных параметров ЭМС были получены следующие значения: K = [-1,4 -21,3 -278,75 -448,98 -102,28] .

Учитывая особенности объекта, в качестве переменных параметров при формировании обучающей выборки ИНС были выбраны моменты инерции и, а также коэффициенты жесткости и трения – и. Диапазон варьирования указанных параметров составлял ±30% от номинальных значений, объем выборки 300 переходных характеристик. В результате обучения была сформирована радиальная ИНС, состоящая из 75 нейронов .

2, рад.с Рис. 3. Переходный процессы до и после автоматической настройки РС Для тестирования сформированной таким образом ИНС использовалась выборка, аналогичная обучающей. Линейный характер реМикроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы грессионной зависимости оценок, полученных при помощи ИНС, от действительных значений параметров объекта говорит об адекватности обучения. При этом погрешность идентификации параметров ЭМС не превышает 0,1%, что существенно ниже погрешности оценивания соответствующих параметров только по выходной координате объекта .

Предлагаемый нейросетевой метод автоматической настройки систем управления с РС был реализован в виде программы на языке комплекса MatLab 7.6. Результаты моделирования процессов идентификации и настройки системы управления двухмассовой ЭМС приведены на рис. 3, где кривая 1 соответствует номинальным параметрам объекта. Отклонение параметров объекта управления от расчетных (J1=0.105 кг·м, J2=0.0151 кг·м, C12=148.05 Н·м/рад, KД=0.087 Н·м) приводит к существенному ухудшению динамики системы (кривая 2) .

Однако после идентификации параметров при помощи радиальной ИНС и расчета скорректированного РС переходная характеристика (кривая 3) практически совпадает с эталонной .

Таким образом, предложенный подход, основанный на идентификации параметров объекта управления при помощи радиальной ИНС, позволяет сократить длительность настройки безынерционного РС. При этом ИНС анализирует переходные характеристики по всем координатам состояния, что дает возможность повысить точность оценивания параметров объекта управления .

* Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части госзадания в сфере научной деятельности на 2014-2016 г.г .

Литература

1. Методика проектирования цифровых полиномиальных регуляторов электромеханических систем / С.В. Тарарыкин и др. // Электричество, 2000, N12, с. 33Анисимов А.А., Тарарыкин С.В. Автоматическая настройка полиномиальных регуляторов электромеханических систем с использование искусственной нейронной сети // МАУ, 2008, N 8, с. 13-18 .

3. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т .

3: Методы современной теории автоматического управления / Под ред. Н.Д .

Егупова.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.- 748 с .

4. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации / Пер. с польского .

– М.: Финансы и статистика, 2002. – 344 с .

5. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие. – Л.: Энергоиздат, 1982.- 392 с .

Анисимов Анатолий Анатольевич, ФГБОУВПО “Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина”, e-mail: anis@eims.ispu.ru Левин Владимир Иванович, ФГБОУ ВПО “Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина”, e-mail: amateur3@yandex.ru Разработка физических моделей тиристоров и схем с использованием тиристоров для учебных исследований Аннотация. Для учебного исследования прибора под названием «тиристор» разработана его полноценная физическая модель, созданная на основе биполярных транзисторов и стабилитронов .

Ключевые слова: тиристор, симистор, система импульсно-фазового управления .

S. A. KAPUSTIN, docent, I.А. Tikhomirova assistant Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: kapustin@eims.ispu.ru Comparative analysis of efficiency of selectively invariant electromechanical systems Abstract. For academic research unit called "thyristor" developed his full physical model developed on the basis of bipolar transistors and Zener diodes .

Key words: thyristor, symistor, system of pulse-phase control .

Одним из наиболее эффективных способов изучения свойств, классификационных параметров и характеристик любого вида полупроводникового прибора является его инструментальное исследование на учебном лабораторном оборудовании. Для большинства компонентов электроники – диодов, транзисторов, опто и фото приборов, процесс учебных лабораторных исследований не представляет сколь-нибудь значимых технических трудностей. Тиристоры же, представляющие собой один из основных преобразовательных компонентов электроники и очень широко применяемые в силовой электронике, полноценно исследовать на учебно-лабораторном оборудовании невозможно .

Наиболее эффективным и комплексным способом изучения свойств практически любого электронного прибора является снятие его вольтамперной характеристики ВАХ I f U. Особенно это относится к ВАХ тиристора (рис. 1).

В учебных целях снять полную ВАХ реального тиристора практически невозможно по следующим причинам:

1. Учебные лабораторные стенды по электронике в целях безопасности в основном оборудуют маломощными низковольтными источниками питания, а диапазон испытательных токов и напряжений Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы при фиксации “характерных” точек ВАХ тиристора достигает, что нереально для учебно-лабораторного оборудования;

2. Нет реальных маломощных и низковольтных тиристоров, пригодных для учебно-лабораторных исследований;

3. Наличие в структуре тиристора сильнейшей положительной обратной связи, из-за действия которой повторяемость опытов исключена .

<

Рис. 1. Внешний вид ВАХ тиристора .

Отмеченные на ВАХ параметры любого вида тиристора являются нормируемыми, паспортными, значение которых для учебных целей является весьма значимым, но практическое определение, которых по выше перечисленным причинам весьма проблематично .

Для учебного исследования прибора под названием «тиристор»

предлагается его полноценная физическая модель, созданная на основе биполярных транзисторов и стабилитронов, фиксированные напряжения стабилизации которых будут определять (моделировать) нормируемые напряжения определённого вида тиристора .

На схеме модели тиристора (рис.2) стабилитрон VD1 будет определять значение напряжения Uпрк, при котором тиристор будет включаться, т.е. переходить из закрытого состояния в открытое при прямом напряжении на нем. Стабилитрон VD2 будет моделировать значение пробивного напряжения при обратной полярности напряжения на тиристоре. Постоянство параметров стабилитронов VD1 и VD2 обеспечивает высокую повторяемость экспериментов по снятию полной ВАХ тиристора в динисторном включении .

Данная модель позволяет снять выходную ВАХ исследуемого динистора I f U, зафиксирована ней основные эксплуатационные параметры прибора: напряжение переключения (включения) Uпрк, ток включения Iвкл, ток удержания Iуд, напряжение открытого состояния Uоткр .

т., обратное пробивное напряжение Uобр. проб .

Исследование и снятие ВАХ симметричного тиристора (симистора) будет выполняться на двух идентичных транзисторных аналогах динисторов, включенных встречно-параллельно, (рис. 3) .

Рис. 3. Лабораторная схема для снятия ВАХ симметричного тиристора Наличие управляющего электрода у тиристора и возможность управлять его моментом включения при прямой полярности приложенного к нему напряжения, позволяют строить выпрямители с плавным изменением среднего значения выпрямленного напряжения на нагрузке .

Для учебного исследования работы тиристора в схеме управляемого выпрямителя УВ предлагается однофазная двухполупериодная схема с “вертикальным” способом управления, на практике называемая “системой импульсно-фазового управления” СИФУ. Изменение фазы (угла регулирования) выполняется с помощью изменения скорости нарастания управляющего напряжения Uпилы .

Полная электрическая принципиальная схема УВ, реализующая предложенный способ, изображена на рис. 4 .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

Функции формирователя управляющих импульсов выполняет ключевая схема на транзисторах VT5 и VT6, представляющая собой аналог тиристора с регулируемым порогом переключения (R11, R12).Функции генератора пилообразного напряжения ГПН выполняет транзистор VT3 с подключённым параллельно ему конденсатором С1 .

Заряд конденсатора С1, соответствующий возрастанию амплитуды напряжения “Uпилы”, происходит при запертом состоянии транзистора VT3.Предельное значение амплитуды “Uпилы” определяется настройкой узла сравнения, функционально состоящем из транзистора VT4 с учётом порога переключения аналога тиристора на VT5 и VT6.В момент равенства этих напряжений формируется импульс, открывающий тиристор. Синхронизация процессов «заряд/разряд» конденсатора С1 и, соответственно, формирование импульсов управления тиристором VS1, выполняется с помощью триггера Шмитта ТШ на транзисторах VT1 и VT2. В моменты времени, когда входное переменное напряжение проходит через «0», на выходе ТШ (коллектор VT2) формируется короткий импульс, открывающий транзистор VT3. Конденсатор С1 разряжается на открытый транзистор и с окончанием импульса от ТШ запускается новый цикл «заряд/разряд» конденсатора С1. Длительность короткого импульса сброса, формируемого ТШ, определяет значение минимального угла управления и устойчивость и стабильность работы всей системы в целом .

Рис. 4. Однофазный 2-х полупериодный управляемый выпрямитель, схема электрическая принципиальная Предложенная для лабораторного исследования схема при относительной простоте, позволяет визуально проследить все характерные сигналы, изложенные в теории для данного способа управления, снять практически полную регулировочную характеристику Ud = f(), Состояние и перспективы развития электротехнологии снять и построить внешние характеристики Ud = f(Id) для разных значений и при разных характерах нагрузки (активная, комплексная) .

Литература

1. Воронков, Эдуард Николаевич. Твердотельная электроника: практикум:

[учебное пособие для вузов] / Э. Н. Воронков. – М.: Академия, 2010. — 128 с .

2. Замятин В. Я., Кондратьев Б.В. Тиристоры. – М.: Сов. Радио, 1980 .

Капустин Сергей Алексеевич ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: kapustin@eims.ispu.ru Тихомирова Ирина Александровна, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: 3kitti4@gmail.com

–  –  –

Особенность исследования тиристоров на лабораторном оборудовании фирмы Профобразование»

Аннотация. Для новых стендов разработана методика проведения лабораторной работы по исследования тиристоров и симисторов. Разработан и реализован в формате элементов стенда блок СИФУ .

Ключевые слова: тиристор, симистор, СИФУ .

V.G. TEREHOV, docent Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: vladimirtg2@yandex.ru

–  –  –

Abstract. Have been developed a new method of laboratory workshop of thyristor’s and symistor’s research. It has been developed and made as the elements of “SIFUУ” blok stand .

Key words: thyristor, symistor, SIFU .

Замена лабораторной базы для дисциплин «Электроника» на комплект типового учебно-лабораторного оборудования «Основы электроники ОЭ-ПО» фирмы «Профобразование» г. Казань потребовало модернизацию методических указаний и методики проведения лабораторных работ. Основная часть работ, выполнявшаяся на старых стенМикроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы дах, без особых проблем реализуется на новых стендах. Исключение составляет работа по исследованию тиристоров и схем на их основе .

Модуль «Тиристор ВТ151», поставляемый со стендом, имеет максимальное напряжение 800 В; модуль «Симистор MAC97» - максимальное напряжение 600 В. Следовательно, исследование вольтамперной характеристики реального прибора требует применения высоковольтных источников питания, которые отсутствуют в данном стенде. Кроме того, снятие характеристики не имеет смысла, так как в практике требуется лишь несколько точек характеристики (падение напряжения в открытом состоянии; минимальный ток управления; ток утечки в закрытом состоянии), которые определяются без снятия всей зависимости. Замена тиристора транзисторной моделью дает характеристики, далекие от реального прибора .

В связи с этим исследовать особенности работы прибора удобнее непосредственно в схемах, где они применяются, например - в управляемых выпрямителях .

Для управляемых выпрямителей в промышленных устройствах применяют специальные системы импульсно-фазового управления (СИФУ), обеспечивающие полный диапазон регулирования. К сожалению, такое устройство не входит в комплект оборудования стенда. Сборка студентами такого устройства из модулей стенда является неэффективной, так как подменяет исследование особенностей работы тиристоров отладкой достаточно сложной второстепенной схемы. Поэтому разработан и реализован в формате модулей данного стенда блок СИФУ (рис. 1). В зависимости от положения движка резистора управления СИФУ импульс управления формируется с задержкой от 6 до 170 градусов относительно питающего синусоидального напряжения .

СИФУ питается от силового источника напряжения стенда (~8 В) с помощью диодного моста VD1 - VD4 и стабилизатора DD1. Моменты близкие к переходу синусоиды напряжения через ноль выделяются и формируются в прямоугольные импульсы с помощью транзистора VT .

Конденсатор С2 позволяет отстроиться от помех, образуя динамический гистерезис в работе данной схемы. На одновибраторе DD2 формируется регулируемая с помощью резистора R5 выдержка времени (от 6 до 170 градусов), по окончании которой на DD3 формируется короткий импульс управления. Оптронная развязка DD4 освобождает от взаимного влияния силовую цепь и цепи управления. Для защиты выходной цепи от ошибок при сборке включен диод VD7 и ограничивающий ток резистор R8 .

На рис. 3 приведена схема для исследования полууправляемого однофазного мостового выпрямителя .

Импульсы управления формируются два раза за период и подаются одновременно на оба управляемых прибора .

Схема позволяет определить минимальное значение тока управления Iупр мин по падению напряжения на Rизм .

Для регулирования напряжения в устройствах с ограниченным диапазоном управления, например, в бытовых регуляторах света и мощности, применяют простые схемы управления включением тиристора или симистора (рис. 4), которые также можно исследовать на данном стенде .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы По полученным в предыдущем исследовании значениям I упр мин предлагается провести расчет элементов такой схемы управления (R1, C1) и проверить правильность расчета на практике .

Терехов Владимир Григорьевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail:vladimirtg2@yandex.ru ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», г. Набережные Челны E-mail: almazok75@yandex.ru Плазменная установка с жидким электродом для поверхностного упрочнения материалов Аннотация. На основе экспериментальных исследований разработана и создана технологическая плазменная электротермическая установка с жидким катодом для поверхностного упрочнения материалов. Разработанная установка позволяет повысить эффективность технологического процесса и обеспечивает стабильность показателей качества .

Ключевые слова: микротвердость, вольтамперная характеристика, жидкий катод .

Yu.I.SHAKIROV, Candidate of Engineering, docent, A.A.KHAFIZOV, senior Teacher, R.I. VALIEV, senior Teacher .

–  –  –

Abstract. On the basis of experimental studies technological plasma electroheat installation with liquid cathode for materials surface hardening has been designed and developed. Developed installation improves the efficiency of the process and ensures the stability of quality indicators .

Key words: microhardness, voltage-current characteristic, liquid cathode .

Плазменные методы нанесения износостойких покрытий или физико-химического модифицирования поверхностного слоя деталей позволяют снизить длительность технологического процесса, энергоемкость, сохранить базовые геометрические размеры деталей[1] .

