МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Мохд Зайдан Хусейн Кавакзех

УДК 621.313

ВСТАНОВЛЕННЯ ВЗАЄМОЗВ’ЯЗКУ МІЖ ГЕОМЕТРИЧНИМИ та ЕНЕРГЕТИЧНИМИ ПАРАМЕТРАМИ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ З МЕТОЮ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИБОРУ АПАРАТІВ та ЇХ СЕРІЙ

Спеціальність 05.09.01 – електричні машини та апарати

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Донецьк – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті
імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
Загірняк Михайло Васильович,
ректор, зав. каф. електромеханіки,

Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Кременчук.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Дзюбан Віталій Серафимович,

заступник директора,

Український науково-дослідний, проектно-конструкторський та технологічний інститут вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом, м. Донецьк;

кандидат технічних наук, доцент
Заблодський Микола Миколайович,

проректор з наукової роботи, зав. каф. електричних машин та апаратів, Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ.

Провідна установа: | Криворізький технічний університет, кафедра електромеханіки Міністерства освіти і науки України, м. Кривий Ріг.

Захист відбудеться: “ 18 ” травня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 у Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою:
83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 навчальний корпус, МАЗ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонНТУ за адресою:

83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 навчальний корпус.

Автореферат розісланий “  ” квітня 2006 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д11.052.02,

к.т.н., доцент А.М. Ларін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Електричні апарати за своєю номенклатурою, кількістю типорозмірів, розмаїтістю принципів дії і призначенню, діапазоном потужностей, струмів і напруги, масовістю виробництва є найбільш чисельною групою електроустаткування, що використовується в господарстві будь-якої держави.

Вся електроенергія, вироблювана всіма джерелами: генераторами, акумуляторами, сонячними батареями, термоелектричними й іншими джерелами (наприклад, п’єзоелектричними) на своєму шляху до споживача проходить крізь ряд електричних апаратів найрізноманітнішого призначення і принципу дії: комутаційних, обмежуючих струм чи напругу, потужність, захисних, регулюючих і т.п.

При такому масовому застосуванні електричних апаратів важливе значення має раціональний вибір не тільки окремої конструкції, а й серії електричних апаратів, що існують на світовому ринку, для використання чи виробництва всередині країни, оскільки помилка може привести до великих збитків, а вдале рішення – принести значну вигоду.

Питанням установлення зв’язку між габаритними, електромагнітними й енергетичними характеристиками електричних апаратів і їх раціонального вибору присвячені роботи видатних учених: Буля Б.К., Гордона А.В., Любчика М.А., Ротерса Г., Сахарова П.В., Сливинської А.Г., Сотскова Б.С., Таєва І.С. і ін.

У теперішній час запропоновані лише часткові залежності енергетичних характеристик електричних апаратів від їх розмірів і маси. Існуючі залежності, що зв’язують окремі параметри деяких типів електричних апаратів не мають узагальнюючого характеру і є емпіричними.

Тому актуальною задачею є встановлення зв’язку між енергетичними і масо-габаритними характеристиками електричних апаратів для раціонального вибору вже існуючих апаратів і їх серій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до теми держбюджетної НДР Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля ДН__“Моделювання взаємозв’язків геометричних і енергетичних параметрів електромеханічних процесів, пристроїв і технологічних систем енергозберігаючого напрямку”, номер державної реєстрації № ДР 0101U003277, у якій автор був молодшим науковим співробітником – сумісником.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є встановлення залежностей енергетичних і електромагнітних параметрів електричних апаратів від їх геометричних розмірів для розробки критерію раціонального вибору апаратів і їх серій.

Відповідно мети дослідження в роботі вирішені такі основні задачі:

– формулювання узагальненого лінійного розміру;

– визначення взаємозв’язку габаритних розмірів, маси й енергетичних параметрів з узагальненим лінійним розміром;

– одержання аналітичних залежностей маси, електромагнітних (густина струму в обмотках, індукції в осердю) і енергетичних (потужності, втрат) параметрів електричних апаратів від узагальненого лінійного розміру;

– експериментальне підтвердження теоретично отриманих залежностей енергетичних параметрів електричних апаратів від узагальненого лінійного розміру;

– обґрунтування критерію раціонального вибору апаратів і їх серій.

Об’єкт дослідження: електричні апарати.

Предмет дослідження: встановлення залежностей між масо-габаритними, електромагнітними й енергетичними параметрами електричних апаратів.

Методи дослідження базуються на теорії електричних апаратів, положеннях теорії електромагнітного поля, теорії ймовірностей і математичної статистики, теорії похибок, а також методів математичного моделювання.

