Электромеханические устройства с дискретной вторичной частью: алгоритмы анализа и синтеза и усовершенствованные конструкции

В условиях рыночной экономики и ускоренного научно-технического прогресса существенно возрастает роль новых технологий. Особое место среди них занимают электротехнологии, в которых используются разнообразные технологические устройства. При этом актуальными остаются задачи.

I 1 1 повышения их эффективности.

В данной работе рассмотрены пути совершенствования конструкций и алгоритмов расчета магнитных и электрических полей электромеханических устройств с дискретной вторичной частью, к которым относятся:

— магнитные шкивные сепараторы (железоотделители), предназначенные для разделения материалов, отличающихся друг от друга магнитными свойствами;

— активаторы с вихревым слоем, применяемые для интенсификации различных технологических процессов;

— электростатические затворы* пылевых потоков.

Принцип действия названных выше устройств одинаков и' основан на силовом действии магнитного поля на ферромагнитные тела, имеющие относительно небольшие геометрические размеры, или силовом воздействии электрического поля на заряженные частицы материалов. В рабочем пространстве устройств находятся ферромагнитные тела произвольной формы и размеров (железоотделители), дискретная ферромагнитная среда в виде набора неравноосных ферромагнитных стержней (активаторы вихревого слоя), дискретная минеральная среда в виде мелкодисперсной пылевоздушной смести (электростатические затворы).

Поскольку магнитные и электрические поля могут быть описаны одними и теми же уравнениями, одной из задач данной работы является разработка общего алгоритма расчета полей и силовых взаимодействий названных устройств. Алгоритм должен обеспечивать учет особенности устройств — область расчета полей неограниченна, а также обеспечить возможность ответа на следующий вопрос: необходима ли установка экранов для защиты обслуживающего персонала, а также быть удобным инструментом для усовершенствования конструкций, что позволит сократить сроки разработок и средства на изготовление и исследование макетных образцов.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов анализа и синтеза и усовершенствование конструкций электромеханических устройств с дискретной вторичной частью, обеспечивающих повышение производительности и безопасности устройств и снижение энергоемкости.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики расчета магнитного поля и оценки силовых воздействий электромагнитных шкивных сепараторов на основе комбинированного метода конечных и граничных элементов.

2. Построение комбинированной математической модели и алгоритма расчета магнитного поля шкивных сепараторов с постоянными магнитами.

3. Разработка методики синтеза индуктора активатора с вихревым слоем.

4. Адаптация методики п. 1 к расчету магнитного поля в активаторе и окружающем его пространстве.

5. Экспериментальные исследования вихревого слоя.

6. Адаптация методики п. 1 к расчету электрического поля затворов пылевых потоков с коронным разрядом.

7. Разработка методики математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в затворах.

8. Разработка усовершенствованных конструкций электромеханических устройств, с дискретной вторичной частью с применением математического моделирования и их исследования.

Методы исследования. Поставленные задачи решены в диссертационной работе с использованием комбинированного метода конечных и граничных элементов и экспериментальных исследований активаторов и затворов.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается: обоснованностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

— использованием фундаментальных уравнений электрических и магнитных полей;

— применением для проверки результатов современных программных систем FEMM и Maxwell-,.

— согласованием результатов расчета с данными экспериментов, а также с данными литературных источников.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Методики расчета стационарных и статических полей, прямые и косвенные оценки силовых воздействий, основанные на комбинированных математических моделях, современных численных методах и результатах экспериментальных исследований.

2. Комбинированная математическая модель плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами.

3. Методика синтеза индукторов активаторов с вихревым слоем.

4. Результаты экспериментальных исследований активаторов и затворов.

5. Рекомендации по конструированию активаторов и затворов.

6. Методика математического моделирования ионно-электронных и электромеханических процессов в электростатических затворах с коронным разрядом.