Обеспечение стабильности показателей качества поверхности деталей, а также высоких экономических показателей является приоритетной задачей. Исходя из этого, перспективным направлением совершенствования плазменной установки для термообработки деталей [2] является разработка головки технологической плазменной электротермической установки (ТПЭТУ) .

Экспериментальные исследования электрического разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом при атмосферном давлении проводились в широком диапазоне тока I=0,510 A, Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Рис. 1. ВАХ электрического разряда между медным цилиндрическим анодом и электролитическим катодом (техническая вода) для различных межэлектродных расстояний и диаметров анода: 1 –da=25 мм, l=25 мм; 2 - da=25 мм, l=8 мм; 3 - da=15 мм, l=25 мм; 4 - da=40 мм, l=40 мм Состояние и перспективы развития электротехнологии Рис. 2. Обобщенная вольтамперная характеристика разряда между электролитическим катодом из технической воды и металлическим анодом из меди при da=15 мм: 1 – l=3 мм; 2 – l=7 мм; 3 – l=13 мм

–  –  –

Управление режимами упрочнения поверхности материалов осуществляется за счет изменения параметров напряжения формируемых в высоковольтном источнике напряжения (рис. 4) .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы Рис. 4. Обобщенная блок-схема технологической плазменной электротермической установки. 1 – электролитная ванна; 2 – датчик температуры электролита; 3 – головка ТПЭТУ; 4 – обрабатываемая деталь; 5 – датчик расхода воздуха; 6 -датчик давления воды в системе охлаждения электролитной ванны Заключение. На основе экспериментальных исследований получено обобщенное критериальное уравнение и разработана плазменная электротермическая установка для поверхностного упрочнения материалов .

Литература

1. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин/А.Г. Суслов. - М.:

Машиностроение, 2000. – 320 с .

2. Ю.И. Шакиров, Р.И. Валиев, А.А. Хафизов, Г.Ю. Шакирова. Многоканальная плазменная установка с электролитическим катодом. Научно - технический журнал «Автомобильная промышленность». Москва, 2011, № 2, 36-38 с .

Хафизов Алмаз Анзяпович, ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», e-mail: almazok75@yandex.ru Валиев Рамиль Ильдарович, ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», e-mail: rivaliev87@mail.ru Шакиров Юнус Идрисович, ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», e-mail: inekashakirov@mail.ru ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», г. Набережные Челны e-mail: rivaliev87@mail.ru Оптимизация процесса очистки и снятия заусенцев с поверхности изделий плазменной электротермической установкой с жидким катодом Аннотация. Разработана плазменная электротермическая установка с жидким катодом. Исследованы и отработаны режимы процесса очистки и снятия заусенцев с поверхности изделий .

Ключевые слова: удаление заусенцев, шероховатость, плазма .

–  –  –

Branch of Kazan Federal University in Naberezhnye Chelny 423800 Naberezhnye Chelny, Mira av 68/19. E-mail: rivaliev87@mail.ru Optimization of the process of cleaning and deburring products surface plasma electrothermal installation with a liquid cathode Abstract. Developed plasma electrothermal installation with a liquid cathode .

Studied and worked regimes cleaning process and deburring the surface of products .

Key words: deburring, roughness, plasma .

Одной из основных технологических операций при изготовлении и восстановлении изношенных деталей в машиностроении является операция очистки поверхности и снятия заусенцев после механической обработки. Операцию очистки поверхности полупроводников приходится выполнять в приборостроении и электронике. Удаление заусенцев определяет качество и надежность работы агрегата, повышает его эксплуатационные свойства, товарный вид .

Для оптимизации процесса очистки и снятия заусенцев разработана экспериментальная плазменная электротермическая установка (ПЭТУ) с жидким электродом для исследования характеристик разряда между металлическим анодом и жидким катодом: вольтамперных характеристик, распределение потенциала, напряженности электрического поля в плазме и плотности тока на электродах которые позволят разработку ПЭТУ с жидким катодом для технологического применения .

[1] (рис.1). Экспериментальная установка предназначена для исследования электрического разряда в диапазоне параметров Up =0,3 – 3000 В, токов I=0,01200 А, jэ =0,1 - 25 А/см, межэлектродных расстояний l = Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы 0,1 – 100 мм. Полученная обобщенная вольтамперная характеристика может быть рекомендована для использования в расчетах при разработке промышленной технологической ПЭТУ с жидким катодом для очистки и снятия заусенцев с поверхности изделий .

Для образования сплошной парогазовой оболочки, хотя бы и неустойчивой, необходимо обеспечить выделение в прианодной зоне энергии, достаточной для вскипания электролита в некотором объеме .

Рис.1. Схема электролитической ванны с проточным электролитическим катодом: 1 – электролитическая ванна; 2 – токоподвод (металлическая ванна); 3 – электролит; 4 – металлический анод Напряжение разряда (120 В) практически не влияет на параметры качества поверхности и на скорость очистки детали (рис. 2) .

Плотность же анодного тока влияет и на качество обработки и на продолжительность обработки .

–  –  –

Температура электролита влияет на качество обработанной поверхности. Исследования показали, что с увеличением температуры Состояние и перспективы развития электротехнологии электролита уменьшается производительность процесса. Поэтому мы охлаждали электролит с помощью проточной водопроводной воды .

Достигнуто эффективное удаление заусенцев (рис.3), оставшихся после механической обработки, с кромок деталей сложной конфигурации, электрическим разрядом между обрабатываемой деталью и жидким электродом. Площадь парогазового слоя начинает расширяться со скоростью 0,0050,01м/с. Ток растет, и через 812сек, при критических условиях слой разрывается взрывом, далее процесс повторяется .

-3 2 При h = 10 м, площадь поверхности слоя доходит до 0,0120,015 м, а ток разряда до 200А. Исследования показали, что процесс снятия заусенцев следует вести при 4 А/см jа 13А/см, напряжении 80 В Uр 120 В и температура ~ 800 С .

–  –  –

Заключение. Для обработки деталей необходим источник питания выпрямленным напряжением U = 400 – 550 В мощностью до 100 кВт. В процессе анализа установлены режимы, при которых производительность снятия заусенцев повышается в 2 – 2,5 раза по сравнению с электроэрозионным способом, одновременно шероховатость снижается до 0,16 – 0,08 мкм (класс шероховатости 8 – 9) .

Литература

1. Валиев Р.И., Ильин В.И., Шакиров Б.Ю., Шакиров Ю.И. Система управления процессом обработки поверхности изделий плазменной электротермической установкой с жидким электродом. Научно - технический вестник Поволжья .

Казань, 2012, №1, с.131-138 .

Хафизов Алмаз Анзяпович, ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», e-mail: almazok75@yandex.ru Валиев Рамиль Ильдарович, ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», e-mail: rivaliev87@mail.ru Шакиров Юнус Идрисович, ФГАОУ ВПО «Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета», e-mail: inekashakirov@mail.ru Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, дом 34 Заточка зондов для атомно-силовой микроскопии Аннотация. Показан недостаток стандартного метода травления зонда для атомно-силовой микроскопии. Представлен метод улучшающий качеств заточки острия металлического зонда методом электрохимического травления .

Ключевые слова: зонд, атомно-силовая микроскопия, заточка .

–  –  –

Ivanovo State Power Engineeing University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: alex@eims.ispu.ru Sharpening probes for atomic force microscopy Abstract. Shows the lack of a standard method of etching probe for atomic force microscopy. Presents a method of improving qualities of sharpening the edge of the metallic probe by electrochemical etching .

Key words: probe, atomic force microscopy, sharpen .

Атомно-силовая микроскопия — один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-ваальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Обычно в приборе в качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере (рис. 1, а), который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца (рис. 1, б). Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали .

Кантилевер (от англ. cantilever – консоль, балка) — одна из основных составных частей сканирующего зондового микроскопа представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,53,50,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. На нижнем конце кантилевера располагается игла, взаимодействующая с образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5—90 нм, лабораторных — от 1 нм .

В сравнении с растровым электронным микроскопом атомносиловой микроскоп обладает рядом преимуществ. Атомно-силовая микроскопия позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, изучаемая поверхность не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы растрового электронного микроскопа требуется вакуум, в то время как большинство режимов атомно-силовой микроскопии могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток .

К недостаткам атомно-силовоймикроскопии следует отнести небольшой размер поля сканирования. Максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае составляет порядка 150150 микрон. Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении .

Для учебных целей достаточно зондов заточенных электрохимическим способом. Преимущество таких зондов заключается в простоте Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы их изготовления. Зонды из твердых металлов очень широко используются в сканирующей зондовой микроскопии. В основном они использовались в сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), разработанной в 1982 году, а так же в атомно-силовой микроскопии (АСМ), разработанной в 1986 году. Зонд — это металлическая игла с очень острым окончанием: которая обычно изготавливается из вольфрама (W), платины (Pt), платиново-иридиевого сплава (Pt-Ir), золота (Au), тантала (Ta), железа (Fe) и, собственно, из иридия (Ir). Выбор материала обусловлен рядом таких качеств как прочность, твердость, активность металла и других характеристик. Основные методы изготовления зондов по характеру делятся на механические и физико-химические. Первые предусматривают простые механические воздействия, такие как сдвиг или срез проволоки, при котором непосредственно обеспечивается острый кончик. Вторые делятся на методы электрохимического травления и ионной заточки. Электрохимическое травление является методом, который используется для придания зонду формы конуса с острой вершиной. Ионная заточка заключается в создании в вакууме потока ионов аргона, который направлен по касательной к зонду .

Рис. 2. Схема работы атомно-силового микроскопа

Изготовление зондов для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) Nanoeducator II проводится на специальной установке, которая позволяет затачивать зонды с помощью электрохимиического травления. Данную установку можно доработать с целью фиксации момента, когда происходит отрыв нижней части от получаемого острия зонда, Состояние и перспективы развития электротехнологии ведь именно в этот момент формируется самое тонкое острие. В базовой установке не предусмотрено фиксации момента отрыва нижней части от верхней .

С помощью доработанной установки можно получать зонды со стабильным радиусом закругления острия 70-80 нм, в то время как при обычной методике около 100 нм (наилучший единственный результат, полученный нами по обычной методике, 75 нм). Достигается это следующим образом: на рис. 2 хорошо показано, что электрическая цепь замкнута между проводящей диафрагмой и проводящей жидкостью (электролит). При этом происходит электрохимическое травление и формирование острия зонда в месте капли, которая находится на диафрагме. Когда в месте травления толщина зонда становится очень малой, то под действием силы тяжести происходит отрыв нижней части проволоки от верхней. В этот момент электрическая цепь разрывается и, одновременно с этим, формируется наиболее острое окончание .

Новый метод травления совместно с подбором зонда позволяет получать более качественные и информативные изображения поверхностей самых различных материалов и наноструктур, а также позволяет повысить разрешение получаемого скана .

Литература

1. Приборы и методы зондовой микроскопии, Дедкова Е.Г., Чуприк А.А., Бобринецкий И.И., Неволин В.К., 2011 .

Аббясов Алексей Михайлович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: alex@eims.ispu.ru

–  –  –

Управление количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия Аннотация. Разработана структурная схема устройства для управления количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоМикроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы ками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение .

Ключевые слова: текстильный материал, натяжение, управление .

–  –  –

Device development for control of quantity of textile material transported in free state by means of parallel production lines in continuous operation technological machine Abstract. The block diagram of device for control of quantity of textile material transported in free state by means of parallel production lines in continuous operation technological machine is developed. Favourable decision of delivery of patent for an invention is obtained .

Key words: textile material, tensioning, control .

Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано для автоматизации технологических процессов обработки в свободном состоянии в форме жгута текстильных материалов в технологических машинах непрерывного действия .

Известен способ заправки и проводки ткани (Авторское свидетельство СССР № 341535, B05C3/12, 1972г.), состоящий в том, что расправленное полотно ткани при одинаковом натяжении перед входом в отбельную поточную линию накладывают одно на другое, а затем совместно сожгучивают, причём проводку сожгученных полотен через машины осуществляют таким образом, что направление движения ткани в спиралях в каждой мойной и материальной машине противоположно направлению движения спирали предыдущей и последующей машин и перпендикулярно общей оси линии, а выход жгута ткани в каждой машине производят напротив входа его в последующую машину линии .

Недостаток указанного способа связан с невозможностью его применения для управления количеством транспортируемого в свободном состоянии текстильного материала в технологической машине ввиду различия релаксационных свойств, т.е. степени усадки текстильного материала в процессе обработки, что неминуемо приводит к запутыванию параллельных потоков и, как следствие, вызывает аварийную остановку технологического процесса .

Наиболее близким к заявляемому способу, является приведённый в изобретении «Описание электропривода для агрегатов красильСостояние и перспективы развития электротехнологии но-отделочных и отбельных машин» (Авторское свидетельство СССР № 48121, 8A36, 1936г.) способ, заключающийся в транспортировании с заданной линейной скоростью текстильного материала и заполнении Uобразной технологической машины непрерывного действия транспортируемым в свободном состоянии текстильным материалом, обеспечении контроля количества (веса) текстильного материала в технологической машине и релейном регулировании линейной скорости текстильного материала на входе в технологическую машину при отклонении веса текстильного материала в технологической машине за допустимые границы .

Недостатком данного способа является отсутствие раздельного регулирования количества текстильного материала в технологической машине, что вследствие естественного некоторого различия линейных скоростей параллельных потоков текстильного материала может привести к значительному отклонению количества текстильного материала в одном из потоков за допустимые границы и вызвать аварийный останов технологического процесса .

Технический результат предлагаемого способа заключается в обеспечении возможности раздельного регулирования количества текстильного материала в технологической машине и выравнивания количества текстильного материала в технологической машине в параллельных потоках .

Технический результат достигается тем, что в способе управления количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия, включающий транспортирование с заданной линейной скоростью текстильного материала и заполнение U-образной технологической машины непрерывного действия транспортируемым в свободном состоянии текстильным материалом, обеспечение контроля количества текстильного материала в технологической машине и релейное регулирование линейной скорости текстильного материала на входе в технологическую машину при отклонении веса текстильного материала в технологической машине за допустимые границы, измеряют количество текстильного материала в технологической машине отдельно в каждом из параллельных потоков, регулируют линейную скорость текстильного материала на входе в технологическую машину при отклонении в любом из параллельных потоков количества текстильного материала в технологической машине за допустимые границы, используют свойства эластичности текстильного материала для выравнивания его количества в технологической машине в параллельных потоках, причём увеличивают натяжение текстильного материала на входе в технологическую машину в потоке с большим количеством текстильного материала и уменьшают натяжение текстильного материала на входе в технологическую машину в потоке с меньшим количеством текстильного материала .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы На рис.1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия .

–  –  –

Данное устройство содержит текстильный материал, обрабатываемый и транспортируемый в свободном состоянии в параллельных потоках 1 и 2 в двухсекционной U-образной технологической машине 3 .

Транспортирование текстильного материала в технологической машине 3 производится входным рабочим органом 4 и выходным рабочим органом 5 .

К входному рабочему органу 4 подключены соединённые последовательно блок управления 6 и привод 7, а к входному рабочему органу 5 подсоединены соединённые последовательно блок управления 8 и привод 9 .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Входы блоков управления 6 и 8 объединены и связаны с выходом задающего блока 10 .

Количество (вес) текстильного материала в технологической машине 3 контролируется в потоке 1 датчиком 11, а в потоке 2 - датчиком 12 .

Выходы датчиков 11и 12 соединены с соответствующими входами блока коррекции линейной скорости текстильного материала 13 и блока коррекции натяжения текстильного материала 14 .

Выход блока коррекции линейной скорости текстильного материала 13 подключён ко второму входу блок управления 6 .

Первый выход блока коррекции натяжения текстильного материала 14 подсоединён к входу регулятора натяжения 15 текстильного материала потока 1, а второй выход блока коррекции натяжения текстильного материала 14 подключён к входу регулятора натяжения 16 текстильного материала потока 2 .

Способ осуществляется следующим образом .

В соответствии с сигналом задания Uз задающего блока 10 блоки управления 6 и 8 устанавливают линейные скорости текстильного материала в параллельных потоках на входе V2 и выходе V1 технологической машины 3: V11 и V21 для потока 1, V12 и V22 для потока 2 .

Обычно V11=V21(1+1), (1) V12=V22(1+2), (2) где 1, 2 – относительное изменение длины (усадка) обрабатываемого текстильного материала соответственно в потоке 1 и в потоке 2 .

В общем случае 12. (3) Кроме того, вследствие, например, различия в проскальзывании потоков текстильного материала во входном рабочем органе 4 и в выходном рабочем органе 5 V11V12, (4) V21V22.

(5) Поскольку 1 и 2 величины случайные, из выражений (1) и (2) получаем условия целесообразной настройки соотношения линейных скоростей для параллельных потоков:

V11=V21(1+m1), (6) V12=V22(1+m2), (7) где m1, m2 – математическое ожидание относительного изменения длины (усадки) обрабатываемого текстильного материала соответственно в потоке 1 и в потоке 2 .

Поскольку 1m1 и 2m2, реальное соотношение линейных скоростей для параллельных потоков по формулам (1), (2) отличается от условия настройки соотношения линейных скоростей для параллельных потоков по формулам (6), (7), это с учётом различия в проскальзывании потоков текстильного материала во входном рабочем Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы органе 4 и в выходном рабочем органе 5 ведёт к значительному отклонению количества текстильного материала в одном из параллельных потоков за допустимые границы .

Если в каком-то потоке количество текстильного материла, контролируемого датчиками 11 и 12, выходит за максимальную границу, блок коррекции линейной скорости текстильного материала 13 воздействует на блок управления 6 и снижает линейные скорости V11 и V12 текстильного материала на входе технологической машине 3. Аналогично, при выходе количества текстильного материла за минимальную границу линейные скорости V11 и V12 текстильного материала на входе технологической машине 3 повышаются .

Одновременно блок коррекции натяжения текстильного материала 14 при недопустимом расхождении значений количества текстильного материала в технологической машине 3 по потокам производит с помощью регуляторов натяжения 15 и 16 коррекцию натяжения F текстильного материала, используя его свойства эластичности. При этом увеличивается натяжение текстильного материала на входе в технологическую машину 3 в потоке с большим количеством текстильного материала и уменьшается натяжение текстильного материала на входе в технологическую машину 3 в потоке с меньшим количеством текстильного материала .

Предположим, что в потоке 1 натяжение текстильного материала увеличилось на величину +F, а в потоке 2 уменьшилось на -F, тогда количество материала в потоках будет изменяться:

T

-1 L1=-F(E1) V11dt, (8) T

-1 L2=F(E2) V12dt, (9) где L1, L2 – приращения длины текстильного материала соответственно в потоке 1 и потоке 2, м;

E1, E2 – модули упругости текстильного материала соответственно в потоке 1 и потоке 2, Н;

T – интервал времени действия F,с .

В итоге в потоке 1 количество текстильного материала будет уменьшаться, а в потоке 2 – возрастать, что будет способствовать выравниванию количества текстильного материала технологической машине 3 по параллельным потокам .

Таким образом, реализация предложенного способа позволяет надёжно осуществлять раздельное регулирование количества текстильного материала в технологической машине и выравнивание количества текстильного материала в технологической машине в параллельных потоках .

Состояние и перспективы развития электротехнологии Литература

1. Заявка на изобретение №2013151215 от 18.11.13г. Способ управления количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия. Решение о выдаче патента от 18.03.15г .

Александров Виктор Петрович, ООО НТЦ «АРГО», e-mail: 89109843671@mail.ru Егоров Валерий Николаевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: : egorov@emf.ispu.ru

–  –  –

Разработка устройства для управления количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия Аннотация. Разработан способ управления количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение .

Ключевые слова: текстильный материал, натяжение, управление .

–  –  –

A control of quantity of textile material transported in free state by means of parallel production lines in continuous operation technological machine Abstract. The control mode of quantity of textile material transported in free state by means of parallel production lines in continuous operation technological Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы machine is developed. Favourable decision of delivery of patent for an invention is obtained .

Key words: textile material, tensioning, control .

Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано для автоматизации технологических процессов обработки в свободном состоянии в форме жгута текстильных материалов в технологических машинах непрерывного действия .

Известно устройство для поддержания заданного количества (веса) транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия (Шмелёв А.Н., Шишло К.С. Электрооборудование промышленных предприятий текстильной промышленности. М., «Лёгкая индустрия», 1975, с. 181-182), содержащее блок управления приводом входного рабочего органа, блок управления приводом выходного рабочего органа, датчик общего количества текстильного материала в технологической машине .

Недостаток указанного устройства связан с отсутствием раздельного регулирования количества текстильного материала в технологической машине, что вследствие естественного некоторого различия линейных скоростей параллельных потоков текстильного материала может привести к значительному отклонению количества текстильного материала в одном из потоков за допустимые границы и вызвать аварийный останов технологического процесса .

Наиболее близким к заявляемому устройству, является «Устройство для поддержания заданного количества ткани в зоне обработки при транспортировании её в несколько параллельных потоков» (Авторское свидетельство СССР № 650924, B65H23/02, 1979г.), включающее блок управления приводом входного рабочего органа, блок управления приводом выходного рабочего органа, два датчика количества текстильного материала в параллельных потоках в U-образной технологической машине, блок сравнения, логический блок управления натяжением текстильного материала и два регулятора натяжения текстильного материала на входе в U-образную технологическую машину, установленные на соответствующих параллельных потоках, причём выходы датчиков количества текстильного материала подключены к соответствующим входам блока сравнения, а выход блока сравнения через соответствующие выходы логического блока управления натяжением текстильного материала подсоединён к входам регуляторов натяжения текстильного материала .

Недостатком данного устройства является низкая надёжность, обусловленная коррекцией линейной скорости текстильного материала на входе в U-образную технологическую машину в функции суммарного количества (веса) текстильного материала в технологической машине, поскольку значительное отклонение количества текстильного материаСостояние и перспективы развития электротехнологии ла в одном из потоков за допустимые границы может произойти и при допустимом суммарном количестве текстильного материала в технологической машине .

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении надёжности раздельного регулирования количества текстильного материала в технологической машине и выравнивания количества текстильного материала в технологической машине в параллельных потоках .

Технический результат достигается тем, что в устройство для управления количеством транспортируемого в свободном состоянии параллельными потоками текстильного материала в технологической машине непрерывного действия, включающее блок управления приводом входного рабочего органа, блок управления приводом выходного рабочего органа, два датчика количества текстильного материала в параллельных потоках в U-образной технологической машине, блок сравнения, логический блок управления натяжением текстильного материала и два регулятора натяжения текстильного материала на входе в U-образную технологическую машину, установленные на соответствующих параллельных потоках, причём выходы датчиков количества текстильного материала подключены к соответствующим входам блока сравнения, а выход блока сравнения через соответствующие выходы логического блока управления натяжением текстильного материала подсоединён к входам регуляторов натяжения текстильного материала, введены задающий блок и логический блок управления линейной скоростью текстильного материала, при этом выход задающего блока соединён с объединёнными входами блока управления приводом входного рабочего органа и блока управления приводом выходного рабочего органа, входы логического блока управления линейной скоростью текстильного материала связаны с выходами соответствующих датчиков количества текстильного материала, а выход логического блока управления линейной скоростью текстильного материала подключен ко второму входу блока управления приводом входного рабочего органа, причём логический блок управления линейной скоростью текстильного материала содержит два релейных блока, два логических элемента «ИЛИ», ключ и блок коррекции, к первому входу которого через первый логический элемент «ИЛИ» подсоединены первые выходы релейных блоков, а вторые выходы релейных блоков через соединённые последовательно второй логический элемент «ИЛИ» и ключ связаны со вторым входом блока коррекции, при этом выход первого логического элемента «ИЛИ» соединён со вторым входом ключа, входами логического блока управления линейной скоростью текстильного материала являются входы релейных блоков, а выходом логического блока управления линейной скоростью текстильного материала служит выход блока коррекции .

Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Рис. 1 .

Данное устройство содержит текстильный материал, обрабатываемый и транспортируемый в свободном состоянии в параллельных потоках 1 и 2 в двухсекционной U-образной технологической машине 3 .

Транспортирование текстильного материала в технологической машине 3 производится входным рабочим органом 4 и выходным рабочим органом 5 .

К входному рабочему органу 4 подключены соединённые последовательно блок управления 6 и привод 7, а к входному рабочему органу 5 подсоединены соединённые последовательно блок управления 8 и привод 9 .

Входы блоков управления 6 и 8 объединены и связаны с выходом задающего блока 10 .

Количество (вес) текстильного материала в технологической машине 3 контролируется в потоке 1 первым датчиком 11, а в потоке 2 – вторым датчиком 12 .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Выходы датчиков 11 и 12 соединены с соответствующими входами логического блока управления линейной скоростью текстильного материала 13 и блока сравнения 14 .

Выход логического блока управления линейной скоростью текстильного материала 13 подключён ко второму входу блок управления 6 .

Выход блока сравнения 14 подсоединён к входу логического блока управления натяжением текстильного материала 15, соединённого первым выходом с входом первого регулятора натяжения 16 текстильного материала потока 1, а второй выход логического блока управления натяжением текстильного материала 15 подключён к входу второго регулятора натяжения 17 текстильного материала потока 2 .

Логический блок управления линейной скоростью текстильного материала 13 содержит первый релейный блок 18, подсоединённый входом к выходу первого датчика 11, и второй релейный блок 19, связанный входом с выходом второго датчика 12 .

Первые выходы релейного блока 18 и релейного блока 19 подключены к соответствующим входам первого логического элемента «ИЛИ» 20, а вторые выходы первого релейного блока 18 и второго релейного блока 19 соединены с соответствующими входами второго логического элемента «ИЛИ» 21 .

Выход первого логического элемента «ИЛИ» 20 соединён с первым входом блока коррекции 22, ко второму входу которого через ключ 23 подключён выход второго логического элемента «ИЛИ» 21 .

Второй вход ключа 23 связан с выходом первого логического элемента «ИЛИ» 20 .

Входами логического блока управления линейной скоростью текстильного материала 13 являются входы первого релейного блока 18 и второго релейного блока 19, а выходом логического блока управления линейной скоростью текстильного материала служит выход блока коррекции 22 .

Устройство работает следующим образом .

В соответствии с сигналом задания Uз задающего блока 10 блоки управления 6 и 8 устанавливают линейные скорости текстильного материала в параллельных потоках на входе V2 и выходе V1 технологической машины 3: V11 и V21 для потока 1, V12 и V22 для потока 2 .

Справедливы соотношения V11=V21(1+1), (1) V12=V22(1+2), (2) где 1, 2 – относительное изменение длины (усадка) обрабатываемого текстильного материала соответственно в потоке 1 и в потоке 2 .

В общем случае 12. (3) Кроме того, вследствие, например, различия в проскальзывании потоков текстильного материала во входном рабочем органе 4 и в выходном рабочем органе 5 Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы V11V12, (4) V21V22.

(5) Поскольку 1 и 2 - величины случайные, из выражений (1) и (2) получаем условия целесообразной настройки соотношения линейных скоростей для параллельных потоков:

V11=V21(1+m1), (6) V12=V22(1+m2), (7) где m1, m2 – математическое ожидание относительного изменения длины (усадки) обрабатываемого текстильного материала соответственно в потоке 1 и в потоке 2 .

Поскольку 1m1 и 2m2, реальное соотношение линейных скоростей для параллельных потоков по формулам (1), (2) отличается от условия настройки соотношения линейных скоростей для параллельных потоков по формулам (6), (7), это с учётом также различия в проскальзывании потоков текстильного материала во входном рабочем органе 4 и в выходном рабочем органе 5 ведёт к значительному отклонению количества текстильного материала в одном из параллельных потоков за допустимые границы .

Если в каком-то потоке количество текстильного материала, контролируемого датчиками 11 и 12, выходит за максимальную границу, сигнал с выхода первого датчика 11 (или второго датчика 12) через первый логический элемент «ИЛИ» 20 воздействует на блок коррекции 22, и блок управления 6 снижает линейные скорости V11 и V12 текстильного материала на входе технологической машине 3. Аналогично, при выходе количества текстильного материла за минимальную границу линейные скорости V11 и V12 текстильного материала на входе технологической машине 3 повышаются .

В случае, когда в одном их параллельных потоков количество текстильного материала выходит за максимальную границу, а в другом потоке количество текстильного материала выходит за минимальную границу, сигнал с выхода первого логического элемента «ИЛИ» 20 блокирует ключ 23 и приоритет отдаётся повышению линейных скоростей V11 и V12 текстильного материала на входе технологической машине 3, и лишь после устранения переполнения одной из секций разрешается повышение линейных скоростей V11 и V12 текстильного материала на входе технологической машине 3 для увеличения количества текстильного материала во второй секции технологической машины 3 .

