OGRANICZNIK PRĄDU ROZRUCHOWEGO DLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO MODUŁU NAPĘDOWEGO Z SZYNAMI

Transkrypt

1 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 3/2015 (107) 121 Jarosław Domin, Roman Kroczek Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Katedra Mechatroniki OGRANICZNIK PRĄDU ROZRUCHOWEGO DLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO MODUŁU NAPĘDOWEGO Z SZYNAMI STARTING CURRENT LIMITER FOR ELECTROMAGNETIC LAUNCHER WITH RAILS Streszczenie: Wyrzutnia elektromagnetyczna to secyficzny rodzaj rzetwornika elektromechanicznego. Energia elektryczna źródła zasilania (bateria kondensatorów) rozładowana w sosób imulsowy jest wykorzystywana do rozędzania elementu ruchomego (ocisku). Imulsowe rozładowanie baterii kondensatorów w czasie kilku milisekund związane jest z bardzo dużymi maksymalnymi wartościami rądu rozruchowego o wartościach kilkuset ka. W artykule rzedstawiono sosób ograniczenia maksymalnej wartości rądu rozruchowego dla elektromagnetycznego modułu naędowego z szynami dla hybrydowej wyrzutni neumatyczno-elektromagnetycznej. Abstract: The electromagnetic launcher is a secific tye of electromechanical converter. Electrical energy from the ower suly, discharging in the ulse way, is used for acceleration a moveable element (bullet). Pulse discharged of a caacitor batteries is related with a high maximum value of the starting current. The aer resents way of reducing maximum value of the starting current for the railgun module of the hybrid electromagnetic launcher. Słowa kluczowe: ograniczenie rądu rozruchowego, hybrydowa wyrzutnia elektromagnetyczna, Keywords: starting current limiter, hybrid electromagnetic launcher, railgun, coilgun 1. Wstę Pojęcie rzyśieszenia elektromagnetycznego jest ojęciem które zostało wrowadzone na oczątku XX wieku. Pierwsza konstrukcja wykorzystująca rzyśieszenie elektromagnetyczne została oracowana w roku 1920 rzez francuskiego konstruktora-inżyniera i została nazwana the electric cannon. Obecnie w wielu ośrodkach na całym świecie trwają badania nad tego tyu urządzeniami ze względu na ich szerokie zastosowanie: militarne, w technice kosmicznej, w rocesie inicjalizacji reakcji fuzji atomowej, w rocesie fizycznych badań odstawowych własności materiałów, w badaniu skutków zderzeń mikrometeorytów z owierzchnią ziemską i wielu innych [1,2,3,4,5,6]. Moduł szynowy hybrydowej wyrzutni neumatyczno-elektromagnetycznej składa się z dwóch równoległych szyn odłączonych do źródła rądu stałego (Rys.1.). Począwszy od chwili w której czoło elementu ruchomego rzekroczy oczątek szyn naędowych, nastęuje imulsowe rozładowanie baterii kondensatorów oraz na element ruchomy zaczyna działać siła Lorentza, wyrzucająca go z omiędzy szyn naędowych. Rys.1. Elektromagnetyczny moduł naędowy z szynami rysunek oglądowy 2. Struktura modułu naędowego z szynami bez ogranicznika rądu Elektromagnetyczny moduł naędowy z szynami (moduł S) można odzielić na dwa odukłady: odukład ładowania baterii kondensatorów, w skład którego wchodzą: moduł zadawania wartości oczątkowej naięcia na baterii kondensatorów U of (gdzie U o oznacza naięcie na baterii kondensatorów, indeks 0 jej wartość oczątkową, zaś indeks S szyny), rzekaźnik i bateria kondensatorów,

2 ~ 122 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 3/2015 (107) Rys.2. Układ elektryczny o zmiennych arametrach układ R(t) L(t) C dla elektromagnetycznego ˆ modułu z szynami (moduł S), gdzie: 7f wartość oczątkowa naięcia na baterii kondensatorów zasilających moduł S,u 7ˆ(t) wartość chwilowa naięcia na baterii kondensatorów zasilających moduł S, C S ojemność baterii kondensatorów, zasilających moduł S, 4ˆ(wˆ) indukcyjność własna obwodu modułu S w funkcji ołożenia elementu ruchomego x s, u ˆ(t) sadek naięcia na indukcyjności obwodu 4ˆ(wˆ), ˆ (x s ) rezystancja obwodu modułu S w funkcji ołożenia ocisku x s, u ˆ(t) sadek naięcia na rezystancji ˆ (x s ), i S (t) wartość chwilowa rądu rozruchowego odukład rozładowania baterii kondensatorów, w skład którego wchodzą: bateria kondensatorów oraz szyny naędowe z elementem ruchomym. Po naładowaniu baterii kondensatorów do zadanej wartości naięcia U of, układ ładowania baterii kondensatorów zostaje odłączony, a wówczas dalsze zachowanie układu (ocząwszy od chwili, w której czoło elementu ruchomego rzekroczy oczątek szyn naędowych ) można oisać, orzez układ równań równowagi elektromechanicznej: t d* u o r d" * = 1 s r q L (w ) C =u o (") + = (w ) + dl (w ) dw d * w dt * = 1 m K} (w,l ) } V y OC du o d" O (1) który należy rozwiązać z warunkiem oczątkowym dla naięcia na baterii kondensatorów: u o (" = _0) = u o (" = 0) = U of, Jako cel badań symulacyjnych rzyjęto wyznaczenie rzebiegów czasowych rądu rozruchowego i S (t) (Rys.3.) oraz rędkości elementu ruchomego v S (m/s) (Rys.4.). Rys.3. Przebieg rądu rozruchowego i S (t) dla układu bez ogranicznika rądu (4.1)i oraz z warunkiem oczątkowym dla rędkości elementu ruchomego: v (t = _0) = v (t = 0) = v f. (4.2)i 2.1 Wyniki badań symulacyjnych dla układu bez ogranicznika Badania symulacyjne rzerowadzono dla: U f < 150,2150 > V ) oraz dla: y f = 30. Rys.4. Przebieg rędkości elementu ruchomego v S (t) dla układu bez ogranicznika rądu Jak wynika z rzedstawionych rezultatów badań symulacyjnych rąd rozruchowy osiąga znaczne wartości, rzykładowo dla wartości

