Ваткин В.А. Разработка вентильных индукторных электромеханических систем автотранспортного назначения. Автореферат - файл n1.doc

Ваткин В.А. Разработка вентильных индукторных электромеханических систем автотранспортного назначения. Автореферат
скачать (1825.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1826kb.02.11.2012 22:29скачать

n1.doc




На правах рукописи


Ваткин Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

АВТОТРАНСПОРТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.09.01 –

“Электромеханика и электрические аппараты”


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре электромеханики и технологии

электротехнических производств ФГОУ ВПО “Чувашский

государственный университет имени И.Н. Ульянова”


Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Нестерин Валерий Алексеевич


Научный консультант:

кандидат технических наук

Бабак Александр Георгиевич


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ковалёв Константин Львович





кандидат технических наук, доцент

Мощинский Юрий Анатольевич


Ведущая организация – ОАО “Чебоксарский электроаппаратный завод”

(ОАО “ЧЭАЗ”), г. Чебоксары


Защита диссертации состоится “ 26 октября 2007г. в ауд. Е-205
в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.157.15 при Московском энергетическом институте (Техническом Университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13
Отзывы на автореферат (в двух экз. заверенные печатью) просим направлять: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (ТУ).
Автореферат разослан “___”__________2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.15

к.т.н., доцент Е.М. Соколова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Рассматриваемые в диссертации вентильные индукторные электромеханические преобразователи (ЭМП) автотранспортного применения представляют собой неразрывное целое полупроводникового преобразователя (ППП) и индукторной машины, работающей в режиме генератора или двигателя. Использование ЭМП индукторного типа в автотракторной технике и в других видах транспорта объясняется высокой надежностью, простотой конструкции, технологичностью изготовления и низкой стоимостью. Хотя сами индукторные машины достаточно хорошо изучены, задача улучшения рабочих динамических и статических характеристик и массогабаритных показателей системы в целом становится актуальной и востребованной.

Современный уровень требований, предъявляемых к характеристикам ЭМП как в режиме генератора (ВИГ), так и двигателя (ВИД) заставляет совершенствовать известные и разрабатывать новые способы исследования стационарных и переходных электромагнитных процессов.

Большой вклад в развитие теории ЭМП индукторного типа внесли отечественные и зарубежные ученые: Алексеева М.М., Альпер Н.Я., Бычков М.Г., Бут Д.А., Жуловян В.В., Ильинский Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Красовский А.Б., Кузнецов В.А., Пахомин С.А., Терзян А.А., Шаров В.С., Byrne J.V., Lawrenson P.J., Miller T.J.E., Stephenson J.M. и др. В то же время возросшее применение вентильных индукторных ЭМП в современном электрооборудовании транспорта и необходимость оптимизации режимов их работы требует использования новых математических моделей, учитывающих характерные особенности таких систем: наличие двухсторонней зубчатости, постоянных магнитов (ПМ), насыщение магнитной цепи, параметры вентилей ППП, дискретность работы фаз ВИД.

В связи с изложенным создание математической модели, позволяющей осуществлять выбор размеров зубцовой зоны машины и параметров системы в целях получения оптимальных массогабаритных, энергетических и динамических показателей вентильных электромеханических систем индукторного типа является своевременной и актуальной задачей, которая имеет важное практическое значение.

Цель работы – разработка вентильных индукторных электрических машин транспортного назначения на основе теоретических и экспериментальных исследований стационарных и динамических режимов с учетом двухсторонней зубчатости и насыщения стали магнитопровода.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- разработка методики аналитического расчета магнитной проводи-мости воздушного зазора вентильных индукторных машин (ВИМ) в функции угла поворота ротора;

- разработка математической модели, функционально связывающей параметры вентильных индукторных ЭМП с их характеристиками;

- исследование влияния отдельных параметров ВИМ на энергетические и динамические характеристики системы для получения практических рекомендаций, необходимых для их рационального проектирования;

- проведение экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность результатов математического моделирования и целесообразность выработанных практических рекомендаций по совершенствованию конструкций ЭМП автотранспортного назначения.

