Proceedings - Международная научная студенческая конференция

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
ПРАВИТЕЛЬСТВО НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МЕЖВУЗОВСКИЙ ЦЕНТР СОДЕЙСТВИЯ
НАУЧНОЙ И ИННОВАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ
МАТЕРИАЛЫ
52-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ
НАУЧНОЙ СТУДЕНЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ
МНСК–2014
11–18 апреля 2014 г.
МЕХАТРОНИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ
Новосибирск
2014
УДК 621
ББК 32.85
Конференция проводится при поддержке
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Российского фонда фундаментальных исследований,
Правительства Новосибирской области,
инновационных компаний России и мира,
Фонда «Эндаумент НГУ»
Материалы 52-й Международной научной студенческой конференции
МНСК-2014: Мехатроника и автоматизация / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2014. 61 с.
ISBN 978-5-4437-0257-5
Научный руководитель секции – д-р техн. наук, проф. Н. И. Щуров
Председатель секции – д-р техн. наук, проф. В. Н. Аносов
Ответственный секретарь секции – В. С. Курбатов
Экспертный совет секции:
канд. техн. наук, доцент каф. ЭТК НГТУ В. В. Бирюков
д-р техн. наук, проф., зав. каф. Электрофикация и автоматизация сельского хозяйства НГАУ В. Н. Делягин
канд. техн. наук, доцент каф. ЭМ НГТУ В. В. Пастухов
канд. техн. наук, доцент каф. ЭАПУ НГТУ Д. А. Котин
канд. техн. наук, доцент каф. ЭТК НГТУ Е. А. Спиридонов
канд. техн. наук, доцент каф. ЭТК НГТУ А. В. Мятеж
УДК 621
ББК 32.85
ISBN 978-5-4437-0257-5
© Новосибирский государственный
университет, 2014
NOVOSIBIRSK NATIONAL RESEARCH STATE UNIVERSITY
SIBERIAN BRANCH OF RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES
GOVERNMENT OF THE NOVOSIBIRSK REGION
NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERISTY
INTERUNIVERSITY CENTER FOR SUPPORT OF THE SCIENTIFIC
AND INNOVATION ACTIVITIES OF THE STUDENTS
AND YOUNG SCIENTISTS
PROCEEDINGS
OF THE 52nd INTERNATIONAL STUDENTS
SCIENTIFIC CONFERENCE
ISSC-2014
April, 11–18, 2014
MECHATRONICS AND AUTOMATION
Novosibirsk, Russian Federation
2014
The conference is held with the significant support
of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
Russian Foundation for Basic Research,
Novosibirsk Region Government.
Proceedings of the 52nd International Students Scientific Conference. Mechatronics and automation / Novosibirsk State University. Novosibirsk, Russian
Federation. 2014. 61 pp.
ISBN 978-5-4437-0257-5
Section scientific supervisor – Dr. Tech., Prof N. I. Schurov
Section head – Dr. Tech., Prof V. N. Anosov
Responsible secretary – V. S. Kurbatov
Section scientific committee:
Cand. Tech. V. V. Biryukov, Dr. Tech. V. N. Deljagin,
Cand. Tech. V. V. Shepherds, Cand. Tech. D. A. Kotin, Cand. Tech.
E. A. Spiridonov, Cand. Tech. A. V. Mutiny
ISBN 978-5-4437-257-5
© Novosibirsk State University, 2014
АВТОМАТИЗАЦИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
УДК 621.365.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ
ТРЕХФАЗНОГО НЕСИММИТРИЧНОГО
ЭЛЕКТРОПЕЧНОГО КОНТУРА С ДУГАМИ
А. В. Агарин
Новосибирский государственный технический университет
Расчеты токов, напряжений и мощностей в цепях дуговых электропечей представляют большой практический интерес. На их основе определяется самый выгодный режим работы печи, выбираются установки, и производится настройка автоматических регуляторов мощности, релейной
защиты печи, проектируется подводящая сеть.
Общий метод расчета трехфазных несимметричных цепей с дугами
может быть получен на основании законов Кирхгоффа и векторной диаграммы токов и напряжений фаз. В этом методе при учете зависимости
электропроводимости дуг от тока, всех видов сопротивлений подводящей
сети и всех видов несимметрии трехфазной цепи математическая модель
представляет собой систему нелинейных уравнений третьего порядка, которая была решена методом Ньютона-Рафсона.
Для реализации этого метода был использовано приложение MS Excel с
макропрограммированием на VBA. Модель была апробирована при слехb=3,5 мОм;
дующих
параметрах
установки:
xa=хc=3,8 мОм;
ra=rc=0,43 мОм; rb=0,4 мОм. Напряжение на дугах менялось от 0 В до
400 В, с шагом 50 В. В процессе исследования были рассчитаны зависимости тока и мощности дуги от изменяемого напряжения.
Расчеты показали, что для выбранного диапазона параметров короткой
сети и источника питания при увеличении напряжения на дуге сила тока
снижается. В свою очередь мощность по мере увеличения напряжения
возрастает. В промежутке от 300 В до 350 В она достигает своего максимума, а затем снижается. Можно говорить о том, что при напряжении на
дугах в 300…350 В будет наиболее выгодный режим работы данной установки. При этом уровень несимметрии токов на фазе был получен около
4%.
Кроме этого, установлено, что на уровень несимметрии влияет соотношение активно индуктивных сопротивлений электропечного контура.
Научный руководитель – канд. тех. наук, доцент Л. П. Горева.
5
УДК 628.944
АВТОНОМНЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК
С УНИВЕРСАЛЬНОЙ ЗАРЯДКОЙ
А. И. Андреев, М. А. Копылов, Е. М. Баранова, Ю. С. Кимбер
Новосибирский государственный технический университет
Необходимость поиска и применения энергосберегающих технологий с
каждым днём становится всё актуальнее по причине нескончаемого удорожания электроэнергии. Наиболее перспективной технологией нашего
времени является светодиодное освещение. Главное преимущество светодиодов – низкое энергопотребление.
Распространение светодиодных ламп в быту пока ограничивается высокой стоимостью технологии – зачастую выгода от экономии энергии
сравнима со стоимостью самой лампы. Однако, низкое энергопотребление
имеет решающее значение при питании от ограниченного источника энергии – аккумуляторной батареи или системы возобновляемой энергетики.
Во избежание больших финансовых затрат переход на светодиодное
освещение может выполняться постепенно. В качестве первого шага предложена установка светодиодной настольной лампы малой мощности. Сам
светильник, при этом, предлагается сделать энергетически автономным –
предусмотреть аккумуляторную батарею и возможность её заряда.
Подобный светильник был собран из доступных электронных компонентов и показал возможность автономной работы до четырёх часов. За
основу был взят корпус типовой настольной лампы, который подвергся
следующим конструктивным изменениям: лампа накаливания была заменена на светодиодную матрицу мощностью 2 Вт, а внутри подставки разместились электронные блоки: литий-полимерный аккумулятор ёмкостью
3000 мА*ч, контроллер заряда LiPo Rider Pro и регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения.
Используемый контроллер заряда позволяет получать совместное питание светильника от USB порта персонального компьютера или от солнечного элемента с выходным напряжением до 5,5 В.
Таким образом, предложена схема питания светильника, которая позволяет заряжать аккумулятор днём, когда светильник не используется, и
даже полностью исключить потребление энергии из сети.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Б. В. Малозёмов.
6
УДК 004.94:681.51
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО ТРЕНАЖЕРА
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ЗДАНИЯ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ
И. О. Бирюкова, Т. О. Бирюкова, В. А. Грудев
Инновационный Евразийский университет, г. Павлодар
Проблемы энергосбережения в настоящее время остаются самыми актуальными и широко рассматриваемыми. Наряду со способами контроля,
регулирования выработки и потребления электроэнергии не стоит забывать и про тепловую энергию, которая является основным источником
теплоснабжения жилых зданий, поэтому более точный контроль над регулированием и рациональным использованием теплоты необходим для
улучшения экономического и социального состояния жизни.
С целью формирования навыков регулирования систем теплоснабжения у будущих специалистов-теплоэнергетиков была создана компьютерная программа-тренажер, которая позволяет исследовать режимы автоматического регулирования расхода теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха.
Данная программа может производить расчет для общественноадминистративных зданий различного типа, для чего необходимо только
указать соответствующие параметры самого здания, а температурами
наружного воздуха можно варьировать в пределах от -1 до -40 ºС. Предусматривается возможность создания дежурного режима, при котором в
нерабочее время в помещении будет поддерживаться более низкая температура.
По окончанию работы на монитор выводятся все исходные данные,
данные студента, выполняющего лабораторную работу, и сводная таблица
полученных результатов, на основании которой можно делать определенные выводы. К примеру, какой объем теплоносителя необходимо подать в
систему теплоснабжения, чтобы поддерживать температуру внутри помещения на комфортном для состояния человека уровне в рабочее время
(8:00 до 21:00ч) и обеспечить стабильное функционирование при дежурном режиме.
На данном тренажере студенты смогут выполнять лабораторные работы по дисциплинам «Теория автоматического регулирования» и «Теплоэнергетические системы и энергоиспользование».
Научный руководитель – Ш. М. Шупеева.
7
УДК 625.11
НАТУРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СЕЗОННОГО
ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЕ
И ГРУНТАХ ОСНОВАНИЯ
В. Э. Волхов, В. Е. Голобоков, И. Л. Крамаренко.
Сибирский государственный университет путей сообщения,
г. Новосибирск
Целью работы является изучение изменения температурного поля в дорожной одежде и грунтовом основании с помощью полевого набора представляющего собой гирлянду (сборку) электрических датчиков температуры, расположенной в инженерно-геологической скважине, определить и
выбрать более эффективное мероприятие против пучения грунтов.
Для этого были выполнены следующие задачи: подготовительные работы для проведения испытания; бурение инженерно-геологической скважины; конструирование дорожной одежды; тарировка датчиков; установка
гирлянды; сбор данных; обработка данных.
Для сооружения опытного участка были выполнены земляные работы:
снятие почвенно – растительного грунта на глубину 0.2м и рытье котлована на глубину 0.9 метра по ширине и длине на 5 метров.
Далее пробурена скважина диаметром 32 мм, на глубину 4.5 м. В процессе бурения на первых двух метрах через каждые 50 см и на следующих
2.5 метрах через каждый метр был произведен отбор проб грунта. В
скважину опущена композиционная труба диаметром 30 мм. Полная длина
трубы – 5.0 м. Труба в дорожной одежде разбита на части по 0.1 м.
В разработанном участке устраивается типовая дорожная одежда для 3
климатической зоны. Согласно проекту произведена засыпка песком средней крупности, щебнем и уложена асфальтобетонная смесь. В скважину
устанавливаются датчики для измерения температуры грунта на первые
два метра через 0.1м, на последующую глубину через 0.5м. Показания
снимаются три раза в неделю и заносятся в программу.
С помощью проводимой работы определяются изменения температурного поля в дорожной одежде и в грунтах основания, затем, используя
программу и полученные данные, снятые с электрических датчиков температуры гирлянды, можно будет определить более эффективные мероприятия против пучения грунтов.
Научный руководитель – А. Ю. Лаврова.
8
УДК 621.365.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
КОЛЬЦА ГИДРОПРИЖИМА КОНТАКТНЫХ ЩЁК
РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
А. Н. Добров
Новосибирский государственный технический университет
При проектировании мощных руднотермических печей (РТП) является
актуальной проблема учета потерь энергии в элементах их конструкций,
расположенных вблизи токоведущих частей. Токи в токоподводах РТП
достигают 50÷100 кА. Наводимые в элементах конструкции РТП вихревые
токи приводят к выделению в них активной мощности, разогреву и преждевременному выходу из строя.
Одним из примеров таких элементов конструкции является кольцо
гидроприжима электрододержателя РТП.
Целью данной работы является исследвание тепловых условий, в которых работает прижимное кольцо электрода, в зависимости от материала,
из которого оно изготовлено, для нормального и аварийного режимов работы печи. Аварийная ситуация возникает при прорыве из рабочей зоны
высокоэнергетичного потока газа («свища»), оказывающего непосредственное воздействие на нижнюю поверхность прижимного кольца.
Для достижения поставленной цели, в среде конечно-элементного моделирования ANSYS, была разработана модель системы «электрод – прижимное кольцо», позволяющая решать сопряженную электромагнитную и
тепловую задачу в кольце.
В процессе моделирования были определены температурные поля
прижимных колец (в нормальном и аварийном режимах) выполненных из
трёх различных материалов: медь, сталь 12Х18Н10Т, Ст3.
Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что в
нормальном режиме работы наиболее в кольце, изготовленном из меди,
происходит меньшее образование накипи и зарастание водоохлаждаемых
каналов. При аварийном режиме кольца из меди способны выдерживать
свищи, что гарантирует стабильную работу электропечи. А кольца из
стали выходят из строя в течении 10 секунд.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Р. А. Бикеев.
9
УДК 621.365: 53.043
СОЗДАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ
ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТОВ ИЗ КРЕМНИЯ И СЕРЕБРА С
ЭФФЕКТОМ ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА.
К. В. Кубрак
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск
Новосибирский государственный технический университет
В настоящее время исследования в области солнечных элементов движутся в направлении повышения их эффективности. Относительно недавно
для повышения эффективности солнечных элементов, созданных на основе
аморфного тонкопленочного кремния, было предложено использовать явление плазмонного резонанса для усиления поглощательной способности
солнечных элементов.