3 ~ Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 3/2015 (107) 123 naięcia oczątkowego na baterii kondensatorów U of = 2150 V, maksymalna wartość chwilowa rądu rozruchowego rzyjmuje wartość rzędu 110 ka. Stwarza to niebezieczeństwo trwałego uszkodzenia szyn naędowych oraz elementu ruchomego w wyniku wystęowania zjawiska elektroerozji. Celowe jest więc oszukiwanie metod ograniczania maksymalnej wartości rądu rozruchowego rzy jednoczesnym niedużym (rzędu 10-20%) sadku wartości rędkości elementu ruchomego. Ograniczenie to może zostać zrealizowane orzez szeregowe włączenie, w odukład rozładownia baterii kondensatorów, cewki owietrznej o indukcyjności L oraz rezystancji R. 3. Struktura modułu naędowego z szynami z ogranicznikiem rądu rędkości elementu ruchomego: y (" = _0) = y (" = 0) = y f. 3.1 Wyniki badań symulacyjnych dla układu z ogranicznikiem rądu Badania symulacyjne dla układu z ogranicznikiem rądu rzerowadzono dla takich samych warunków oczątkowych jak dla układu bez ogranicznika rądu tzn. dla: U f < 150,2150 > V, y f = 30. Jako cel badań symulacyjnych rzyjęto, analogicznie jak dla układu bez ogranicznika rądu, wyznaczenie rzebiegów czasowych rądu rozruchowego i S (t) (Rys.6.) oraz rędkości elementu ruchomego v S (m/s) (Rys.7.). Rys.5.Układ elektryczny o zmiennych arametrach układ R(t) L(t) C dla elektromagnetycznego modułu z szynami (moduł S) z ogranicznikiem rądu Dla modułu naędowego z szynami wyosażonego w dodatkowy ogranicznik zmianie ulega struktura odukładu rozładowania baterii kondensatorów (Rys.5). W układzie zmodyfikowanym odukład rozładowania obejmuje: baterię kondensatorów, szyny naędowe, element ruchomy oraz cewkę owietrzną (ogranicznik rądu). Układ równowagi elektromechanicznej dla modułu naędowego z szynami z ogranicznikiem rądu rozruchowego: t d* u o r d" * = 1 L (w )+L C =u o (") + = (w ) + R + = dil (w )+L W dw Oy OC du o d" O s r q d * w dt * = 1 m K} (w,l ) } V (2) należy rozwiązać z wystęującymi warunkami oczątkowymi: dla naięcia na baterii kondensatorów: Rys.6. Przebieg czasowy rądu rozruchowego i S (t) dla układu bez ogranicznika rądu u o (" = _0) = u o (" = 0) = U of, 4.1) i