Ідея роботи. Дослідження взаємозв’язку геометричних, електромагнітних та енергетичних параметрів електричних апаратів у широких межах їх зміни дозволяє розширити реальний діапазон їх взаємозалежностей та отримати критерій вибору апарату.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше отримані аналітичні залежності електромагнітних параметрів електричного апарата (щільності струму в обмотках і на контактах, електродинамічних сил між провідниками (котушками) і контактами, напруги і щільності енергії поля) від узагальненого лінійного розміру.

2. Для оцінки ефективності роботи електричного апарата запропоновано і обґрунтовано параметр “коефіцієнт втрат потужності”, який дорівнює відношенню втрат потужності в апараті до пропущеної через нього потужності і відношення цього коефіцієнта до базового характеризує ступень досконалості апарата.

3. Уточнено характер залежностей енергетичних параметрів (потужності і коефіцієнта втрат потужності) різних електричних апаратів від узагальненого лінійного розміру.

Обґрунтованість і вірогідність наукових висновків і рекомендацій підтверджується дослідженнями сучасних і знятих з виробництва конструкцій електричних апаратів широкого діапазону потужностей і напруг різного призначення, аналізом електромагнітних, енергетичних і габаритних характеристик який проведено математично коректними методами теорії ймовірностей, теорії похибок, теорії кіл, теплопередачі і теорії електромагнітного поля.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Запропоновано критерій раціонального вибору для окремих моделей апаратів однакової потужності, що дає можливість порівнювати електричні апарати лише за їх геометричними розмірами і масою.

2. Запропоновано критерій раціонального вибору серій електричних апаратів.

Отримані результати реалізовані в проектно-конструкторській роботі науково-дослідного інституту УкрНДІВЕ для вибору оптимальних співвідношень при проектуванні електричних апаратів та у їх виробництві на Луганському електроапаратному заводі для оцінки рівня електричних апаратів, що виготовляються.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації й окремих розділів доповідалися, обговорювалися й одержали схвалення фахівців на міжнародних конференціях у 2001_ р.:

– “Інформаційна техніка й електромеханіка на порозі ХХI_го століття” (ІТЕМ-2001), Луганськ, Україна;

– “Університет і регіон_2002”, Луганськ, Україна;

– “Інформаційна техніка й електромеханіка” (ІТЕМ-2003), Луганськ, Україна;

– Sympozjum “Zastosowania Elektromagnetizmu w Nowoczesnych Technikach I Informatyce”, 2002, Warszawa-Biaіowieїa, Poland;

– “Інформаційна техніка й електромеханіка” (ІТЕМ-2005), Луганськ, Україна.

Публікації: За темою дисертації опубліковано п’ять робіт, у тому числі чотири праці у фахових наукових виданнях України – в журналах та одна стаття в матеріалах науково-технічної конференції.

Структура й обсяг роботи. Повний обсяг дисертації складає 127 сторінок друкованого тексту і містить вступ, чотири розділи, висновки по роботі, список використаних джерел, 2 додатки. Список використаних джерел складається з 51 найменування і розміщений на 6 сторінках, 2 додатка розміщено на 4 сторінках. Дисертація містить 32 рисунка і 27 таблиць, з них 4 рисунка і 6 таблиць розміщені на 3 повних сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи і відбитий її зв’язок з науковими програмами, сформульовані мета й основні наукові і практичні задачі дослідження, зазначені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також рівень апробації роботи, приведена кількість публікацій по темі й особистий внесок автора.

У першому розділі „Відомі теоретичні та експериментальні взаємозв’язки масогабаритних та енергетичних параметрів електричних апаратів” проаналізований існуючий стан теорії взаємозв’язку масо-габаритних і енергетичних характеристик електричних апаратів (ЕА). Дотепер не запропоновані загальновизнані залежності енергетичних характеристик ЕА від їх розмірів і маси. Існуючі залежності, що зв’язують окремі параметри деяких типів ЕА, не мають узагальнюючого характеру і є емпіричними. Існує потреба у встановленні зв’язку між енергетичними і масо-габаритними характеристиками для раціонального вибору ЕА. Для формалізації вищезгаданих зв’язків необхідно визначити узагальнений лінійний розмір (УЛР).