7. Усовершенствованные конструкции электротехнологических устройств.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. В отличие от применяемых в настоящее время для расчета полей и сил в рассматриваемых устройствах методов теории цепей используется полевой подход, в основу которого положена комбинированная математическая модель.

— дифференциальные уравнения с частными производными второго порядка и интегральное уравнение, полученное на основе формулы Грина, а также комбинированный метод конечных и граничных элементов. Предложенный подход позволяет повысить точность расчета полей как в рабочих зонах, так и в зонах возможного нахождения обслуживающего персонала.

2. Впервые построена комбинированная математическая модель плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами, а также дискретная модель, являющаяся совокупностью конечно-элементной и гранично-элементной моделей.

3. Предложенная методика синтеза индукторов активаторов отличается от применяемой при проектировании асинхронных машин, основанной на теории цепей, тем, что содержит этап расчета магнитного поля.

4. Методика математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в затворах отличается использованием удобных аппроксимаций процесса, зарядки частиц и распределений напряженностей во внешней зоне короны.

5. Новизна новых конструкций электромеханических устройств подтверждается патентами.

Практическая значимость и реализация результатов заключается в следующем:

Предложенные методики расчета и синтеза позволяют усовершенствовать конструкции, повысить производительность и снизить энергоемкость устройств.

Разработанные активаторы применяются в научных исследованиях в вузах (МГУ, ЮРГТУ, ЮРГУЭС), затворы проходят опытную в условиях ОАО «Новороссцемент» (г. Новороссийск), ООО «ПК НЭВЗ» (г. Новочеркасск).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

— международные научно-практические конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы». Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ) 2000, 2001, 2002 гг.;

— II международная научно-практическая конференция «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье». Белгород, БГТУ, 2004;

— международные семинары «Физико-математическое моделирование систем». Воронеж, ВГТУ, 2004, 2005.

Работа в полном объеме докладывалась на заседании кафедры «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 научных публикациях, в том числе в двух патентах.

Выводы.

1. Предложена методика моделирования процессов в электростатических затворах, позволяющая оценить эффективность работы устройств на стадии проектирования. Методика применима для исследования процессов в электрических фильтрах.

2. Экспериментальные лабораторные исследования различных конструкций электростатических затворов, разработанных на кафедре «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ), подтвердили работоспособность и высокую эффективность устройств, основанных на новом принципе очистки газов от пыли путем сообщения частицам пыли электрического заряда и направления в электрическом поле навстречу пылевому потоку. Этим затворы отличаются от электрофильтров, в которых под действием электрического поля заряженные частицы движутся перпендикулярно потоку пыли и осаждаются на специальных осадительных электродах. Поэтому при использовании затворов не требуется удаления пыли с электродов.

3. Предложено для оценки напряженности поля в зонах, в которых могут находиться люди, применять комбинированную математическую модель: дифференциальное уравнение с частными производными плюс интегральное уравнение, основанное на интегральной формуле Грина. Такая модель позволяет значительно уменьшить размерность задачи. Результаты таких расчетов позволяют установить необходимо ли применение экранов для зашиты людей.

4. Предложено усовершенствование конструкции затвора путем установки металлической сетки перпендикулярно пылевому потоку. Применение сетки позволяет существенно увеличить составляющую напряженности поля, направленную по потоку, примерно в 2 раза, а, следовательно, повысить производительность затвора (примерно в 2 раза), за счет увеличения скорости пылевого потока. Параметры сетки (размеры ячейки, диаметр проволоки) и место ее установки определены с помощью математического моделирования. 5. Промышленные испытания затворов на заводе ОАО «Новоросцемент» г. Новороссийск, показало их высокую эффективность: при скорости пылевого потока 2,3 м/с, концентрации пыли ~ 400 мг/м3, количестве воздуха на выбросе 630 м /ч, степень очистки составляет 97,1% (см. Приложение 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Применяемые в настоящее время для расчета магнитных и электрических полей в электромеханических устройствах с дискретной вторичной частью методы теории цепей и метод конечных элементов не эффективны. Это объясняется особенностью конструкций рассматриваемых устройств (шкивных сепараторов, активаторов с вихревым слоем, электрических затворов) — области полей этих устройств неограниченны. Поэтому при использовании методов теории цепей имеет место высокая трудоемкость подготовки исходных данных и расчета параметров схем замещения, необходимость применения моделирования на электропроводной бумаге. Применение метода конечных элементов для расчета поля в неограниченных областях требует введения искусственной границы, положение которой определяется с помощью серии расчетов. Требуется применение сеток с большим количеством узловых неизвестных. Задача проектировщика осложняется при необходимости оценить напряженности полей на значительных расстояниях от установок в зонах, в которых может находиться обслуживающий персонал, и выяснить необходимость защитных экранов.

