Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Байда Євген Іванович
УДК 621.318.3 : 621.316.53
УДОСКОНАЛЕНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТИ СИСТЕМ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ СТАНЦІЙ
Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеню
кандидата технічних наук
Харків - 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному політехнічному університеті, Міністерство освіти України.
|
Науковий керівник - |
доктор технічних наук, доцент Клименко Борис Володимирович Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри електричних апаратів. |
|
Офіційні опоненти - |
доктор технічних наук, професор Сосков Анатолій Георгійович, Харківська державна академія міського господарства, м. Харків, завідувач кафедри електротехніки; кандидат технічних наук Гапоненко Геннадій Миколайович, АТ "Електричні низьковольтні апарати та системи" , м. Харків, голова правління. |
|
Провідна установа - |
Науково дослідний та проектно-конструкторський інститут важкого машинобудування НДІ "Електроважмаш" Міністерства промислової політики України, м. Харків. |
Захист відбудеться "18" листопада 1999 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 64.050.08 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою:
310002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.
Автореферат розісланий " 8 " жовтня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Зростання промислового виробництва і нові технології вимагають усе більш значних енерговитрат. У цьому зв'язку простежується тенденція збільшення відсотка електроенергії, виробленої атомними електричними станціями (АЕС), що на сьогоднішній день є найбільш перспективними джерелами електричної енергії, будучи при цьому потенційним джерелом підвищеної небезпеки. Таким чином, вирішальне значення набувають питання, зв'язані з безпекою експлуатації АЕС, що полягають у комплексі мір, спрямованих на удосконалювання систем керування з метою запобігання аварійних режимів роботи.
Невід'ємною частиною більшості сучасних систем управління (у тому числі й АЕС), зв'язаних із потоками рідини або газу, є електромагнітні приводи клапанів високотемпературних гідротрубопроводів високого тиску.
У поданій роботі розглядаються питання удосконалення електромагнітних механізмів систем безпеки атомних електричних станцій, зокрема електромагнітних відсічних клапанів (ЕМВК). Розглянуті електромагніти є форсованими електромагнітами постійного струму спеціальної конструкції і представляють клас пристроїв, що відносяться до електромагнітних механізмів із внутрішніми комірцями.
Як показує досвід експлуатації, використовувані в даний час у системах безпеки електромагнітні приводи високотемпературних гідротрубопроводів високого тиску не повною мірою відповідають вимогам, яким потрібні відповідати пристрої такого класу і призначення. Проблема полягає в тому, що до даних електромагнітних клапанів пред'являють досить жорсткі вимоги по перевищенню температури нагрівання обмоток у тривалому режимі роботи в зв'язку з тим, що температура навколишнього середовища в зоні експлуатації електромагнітних приводів може досягати значень 150оС. Такі температури навколишнього середовища разом із теплом, що виділяється в обмотках при протіканні робочого струму електромагнітних приводів, викликають значний нагрів, що разом із фактором радіаційного випромінювання негативно впливає на якість ізоляційних матеріалів і, як випливає з рекламацій, викликає передчасний вихід електромагнітних механізмів з ладу. Так термін служби електромагнітних приводів, що випускаються в Росії, за даними експлуатаційних організацій, у 10 - 15 разів менше необхідного за технічними умовами.
На Харківському підприємстві СПКТБЕ НВО "Електроапарат" проводилися роботи з вирішення цієї проблеми, а саме, зменшенню перевищення температури нагрівання обмоток електромагнітного приводу в тривалому режимі роботи, не погіршуючи інші параметри (тягові електромагнітні сили, динаміку пристрою, габаритні розміри), шляхом зміни обмотувальних даних пускової і утримуючої обмоток і форми опорних поверхонь робочого зазору. Однак, досліджені варіанти конструкції не привели до істотного зниження температури обмоток. Таким чином, для розв'язання вказаної проблеми потрібно проведення комплексу теоретичних досліджень і експериментальних випробувань у зв'язку з її складністю.
Необхідність проведення таких досліджень диктується актуальністю проблеми безпечної роботи атомних електростанцій як для атомної енергетики, так і для всієї України.
Запропоновані і науково обгрунтовані технічні рішення, отримані в представленій роботі, дозволяють істотно підвищити надійність розроблюваних електромагнітних приводів за рахунок зменшення перевищення температури нагрівання обмоток, поліпшити техніко-економічних показники (збільшення тягової електромагнітної сили в пусковому і утримуючому режимах роботи, зменшити час спрацьовування при зменшенні об'єму активних обмотувальних матеріалів), зберігаючи габаритні розміри пристроїв.
Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Подана на розгляд робота була виконана відповідно з госпдоговором між ХДПУ і СПКТБЕ НВО "Електроапарат" за номером 33528 "Розробка рекомендацій до проектування імпульсних електромагнітних клапанів АЕС" від 01.02.1997 р, зв'язаним з галузевими планами даного підприємства.
Результати роботи, поданої в дисертації, спрямовані на удосконалення конструкції електромагнітних приводів, що працюють у високотемпературних гідротрубопроводах АЕС, зокрема, електромагніта відсічного клапана, який розроблювався в СПКТБЕ НВО "Електроапарат" і зв'язані з основними напрямками наукової роботи кафедри електричних апаратів.
Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка рекомендацій по підвищенню надійності електромагнітних приводів, що працюють у високотемпературних трубопроводах АЕС, зокрема електромагнітів відсічных клапанів (ЕМВК), шляхом зниження перевищення температури нагрівання в тривалому режимі роботи при не погіршенні тягових (статичних і динамічних) характеристик, часу спрацьовування і зберіганні габаритних розмірів пристроїв.
Як випливає з загальних співвідношень для електромагнітів постійного струму, зменшити потужність, що виділяється, а, отже, і температуру нагрівання електромагнітного механізму при заданій напрузі мережі можна за рахунок зменшення поперечного перерізу обмотувального проводу, або за рахунок збільшення середньої довжини витка, або за рахунок збільшення числа витків. Однак, зменшення поперечного перерізу обмотувального проводу приводить до зменшення магніторушійної сили (МРС) котушки і, як наслідок, до зменшення електромагнітної сили. Збільшення середньої довжини витка приводить також до зменшення МРС котушки, збільшенню габаритних розмірів і погіршенню умов охолодження електромагніта. Збільшення числа витків приводить до підвищеної витрати обмотувального проводу, збільшенню габаритних розмірів пристрою і зниженню швидкодії. Отже, досягнення поставленої мети можливо тільки на підставі всебічного комплексного аналізу процесів, що характеризують роботу електромагнітного механізму.
Для досягнення поставленої мети дисертаційної роботи, виникає необхідність у постановці і вирішенні наступних задач:
аналіз науково-технічної літератури і проведення огляду існуючих методів розрахунку статичних, теплових і динамічних характеристик форсованих електромагнітів постійного струму;
розробка методики, алгоритмів і програм, а також проведення розрахунків по визначенню статичних тягових характеристик електромагнітного приводу з внутрішніми комірцями в залежності від геометричних розмірів, форми робочого повітряного зазору, величини МРС і ходу якоря;
рішення задачі розрахунку максимальних значень перевищення температур обмоток електромагнітного механізму в тривалому режимі роботи і визначення мінімально-припустимих ампервитків і значень електромагнітних сил механізму в пусковому і утримуючому режимах роботи в залежності від геометричних розмірів, числа витків і перевищення температури;
розробка методики, алгоритмів, програм і проведення розрахунків динамічних тягових характеристик електромагнітних механізмів з внутрішніми комірцями та урахуванням власних індуктивностей розсіювання пускової і утримуючої обмоток;
аналіз отриманих результатів і розробка критерію оцінки ефективності запропонованих варіантів конструкції стосовно до розглянутого класу електромагнітних механізмів і вибір рішень, що відповідають поставленій меті;
здійснення практичної перевірки результатів і реалізація отриманих нових технічних рішень.
Наукова новизна одержаних результатів пов'язана з тим, що:
запропоновано математичну модель і алгоритм розрахунку електромагнітних приводів із внутрішніми комірцями на підставі розрахунку розгалуженого нелінійного багатоконтурного магнітного кола;
запропоновані методика й алгоритм розрахунку динамічних характеристик електромагнітного приводу з внутрішніми комірцями та урахуванням власних індуктивностей розсіювання котушок;
сформульовано критерій порівняльної оцінки ефективності роботи для розглянутого класу електромагнітних механізмів у притягнутому положенні якоря, що дозволяє співставляти різні варіанти конструкції і вибирати найбільш сприятливі.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тім, що:
розроблені методики реалізовані у вигляді комп'ютерних програм розрахунку статичних і динамічних характеристик, теплового розрахунку форсованих електромагнітів постійного струму з внутрішніми комірцями;
розроблено рекомендації по зміні конструкції електромагнітного механізму, спрямовані на досягнення поставленої мети відповідно до перерахованих задач.
