Influence of pulse excitation on electromechanical indicators of a linear pulse converter of electrodynamic type

Abstract

Purpose. Investigation of the effect of pulsed excitation of the electronic circuit-controlled inductor and armature windings, powered with the capacitive energy storage (CES) source, on the speed and power indicators of a linear pulse electrodynamic converter (LPEC). Methodology. On the basis of the developed numerical model, the influence of pulsed excitation — vibrationally damped, halfwave, aperiodic, and aperiodic with recharge, on the characteristics and performance of LPEC is studied. The mathematical model of the LPEC, using the lumped parameters of the stationary winding of the inductor and the movable winding of the armature, takes into account the interconnected electromagnetic, mechanical and thermal processes, presenting their solutions in a recursive form. Findings. It was found that the pulse excitation of the LPEC insignificantly affects the maximum speed, the pulse of electrodynamic forces (EDF) and the temperature rise of the inductor winding. The highest values of the maximum speed and impulse of an EDF arise upon excitation by a vibrationally damped current pulse, while the smallest ones – upon excitation by an aperiodic pulse. The LPEC excitation by an aperiodic current pulse with recharge allows the use of a reduced charge voltage for rechargeable CES. With a decrease in this voltage and with conservation of the energy of the CES, the amplitude of the EDF decreases by 31.5 %, but due to the delay of electromagnetic processes, the pulse of the EDF increases by 3 %, and the efficiency – by 8.2 %. Originality. A comprehensive criterion for the LPEC efficiency was introduced, which takes into account the amplitude of the excitation current, the mass of the windings, the temperature of the inductor winding, the magnitude of the EDF pulse, the efficiency, and the maximum speed for a given reliability coefficient. Using this criterion, we found that in terms of power and speed indicators, the most efficient is a converter excited by an aperiodic current pulse with recharge, and the quality of work is a converter excited by an aperiodic pulse. Practical value. The influence of the width of the copper bus and the corresponding axial heights of the windings of the inductor and the armature on the speed and power performance of the LPEC using vibration-damping, half-wave, aperiodic and aperiodic with recharge current pulses is established.Мета. Дослідження впливу імпульсного збудження обмоток індуктора та якоря, сформованого електронною схемою джерела живлення з ємнісним накопичувачем енергії (ЄНЕ), на швидкісні й силові показники лінійного імпульсного перетворювача електродинамічного типу (ЛІПЕТ). Методика. На базі розробленої математичної моделі досліджено вплив імпульсного збудження – коливально-загасаючого, однонапівперіодного, аперіодичного та аперіодичного з підживленням, на характеристики й показники показники роботи ЛІПЕТ. Математична модель ЛІПЕТ, використовуючи зосереджені параметри обмотки індуктора та обмотки якоря, ураховує взаємозалежні електромагнітні, механічні та теплові процеси, представляючи їх рішення в рекурентному вигляді. Результати. Встановлено, що імпульсне збудження ЛІПЕТ незначною мірою впливає на максимальну швидкість, імпульс електродинамічних зусиль (ЕДЗ) і перевищення температури обмотки індуктора. Найбільші значення максимальної швидкості та імпульсу ЕДЗ виникають при збудженні коливально-загасаючим імпульсом струму, а найменші значення – при збудженні аперіодичним імпульсом. Збудження ЛІПЕТ аперіодичним імпульсом з підживленням дозволяє використовувати для підживлювального ЄНЕ знижену напругу заряду. Зі зменшенням цієї напруги та при збереженні енергії ЄНЕ амплітуда ЕДЗ зменшується на 31,5 %, однак за рахунок затягування електромагнітних процесів імпульс ЕДЗ зростає на 3 %, а ККД підвищується на 8,2 %. Наукова новизна. Уведено комплексний критерій ефективності ЛІПЕТ, що враховує у відносному вигляді амплітуду струму збудження, масу обмоток, перевищення температури обмотки індуктора, величину імпульсу ЕДЗ, ККД і максимальну швидкість при заданому коефіцієнті надійності. За допомогою цього критерію встановлено, що по силовому впливу й по швидкісним показниками найбільш ефективним є перетворювач, що збуджується аперіодичним імпульсом струму з підживленням, а за якістю роботи найбільш ефективним є перетворювач, що збуджується аперіодичним імпульсом. Практична значимість. Встановлено вплив ширини мідної шини і відповідних їй висот обмоток індуктора та якоря на швидкісні й силові показники ЛІПЕТ при використанні коливально-загасаючого, однонапівперіодного, аперіодичного та аперіодичного з підживленням імпульсів збудження.