Одновременно логический блок управления натяжением текстильного материала 15 на основании информации о различии в количествах текстильного материала в секциях технологической машины 3, формируемой блоком сравнения 14, при недопустимом расхождении значений количества текстильного материала в технологической машине 3 по потокам производит с помощью регуляторов натяжения 16 и 17 коррекцию натяжения F текстильного материала, используя его свойства эластичности. При этом увеличивается натяжение текстильноСостояние и перспективы развития электротехнологии го материала на входе в технологическую машину 3 в потоке с большим количеством текстильного материала и уменьшается натяжение текстильного материала на входе в технологическую машину 3 в потоке с меньшим количеством текстильного материала .

Предположим, что в потоке 1 натяжение текстильного материала увеличилось на величину +F, а в потоке 2 уменьшилось на -F, тогда количество материала в потоках будет изменяться:

T

-1 L1=-F(E1) V11dt, (8) T

-1 L2=F(E2) V12dt, (9) где L1, L2 – приращения длины текстильного материала соответственно в потоке 1 и потоке 2, м;

E1, E2 – модули упругости текстильного материала соответственно в потоке 1 и потоке 2, Н;

T – интервал времени действия F,с .

В итоге в потоке 1 количество текстильного материала будет уменьшаться, а в потоке 2 – возрастать, что будет способствовать выравниванию количества текстильного материала технологической машине 3 по параллельным потокам .

Таким образом, реализация предложенного устройства позволяет надёжно осуществлять раздельное регулирование количества текстильного материала в технологической машине и выравнивание количества текстильного материала в технологической машине в параллельных потоках .

Александров Виктор Петрович, ООО НТЦ «АРГО», e-mail: 89109843671@mail.ru Егоров Валерий Николаевич, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: : egorov@emf.ispu.ru Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы УДК 62-83:62-503.53 И.В. ВЕРШИНИН, аспирант, В.В.ТЮТИКОВ, д.т.н., профессор

–  –  –

Метод больших коэффициентов при синтезе робастных систем модального управления Аннотация. Предложена методика синтеза одноконтурной системы автоматического управления с полиномиальным регулятором, гарантирующая получение как высокого коэффициента усиления в контуре управления, так и необходимого качества переходных процессов (быстродействие и характер процессов). Высокий коэффициент усиления обеспечивает системе параметрическую грубость и высокую статическую точность. Методика основана на формировании характеристического полинома системы, имеющего две группы корней, одна из которых обеспечивает наличие высокого коэффициента усиления, а другая качество переходных процессов .

Ключевые слова: модальное управление, полиномиальный регулятор, параметрическая грубость, высокий коэффициент усиления .

–  –  –

Abstract. The proposed method of synthesis of single-loop automatic control systems with polynomial controller, which guarantees to obtain a high gain in the control loop and the required quality of transient processes (performance, and the nature of the processes). High gain system provides parametric roughness and high static accuracy. The technique is based on the formation of the characteristic polynomial of a system having two groups of roots, one of which provides high gain and the other quality of transients .

Keywords: modal control, polynomial controller, parametric roughness, a high gain .

Вопросы параметрической грубости САУ, синтезированных с помощью аналитических методов, впервые были затронуты в работе [1] .

Позднее анализу и синтезу таких систем было посвящено значительное количество работ [2-8]. Среди них можно выделить два направления, основу которых составляет расположение корней характеристических

Состояние и перспективы развития электротехнологии

полиномов САУ: методы больших коэффициентов усиления [7] и методы управления с использованием высшей производной [8] .

Использование методов модального управления, также может приводить к получению САУ с высокой чувствительностью к вариациям параметров. Рассмотрим возможность использования метода больших коэффициентов усиления для обеспечения робастных свойств САУ с полиномиальными регуляторами (ПР) [9] .

Пусть САУ описывается уравнениями:

A(s )y (s ) B(s )u(s ), C(s )u(s ) R(s )(s ), (s ) y 0 (s ) y (s ), *

y 0 (s ) R(s )1 y 0 (s ), *

где A(s ), B(s ), C(s ), R(s ) полиномы знаменателя и числителя передаточных функций (ПФ) объекта и ПР соответственно, y (s ) – управляемая координата, u(s ) – сигнал выхода регулятора, y 0 (s ) – сигнал задания. Степени полиномов C(s ), R(s ) определяются при синтезе .

Для упрощения изложения положим B(s ) b0 (это справедливо для большинства электромеханических систем) и C(s ) c0 1, тогда уравнение синтеза ПР примет вид:

A(s ) b0R(s ) D(s ), (1) где D(s ) – характеристический полином ПФ замкнутой системы .

Из (1) очевидно, что при увеличении значений коэффициентов D(s ) влияние коэффициентов A(s ), а, следовательно, и вариаций его параметров на значения коэффициентов регулятора R(s ) снижается .

Отметим, что при степенях полиномов B(s ), C(s ) отличных от нуля указанный эффект сохраняется .

Однако необходимо учитывать, что использование в качестве

D(s ) стандартных полиномов (Ньютона, Баттерворта и т.п.) при увеличении значений d i приводит к росту быстродействия:

D(s ) s n dn 1s n 1... d1s d0 s n dn 10s n 1... d1 0 1s 0 .

* *n n Здесь 0 и d i - среднегеометрический корень, определяющий * быстродействие, и коэффициенты, устанавливающие характер переходных процессов, соответственно .

Известно, что быстродействие САУ зависит от расположения корней их ХП на комплексной плоскости: чем дальше они расположены от мнимой оси (чем выше значение 0 ), тем выше быстродействие .

Характерной особенностью стандартных полиномов является компактное расположение корней относительно друг друга. Поэтому их испольМикроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Состояние и перспективы развития электротехнологии а) б) в) Рис. 2 Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00972) .

Литература

1. Надеждин П.В. О практической неустойчивости (негрубости) систем, полученных по методу статьи [1] // Изв. РАН. Автоматика и телемеханика. – 1973. – №5. – С. 196–198 .

2. Волгин Л. Н. О грубых системах управления // Изв. РАН. Автоматика и телемеханика. – 1989. – № 4. – С. 186-187. 32

3. Гончаров В. И., Лиепиньш А. В., Рудницкий В. А. Синтез робастных регуляторов низкого порядка // Изв. РАН. Теория и системы управления. – 2001. – № 4 .

– С. 36–43 .

4. Джури Э. И. Робастность дискретных систем // Изв. РАН. Автоматика и телемеханика. – 1999. – № 3. – С. 3–28 .

5. Колесников А. А. Основы теории синергетического управления. – М.: Испосервис, 2000. – 264 с .

6. Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. – М.:

Наука, 2002. – 303 с .

7. Мееров М. В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности – М. : Наука, 1967. – 424 с .

8. Востриков А. С. Синтез нелинейных систем методом локализации. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1990. – 120 с .

9. Гайдук А. Р. Теория и методы аналитического синтеза систем автоматического управления (полиномиальный подход). – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 360 с .

Вершинин Иван Владимирович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: vershinin.ivan@list.ru Тютиков Владимир Валентинович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», e-mail: tvv@ispu.ru Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Предлагаемое техническое решение относится к автоматике и может быть использовано в системах автоматического управления при построении оптимальных и самонастраивающихся систем автоматического управления при необходимости введения в законы регулирования производных от управляющих и возмущающих воздействий, например от временных трендов .

По сравнению с известными вариантами реализация устройства позволяет значительно упростить конструкцию, учитывая его использование при обработке входных медленно изменяющихся сигналах .

На рис.1 представлена структурная схема устройства для дифференцирования медленно изменяющихся функций .

Устройство содержит источник входного сигнала 1 и генератор тактовых импульсов 2. Источник входного сигнала формирует информацию о текущем значении измеряемого параметра и подает ее на вход элемента задержки 3. Аналого-цифровой преобразователь 4 подключен к выходу операционного усилителя 5, инвертирующий вход которого соединен с источником входного сигнала 1. В тоже время выход источника входного сигнала 1 подключен к информационному входу первого ключа 6, выход элемента задержки 3 соединен с информационным входом второго ключа 7 и с неинвертирующим входом операционного усилителя 5. Выходы первого 6 и второго 7 ключей подключены к первому и второму входам компаратора 8 соответственно. Выходы компаратора 8 соединены с соответствующими адресными входами дешифратора 9, при этом на управляющие входы первого 6 и второго 7 ключей, а также на управляющий вход дешифратора 9 поступают сигналы от генератора тактовых импульсов 2. Выход аналогоцифрового преобразователя 4 является выходом определения модуля производной, с выхода дешифратора 9 снимается сигнал о знаке производной. При этом блоки 1, 3, 4 и 5 образуют узел определения модуля производной, а блоки 2, 6, 7, 8 и 9 входят в состав узла определения знака производной .

где К коэффициент усиления операционного усилителя 5, равный по модулю значению 2f частоты генератора тактовых импульсов 2, поскольку при скважности импульсов генератора равной двум (форма импульсов генератора меандр) имеем Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие устройства и системы

–  –  –

Напряжение Uвых, пропорциональное первой производной входного сигнала dUвх/dt, преобразуется АЦП 4 в код и может быть использовано для дальнейшей обработки в цифровом виде .

Знак производной определяется следующим образом .

Сигналы U1 = Х(t-dt) и U2 = Х(t) поступают на информационные D-входы первого 6 и второго 7 ключей, выходы которых соответственно связаны с первым А и вторым В входами компаратора 8. Если U1 U2 (AB), то на выходе (АB) m-выходе формируется признак 1, соответствующий положительному знаку производной. На р-выходе компаратора в этом случае имеем сигнал логического нуля. В противном случае (U1U2 АB, знак производной отрицателен) на m-выходе компаратора имеем нулевой, а на р-выходе единичный сигналы, тем самым формируется признак "0". Дешифратор 9 производит логическое преобразование и формирует на своем выходе признак знака (0 положительный, 1 отрицательный) измеряемой величины .

Рис. 2. Результаты моделирования устройства Состояние и перспективы развития электротехнологии На рис. 2 приведены результаты компьютерного моделирования работы устройства, Моделирование было проведено в программном комплексе Multisim. Анализ результатов моделирования подтверждает работоспособность предлагаемого технического решения .

Выполняя функции дифференцирования медленно изменяющегося входного сигнала, предлагаемое устройство проще известных .

–  –  –

Аннотация. Произведен анализ разного рода стеклообразующих химических соединений для определения перспективных компонентов, участвующих в составе СОТС, позволяющих существенно увеличить диапазон их температурно-скоростного применения .

Ключевые слова: пластичные СОТС, стеклосмазки, стеклообразователи, энергетическое машиностроение, обработка, резание нержавеющих сталей .

–  –  –

Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: markov-izumrud@mail.ru Vitreous and glass-forming lubricating components Abstract. The analysis of different kinds of glass-forming chemical compounds to identify promising components involved in the composition of COTS to significantly increase the range of temperature and high-speed applications .

Key words: cutting of COTS, glass lubricants, glass formers, power machinery, processing, cutting stainless steels .

Оксиды металлов имеют ограниченное применение в качестве компонентов смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) .

Это связано с тем, что они обычно имеют более высокие, чем у породившего их металла, твердость и температуру плавления. Такие свойства приводят, как правило, к абразивно-механическому износу режущих инструментов. Имея высокую температуру плавления и достаточно большие размеры, оксиды находятся в СОТС в виде дисперсных твердых частиц, с трудом проникают в зону резания .

Применение оксидов металлов в качестве смазок может быть в какой-то мере эффективным при одновременном действии масел с присадками высокого давления или консистентных композиций поверхностно-активных веществ. Наиболее широко используются в качестве компонентов CОТС и пластичных смазок оксиды свинца, молибдена, кобальта. Эффективность присадок зависит от диапазона температур, Состояние и перспективы развития электротехнологии при которых каждый оксид проявляет смазочные свойства. Так, например, окись свинца РbО при температурах ниже 400–500 °С не является удовлетворительной смазкой вследствие образования соединения Pb3O4, обладающего низкими антифрикционными свойствами. При температурах свыше 550°С Pb3O4 переходит в PbO, обладающий лучшими смазочными свойствами .

В составе пластичных СОТС могут применяться разнообразные мелкодисперсные твердые присадки и наполнители, которые трудно применить в жидкотекучих СОТС ввиду проблемы обеспечения стабильности суспензий. В числе такого рода присадок на некоторых операциях обработки металлов давлением применяют порошковые оксиды, которые можно классифицировать как стекла или керамики .

Мелкодисперсные стекла и шихты стекол, которые могут применяться в составе СОТС при обработке металлов, чаще всего являются силикатными соединениями, которые получаются в результате сплавления природных силикатов с другими компонентами. Силикатные стекла представляют собой смесь оксидов. По своей природе обычное силикатное стекло – это неопределенное химическое соединение, включающее, кроме кремнезема SiO2, окислы металлов типа: Me2O, MeO, Me2O3, MeO2 Me2O5, MeO6 [2] .

Все силикатные стекла содержат группу SimOn, а также различные катионы, анионы кислорода, а иногда фтора. Наиболее часто в стеклосмазки входят катионы Na, K, Mg, Ca, Ba, B, Al, Si, реже – Li, Zn, Pb, Ti, Zr, P. Стеклообразователями в силикатных стеклах являются кремнезем SiO2 и борный ангидрид B2O3, содержание которого в смазке достигает 40 %. В смазку его вводят в составе борной кислоты или буры. Стеклосмазки нашли широкое применение в горячей обработке металлов: прессовании, прокатке, ковке, штамповке и пробивке. Эти материалы при контакте с горячим деформированным металлом образуют тонкие пленки, обладающие высокими антифрикционными и теплоизолирующими свойствами .

Применение стеклосмазок позволяет снизить коэффициенты трения при прессовании до 0,02–0,5 % уменьшить усилие прессования, повысить однородность свойств в деформируемом изделии, увеличить стойкость инструмента и улучшить качество готовых поверхностей .

Силикаты являются аморфными веществами. Теория аморфной «вязаной» структуры позволяет выбрать необходимые составы смазок в зависимости от технологических параметров процесса. Наличие непрерывной вязи в стекле способствует образованию сплошных смазочных пленок на металле, что дает возможность защитить инструмент от теплового и абразивного износа .

В табл. 1. приведены некоторые составы и температуры плавления наиболее легкоплавких смазок .

–  –  –

Температуры плавления приведенных окисных систем находятся в пределах температур, возникающих в зоне резания при обработке большинства сталей, их сплавов и других металлов. Это дает возможность предположить, что смазки, включающие подобные системы, при переходе в жидкое состояние могут проникать на контактные поверхности инструмента и уменьшать фрикционное взаимодействие обрабатываемой детали и режущего инструмента, оказывать положительное влияние на улучшение качества обработанной поверхности, на уменьшение усилия резания, на увеличение стойкости режущего инструмента .