Необхідно відзначити, що якщо в електричних машинах, як правило, електромагнітна потужність незначно відрізняється від корисної, тобто зрозуміло, що машина з більшою електромагнітною потужністю більш корисна – може робити більшу роботу, то в ЕА зовсім не очевидно, що апарат з більшою номінальною чи робочою потужністю більш корисний. Це обумовлено тим, що в ЕА електромагнітна енергія перетворюється в іншу дію – замикання або розрив кола, вимір визначених, не завжди електромагнітних параметрів і т.д. І якщо у вантажопідйомних електромагнітах зв’язок між номінальною потужністю і вантажопідйомністю є очевидним, хоча і нелінійним, то вже в електромагнітних реле корисними факторами є значення струмів, що пропускаються через контакти, і різних напруг, що хоча і зв’язані з робочою потужністю реле, але дуже опосередковано (через зусилля натискання контактів, зазори між контактами і ходу якоря і т.п.)

У деяких інших видах ЕА, наприклад, датчиках, зв’язок між потужністю і корисним фактором ще менш очевидний.

Таким чином, для кожного виду ЕА необхідно крім УЛР виділити одну чи кілька корисних функцій, для виконання яких і призначений апарат і шукати взаємозв’язок між геометричними (масо-габаритними) і безпосередньо зв’язаними з функцією ЕА електромагнітними й енергетичними параметрами, що дозволить порівнювати серії апаратів між собою і раціонально вибирати їх.

На підставі отриманих теоретичних положень для розглянутих видів ЕА виникає задача визначення взаємозв’язку габаритних розмірів, маси й енергетичних параметрів з УЛР з врахуванням отриманих аналітичних залежностей маси, електромагнітних (густина струму в обмотках і на контактах, індукції в осерді) і енергетичних (потужності, втрат) параметрів ЕА від УЛР. Експериментальне дослідження залежностей енергетичних параметрів ЕА від УЛР має показати адекватність висунутих теоретичних положень. Результатом вищенаведеної роботи має бути отриманий критерій раціонального вибору ЕА і їх серій.

В другому розділі „Отримання залежностей енергетичних та електромагнітних параметрів від лінійних розмірів електричних апаратів” проводиться визначення УЛР і встановлення залежностей енергетичних характеристик ЕА від нього.

Виходимо з наступних передумов при виборі УЛР:

1) для зручності використання, УЛР повинний мати розмірність довжини;

2) вихідними даними для одержання УЛР є лише доступні паспортні дані ЕА;

3) УЛР має розраховуватися за відносно простими формулами без додаткових коефіцієнтів, інакше його буде важко використовувати.

Відповідно вищевикладеному, пропонується в якості УЛР прийняти середнє геометричне трьох габаритних розмірів ЕА: довжини L, ширини B і висоти Н:

, (1)

, (2)

де  – УЛР розрахункового ЕА серії і ЕА, прийнятого в серії за базовий.

За базовий приймається один з апаратів серії: мінімальної, середньої геометричної чи максимальної потужності.

Як установлено дослідженнями Арнольда й інших видатних учених, в електричних машинах залежності енергетичних від масо-габаритних параметрів мають ступеневий вид. Відповідно до проведеного в розд. аналізу літературних джерел щодо взаємозв’язку енергетичних і масо-габаритних параметрів електромеханічних перетворювачів енергії, за аналогією з електричними машинами, припускаємо, що залежності потужності, повної потужності, маси, напруги, сили тяги, втрат і коефіцієнта втрат потужності ЕА від УЛР мають вигляд:

; (3)

; (4)

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

, (9)

де  – коефіцієнти пропорційності; –

показники ступеня.

Розрахунок показників ступеня в залежностях потужності, маси і напруги, сили тяги, втрат, коефіцієнта втрат потужності – від УЛР і потужності в залежності від маси проводимо за такими формулами:

; (10)

; (11)

; (12)

; (13)

; (14)

; (15)

; (16)

, (17)

де  – потужність, повна потужність, маса, напруга, сила тяги, втрати і коефіцієнт втрат потужності розрахункового ЕА;  – те ж для ЕА, прийнятого в серії за базовий.

Отримано залежність сили натискання контактів від УЛР для одноточкових

(18)

і багатоточкових контактів при пластичній

(19)

і пружній деформації контактів

(20)

з умови сталості температури в точці контактування.

Теоретично підтверджена технічно відома доцільність застосування багатоточкових контактів із пластичною деформацією (низькі значення показників ступеня) для потужнострумових контактів і одноточкового контакту з пружною деформацією (вищі значення показників ступеня) для слабкострумових контактів.

Густина струму, як і в електричних машинах, залежить від УЛР:

. (21)

Сила тяги кожного з ряду геометрично подібних електромагнітів в електромагнітних реле, пропорційна кубу УЛР:

(22)

є необхідною і достатньою для привода контактного механізму відповідного реле.