Результати і рекомендації, отримані в представленій роботі, були враховані і практично реалізовані в СПКТБЕ НВО "Електроапарат", м. Харків. За результатами роботи були виготовлені дослідні зразки електромагніта відсічного клапана з урахуванням отриманих рекомендацій. Випробування виготовленого дослідного зразка дали позитивні результати, що дозволяє зробити висновки про адекватність математичних моделей реальним фізичним явищам і, отже, достовірності теоретичних положень дисертаційної роботи, а також впровадити у виробництво удосконалений електромагнітний механізм, що відповідає необхідним характеристикам. Удосконалені електромагніти відсічного клапанна будуть встановлюватися в системі безпеки Запорізької атомної електричної станції і станціях аналогічного класу. У перспективі намічається постачання зазначеної продукції в країни ближнього зарубіжжя на аналогічні станції.
Особистий внесок здобувача. Основні результати, приведені в дисертаційній роботі, опубліковані в співавторстві. Особистий внесок автора міститься в розробці математичної моделі процесів в електромагнітах з внутрішніми комірцями, розробці алгоритмів і комп'ютерних програм, проведенні розрахунків по розроблених програмах, формулюванні критерію оцінки порівняльної ефективності роботи електромагнітного механізму в притягнутому положенні якоря, участь у розробці рекомендацій по удосконаленню конструкції електромагніта відсічного клапана. У [1 - 6] автором розроблені методики, алгоритми і комп'ютерні програми з розрахунку магнітних, теплових і динамічних процесів в електромагнітних механізмах з внутрішніми комірцями, сформульовано критерій порівняльної оцінки ефективності і отриман ряд рекомендацій з удосконалення конструкції. Так у статті [1], автором розроблена математична модель розрахунку нелінійного розгалуженого магнітного ланцюга електромагніта з двома внутрішніми комірцями. У роботі [2] розроблена математична модель та дана оцінка впливу індуктивності розсіювання на динамічні характеристики електромагнітного механізму. В працях [3,6] автором розроблена модель теплових розрахунків електромагнітного механізму та запропоновано теплову схему заміщення розрахунку електромагнітного механізму на підставі поєднання аналітичного методу і методу теплового опору. У [4] авторові належать розрахунки та теоретичний аналіз можливих технічних рішень по удосконаленню електромагнітних механізмів систем безпеки атомних електричних станцій. У [5] автором запропоновано критерій порівняльної оцінки ефективності електромагнітного приводу клапанів високого тиску та проведен порівняльний аналіз запропонованих конструкцій.
Апробація результатів дисертації. Результати, отримані в ході виконання даної роботи, обговорювалися на Міжнародній конференції MicroCAD-98, "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье" (Харків, Україна - Мішкольц, Угорщина - Магдебург, Німеччина), що відбулася в Харківському державному політехнічному університеті, м. Харків, 1998 р., а також на різних науково - технічних засіданнях, що проводилися як на кафедрі електричних апаратів Харківського державного політехнічного університету, так і на підприємстві - виробникові разом з представниками інженерно - технічних служб замовника у 1997-1998р.р.
Достовірність отриманих результатів доведена експериментальними дослідженнями і випробуваннями, що були здійснені в СПКТБЕ НВО "Електроапарат" на макетних і дослідних зразках, а також актом впровадження.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей у фахових виданнях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 232 стор., з них додатки, кількістю 6, займають 66 стор., список використаних джерел, кількістю 164 найменування, - 15 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми згідно з зв'язком з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета роботи, показана її наукова новизна і позначено практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі проведено огляд літератури по темі, вибір напрямку і задачі дослідження, виконано аналіз існуючих методів розрахунків електромагнітних систем постійного струму. Відзначено, що розрахунок електромагнітного клапана являє собою комплексну задачу, яка включає проведення електромагнітних, теплових і динамічних розрахунків з урахуванням обмежень, що накладаються на систему рівнянь. Проведений аналіз технічної літератури свідчить про недостатню кількість даних з розрахунку електромагнітних механізмів з внутрішніми комірцями і повною відсутністю даних з розрахунку двохкомірцевих електромагнітів з урахуванням потоків розсіювання намагнічуючих котушок і падіння магнітних потенціалів вздовж комірця. Важливе значення розробки методів розрахунку електромагнітних механізмів, що мають внутрішні комірці з урахуванням розподілу магнітного потенціалу вздовж комірця і розрахунків динамічних процесів з урахуванням власної індуктивності розсіювання котушок електромагніта, визначається особливими вимогами, що випливають з умов експлуатації електромагнітних приводів зазначеного вище типу, з метою підвищення надійності їхньої роботи і безпекою експлуатації.