Эффект плазмонного резонанса возникает при внедрении металлических наночастиц в диэлектрическую матрицу. Это явление обусловлено
одной из особенностей некоторых наноразмерных металлических систем  возможностью возбуждать плазмонный резонанс. При совпадении частоты внешнего электромагнитного поля с частотой локализованного
поверхностного плазмона возникает явление так называемого плазмонного
резонанса, приводящее к резкому усилению поля на поверхности частицы
и увеличению сечения поглощения. Известно, что значения резонансных
частот зависят, прежде всего, от параметров самих наночастиц, таких как
размер, форма и материал. Варьирование этих параметров позволяет
настраивать систему резонансов на эффективное взаимодействие со светом.
Предложенный в данной работе метод газоструйного осаждения, позволит
получить такие композитные покрытия, состоящие из наночастиц металла и
кремниевой матрицы, и обладающие свойствами плазмонного резонанса.
Возможной областью применения результатов, полученных в представленной работе, является их использование в интересах энергетики для
повышения КПД солнечных модулей, и возможного снижения финансовых затрат на их реализацию.
Научный руководитель – канд. физ.-мат. наук Н. И. Тимошенко.
10
УДК 621.365.5
НАГРЕВ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ В ИНДУКЦИОННОЙ
СИСТЕМЕ НА БАЗЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
А. Э. Морев
Новосибирский государственный технический университет
Установленная мощность индукционных нагревателей сквозного
нагрева цветных металлов достигает десятков мегаватт, при этом энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую в этих установках редко достигает 50%. Это обусловлено высокой
удельной электропроводностью нагреваемого металла (алюминий, медь,
латунь), сопоставимой с электропроводностью обмоток индуктора. Применение систем с постоянными магнитами позволяет поднять электрический КПД до 80-90%. Оптимизация конструкции таких систем возможна
только на базе глубокого комплексного исследования протекающих в них
электротепловых процессов и их энергетических параметров.
Устройства индукционного нагрева являются сложными техническим
объектами, в которых протекают электромагнитные и тепловые процессы.
Для моделирования исследуемого процесса выбран метод конечных
элементов. При этом электромагнитная задача должна учитывать вращение магнитного поля или вращение заготовки как основной фактор, обусловливающий выделение мощности в заготовки. Модель установки
нагрева алюминиевых заготовок учитывает распределение магнитного
поля, плотности тока, плотности индукции.
Модель разработана на базе программного комплекса ANSYS и предназначена для расчета энергетических (интегральной активной мощности,
выделяемой в заготовке) и электромагнитных параметров (вектора магнитной индукции, вектора плотности тока) системы «индуктор-загрузка».
Используя данную модель возможно исследование перечисленных характеристик в функциональной зависимости от числа пар полюсов магнитной
системы, скорости вращения системы магнитов относительно заготовки,
физических свойств нагреваемой заготовки, от относительных геометрических размеров поперечного сечения нагреваемой заготовки и системы
постоянных магнитов, а так же свойств постоянных магнитов.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Р. А. Бикеев.
11
УДК 621.365.4
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ
ФУТЕРОВОК ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Ю. М. Носочева
Новосибирский государственный технический университет
Эксплуатация средне- и высокотемпературных электрических печей
сопротивления связана со значительными расходами электрической энергии, и поэтому нахождение рациональных конструктивных и эксплуатационных параметров таких печей представляет значительный интерес как с
точки зрения экономии электрической энергии, так и с точки зрения получения продуктов в этих печах при минимальной себестоимости.
Для случаев, когда заданными являются производительность, размеры
рабочего пространства и температурный режим, оптимальные условия
эксплуатации печи определяются выбором оптимальной футеровки, удовлетворяющей следующим условиям: а) минимальные тепловые потери
теплопроводностью, б) минимальное аккумулированное тепло футеровкой, в) минимальная стоимость футеровки, г) температура кожуха печи не
должна превышать 70 °С.
Поэтому выбор оптимальных параметров футеровки должен определяться по минимуму стоимости потерь энергии в окружающую среду и на
разогревы после остановок, капиталовложений, амортизационных отчислений на единицу продукции.
Данная работа посвящена поиску оптимального варианта толщин слоев
футеровки при оптимизации конструкции футеровки электропечи сопротивления посредством варьирования толщины и материала теплоизоляционного слоя.
Исследования показали, что наиболее рациональным подходом к поиску оптимальных параметров футеровки является варьирование, как толщиной, так и материалом (его теплопроводностью) теплоизоляционного
слоя
В процессе исследования была разработана методика выбора оптимальных параметров футеровки, с точки зрения минимальных экономических затрат для многослойных цилиндрических футеровок .
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. А. И. Алиферов.
12
УДК 621.313.3: 621.365.5
ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА НЕЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ
ЗАГОТОВКИ В ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЕ С ПОСТОЯННЫМИ
МАГНИТАМИ
В. А. Промзелев, А. Э. Морев
Новосибирский государственный технический университет
В рамках данного исследования, в среде конечно-элементного анализа
ANSYS, была разработана модель электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в индукционных системах нагрева нецилиндрических
заготовок в поле вращающихся постоянных магнитов, позволяющая определять не только распределение параметров электромагнитного поля, но и
рассчитывать тепловые режимы нагрева заготовок. В работе выполнялся
нагрев алюминиевых изделий прямоугольного поперечного сечения до
температуры 550 ºС.
В результате проведенных исследований было выявлено, что с повышением скорости вращения и числа пар полюсов магнитной системы происходит увеличение скорости нагрева и максимального температурного
перепада в изделии. Это связано с возрастанием активной мощности, выделяющейся в нем. Следует отметить, что величина максимального температурного перепада растет с увеличением скорости вращения и числа пар
полюсов, что связано с увеличивающейся частотой магнитного поля, проникающего в изделие. В прямоугольном изделии, вне зависимости от частоты магнитного поля, более интенсивно разогреваются углы заготовки, а
затем, за счет теплопроводности от зоны выделения энергии, остальная
часть тела.
Так же было установлено, что с увеличением технологического зазора
между изделием и поверхностью магнитов происходит уменьшение скорости нагрева заготовки. Такое поведение скорости нагрева связано с
уменьшающейся удельной активной мощностью, выделяющейся в изделии.
В ходе работы выявлено, что в алюминиевых изделиях прямоугольного
поперечного сечения возможно обеспечение перепада температуры по сечению менее 60 ºС. Но такой перепад можно обеспечить только при малых
скоростях нагрева.
Высокие энергетические показатели определяют перспективность
применения данного вида нагрева при условии применения специальных
способов выравнивания температурного поля по сечению нагреваемого
изделия.
Научный руководитель – канд. техн. наук А. И. Алиферов.
13
УДК 658.512
ФОРМАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
РЕКОМЕНДАЦИЙ В «СИСТЕМА АНАЛИЗА ТКИ»
С. О. Пятых
Институт кибернетики им. И. Е. Попова
Иркутский государственный технический университет
Рассмотрены основные требования и функции системы поддержки
принятия решений (СППР) для формализации технологических рекомендаций, необходимых для проведения технологического контроля изделий
авиационной техники. Для дальнейшего их использования при автоматизации процедуры проведения технологического контроля.
В связи с тем, что ряд задач обеспечения ТКИ (в частности, качественная оценка) являются трудноформализуемыми, целесообразно рассмотреть
возможность применения при построении автоматизированной подсистемы обеспечения ТКИ экспертных компонентов. Требования к системе анализа изделия ТКИ заключаются в следующем:
1) система должна обеспечивать преобразование объемной модели
(КЭМ) изделия в технологическую модель, ориентированную на изготовление на заданном производстве. По данной модели впоследствии будет
проектироваться технологический процесс изготовления изделия;
2) система должна быть инвариантной к способу построения КЭМ;
3) система должна находить наиболее технологичную модель изделия на основе базы знаний экспертов, которые учитывают особенности
технологической базы предприятия.
Таким образом, разработанный модуль «Технологические рекомендации» позволяет технологу-эксперту формализовать в БЗ имеющиеся на
предприятии РТМ, СТЦ, ОСТ, ГОСТ и другие нормативные документы,
используемые при технологическом контроле изделий на этапе ТПП. Технологу предоставляется инструмент, в котором он может выбрать в диалоговом режиме область применения ТР (вид полуфабриката, тип деталей,
тип КЭ). Разработанная и структурированная определенным образом БЗ в
СППР позволяет проводить технологический контроль конструкции изделия в полуавтоматизированном режиме. Использование СППР при проектировании изделия на ранних стадиях позволяет конструктору проверять
геометрические параметры изделия с учетом имеющихся технологических
возможностей предприятия.
Научный руководитель – канд. техн. наук А. С. Говорков.
14
УДК 621.365.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЕДАНСА ТРУБОШИННОГО УЧАСТКА
ЭЛЕКТРОДОДЕРЖАТЕЛЯ
ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
Д. Н. Санников
Новосибирский государственный технический университет
В дуговых сталеплавильных печах (ДСП) электрическая энергия от источника питания передается в рабочее пространство посредством короткой
сети, соединяющей низковольтные выводы печного трансформатора с рабочей зоной ДСП. Величина активного и индуктивного сопротивлений фаз
короткой сети и их соотношение между фазами определяет эффективность
распределения активной мощности в ванне электропечи. В связи с этим
точное определение этих сопротивлений является важной задачей. Существующие методики расчета активного и индуктивного сопротивлений не
позволяют учитывать влияние близлежащих металлических конструкций
на сопротивление токоведущих участков короткой сети. В рамках данной
работы проводилось исследование измерения величины активного и индуктивного сопротивлений трубошин, расположенных на рукавах электрододержателей в зависимости от дистанции между токоведущими трубошинами и рукавом электрододержателя.
В среде конечно-элементного моделирвания ANSYS v.14.0, была разработана 3D модель и алгоритм расчёта активного и внутреннего индуктивного сопротивления трубошин.
Выполненные расчёты показали, что активное и внутреннее реактивное
сопротивления трубошин практически не зависят от дистанции между
трубошинами и рукавом электрододержателя; активное сопротивление
рукава электрододержателя, приведённое к току в трубошине и суммарное
активное сопротивление участка «трубошина-рукав электрододержателя»
возрастает при уменьшении дистанции между трубошиной и рукавом
электрододержателя.
Научный руководитель – канд. тех. наук, доцент Р. А. Бикеев.
15
УДК 621.365.2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОЛЬЦА ПРИЖИМА КОНТАКТНЫХ
ЩЕК РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
В. А. Сериков, А. Н. Добров
Новосибирский государственный технический университет
К руднотермическим печам (РТП) относятся электротермические установки с большим разнообразием технологических процессов, но объединенных общим принципом действия – обработка руд производится в этих
электропечах за счет прямого нагрева электрическим током. Превращение
электрической энергии в теплоту происходит как в электрической дуге, так
и в обрабатываемых материалах. Современный печи имеют единичную
мощность порядка 100 МВА и рабочие токи до 100 кА.
Ток к обрабатываемым материалам подается через систему электродов,
закрепленных в электрододержателях и подключенных через систему токоподвода к специальному источнику питания.
Существенным является обеспечение надежного контакта между электродом и контактной щекой с постоянным усилием. Этот контакт обеспечивается с помощью нажимных устройств, расположенных в прижимном
кольце. Работа последнего приходит в зоне высоких температур колошника, особенно в открытых и полуоткрытых печах, при этом в непосредственной близости от кольца протекают весьма высокие токи, что вызывает его дополнительный нагрев. Поэтому кольцо всегда имеет водяное
охлаждение.
Износ кольца прижима в разрушающей химически активной среде колошниковых газов определяет его срок службы, который не превышает
трех лет.
В открытых печах часто образуется газонепроницаемая корка из спекшейся шихты на поверхности колошника. Скопившиеся колошниковые
газы имеют достаточно высокую температуру и давление, чтобы при образовании разлома в корке (свищ), их поток мог разрезать находящуюся
вблизи от колошника металлоконструкцию. Что и происходит с кольцами
прижима, выполненными из конструкционной магнитной, котельной немагнитной стали.
Методом численного моделирования получены и проанализированы
распределения температур в кольце прижима контактных щек руднотермической печи в зависимости от материала и геометрии кольца, предложены способы обезвреживания колошниковых газов при свище.
Научный руководитель – Д. С. Власов.
16
УДК 621.365.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ШИХТОВАННЫХ ПАКЕТОВ ШИН ПРЯМОУГОЛЬНОГО
СЕЧЕНИЯ РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ
С. И. Творогов
Новосибирский государственный технический университет
Современные мощные руднотермические печи (РТП) в конструкции
вторичного токоподвода имеют жесткий неподвижный участок. Зачастую
он является самым протяженным из всех участков короткой сети.
Основными условиями, которым должна удовлетворять короткая сеть
электрической печи, являются: наименьшая длина, пространственная
симметрия контуров фаз, наименьшая площадь, охватываемая контуром
фазы, правильный выбор проводников (с учетом условий их работы) и
рациональное использование их сечения, наиболее рациональная
транспозиция проводников, преследующая цель равномерной загрузки их
током и получения одинаковых электрических параметров всех фаз.