Учитывая перспективность применения стекловидных СОТС на жестких режимах обработки (высокие контактные температуры и удельные давления) нами были разработаны составы пластичных, легкоплавких, висмутсодержащих стекол, показавших хорошие результаты при высокоскоростной лезвийной обработке нержавеющих сталей .

Температура плавления таких стекол составляла 340-350 С .

Применение таких смазочных материалов по сравнению с традиционными смазками на основе силикатных стекол позволило на 20-30 % снизить величины крутящих моментов при сверлении широко применяемой в энергетическом машиностроении нержавеющей стали 12Х18Н10Т и на 30-40 % уменьшить износ режущего инструмента, улучшить качество обработанных поверхностей .

Более эффективным оказалось применение шихт стекол, а не собственно стекол аналогичного состава. Это связано с термодинамикой процесса образования защитных смазочных слоев на контактных поверхностях режущих инструментов и прирезцовой поверхности стружки при резании металлов .

Литература

1. Марков, В.В. Киселева Е.В. Смазочно-охлаждающие технологические средства обработки металлов резанием / В.В. Марков, Е.В. Киселева, ФГБОУВПО «Ивановский гос. энергетический университет им. В.И. Ленина, Иваново, 2011 .

Монографии ИГЭУ. - 116 с .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

2. Марков, В.В., Годлевский В.А. Стеклосмазочные материалы для обработки металлов резанием // Известия вузов РФ. Химия и химическая технология. 2004 .

Т.47. №8. С. 60-63 .

3. Аппен, А.А. Химия стекол. – Л.; Химия, 1974. – 352 с .

4. Марков, В.В. Повышение эффективности и экологической безопасности лезвийного резания путем энергетической активации и оптимизации состава присадок СОТС. Дисс. докт. техн. наук. Иваново. 2004. 458 с .

Марков Владимир Викторович ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Е-mail: markov-izumrud@mail.ru

–  –  –

Исследование точностных параметров деталей, полученных методом прототипирования Аннотация. Предложен процесс послойного построения физического изделия на основе трехмерной компьютерной модели (прототипирование). Для изучения закономерностей формирования цилиндрических поверхностей при применении методов прототипирования была разработана модель детали типа цилиндр .

Ключевые слова: компьютерная модель, технологический процесс, обработка .

D.V. GUSEV, a graduate student Moscow state University of railway engineering 127994, Moscow, Obraztsova str. 9. E-mail: dess.2010@mail.ru Study of the accuracy of the parameters of the parts obtained by the method of prototyping Abstract. Proposed a process for layering structure physical products on the basis of three-dimensional computer model (prototyping). To study the laws of formation of the cylindrical surface-not arise in the application of methods of prototyping model was developed details such as cylinder .

Key words: computer model, technological process processing .

На сегодняшний день в современном машиностроении масса трудно изготовляемых деталей, обладающих сложной формой и конфигурацией. Множество этих изделий имеют различные полости и отверТехнология машиностроения стия, которые используются для переноса различных жидкостей и газов, как пример лопатки газотурбин, пневмоклапана и др. Изготовление деталей основанное на механической обработке заготовок деталей является весьма трудоемкой и энергозатратной задачей, поэтому становится менее практичными и перспективными [1]. Производство таких деталей, с применением механической обработки иногда даже невозможно. Для штучного и мелкосерийного производства наиболее оптимальным решением является внедрение генеративных технологий, с применением методов быстрого прототипирования .

Прототипирование - это процесс послойного построения физического изделия на основе трехмерной компьютерной модели. Детали, выполненные по технологиям прототипирования, могут изготавливаться из различных материалов (в зависимости от применяемой технологии): из пластиков, жидких смол, специальных порошковых материалов, различных листовых материалов (бумаги, металла и др.). Процессы построения в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как это было при использовании традиционных методов механообработки .

Особенно быстрое прототипирование востребовано в энергетическом машиностроении, в инструментальной промышленности, в аэрокосмической отрасли (изготовление размероподобных макетов для наземной аэрогазодинамической отработки изделий); и в ряде других областях. Технологии быстрого прототипирования стали очень желанными и многими промышленными предприятиями взяты на вооружение .

Они обеспечили им значительную экономию времени и денежных средств, затрачиваемых на подготовку производства изделия. Они позволили существенно сократить сроки и стоимость конструкторских, работ по изготовлению технологической оснастки, а также повысить качество выпускаемой продукции [2] .

Существует различные методы быстрого прототипирования, к основным относятся: стереолитография, селективное лазерное спекание, построение модели путем нанесения расплавленного материала с помощью многоструйных головок и др. наиболее перспективным методом является метод Direct Light Projection - DLP (светоотверждения фотополимера) Суть его заключается в формировании так называемой «маски» каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую платформу через специальную систему зеркал очень малого размера с помощью прожектора или лазерного луча с высокой яркостью света .

Формирование и засветка видимым светом каждого слоя происходит относительно быстро – 3-5 секунд [3]. После окончания процесса построения, изделие можно практически сразу использовать. Ему зачастую не требуется последующая обработка .

Для изучения закономерностей формирования цилиндрических поверхностей при применении методов прототипирования была разраСостояние и перспективы развития электротехнологии ботана деталь типа цилиндр эскиз, которого приведен на рис. 1. и изготовлена на установке 3D прототипирования Ultra 2 из материала HTM-140 фирмы Envisiontec (Германия) .

–  –  –

По эскизу (рис. 1.) в среде CAD были созданы две трехмерные компьютерные детали типа цилиндр. Следующим шагом к достижению поставленной цели оказался перевод спроектированной и созданной трехмерной детали в STL формат .

Процесс прототипирования (выращивания) цилиндров происходил, на максимальной скорости построения (Vпостроения=12,7мм/час) и при максимальной толщине слоя (Sслоя=100мкм) .

После изготовления, без всякой дальнейшей механообработки, один из цилиндров первой серий был установлен на оправку и закреплен в трех кулачковый патрон токарного станка с целью измерения биения и отклонения от круглости. На рис. 2 показана схема измерения детали, которое проходило с помощью индикатора часового типа через каждые 6 на расстоянии 10 мм по поверхности детали, цена деления 0,002 мм .

Далее за цилиндром из первой серии на биение и отклонение от круглости был так же проверен и цилиндр второй серии. На основании полученных данных, можно сделать вывод, что на обоих цилиндрах прослеживается ярко выраженная седлообразность .

Причиной такого дефекта обеих деталей кроется в высокой скорости печати, а также толщине слоя. В свою очередь, нельзя исключать и того, что причиной такой погрешности может быть электронные ошибки во время перевода из CAD-среды, в которой создавался трехмерный объект в STL-формат. Еще одной причиной является позиционирование деталей на подложке во время печати, а именно слой фотополимеТехнология машиностроения ра, который наносился во время печати и при этом не успевал затвердевать полностью .

–  –  –

Литература

1. Евсеев, Д.Г., Тарасевич О.М. Оптимизация процессов механической обработки. /Д.Г. Евсеев, О.М. Тарасевич. - М.: МИИТ, 2007.-107 с. – (Учебное пособие для аспирантов и студентов машиностроительных специальностей) .

2. Грабченко, А. И. Интегрированные генеративные технологии. / А.И. Грабченко, Ю.Н. Внуков, В.Л. Доброскок В.Л.: ред. Грабченко А.И. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. – 416 с. – (Учебное пособие)

3. Материалы с сайта компании Z-Corporation: http://www.zcorp.com// Гусев Денис Викторович ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», e-mail: dess.2010@mail.ru Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: poletaev@tam.ispu.ru The calculation of the moments of friction in a magnetic liquid devices with hydrodynamic(liquid) lubricant Abstract. Given the formula for calculating the actual contact area in the working gap of the magnetic liquid seals .

Key words: actual area of contact, the gap, the friction torque В условиях жидкостной (гидродинамической) смазки между поверхностями трения взаимодействующих деталей возникает зазор, превышающий сумму максимальных высот микронеровностей и волн этих поверхностей. Подшипники скольжения со смазочной магнитной жидкостью и магнитожидкостные уплотнения, как правило, просты по устройству (рис. 1) .

–  –  –

Литература

1. Полетаев, В.А., Перминов С.М., Пахолкова Т.А.Исследование магнитного поля в рабочем зазоре с шероховатой магнитопроводящей поверхностью трения // Вестник ИГЭУ. Вып. 2. – Иваново, 2012. С. 36-39

2. Полетаев, В.А., Пахолкова Т.А., Власов А.М. Установка для исследования величины рабочего зазора на момент трения магнитожидкостных устройств // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2013- № 9. С.29-31 .

3. Полетаев, В.А., Пахолкова Т.А, Власов А.М. Расчет фактической площади контакта в подшипниках скольжения при гидродинамической (жидкостной) смазке. / В.А. Полетаев, Т.А. Пахолкова, А.М. Власов //Трение и смазка в машинах и механизмах: – М.: «Машиностроение». – 2014. – № 11. – С 26 – 31 .

Власов Алексей Михайлович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Полетаев Владимир Алексеевич ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Е-mail: poletaev@tam.ispu.ru Технология машиностроения

–  –  –

Изучение микротвердости упрочненной поверхности Аннотация. Изучено влияние режимов лазерной обработки на структуру и свойства оксидного покрытия на алюминиевых сплавах. Исследования показали существенную зависимость структуры и микротвердости слоя от интенсивности импульса излучения .

Ключевые слова: лазерное упрочнение, прядильные камеры, микротвердость, оксидный слой, анодированная поверхность, интенсивность излучения .

I.I.VEDERNIKOVA, Candidate of Engineering, docent Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St. 34. E-mail: iv30-10-76@mail.ru A studying of surface hardening’s microhardness Abstract. An influence of laser processing modes on structure and properties of oxide coating on aluminum alloys was studied. Researches are showed significant dependence structure and layer’s microhardness from emitting’s pulse intensity .

Key words: laser hardening, spinning cells, microhardness, oxide coating, anodized surface, emitting intensity .

Анализ научной литературы показывает, что перспективным методом улучшения механических свойств анодированной поверхности алюминиевых сплавов может явиться лазерное термическое упрочнение [1, 2, 3]. В то же время этот процесс остается практически неизученным .

Целью нашей работы являлось изучение влияния режимов лазерной термической обработки на структуру и свойства оксидного покрытия на алюминиевых сплавах .

Образцы для исследований влияния лазерной обработки на свойства оксидных покрытий изготовлялись из серийной пневматической камеры, применяемой в прядильных машинах .

Камера является одним из основных элементов прядильного устройства пневматической прядильной машины. В камере происходит разделение и упорядочение волокон с последующим соединением в нить требуемой толщины. Она представляет собой тонкостенную деталь небольших размеров с большим количеством соостных цилиндрических, канонических поверхностей с шестью канавками, расположенными на наружной цилиндрической поверхности, а также радиальными отверстиями на конусной поверхности .

Состояние и перспективы развития электротехнологии Вследствие высоких динамических нагрузок, а также непрерывного контакта поверхностей камеры с волокнистым материалом к ней предъявляются высокие технологические требования на изготовление .

Шероховатость рабочих поверхностей Rа = 0,63 мкм. Не допускается наличие на поверхности различных дефектов – вмятин, заусенцев, следов инструментов .

Для изучения строения и измерения микротвердости нами изготовлялись косые шлифы исследуемой поверхности. Такая методика позволяет увеличить размер исследуемой зоны. Обработанный лазером образец опускали на уровне зон обработки под углом в специально приготовленную емкость, (она представляла собой кусок полой пластмассовой трубки), которая наполнялась эпоксидным клеем.

Угол наклона образца необходим для измерения толщины и микротвердости оксидного слоя (чем больше угол наклона образца, тем больше исследуемая поверхность оксидного слоя) и определялся по формуле:

H sin (1) h где H – толщина образца, а h – видимая толщина образца .

Клей застывал через 24 часа и обеспечивал неподвижность образца. Выступающую часть секции стачивалась на шлифовальном круге. Приготовленные таким образом образцы подвергают шлифованию для удаления слоя с искаженной микроструктурой. Шлифование выполняли в четыре – шесть заходов, причем при каждом заходе уменьшали зернистость шлифовального материала (шлифовальной шкурки). При переходе на другую, более мелкозернистую шкурку образец поворачивали на 90 и плоскость шлифовали до исчезновения рисок от предыдущего захода .

На завершающей стадии проводили полирование абразивными пастами. Полирование поверхности образца (шлифа) проводили на вращающемся диске обтянутом войлоком, с использованием абразивной пасты ГОИ. После полирования образец промывали в воде и спирте. Для получения объектов для структурного анализа использовался метод двухступенчатой репликации позволяющий получить тонкие двух ступенчатые реплики, которые можно изучать в просвечивающем электронной микроскопе. Основным условием применения этой методики служит тщательное шлифование и механическое полирование до удаления всех царапин. Далее химическое травление 1…5 % растворы азотной и плавиковой кислот и промывание в чистом спирте. Для отделения реплики на исходный образец сначала наносят 5 % раствор желатина, а после подсыхания наносят еще 2 % раствор желатина .

Пленки промывали в дистиллированной воде, затем в спирте и далее вылавливали на предметные сетки. Этот метод применим для исследования эксплуатационных разрушений, когда прежде всего важна не поврежденность реплики. Однако при использовании этого Технология машиностроения метода артефакты наблюдаются чаще, чем при одноступенчатой репликации, с получением угольных реплик .

Структура основного материала не имеет определенного текстурного характера. Включения всех структурных компонентов распределены равномерно. Основная матрица сплава – светло-серое поле с включениями отдельных пятен темного поля. Светло-серое поле представляет собой -фазу твердого раствора меди и магния в алюминии – основной фазы закаленного состояния. Повышенная травимость серых участков фазы обусловлена началом выделения сегрегаций меди и магния, получивших название зон Гинье-Престона. Светлые участки является слабо легированной –фазой, вследствие чего она травится хуже, чем серая. Темная фаза – эвтектика, представляющая собой фазовую смесь –фазы твердого раствора и интерметаллидных фаз – S (Al2CuMg) и (CuAl2) .

При воздействии лазерного излучения интенсивностью ниже 30 кВт/см видимых изменений на поверхности не наблюдается. Внешние изменения начинаются при q свыше 30 кВт/см, поверхность становится матовой и плохо рассеивает свет. На некоторых участках поверхности темный цвет покрытия изменяется на белый, плотность и толщина покрытия уменьшаются. Это свидетельствует о начале термодеструкции покрытия. При q свыше 100 кВт/ см на поверхности образуется зона оплавления. Она имеет форму элипсовидного кратера размерами 3…5 мм с углублением по середине и натеками расплавленного металла по краям. Явно видны закалочные трещины .