Другий розділ присвячено розрахунку статичних тягових характеристик електромагнітних механізмів із внутрішніми комірцями та розробці методики й алгоритмів розрахунку статичних тягових характеристик двохкомірцевого електромагнітного електромагніта; вибору необхідних ампервитків у початковому і кінцевому положенні якоря; методиці розрахунку теплових процесів у форсованому броньовому електромагніті з урахуванням схем підключення обмоток і визначення необхідних обмотувальних даних відповідно до конкретних вимог, запропонованих до конструкції на основі отриманої математичної моделі.
Алгоритми, реалізовані у виді комп'ютерних програм, дозволяють проводити різноманітні розрахунки і порівняльні оцінки різних варіантів конструкції. У даному розділі розглянуто узагальнений алгоритм розрахунку двохкомірцевих електромагнітів з використанням еквівалентних схем заміщення багатоконтурного нелінійного магнітного кола і методику розв'язання систем нелінійних рівнянь на основі методу виключення з наступним зниженням порядку системи рівнянь.
На рис.1 зображений (половина, через осьову симетрію) загальний вигляд електромагнітної системи розглянутого електромагніта. З рис.1 випливає, що розглянутий електромагніт можна умовно поділити на п'ять характерних зон, а саме, зони внутрішніх комірців(дві зони), повітряного робочого зазору та зони якоря і сердечника, що виступають за межі комірців.
Згідно з методом електричної аналогії, кожна з характерних зон поділена на елементарні ділянки, на яких значення магнітної індукції і магнітного потоку приймаються постійними величинами. Зміна цих величин від ділянки до ділянки відбувається за рахунок потоків розсіювання. З збільшенням кількості елементарних ділянок, точність розрахунків збільшується і не поступається методам кінцевих різниць. У той же час, даний метод має деякі переваги, у порівнянні з методом кінцевих різниць.
Розрахункова схема заміщення (рис.2) являє собою для кожної із характерних зон багатооконтурне нелінійне розгалужене магнітне коло, розрахунки якого зводяться до системи з декількох десятків нелінійних алгебраїчних рівнянь. Розв'язання таких систем представляє значні обчислювальні складності за рахунок надзвичайно поганої збіжності традиційних методів розв'язання через істотну нелінійність кривої намагнічування системи. Для розрахунку такої системи використовується алгоритм, що дозволяє звести розв'язання системи з багатьох нелінійних рівнянь послідовно до розв'язання системи з чотирьох нелінійних рівнянь (1-4).
Перевага даного методу розрахунків полягає в тому, що при збільшенні числа елементарных ділянок, не підвищується порядок розв'язуваної системи рівнянь.
|
(1) |
|
|
(2) (3) |
|
|
(4) |
У (1-4) , - магнітні потоки у верхньому фланці і верхній частині сердечника; , - магнітні потоки в нижній частині фланця і сердечника; - сумарне падіння магнітного потенціалу по замкнутому колу.
Алгоритм обчислення потоків (див. рис.2):
Задаємося довільними значеннями потоків і .
Розраховуємо параметри системи в першій зоні.
Умови безперервності потоків на виході першої зони можна представити у вигляді рівняння (1), розв'язання якого уточнює потік при заданому довільному значенні .
Розраховуємо параметри схеми в 2-й - 4-й зонах.
Задаємося довільними значеннями потоків , .
Умови безперервності потоків на вході п'ятої зони можна представити у вигляді системи рівнянь (2 - 3), розв'язання якої уточнює потоки і при заданому довільному значенні .
Перевіряємо умову (4). Якщо умова (4) виконується, то розрахунок можна вважати закінченим, якщо ні - треба уточнювати потік і повертатися до п. 2.
Для розв'язання системи рівнянь (2 - 3) була розроблена методика, що полягає в наступному:
У визначених межах довільно задаємо потік .
Вирішуючи рівняння (3), визначаємо .
Підставляючи в (2), корегуємо .
Розв'язання рівняння і корекція потоку робиться за допомогою метода дихотомії, який відноситься до безумовно збіжних методів і гарантує розв'язання зазначеної системи рівнянь. Даний алгоритм може бути узагальнено для систем нелінійних рівнянь більш високого порядку.