Соблюдение этих условий позволяет мощность, получаемую из
питающей сети, использовать с высоким электрическим КПД и высоким
коэффициентом мощности, а в ванне печи равномерно распределить ее
между фазами (или электродами), что является основным и наиболее
важным требованием технологии.
Параметры короткой сети оказывают большое влияние на техникоэкономические показатели работы печи. С целью снижения индуктивного
сопротивления жесткие участки коротких сетей по возможности
выполняются сбифилировнными. На практике бифиляция осуществляется
перешихтовкой проводников в пакете.
Основная методика расчета индуктивного сопротивлений таких
шинопакетов представляет собой набор сложных формул, с
использованием табулированных функций и номограмм.
В данной работе эта методика была реализована в MS Excel на языке
VBA. Разработанная программа позволяет рассчитывать активное и
индуктивное сопротивление шихтованных пакетов руднотермическтх
печей и анализировать влияние конструктивных решений этого участка
токоподвода на уровень несимметрии его электрических параметров.
Работа выполнялась в рамках ПСР НГТУ.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Л. П. Горева.
17
УДК 621.365.5
ОСОБЕННОСТИ СКВОЗНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
М. Ю. Тимофеев
Новосибирский государственный технический университет
В докладе представлено исследование энергетических параметров
установки сквозного нагрева цилиндрического ферромагнитного изделия в
процессе нагрева при стабилизированном токе индуктора.
В программном пакете численного моделирования ANSYS v.11.0, разработана математическая модель и алгоритм расчёта параметров электромагнитного поля в системе индуктор-заготовка, позволяющий рассчитывать энергетические параметры установки с учетом зависимости относительной магнитной проницаемости заготовки µ=f(H,T) и удельного электрического сопротивления ρ=f(T).
С использованием разработанной модели было произведено моделирование режима нагрева ферромагнитной стальной заготовки диаметром
D=0.17м до температуры 1250 ºС. В результате были получены зависимости энергетических характеристик - коэффициента мощности и электрического КПД от температуры поверхности нагреваемого тела. Расчеты показали, что коэффициент мощности, электрический КПД, активные мощности в теле и системе возрастают с увеличением температуры, затем начинают падать и минимальное значение принимают в точке с температурой
около 750°С, после чего наблюдается повторное незначительное возрастание этих характеристик.
Такое поведение энергетических характеристик индукционной системы
определяется зависимостями относительной магнитной проницаемости от
температуры и напряженности магнитного поля, и удельного электрического сопротивления нагреваемого материала от температуры и режимом
работы источника питания индуктора - стабилизированного источника
тока.
Полученная модель позволяет выполнить оптимизацию режима нагрева
заготовки и конструкции индуктора.
Научный руководитель – канд. тех. наук, доцент Р. А. Бикеев.
18
УДК 621.365.5
ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ ТОЛЩИНЫ ФУТЕРОВОК
ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
Н. Е. Шипулина
Новосибирский государственный технический университет
В последние годы наметилась тенденция к расширению области использования тигельных индукционных печей в направлении плавки металлов с низким удельным сопротивлением, таких, как алюминий и медные
сплавы. Это объясняется эксплуатационными преимуществами, которые
создает плавка в тигельных печах по сравнению с плавкой в печах других
типов.
Толщиной стенки тигля определяются следующие энергетические параметры: тепловой КПД установки, для увеличения которого необходимо
толщину увеличивать, и электрический КПД системы «индуктор-садка»,
для увеличения которого толщина должна быть как можно меньше. Таким
образом, мы имеем два противоречивых требования к толщине стенки тигля, значит, стоит задача поиска оптимального ее значения, решению которой посвящена данная работа.
При расчете электрического КПД индуктора с расплавом был использован метод полного магнитного потока. Величина теплового КПД определялась с использованием зависимостей тепловых потерь через боковую
стенку и подину тигля.
Выполнены расчеты общего КПД установки в зависимости от толщины
боковой стенки тигля для разных материалов: бетон, набивка (шамот класса Б), жароупорный бетон, и для двух частот 50 и 500 Гц.
Расчеты показали, что зависимость общего КПД от толщины стенки
тигля имеет явно выраженный максимум, который существенно зависит от
теплотехнических свойств материала тигля при 50 Гц и практически не
зависит при частоте 500 Гц.
В реальности толщина футеровки должна обеспечивать еще и прочность тигля. Как правило, при рассчитанных толщинах выбранных материалов прочность недостаточна, а значит, в реальных конструкциях толщина тигля получается больше оптимальной. Возможным разрешением
этого противоречия является создание новых материалов, которые обеспечат прочность, при толщине, обеспечивающей максимум общего КПД
установки.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. А. И. Алиферов.
19
ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
УДК 539.216.2
РАЗРАБОТКА ПОЗИЦИОННОГО АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
М. Н. Алеко, В. С. Карачев
Новосибирский государственный технический университет
В настоящее время очень больших масштабов достигает выпуск разнообразной продукции: от самых простых видов бытовой техники до деталей
для космических кораблей. Одной из проблем при этом является неспособность производить необходимое количество деталей, необходимых для
этой продукции, на обычных металлообрабатывающих станках с ручным
управлением.
Решением данной проблемы является внедрение во все сферы производства разнообразных металлообрабатывающих станков с позиционным
электроприводом. Именно такие станки способны изготавливать детали в
гораздо большем объеме без вмешательства людей, что, несомненно, является главным преимуществом. К тому же точность обработки металла у
них несравнимо выше, чем у человека, что также является важным преимуществом. Еще одним преимуществом является то, что для обслуживания этих станков требуется меньшее количество персонала.
Задачей проводимого исследования является разработка импортозамещающих быстродействующих бесконтактных систем позиционного электропривода. На данном этапе выбрано необходимое для дальнейшей работы электромеханическое и силовое оборудование и рассмотрен способ
построения системы управления асинхронным двигателем.
В докладе представлены результаты начальных этапов исследований.
Рассмотрены режимы работы электропривода, вопросы синтеза внутренних и внешних контуров регулирования системы векторного управления.
Представлена модель системы векторного управления, выполненная в программном пакете MATLAB/Simulink, приведены результаты цифрового
моделирования.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. В. В. Панкратов.
20
УДК 624.138.22
ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ВИБРАТОРОМ
ВИБРОПЛАТФОРМЫ
Н. И. Борисов
Новосибирский государственный технический университет
Уплотнение грунтов является эффективным приемом улучшения физико-механических свойств оснований в грунтовых сооружениях. Это позволяет существенно повысить или даже преумножить несущую способность
основания и, следовательно, значительно увеличить передаваемую нагрузку от зданий и сооружений на единицу его площади.
Процесс уплотнения является одним из наиболее важных в дорожном
строительстве, так как достигнутый коэффициент уплотнения комплексно
определяет прочность и устойчивость всего сооружения к воздействию
природно-климатических и эксплуатационных факторов.
Виброплатформы самоходные относятся к средствам малой механизации и предназначены для послойного уплотнения грунтов, песчаногравийных, асфальтобетонных и других смесей, используемых в технологии дорожного строительства, строительства тротуарного полотна, засыпки траншей и т. п. Простота транспортировки и эксплуатации в сочетании с обеспечением требуемой глубины и степени уплотнения позволяют эффективно использовать виброплатформы при проведении работ
на малых площадях, в стесненных условиях, при частом перемещении по
участкам проведения работ.
В моей работе необходимо разработать специальную модель для моделирования асинхронного электропривода электромеханической виброплатформы с системой векторного управления, обеспечивающую энергооптимальное использование асинхронного электропривода для исследования различных режимов её работы.
Целью проводимых мной исследований является: выполнение расчета
механической части электропривода, расчет и выбор оптимального по
мощности электродвигателя с целью уменьшения энергопотребления виброплатформы, синтез системы векторного управления, обеспечивающей
наилучшие энергетические показатели, моделирование электромеханических процессов в электроприводе с учетом влияния различных моментов
сопротивления для разных режимов работы.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Н. Н. Путинцев.
21
УДК 539.216.2
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ОТ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Д. П. Вислогузов, В. В. Вдовин
Новосибирский государственный технический университет
Современные системы «преобразователь частоты – двигатель» (ПЧ-Д)
широко применяются не только в промышленности, но и в объектах специальной техники. Самые жесткие требования к надежности используемого специального электрооборудования, в частности, ответственных регулируемых электроприводов (ЭП), предъявляют автономные объекты. Перебои электропитания систем ПЧ-Д или выход некоторых их них из строя
на автономных объектах может привести не только к нарушению соответствующего технологического процесса, но и к техногенной катастрофе.
В работе обсуждаются вопросы построения системы резервного питания частотно-регулируемого электропривода циркуляционного насоса,
работающего в составе ответственного автономного объекта. Предложенная система может питаться как от основной сети переменного тока (380
В, 50 Гц), так и от резервной сети постоянного тока, реализованной на базе
аккумуляторных батарей. При питании от основной сети управление синхронным двигателем с постоянными магнитами осуществляется посредством классического двухзвенного преобразователя частоты, в состав которого входит полууправляемый выпрямительный комплект, звено постоянного напряжения и автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией. При питании от резервной сети, напряжение
которой может изменяться в диапазоне 175…320 В, необходима стабилизация входного напряжения АИН, что достигается при помощи управляемого транзисторного преобразователя постоянного тока (ППТ). Разработанный ППТ построен по схеме двух активных H-мостов, работающих на
повышающий (1:2) импульсный трансформатор (ИТ) с частотой 20 кГц. В
предложенной схеме ИТ также выполняет необходимую функцию гальванической развязки между основной и резервной сетями для обеспечения
требований электробезопасности. Система в целом функционирует по
принципу «горячего» резервирования с замещением, то есть переход с основной сети на резервную и обратно происходит без просадки скорости
электродвигателя и как следствие – без потери производительности насоса.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. В. В. Панкратов.
22
УДК 631.312.021
ЭЛЕКТРОПРИВОД ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ВИБРОПЛУГА
Я. А. Витковский
Новосибирский государственный технический университет
Место колебательных процессов в науке и технике. Большинство
наблюдаемых в природе и технике процессов являются колебательными. К
колебательным процессам относятся самые разнообразные явления: от
ритмов головного мозга и биения сердца, до колебаний звёзд, от колебаний атомов или молекул в твёрдом теле, до климатических изменений на
Земле и т.д.
В технике, особенно в машиностроении, широко применяют также
термин вибрация. Термином вибрация чаще всего пользуются там, где колебания имеют относительно малую амплитуду и не слишком низкую частоту. Совокупность технологических приёмов, основанных на целенаправленном использовании вибрации, называется виброотработкой. Вибратор - механизм для возбуждения механических колебаний, используемый самостоятельно или как узел машин или агрегатов, работающих посредством вибрации. Установка вибраторов на различных механизмах позволяет существенно улучшить и ускорить многие технологические процессы.
В наши дни сельское хозяйство движется в направлении более эффективного использования экономических ресурсов, в свою очередь это привело к распространению сельскохозяйственных промышленных механизмов и установок. Одним из таких механизмом является электромеханический виброплуг.
Расчет этого механизма требует особого внимания, так как для снижения тягового сопротивления плуга, на процесс рыхления почвы влияют
такие параметры как: глубина рыхления, частота пульсаций, амплитуда
пульсаций, скорость перемещения плуга.
В проводимой мною научно-исследовательской работе основными целями являются выбор конструкции виброплуга, расчёт и выбор мощности
электродвигателя, создание динамической модели системы, разработка
электропривода электромеханического виброплуга, исследование системы
виброрыхления.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Н. Н. Путинцев.
23
УДК 621.34
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОДЪЕМНОЙ
ЛЕБЕДКИ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ.
П. А. Давыдов
Новосибирский государственный технический университет
Добыча полезных ископаемых является одной из важнейших отраслей
российской промышленности. Россия занимает первое место в мире по
добыче и экспорту сырой нефти и природного газа. Буровая установка
представляет комплекс бурового оборудования и сооружений, предназначенных для бурения скважин. Состав узлов буровой установки, их конструкция определяется назначением скважины, условиями и способом бурения.
Грузоподъемная лебедка является основным механизмом спускоподъемного комплекса буровой установки. Грузоподъемная лебедка предназначена для выполнения следующих операций технологического процесса строительства скважин: спуск и подъем буровых труб, спуск обсадных труб, подача инструмента на забой, передача вращения ротору при
отсутствии индивидуального привода ротора, придание ускорения инструменту (ударному долоту, желонке, и т.д.), аварийный подъем инструмента.
Электропривод подъемных лебедок выполняется как на двигателях постоянного тока, так и на двигателях переменного тока. Так как буровые
установки продолжают активно эксплуатироваться, то целесообразно поставить вопрос о модернизации электропривода подъемных лебедок для
улучшения показателей электропривода подъемной лебедки буровой установки.
Одной из задач, возникающих при модернизации, является уменьшение
энергопотребления электропривода подъемной лебедки. Решение поставленной задачи можно получить путём замены текущего электропривода
подъемной лебедки буровой установки на частотно-регулируемый электропривод, выполненный на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
В данной работе обосновывается целесообразность применения асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором на базе типового
транзисторного преобразователя частоты, осуществлен синтез системы
регулирования скорости модифицированным модальным методом. Исследование системы ведется методами математического моделирования в
среде Matlab/Simulink.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. Г. М. Симаков.