Методы исследования. При выполнении работы применялись следующие методы: методы теории электромагнитного поля и электрических цепей, метод Поля для расчета магнитной проводимости, численные методы решения дифференциальных уравнений, метод имитационного моделирования, метод конечных элементов.

Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием персонального компьютера и современного программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета индуктивностей фаз вентильной индукторной машины в функции углового положения ротора, отличающаяся от известных получением функциональной аналитической зависимости между геометрией зубцовой зоны и значением индуктивности, что особенно важно на этапе проектного расчета;

- создана компьютерная имитационная модель ВИМ в установившихся и переходных режимах генератора и двигателя, отличающаяся от известных наличием аналитических выражений для индуктивности и потокосцепления фазы с учетом параметров вентилей ППП и постоянных магнитов в системах с комбинированным возбуждением;

- с помощью полевой математической модели электромагнитной системы индукторной электрической машины и экспериментальных исследований выявлено влияние формы ПМ на энергетические характеристики ВИГ комбинированного возбуждения, в результате чего предложена защищенная патентом РФ конструкция ротора, позволившая улучшить энергетические характеристики автотракторных генераторов.

Практическая ценность:

- разработана имитационная математическая модель ВИМ, позволяющая оценить влияние геометрических параметров зубцовой зоны, нелинейности магнитной цепи, обмоточных данных машины, динамического сопротивления ключей ППП на рабочие характеристики и динамические показатели электромеханической системы в целом;

- предложена инженерная методика расчета индуктивности фазы ВИМ, реализованная в виде компьютерной программы, позволяющая достаточно быстро и с приемлемой точностью оценить влияние геометрии зубцовой зоны на характеристики рассматриваемых систем;

- предложена защищенная патентом РФ конструкция вентильного индукторного генератора с комбинированным возбуждением, позволившая улучшить ее энергетические характеристики.

Достоверность результатов. Достоверность результатов расчетов индуктивностей фаз ВИМ подтверждена сравнением с данными расчета магнитного поля методом конечных элементов (МКЭ) и экспериментальными данными. Достоверность теоретических исследований вентильных индукторных ЭМП с помощью имитационной математической модели подтверждается сравнением с экспериментальными данными, полученными в диссертации, а также с результатами, известными из литературы.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований и полученные рекомендации использованы при создании серии освоенных в производстве ООО “Электром” (г. Чебоксары) автотракторных ВИГ типа 40.3771 и Г3000. По разработанной автором методике были рассчитаны образцы тягового ВИД привода движения электропогрузчика и ВИД привода механизма перевода железнодорожных стрелок по техническим требованиям ОАО “ЧЭАЗ” (г. Чебоксары).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: IV Всероссийской научной конференции “Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем”, Чебоксары, 2001; International XIII symposium on micromachines & servodrives, Krasiczyn, Poland, 2002; Международной научной конференции “Электротехника, энергетика, экология - 2004”, Санкт-Петербург, 2004; V Международном симпозиуме
“ЭЛМАШ-2004”, Москва, 2004; International XIV symposium on micromachines & servodrives, Тuczno, Poland, 2004; Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК-2005, Москва, 2005.

Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 12 печатных работах и двух патентах РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 171 страницах, содержит 98 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 143 наименований.

Основные положения, которые выносятся на защиту:

1) методика аналитического расчета индуктивностей фаз индукторной машины в функции угла поворота ротора и геометрических параметров рабочего зазора с двухсторонней зубчатостью;

2) обобщенная компьютерная имитационная модель вентильных индукторных машин в установившихся и переходных режимах, использующая аналитические выражения индуктивности и потокосцепления фазы, с учетом параметров вентилей ППП, параметров ПМ, двухсторонней зубчатости и насыщения стали магнитопровода;

3) результаты математического моделирования и экспериментальных исследований вентильных индукторных машин, использованные при разработке и освоении серийного производства автотракторных ВИГ комбинированного возбуждения в ООО “Электром”.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены ее цели и задачи, методы исследования, основные научные положения, выносимые на защиту. Также отражены научная и практическая ценность работы, реализация полученных результатов.