Розв'язання зазначених рівнянь дозволяє однозначно визначити магнітні потоки магнітної системи з урахуванням нелінійності, потоків розсіювання Фu і потоків у неробочих зазорах Фn (рис.2). У результаті розрахунку визначаються значення магнітних потоків та індукції в залежності від геометричних розмірів магнітопроводу, сімейство статичних тягових характеристик у залежності від МРС і визначаються мінімально - необхідні значення електромагнітних тягових сил у залежності від протидіючих зусиль і ходу якоря електромагніта.
Отримані результати є вхідними значеннями для розрахунку обмотувальних даних і визначення МРС котушок у пусковому й утримуючому режимах роботи електромагніта на основі методики комбінованого теплового розрахунку броньового електромагніта, що полягає в сполученні аналітичного методу і методу теплових опорів. Такий підхід дозволяє одержати достатню для інженерних розрахунків точність у сполученні з відносно простим алгоритмом розв'язання поставленої задачі, що враховує вплив повітряного прошарку між котушкою і корпусом, а також вплив ребристої поверхні корпуса на характер розподілу і значення перевищення температур нагрівання обмоток. Через те, що теплові параметри схеми (такі як питомий електричний опір обмоток, коефіцієнт тепловіддачі з поверхні) є функцією розшукуваних температур, алгоритм розв'язання поставленої задачі являє собою ітераційний процес, у результаті якого визначаються обмотувальні дані, максимальні температури нагрівання пускової й утримуючої обмоток при різних схемах їх підключення, а також мінімально необхідні і максимально припустимі значення МРС.
У третьому розділі розглянуто особливості розрахунку динамічних характеристик електромагнітних механізмів з урахуванням індуктивності розсіювання та описана методика і алгоритм розрахунку динамічних характеристик двохкомірцевого форсованого броньового електромагніта з урахуванням власної індуктивності розсіювання обмоток. Методика враховує вплив контурів вихрових струмів і короткозамкнених обмоток у процесі спрацьовування електромагніта. Для досягнення поставленої мети здійснюється спільне розв'язання системи диференціальних рівнянь для магнітного кола (5), записаних у векторній формі та електричного (6,7) кола:
|
(5) |
|
|
(6) (7) |
де - вектор магнітних потоків; U - напруга на котушках, яка залежить від схеми їх з'єднання та переключення; I - струми пускової і утримуючої обмоток, які залежать від схеми їх з'єднання та переключення; R - активний опір пускової і утримуючої обмоток; L - індуктивність розсіювання пускової і утримуючої обмоток; W - число витків пускової і утримуючої котушок; - потік системи, приведений по потокозчепленню.
|
(8) (9) |
де m -приведена до якоря маса рухомих частин електромагніта; V - швидкість; Q - електромагнітна сила; Qc - протидіюча сила.
Кінцево - різницевий аналог системи (5) і алгоритм зниження порядку системи, дозволяє привести систему (5) до системи аналогічної (1 - 4) для кожного к+1 моменту часу, що разом із системою рівнянь електричного кола (6 - 7) і рівняннями руху якоря електромагніта (8 - 9) дає розв'язання поставленої задачі. Частина розрахункової схеми заміщення магнітного кола з урахуванням впливу противо - МРС (Fki, Fbi, Fci), викликаних впливом вихрових струмів у магнітопроводі, показана на рис.3.
Результатом розв'язання отриманих систем рівнянь (5 - 9) (здійсненого чисельними методами) є залежності в функції часу тягових електромагнітних сил, швидкості, шляху і струмів обмоток від геометричних, теплових і обмотувальних параметрів електромагніта. Всі алгоритми, наведені в розділі, реалізовані у вигляді комп'ютерних програм.
Як приклад, на рис.4 наведені залежності струмів пускової й утримуючих котушок електромагніта в процесі його вмикання для одного з варіантів конструкції.
Четвертий розділ присвячений розробці і впровадженню рекомендацій по удосконаленню електромагнітів відсічних клапанів електромагнітних приводів високотемпературних гідротрубопроводів систем безпеки атомних електричних станцій. У розділі розглянуто і проаналізовано фактори, що впливають на статичні, теплові і динамічні характеристики електромагнітного клапана.