24
УДК 629.78.086:658.5.011.56
УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЗМОМ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИКИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И. С. Додорин, И. В. Матлак
Информационные спутниковые системы имени академика
М. Ф. Решетнёва, г. Железногорск
В работе рассматривается стенд для прецизионной настройки антенн
космического аппарата. В качестве механизма перемещения рефлектора
антенны используется механизм параллельной кинематики (гексапод). Для
достижения наилучшего позиционирования предлагается использовать
методику, разработанную в автоматизированной системе проектирования
(САПР).
На данный момент времени оптимальное положение рефлектора и облучателя в пространстве находится при помощи итерационных перемещений гексапода в пространстве с промежуточными измерениями радиотехнических характеристик (РТХ) антенны. Проблема заключается в том, что
неизвестно насколько необходимо изменить положение гексапода для того, чтобы контрольные точки, расположенный на рефлекторе, переместились в координаты указанные в КД.
Для решения данной задачи потребовалось разработать методику для
прецизионной настройки антенн космического аппарата, с использованием
стенда на основе механизмов параллельной кинематики, в условиях применения интегрированных САПР, позволяющих снизить трудоёмкость и
сократить длительность технологической операции и способствующих
повышению качества проектных решений.
Основная идея заключается в использовании инструментов САПР для
измерения положения результирующей системы координат относительно
исходной. Результатом измерений являются матрица поворота и смещения
в пространстве. Проверка матрицы осуществляется аналитически. Значения из полученной матрицы переносим в программное обеспечение гексапода. Гексапод в свою очередь совершает перемещение в результирующую систему координат.
Благодаря данной методике и использованию САПР, появилась возможность, при помощи гексапода, добиться совпадения контрольных точек на рефлекторе с точками указанными в КД, а так же существенно снизить количество и трудоёмкость выполняемых операций прецизионной
настройки антенн КА.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. Н. А. Смирнов.
25
УДК 681.527.26.А224
СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
МОДЕЛИРУЮЩЕГО И ОБКАТОЧНОГО ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ
СТЕНДОВ ТРАНСМИССИИ
А. С. Зеленков, А. Д. Максимихин, М. Е. Суббота, А. В. Баранов
Новосибирский государственный технический университет
В работе получены результаты синтеза на базе математической модели
объекта испытаний, в относительных единицах, представляющей двухмассовую и двухмерную электромеханическую систему, где используется
аналитический метод синтеза, обеспечивающий стандартную форму переходных процессов в прямых каналах регулирования. В каналах перекрёстных естественных обратных связей достигается инвариантность одного из
каналов управления регулируемых координат, что обеспечивает абсолютную инвариантность этой координаты.
Суть и последовательность метода синтеза заключается в следующем:
- для исходной математической модели объекта управления производится оценка астатических (статических) свойств по регулируемым координатам и принимается решение об использовании того или иного вида
регулятора для каждого канала;
- в качестве главных обратных связей для каждого канала используются обратные связи по регулируемым координатам;
- в качестве дополнительных обратных связей на каждый канал заводится (тестовый) полный вектор состояния объекта управления;
- записываются четыре полинома числителей полученных передаточных функций прямых (два) и перекрёсных (два) каналов,
- для полиномов числителей прямых каналов создаются условия стандартного распределения «нулей» за счёт приравнивания коэффициентов
стандартного распределения к коэффициентам полученного полинома;
таким образом, получаем алгебраические уравнения, решение которых
обеспечит стандартную форму прямых каналов регулирования и соответственно значения коэффициентов обратных связей тестового вектора;
- для полиномов числителей перекрёстных каналов значения коэффициентов устремляем к нулю и из полученных уравнений рассчитываем
значения коэффициентов обратных связей тестовых векторов состояния
объекта.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент А. М. Бородин.
26
УДК 625.144.5
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КОТЛОВАНОВ
ПОД ОПОРЫ КОНТАКТНОЙ СЕТИ
Т. С. Иванкин
Сибирский государственный университет путей сообщения,
г. Новосибирск
Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск
Одним из важных звенев в технологической цепи электрификации железных дорог РФ является образование выемок (котлованов) большого
диаметра (более 400 мм) для установки опор контактной сети. Предыдущий опыт электрификации северных районов Сибири и Дальнего Востока
обозначил трудности связанные с их образованием в скальных грунтах V –
IX групп по СНиП (коэффициент крепости f = 6-14 по шкале проф. М. М.
Протодьяконова), а так же в вечномерзлых грунтах с большим (более 30%)
содержанием скальных включений. Данное обстоятельство отрицательно
сказалось на электрификации железных дорог РФ в указанных регионах в
ХХ веке.
Одной из наиболее сложных проблем в отечественном машиностроительном комплексе, является чрезмерно низкая автоматизация строительных, дорожных машин и оборудования, в связи с чем импортная техника
доминирует во многих отраслях промышленности, в том числе, горной где
буровая техника используется повсеместно.
Соответственно создание отечественного передвижного бурового комплекса, предназначенного для бурения скважин под опоры контактной
сети железных дорог в Сибири и Дальнего Востока, одна из приоритетных
задач стоящих перед транспортной отраслью с 90-х годов ХХ века.
Предлагаемый к разработке буровой комплекс, располагаемый на железнодорожной платформе и ведомый локомотивом, будет состоять из
следующих элементов:
исполнительный орган – пневмоударник П500; система подачи исполнительного органа – податчик, с гидравлическим приводом и механической подачей пневмоударника; подвеска исполнительного органа – манипулятор; источник энергоносителя для исполнительного органа; источник
энергоносителя для манипулятора.
Решение поставленной задачи в разработке комплекса для создания
котлованов под опоры контактных сетей потребует совместных усилий и
инновационного подхода от ведущих предприятий транспортной и машиностроительной отрасли, научных подразделений РАН и ВУЗов.
Научные руководители – канд. техн. наук Д. С. Воронцов,
канд. техн. наук В. Н. Карпов.
27
УДК 621.311
МИНИ-ГЭС С МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ
В. С. Карачев, М. Н. Алеко
Новосибирский государственный технический университет
В современной России сложилась острая экономическая потребность в
освоении обширных территорий Восточной Сибири как малозаселенного,
но богатейшего природными ресурсами края страны. Согласно посланию
президента РФ В.В. Путина 2013 года ХХI век для России должен стать
веком развития Сибири.
Одна из главных задач при организации небольших поселений в отдаленных частях Сибири – это их обеспечение электроэнергией. Так как
данная местность богата горными быстрыми реками, во многих случаях
наиболее экономически целесообразным является использование автономных источников генерации, преобразующих энергию течения. Малая гидроэнергетика является прекрасной альтернативой централизованному
энергоснабжению для удаленных и труднодоступных местностей и районов с ограниченной передаточной мощностью ЛЭП. С помощью микро- и
мини-ГЭС без относительно высоких капитальных затрат можно снабжать
небольшое поселение дешевой электроэнергией в любое время года, не
нарушая природного ландшафта и окружающей среды на этапе строительства и в процессе эксплуатации.
Целью проводимого исследования является развитие методов и схем
построения современных мини-ГЭС на основе последних достижений силовой электроники и электромеханики. Для ее достижения необходимо
решить следующие задачи: обоснование гидротехнической схемы автономной мини-ГЭС и типа электромеханического генератора, разработка
отвечающей современным тенденциям и требованиям к качеству электроэнергии топологии полупроводникового преобразовательного агрегата
автономной мини-ГЭС с автоматическим управлением напряжением и
частотой электроэнергии на выходе, методик структурного синтеза соответствующих алгоритмов управления и расчета их параметров.
В докладе представлены: обзор существующих технических решений,
конструкция и общая электрическая схема разрабатываемой мини-ГЭС,
укрупненная структура системы регулирования режимов генератора, синтез регуляторов. Приведены результаты цифрового моделирования САР в
программной среде MATLAB/Simulink. Рассмотрена возможность двухзонного управления генератором с постоянством мощности.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. В. В. Панкратов.
28
УДК 622.411.33
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ КОМБАЙНА
ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
М. С. Кислицын
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
г. Санкт-Петербург
Исследовалось выделение метана по все длине лавы, отмечены места
его интенсивного выделения во время выемки угля очистным комбайном.
На основе ранее полученных уравнений, выведены формулы поступления
метана в очистную выработку для максимальной скорости подачи комбайна и для скорости подачи по газовому фактору, смоделирована схема распространения метана в очистной и подготовительной выработках.
Российская Федерация занимает второе место по запасам и пятое место
по объему добычи угля (более 320 млн /т в год). При существующем
уровне добычи угля его запасов хватит более чем на 550 лет. Но с каждым
годом все компании сталкиваются с проблемой огромного выделения метана из угольных пластов в подготовительные и очистные выработки, которые в свою очередь сдерживают работу очистного комбайна в лаве.
Главной задачей угледобывающих компаний состоит в наращивании производственной мощности, но при этом не нарушая правила безопасности.
В данной работе также рассматривалось основное уравнение выделения
метана из угольного пласта. После математических преобразований, получена оптимальная длина очистной выработки. По данным уравнения построена модель распространения метана в угольном пласте.
Получен график, который позволяет получить зависимость газовыделения в подготовительной и очистной выработках. При уменьшении выемочного столба, нагрузку на лаву можно увеличивать, ограничиваясь газовыделением. Если раздегазированная зона столба слишком мала, можно
провести предварительную дегазацию пласта, для увеличения этой зоны.
Эта зона позволяет, комбайну двигаться неравномерно, тем самым увеличивая производительность всей шахты. Неравномерность движения заключается в том, что с окончанием очистных работ в выемочном столбе,
увеличивается нагрузка на очистной забой. Придерживаясь данной модели, производить предварительную дегазацию можно с уменьшением затрат на бурение скважин.
Научный руководитель – д-р. техн. наук, проф. А. Ф. Галкин
29
УДК 681.51
ПОЛУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОПТИМАЛЬНОГО
ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА В УСЛОВИЯХ ИНТЕРВАЛЬНОЙ
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ
И. С. Левин
Самарский государственный технический университет
В работе исследуется актуальная проблема синтеза системы автоматического управления (САУ) в условиях интервальной неопределенности
характеристик объекта, приближенная к реальным производственным ситуациям, когда приходится иметь дело с неконтролируемыми внешними
возмущениями и неточным знанием параметров процесса.
Рассматривается задача оптимального по быстродействию управления
процессом индукционного нагрева металлических изделий цилиндрической формы с сосредоточенным управляющим воздействием по мощности
внутреннего тепловыделения в условиях интервальной неопределенности
характеристик объекта, в качестве которых принимаются начальная температура и величина тепловых потерь в процессе нагрева, заданных некоторым интервалом их возможного изменения.
Для определения алгоритма оптимального управления предлагается
вначале решить детерминированную задачу синтеза оптимальной по быстродействию САУ для некоторых заранее фиксируемых значений неопределенных параметров, а затем полученную структуру дополнить идентификатором специального вида, уточняющим отклонения от номинальных
значений параметров вблизи точек начального приближения предложенным в [1] методом.
Для рассмотренной в качестве примера задачи синтеза оптимальной по
быстродействию системы двухинтервального управления процессом индукционного нагрева металлических изделий цилиндрической формы получены выражения для алгоритма управления и идентификатора, построена структура замкнутой системы.
______________________________
1. Левин И. С., Рапопорт Э. Я. Синтез оптимальной по быстродействию
системы управления процессом индукционного нагрева в условиях интервальной неопределенности характеристик объекта // Вестник СамГТУ.
Серия «Технические науки» № 4 (36)-2012, Самара, с. 46 – 57.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. Э. Я. Рапопорт.
30
УДК 62-5
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОВОРОТНОЙ
УСТАНОВКИ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ
Б. В. Ляшев, Г. А. Палкин, Р. В. Горбунов
Забайкальский государственный университет, г. Чита
Эффективное использование альтернативных источников энергии является важной проблемой, решение которой позволит обеспечить экологически чистой и неисчерпаемой энергией отдаленные районы, постройка
линии электропередач к которым требует больших финансовых вложений.
Кроме того, использование энергии альтернативных источников в частном
секторе способствует независимости потребителя в сфере обеспечения
электроэнергией.
Одним из наиболее распространенных источников альтернативной
энергии является энергия солнечного излучения.
При статическом расположении солнечных панелей на крышах домов
или специальных опорах количество вырабатываемой ими энергии занижено, т.к. в течение дня и в связи со сменой времен года меняется угол
падения солнечных лучей на поверхность солнечных панелей.
Одним из путей повышения уровня вырабатываемой панелями электроэнергии является создание больших батарей солнечных панелей, другим - автоматическое ориентирование плоскости солнечных панелей относительно солнца.
Целью данной работы является разработка простой и недорогой поворотной установки, позволяющей повысить эффективность использования
солнечных панелей, путем автоматического ориентирования панелей перпендикулярно потоку солнечного излучения.
На текущем этапе разработана поворотная установка, позволяющая позиционировать солнечные панели в двух плоскостях при помощи низковольтных двигателей постоянного тока. Для автоматического управления
двигателями разработана плата на базе микроконтроллера ATmega8 и
управляющая программа на языке AVR Assembler.
