Расчет нестационарного магнитного поля подвесного электромагнитного железоотделителя с наборными полюсами и полюсными наконечниками при регулировании величины межполюсного зазора

7.Shafiq, M. Integration of online proactive diagnostic scheme for partial discharge in distribution networks / M. Shafiq, G. A. Hussain, N. I. Elkalashy, P. Hyvonen and M. Lehtonen // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2015. Vol. 22, no. 1. P. 436-447. DOI: 10.1109/TDEI.2014.004150.

8. Белов С. И., Киселев В. В. Распределенная система мониторинга импульсов частичных разрядов и изоляции кабельных линий // Вестник ПНИПУ. 2009. № 3. С. 161-166.

9. Коржов А. В. Моделирование схем замещения изоляции забелей 6(10) кВ для оценки частичных разрядов с учетом режимов их работы в распределенной сети // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2015. № 4. С. 32-39.

10. Горюнов В. Н., Никитин К. И., Сарычев М. М. Опережающий автоматический ввод резерва собственных нужд электрических станций и подстанций // Омский научный вестник. 2011. № 3 (103). С. 211-213.

11. Никитин К. И., Сарычев М. М., Степанов В. Д., Ерёмин Е. Н., Хацевский К. В. Опережающее автоматическое включение резерва // Омский научный вестник. 2012. № 1(107). С. 237-238.

12. Поляков Д. А., Д. А. Юрчук, Г. А. Кощук, К. И. Никитин Определение скорости разрушения полиэтиленовой изоляции линий электропередачи под воздействием температуры // Омский научный вестник. 2016. № 4. С. 105-108.

13. Новодворец Л. А. Испытание и проверка силовых кабелей. М.: Энегрия, 1970. 112 с.

14. Приборы для измерения температуры и их поверка : инструктивные материалы / Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров Союза ССР ; ред.: А.Н. Гордов, Б.И. Пилипчук. М.: Стандартгиз. 1957. 470 с.

15. Wenzhi C., Xiaohui H., Zhendong G., Chengrong L. The design of temperature monitoring system for power cable joint // 2012 IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Bali. 2012. P. 671-676. DOI: 10.1109/CMD.2012.6416235.

16. Катыс Г. П. Оптические датчики температуры. М.: ГосЭнергИздат, 1959. 111 с.

17. Мокански В. Силовой кабель высокого напряжения со встроенным волоконно-оптическим модулем // Наука и техника. 2009. № 2. С. 14-17.

18. Barinov V. M., Kiesewetter D. V., Shatilov D. A., Pyltzov A. S. Fiber optic temperature monitoring system of power cable lines // 2017 10th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), Bucharest. 2017. P. 641-644. DOI: 10.1109/ATEE.2017.7905063.

19. Мокански В. Силовой кабель высокого напряжения со встроенным волоконно-оптическим модулем // Наука и техника. 2009. № 2. С. 14-17.

УДК 621.318.3

РАСЧЕТ НЕСТАЦИОНАРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОДВЕСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЖЕЛЕЗООТДЕЛИТЕЛЯ С НАБОРНЫМИ ПОЛЮСАМИ И ПОЛЮСНЫМИ НАКОНЕЧНИКАМИ ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ ВЕЛИЧИНЫ МЕЖПОЛЮСНОГО ЗАЗОРА

А. В. Радченко, А. С. Татевосян

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-92-96

Аннотация - эффективность работы подвесных электромагнитных железоотделителей, используемых для очистки сыпучих материалов от ферромагнитных включений на ленточных конвейерах, сводится к созданию неоднородного магнитного поля в межполюсном зазоре и под полюсными наконечниками. Под действием пондеромоторных сил ферромагнитные частицы притягиваются к поверхности полюсных наконечников железоотделителя. Существенное снижение электропотребления железоотделителей достигается при совместной их работе с металлодетектерами. По сигналу с датчика металлодетектора, регистрирующего наличие ферромагнитных включений на ленте конвейера, системой управления формируется команда на включение обмотки к источнику постоянного напряжения. Особенности питания обмотки железоотделителя постоянным током позволяют использовать в конструкциях железоотделителей массивные стальные части магнитопровода (ярма, полюсов и полюсных наконечников). Это обстоятельство приводит к тому, что подвесные электромагнитные железоотделители являются электромагнитами постоянного тока с разомкнутой магнитной системой, разделенной межполюсным зазором. При включении электромагнитного железоотделителя на постоянное напряжение в массивных деталях его конструкции при переходном процессе возникают вихревые токи. Оценка их влияния на пондеромоторные силы подвесного железоотделителя при варьировании величины межполюсного зазора представляет научный и практический интерес. Для решения этой задачи в данной статье приводится расчет нестационарного магнитного поля железоотделителя с присоединенной электрической цепью при заданных

начальных и граничных условиях с помощью комплекса программ ELCUT 6.0 (профессиональная версия). При решении задачи учитывается наличие в конструкции электромагнитного железоотделителя шихтованных и нешихтованных массивов стали магнитопровода. Обработка полученных результатов исследования с разными магнитопроводами указывает на значительное ослабление пондеромоторных сил железоотделителя за счет влияния вихревых токов в стали. В ходе расчета нестационарного магнитного поля железоотделителя установлен оптимальный диапазон значений межполюсного зазора, при которых пондеромоторные силы принимают максимальные значения.