Розроблено рекомендації по удосконаленню конструкції і зміні обмотувальних даних електромагніта з метою зниження перевищення температури нагрівання електромагніта, збільшення значення тягових електромагнітних сил і зменшення часу спрацьовування при зберіганні наявних габаритних розмірів і зниженні загальних витрат обмотувального матеріалу до 25% у залежності від варіанта запропонованої конструкції. Запропоновано критерії оцінки порівняльної ефективності варіантів конструкції, на підставі яких визначено найкращі варіанти з погляду вимог до електромагніта. На рис.5 показана залежність критерію ефективності електромагніта від діаметру осердя для одного з запропонованих варіантів конструкції в залежності від вугла при вершині воздушного зазора.
Показано вплив власної індуктивності розсіювання обмоток на швидкодію електромагніта.
Запропоновані варіанти конструкції дозволяють зменшити перевищення температури нагрівання електромагніта на (30 - 60)% при збільшенні пускової (у 1,3 - 1,6 рази) і утримуючої (у 1,1 - 1,65 рази) електромагнітних сил в порівнянні з наявним базовим варіантом, що дозволяє істотно підвищити надійність електромагнітного механізму.
Вказані удосконалення досягаються:
збільшенням діаметра сердечника електромагніта і зміною форми робочого повітряного зазору, що дозволяє перерозподілити падіння магнітного потенціалу і підвищити значення пускової й утримуючої сил;
зміною обмотувальних даних і удосконаленням конструкції котушки, що дозволяють знизити перевищення температури нагрівання за рахунок поліпшення умов охолодження.
ВИСНОВКИ
1.У результаті аналізу літератури і стану проблеми за темою дисертаційної роботи сформульовані мета та задачі дослідження, що дозволяють одержати науково обгрунтовані методики, спрямовані на розв'язання конкретної науково - технічної задачі - розробку рекомендацій по удосконаленню електромагнітного приводу форсованого електромагніта відсічного клапана систем безпеки атомних електричних станцій з метою підвищення надійності і поліпшення техніко - економічних показників у порівнянні з наявним, шляхом збільшення електромагнітних сил у початковому і кінцевому положеннях якоря, зниження перевищення температури нагрівання котушок, зменшення часу спрацьовування і зниження витрат активних матеріалів при зберіганні габаритних розмірів пристрою, що має істотне значення для теорії і практики як для електроапаратобудування, так і для України в цілому.
2.Запропоновано і реалізовано у вигляді комп'ютерних програм методики розрахунку і оцінки ефективності двохкомірцевих броньових форсованих електромагнітів постійного струму, а саме:
сформульовано математичну модель і розроблено методику розрахунку статичних тягових характеристик електромагнітних механізмів із внутрішніми комірцями з урахуванням падіння магнітних потенціалів по їхній довжині на підставі розрахунку розгалуженого нелінійного багатоконтурного магнітного кола;
розроблено і реалізовано у вигляді комп'ютерної програми методику розв'язання системи з двох нелінійних алгебраїчних рівнянь, яка базується на методі дихотомії і яка може бути застосована до розв'язання систем рівнянь вищого порядку;
сформульовано математичну модель і розроблено методику розрахунку динамічних характеристик електромагнітного механізму з внутрішніми комірцями з урахуванням впливу короткозамкнених обмоток і вихрових струмів на кожній ділянці магнітопровода, а також власних індуктивностей розсіювання котушок на підставі розрахунку розгалуженого нелінійного багатоконтурного магнітного кола при різних схемах підключення обмоток;
сформульовано критерій порівняльної оцінки ефективності роботи електромагнітного приводу в притягнутому положенні якорі для розглянутого класу електромагнітних механізмів, що дозволяє зіставляти різні варіанти конструкції і вибирати найбільш сприятливі.
3.Запропоновані в роботі технічні рішення дозволяють істотно поліпшити техніко - економічні показники електромагніта, а саме:
одержати значний запас (у 1,1 - 1,65 рази) по пусковій і утримуючій силам за рахунок вибору відповідного діаметра сердечника і форми робочого повітряного зазору внаслідок перерозподілу падіння магнітного потенціалу між магнітопроводом і повітряним зазором;
істотно (на 30% - 60%) знизити перевищення температури нагрівання обмоток у тривалому режимі роботи за рахунок зміни обмотувальних даних і змін в конструкції котушки за рахунок поліпшення умов її охолодження;
підвищити на (12-15)% швидкодію електромагнітного механізму за рахунок раціонального вибору діаметра сердечника і форми робочого повітряного зазору внаслідок перерозподілу падіння магнітного потенціалу між магнітопроводом і повітряним зазором у пусковому режимі і відповідному збільшенні тягової електромагнітної сили, а також за рахунок зменшення впливу дії коротко замкненої обмотки, що демпфірує магнітний потік, внаслідок збільшення її опору шляхом зміни обмотувальних даних, а також зменшенням індуктивності пускової обмотки;
на підставі розробленого критерію оцінки ефективності вибрати найбільше сприятливий варіант конструкції електромагніта з точки зору пред'явлених до нього вимог, ефективність якого в (1,3-1,58) рази вище прототипу;
знизити сумарну витрату активних матеріалів до 25% у залежності від обраного варіанта.