Следующим этапом выполнения работы будет проведение полевых испытаний системы для сбора статистических данных и оценки её экономической эффективности. Предполагается, что разрабатываемая установка
позволит значительно повысить энергетические показатели солнечных
панелей и тем самым уменьшить их суммарное количество, а соответственно и стоимость системы солнечного электроснабжения. Работа выполняется в рамках реализации гранта ЗабГУ на 2014 г.
Научный руководитель – канд. физ.-мат. наук, доцент Е. С. Коган
31
УДК 520.24+681.51
РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ СОПРЯЖЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО
ОПТИЧЕСКОГО ЭНКОДЕРА С ARM КОНТРОЛЛЕРОМ
АСУ ТЕЛЕСКОПА
А. С. Максимов
Новосибирский государственный университет
К современным измерительным системам предъявляются жесткие требования по точности измерения, условиям эксплуатации, быстродействию,
надежности, стоимости. Поэтому при разработке устройств автоматизации
физических экспериментов часто приходится использовать специализированные решения. Например, применяют микроконтроллеры работающие
при отрицательных температурах с ARM-архитектурой.
В результате работы планируется получить набор схемотехнических и
программных решений на основе специализированных микроконтроллерных платформ с ARM-архитектурой, ориентированных на использование в
информационно-измерительных и управляющих системах АСУ.
Результаты работы будут использованы в автоматизированной системе
управления большим солнечным вакуумным телескопом (БСВТ) Байкальской астрофизической обсерватории. Набор схемотехнических и программных решений это независимые модули, которые взаимодействуют
между устройством и микроконтроллером с ARM архитектурой. Для связи
между модулями и микроконтроллером используются как цифровые и
аналоговые сигналы, так и коммуникационные интерфейсы: CAN, I2C,
SPI, SSI, UART. Одной из поставленной задач является, реализовать интерфейс связи на базе SSI интерфейса межу абсолютным оптическим энкодером определяющим положение зеркала телескопа и микроконтроллером с ARM архитектурой. Это позволит реализовать возможность автоматизированного заведения солнца в телескоп, которое до этого выполнялось
на БСВТ вручную.
Научный руководитель – канд. техн. наук А. А. Лубков.
32
УДК 620.98
АВТОНОМНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Е. В. Мамонтова
Новосибирский государственный технический университет
Комбинированная энергетическая автономная установка на ВИЭ обеспечивает пониженный расход топлива по сравнению с потребителями,
позволяет получать электроэнергию при отсутствии сети централизованного электроснабжения и уменьшить влияние электрогенерации на окружающую среду, т.к. энергетики и транспорт являются основными загрязнителями и источниками парниковых газов.
Состав энергосистемы следующий: источники электрической энергии,
аккумуляторная батарея, инвертор со встроенным контроллером заряда,
контроллер заряда АБ, электротехническое оборудование, нагрузка.
Несмотря на большое разнообразие аккумуляторов, для нужд резервного питания чаще всего используются свинцово-кислотные. Они отличаются простотой конструкции и повышенным сроком службы.
Есть следующие основные типы свинцовых аккумуляторных батарей,
которые можно применять в системах автономного электроснабжения:
стартерные, AGM – герметизированные, AGM батареи общего назначения
и глубокого разряда, гелевые батареи общего назначения и глубокого разряда, тяговые, солнечные.
Гелевые аккумуляторы лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Снижение емкости при понижении температуры аккумуляторов меньше, чем у других типов аккумуляторов. Также, они лучше переносят сильные морозы. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения, когда батареи работают в циклических режимах и нет возможности поддерживать температуру аккумуляторов в оптимальных пределах.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент В. В. Бирюков
33
УДК.629.78.054:621.396.67
ПРИМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И СНИЖЕНИЯ
СЕБЕСТОИМОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕФЛЕКТОРОВ АНТЕНН
КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
И. В. Матлак, И. С. Додорин
Информационные спутниковые системы имени академика
М. Ф. Решетнёва, г. Железногорск
Одной и важнейших характеристик рефлектора является точность изготовления отражающей поверхности. Погрешности изготовления складываются не только в процессе изготовления рефлектора. Причины отклонений могут возникнуть как на этапах технологической подготовки производства, так и на этапах проектирования моделей рефлектора и оснастки.
Наряду с этим процесс проектирования является очень трудоемким.
На основании выше изложенного становится актуальной задача повышения качества отражающей поверхности рефлектора, а так же снижения
затрат на проектирование рефлектора и оснастки.
Качество отражаемой поверхности рефлектора напрямую зависит от
качества формообразующей поверхности оснастки. Основная причина
возникновения отклонений – человеческий фактор (неправильно выбранная плоскость, ошибка в задании координат и т.д.). Исключить подобные
ошибки возможно при использовании параметрической модели.
Проектирование параметрической модели осуществляется один раз.
Далее необходимо редактировать таблицу конструктивных параметров.
Добавляя в таблицу новые значения и синхронизируя ее с системой автоматизированного проектирования получаем 3D модель построенную по
новым параметрам. При этом таблица конструктивных параметров позволяет перестраивать не только 3D модель, но и спроектированную при помощи контекстных связей сборку (деталь, заготовка и т.д.), а так же влияет
на процесс механической обработки через модель данных P.P.R. (Process
Product Resources).
Таким образом, за счет автоматического перестроения геометрии моделей и процесса механической обработки существенно сокращается время
разработки и выпуска КД. Работа сводится к внесению исходных данных в
таблицу конструктивных параметров и запуска обновления модели данных
P.P.R.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. В. А. Левко.
34
УДК 681.5:621.315
УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ
ПРОГНОЗИРУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ
Ю. В. Митрошин
Самарский государственный технический университет
Качество проводных кабелей связи (КС), изготавливаемых на непрерывных, многооперационных технологических процессах, определяется
неким характеризующим потребительские свойства продукции обобщенным параметром, в роли которого чаще всего выступает однородность
волнового сопротивления кабеля по его длине. Оно может быть измерено
лишь на готовом кабеле.
В основу целеполагания построения систем автоматического управления производством КС на всех операциях его изготовления должно быть
положено обеспечение требуемого эксплуатационного показателя изготавливаемого кабеля как канала связи с учётом полосы частот пропускаемого
сигнала на основе применения системного подхода к автоматизируемому
технологическому процессу.
Предлагается осуществлять управление производством КС с использованием системы усовершенствованного управления процессом (Advanced
Process Control, APC-системы), в которой математически описываются
сложные взаимосвязи параметров процесса. Система реализует в реальном
масштабе времени на базе многомерного управления технологическим
процессом на основе прогнозирующей модели этого процесса стратегию
оптимального управления технологической установкой при минимальном
вмешательстве оператора.
При этом в системе широко используется динамическая компенсация
возмущающих воздействий и виде управления по прямой связи, позволяющая заблаговременно компенсировать сильные измеряемые помехи.
Примером применения задачи многосвязного управления с прогнозом,
которая может быть эффективно решена средствами APC, является управление давлением и температурой в зоне дозирования одночервячного экструдера для оптимизации массового выхода расплава полимера с целью
стабилизации формируемого диаметра изоляции и, соответственно, минимизации нерегулярностей волнового сопротивления изготавливаемого кабеля.
Научный руководитель – д-р техн. наук В. Н. Митрошин.
35
УДК 62-83
ПРИМЕНЕНИЕ РЕЛЕЙНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА И СКОРОСТИ
ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЗИЦИОННОГО МИКРОЭЛЕКТРОПРИВОДА
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Е. А. Никифоров
Новосибирский государственный технический университет
С разработкой измерительных установок для исследования диэлектрической и магнитной проницаемости материалов стал вопрос о повышении
динамических характеристик электропривода. Для нормальной работы
этой установки необходимо повышать быстродействие электропривода,
существенно расширить диапазон регулирования скорости, обеспечить
более высокую точность воспроизведения заданного положения.
При необходимости высокой точности регулирования положения и
обеспечения требуемого характера движения исполнительного органа используется замкнутая система регулирования электропривода с обратной
связью по положению. На данный момент для замкнутых систем регулирования электропривода наиболее распространено построение
по принципу подчиненного регулирования. В электроприводах исполнительных механизмов важным техническим показателем является быстродействие управления скоростью электропривода и регулирования положения.
Реализовать управление электроприводом, близкое к оптимальному,
можно, используя релейные регуляторы тока и скорости. В позиционном
электроприводе дополнительно к оптимальному по быстродействию
управлению скоростью вращения нужно выбирать момент начала торможения. Зная закон измерения скорости и выбирая момент торможения,
можно реализовать быстродействующий позиционный электропривод.
В итоге благодаря данному методу, в релейных системах регулирования возможно получение переходных процессов с требуемым быстродействием. Релейные системы регулирования обладают малой чувствительностью к возмущениям по моменту нагрузки и напряжению питающей сети.
В работе рассмотрена структура позиционной системы регулирования положения микроэлектропривода постоянного тока и проведено её исследование методом математического моделирования в среде Matlab/Simulink.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. Г. М. Симаков.
36
УДК 629
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СТЕНДА
ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ ДИЗЕЛЕЙ
К. В. Потехин
Новосибирский государственный технический университет
Объективная оценка свойств топливных насосов, изучение процессов,
происходящих в них, и дальнейшее улучшение показателей − актуальная
задача современного двигателестроения, решение которых невозможно без
проведения исследовательских работ, на соответствующем испытательном
оборудовании.
Одной из задач, возникающих при выполнении этих работ, является создание испытательных стендов топливных насосов, позволяющих обеспечить режимы роботы, близкие к условиям эксплуатации.
Стенды для регулировки топливных насосов предназначены для воспроизведения заданных условий испытания дизельной топливной аппаратуры: частота вращения, протока топлива в головку насоса, давления и
температуры топлива, частоты вращения привода и создания необходимых
условий для наладки рабочих органов топливного насоса.
На стендах испытывают основные типы топливных насосов, а так же
их отдельные автономные части: топливоподкачивающие насосы, муфты
опережения впрыскивания, пневмокорректоры и топливные фильтры.
В качестве привода долгое время использовались механический и гидравлический привода с необходимым диапазоном регулирования.
Однако в последнее время данные типы приводов перестали удовлетворять предъявляемым к ним требованиям, в частности, требуемому диапазону регулирования. Возникла идея об использовании электрического
привода.
В данной работе обосновывается целесообразность применения асинхронного электропривода на базе типового транзисторного преобразователя в испытательном стенде топливных насосов дизелей.
Система позиционного электропривода является трехконтурной. В
данном случае исследуется контур положения с импульсным датчиком
обратной связи по положению. Исследование системы ведется с учетом
импульсности датчика положения методами математического моделирования в среде Matlab/Simulink.
Проведенное исследование показало целесообразность применения в
качестве датчика положения импульсного датчика положения.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. Г. М. Симаков.
37
УДК 681.5+681.6:004.942
РАЗРАБОТКА СХЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
НАСОСНОЙ СТАНЦИИ СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТА И
ПОДГОТОВКИ НЕФТИ
А. М. Сагдатуллин
Альметьевский государственный нефтяной институт
Технологические процессы транспорта углеводородного сырья характеризуются высокой энергоемкостью. Основными потребителями электроэнергии в магистральных нефтепроводах (МН) являются основные и вспомогательные насосные агрегаты, расход электроэнергии которых составляет 30–65 % и более от общих затрат электроэнергии.
Исследованию энергоэффективности и средств управления асинхронными электродвигателями посвящены работы таких авторов как А.Б. Виноградов, А. Е. Козярук, И.Я. Браславский, К.П. Терехов, В. А. Дартау, В.
В. Рудаков, А.С. Сандлер, М.М. Соколов, Р. Т. Шрейнер, А. Б. Виноградов,
Г. Б. Онищенко, О. И. Осипов, И. Рац, И. И. Эпштейн, G. M. Asher, F.
Blaschke, W. Floter, J. Holtz, W. Leonard и др. Однако, быстрое развитие
электроприводной техники обуславливает необходимость исследования
новых схем автоматизированного электропривода и остается актуальной
для нефтегазодобывающей промышленности проблема выбора оптимальной структурной схемы высоковольтного электропривода для насосной
станции остается актуальной. Следовательно, существует необходимость
исследования новых схем автоматизации, новых технических решений по
их построению.
Целью данной работы является разработка схемы комплексной автоматизации электропривода насосной станции (НС), включающей низковольтный преобразователь частоты, повышающий и понижающий трансформаторы, синусоидальный фильтр, и сглаживающий дроссель на выходе
преобразователя частоты (ПЧ) для управления высоковольтными асинхронными электродвигателями (АД). Также в схему включена гидравлическая система, включающая электроцентробежный насос, датчики и измерительные приборы, а также трубопроводную арматуру.
Предлагаемая схема гарантирует высокую работоспособность, снижение износа, стоимости и долговечность оборудования, равномерное распределение наработки электродвигателей. По результатам данной научной
работы получен Патент РФ № 136504.
Научные руководители – д-р техн. наук, проф. А. И. Каяшев,
канд. хим. наук, доцент А. А. Емекеев.
38
УДК 621.65.03
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ АСИНХРОННЫХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ
НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
И. И. Скокова
Новосибирский государственный технический университет
Насосный агрегат-это устройство, состоящее из насоса, приводного
двигателя, соединительной муфты и контрольно-измерительных приборов.
Насосные агрегаты требуют регулирования своей производительности
согласно желаниям потребителей.