Структура в зоне оплавления является типичной для сплавов, закаленных из расплавленного состояния при лазерной обработке. Она представляет собой мелкие ячейки светлого поля, очерченные темным полем размером несколько микрометров. Степень травимости различных макроучастков расплава различна, что свидетельствует о химической неоднородности легированного слоя. Форма макроучастков указывает на конвективный характер перемешивания расплава. Фазовый состав ЗЛЛ – ячейки светлого поля – -фаза, на границах ячеек – квазиэвтектика .

Исследования показали существенную зависимость структуры и микротвердости слоя от интенсивности импульса излучения. Это наглядно видно на образцах, обработанных с высокой интенсивностью излучения – свыше 100 кВт/см, у которых образовался заметный кратер. По мере продвижения к кратеру микротвердость покрытия изменяется .

Средняя микротвердость оксидного слоя без лазерной обработки

– 350– 400 НV. Однако на расстояниях 100– 200 мкм до начала кратера микротвердость покрытия существенно возрастала до 600–700 HV .

После оплавления покрытия микротвердость поверхности резко падала до значений 140–150 HV, что примерно соответствует уровню микротвердости основного материала – 123 HV .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Наличие зоны с повышенными механическими свойствами покрытия показало, что при обработке поверхности лазерным излучением требуемой интенсивности можно достичь упрочнения оксидного покрытия. Оптимальным режимом упрочняющей лазерной обработки является 10…15 кВт/см. При этом максимальное увеличение микротвердости достигает 700 HV .

Литература

1. Бровер, Г.И., Пустовойт В.Н., Бровер А.В., Магомедов М.Г., Холодова С.Н .

Повышение качества химических покрытий лазерным облучением // Машиностроитель. 2001 г. №5.С. 38-43 .

2. Новиков, В.В., Латышев В.Н. Модификация и упрочнение трущихся поверхностей лазерной обработкой. Иваново ИвГУ, 2000. 119 с .

3. Ведерникова, И.И. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук, Иваново, 2004 .

Ведерникова Ирина Игоревна ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», E-mail: iv30-10-76@mail.ru

–  –  –

Исследование механических свойств деталей электронасосов, упрочненных электродуговым напылением Аннотация. Проведены исследования по упрочнению деталей электронасосов электродуговым напылением .

Ключевые слова: шероховатость поверхности, электродуговое напыление, микротвердость .

V.A. POLETAEV, Doctor of engineering, professor, P.V. PUCHKOV Candidate of Engineering, senior Teacher Ivanovo State Power Engineering University. 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34 Ivanovo fire and rescue Academy of EMERCOM of Russia 153040, Ivanovo, pr. Builders, 33, E-mail: poletaev@tam.ispu.ru Investigation of mechanical properties of parts of electropumps, reinforced by the electric arc spraying

–  –  –

Keywords: surface roughness, electric arc spraying, micro hardness .

Агрегаты электронасосные центробежные скважинные предназначены для подачи воды .

На рис. 1 показана часть электронасосного агрегата с электродвигателем. Электронасосный агрегат состоит из центробежного насоса и электродвигателя. Валы центробежного насоса и электродвигателя, изготовленные из стали 45, вращаются в резинометаллических подшипниках. В местах контакта с подшипниками на валы насажены втулки из стали 40Х13 или 12Х18Н10Т. Зазор между поверхностью втулки и внутренней поверхностью подшипника не более 0,15 мм. В результате действия внешней среды (песка, влаги, резкой смены температуры, агрессивных газов и аэрозолей, контактов с морской водой и щелочными растворами и др.) во время работы агрегата происходит сильный износ поверхностей трения втулок. Изнашивание поверхности роторной втулки носит абразивный характер за счет абразивных включений, находящихся в потоке жидкости. При увеличении зазора в результате износа подшипника скольжения через зазор может проходить часть потока жидкости, прокачиваемой насосом. Кроме того, может произойти перекос и заклинивание вала двигателя. Кроме того, имеются факторы внешней среды: влага, резкая смена температуры, агрессивные газы и аэрозоли, контакты с морской водой и щелочными растворами .

Рис. 1. Электродвигатель погружной: 1 – статор; 2 – пескосбрасыватель;

3 – основание; 4 – щит подшипниковый; 5 – пята; 6 – подпятник; 7 – днище;

8 – уплотнитель; 9 – гайка; 10 – штифт; 11 – болт; 12 – кольцо уплотнительное;

13 – кольцо пружинное; 14 – шпонка; 15 – ротор;

16 – подшипник резинометаллический В данной работе предлагается в конструкции электродвигателя (рис. 1) вместо втулки на поверхность ротора 15 под подшипником 16 нанести покрытие из металла методом электродугового напыления .

Электродуговое покрытие производилось с применением электродугового металлизатора ЭДМ-5М, токарного станка и сварочного выСостояние и перспективы развития электротехнологии прямителя типа ВДУ-600. В качестве наплавочного материала использовалась порошковая проволока диаметром 2 мм марки 40Х13. С целью обеспечения прочности сцепления напылительного материала с поверхностью ротора на последней нарезалась «рваная» резьба глубиной 3 мм и шагом 1,5 мм с последующей струйно-коррундовой обработкой до получения сплошного матового состояния поверхности. После этого осуществлялось нанесение покрытия на металлизаторе ДМ-5М. Металлизация выполнялась способом колебания металлизатора по всей ширине шейки ротора. Частота колебаний – 20 колеб/мин, дистанция металлизации – 110–120 мм, ток – 230 А, частота вращения вала – 200 об/мин, скорость линейного перемещения металлизатора (подача) – 1 мм/об (0,2 м/мин). Покрытие толщиной ном + 1,0 мм (припуск на обработку) наносилось за 2 прохода. Металлизированные шейки ротора обрабатывались точением с последующим шлифованием или алмазным выглаживанием до номинального размера .

Для измерений микротвердости использовался прибор микротвердомер ПМТ-3 (ГОСТ 1156). На рис. 2 показаны гистограммы изменения микротвердости HV в зависимости от метода механической и упрочняющей обработки деталей из стали 45. Анализ рис. 2. выявил изменение величины микротвердости HV сталей в зависимости от метода механической обработки. После нанесения металлизационного покрытия и последующих точения и алмазного выглаживания происходит значительное повышение микротвердости HV поверхности .

Микротвердость, НV, ед Рис. 2.

Гистограммы изменения микротвердости HV в зависимости от метода механической обработки детали из стали 45:

1 – точение; 2 – точение + алмазное выглаживание (АВ); 3 – точение металлизационное покрытия; 4 – точение металлизационного покрытия + (АВ) Измерение шероховатости производилось на приборе профилометре-профилографе модели АБРИС-ПМ7. На рис. 3 показаны гистограммы изменения шероховатости Ra в зависимости от методов механической обработки и упрочнения для деталей из стали 45. Проведенные эксперименты по измерению величины шероховатости Rа поверхноТехнология машиностроения стей деталей из стали 45 позволили сделать следующие выводы:

исходная величина шероховатости Rа после точения составляет у деталей из стали 45–0,799 мкм, с металлизационным покрытием – 0,536 мкм. После алмазного выглаживания величина шероховатости Rа у деталей с металлизационным покрытием составляет 0,305 мкм .

–  –  –

0,6 0,536 0,5 0,4 0,305 0,3 0,2 0,1

–  –  –

Проведенные исследования по упрочнению деталей электронасосов электродуговым напылением показали возможность замены дорогостоящих сталей 40Х13 и 12Х18Н10Т на более дешевую сталь 45 с металлизационным покрытием и последующим алмазным выглаживанием .

Литература

1. Полетаев, В.А. Королькова, Г.С., Ведерникова И.И. Упрочнение деталей электронасосов дуговым напылением /В.А. Полетаев, Г.С. Королькова, И.И .

Ведерникова // Металлообработка. – 2010. - № 5(59). – С. 18-21 .

2. Полетаев В.А., Королькова Г.С., Ведерникова И.И. Исследование на износостойкость деталей, упрочненных электродуговой металлизацией. / В.А. Полетаев, Г.С. Королькова, И.И. Ведерникова Трение и смазка в машинах и механизмах, 2010, № 6, С.40-45 .

Полетаев Владимир Алексеевич ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Е-mail: poletaev@tam.ispu.ru Пучков Павел Владимирович ФГБОУВО «Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России»

Е-mail: poletaev@tam.ispu.ru Аннотация. Дополнительная обработка анодированных покрытий лазерным излучением позволяет воздействовать на структуру покрытия, устранять ее дефекты, увеличивать прочность сцепления покрытия и матрицы. В связи с этим актуальным является изучение фазового состава полученного покрытия .

Ключевые слова: лазерное упрочнение, микродифрактограммы, фазовый состав, электронная микроскопия .

–  –  –

An influence of laser treatment on phase composition of coating Abstract. An additional processing of aniodized cover with laser emitting is allow to effect on structure of coating, eliminate it’s defects, increase durability of cover’s cohesion and matrix. Studying of phase composition of received covering is relevant in this connection .

Key words: laser hardening, micro diffraction pattern, phase composition, electron microscopy Согласно литературным данным дополнительная обработка покрытий лазерным излучением позволяет воздействовать на структуру покрытия, устранять ее дефекты, увеличивать прочность сцепления покрытия и матрицы [1, 2]. Для исследования фазового состава применяли методы электронной микроскопии .

Электроннографическое исследование состоит в изучении дифракционной картины, получаемой с поверхности данной фазы в результате взаимодействия атомов, входящих в состав этой фазы, с пучком электронов. Метод микродифракции является одним из наиболее эффективных методов определения фазового состава [4] .

Выделение избыточных фаз можно зафиксировать в оксидных слепках, полученных окислением поверхности или в результате соответствующего травления или нагрева. Так как разные фазы обладают различной способностью к окислению, то они образуют оксидные пленки неодинаковой толщины и состава. При соответствующем химическом воздействии можно растворить матрицу таким образом, чтобы при Технология машиностроения отделении оксидной пленки вместе с ней были отделены и расположенные в пленке частицы избыточной фазы .

Для фазового анализа в режиме микродифракции приготовлялась реплика, содержащая частицы порошка, полученного при диспергировании поверхности микротомированием алмазным натфилем .

После соскабливания порошок оксидного покрытия переносился на очищенную путем кипячения в дистиллированной воде стеклянную подложку – предметное стекло. Затем на поверхность подложки наносилась капля этилового спирта для дополнительной диспергации порошка, после чего спирт испарялся. В дальнейшем порошковая реплика готовилась по стандартной методике [3]. Съемка велась в режиме микродифракции .

Дифракция электронов на объекте для малых углов рассеивания описывается уравнением:

r d, (1) R где – длина волны, R – расстояние от рефлекса до следа первичного пучка, r – расстояние образец плёнка .

Так как обычно и r трудно вычислить точно, то величину C=/r и называемую постоянной прибора вычисляют по известным периодам эталона TaCl .

Формула (1) преобразуется:

dHKL = C / R. (2) Параметры съёмки в эксперименте — разность потенциалов U = 50 кB, расстояние образец–плёнка r = 803 мм. Постоянная электроногафа в опытах С = 25,3 мм .

Расчет микродифрактограмм поликристаллических образцов заключается в определении межплоскостных расстояний. Анализ рассчитанных межплоскостных расстояний в случае кубической сингонии позволяет произвести индицирование отражений и определение периода решетки. В случае кубической сингонии имеем 1/d HKL = (H + K + L ) / a (3)

Следовательно, отношение квадратов межплоскостных расстояний должно соответствовать отношению целых чисел:

1/d H1K1L1 : 1/d H2K2L2 : 1/d H3K3L3 …= (H +K +L )1 : (H +K +L )2 : (H +K +L )3 … (4) Зная индексы плоскостей период решетки определяют по формуле 2 2 2 1/2 a = dHKL (H + K +L ) (5) Результаты расчета периода решетки, полученной для разных колец, усредняют. Кроме того, в результате анализа интенсивностей дифракционной картины проверяют и уточняют результаты определения структуры. Оценка интенсивностей велась визуально по пятибалльной системе .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Точечная электронограмма образуется при съемке монокристальных объектов. Точечную электронограмму можно рассматривать как практически неискаженную проекцию плоскости обратной решетки на плоскость фотографической пластинки. Если кристаллическая решетка вещества известна, то ориентировка кристалла может быть установлена по известным данным. Если ось зоны занимает частное положение, т.е. ее индексы не имеют степеней свободы, то ориентировка этим определяется однозначно. Если ось зоны занимает общее положение, то необходимо проиндицировать электронограмму и установить ее индексы оси. Для индицирования всех точек электронограммы достаточно задать два направления. Тогда индексы точек вдоль каждого из этих направлений определяется как HKL, 2(HKL), 3(HKL) .

Если заданы индексы двух узловых прямых, то, пользуясь ими как координатными осями, можно определить индексы любого узла .

Следует помнить, что в плоскости обратной решетки могут располагаться лишь такие узлы, индексы которых (HKL) содержат только две независимые переменные. Знание индексов двух направлений в плоскости обратной решетки достаточно для определения ориентировки кристалла. Индикация и расчет электронограмм производились с помощью специальной программы .

Установлено, что микродифрактограммы поверхности до лазерной обработки являются микродифрактограммами поликристаллического объекта, т.е. кольцевыми Согласно этих результатов, структура может быть итнерпретирована как ГЦК с периодом решетки а = 4,051 0.022, что соответствует поликристаллическому алюминию (а = 4,0494 ). Других фаз, например, оксидов или гидроксидов алюминия не обнаружено. Очевидно, оксидное покрытие до обработки не имеет выраженной кристаллической структуры – оно аморфно. Дифракция же получается только от частичек матрицы сплава Д16, отделяемых вместе с покрытием при микротомировании .

Вид микродифрактограмм после лазерной обработки существенно изменяется. Все полученные дифрактограммы точечные, что говорит о том, что порошок имеет кристаллическую структуру. Из-за сложности индицирования точечных электронограмм мы затрудняемся определить тип кристаллической решетки образующейся фазы. Анализ затрудняется еще и тем, что алюминий с кислородом и водой может образовывать большое число возможных соединений с различными типами кристаллических решеток. Тем не менее, можно говорить о том, что при лазерной обработке перед его разрушением в изначально аморфном оксидном покрытии интенсивно развиваются процессы кристаллизации. Этот факт косвенным образом подтверждает и внешнее изменение цвета покрытия – с темно-коричневого на белый .