Робота, що виконувалась електромагнітом при включенні, пропорційна 4_ ступеню УЛР:

, (23)

на відміну від електричних машин, де споживана потужність пропорційна (3,5-4) ступеню УЛР.

Загальновідомо, що в теорії і практиці ЕМ, як і в інших областях техніки, одним з найважливіших параметрів вважається коефіцієнт корисної дії (ККД). Цей параметр разом з такими визначальними параметрами, як тип, потужність і частота обертання ЕМ, приводять у всіх довідкових і паспортних даних і виносять на таблички, що розміщуються на корпусі відповідного пристрою.

В той же час для ЕА, зокрема комутаційних, ККД не вважається найважливішим параметром. Можливо, це має місце з двох причин.

По-перше, саме поняття ККД для ЕА не визначено. Якщо для ЕМ це, як загальновідомо, відношення корисної потужності, тобто потужності тієї, що віддається у навантаження, до спожитої потужності, то для ЕА, наприклад, комутаційних, це скоріше відношення потужності, пропущеної на комутований пристрій, до потужності, що одержана від одного або декількох джерел, звичайно з мережі. Пропущена потужність не завжди може вважатися корисною, оскільки перш ніж зробити роботу вона може пройти ще декілька перетворень, у тому числі і по виду енергії.

По-друге, для комутаційних ЕА ККД, визначений як відношення потужності, пропущеної до подальших електротехнічних пристроїв, наприклад, ЕМ, до потужності, спожитої ЕА, як правило, дуже близький до 100%.

Так, наприклад ККД магнітного пускача ПМЕ-100, включеного на номінальну напругу Un і струм In складає

де  – сумарні втрати потужності в пускачі;  –

номінальна потужність обмотки  ,6 Вт;  –

перехідний опір контакту пускача ПМЕ-100 при тривалому проходженні номінального струму.

Для пускача ПМЕ-6000 ККД складає

де   Вт;  

,00075 Ом – перехідний опір контакту пускача ПМЕ_ при тривалому проходженні номінального струму.

Таким чином, ККД пускачів відрізняються тільки в третьому знаку.

ККД високовольтного запобіжника типу ПКТ-10 при номінальній напрузі мережі Un  кВ і номінальному струмі In  А складає

де  – активний опір запобіжника,  

мкОм.

Природно, такими ККД користуватися достатньо незручно.

Пропонується для розглянутих ЕА застосовувати параметр “коефіцієнт втрат потужності” ?, що дорівнює відношенню втрат потужності в апараті до пропущеної через нього потужності і визначається як відношення потужності втрат у ЕА до потужності на його вході або до пропущеної потужності, оскільки вони розрізняються незначно:

, (24)

де1 – споживана потужність;

P2 – корисна потужність;

?P – потужність втрат.

Запропонований коефіцієнт втрат потужності дозволяє у фізично зрозумілій і короткій формі енергетично порівнювати між собою комутаційні і захисні ЕА в широкому діапазоні зміни їх параметрів.

В електромагнітних пристроях низької напруги, так само як і в електромагнітній техніці надвисокої напруги, УЛР можна вважати залежним не від конкретної напруги, а від її класу.

Залежність енергії та потужності від УЛР електромагнітної техніки високої напруги підкоряється кубічному закону.

Густина енергії магнітного поля пропорційна ступеню УЛР 3,5:

, (25)

де kj – коефіцієнт пропорційності.

У третьому розділі „Експериментальна перевірка залежностей енергетичних та електромагнітних параметрів електричних апаратів від лінійних розмірів” експериментально підтверджені запропоновані теоретичні залежності.

Для перевірки й уточнення отриманих залежностей необхідно розглянути їх застосовування на експериментальному матеріалі.

Як експеримент у даній роботі розглядається одержання габаритних і енергетичних характеристик ЕА за паспортними даними, кресленням, шляхом вимірів та з інших джерел.

Експериментальним матеріалом охоплена максимально широка шкала потужностей: від 50 мВт до 4 МВА і типів ЕА, як низької так і високої напруги. Розглядались найбільш широко використовувані в промисловості типи ЕА: роз’єднувачі внутрішньої установки; роз’єднувачі зовнішньої установки; масляні багатооб’ємні вимикачі; електромагнітні реле; запобіжники; вимикачі масляні; автоматичні вимикачі; заземлювачі. Основним критерієм вибору моделі була її поширеність, як наслідок, значна прохідна потужність усіх ЕА даної моделі, і, таким чином, можливі істотні втрати потужності в даних ЕА.