Целью регулирования производительности насосных агрегатов является сохранение материального и энергетического баланса. Существует несколько способов регулирования производительности насосных агрегатов:
1. Дросселирование (изменение параметров магистрали)
2. Параллельное включение дополнительных насосных агрегатов (два
насосных агрегата включаются параллельно на одну общую магистраль)
3. Частотное регулирование (изменение частоты вращения приводного
двигателя)
Первые два способа регулирования имеют значительные недостатки.
Дросселирование не экономично; энергия, которая расходуется на
дросселирование, безвозвратно теряется, что снижает эффективность работы насосной станции. Параллельное подключение второго насосного
агрегата вызывает двукратный скачок давления. Наиболее эффективным
из представленных способов является частотное регулирование, так как
данный способ обеспечивает плавное изменение производительности и
экономию электроэнергии. Использование управляемых асинхронных
электроприводов позволяет значительно сэкономить электроэнергию по
сравнению с дросселированием.
Преимущества использования частотно-регулируемых приводов:
1. Экономия электроэнергии в среднем на 30-50%
2. Автоматическое поддержание заданного давления в трубопроводе
3. Надежная защита двигателя в случае аварии (короткое замыкание,
перегрузка)
4. Уменьшение доли потребляемой реактивной мощности
5. Повышение надежности и уменьшение эксплуатационных расходов ввиду отсутствия регулируемой аппаратуры
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Д. А. Котин.
39
УДК 621.311.68
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРНОЙ СИСТЕМЫ ПУСКА
ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ
А. О. Смирнов
Новосибирский государственный технический университет
Автомобиль - достаточно сложная техническая система, и по этому
требует регулярного технического обслуживания и своевременного ремонта. Но даже абсолютно исправный автомобиль может подвести владельца,
когда температура окружающей среды опускается ниже -15ºС.
При низких температурах аккумуляторная батарея (АКБ) теряет свои
первоначальные свойства, увеличивается вязкость электролита, вследствие
чего электрохимическая реакция протекает медленнее, также увеличивается вязкость масла в двигателе, что приводит к повышенному моменту сопротивления на валу стартера, и как следствие, к большим пусковым токам.
В настоящей работе была спроектирована конденсаторная система пуска (КСП), позволяющая достичь больших пусковых токов при отрицательных температурах окружающей среды, так же система пуска двигателя
внутреннего сгорания (ДВС) продляет срок службы штатной аккумуляторной батареи, не требует внешнего источника энергии и вмешательства
в электрические цепи автомобиля.
Устройство системы пуска двигателя построено на основе суперконденсатора (СК), обеспечивающего работу автомобильного стартера на
время, необходимое для запуска ДВС. Вторичный источник на основе СК
способен отдавать в нагрузку значительно большие токи, чем аккумуляторная батарея.
Устройство управления СК – преобразовательный блок (ПБ), построенный на основе микропроцессора. ПБ обеспечивает необходимый режим
работы системы и длительность заряда суперконденсатора (до 2-3 мин.
при сильно разряженной аккумуляторной батарее).
КСП может работать в трех режимах: заряда СК при условии напряжения на нем более 0.9 от номинального, режиме ожидания и режиме разряда
СК при пуске ДВС при условии наличия начального напряжения на СК не
менее 0.9 от номинального.
Практическое создание КСП предполагает проектирование схемотехнических узлов и выполнение ряда электротехнических расчетов.
Научный руководитель – канд. техн. наук А. В. Мятеж.
40
УДК 622.231.5-83
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
НИЗКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ
ВИБРАТОРОМ
В. В. Топовский
Новосибирский государственный технический университет
Последние 30 лет 20-го века были ознаменованы созданием и внедрением мощных вибраторов (в частности электромеханических) в практику
сейсмических исследований. Основная побудительная причина развития
этого процесса кроется в очевидных преимуществах невзрывных способов
возбуждения сейсмических колебаний перед взрывными.
Электромеханический дебалансный вибратор является источником
низкочастотных колебаний в упругой среде (грунте) и предназначен для
решения следующих задач активной сейсмологии: осуществление мониторинга земной коры в сейсмоопасных регионах с целью поиска предвестников землетрясений; реализация глубинного сейсмического зондирования
для уточнения строения земной коры; диагноз физического состояния каркаса и фундаментов существующих промышленных сооружений; разведка
полезных ископаемых в труднодоступных районах.
Рассматриваемый дебалансный вибромодуль относится к центробежным вибрационным сейсмоисточникам. В таких устройствах колебательное усилие создаётся при перемещении по окружности несбалансированной массы (дебаланса). Вибромодуль представляет собой два спаренных
полумодуля, дебалансы которых синфазно и синхронно вращаются в противоположные стороны. Дебалансы крепятся на водилах или непосредственно на валах, приводимых во вращение электродвигателями.
В настоящее время наиболее эффективными являются стационарные
электромеханические дебалансные вибраторы ЦВ-40, ЦВ-100, ЦВО-100,
создающие вертикально поляризованную возмущающую силу с амплитудой до 100 тс в диапазоне частот 5-12 Гц.
Здесь ставится задача разработать систему управления электромеханическим дебалансным вибратором обеспечивающим амплитуду до 100 тс в
диапазоне частот 1-5 Гц.
Способ достижения поставленной задачи заключается, в первую очередь, в поиске рационального закона изменения частоты вращения дебалансов вибромодуля во времени, обеспечивающего выполнение выше изложенных требований.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Н. Н. Путинцев.
41
УДК 622.23.05
РАЗРАБОТКА МЕХАНИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА
ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ В ГРУНТ ДЛИННОМЕРНЫХ СТЕРЖНЕЙ
М. Я. Хенкин
Сибирский государственный университет путей сообщения,
г. Новосибирск
Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск
Одним из важнейших элементов наземного и подземного инженерного
сооружения является котлован, в котором особое место отводится конструкции и способу крепления его стен. При этом, как правило, предпочтение отдается металлическим двутавровым связям с постановкой расстрелов или грунтовых анкеров. Указанные типы крепи далеки от совершенства и имеют существенные недостатки, такие, как металлоемкость,
высокая стоимость и трудоемкость, многодельность. При забивке свай
возникает шум и вибрация, которые отрицательно воздействуют на людей
и прилегающие к месту строительства здания и сооружения.
Одним из основных путей устранения указанных недостатков, является
использование стержневой крепи, принцип работы которой основан на
армировании грунтового массива.
Основным рабочим оборудованием для погружения стержней являются
кольцевые пневмоударные машины типа ПУМ. ПУМы устанавливают на
разнообразные металлоконструкции собираемые непосредственно на объекте. Для использования машин типа ПУМ на строительных площадках
гражданского строительства часто применяют ручной труд, а именно для
установки машины в месте забивания нагеля, передвижением оборудования, обеспечивающего воздухоподачу к ПУМ, управлением воздухораспределения в процессе работы ПУМ. Все эти факторы значительно растягивают технологический процесс по укреплению откосов стержневым методом, требуют дополнительные человеческие ресурсы и снижают уровень
механизации.
Предлагаемый комплекс компактен по своим габаритным размерам,
имеет значительно меньшую массу, а главное обладает возможностью
быстрой установки на экскаватор-погрузчик, который имеется на любом
строительном объекте. Установка состоит: из кольцевой пневмоударной
машины, лафета, винтового компрессора, гидромотора, элементов системы
управления воздухораспределением. Привод компрессора осуществляется
гидромотором, который запитывается от дополнительной гидролинии базовой машины.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Д. С. Воронцов.
42
УДК 539.216.2
УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
МЕТОДОМ СИГНАЛЬНО АДАПТИВНОЙ ОБРАТНОЙ МОДЕЛИ
Е. Ю. Хлопова
Новосибирский государственный технический университет
В настоящее время системы «преобразователь частоты – асинхронный
двигатель с короткозамкнутым ротором» (ПЧ-АД) широко применяются
во всех отраслях промышленности и на транспорте. Объектом проводимого исследования является асинхронный электропривод (АЭП) с векторным
управлением, предназначенный для систем воспроизведения движений
металлорежущих станков, роботов, манипуляторов и других механизмов,
требующих высокой динамической точности формирования желаемых
пространственных траекторий исполнительного органа. Предмет исследования – системы регулирования скорости АЭП, малочувствительные к изменениям параметров объекта управления. Актуальность исследований в
данном направлении обусловлена, во-первых, использованием в классических алгоритмах управления АД косвенной и поэтому неточной информации о текущих значениях неизмеряемых координат объекта управления
(потокосцеплениях двигателя), а во-вторых, значительными изменениями
момента сопротивления и приведенного момента инерции механизма.
Для обеспечения малой чувствительности систем автоматического
управления нестационарными объектами к параметрическим возмущениям
используются методы адаптивного управления и специальные методы,
основанные на преднамеренной организации многотемповых процессов в
системах с «глубокими» обратными связями по выходным переменным и
их производным. В основу развиваемого в работе подхода положен разработанный на кафедре электропривода и автоматизации промышленных
установок НГТУ и совмещающий оба указанные выше принципа метод
сигнально адаптивной обратной модели (САОМ). Областью преимущественного применения метода САОМ являются внутренние подсистемы
АЭП, в частности системы управления моментом, магнитным потокосцеплением или токами электрических машин, однако хорошие результаты он
показывает и в системах регулирования скорости.
Автором синтезированы новые алгоритмы управления АЭП на основе
метода САОМ, путем численного моделирования исследована их чувствительность к вариациям параметров объекта, даны рекомендации по практическому применению полученных результатов.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. В. В. Панкратов.
43
УДК 629.735.33
РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТЕНДОВОГО
ОБОРУДОВАНИЯ (КОПРА) НА 5 ТОНН ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ
ИСПЫТАНИЙ ПОЛУШАССИ С ПОЛЕТНЫМ ВЕСОМ ДО 10 Т.
Д. А. Чужченко
Новосибирский государственный технический университет
Шасси самолётов испытывают колоссальные нагрузки при посадке,
особенно в аварийных ситуациях. Для испытаний взлётно-посадочных
устройств летательных аппаратов используются стенды (копры) разных
размеров и, соответственно, разных воспроизводимых усилий, имитирующих условия реальных посадок, послепосадочного пробега и руления по
аэродромам с их неровностями и другими проблемами.
Надёжность, прочность и долговечность конструкции шасси – это основные гарантии безопасности жизни пассажиров авиатранспорта.
Основные задачи работы:
- Подбор необходимого контрольного оборудования для работы стенда
в автоматическом режиме;
- Разработка местного и дистанционного пульта управления и поиск
наиболее рационального варианта их расположения;
- Согласование требований заказчика с производимыми расчетами и
выполняемыми работами.
Предметом исследований является выполнение указанных задач на современной элементной базе с возможностью микропроцессорного управления ходом испытаний и ведением записи. В управлении копром используются бесконтактные концевые выключатели, реле различного типа, таймеры, пускатели, а также устройства для снятия показаний испытаний.
Использование микропроцессорной техники позволит автоматически сличать поведение конструкции шасси при испытании с имитационной моделью, коэффициенты которой подобраны по усредненным ожидаемым значениям массы, жесткости, коэффициентов демпфирования и др. для данного класса испытываемого объекта. По расхождениям модельных и опытных результатов при помощи специально разработанной программы можно найти узел, явившийся причиной отклонений.
Научный руководитель – канд. техн. наук А. В. Мятеж.
44
УДК 621.34
СИСИТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
РАЗРЕЖЕНИЯ ПАРОВОГО КОТЛА БАРАБАННОГО ТИПА
С УПРАВЛЯЕМЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Е. А. Шашков
Новосибирский государственный технический университет
Тепловую и электрическую энергию вырабатывают в основном тепловые электрические станции, использующие химическую энергию топлива
для выработки механической, электрической и тепловой энергии.
Наиболее экономичным способом получения тепловой энергии является ее комбинированная выработка совместно с электрической энергией на
теплоэлектростанциях (ТЭЦ). В тех случаях, когда сооружение крупных
ТЭЦ экономически не оправдано, выработка тепловой энергии производится отдельно, посредством небольших котельных установок.
Среди котельных агрегатов широкое распространение получили газомазутные паровые котлы малой и средней мощности, обладающие рядом
преимуществ, таких как унификация по топливу, высокий КПД, разносторонние возможности для автоматического регулирования горения.
Котельные установки, вырабатывающие пар, представляют собой довольно сложный комплекс устройств и механизмов, который требует применения автоматизированной системы управления.
В котельных агрегатах существует необходимость поддерживать минимум пять параметров: давление пара в котле, уровень воды в барабане,
температуру перегретого пара за котлом, КПД котлоагрегата и разрежение
в топочной камере.
Для организации процесса горения в топку парового котла необходимо
подавать воздух и удалять образующиеся продукты сгорания, что осуществляется посредством создания в топке и газоходах определенного
разрежения. Поддержание разрежения осуществляется при помощи тягодутьвой установки.
Применение систем автоматического регулирования в теплоэнергетических установках приводит к первоначальному повышению производительности и экономии средств, затрачиваемых на эксплуатацию.
Научный руководитель – д-р. техн. наук, проф. Г. М. Симаков.