Ключевые слова: подвесной электромагнитный железоотделитель, пондеромоторная сила, межполюсный зазор, шихтованный магнитопровод.

I. Введение

Необходимость защиты технологического оборудования от посторонних ферромагнитных включений в сыпучем материале, поставляемом ленточными конвейерами, требует установки подвесных электромагнитных железоотдели-телей (ЭЖ). Технологические особенности производства приводят к работе по улучшению конструктивных особенностей ЭЖ [1, 2] для улучшения извлекающей способности, надежности функционирования и снижения электропотребления. При проектировании конструкции подвесного ЭЖ необходимо учитывать расчет неоднородного магнитного поля в межполюсном зазоре и под полюсными наконечниками, под действием которого ферромагнитные частицы притягиваются к поверхности железоотделителя. Расчет включает определение максимальной магнитной силы, не зависящей от свойств извлекаемых частиц и являющейся критерием качества конструкции электромагнита. Используя совместную работу ЭЖ с металлодетектером, снабженного датчиком для регистрации наличия ферромагнитных включений в сыпучем материале, можно получить значительное снижение электропотребления, изменив концепцию длительного режима работы на кратковременный режим.

II. Постановка задачи

Объектом исследования является подвесной электромагнитный железоотделитель с массивными стальными частями магнитопровода таких как ярмо, полюсы и полюсные наконечники, в которых при подключении ЭЖ на постоянное напряжение при переходном процессе возникают вихревые токи. Таким образом, научный интерес вызывает влияние вихревых токов на пондеромоторные силы ЭЖ при варьировании величины межполюсного зазора. В данной работе исследование предлагается провести с помощью решения задачи нестационарного магнитного поля железоотделителя с присоединенной электрической цепью в комплексе программ ELCUT 6.0, учитывая наличие в конструкции электромагнитного железоотделителя шихтованных и нешихтованных массивов стали магнитопровода.

III. Теория

Исходными данными для математической модели подвесного ЭЖ в программе ELCUT 6.0 являются параметры магнитной системы ЭЖ [3,4,5]. Разработанный опытный образец имеет полное число витков обмотки w = 1100. При этом магнитопровод выполнен из листовой горячекатаной стали: ярмо сердечника размером 376 х140 х 20мм , шесть наборных полюсов размерами 20 х140 х 20 мм , два полюсных наконечника размерами 20 х 140x140мм . Толщина катушки - 20 мм, высота катушки - 140 мм, межполюсный зазор - 36 мм, толщина стенок каркаса - 5 мм. Активное сопротивление одной катушки, из которых состоит обмотка - 8,3 Ом. Напряжение источника питания принимается равным 36,3 В. Катушка опытного образца ЭЖ моделируется 550 отдельными витками. Магнитная система ЭЖ симметрична, что позволяет выполнить моделирование нестационарного магнитного поля на половине расчетной области. При моделировании учитываем физические свойства выделенных объектов в модели, поэтому относительную магнитную проницаемость воздуха принимаем д=1, относительная магнитная проницаемость стали д=2000, удельная электропроводность медного обмоточного провода 5,7107 1/Омм, удельная электропроводность стали 0.8107 1/Омм. На рис. 1 показано рабочее окно программы ELCUT 6.0 при постановке задачи расчета нестационарного магнитного поля опытного образца ЭЖ, с учетом геометрии создания модели и присоединенной электрической цепью.

Граница

а)

б)

Рис. 1. Постановка задачи расчета нестационарного магнитного поля модели подвесного ЭЖ: а - геометрия создания модели, б - присоединенная электрическая цепь

На рис. 1б показаны массивные стальные части магнитопровода, представленные в модели пакета ELCUT в виде блоков: «ярмо», «полюс», «наконечник», подключенные к источнику постоянного напряжения. В присоединенной электрической цепи ЭЖ учет влияния вихревых токов в стальных деталях магнитопровода представлено перемычками, замкнутыми накоротко.

IV. Результаты экспериментов Численные эксперименты по исследованию величины межполюсного зазора на магнитную силу ЭЖ, проведенные с помощью комплекса программ ELCUT 6.0 (профессиональная версия) представлены результатами, показанными на рис. 2-4. Снижение значений магнитной силы в зависимости от конструктивного исполнения магнитопровода приведено в табл. 1.