Побудова графічних залежностей виконувалась в електронних таблицях Microsoft Excel, обробка експериментальних даних – в пакеті Mathcad.

Для різних ЕА, у залежності від виконуваної функції, досліджені, відповідно, залежності основних функціональних параметрів від УЛР. Були отримані експериментальні залежності показників ступенів від УЛР:

а) потужності (рис. );

б) сили тяги;

в) прохідної потужності (рис. );

г) суми втрат потужності (рис. );

д) коефіцієнта втрат потужності (рис. );

е) напруги (рис. ).

При апроксимації залежності показника ступеня n від УЛР використовуємо залежність виду

, (26)

де nc – постійна складова; nv – коефіцієнт; p – показник ступеня.

Експериментальні дані задовольняють F-критерію Фішера.

У цілому, показники ступеня залежностей енергетичних параметрів від УЛР, відрізняються від теоретичних значень. Однак, криві, що відбивають дані залежності, асимптотично наближаються до теоретичних значень.

Для ЕА низької напруги: електромагнітних реле, запобіжників, автоматичних вимикачів, підтверджуються теоретичні припущення про переважний вплив потужності на УЛР. Показник ступеня залежності потужності ЕА низької напруги від УЛР наближається до трьох.

Рис. 1. Залежність показника ступеня nP потужності від відносного УЛР
для електромагнітних реле

Рис. 2. Залежність показника ступеня nS повної потужності

від відносного УЛР для роз’єднувачів внутрішньої установки

У ЕА високої напруги: роз’єднувачах, віддільниках і заземлювачах, на УЛР, поряд з потужністю, впливає і напруга. Показник ступеня залежності напруги ЕА високої напруги від УЛР наближається до одиниці.

Рис. 3. Залежність показника ступеня n?P втрат потужності від відносного УЛР для реле

Рис. 4. Залежність показника ступеня n? коефіцієнта втрат потужності від відносного УЛР для реле

Розглянуто відповідність теоретичних і експериментальних залежностей.

Таким чином, в широкому діапазоні потужностей: від одиниць Вт до МВА, показник ступеня прохідної потужності від УЛР близький до теоретичного значення і відрізняється від нього не більше ніж на 7

Показник ступеня залежності напруги від УЛР для ЕА різних типів також близький до теоретичного значення, відрізняючись від нього не більше ніж на 9

Рис. 5. Залежність показника ступеня nU напруги від відносного

УЛР для роз’єднувачів

Таблиця 1

Показники ступеня залежності параметрів ЕА від УЛР

Величина | Тип електричних апаратів | Показник ступеня

експеримен-тальний | теоретич-ний | Похибка визначення, %

Напруга | Роз’єднувачі зовнішньої установки | 1,09 | 1,00 | 9

Віддільники | 1,08 | 1,00 | 8

Сила тяги | Електромагнітні реле | 2,79 | 3,00 | 7

Потужність | 2,79 | 3,00 | 7

Прохідна потужність | Роз’єднувачі зовнішньої установки | 2,98 | 3,00 | 0,7

Роз’єднувачі внутрішньої установки | 2,97 | 3,00 | 1,0

Електромагнітні реле серії РЕС | 2,78 | 3,00 | 7

Втрати | 4,23 | 4,00 | 6

Коефіцієнт втрат потужності | 1,18 | 1,00 | 18

У четвертому розділі „Розробка критерію раціонального вибору електричних апаратів” розроблений критерій раціонального вибору ЕА.

Критерієм раціонального вибору є мінімізація вартості ЕА, плати за площу, їм займану (для великих ЕА) і втрат потужності за визначений період роботи.

Критерієм раціонального вибору одиничного ЕА має служити мінімум суми витрат, що віднесені до вартості пропущеної електроенергії за період служби ЕА:

. (27)

Перший доданок цієї суми являє собою втрати потужності в ЕА з урахуванням вагового показника kS безвідносно до часу роботи ЕА, оскільки втрати в ЕА існують завжди, якщо ЕА працює (пропускає потужність до навантаження).

Другий доданок kpM зв’язано з визначеними часовими рамками – терміном служби ЕА і може змінюватися в залежності від нього, оскільки є відносними початковими витратами.