45
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
УДК 621.313.84
СИНХРОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
С ДРОБНОЙ ЗУБЦОВОЙ ОБМОТКОЙ
ДЛЯ ПОГРУЖНЫХ НАСОСОВ
А. В. Азаренок
Новосибирский государственный технический университет
В связи с постоянным ростом потребления нефти и нефтепродуктов все
более значимыми являются вопросы создания более надежного нефтепромыслового оборудования, обладающего улучшенными выходными характеристиками.
Применение в составе электропривода для электровинтового насоса
синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов и
дробными зубцовыми обмотками придает установке ряд несомненных
преимуществ:
1. Более высокий КПД в сравнении с асинхронным ЭД;
2. Отсутствие токовых потерь в роторе;
3. Наиболее эффективное использование меди за счет уменьшения лобовых частей обмотки статора;
4. Возможность создания тихоходных двигателей для малодебитных скважин.
Данная работа посвящена разработке и исследованию магнитоэлектрического двигателя с дробной зубцовой обмоткой. Целью работы было развитие технологии добычи нефти из скважин с осложненными условиями и
малодебитных скважин.
Применение дробной зубцовой обмотки, охватывающей один зубец,
существенно уменьшает длину вылета лобовой части обмотки. Уменьшение длины проводников снижает электрические потери двигателя, увеличивая его КПД.
Многополюсность также является несомненным преимуществом. При
большом количестве полюсов имеем невысокую скорость вращения и
большой момент, что позволяет применять такие двигатели в малодебитных скважинах.
Разрабатываемый двигатель имеет ротор «коллекторного типа». Он создает больший вращающий момент с единицы объема ротора. Опасность
размагничивания снижается, конструкция механически прочнее.
Используемые магниты «Неодим-железо-бор» имеют высокую магнитную энергию и являются наиболее перспективными в настоящее время.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко.
46
УДК 621.313.84
БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ РУЛЯ
К. Н. Глагольев
Новосибирский государственный технический университет
Основной концепцией автомобиля ближайшего будущего является
стремление к повышению удобства, простоты эксплуатации и управления
автомобилем. В последнее время большую значимость приобретает проблема обеспечение надежности и точности управления. В связи с этим,
возникает необходимость усовершенствования рулевого управления. Усилитель руля является неотъемлемой частью современного автомобиля,
поэтому разработка электромеханического усилителя руля (ЭМУР) - перспективная тема в данном направлении.
Основной проблемой при проектировании ЭМУР является обеспечение
требуемых силовых показателей электрического двигателя в ограниченном объеме и ограниченной потребляемой мощности. Данная задача может быть решена при использовании, в качестве исполнительного элемента, двигателя переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов и
дробной зубцовой обмоткой. Так как электродвигатель получает питание
от бортовой сети автомобиля, следовательно, требуется максимальное
снижение электропотребления, вследствие чего осуществляется переход
от электромагнитного возбуждения к магнитоэлектрическому. Данный
тип двигателя не имеет щеточно-контактного узла, что благоприятно сказывается на его технико-экономических показателях. Выполнение многополюсных машин малой мощности с обмотками классического типа, при
заданных габаритах двигателя, затруднено в связи с необходимостью увеличения числа зубцов статора, что приводит к измельчению зубцовопазовой области. Это усложняет технологию изготовления. Применение
дробной однозубцовой обмотки помогает решить данную проблему. При
использовании такой обмотки появляется возможность выполнения машины с большим количеством пар полюсов при достаточно малом диаметре расточки. Так же снижается расход обмоточной меди и упрощается
укладка обмотки, так как каждая катушка охватывает один зубец.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко.
47
УДК 621.313.333
КОНСТРУКЦИИ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ СПОСОБА ЭКСПЛУАТАЦИИ
Е. В. Зямилов
Новосибирский государственный технический университет
Целью данной работы является проектирование и разработка конструкции синхронных двигателей с постоянными магнитами, устраивающих условиям технических требований, и представление полученных конструкций и технических характеристик.
В ходе проектирования и конструирования двигателей были разработаны три конструкции.
1) Разработана модель конструкции высокофорсированного синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Двигатель используется в рулевом электроприводе (РЭП-230). Двигатель был сконструирован и изготовлен. Прошел испытания на предприятии-изготовителе и в условиях эксплуатации.
2) Разработана модель конструкции высокомоментного синхронного
двигателя с постоянными магнитами.
Двигатель используется в управлении радиолокационной системы.
Двигатель обладает хорошими техническими характеристиками и простотой конструкции. Параметры двигателя сведены в таблицу 1.
3) Разработана модель конструкции высокомоментного синхронного
двигателя с постоянными магнитами обращённой конструкции.
Двигатель используется в управлении радиолокационной системы. Разработка электродвигателя является сложной технической задачей, на решение которой накладываются многочисленные, часто взаимоисключающие требования к характеристикам, энергопотреблению, длительности
непрерывной работы, массе, габаритам, особенностям компоновки, стоимости и многим другим параметрам.
Предварительные расчеты производились в программном приложении
MathCad. Для расчета магнитного поля была выбрана программа Finite
Element Method Magnetics version 4.2, реализующая метод конечных элементов. Расчет теплового процесса в программе Motor-CAD осуществляется методом эквивалентных тепловых схем замещения.
Опытные образцы данных электродвигателей изготовлены и прошли
испытания. Электродвигатели Л9ЭД41.00.00 и Л9ЭД170.00.00 с 2014 года
выпускаются серийно.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. В. А. Тюков.
48
УДК 621.313
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ РАДИАЛЬНОГО
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА
Ю. Н. Иванников
Самарский государственный технический университет
Электромагнитные подшипники (ЭМП) в устройствах подвеса быстроходных роторов обладают кроме известных преимуществ и рядом недостатков, основным из которых является большая масса и габариты по
сравнению с традиционными подшипниками скольжения и качения.
Снижение объема и массы ЭМП при заданной грузоподъемности возможно лишь за счет увеличения магнитной индукции в зазоре и плотности
тока в обмотках, что приводит к увеличению нагрева активных частей
подшипника. Поэтому определение допустимых значений тепловых нагрузок – актуальная задача совершенствования ЭМП.
В докладе рассматривается задача моделирования температурного поля
радиального ЭМП со следующими номинальными параметрами:
− номинальная грузоподъемность F = 120 , Н;
− номинальная частота вращения n = 1500 , об/мин;
− число полюсов 2 p = 8 ;
−
номинальное напряжение питающей сети U = 24 , В;
− число зубцов статора Z1 = 24.
Поставленная задача была решена методом конечных элементов в программной среде Elcut. Математическая модель ЭМП представляет собой
плоскопараллельное описание радиального подшипника с разбиением на
расчетные блоки с заданными физическими свойствами и сетку конечных
элементов.
В результате математического моделирования электромагнитных и
тепловых процессов, происходящих в радиальном электромагнитном подшипнике при статическом нагружении опоры, были установлены наиболее
нагретые зоны радиального ЭМП. Предложены рекомендации по снижению температуры до допустимого уровня.
Научный руководитель – д-р техн. наук, доцент Ю. А. Макаричев
49
УДК 621.313.8
РАСЧЕТНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ СИНХРОННЫХ МАШИН С
ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И ДРОБНО-ЗУБЦОВЫМИ
ОБМОТКАМИ
В. В. Корнеев
Новосибирский государственный технический университет
В последние годы, в связи с развитием машиностроения и технологических процессов, синхронные машины на постоянных магнитах находят
применение в различных системах преобразования энергии. Высокая конкуренция в данной области приводит к необходимости проектирования
машин с высокими удельными показателями, минимальными затратами
времени и ресурсов, высокой точностью. Наиболее сложными задачами
проектирования является определение главных размеров и расчет характеристик электрической машины с постоянными магнитами.
При проектирование и анализе работы электрических машин их обычно представляют в виде эквивалентных электрических схем, применяя для
расчета последних хорошо разработанные методы теории цепей. Процессы, происходящие в электрической машине, описываются при этом дифференциальными уравнениями цепей, однако коэффициенты при переменных по сути своей должны определяться из расчета поля.
Поэтому при проектировании и выборе геометрии активного объема
машины необходим обоснованный и правильный выбор значений коэффициентов, таких как обмоточный коэффициент, коэффициент полюсного
перекрытия и коэффициент формы поля.
При определение расчетных коэффициентов принимаются допущения,
что магнитная проницаемость стали равна бесконечности; раскрытия пазов
бесконечно малы; зазор в сравнении с полюсным делением мал.
В работе рассматривается определение требуемых при проектировании
электрических машин расчетных коэффициентов при отсутствии выше
описанных допущений с помощью конечно элементного моделирования
электромагнитного поля в активном объеме электрической машины. Расчет производятся для различных значений числа пазов на полюс и фазу.
При определении обмоточного коэффициента была выявлена зависимость
его величины от относительного открытия паза статора (то есть ширины
шлица паза статора к зубцовому делению).
Полученные результаты уточняют значения расчетных коэффициентов
и могут быть использованы при проектирование электрических машин.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент А. Г. Приступ.
50
УДК 621.313.333
ПОДХОД К ЧИСЛЕННОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ
НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Е. О. Лавренов
Новосибирский государственный технический университет
Исследования несимметричных режимов АД стимулированы необходимостью диагностики и выявления дефекта с целью предотвращения перегрева и пожара двигателя. Режимы АД при несимметрии сопротивлений
ротора в публикациях отечественных и зарубежных источников на текущий момент рассмотрены недостаточно, что позволяет считать данное
направление исследования актуальным.
В качестве системы координат для дальнейшего исследования была
выбрана трехфазная естественная система. С использованием законов
Кирхгофа для электрической цепи, закона Ампера для связи токов и потокосцеплений, закона Ленца для связи механического момента с потокосцеплениями и токами, второго закона Ньютона для связи механического
момента и скорости вращения составлена математическая модель и написана программа для исследования режимов работы машины при наличии
несимметрии в цепи ротора. На базе программного пакета MATLAB создано программное обеспечение для выполнения расчетов характеристик
асинхронного двигателя как с симметричной, так и несимметричной обмоткой ротора. Добавлена возможность расчета КЗ в обмотках. С помощью созданного ПО выполнены исследования влияния степени различных
типов несимметрии на токи переходных процессов и переходные механические характеристики. Рассмотрены также результаты расчетов аварийных режимов при обрывах фазы и межвитковых замыканиях, определены
критические механические моменты нагрузок для описанных режимов,
сделаны выводы по их значениям.
Адекватность результатов работы программы подтверждена малой погрешностью по отношению к результатам электромагнитного расчета машины. В несимметричном режиме также наблюдается подобие результата
классическим ожидаемым статическим механическим характеристикам с
эффектом одноосного включения, описанным в источниках.
Данное ПО может быть использовано при разработке устройств защиты двигателей от аварий, а также в учебном процессе при моделировании
работы АД в различных режимах.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. В. А. Тюков.
51
УДК 621.313.333.2
НИЗКОВОЛЬТНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
С УЛУЧШЕННЫМИ ПУСКОВЫМИ СВОЙСТВАМИ
Д. В. Михеев
Новосибирский государственный технический университет
В современных управляемых мехатронных системах трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются основными
преобразователями электрической энергии в механическую. В России
асинхронными двигателями в составе регулируемых электромеханических
систем потребляется более 80% электрической энергии. Такое широкое
применение обусловлено удачным сочетанием комплекса эксплуатационных и конструктивных характеристик. Вследствие чего разработано и постоянно разрабатывается множество модификаций асинхронных двигателей с широким диапазоном мощностей и частот вращения.
Исходя из выше сказанного, совершенствование технических показателей асинхронных электродвигателей с учетом современного требования
ресурсо- и энергосбережения является актуальной проблемой. В данной
работе решены следующие задачи:
1. Выполнен анализ и произведена систематизация используемых
конструктивно-технических решений, предопределяющих улучшение пусковых свойств асинхронных электродвигателей.
2. Выполнен анализ пусковых свойств асинхронных двигателей в
диапазоне высот осей вращения от 132 до 180 мм, мощностей от
11 до 30 кВт при частоте вращения 1500 об/мин.
3. На примере асинхронного электродвигателя мощностью 18,5 кВт,
напряжением 220/380 В, частотой вращения 1500 об/мин более
подробно рассмотрены некоторые конструктивно-технические
решения, влияющие на значения пускового тока и пускового момента. Определены наилучшие соотношения геометрических размеров зубцово-пазовой области ротора.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. З. С. Темлякова.
52
УДК 631.313.8
РАСЧЕТ ЗУБЦОВЫХ ПУЛЬСАЦИЙ МОМЕНТА В СИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЯХ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
Р. Е. Суглобов
Новосибирский государственный технический университет
В течение последних лет синхронные машины с постоянными магнитами (СДПМ) получили широкое распространение в промышленности.
СДПМ характеризуются: пониженной массой и габаритами, повышенным
КПД и высокой удельной электромагнитной мощностью, сниженным
уровнем потерь, а также уменьшенным количеством шумов и вибраций.
Данные приемущества позволяют использовать СДПМ в различных
устройствах. Применение постоянных магнитов приводит к следующим
положительным качествам: увеличение величины индукции в воздушном
зазоре, отсутствие потерь связанных с системой возбуждения, простота и
надежность конструкции, а также хорошее распределение тепловых потоков.
