К компетенциям - через инноватику

Подождите немного. Документ загружается.

А. В. Богатырев, магистрант;

научный руководитель – канд. техн. наук, доц. А. А. Калинкин

Ижевский государственный технический университет

Разработка методики и экспериментального стенда

для исследования процесса электростатического преобразования

энергии в маховичных накопителях

В настоящее время эффективность работы энергосистемы Россий-

ской Федерации достаточно низка, так как большой и малой энерге-

тике присущи некоторые особенности:

• потребление энергии меняется в зависимости от времени суток;

• частота в сети станции постоянно скачет, что не может не ска-

заться на качестве энергии;

• наличие разветвленных сетей (большой энергетики), на обслу-

живание и ремонт которых затрачиваются немалые средства и в ко-

торых теряется до 40 % произведенной энергии.

Вследствие невозможности накопления электроэнергии в боль-

ших количествах приходится завышать установленную мощность

источника энергии для того, чтобы обеспечить покрытие пиков по-

требления, которые составляют несколько процентов от суточного

потребления. В остальное время мощность источника приходится

снижать, что экономически невыгодно, так как источник работает

в нерасчетном режиме и имеет низкий КПД и сверх того быстрее рас-

ходует свой ресурс работы и выходит из строя.

В настоящее время все чаще возникают проблемы с энергоснаб-

жением удаленных потребителей, потому что провода просто среза-

ют и сдают в пункты приема лома цветных металлов. Поэтому для

удаленных потребителей выгоднее иметь источник электроэнергии

непосредственно на месте потребления, и одним из вариантов реше-

ния этой проблемы является либо использование нетрадиционных

и возобновляемых источников энергии (НиВИЭ), либо аккумули-

рующих устройств, либо и тех и других вместе.

Рассмотрим вариант с аккумулирующими устройствами. Необхо-

димо отметить, что существующие на сегодняшний день аккумулято-

ры не в состоянии соответствовать всем требованиям, а именно:

– быть компактными;

– иметь возможно большее число циклов заряда-разряда;

– иметь возможно большую скорость заряда-разряда;

– иметь большой срок службы;

– накапливать большие количества электроэнергии;

– иметь приемлемую стоимость.

Из всего многообразия аккумулирующих устройств этим требова-

ниям наиболее соответствуют накопители энергии, в которых в качест-

ве аккумулирующего элемента используется супермаховик. Такой на-

копитель энергии может использоваться как в большой, так и в малой

энергетике.

Главной и неотъемлемой частью устройств, использующих меха-

нический аккумулятор энергии, несомненно, является сам маховик.

Но необходимо еще устройство, которое бы маховик раскручивало,

а при необходимости и отбирало энергию. В разработанных и пред-

ложенных американской компанией Beacon Power моделях аккумуля-

торов преобразование электрической энергии в механическую и на-

оборот осуществляется посредством асинхронных или синхронных

обратимых машин. При этом время реакции таких систем на спады

и пики нагрузки составляет около 4 секунд, что достаточно быстро,

но не всегда позволяет использовать маховичные накопители в об-

ластях, где требуется более быстрый переход из одного режима

в другой.

Для достижения меньшего времени переключения, а также увели-

чения КПД аккумулирующего устройства предлагается использова-

ние электростатического способа преобразования энергии. Устройст-

во для преобразования такой энергии представляет собой три диска,

расположенных параллельно друг другу. Два диска расположены

неподвижно и снабжены пластинами, равномерно расположенными

радиально по всему периметру, как у электрофорной машины. Тре-

тий диск располагается соосно двум неподвижным и имеет возмож-

ность вращаться вокруг своей оси. На вращающемся диске, так же,

как и на не подвижных, расположены пластины. Раскручивание раз-

гоняющего устройства происходит посредством подачи напряжения

на пластины таким образом, чтобы пластины, расположенные на под-

вижном и неподвижных дисках, сначала притягивали друг друга,

а после прохождения отталкивали друг друга. Выбрав точно время

подачи импульса, при котором воздействие на диск будет макси-

мальным, можно получить установку, имеющую КПД больше, чем

если бы вместо пластин использовались электромагниты.

Для проверки работоспособности данной гипотезы было предложе-

но использовать простой для реализации, но позволяющий проследить

основные физические процессы экспериментальный стенд. Стенд яв-

ляется физической моделью маховичного накопителя, и опыты, прове-

денные на данной экспериментальной установке, позволят рассчитать

и правильно подобрать геометрические и электрические параметры

реального устройства, исходя из оптимальных условий преобразования

энергии из механической в электрическую и наоборот. Схема испыта-

тельного стенда представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытательного стенда

Экспериментальный стенд предлагается выполнить как маятниковую

систему, имитирующую единичный фрагмент дискового устройства. В

маятнике на конце рычага закреплены пластины, представляющие собой

плоский конденсатор. Данным пластинам предварительно сообщен

электрический заряд от высоковольтного источника постоянного напря-

жения. Ось маятника установлена на подшипниках качения. Стенд ос-

нащен устройствами установки первоначального угла отклонения и дат-

чиком углового положения маятника. В начальный момент времени ма-

ятник отклоняется на определенный угол и фиксируется в этом

положении с помощью электромагнита, закрепленного на стойке стенда.