Критерієм раціонального вибору серії є мінімум генерального показника

. (28)

Якщо через малість kpM, показником маси можна зневажити, а визначення коефіцієнта втрат потужності важко чи взагалі неможливо через відсутність відповідних даних у технічних параметрах ЕА, критерій раціонального вибору спрощується, стає чисто технічним, так що спрощений генеральний показник (порівняння проводиться лише по потужності) має вигляд:

, (29)

де Sm1, Sb1, Sm2, Sb2 – мінімальна і максимальна потужності ЕА першої і другої серії; m1, b1, m2, b2 – УЛР ЕА мінімальної і максимальної потужності першої і другої серії.

Порівняємо параметри автоматичних вимикачів фірми ABB SACE серії Isomax S, фірми General Electric серій Record і Spectra і фірми Legrand серії DPX у табл. .

З табл. видно, що мінімальне – оптимальне значення показника відповідає серії автоматичних вимикачів фірми ABB SACE серії Isomax S.

Це дійсно краща серія:

а) остання за часом розробки серія з порівнюваних;

б) мікропроцесорне керування;

в) литий корпус;

г) мінімальні розміри і маса.

Наступними за ефективністю є автоматичні вимикачі фірми General Electric серії Spectra, також з електронним розчіплювачем.

Таким чином, навіть не маючи інформації про конструкцію ЕА, ми можемо на підставі розробленого критерію вибирати як одиничний ЕА, так і серію ЕА лише на підставі паспортних даних: габаритів і маси.

Таблиця 2

Дані до розрахунку генерального показника для
автоматичних вимикачів Isomax S, Record, Spectra і DPX

Серія | , мм | nS | nM | ng

S  кВА

Isomax S | 144,5 | 3,00 | 1,20 | 2,400

Spectra | 152,9 | 3,02 | 1,01 | 2,416

DPX | 156,3 | 3,59 | 1,00 | 2,872

Record | 166,1 | 3,31 | 1,10 | 2,648

S ,7 кВА

Isomax S | 144,5 | 2,95 | 1,07 | 2,360

Spectra | 152,9 | 3,22 | 1,07 | 2,576

DPX | 156,3 | 3,22 | 0,98 | 2,576

Record | 190,1 | 3,78 | 1,26 | 3,024

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача щодо уточнення відомих залежностей енергетичних параметрів електричних апаратів від їх геометричних розмірів для розробки критерію раціонального вибору.

Результати аналітичних (на основі фундаментальних фізичних взаємозв’язків) та чисельних з використанням ЕОМ, а також експериментальні дослідження (на реальних апаратах) підтвердили основні теоретичні положення, сформульовані в роботі. Виконані теоретичні й експериментальні дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки:

1. Теоретично підтверджена технічно відома доцільність застосування багатоточкових контактів із пластичною деформацією (низькі значення показників ступеня) для потужнострумових контактів і одноточкового контакту з пружною деформацією (вищі значення показників ступеня) для слабкострумових контактів. Густина струму контактів для підтримки сталості перевищення температури має бути обернено пропорційна кореню квадратному з УЛР.

2. Сила тяги кожного з ряду геометрично подібних електромагнітів в електромагнітних реле, пропорційна кубу узагальненого лінійного розміру, є необхідною і достатньою для привода контактного механізму відповідного реле. Робота, виконувана електромагнітом при включенні, пропорційна 4_ ступеню УЛР на відміну від електричних машин, де споживана потужність пропорційна 3,5-4 ступеню УЛР.

3. В електромагнітних пристроях низької напруги, так само як і в електромагнітній техніці надвисокої напруги, УЛР можна вважати залежним не від конкретної напруги, а від її класу. Електромагнітна техніка високої напруги підкоряється кубічному закону залежності енергії, а отже, і потужності від УЛР.

4. У цілому, показники ступеня залежностей енергетичних параметрів від УЛР, відрізняються від теоретичних значень. Однак, криві, що відбивають дані залежності, асимптотично наближаються до теоретичних значень.

5. Для ЕА низької напруги: електромагнітних реле, запобіжників, автоматичних вимикачів, підтверджуються теоретичні припущення про переважний вплив потужності на габарити. Показник ступеня залежності потужності ЕА низької напруги від УЛР наближається до трьох. У ЕА високої напруги: роз’єднувачах, віддільниках і заземлювачах, на габарити, поряд з потужністю, впливає і напруга. Показник ступеня залежності напруги ЕА високої напруги від УЛР наближається до одиниці.

6. Теоретичні значення показників ступеневих залежностей підтверджуються експериментальними даними. У широкому діапазоні потужностей: від одиниць Вт до МВА, показник ступеня прохідної потужності від УЛР близький до теоретичного значення і відрізняється від нього не більше ніж на 7Показник ступеня залежності напруги від УЛР для ЕА різних типів також близький до теоретичного значення, відрізняючись від нього не більше ніж на 9 %.