4 124 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 3/2015 (107) Rys.7. Przebieg czasowy rędkości elementu ruchomego vs(t) dla układu bez ogranicznika rądu Rys.9. Przebieg czasowy rędkości elementu ruchomego vs(t) dla układu bez ogranicznika rądu (kolor niebieski) oraz dla układu z ogranicznikiem (kolor czerwony) 4.Porównanie wyników badań symulacyjnych dla obu analizowanych układów W rzyadku układu zmodyfikowanego o ogranicznik rądu, maksymalna chwilowa wartość rądu rozruchowego uległa omniejszeniu o ok 76% (z ok. 105 ka do ok. 23 ka ). Wynikiem zastosowania ogranicznika rądu jest jednak sadek rędkości elementu rucho mego o ok. 15% (z ok. 59 do ok. 50 ). Dla jednego wybranego rzyadku (Uof = 2150 V, yf = 30 ) wyniki badań symulacyjnych otrzymanych dla układu z ogranicznikiem rądu orównano z wynikami otrzymanymi dla układu bez ogranicznika rądu i zestawiono razem na rysunku 8 (rzebiegi czasowe rądu rozruchowego) oraz rysunku 9 (rzebiegi czasowe rędkości elementu ruchomego). Zgodność wyników badań symulacyjnych z wynikami uzyskanymi na stanowisku badawczym (Rys.10.) otwierdzają rzebiegi czasowe rzedstawione na rysunku 11. Rys.10. Widok rzeczywisty modułu szynowego hybrydowej wyrzutni neumatycznoelektromagnetycznej z ogranicznikiem rądu (zakreślony czerwonym okręgiem)[8] Rys.8. Przebieg czasowy rądu rozruchowego is(t) dla układu bez ogranicznika rądu (kolor niebieski) oraz dla układu z ogranicznikiem (kolor czerwony) Przebiegi czasowe rądu rozruchowego dla układu bez ogranicznika rądu (kolor niebieski) oraz dla układu z ogranicznikiem rądu = 300 V, wyzna(kolor czerwony) dla Uof czone omiarowo na stanowisku badawczym, zestawiono razem na Rys.11. [8]

5 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 3/2015 (107) 125 Rys.11. Przebiegi czasowe rądu rozruchowego i S (t) dla układu bez ogranicznika rądu (kolor niebieski) oraz dla układu z ogranicznikiem rądu (kolor czerwony) wyznaczone omiarowo Dla rzedstawionych na rysunku 9, rzebiegów czasowych rędkości wyznaczono zastęczą stałą czasową, zgodnie z zależnością : [7] 1 T Œ = y (" = ) y (") Ž Ky (" f = ) y (")V " (3) Powyższa zależność została zaadotowana dla skończonego rzedziału czasu <0, 9> ms. Otrzymane wyniki, dla układu bez oraz z ogranicznikiem rądu, zestawiono razem w tabela 1. Tabela 1 Układ bez ogranicznika Układ z ogra- rądu nicznikiem rądu T z 0,171 ms 1,76 ms 6. Podsumowanie W artykule rzedstawiono sosób ograniczania wartości rądu rozruchowego dla modułu szynowego hybrydowej wyrzutni elektromagnetycznej za omocą cewki owietrznej (ogranicznika rądu). Zastosowanie oracowanego ogranicznika rądu rozruchowego ozwala na ograniczenie maksymalnej wartości chwilowej rądu rozruchowego o 76 %, rzy sadku rędkości rozędzanego elementu ruchomego ok 15%. Ograniczenie maksymalnej wartości chwilowej rądu rozruchowego ozwala ograniczyć niebezieczeństwo trwałego uszkodzenia szyn naędowych oraz elementu ruchomego w wyniku wystęowania zjawiska elektroerozji. Słuszne wydaje się również oracowanie w rzyszłości układu ogranicznika rądu o regulowanej wartości indukcyjności. Rozwiązanie takie ozwoli na ograniczenie maksymalnej wartości rądu rozruchowego oraz na regulację chwili czasu w której nastęuje rozędzanie elementu ruchomego. Bibliografia [1] J. Domin "Wyrzutnia elektromagnetyczna o naędzie cewkowym oraz o naędzie szynowym modelowanie i badania symulacyjne", Mechatronika-analiza rojektowanie i badania wybranych elementów i systemów,praca zbiorowa od redakcją Krzysztofa Kluszczyńskiego, str , Wydawnictwo PAK 2013, [2] Z. Bengui, Magnetic Structural Couling Analysis of Armature in Induction Coilgun, IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 39, no. 1, January 2011, [3] K.M Chakravarthy., T.J Watt., D.L., Bourell The Use of High-Seed Video as an In-Bore Diagnostic for Electromagnetic Launchers, IEEE Trans. on Plasma Science, Vol. 39, No. 2, February 2011, [4] Z.Gosiewski, P.Kłoskowski, Wsomaganie wyrzutni elektromagnetycznej magnesami trwałymi, Biuletyn WAT, 2008, vol.57, nr 3, s.87-95, [5] J.L.Ushaw,, Micrometeoroid imact simulations using railgun electromagnetic accelerator, IEEE Trans. on Magnetics., January. 1997, vol 27, No1, [6] Hawke R.S., Susoeff A.R., Hyervelocity railgun develoment for high-ressure research, IEE Trans. on Magnetics., January 1989, vol.25, No.1, [7] Paszek W., Wzmacniacze elektromaszynowe i transduktorowe w rzemyśle ciężkim, Wydawnictwo Śląsk, [8] Karcz M., Projekt oraz wykonanie cewki owietrznej dla modułu szynowego hybrydowej wyrzutni neumatyczno-elektromagnetycznej, Projekt inżynierski, Gliwice 2014, Promotor: dr inż. Jarosław Domin. Autorzy Dr inż. Jarosław Domin jaroslaw.domin@olsl.l, Dr inż. Roman Kroczek kroczek.roman@gmail.com Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Katedra Mechatroniki ul. Akademicka 10A Gliwice