В первой главе рассматривается современное состояние теории и практики ВИМ в генераторном и двигательном режимах. Проведен аналитический обзор публикаций в области разработки ВИМ и методов их исследования в установившихся и переходных режимах.

Вентильные индукторные ЭМП прочно завоевали позиции в качестве автономных источников электроэнергии, работающих параллельно с аккумулятором в электрооборудовании автотранспортных средств, благодаря простоте конструкции и отсутствию скользящих контактов, что существенно повышает их надежность и срок службы. Отсутствие щеток расширяет диапазон рабочих частот вращения, а применение ПМ на роторе обеспечивает устойчивое самовозбуждение при отсутствии аккумулятора, что особенно важно для сельскохозяйственных машин и военной техники в экстремальных условиях.

В связи с появлением и широким применением ППП, работающих совместно с индукторной машиной, задача создания адекватных математических моделей ЭМП, применяемых в автотракторном электрооборудовании, становится важной и востребованной. В части детального изучения не только статических характеристик (токоскоростной, нагрузочной), но и динамических режимов, возникающих как при работе (сброс-наброс нагрузки, изменение частоты вращения), так и в аварийных режимах (внезапное короткое замыкание, пробой вентиля и т.п.).

К


а б

Рисунок 1 Конструкции ВИМ: а – генератора типа 40.3771; б – ВИД 6/4
онструкция автотракторного ВИГ типа 40.3771 (Uн=28В; Iн=80А) производства ООО “Электром” г. Чебоксары показана на рис.1, а. Статор 4 пятифазного генератора имеет Z1=15 зубцов, на которых размещаются сосредоточенные катушки обмоток фаз. Ротор 6 содержит Z2=6 зубцов (пар полюсов). В пазах ротора устанавливаются постоянные магниты 5.

Отличительной особенностью представленной ВИМ является наличие встроенных полупроводниковых узлов: выпрямителя 7 и регулятора напряжения 8. Выпрямитель собран по пятифазной мостовой схеме с расположением анодных и катодных групп на кольцевых алюминиевых пластинах, с запрессованными в них выпрямительными диодами. Охлаждение выпрямительного блока осуществляется заодно с обмотками статора центробежным вентилятором 1. Регулятор напряжения 8 представляет собой транзисторный ключ, соединенный последовательно с неподвижной обмоткой возбуждения 3, закрепленной в стальном щите 2, и систему управления, обеспечивающую поддержание выходного напряжения в заданном диапазоне путем изменения тока возбуждения.

Распространенная модификация трехфазного ВИД показана на рис.1, б. В последнее время такие электродвигатели широко рекламируются и обсуждаются в печати. Высокая надежность благодаря отсутствию щеток, дешевизна и технологичность позволили рассматривать ВИД, как альтернативу коллекторному двигателю последовательного возбуждения. Недостатками ВИД являются невысокое значение КПД и повышенная мощность преобразователя при работе на низких частотах вращения. Реактивная мощность, идущая на создание магнитного поля в двигателе может в 2-3 раза превосходить номинальную мощность, что приводит к увеличению мощности ППП. Поэтому область эффективного применения ВИД в автотранспортном электрооборудовании ограничена в основном использованием в составе маломощных электроприводов.

Для математического описания ВИМ могут использоваться три типа моделей, базирующихся на теории поля, теории цепей или их комбинации. При этом расчет поля выполняется путем непосредственного решения полевых уравнений, либо приближенно аналитическим или численным способом. Аналитические методы позволяют получить эмпирические зависимости для основных магнитных параметров машины, но они достаточно трудоемки и дают погрешность порядка (1520)%.