При интенсивности излучения свыше 25 кВт/см начинается термодеструкция покрытия, изменяется его цвет и уменьшается микротвердость и износостойкость. Анализ микродифрактограмм показал, что при лазерТехнология машиностроения ной обработке перед его разрушением в изначально аморфном оксидном покрытии интенсивно развиваются процессы кристаллизации .

Литература

1. Бровер, Г.И., Пустовойт В.Н., Бровер А.В., Магомедов М.Г., Холодова С.Н .

Повышение качества химических покрытий лазерным облучением // Машиностроитель. 2001 г. №5. С. 38-43 .

2. Верещака, А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение 1993 г. 336 с .

3. Горелик, С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Ренгенографический и электроннооптический анализ. М.: МИСИС. 1994. 328 с .

Ведерникова Ирина Игоревна ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», E-mail: iv30-10-76@mail.ru

–  –  –

Расположение магнитов в магнитно-абразивном устройстве для магнитной галтовки Аннотация. Приведены рабочие схемы расположения постоянных магнитов в магнитно-абразивном устройстве для магнитной галтовки .

Ключевые слова: магнитная галтовка, магнитное поле, постоянный магнит .

L.K. CHERNOV, engineer; V.A. POLETAEV, Doctor of engineering, professor Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: poletaev@tam.ispu.ru The location of the magnets in magnetic abrasive device for magnetic tumbling Abstract. Shows the working scheme of arrangement of permanent magnets in magnetic abrasive device for magnetic tumbling .

Key words: magnetic tumbling, magnetic field, permanent magnet .

Магнитная галтовка – вид суперфинишной обработки резанием .

Режущим инструментом является ферромагнитный галтовочный наполнитель (иглы). Обработка происходит в неподвижном рабочем объеме, окруженном постоянными магнитами, в который загружены наполнитель, представляющий короткие обоюдоострые иглы, обрабаСостояние и перспективы развития электротехнологии тываемые детали и смазочно-охлаждающая технологическая среда. .

Магнитное поле в качестве средства передачи обрабатывающего усилия позволяет управлять потоком наполнителя, так как он движется в соответствии с конфигурацией магнитного поля, индуцируемого постоянными магнитами. Для проведения экспериментов были разработаны рабочие схемы расположения постоянных магнитов на подвижном диске установки для магнитной галтовки (рис. 1) .

–  –  –

Рис.1. Схемы расположения магнитов в установке для магнитной галтовки Схема №1 (рис. 1, а) составлена из двух групп постоянных магнитов: основной и вспомогательной. Основная группа: 2 магнита ЭМЦ097Н, материал – NdFeB, размеры 60хr15х3 мм, физические характеристики Br = 1 Тл, Heb = 700 кА/M. Вспомогательная группа: 4 магнита ИЖКГ, материал – феррит стронция, размеры 20х4 мм, физические характеристики Br = 0,3 Тл, Heb = 185 кА/M.. Данное поле индуцируют шесть постоянных магнитов – два сильных кольцевых магнита составляют основную группу, четыре слабых магнита дискообразной формы составляют вспомогательную группу. Как видно на схеме, поле наиболее напряжено в области кольцевых магнитов и на пространстве между ними. Вспомогательная группа постоянных магнитов создаёт дополнительную неоднородность магнитного поля. Общая энергия магнитного поля W = 827,25 Дж .

Схема № 2 (рис. 1, б) составлена из двух групп постоянных магнитов: основной и вспомогательной. Основная группа: 2 магнита ЭМЦ097Н; материал – NdFeB; размеры – d60 х r15 х 5 мм; физические характеристики Br =1 Тл, Heb = 700 кА/M; 4 магнита ИЖКГ; материал – NdFeB; размеры d14,5х5 мм; физические характеристики B r = 0,95 Тл, Технология машиностроения Heb = 750 кА/M. Вспомогательная группа: 16 магнитов ИЖКГ; материал – NdFeB; размеры d14,5 х5 мм; физические характеристики Br = 0,95 Тл, Heb = 750 кА/M. Данное поле индуцируют 22 постоянных магнита – два сильных кольцевых магнита и четыре дискообразных составляют основную группу, 16 сильных магнитов дискообразной формы составляют вспомогательную группу. Вспомогательная группа постоянных магнитов создаёт дополнительную неоднородность магнитного поля. Общая энергия магнитного поля W = 899,12 Дж .

Схема № 3 (рис. 1, в) составлена из двух групп постоянных магнитов: основной и вспомогательной. Основная группа: 2 магнита ЕАЖИ;

материал – феррит стронция; размеры d80 х d30 х 10 мм; физические характеристики Br = 0,37 Тл, Heb = 230 кА/M. Вспомогательная группа:

4 магнита ЕАЖИ; материал – NdFeB; размеры 64 х 15 х 3 мм; физические характеристики Br = 1,1 Тл, Heb = 850 кА/M. Данное поле индуцируют шесть постоянных магнитов – два слабых больших кольцевых магнита составляют основную группу, четыре сильных магнита в форме пластины составляют вспомогательную группу. В данном случае поле имеет высокую напряженность между кольцевыми магнитами. Вспомогательная группа постоянных магнитов создаёт дополнительную неоднородность магнитного поля. Общая энергия магнитного поля W = 209,12 Дж .

Схема № 4 (рис. 1, г) составлена из двух групп постоянных магнитов: основной и вспомогательной. Основная группа: 8 магнитов ИЖКГ; материал – NdFeB; размеры d14,5 х 5 мм; физические характеристики Br = 0,95 Тл, Heb = 750 кА/M. Вспомогательная группа: 2 магнита ЕАЖИ; материал – NdFeB; размеры 64 х 15 х 3 мм; физические характеристики Br = 1,1 Тл, Heb = 850 кА/M. Данное поле индуцируют десять постоянных магнитов – восемь сильных дисковых магнита составляют основную группу, два сильных магнита в форме пластины составляют вспомогательную группу. Поле наиболее напряжено в области кольцевых магнитов и на пространстве между ними, а также у вспомогательных магнитов. Вспомогательная группа постоянных магнитов создаёт дополнительную неоднородность магнитного поля. Общая энергия магнитного поля W = 240,78 Дж .

Схема №5 (рис. 1, д) составлена из двух групп постоянных магнитов: основной и вспомогательной. Основная группа: 4 магнита ЕАЖИ;

материал – NdFeB; размеры 64 х 15 х 3 мм; физические характеристики Br = 1,1 Тл, Heb = 850 кА/M. Вспомогательная группа: 4 магнита ИЖКГ;

материал – NdFeB; размеры d14,5 х 5 мм; физические характеристики Br = 0,95 Тл, Heb = 750 кА/M. Данное поле индуцируют восемь постоянных магнитов – четыре сильных магнитов в форме пластины составляют основную группу, четыре сильных цилиндрических магнита составляют вспомогательную группу. Поле наиболее напряжено в области схождения основной группы, область высокой напряженности имеет форму кольца. Вспомогательная группа постоянных магнитов создаёт Состояние и перспективы развития электротехнологии дополнительную неоднородность магнитного поля. Общая энергия магнитного поля W = 491,14 Дж .

Схема № 6 (рис. 1е) составлена из двух групп постоянных магнитов: основной и вспомогательной. Основная группа: 4 магнита ЕАЖИ;

материал – NdFeB; размеры 64 х 15 х 3 мм; физические характеристики Br = 1,1 Тл, Heb = 850 кА/M. Вспомогательная группа: 4 магнита ИЖКГ;

материал – феррит стронция; размеры 20 х 4 мм, физические характеристики Br = 0,3 Тл, Heb = 185 кА/M. Схема поля представляет собой двухмерный план размещения постоянных магнитов с нанесенными на него магнитными силовыми линиями, векторами направления магнитной индукции и разметкой напряженности поля. Данное поле индуцируют восемь постоянных магнитов – четыре сильных магнита в форме пластины составляют основную группу, четыре слабых цилиндрических магнита составляют вспомогательную группу. Вспомогательная группа постоянных магнитов создаёт дополнительную неоднородность магнитного поля. Общая энергия магнитного поля W = 550,47 Дж .

От расположения постоянных магнитов в рабочей области манитной галтовки зависит сила резания и траектория движения игл в рабочем контейнере. В установке необходимо использовать постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой и располагать их таким образом, чтобы разноименные полюса были направлены друг против друга и достигалась высокая общая неоднородность магнитного поля .

Литература

1. Полетаев В.А., Павлюкова Н. Л., Чернов Л. К. Патент на полезную модель РФ № 97076. Устройство для магнитно-абразивной галтовки. Опубл. в Б.И. №24, 27.08.2010 .

2. Полетаев В.А., Чернов Л. К. Патент на полезную модель РФ №111795 .

Устройство для магнитно-абразивной галтовки. Опубл. в Б.И. №36, 27.12.2011 .

3. Полетаев В.А., Чернов Л.К Патент № 115279 на полезную модель Устройство для магнитно-абразивной галтовки. Опубл. Б.И. №12 27.04.2012 .

Чернов Леонид Константинович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Полетаев Владимир Алексеевич ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Е-mail: poletaev@tam.ispu.ru

–  –  –

Исследование упрочнения сверл импульсной магнитной обработкой Аннотация. Проведены исследования износа задних поверхностей кромок сверла диаметром 6 мм из быстрорежущей стали Р6М5 .

Ключевые слова: износ, сверло, импульсная магнитная обработка .

–  –  –

Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: poletaev@tam.ispu.ru Research hardening drills pulsed magnetic treatment Abstract. The investigation of the wear of the rear surfaces of the edges of the drill 6 mm diameter high-speed steel R6M5 .

Keywords: wear, drill, pulsed magnetic treatment .

При исследовании влияния продолжительности импульсной магнитной обработки, величины напряженности магнитного поля на стойкость и величину износа фаски задней поверхности сверл диаметром 6 мм из быстрорежущей стали Р6М5 при резании углеродистых качественных конструкционных сталей 45 эксперименты проводились на радиально-сверлильном станке 2А135 с автоматической подачей инструмента и его охлаждением СОЖ «Эмульсол ОТ» при концентрации 5 %. Обрабатываемым материалом были выбраны заготовки в форме пластин толщиной 15 мм. Режущие кромки сверл фотографировались на специальных установках при помощи цифрового фотоаппарата. Сверла обрабатывались импульсным магнитным полем .

Применялись следующие режимы механической обработки для сталей (45: s = 0,18–0,22 мм/об., v = 14–18 м/мин. Были выбраны заготовки в форме пластин толщиной 15 мм .

Проведены исследования износа задних поверхностей кромок сверла диаметром 6 мм из быстрорежущей стали Р6М5 с МИО при Н =500 кА/м с разным количеством импульсов и с применением ферромагнитного порошка при обработке стали 45 .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

На рис. 1 показана зависимость износа фаски задней поверхности сверла диаметром 6 мм из быстрорежущей стали Р6М5 от суммарной величины сверления детали из стали 45 при МИО при напряженности Н =500 кА/м с ферромагнитным порошком .

Анализ рис. 1 показывает, что при обработке стали 45 износ фаски задней поверхности сверла при упрочнении МИО с ферромагнитным порошком магнитным полем с напряженностью Н=500 кА/м находится в пределах 0,34–0,42мм, а суммарная глубина сверления в пределах 800– 1200 мм. Причем наименьший износ фаски задней поверхности сверла происходит при количестве импульсов, равно трем .

На рис. 2 представлена относительная стойкость сверл при сверлении стали 45. При оптимальной напряженности магнитного поля 500 кА/м при использовании ферромагнитного порошка максимальная относительная стойкость сверл достигается при количестве импульсов, равном трем (рис. 2) .

0,5 0,45 Величина фаски износа задней

–  –  –

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1

–  –  –

Рис. 1. Зависимость износа фаски задней поверхности сверла диаметром 6 мм из быстрорежущей стали Р6М5 от суммарной глубины сверления при обработке стали 45 при МИО с Н =500 кА/м с ферромагнитным порошком: 0 – без упрочнения МИО;1 – с МИО и одним импульсом; 3 – с МИО и тремя импульсами;

5 – с МИО и пятью импульсами; 7 – с МИО и семью импульсами

–  –  –

2,5 1,5 Рис. 3. Зависимость изменения крутящего момента от суммарной глубины сверления при упрочнении стали 45 импульсным магнитным полем напряженностью Н =500 кА/м с ферромагнитным порошком: 0 – без обработки МИО; 1 – с МИО и одним импульсом; 3 – с МИО и тремя импульсами; 5 – с МИО и пятью импульсами; 7 – с МИО и семью импульсами Экспериментами установлено, что износ фаски задней поверхности сверл, упрочненных МИО напряженностью Н=500 кА/м, при сверлении стали 45 находится в пределах 0,34–0,42мм, а суммарная глубина сверления в пределах 800–1200 мм. Причем наименьший износ фаски задней поверхности сверла происходит при количестве импульсов, равном трем .

По измерению крутящего момента при сверлении деталей из стали 45 установлено, что наименьший крутящий момент возникает при упрочнении сверлами, обработанными Н = 500 кА/М и количестве импульсов, равном трем .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Литература

1. Орлов, А.С., Полетаев В.А. Повышение износостойкости сверл методом импульсной магнитной обработки / А.С. Орлов, В.А. Полетаев //Вестник, 2007 .

– Вып. 3. – С. 54–55 .

2. Орлов, А.С. Исследование на износостойкость сверл, упрочненных импульсной магнитной обработкой / А.С. Орлов // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф. – Пенза, 2007. – С. 35–37 .

3. Орлов, А.С., Полетаев В.А. Упрочнение сверл методом импульсной магнитной обработки / А.С. Орлов, В.А. Полетаев // Вестник ИГЭУ. – 2006. – Вып. 3. – С. 27 .

4. Орлов, А.С. Упрочнение режущего инструмента импульсной магнитной обработкой / А.С. Орлов,// Состояние и перспективы развития электротехнологии:

материалы междунар. науч.-техн. конф. – Иваново. – 2013. – Т. 3. – С. 241–243 .

Орлов Александр Станиславович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Полетаев Владимир Алексеевич ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Е-mail: poletaev@tam.ispu.ru

–  –  –

Коррозионная стойкость деталей электронасосов Аннотация. Проведены исследования коррозионной стойкости образца с покрытием из хрома с ультра алмазами в растворах 5%-й серной кислоты Н2SО4 и 5%-й щелочи NaOH .