4.Достовірність отриманих у дисертаційній роботі результатів підтверджується експериментальними дослідженнями, які було виконано на макетних і експериментальних зразках в СПКТБЕ НВО "Електроапарат".
5.Впровадження у виробництво зазначеного електромагнітного механізму підтверджено відповідним актом.
6.Основні результати роботи, отримані у вигляді рекомендацій і методів розрахунку форсованих двохкомірцевих електромагнітів постійного струму електромагнітних приводів, реалізовані у вигляді комп'ютерних програм, які можуть бути використані як при розробці нових апаратів, так і удосконаленні наявних конструкцій, а також у дослідних зразках.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ
ДИСЕРТАЦІЇ
Е.И.Байда, Ф.П. Чалый. Алгоритм расчета разветвленной магнитной цепи втяжных электромагнитов с внутренними воротничками //. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сборник научных трудов ХГПУ. Вып. 6. В четырех частях. Ч. 2. - Харьков:ХГПУ. -1998. - С. 206-210.
Е.И.Байда, Ф.П.Чалый. Влияние индуктивности рассеяния на динамические характеристики форсированных электромагнитов // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сборник научных трудов ХГПУ. Вып. 6. В четырех частях. Ч. 2. - Харьков: ХГПУ. -1998. - С. 211-214.
Е.И.Байда, А.М. Рывкина. Исследование нагрева электромагнитного механизма в продолжительном и повторно-кратковременном режимах работы // Вестник Харьковского политехнического института. Вып. 17. -№ 5. -1992. - С. 61-64.
Б.В Клименко, д-р техн. наук, Е.И.Байда. Усовершенствованные электромагниты отсечного клапана систем безопасности атомных электрических станций // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Вып. 25. -1998. - С. 3 - 5.
Е.И. Байда. Критерий оценки эффективности электромагнитного привода высокотемпературных клапанов гидротрубопроводов высокого давления // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Вып. 37. -1998. - С. 91 - 93.
Е.И.Байда. Тепловая схема замещения броневого электромагнитного механизма // Вестник Харьковского государственного политехнического университета.Новые решения в современных технологиях. Вып. 47. - 1999. - С. 75 - 76.
Байда Є.І. "Удосконалені електромагніти систем безпеки атомних електричних станцій". - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.
Дисертація присвячена удосконаленню форсованих двохкомірцевих електромагнітів систем безпеки атомних електричних станцій з метою підвищення надійності за рахунок зменшення перевищення температури нагрівання обмоток, збільшення тягової сили, зменшення часу спрацьовування і зменшенні об'єму активних обмотувальних матеріалів. Розроблено методики розв’язання системи нелінійних рівнянь для розгалуженого магнітного кола і розрахунку статичних, теплових та динамічних характеристик двохкомірцевого форсованого електромагніта. Запропоновано критерій оцінки ефективності електромагнітів, які працюють при притягнутому якорі. Розроблено рекомендації та програми розрахунку з удосконалення конструкції. Основні результати роботи знайшли промислове впровадження при розробці і проектуванні нових апаратів, а також удосконаленні наявних конструкцій.
Ключові слова: електромагніт, двохкомірцевий, статичні, теплові, динамічні характеристики, критерій оцінки ефективності.
Baida E.I. "Improved Electromagnets for Atomic Power Station (APS) Safety Systems". - Manuscript.
Dissertation for the degree of Candidate of Technical Seances, specialty 05.09.01 - "Electric Machines and Apparatus". Kharkov State Polytechnic University, Kharkov, 1999.