Применение ЭВМ способствует развитию приближенных численных способов расчета, основанных на методах конечных разностей и конечных элементов, которые характеризуются достаточно высокой точностью и справедливы только для конкретного частного случая. При изменении взаимного положения элементов ЭМП расчет магнитного поля выполняется заново. Поэтому численные методы трудноприменимы на этапе проектирования и расчета динамических режимов и используются, в основном, при поверочных расчетах. Распространенными программными продуктами являются иностранные “Maxwell”, “Femme” и отечественные “LOMAN”, “JUMP” и “ELCUT”, основанные на МКЭ, а также программа проф. Афанасьева А.А. с применением конформного преобразования.

Расчеты ВИМ на основе теории цепей достаточно легко программируются и обладают высоким быстродействием. Недостатком таких моделей является низкая точность расчетов (отклонение до 20% и более).

Наиболее современный подход к моделированию процессов в вентильных индукторных ЭМП состоит в комбинировании теории поля и теории цепей. Сначала на основе полевых уравнений определяются параметры машины, а затем, используя уравнения теории цепей, рассчитываются показатели всей системы в переходных и установившихся режимах. Такой подход представляется наиболее целесообразным и взят за основу математической модели ВИМ, предлагаемой в диссертации.

Во второй главе проводится исследование зависимости магнитной проводимости воздушного зазора индукторной машины от угла поворота ротора, поскольку при расчете электромагнитных процессов в ВИМ важное место занимает задача определения индуктивности фазы для различных взаимных положений зубцов статора и ротора. Для m-фазной ВИМ зависимость индуктивности фазы L от коэффициента магнитной проводимости воздушного зазора  имеет вид:

. (1)




а б

Рисунок 2 Основные размеры (а)

и условное распределение силовых линий (б)
Зависимость коэффициента магнитной проводимости от угла поворота ротора () найденная в аналитическом виде, представляет совокупность математических выражений, полученных по разработанной методике, в основе которой лежит метод Поля. При рассмотрении картины магнитного поля (рис.2), в рабочем зазоре линии проходят прямолинейно, а за пределами зазора в пазах – по дугам окружностей, центром которых являются крайние точки зубцов. Зубцовое деление статора b1 разбивается на участки с однородными коэффициентами проводимости. Итоговый коэффициент проводимости определяется суммой коэффициентов отдельных участков. Расчет производится в пределах половины полюсного деления ротора (ab2/2).

На основе предложенной методики получены выражения для максимального и минимального значений индуктивности фазы ВИМ. В положении, когда зубец ротора расположен напротив зубца статора, индуктивность фазы принимает максимальное значение, соответствующее коэффициенту проводимости

. (2)

В положении, когда зубец статора расположен точно напротив паза ротора, индуктивность фазы минимальна и определяется коэффициентом

. (3)

Для расчета магнитной проводимости и индуктивности фазной обмотки составлена программа в математической среде MATLAB 6.5. Достоверность расчета индуктивности фазы по предложенной методике проверялась путем сравнения со значениями индуктивности, полученными с помощью программы “Maxwell” и опытным путем. Зависимости индуктивности фазы ВИМ от угла поворота, полученные этими
способами приведены на рис.3. Как видно из представленных графиков, точность расчета индуктивности аналитическим методом несколько уступает МКЭ, однако погрешность аналитического метода в целом не превысила 10%, а время, затрачиваемое на подготовку данных и решение задачи численным методом значительно (в 5-10 раз) превышает время расчета по предложенной методике. Применение аналитического метода расчета позволяет достаточно быстро и с приемлемой точностью рассчитать индуктивности фазы при различных параметрах зубцовой зоны и оценить их влияние. Полученные аналитические выражения удобны и эффективны для дальнейшего использования в обобщенной математической модели, описывающей ВИМ в целом.