Напряжение с электромагнита снимается, и маятник начинает движение.

На основании стенда, в нижнем положении маятника, с двух сторон ус-

тановлены кронштейны с пластинами, которые так же, как и на маятни-

ке, представляют собой плоский конденсатор, и в момент прохождения

маятника между ними подается импульс таким образом, что неподвиж-

ные пластины приобретают заряд и возникает сила, влияющая на дви-

жение маятника. На оси маятника установлен датчик угла поворота, по-

зволяющий точно фиксировать все положения маятника.

Последовательные положения движения пластин и график подачи

напряжения на неподвижные пластины, позволяющие представить

процесс взаимодействия пластин на маятнике и на кронштейнах, ус-

тановленных на основании, приведены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. График подачи напряжения на неподвижные пластины, закрепленные

на кронштейнах на основании стенда в моменты времени t

, t

Рис. 3. Последовательные положения движения пластин на маятнике

относительно неподвижных пластин в моменты времени t

, t

В момент времени t

маятник приближается к неподвижным пла-

стинам 1. В этот момент необходимо подать напряжение на них та-

ким образом, чтобы неподвижные пластины притягивали пластины

на маятнике. Под действием данного импульса маятнику сообщается

дополнительный импульс силы до момента, когда маятник достигает

нижней точки. В некоторый момент времени, не доходя до нижней

точки, заряд с пластин необходимо снять, и маятник в течение про-

межутка ∆t = t

– t

движется по инерции. Интервал ∆t зависит от то-

го, какое время необходимо, чтобы поменять заряд на пластинах на

противоположный. В момент времени t

на пластины подается на-

пряжение противоположного направления так, чтобы пластины, за-

крепленные на маятнике, отталкивались от неподвижных пластин.

Действие данного импульса заканчивается в момент t

, когда воздей-

ствие подвижных и неподвижных пластин становится незначитель-

ным. Выбор t

, t

зависит от размеров пластин.

Таким образом на стенде предполагается выполнить исследования

параметров преобразования энергии с целью их оптимизации для

получения максимального КПД. Планом эксперимента предусматри-

вается варьировать величину напряжения, а также амплитуду и время

импульса. Эффективность преобразования предлагается оценивать по

углу, на который отклоняется маятник при запуске его с определен-

ной высоты. Зная геометрические характеристики маятника и угол

отклонения, можно рассчитать энергию, полученную маятником от

импульса. Данные, полученные экспериментальным путем с помо-

щью предложенной установки и подтвержденные расчетами, будут

основой для разработки реального макета устройства рекуперации

энергии на основе электростатического взаимодействия.

Список литературы

1. Гулиа Н. В. В поисках энергетической капсулы. – М. : Дет. лит., 1986. –

143 с.

2. Справочник по проектированию электроэнергетических систем /

В. В. Ершевич, А. Н. Зейлигер, Г. А. Илларионов и др. / под ред. С. С. Роко-

тяна и И. М. Шапиро. – М. : Энергоатомиздат, 1985.

3. Гармаев Б. Электрические мельницы прогресса, или С мечтой о вечных

аккумуляторах // Компьютеpра. – 2004. – № 6.

4. Нуждин В. Н., Просвирнов А. А. Новая жизнь центрифуги или аккумули-

рование энергии // Атом. стратегия. – 2007. – № 27. URL:

http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=811 (дата об-

ращения: 26.08.2009).

И. М. Болдырев, студент;

научный руководитель – канд. техн. наук В. В. Закураев

Новоуральский государственный технологический институт

Мобильная автоматическая система измерения

параметров шероховатости

Уралвагонзавод (УВЗ) – производственное объединение, лидер оте-

чественного грузового железнодорожного машиностроения, обладаю-

щее мощным техническим и интеллектуальным потенциалом. Пред-

приятие является главным поставщиком танков для Российской армии.

В соответствии с Государственной программой вооружения на 2007–

2015 годы запланировано закупить 1 400 танков Т-90. Принятие такого

решения исходило из того, что эти машины можно считать современ-

ными. Однако Т-90 по ряду признаков (живучесть, подвижность, ко-

мандная управляемость) пока уступает зарубежным модернизирован-

ным танкам М1А2 SEP «Абрамс», «Леопард-2А6» и т. д. Существен-

ной проблемой является показатель живучести ствола танковой пушки,

т. е. способность выдерживать заданное количество выстрелов без

снижения баллистических характеристик ниже допустимой величины.