Ключевые слова: коррозионная стойкость, ультраалмаз .

–  –  –

Ivanovo State Power Engineering University 153003, Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: poletaev@tam.ispu.ru The corrosion resistance of parts of electropumps Abstract. Conducted research of corrosion resistance of the sample with coating-ment of chromium from ultra diamonds in solutions of 5 % sulfuric acid Н2SО4 and 5 % alkali NaOH .

Keywords: corrosion resistance, ultra diamond .

–  –  –

Детали электронасосов испытывают воздействие факторов внешней среды: агрессивных газов и аэрозолей, морской воды, отделочных растворов и т.п. При этом у деталей разрушается рабочая поверхность, контактирующая, например, с жидкостью. В основном эти детали изготовляют из дорогостоящих сталей 40Х13 и 12Х18Н10Т или из стали 45 с металлизированным покрытием. Основные методы контроля склонности стали к коррозии в соответствии с ГОСТ 6032 – это испытания в растворах сернокислой меди, серной кислоты и азотной кислоты и др. Эти методы охватывают широкий диапазон потенциалов для коррозионностойких сталей, включенных в классификационный ГОСТ 5632. В зарубежной практике применяются аналогичные методы испытаний .

Процесс коррозии можно представить в виде следующих основных стадий: транспортировка реагирующих веществ к поверхности раздела фаз; химическое или электрохимическое взаимодействие;

отвод продуктов реакции из реакционной зоны .

Скорость коррозии определяется двумя основными показателями коррозионной стойкости металлов:

– глубинный показатель коррозии Кn (глубина коррозионного разрушения П в единицу времени );

Кn = П/ (мм/год) (1)

– показатель изменения массы Кm (изменение массы образца металла в результате коррозии, отнесенное к единице поверхности металла n к единице времени) Кm = m/S· (л/м ·час) .

(2) Скорость коррозии определяется объемным методом, т.е. по объему выделившегося водорода. Затем определяется группа и балл коррозионной стойкости .

В качестве агрессивных сред использовались 5 % раствор NaOH и 5 %-й раствор серной кислоты Н2SO4. Для исследования изготовлялись образцы из сталей 40Х13, 12Х18Н10Т и сталь 45 с покрытиями. Образцы с размерами hав (3 мм10 мм20 мм) с боков и снизу покрывали специальным составом (раствором целлулоида в ацетоне) за исключением исследуемой верхней поверхности .

Для исследования использовался аппарат с самоциркуляцией для коррозийных испытаний в случае с выделением водорода (по Льюису и Эвансу). После взвешивания образцов и измерения площадей поверхностей образцов, они помещались в пробирки с агрессивной средой (в растворах 5 % серной кислоты Н2SО4 и 5 % щелочи NaOH). Через каждые 5 минут снимались показания выделившегося водорода .

По окончании опыта образцы вновь взвешивались, а поверхности после коррозии фотографировались. По объему выделившегося водорода (пробирка с делениями) с помощью формулы находилось изменение массы образцов Состояние и перспективы развития электротехнологии

–  –  –

На рис. 2–3 показаны гистограммы изменения глубины коррозионного разрушения Кn и массы Кm покрытия из хрома с ультраалмазами в растворах 5 % серной кислоты Н2SО4 и 5 % щелочи NaOH .

Из проведенных исследований можно сделать вывод, что коррозионная стойкость деталей, обработанных алмазным выглаживанием выше, чем при обработке точением и шлифованием. Основной причиной повышения коррозионной стойкости при алмазном выглаживании являются остаточные напряжения сжатия, а для металлизированного покрытия – технология нанесения покрытия, приводящая к увеличению твердости поверхности .

–  –  –

0,4 0,2 Рис. 2. Изменение глубины коррозионного разрушения покрытия из хрома с ультраалмазами в растворах 5 %-й серной кислоты Н2SО4 и 5 % щелочи NaOH: 1 – точение; 2 – шлифование; 3 – точение алмазное выглаживание;

4 – точение+ алмазное выглаживание +магнитно-импульсная обработка

–  –  –

1,40 1,5 1,34

–  –  –

Рис. 3. Изменение массы образца с покрытием из хрома с ультраалмазами в результате коррозии в растворах 5 % серной кислоты Н2SО4 и 5 % щелочи NaOH: 1 – точение; 2 – шлифование; 3 – точение+ алмазное выглаживание;

4 – точение+ алмазное выглаживание +магнитно-импульсная обработка Литература

1. Полетаев В.А., Ведерникова И.И., Королькова Г.С. Коррозионная стойкость деталей электронасосов. / В.А. Полетаев, И.И. Ведерникова, Г.С. Королькова // Физика, химия и механика трибосистем – Иваново: Иван. гос. ун-т, 2010. – Вып. 9 .

– С.125 – 129 .

Никоноров Алексей Владимирович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Полетаев Владимир Алексеевич ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Е-mail: poletaev@tam.ispu.ru Построение модели шероховатой поверхности Аннотация. Разработана и использована методика построения трехмерной модели шероховатой поверхности деталей .

Ключевые слова: величина шероховатости, профилограмма, моделирование, поверхность .

–  –  –

Ivanovo State Power Engineering University 153003 Ivanovo, Rabfakovskaya St., 34. E-mail: poletaev@tam.ispu.ru Building a model of a rough surface Abstract. Developed and used a method of constructing a three-dimensional model of rough surface parts .

Keywords: roughness value, the depth of roughness, modeling, surface .

Известно, что после механической обработки на поверхностях деталей образуются микронеровности. Рельеф поверхности состоит из чередующихся выступов и впадин. Для наилучшего изучения шероховатости поверхности разработан и использован метод построения трехмерной модели шероховатой поверхности деталей.

Для создания трехмерной модели поверхности использовались следующие данные:

значения Ra, Rz и Rmax для участка поверхности; профилограмма и фотоснимок участка поверхности .

Фотография моделируемого участка представлена на рис. 1, а профилограмма поверхности – на рис. 2 .

Анализируя фотографию поверхности (рис. 1) определяются неровности трех типов: тип 1: глубокие борозды на поверхности образца;

тип 2: неглубокие борозды на поверхности образца; тип 3: прочие малые неровности .

По полученным значениям шероховатости поверхности и профилограмме определялись значения величины L для каждого типа неровности (1, 2, 3):

L1=Rmax (1) L2=((H2max – H2min) + k1 * Rz)/2 (2) Технология машиностроения L3=((H3max – H3min) + k2 * Ra)/2 (3) где k понижающий коэффициент, введенный для корректирования значений и ; Hi min и Hi max – максимальное и минимальное значения по каждому типу неровностей .

–  –  –

число ячеек, в которых значение отклонения профиля от линии m превышает .

При создании трехмерной модели шероховатости поверхности детали моделируется в масштабе плоскость (размер моделируемого участка – 0.8 х 0,8мм, размер моделируемой плоскости 300х200 мм) с заданными конечными элементами – вершинами, причем плоскость содержит 200х200 ячеек (рис. 3) .

Состояние и перспективы развития электротехнологии

Рис. 3. Моделируемая поверхность

Далее на плоскость наносится текстура, созданная из фотографии моделируемого участка поверхности (рис. 4) .

На плоскости определяются вершины, соответствующие областям неровности типа 1, и им задается в масштабе, указанном выше величина L1, причем ее значение после приведения в соответствии с действующим в модели масштабом, умножается на 10 для упрощения визуального восприятия модели .

Неровностям типа 2 и 3 таким же образом задаются величины L 2 и L3 соответственно. Моделируемая поверхность с заданными величинами L для каждого типа неровностей принимает вид (рис. 5) .

Рис. 4. Моделируемая поверхность с нанесенной текстурой

–  –  –

После выполнения всех операций моделирования, программой рассчитывается рендер поверхности (рис. 6) .

Рис. 6. Трехмерная модель участка поверхности образца Полученную трехмерную модель можно считать адекватной моделью участка поверхности образца. Так же в построении модели были использована фотография данного участка, как источник информации о расположении неровностей на поверхности участка .

Литература

1. Власов, А.М., Полетаев В.А., Пахолкова Т.А. Построение трехмерной модели шероховатой поверхности / А.М. Власов, В.А. Полетаев, Т.А. Пахолкова // Новые материалы и технологии в машиностроении: Сборник научных трудов. Выпуск

20. Брянск, БГИТА, 2014. – С.19 –22 .

Власов Алексей Михайлович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Полетаев Владимир Алексеевич ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Е-mail: poletaev@tam.ispu.ru

–  –  –

Исследование механических свойств деталей с гальванопокрытием Аннотация. Проведены исследования механических свойств деталей из сталей 45, 40Х13 и 12Х18Н10Т .

Ключевые слова: Шероховатость поверхности, микро твердость, упрочнение детали .

Investigation of mechanical properties of parts of plated Abstract. Conducted research of mechanical properties of parts made of steels 45, 40X13 and 12X18H10T .

Keywords: surface roughness, micro hardness, reinforcement details .



Pages:     | 1 || 3 | 4 |



Похожие работы:

«На  равах  укописи п р ГЕРАСИМОВА Ирина Юрьевна ИЗУЧЕНИЕ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА В  РАЙОНАХ  РАЗВИТИЯ  КАРСТА СЕЙСМОРАЗВЕДКОЙ ПРЕЛОМЛЕННЫХ ВОЛН (на примере территорий Пермского Прикамья) Специальн...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ исо НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОСТ Р СТАНДАРТ 8106РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТАРА СТЕКЛЯННАЯ Определение вместимости гравиметрическим методом ISO 8106:2004 Glass co...»

«УДК 621.384.6 CОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ЭЛЕКТРОННОГО УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА SALO И.С.Гук1, А.Н.Довбня1, С.Г.Кононенко1, А.С.Тарасенко1, J.I.M. Botman2 Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", Хар...»

«Влияние различных факторов на уровень соматических клеток в молоке коров Кадралиева Б. Т. Кадралиева Бакытканым Талаповна / Kadralieva Bakytkanym Talapovna – соискатель, кафедра эпизоотологии, паразитологии и ветеринарно-санитарной экспертизы, факультет ветеринарной медицины и биотехн...»

«"Ученые заметки ТОГУ" Том 8, № 1, 2017 ISSN 2079-8490 Электронное научное издание "Ученые заметки ТОГУ" 2017, Том 8, № 1, С. 41 – 47 Свидетельство Эл № ФС 77-39676 от 05.05.2010 http://pnu.edu.ru/ru/ejournal/about/ ejournal@pnu.edu.ru УДК 630*05 © 2017 г. Н. В. Выводцев, д-р с.-х. наук, А. Ю. Титов, В. Г. Черепахина (Т...»

«ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ДВОЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ON-LINE Модель MX MX1 MX3 РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Редакция 1.7 LEOTON.UA СОДЕРЖАНИЕ №0 НАЗНАЧЕНИЕ КОМПЛЕКТ ПОСТАВКИ УСЛОВИ...»

«УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ОТЧЕТ О ПРОХОЖДЕНИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКИ Аспиранта Гориной Елены Николаевны_ Направление подготовки 35.06.02 Лесное хозяйство _ Н...»

«государственный стандарт СОЮЗА ССР МЯСО ЦЫПЛЯТ-БРОЙЛЕРОВ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГОСТ 25391— 82 Издание официальное ГО СУДАРСТВЕННЫ Й! КО М И ТЕТ СССР ПО УПРАВЛЕНИ Ю КАЧЕСТВОМ П Р О ДУКЦ И И И С ТА Н Д А Р ТА М Москва жакет ирландское кружево У Д К 637.54 : 006.354 Г р у п п а Н16 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР М Я С О Ц Ы П...»

«Руководство по эксплуатации ™ Автомобильный FM/MP3/USB/SD 2DIN ресивер Car FM/MP3/USB/SD 2DIN receiver AVS-2700 BM 50 Wx4 SD USB AUX FM LCD RADIO ® IDEAS OF THE FUTURE В соответствии с проводимо...»

«Математика в высшем образовании 2012 № 10 СОДЕРЖАНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ВУЗЕ УДК 517 ГЛАДКИЕ КРИВЫЕ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ НЕДИФФЕРЕНЦИРУЕМЫМИ ФУНКЦИЯМИ Е. Ж. Айдос Казахский Национальный технический университет им. К. И. Сатпаева Казахстан, 05001...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова"...»

«Стригун Денис Александрович Совершенствование технологии биоактивации сои как белковой добавки при производстве хлебобулочных изделий Специальность: 05.18.01 – технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства Автореферат диссертации...»

«В.Л.Кассиль, А.А.Еременко, Ю.Ю.Сапичева, М.А.Выжигина ПРИНЦИПЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ В ИНТЕНСИВНОЙ ТЕРАПИИ Москва "МЕДпресс-информ" УДК 616.216.2 ББК 53.5:54.5 K28 Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть...»

«ТИПОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ О СЛУЖБАХ СТАНДАРТИЗАЦИИ РД 50—1.622-86—РД 50-1.626-86 I X ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ Москва требования энергетической эффективности здания УДК 006.05 : 006.354 Группа...»

«потенциал, современный парк оборудования, многолетние крепкие связи с предприятиями отрасли, отраслевыми НИИ и институтами РАН. С.А. Рябая Ижевский государственный технический университет ( Ижевск) П...»

«пкоз00384 Аппарат для закрепления навыков и коррекции речи АКР-01 "Монолог" Аппарат АКР-01 "Монолог" предназначен для комплексной реабилитации лиц, страдающих любыми формами заикании.В предлагаемом аппарате впервые объединены 4различных аппарата...»

«ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА доктора технических наук, профессора, заведующего кафедрой "Теоретическая механика" ФГБОУ ВО "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" Шкапова Павла Михайловича на диссертацию Карелиной Екатери...»

«Свабуно, "Учебник творца" полная версия, издание 2-е СОДЕРЖАНИЕ ЧАСТЬ I. СЛОВО ЧАСТЬ III. ДУХ Глава 1: Звуки Глава 2: Язык Глава 3: Имена Глава 4: Агмы Глава 5: Формулы Глава 6: Коды Глава 7: Аффирмации Глава 8...»

«ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу Чичиланова Ильи Ивановича, выполненную на тему "Совершенствование методики и средств диагностирования дизельных двигателей" на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.20.0...»

«Соглашение о взаимодействии филиала "Энергосбыт" ГУП "ТЭК СПб" и абонентов по включению УУТЭ в АССП ГУП "ТЭК СПб". г. Санкт-Петербург "_"2017г . Государственное унитарное предприятие "Топливно-эн...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.