7. Розроблено техніко-економічний критерій раціонального вибору окремого ЕА і серії на підставі паспортних даних: габаритів і маси. Застосування критерію до вибору ЕА показує його ефективність для вибору окремих ЕА і їх серій, дозволяючи порівнювати техніко-економічний рівень розглянутих ЕА на підставі тільки паспортних даних: габаритів і маси.

Основні наукові положення і результати опубліковані в наступних роботах:

1. Загирняк М.В., Невзлин Б.И., Зайдан М. О целесообразности введения параметра “коэффициент потерь мощности” в теории и практике электрических аппаратовВісник Східноукраїнського національного університету. – 2003. – № . – С. .

2. Загирняк М.В., Невзлин Б.И., Кавакзех М.З., Дьяченко Ю.Ю. Взаимосвязь силы тяги электромагнита с обобщенным линейным размеромВісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2004. – № . – С. .

3. М.В. Загирняк, Б.И. Невзлин, М. Зайдан, Ю.Ю. Дьяченко. О зависимости энергетических параметров в электрических аппаратах от обобщенного линейного размераВісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2004. – № . – С. .

4. Загирняк М.В., Невзлин Б.И., Кавакзех М.З., Дьяченко Ю.Ю., Турчин А.И. Критерий оптимальности электрического аппаратаПраці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. – 2004. – № . – С. .

5. B.M.M.About Dependence of Electromagnetic Power from a Linear Size of Rotated Electrical MachinesSympozjum “Zastosowania Elektromagnetizmu w Nowoczesnych Technikach I Informatyce”, 2002, Warszawa-Biaіowieїa, Poland. – P. .

Особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві: [1] – запропонував формули для розрахунку коефіцієнта втрат потужності; [2] – одержав остаточні вираження і проаналізував їх застосовність; [3] – одержав залежності щільності струму, сили тяги і потужності електромагніта від узагальненого лінійного розміру; [4] – розробив критерій раціонального вибору електричного апарата; [5] – провів теоретичні дослідження залежностей електромагнітних навантажень від узагальненого лінійного розміру.

АНОТАЦія

Мохд Зайдан Хусейн Кавакзех. Встановлення взаємозв’язку між геометричними й енергетичними параметрами електричних апаратів з метою раціонального вибору апаратів та їх серій. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини та апарати. Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2006.

Дисертація присвячена питанням уточнення відомих залежностей енергетичних параметрів електричних апаратів від їх геометричних розмірів для розробки критерію раціонального вибору і визначення напрямків розвитку. Сформульовано узагальнений лінійний розмір. Визначено взаємозв’язок габаритних розмірів, маси й енергетичних показників з узагальненим лінійним розміром. Одержано аналітичні залежності маси, електромагнітних (щільності струму в обмотках, індукції в осерді) і енергетичних (потужності, втрат) параметрів електричних апаратів від узагальненого лінійного розміру. Проведено експериментальне дослідження залежностей енергетичних параметрів електричних апаратів від узагальненого лінійного розміру. Обрано критерій раціонального вибору електричних апаратів. Спрогнозовано шляхи покращення енергетичних та масо-габаритних параметрів електричних апаратів. Проведені дослідження, які підтверджують отримані результати.

Ключові слова: електричний апарат, енергетичні характеристики, масо-габаритні характеристики, критерій раціонального вибору.

АННОТАЦИя

Мохд Зайдан Хусейн Кавакзех. Установление взаимосвязи между геометрическими и энергетическими параметрами электрических аппаратов с целью рационального выбора аппаратов и их серий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – электрические машины и аппараты. Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2006.

Диссертация посвящена уточнению известных зависимостей энергетических параметров электрических аппаратов от их геометрических размеров и массы для разработки критерия рационального выбора и определения направлений развития.

В диссертации выбран обобщенный линейный размер электрического аппарата, определен теоретический характер зависимостей мощности и массы, электромагнитных параметров и энергетических параметров электрического аппарата от обобщенного линейного размера, которые подтверждены экспериментальными данными и предложен критерий рационального выбора отдельных моделей и серий электрических аппаратов.

Предлагается в качестве обобщенного линейного размера принять среднее геометрическое трех габаритных размеров электрического аппарата: длины, ширины и высоты.

Получены зависимости силы нажатия контактов от обобщенного линейного размера для одноточечных и многоточечных контактов при пластической и упругой деформации контактов из условия постоянства температуры в точке контактирования.