Живучесть ствола пушек танков М1А2 и «Леопард-2А6» определяется

700 выстрелами бронебойных подкалиберных снарядов, а российского

Т-90 – всего лишь 400 выстрелами. Одной из возможных и наиболее

объективных причин относительно низкого показателя живучести пушек

отечественных танков является нарушение микрогеометрии, опреде-

ляющей важнейшие эксплуатационные качества внутренней поверхно-

сти ствола пушек (износостойкость от стирания, прочность, химическая

стойкость). Иными словами, микрогеометрические характеристики по-

верхности влияют на надежность работы изделия.

Микрогеометрические параметры поверхности регламентированы

ГОСТ 2789–73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характе-

ристики» [1]. Шероховатость поверхности – это совокупность неров-

ностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой дли-

не. Измерение параметров шероховатости осуществляется при помо-

щи профилометров и профилографов. В настоящее время на УВЗ

измерение параметров шероховатости внутренней поверхности ору-

дий производится лишь с краев ствола пушек. Потому остро встает

вопрос об определении микрогеометрии в центральной части. Однако

при диаметре 125 мм и длине ствола в 6 000 мм досягаемость профи-

лометром удаленных его частей становится невыполнимой задачей

без применения дополнительных устройств.

Для разрешения данной проблемы может быть использована мо-

бильная автоматическая система, способная точно определить микро-

геометрические параметры в труднодоступных местах изделия. Мо-

бильный робот с компьютерным управлением состоит из базового,

сенсорного, электронно-коммуникационного, транспортного моду-

лей, привода размыкания контакта опоры датчика и ствола, а также

модуля управления. Структурная схема мобильного робота с компь-

ютерным управлением приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема мобильного робота с компьютерным управле-

нием: 1 – ствол пушки; 2 – базовый модуль; 3 – электропривод; 4 – устройст-

во балансировки датчиков; 5 – первичный преобразователь; 6 – металличе-

ский трос; 7 – модуль управления

Базовый модуль 2 состоит из жесткой несущей рамы с отверстия-

ми для крепления транспортного модуля и устройства балансировки

датчиков 4.

Рис. 2. Первичный преобразователь: 1 – опора; 2 – катушка; 3 – коромыс-

ло; 4 – ощупывающая игла; 5 – якорь; 6 – плоская пружина; 7 – регулировоч-

ный винт; 8 – плоская пружина; 9 – рабочая часть опоры; 10 – основание;

11 – дистанционная планка; 12 – ползун; 13 – ходовой винт; 14 – гайка; 15 –

штифт; 16 – планка; 17 – ДПТ; 18, 19, 20, 21 – шестерни редуктора; 22 – пру-

жина; 23 – винт регулировочный; 24 – конечный выключатель; 25, 26 – угол-

ки; 27, 28 – крышки; 29 – П-образный кожух; 30 – светодиод; 31 – кнопка;

32 – плата; 33 – винты крепежные; 34 – резистор

Сенсорный модуль включает подсистему, состоящую из двух

контактных датчиков 5. Датчик (первичный преобразователь) вме-

сте с отсчетным устройством входит в комплект профилометра

«Абрис-ПМ7» (ООО «Абрис», Пенза). Первичный преобразователь

(см. рис. 2) предназначен для перемещения с постоянной скоростью

относительно измеряемой поверхности измерительного механизма

и преобразования линейных колебаний иглы, воспроизводящей не-

ровности измеряемой поверхности. Измерительный механизм дат-

чика через пружину 8 и дистанционную планку 11 прикреплен

к ползуну 12, который приводится в движение ходовым винтом 13

через гайку 14 и штифт 15, ввернутый в планку 16, которая жестко

закреплена на ползуне 12. Ходовой винт 13 приводится во вращение

электрическим двигателем постоянного тока 17 через двухступенча-

тый зубчатый редуктор, образованный шестернями 18, 19, 20 и 21.

Для функционирования мобильного робота потребуется лишь два

первичных преобразователя из двух комплектов профилометров.

Роль отсчетного устройства (ОУ) возьмет на себя ПК 7, обеспечи-

вающий выполнение всех функций ОУ, т. е. усиления и преобразова-

ния сигнала с первичного преобразователя, управления электропри-

водом измерительного устройства датчика, вычисления параметров

шероховатости измеряемой поверхности с выдачей результатов из-

мерения на устройство цифровой индикации. Таким образом, робот,

перемещаясь внутри ствола 1, будет осуществлять контроль парамет-

ров шероховатости при помощи контактных датчиков.

Электронно-коммуникационный модуль состоит из печатной пла-

ты и силового блока для подачи управляющих сигналов на электро-

двигатели с обратной связью.

