Моделирование динамических процессов в электромагнитных преобразователях энергии для систем генерирования силовых воздействий и низкочастотных вибраций

Abstract

При сейсморазведке полезных ископаемых широко применяется технология формирования сейсмических волн источниками механических воздействий на землю. Для генерирования силовых воздействий и низкочастотных вибраций целесообразно использование линейных электромеханических преобразователей энергии электромагнитного типа. Актуальность исследования обусловлена необходимостью совершенствования методик расчета электромагнитных преобразователей в динамических процессах. В особенности это касается вопросов учета влияния насыщения стальных элементов конструкции магнитопровода и потерь активной мощности от действия вихревых токов динамические характеристики преобразователя. Цель работы заключается в схемной реализации динамической модели электромагнитного преобразователя и разработке устойчивых алгоритмов расчета модели методами структурного моделирования в среде Matlab Simulink, позволяющих производить анализ электромагнитных процессов в нестационарных режимах с учетом насыщения в стальных элементах конструкции и потерь мощности от действия вихревых токов. Методы исследований. Расчет электромагнитных процессов выполнен с помощью программы Simulink, входящей в состав программного пакета Matlab7.12.0(R211a). Результаты. Приведено математическое описание мощности потерь из условия равенства потерь в ферромагнитных элементах конструкции магнитопровода и потерь в короткозамкнутом контуре при синусоидальном изменении тока. Учет данных потерь приближенно рассматривается как действие дополнительного короткозамкнутого контура, сцепленного с основным магнитным потоком, созданным намагничивающей обмоткой катушки. Основу расчетной математической модели составляют дифференциальные уравнения электрического и магнитного равновесия, полученные для обобщенной нелинейной схемы замещения катушки и позволяющие учесть влияние возникающих в массивном магнитопроводе вихревых токов, а также потоков рассеяния. Предложены алгоритмы расчета и варианты схемной реализации динамических моделей нелинейной катушки индуктивности с использованием аппарата структурного моделирования, которые могут быть положены в основу расчета динамических рабочих процессов силовых электромагнитных виброударных приводов с целью улучшения их характеристик. Результаты расчетов по представленным в работе алгоритмам полностью согласуются с классическими положениями теории нелинейной электротехники и результатами физического эксперимента. В качестве примера приведены результаты расчета, подтверждающие качественное соответствие результатов моделирования с использованием аппарата структурных схем известным результатам физического эксперимента. В работе также получены рекомендации по выбору параметров структурной модели электромагнитного преобразователя, гарантирующие устойчивые алгоритмы при его расчетах.

Mechanical source effect on the ground is a seismic wave generation technology widely used in minerals seismic exploration. Force effect and low-frequency vibration generation systems are advantageous because of electromagnet-based electromechanical energy converters. The improvement of such converters design methods is an actual problem. This concerns especially the issues of considering the influence of steel elements saturation in magnetic core construction and losses of active power caused by eddy currents. The aim of the research is to design the electromagnetic converter dynamic model and to develop stable design algorithms with structure modeling methods in Matlab Simulink which are capable of analyzing non-stationary electromagnetic processes with respect to steel elements saturation and eddy-current losses. Research methods. Electromagnetic processes have been simulated in Matlab 7/12/0 (R2011a) Simulink. Results. The paper introduces the mathematical description of power losses with respect to equality of losses in magnetic core ferromagnetic elements and in the short-circuit contour when current is sinusoidal. The losses influence is approximately taken into account as an additional short-circuit contour linked with the main magnetic flux generated by the magnetizing winding of the inductor. The design model consists of electrical and magnetic balance differential equations derived for a non-linear equivalent circuit of the inductor. This model permits to take into account eddy currents in the solid magnetic core and leakage fluxes. The proposed design algorithms and circuit implementation of dynamical models of a non-linear inductor obtained by structured simulation can be accepted as the base of the design of dynamical operation processes in power electromagnetic vibroimpact drives to improve their characteristics. The results of calculations with the algorithms stated in the paper completely agree with classical statements of the non-linear electrical circuit theory and physical experiments results. Some examples of calculations approving structured simulation results coincide qualitatively with physical experiment results. There are several recommendations for choosing electromagnetic converter structured model parameters providing design algorithms stability.