Vibroconverter mathematical model based on the levitation effect
https://doi.org/10.26583/gns-2023-03-04
EDN: GKFSGB
Abstract
Modern requirements for the safe operation of nuclear power plants dictate the need to introduce systems for early reactor plants state diagnosis. Vibrations have always been a threat to the safe nuclear power plants operation, therefore, solving the issues of improving the nuclear power plants vibronoise diagnostics accuracy, especially in the field of ultra-low frequencies, is an urgent task. The most promising way to solve the problem of flexible guides in electromechanical vibration transducers is the levitation effect, which makes it possible to completely eliminate mechanical contact and, accordingly, reduce the sensitivity threshold of the transducer. The article presents an analysis of existing vibration transducers and offers analogue and digital mathematical models of the magnetic levitation system, taking into account the influence of the electromagnetic force nonlinearity. The characteristics of such a nonlinear system are studied using the method of harmonic linearization, which makes it possible to obtain an equivalent linear system. At the same time, the third order terms of the electromagnetic force expansion in the Taylor series are taken into account, which made it possible to obtain a more accurate analogue the vibration transducer model. For the developed vibration transducer digital model, using the z-form method, a system function and the corresponding difference equation were obtained. Expressions and graphs of transient, pulse and frequency characteristics are derived for both analogue and digital vibration converter models, which allow us to conclude about the accuracy and adequacy of the developed digital model. Using obtained vibration transducer digital models will make it easier to model its operation and reasonably select the vibration transducer initial parameters.
About the Authors
A. N. ShilinRussian Federation
Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Electrical Engineering
S. V. Makartichyan
Russian Federation
Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Department of Electrical Engineering
I. S. Barashkov
Russian Federation
student IIT-473
References
1. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Усанов А.И. Виброшумовая диагностика ВВЭР ; под ред.
2. А.А. Абагяна. Москва: Энергоатомиздат, 2004. 344 с.
3. Zheng D., Liu Y., Guo Z., Zhao X., Fan S. Theory and experiment research for ultra-low frequency maglev vibration sensor. The Review of scientific instruments. 2015;(86)10:105001. https://doi.org/10.1063/1.4931692
4. Seo H., Lim J., Choe G.-H., Choi J.-Y., Jeong J.-H. Algorithm of linear induction motor control for low normal force of magnetic levitation train propulsion system. IEEE Transactions on magnetics. 2018;54(11):1–4. Art no. 8207104. https://doi.org/10.1109/TMAG.2018.2842222.
5. Yoo S.J., Kim S., Cho K.H. et al. Data-driven self-sensing technique for active magnetic bearing. International Journal of precision engineering and manufacturing. 2021;22:1031–1038. https://doi.org/10.1007/s12541-021-00525-x
6. Lei Y.J., Li R.J., Chen R.X., Zhang L.S., Hu P.H., Huang Q.X. A high-precision two-dimensional micro-accelerometer for low-frequency and micro-vibrations. Precision Engineering. 2021(67):419-427. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2020.10.011
7. Li R.J., Lei Y.J., Chang Z.X., Zhang L.S., Fan K.C. Development of a high-sensitivity optical accelerometer for low-frequency vibration measurement. Sensors. 2018;18(9):2910. https://doi.org/10.3390/s18092910
8. Tummalapalli M., Kommula S.R., Sagiraju P., Vantakula V., Murty A.S. A review of principles and illustration of the physical working model of magnetic levitation. International Journal of theoretical and applied mechanics. 2017;(12)4:741–758. URL: https://dokumen.tips/documents/a-review-of-principles-and-illustration-of-the-physical-maglev-derived-from.html?page=1 (дата обращения: 12.05.2023).
9. Шилин А.Н., Седов М.Н. Моделирование вибропреобразователя с электромагнитным подвесом. Приборы. 2008;12:41–45. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=11712067 (дата обращения: 12.05.2023).
10. Шилин А.Н., Седов М.Н. Определение погрешности вибропреобразователя с электромагнитным подвесом. Контроль. Диагностика. 2010;5:60–64. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=14998501 (дата обращения: 12.05.2023).
11. Шилин А.Н., Макартичян С.В., Мустафа М.Н. Математическая модель электромеханических вибропреобразователей на основе эффекта левитации. Контроль. Диагностика. 2023;1:22–29. URL: http://www.td-j.ru/index.php/component/content/article/298-2023-01--january/2995-022-029 (дата обращения: 12.05.2023).
12. Yu Y., Sun X., Zhang W. Modeling and decoupling control for rotor system in magnetic levitation wind turbine, IEEE Access. 2017;5:15516–15528. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2732450
13. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. Москва: Наука, 1988. 256 с.
Review
В предложенной статье представлены результаты исследований по актуальной теме связанной с разработкой высокочувствительных датчиков вибрации механического оборудования. Вибродиагностика является одной из наиболее распространенных систем обнаружения дефектов. Использование эффекта левитации позволяет разработать вибропреообразователи с повышенной чувствительностью, что обеспечивает обнаружение дефектов на более ранней стадии их развития.
Особый интерес полученные результаты представляют для использования в диагностических системах ответственного оборудования АЭС.
В статье представлены результаты построения аналоговой и цифровой моделей вибродатчиков с электромагнитным подвесом, позволяющим обеспечить широкий диапазон измерения в том числе и ультранизких частот.
Теоретический анализ расчетных схем проведен достаточно квалифицированно с использованием современных методов. Высокая точность математических моделей достигнута с учетом нелинейного характера электромагнитных взаимодействий.
Использование разработанных математических моделей может позволить обоснованно выбирать параметры вибропреобразователей и представляет интерес для разработчиков диагностических систем.
Статья может быть опубликована в журнале «Глобальная ядерная безопасность» в представленном виде.
For citations:
Shilin A.N., Makartichyan S.V., Barashkov I.S. Vibroconverter mathematical model based on the levitation effect. Nuclear Safety. 2023;48(3):37-50. (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2023-03-04. EDN: GKFSGB
