Транспортный модуль включает электропривод 3, состоящий из

электродвигателя постоянного тока и механической передачи, которые

обеспечивают точное позиционирование робота в пределах рабочей зо-

ны. Мобильная система имеет три колеса, расположенные друг к другу

под углом 120

. Колеса оснащены пружинами для надежной установки

робота внутри ствола. Поступательное движение роботом осуществляет-

ся путем присоединения к нему с обеих сторон металлического троса 6 и

последующего перемещения в двух возможных направлениях.

Привод размыкания контакта опоры датчика и ствола включает

электродвигатель и механическую передачу, которые управляют

устройством балансировки датчиков. Принцип работы данной

подсистемы следующий. Робот, находясь на заданной точке, при-

нимает сигнал с системы управления на выполнение измеритель-

ных операций. Включается электродвигатель, приводящий в дви-

жение устройство с расположенными на нем первичными преоб-

разователями до тех пор, пока не выполнится балансировка

датчиков, т. е. при базировании на измеряемую поверхность рабо-

чая поверхность опоры 9 (см. рис. 2), вершина иглы 4 и рабочая

плоскость основания 10 должны находиться в одной плоскости.

Устройство имеет ограниченный радиус действия, поэтому при

неисправности датчиков не произойдет их контакта со стволом с

недопустимым усилием.

Управляющий модуль 7 состоит из управляющего компьютера

с программным обеспечением и служит для управления всеми ос-

тальными вышеперечисленными подсистемами. Согласно программе,

записанной в память компьютера, робот будет выполнять требуемые

функции с различными заданными параметрами (количество измере-

ний внутри ствола, шаг измерений, тип измеряемого параметра ше-

роховатости и т. д.).

Рассмотренная мобильная автоматическая система измерения па-

раметров шероховатости позволяет решить вопрос об обнаружении

микрогеометрических отклонений поверхности. Однако анализ этих

отклонений производится локально. Поэтому в дальнейшем имеет

смысл оснастить робота системой технического зрения, позволяющей

оператору подробно изучить состояние поверхности изделий и пре-

дупредить возникновение окалин и прочих дефектов.

Список литературы

1. ГОСТ 2789–73 Шероховатость поверхности. Параметры и характери-

стики.

В. И. Бурнышева, студентка;

научный руководитель – канд. техн. наук, доц. Ю. Р. Никитин

Ижевский государственный технический университет

Разработка SCADA-системы для управления

асинхронными двигателями

В настоящее время в нефтегазодобывающей, космической, маши-

ностроительной промышленности, в системах ЖКХ актуальной зада-

чей является поддержание заданного технологического параметра

(давления, температуры, влажности). Целесообразно для этих целей

использовать асинхронные двигатели, оснащенные преобразователя-

ми частоты.

Применение асинхронных двигателей с преобразователями часто-

ты является перспективным и экономически обоснованным способом

замены как регулируемого привода постоянного тока, так и нерегу-

лируемого привода переменного тока. Основными особенностями их

применения является обеспечение возможности регулирования ско-

рости в широком диапазоне, плавный разгон и торможение, защита

электродвигателя от всех типов перегрузок, энергосбережение до

60 %, увеличение срока службы механической и электрической час-

тей оборудования.

Использование ПИ-регулирования с обратной связью дает воз-

можность поддерживать стабильное значение заданного параметра.

Возникает типичная задача АСУ ТП, которую можно решить

стандартными методами программирования, но в этом случае про-

цесс создания программного обеспечения (ПО) становится недопус-

тимо длительным, а затраты на его разработку очень высокими. Се-

годня вариант с непосредственным программированием приемлем

лишь для простых систем или небольших фрагментов большой сис-

темы, для которых нет стандартных решений. В любом случае про-

цесс разработки собственного ПО важно упростить, сократить вре-

менные и прямые финансовые затраты на разработку ПО, минимизи-

ровать затраты труда программистов.

Таким образом, требуется создание все более развитых инстру-

ментальных средств типа SCADA-систем (Supervisory Control And

Data Acquisition).

Диспетчерское управление и сбор данных является основным

и в настоящее время остается наиболее перспективным методом ав-

томатизированного управления сложными динамическими систе-

мами (процессами) в жизненно важных и критичных с точки зрения

безопасности и надежности областях.

Разработка современной АСУ ТП требует больших вложений

и выполняется в длительные сроки. И именно поэтому в большинстве

случаев разработчикам управляющего ПО, в частности ПО для АСУ

ТП, представляется целесообразным осваивать и адаптировать какой-

либо готовый, уже испытанный универсальный инструментарий, ка-

ковым и являются SCADA-системы.

Функции SCADA-системы для управления асинхронными двига-

телями с преобразователем частоты, предназначенной для дистанци-

онного сбора информации:

– сбор данных с датчиков технологического оборудования;

– отображение на экране монитора технологического процесса;