Особенностью конструкции машин с дробными зубцовыми обмотками
и числом пазов на полюс и фазу меньше единицы является то, что число
зубцов статора мало отличается от числа полюсов, что приводит к повышенному уровню зубцовых пульсаций момента. Эти пульсации генерируют набор высших гармоник и приводят в конечном итоге к возникновению
вибраций и шумов, отрицательно влияющих на долговечность подшипников, муфт и приводов в целом, особенно высоки эти пульсации при работе
на малых и средних скоростях. Например, для использования данных двигателей в высокоточных презиционных приводах, лазерной резке, робототехнике и медицине, необходимо обеспечить контроль данных пульсаций
еще на стадии проектирования двигателя. Для этого необходимо иметь
определенный инструмент, т.е. методику, позволяющую достаточно точно
количественно рассчитать величину этих пульсаций.
В ходе данной работы была создана аналитическая модель для расчета
величины зубцовых пульсаций момента в СДПМ, позволяющая на стадии
проектирования выявить величину пульсаций с достаточно высокой точностью.
Научный руководитель – канд. тех. наук, доцент А. Г. Приступ.
53
УДК 621.313.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗУБЦОВЫХ ПУЛЬСАЦИЙ МОМЕНТА
В СИНХРОННЫХ МАШИНАХ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
И ДРОБНЫМИ ЗУБЦОВЫМИ ОБМОТКАМИ
Д. М. Топорков
Новосибирский государственный технический университет
Синхронные машины с постоянными магнитами широко применяются
в различных областях, что обусловлено высоким уровнем КПД, удельной
мощности и надежностью этих машин. Отдельным подклассом можно выделить машины с дробными зубцовыми обмотками с числом пазов на полюс и фазу меньше единицы. Машины с такими обмотками характеризуются большой полюсностью и, как следствие, обладают высоким электромагнитным моментом. Особенностью конструкции таких машин является
то, что число зубцов статора мало отличается от числа полюсов. Следствием такой конструкции является повышенный уровень зубцовых пульсаций
момента, который приводит к появлению нежелательных вибраций и шумов. Для исследования зубцовых пульсаций момента и разработки методов
их уменьшения необходимо выявить физические причины их появления и
влияние параметров машины на эти пульсации.
В работе предложена математическая модель синхронной машины с
радиальным расположением магнитов на роторе при обесточенной обмотке статора. Момент, действующий на ротор такой модели можно определить как производную от энергии магнитного поля по углу поворота ротора. Энергия магнитного поля пропорциональна интегралу от квадрата магнитной индукции в воздушном зазоре по объему воздушного зазора. При
этом индукция определяется произведением магнитодвижущей силы
(МДС), создаваемой магнитами, и магнитной проводимости воздушного
зазора, которые в общем виде представляют собой суммы гармонических
составляющих. Такой подход позволил определить, что пульсации момента вызваны взаимодействием определенных гармонических составляющих
МДС и проводимости зазора. С помощью предложенной модели определены порядковые номера взаимодействующих гармоник МДС и проводимости зазора, а также номера гармоник пульсаций момента для машин с
различным числом пазов на полюс и фазу. Полученные результаты подтверждаются результатами экспериментов.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко.
54
УДК 621.318.433
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАТУШКИ
ТЕСЛА С ПИТАНИЕМ
ОТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИСТОЧНИКА
Ю. В. Устименко
Новосибирский государственный технический университет
Эксперименты гениального ученого Н. Тесла внесли весомый вклад в
понимание процессов распространения электромагнитного поля в пространстве, а также породили массу мистификаций. Резонанс напряжений в
катушке Тесла возникает благодаря большой индуктивности рассеяния,
т.е. недостаток трансформатора обращен в пользу.
Исследования в данной работе проводились на физической модели катушки высотой 30см, для которой также создана имитационная модель,
выполненная на основе классической схемы замещения трансформатора,
нагруженного на собственную емкость металлического тора. Для этой
схемы получена передаточная характеристика напряжения:


R − jX C 2


⋅ ( R2 + jX C 2 )
1+ H

 R − jX

− RH ⋅ jX C 2
R − jX C 2 
C2
W& ′ = 1 + H
⋅ ( R2 + jX C 2 ) + 
+ H
⋅ ( R1 + j ( X1 − X C1 ))

jX µ
− RH ⋅ jX C 2 
 − RH ⋅ jX C 2









−1
После подстановки экспериментально полученных параметров схемы
замещения в передаточную характеристику и напряжения питания 150В
схемы получена зависимость первичного тока и вторичного напряжения от
частоты источника переменного тока.
Получено подобие физической и имитационной модели по вторичному
напряжению с погрешностью 21%, обусловленной наличием стриммеров в
высоковольтной части обмотки на физической модели.
Научный руководитель – канд. техн. наук А. В. Мятеж.
55
УДК 621.313.317
ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА
В ПЕРЕХОДНОМ ТЕПЛОВОМ ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА
Д. А. Хохлов
Новосибирский государственный технический университет
Реализация новых виброударных технологий и применение для этих
целей линейных электромагнитных машин вызывает необходимость совершенствования инженерных методик по их расчету, позволяющих на
стадии проектирования оптимизировать работу электропривода с учетом
заданных динамических параметров, обусловленных рабочим процессом.
В работе на основании ранее полученного решения уравнения Ньютона
в конечных разностях с помощью дискретного преобразования Лапласа
для решетчатых функций получены новые расчетные соотношения для
кратковременного режима работы электропривода. Соотношения получены при допущении, что электропривод является однородным телом с равномерно распределенным источником теплоты и с идеальной теплопроводностью, мощность тепловыделений в процессе нагрева не меняется.
Для широко распространенного в практике способа управления тепловой нагрузкой электромагнитного привода из условия допустимого нагрева получены приближенные расчетные соотношения, устанавливающие
допустимое значение энергии удара в зависимости от количества произведенных рабочих циклов (ударов) и начального превышения температуры
над температурой окружающей среды, а также теплофизических и геометрических параметров электропривода. Полученные зависимости для переходного режима нагрева электропривода от параметров, характеризующих
режим его работы, могут быть использованы в инженерной практике, как
при разработке новых виброударных устройств, так и для управления их
тепловой нагрузкой, что позволит без применения сложного математического аппарата оптимизировать работу электропривода с учетом заданных
динамических параметров, обусловленных рабочим процессом. Для электромагнитного ударного привода из условия допустимого нагрева получены новые расчетные соотношения, учитывающие начальное превышение
температуры и её колебания в переходном тепловом процессе нагрева.
Научный руководитель - канд. техн. наук JI. A. Нейман
56
УДК 621.313.17
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗАДАННОГО ГАБАРИТА
И ВЕСА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
А. С. Шабанов
Новосибирский государственный технический университет
Электромагнитные двигатели, основу которых составляют силовые
электромагниты цилиндрической структуры, хорошо зарекомендовали
себя при автоматизации в различных технологических процессах.
В зависимости от выполняемых технологических операций к электромагнитам предъявляются разные и порой противоречивые требования,
которые могут быть частично удовлетворены за счет особой конструкции
магнитной системы, основные соотношения и размеры которой определяются на основании существующих рекомендаций. Однако, выбор рационального типа, позволяющего обеспечить наилучшее сочетание профиля
магнитной системы электромагнита с другими силовыми исполнительными элементами устройства, по-прежнему вызывает определенные затруднения.
В данной работе выполнен сравнительный анализ цилиндрических
электромагнитов одного габарита и веса активных материалов и показано
влияние профиля магнитной цепи через широко используемые в практике
выходные показатели, полученные с помощью конечно-элементного моделирования магнитного поля в программе Finite Element Method Magnetic.
В работе показано, что для одинаковых условий работы при заданных
габаритах и весе активных материалов значения конструктивного фактора
и добротности электромагнитов существенно зависят от профиля магнитной цепи. Оптимальный для получения максимальной условной полезной
работы ход якоря и профиль магнитной цепи электромагнита взаимосвязаны и характеризуются определенной величиной конструктивного фактора.
Области рациональных значений конструктивных факторов целесообразно
определять из анализа расчетных статических тяговых характеристик, полученных с помощью конечно-элементного моделирования магнитного
поля, что упрощает решение задачи многовариантного поиска.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Л. А. Нейман.
57
УДК 621.3.09
ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ МАШИН
СО СПЕЦИАЛЬНЫМ РОТОРОМ ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ
А. А. Шевченко
Новосибирский государственный технический университет
Современное народное хозяйство немыслимо без применения электрических машин. Изобретённые чуть более века назад, они получили широчайшее распространение в промышленности. Высоковольтные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве привода стационарных насосов, компрессоров, нагнетателей и других исполнительных
механизмов.
В настоящее время в электромашиностроении при разработке крупных
асинхронных электрических машин применяются роторы с формой паза,
отличающейся от ранее применяемых. Например, глубокие пазы ротора с
боковой заклиновкой.
Такая конструктивная форма паза представляет собой прямоугольное
сечение с выступом сбоку под клин. При расположении медного стержня
в пазу клин удерживает роторный проводник. Такая форма повышает механическую прочность «беличьей клетки», однако усложняет методику
определения момента и тока при различных скольжениях.
Данная работа посвящена исследованию влияния изменения конфигурации бокового клина на проводимость пазового рассеяния и, как следствие, на индуктивное сопротивление обмотки ротора. Современное программное обеспечение позволяет решать полевые задачи численными методами на основании уравнений Максвелла. Моделирование проводилось
в программной среде Ansoft Maxwell.
На основании проведённых исследований получено приближённое
аналитическое выражение для проводимости пазового рассеяния с учётом
ширины и высоты клина, а также его местоположения.
Кроме того, выполнено моделирование магнитного поля в пазу и построены графики изменения его плотности в различных частях паза в
функции скольжения.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. З. С. Темлякова.
58
ОГЛАВЛЕНИЕ
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ .... 5
А. В. Агарин ................................................................................................... 5
А. И. Андреев, М. А. Копылов, Е. М. Баранова, Ю. С. Кимбер................. 6
И. О. Бирюкова, Т. О. Бирюкова, В. А. Грудев ........................................... 7
В. Э. Волхов, В. Е. Голобоков, И. Л. Крамаренко. ...................................... 8
А. Н. Добров ................................................................................................... 9
К. В. Кубрак .................................................................................................. 10
А. Э. Морев ................................................................................................... 11
Ю. М. Носочева ............................................................................................ 12
В. А. Промзелев, А. Э. Морев ..................................................................... 13
С. О. Пятых ................................................................................................... 14
Д. Н. Санников ............................................................................................. 15
В. А. Сериков, А. Н. Добров ....................................................................... 16
С. И. Творогов .............................................................................................. 17
М. Ю. Тимофеев ........................................................................................... 18
Н. Е. Шипулина ............................................................................................ 19
ЭЛЕКТРОПРИВОД И АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ.............................................................................................. 20
М. Н. Алеко, В. С. Карачев.......................................................................... 20
Н. И. Борисов ................................................................................................ 21
Д. П. Вислогузов, В. В. Вдовин .................................................................. 22
Я. А. Витковский .......................................................................................... 23
П. А. Давыдов ............................................................................................... 24
И. С. Додорин, И. В. Матлак ....................................................................... 25
А. С. Зеленков, А. Д. Максимихин, М. Е. Суббота, А. В. Баранов .......... 26
Т. С. Иванкин................................................................................................ 27
В. С. Карачев, М. Н. Алеко.......................................................................... 28
М. С. Кислицын ............................................................................................ 29
И. С. Левин ................................................................................................... 30
Б. В. Ляшев, Г. А. Палкин, Р. В. Горбунов ................................................ 31
А. С. Максимов ............................................................................................ 32
Е. В. Мамонтова ........................................................................................... 33
И. В. Матлак, И. С. Додорин ....................................................................... 34
Ю. В. Митрошин .......................................................................................... 35
Е. А. Никифоров ........................................................................................... 36
К. В. Потехин................................................................................................ 37
А. М. Сагдатуллин ....................................................................................... 38
И. И. Скокова ................................................................................................ 39
А. О. Смирнов .............................................................................................. 40
В. В. Топовский ............................................................................................ 41
М. Я. Хенкин ................................................................................................ 42
59
Е. Ю. Хлопова .............................................................................................. 43
Д. А. Чужченко ............................................................................................. 44
Е. А. Шашков................................................................................................ 45
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА ................................................................................ 46
А. В. Азаренок .............................................................................................. 46
К. Н. Глагольев ............................................................................................. 47
Е. В. Зямилов ................................................................................................ 48
Ю. Н. Иванников .......................................................................................... 49
В. В. Корнеев ................................................................................................ 50
Е. О. Лавренов .............................................................................................. 51
Д. В. Михеев ................................................................................................. 52
Р. Е. Суглобов ............................................................................................... 53
Д. М. Топорков ............................................................................................. 54
Ю. В. Устименко .......................................................................................... 55
Д. А. Хохлов ................................................................................................. 56
А. С. Шабанов .............................................................................................. 57
А. А. Шевченко ............................................................................................ 58
60
Научное издание
МАТЕРИАЛЫ
52-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНОЙ
СТУДЕНЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ
МНСК–2014
МЕХАНИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ
Материалы конференции публикуются в авторской редакции
Подписано в печать 02.04.2014 г.
Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 3,8. Усл. печ. л. 3,5.
Тираж 130 экз. Заказ №
Редакционно-издательский центр НГУ.
630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2.