Рис. 2. Область оптимальных значений межполюсного зазора с шихтованными стальными деталями магнитопровода: 1 - 44 мм; 2 - 50 мм; 3 - 62 мм; 4 - 80 мм

35

0 10 20 30 40 50 60 70

зазору, глм

Рис. 3. Область оптимальных значений межполюсного зазора с массивными стальными деталями магнитопровода: 1 - 44 мм; 2 - 50 мм; 3 - 62 мм; 4 - 80 мм

ТАБЛИЦА 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНЯИ ВЕЛИЧИНЫ МЕЖПОЛЮСНОГО ЗАЗОРА НА МАГНИТНУЮ СИЛУ

y - расстояние по вертикали от плоскости полюсов до расчетной точки А

Магнитопровод при межполюсном зазоре 20 мм

подвесного ЭЖ

44 мм 50 мм 62 мм 80 мм

Магнитная сила F„* 108, А2/м3

Шихтованный 39,47 27,88 14,34 6,46

Нешихтованный 30,06 20,76 11,15 5,68

Расхождение результатов

значений магнитной си- 31,3 34,3 28.6 13.7

лы Бм, %

-

2

У

/

//

//

/

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 3,45 время t, С

Рис. 4. Временные зависимости токов при переходном процессе электромагнитного железоотделителя при оптимальном зазоре 20 мм: 1 - стальной массивный магнитопровод; 2 - шихтованный магнитопровод

V. Выводы и заключение

1. Построена математическая модель нестационарного магнитного поля ЭЖ с присоединенной электрической цепью с использованием комплекса программ ELCUT 6.0 (профессиональная версия), позволяющая исследовать различное конструктивное исполнение магнитопровода с использованием шихтованных стальных и массивных частей (ярмо, наборные полюса и полюсные наконечники).

2. Сопоставление результатов расчета по оценке влияния вихревых токов в деталях конструкции магнитопровода показало, что вихревые токи оказывают существенное влияние на магнитную силу ЭЖ, снижая ее значение при переходном процессе в пределах от 10 до 30% по отношению к шихтованным стальным магнитпро-водам.

3. Установлена оптимальная величина межполюсного зазора, при котором магнитная сила ЭЖ достигает максимального значения, находящаяся в диапазоне для опытного образца ЭЖ от 20 до 30 мм.

4. Проведенные исследования по определению оптимальной величины межполюсного зазора служат исходным материалом для решения задачи оптимизации магнитной системы ЭЖ, удовлетворяющей критерию максимума магнитной силы при удалении расчетной точки по вертикали на оси симметрии от плоскости полюсных наконечников при соблюдении условия минимума массы активных материалов, необходимых для изготовления ЭЖ.

5. В целях снижения влияния вихревых токов на магнитную силу ЭЖ при переходном процессе необходимо предусмотреть замену нешихтованных стальных деталей конструкции магнитопровода на шихтованные части.

Список литературы

1. Сумцов В. Ф. Электромагнитные железоотделители. М.: Машиностроение, 1978. 174 с.

2. Буль Б. К., Карташян В. О., Нестеренко А. П. Проектирование оптимальных электромагнитных систем подвесных железоотделителей // Электротехника. 1981. № 4. С. 54-57.

3. Татевосян А. С., Радченко А. В. Исследование нестационарного магнитного поля электромагнита с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками в пакете ELCUT // Омский научный вестник. 2016. № 6. С. 86-90.

4. Tatevosyan A. A., Tatevosyan A. S. Calculation of magnetic system of the magnetoelectric machines // 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). Omsk, 11-13 November 2014. P. 299-302. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005698

5. Тетевосян А.С., Татевосян А.А. Экспериментальное исследование и расчет магнитного поля электромагнита постоянного тока с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками в комплексе программ ELCUT // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327, № 2. С. 133-140.

УДК 681.518.54

МЕТОДЫ ДИНАМИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВАВАНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НЕФТЕДОБЫЧИ

В. С. Романов1, В. Г. Гольдштейн2

'Филиал ПАО «РусГидро»-«Жигулевская ГЭС», г. Жигулевск, Россия 2Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-96-100

Аннотация - в организации производства и эксплуатации погружных электродвигателей (ПЭД), как наиболее существенного элемента электропогружных установок (ЭПУ) в нефтяной отрасли, необходим учет конкретных условий эксплуатации. Они определяются тем, в каких условиях происходит эксплуатация ЭПУ. Для полного представления о текущем состоянии парка ПЭД в нефтедобыче приведены результаты его статистического анализа. На текущий момент дана оценка эксплуатационных характеристик погружного оборудования, выпускаемого основными производителями. Констатируется, что стандартное оборудование не может обеспечить в полной мере эффективную эксплуатацию с помощью серийных УЭЦН, поэтому требуются разработки новых технологий и соответствующего оборудования. Инновационными изменениями современных ПЭД являются: использование вентильного привода, повышение частоты вращения 3000-6000 об/мин и номинального напряжения, схемные и параметрические изменения конструкций и др. Экономиче-