Теоретически подтверждена технически известная целесообразность применения многоточечных контактов с пластической деформацией (малые значения показателей степени) для сильноточных контактов и одноточечных контактов с упругой деформацией (большие значения показателей степени) для слаботочных контактов.

Плотность тока для обмоток ЭА с охлаждением естественной конвекцией практически не зависит от ОЛР. Плотность тока контактов для поддержания постоянства превышения температуры должна быть обратно пропорциональна корню квадратному из ОЛР.

Сила тяги каждого из ряда геометрически подобных электромагнитов в электромагнитных реле, пропорциональная кубу обобщенного линейного размера.

Работа, выполняемая электромагнитом при включении, пропорциональна 4-5 степени ОЛР в отличие от электрических машин, где потребляемая мощность пропорциональна 3,5-4 степени ОЛР.

Предложенный коэффициент потерь мощности позволит в физически понятной и краткой форме энергетически сравнивать между собой коммутационные и защитные электрические аппараты в широком диапазоне изменения их параметров.

В электромагнитных устройствах низкого напряжения, так же как и в электромагнитной технике сверхвысокого напряжения, ОЛР можно считать зависящим не от конкретного напряжения, а от его класса. В этом случае зависимость энергии поля от ОЛР носит линейный характер.

Электромагнитная техника высокого напряжения подчиняется кубическому закону зависимости энергии, а следовательно, и мощности от ОЛР.

Для экспериментального подтверждения теоретических положений нами были исследованы следующие виды электрических аппаратов: разъединители внутренней установки, разъединители наружной установки, масляные многообъемные выключатели, электромагнитные реле, предохранители, выключатели масляные, автоматические выключатели, заземлители.

Были сравнены с теоретическими зависимости: полной мощности от массы, мощности от ОЛР, силы тяги от габаритов, проходной мощности от ОЛР, проходной мощности от массы, суммы потерь мощности от ОЛР, коэффициента потерь мощности от ОЛР, напряжения от ОЛР.

Проведены экспериментальные исследования.

Для электрических аппаратов низкого напряжения: электромагнитных реле подтверждается теоретические предположения о преимущественном влиянии мощности на ОЛР.

В электрических аппаратах высокого напряжения на ОЛР, наряду с мощностью, оказывает существенное влияние и напряжение.

Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показывает, что отклонение, за исключением двух случаев, не превышает 10

Разработан критерий рационального выбора, позволяющий сравнивать как отдельные аппараты, так и их серии.

Таким образом, в результате проведенных исследований достигнута поставленная цель – разработан критерий рационального выбора отдельных моделей и серий электрических аппаратов.

Ключевые слова: электрический аппарат, энергетические характеристики, массо-габаритные характеристики, критерий рационального выбора.

Abstract

Моh’d Zaidan Husein Qawaqzeh. Establishment of interrelation between geometrical and power parameters of electric apparatuses with the purpose of rational selection of apparatuses and their series. – Manuscript.

Thesis on competition of candidate of engineering science scientific degree on speciality 05.09.01 – electrical machines and apparatuses. – Donetsk National Technical University, Donetsk, 2006.

Thesis devoted to specification of known dependences of electric apparatuses power parameters from geometrical size for elaboration of crierion of rational selection and determination of ways of development. Formulated is the generalized linear size. The interrelation of overall dimensions, weights and power parameters with the generalized linear size is determined. Analytical dependences of weight, electromagnetic (density of a current in windings, an induction in the core) and power (capacities, losses) parameters of electric apparatuses on the generalized linear size are received. Experimental dependences of power parameters of electric apparatuses on the generalized linear size are investigated. The criterion of an rational selection of electric apparatuses is chosen. Proposed are new ways for improvement of energy and mass-dimension parameters of electric apparatuses. Investigations which confirmed of received results are conducted.

Keywords: electrical apparatus, energy characteristics, mass-dimensions characteristics, criterion of rational choice.

Мохд Зайдан Хусейн Кавакзех

ВСТАНОВЛЕННЯ ВЗАЄМОЗВ’ЯЗКУ МІЖ ГЕОМЕТРИЧНИМИ та ЕНЕРГЕТИЧНИМИ ПАРАМЕТРАМИ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ З МЕТОЮ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИБОРУ АПАРАТІВ та ЇХ СЕРІЙ

(Автореферат )

Підп. до друку 11.04.2006 р. Формат видання 215.
Формат паперу 90/16. Папір офсетний.
Об’єм 0,8 авт. арк. Наклад 100 екз. Замовл. № ____.

Ротапринт СНУ ім. В. Даля. 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а