The dissertation is devoted to the problems of developing forced electromagnets of cutoff valves (EMCV) with two internal magnetic shunts for APS safety systems. The purposed of the work has been to enhance the reliability of electromagnetic drives by decreasing excess temperature of winding, increasing electromagnetic pull, reducing loath activation time and the volume of active materials. A technique for solving a set of non - linear equations for the ramified magnetic circuit is developed. A method for calculating static, thermal and dynamic characteristics of EMCV with two internal magnetic shunt is offered. A criterion for the evaluation of effectiveness of electromagnets operating in the attracted position of the anchor is developed. Recommendations on the development of EVCV design as well as related calculation program are provided. The main results of the work have found industrial application in developing and designing new apparatus as well as improving existing design.
Key words: electromagnetic drive, forced electromagnet, cutoff valve, magnetic shunt, static, thermal, dynamic characteristics, criterion for evaluation.
Байда Е.И. "Усовершенствованные электромагниты систем безопасности атомных электрических станций". - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена вопросом усовершенствования форсированных двухворотничковых электромагнитных механизмов систем безопасности атомных электрических станций, в частности электромагнитов отсечных клапанов, с целью повышения надежности разрабатываемых электромагнитных приводов за счет уменьшения превышения температуры нагрева обмоток, увеличения тяговой электромагнитной силы в пусковом и удерживающим режимах работы, уменьшения времени срабатывание при уменьшении объема активных обмоточных материалов при сохранении габаритные размеров устройств. Как следует из общих соотношений для электромагнитов постоянного тока, уменьшить выделяемую мощность, а, следовательно, и температуру нагрева электромагнитного механизма при заданном напряжении сети можно за счет уменьшения сечения обмоточного провода, либо за счет увеличения средней длины витка, либо за счет увеличения числа витков. Однако, уменьшение сечения обмоточного провода приводит к уменьшению магнитодвижущей силы (МДС) катушки и, как следствие, к уменьшению электромагнитной силы. Увеличение средней длины витка приводит также к уменьшению МДС катушки, увеличению габаритных размеров и ухудшению условий охлаждения электромагнита. Увеличение числа витков приводит к повышенному расходу обмоточного провода, увеличению габаритных размеров устройства и снижению быстродействия. Следовательно, достижение поставленной цели возможно только на основании всестороннего комплексного анализа процессов, характеризующих работу электромагнитного механизма.
В диссертации разработана методика расчета на ЭВМ нелинейной разветвленной магнитной цепи на основании метода электрической аналогии, суть которой заключается в сведении нескольких десятков нелинейных уравнений к решению четырех нелинейных уравнений. Достоинство метода заключается в достаточной простоте его реализации. Кроме того, при увеличении числа элементарных участков, данный метод по точности приближается к методу конечных разностей. Однако при этом, увеличение числа элементарных участков не приводит к повышению порядка решаемой системы уравнений, что так же является несомненным преимуществом предложенного метода. Решение соответствующей системы нелинейных уравнений базируется на методе дихотомии. Достоинство предлагаемой методики заключается в абсолютной сходимости метода.
Осуществлены статические, тепловые и динамические расчеты двухворотничковых форсированных электромагнитных приводов отсечных клапанов систем безопасности АЭС.
Результатом расчета являются статические тяговые характеристики электромагнитного механизма в зависимости от величины, формы рабочего воздушного зазора и геометрии магнитопровода, позволяющие определить необходимые электромагнитные силы при заданной характеристике противодействующих сил.
Полученные данные используются в качестве входных для теплового расчета. На основании теплового расчета определяются максимальные температуры нагрева пусковой и удерживающей обмоток, рассчитываются их параметры и определяются минимально-необходимые значения ампервитков системы.
Динамические расчеты электромагнитного механизма проводились с учетом влияния собственной индуктивности рассеяния обмоток и учетом влияния демпфирующего действия короткозамкнутых обмоток и вихревых токов для различных схем подключения. Показано влияние собственной индуктивности рассеяния обмоток на время срабатывания.
Сформулирован критерий сравнительной оценки эффективности электромагнитов, работающих при притянутом якоре. Дана оценка и сопоставление различных вариантов конструкции электромагнитов систем безопасности АЭС.
Разработаны рекомендации по усовершенствованию конструкции электромагнитных механизмов, позволяющие существенно повысить надежность и улучшить технико-экономические показатели, в частности электромагнитов отсечных клапанов.
Основные результаты работы нашли промышленное применение при разработке и проектировании новых аппаратов, а также усовершенствовании имеющихся конструкций.
Ключевые слова: электромагнитный привод, форсированный электромагнит, отсечной клапан, двухворотничковый, статические, тепловые, динамические характеристики, критерий оценки эффективности.