2. Целесообразно для расчета полей в рассматриваемых устройствах применять комбинированные математические модели и комбинированные численные методы. Комбинированная математическая модель задачи представляет собой совокупность дифференциального, уравнения с частными производными интегрального уравнения, полученного на основе интегральной формулы Грина и граничных условий. Комбинированный численный метод — это совокупность метода конечных элементов и метода граничных элементов. Применение комбинированных моделей и методов позволяет в десятки раз снизить размерность задач, оценить напряженности полей в зонах нахождения обслуживающего персонала рассматриваемых устройств.

3. Впервые построена комбинированная математическая модель для расчета плоскомеридианного магнитного поля, возбуждаемого постоянными магнитами.

4. Предложено две новые конструкции активаторов с вихревым слоем, защищенные патентами, применение которых повышает эффективность работы активаторов и сокращает затраты электроэнергии на обработку веществ и сточных вод.

5. Экспериментальные исследования вихревого слоя показали:

— степень неравномерности распределения ферромагнитных частиц зависит от их количества: при малом количестве частиц распределение их резко неравномерное — в центре рабочей камеры частиц нет, вблизи сердечника наблюдается их концентрацияс увеличением количества частиц в рабочей камере уменьшается степень неравномерности их распределения;

— вопреки распространенному мнению количество ферромагнитных элементов в вихревом слое оказывает существенное влияние на параметры индуктора: увеличивается индуктивность фаз обмотки, снижается потребляемый ток.

6. Предложена формула для оценки средней магнитной проницаемости вихревого слоя.

7. Разработана методика синтеза индуктора активатора, отличающаяся от известных методик, используемых при проектировании асинхронных машин и основанных на теории цепей, тем, что одним из этапов синтеза является расчет магнитного поля.

8. Предложено усовершенствование конструкции затвора путем установки металлической сетки перпендикулярно пылевому потоку. Применение сетки позволяет существенно увеличить составляющую напряженности поля, направленную по потоку, а, следовательно, повысить эффективность затвора. Параметры сетки (размеры ячейки, диаметр проволоки) и место ее установки определены с помощью математического моделирования.

9. Предложена методика математического моделирования взаимосвязанных ионных и электромеханических процессов в электростатических затворах.

10. Расхождение результатов численного моделирования и экспериментов на физической модели не превышает 5%.

11. Экспериментальные лабораторные исследования различных конструкций электростатических затворов, разработанных на кафедре «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ), подтвердили работоспособность и высокую эффективность новых устройств, основанных на новом принципе очистки газов от пыли путем сообщения частицам пыли электрического заряда и направления в электрическом поле пылевому потоку. Этим затворы отличаются от электрофильтров, в которых под действием электрического поля заряженные частицы движутся перпендикулярно потоку пыли и осаждаются на специальных осадительных электродах. Поэтому при использовании затворов не требуется удаления пыли с электродов.

Промышленные испытания затворов на заводе ОАО «Новоросцемент» г. Новороссийск, показало их высокую эффективность: при скорости пылевого потока 2,3 м/с, количестве пыли ~ 400 мг/м3, количестве воздуха на выбросе 630 м /ч степень очистки составляет 97,1%.