С
Рисунок 3 Зависимость индуктивности фазы от угла поворота ротора

, град.
помощью предложенной аналитической методики исследовалась зависимость индуктивности фазы ВИМ от соотношений параметров рабочего воздушного зазора и зубцовой зоны (bz2/bz1, bz1/b1). Получены рекомендации по выбору оптимальных соотношений размеров зубцовой зоны (bz2/bz1=11,2; bz1/b1=0,350,45) для ВИД привода электропогрузчика, при которых обеспечивается максимальный электромагнитный момент.

В


Рисунок 4 Расчетная модель по МКЭ ВИГ с ПМ
диссертации предложена полевая математическая модель ВИГ с комбинированным возбуждением для расчета магнитной системы методом конечных элементов (рис.4). Выполнен расчет ЭДС фазы автотракторного генератора при отсутствии ПМ и с магнитами различной формы. С целью улучшения характеристик вентильного индукторного генератора (увеличение мощности генераторной установки и снижение частоты начала токоотдачи) найдена специальная форма ПМ (рис.4). Результаты расчетов ЭДС и проведенные эксперименты показали, что за счет применения таких магнитов, мощность генератора увеличивается в среднем на 3-5%. На конструкцию такого вентильного ЭМП с ПМ получен патент РФ на полезную модель.

В третьей главе представлены результаты разработки обобщенной имитационной модели ВИМ в двигательном и генераторном режимах, позволяющей исследовать их статические и динамические характеристики. Алгоритм компьютерной реализации обобщенной модели представлен на рис.5.

Обобщенная математическая модель учитывает работу вентильного ППП, схемы управления, индукторной машины, датчика положения ротора. Функциональная схема для двигательного режима представлена на рис.6. Обмотки фаз двигателя 2 с помощью силовых ключей инвертора 1 поочередно подключаются к источнику постоянного напряжения U0. Коммутация обмоток ВИД осуществляется схемой управления 3 в зависимости от положения ротора, которое определяется с помощью датчика положения ротора 4.

В


Рисунок 6 Функциональная схема ВИД



Рисунок 5 Алгоритм обобщенной математической модели ВИМ
соответствии с алгоритмом (рис.5) на основе функциональной схемы (рис.6) для трехфазного ВИД электропривода движения погрузчика предложена имитационная математическая модель, структура которой показана на рис.7. Блок питания Source формирует выходную характеристику источника в зависимости от потребляемого тока. При включении ВИД напряжение источника прикладывается к одной из фазных обмоток: появляется напряжение на одном из выходов U1, U2, U3 блока Invertor. При отключении фазы к обмотке прикладывается напряжение обратной полярности, соответствующее закрытому состоянию силовых транзисторов и ток протекает через диоды. Когда ток фазы спадает до нуля, диоды инвертора переходят в закрытое состояние. Порядок включения фаз определяется в зависимости от угла поворота ротора s подсистемой SP, имитирующей работу датчика положения ротора. Угол включения и длительность работы фазы задаются в подсистеме Invertor, с выхода которой напряжения фаз: U1, U2, U3 подаются на подсистемы: PhaseA, PhaseB, PhaseC для расчета тока и электромагнитного момента.

Электромагнитные процессы в ВИМ описываются системой уравнений Кирхгофа, которая в общем виде в j-ом контуре запишется так:

, (4)

где Uj, ij, Rj – напряжение, ток и сопротивление элемента контура;
j – потокосцепление обмоток j-го контура. При формировании напряжения подаваемого на фазную обмотку учитывается падение напряжения на вентилях ППП (в виде функциональных резисторов).

В


Рисунок 7 Структурная схема имитационной математической модели ВИД
соответствии с предложенным алгоритмом (рис.5) сначала с помощью аналитической методики, описанной в главе 2, выполняется расчет индуктивности фазы ВИД от угла поворота ротора, результаты которого задаются в подсистему Induction и используются в последующем для моделирования установившихся и переходных режимов. В модели при аппроксимации кривых намагничивания приняты следующие допущения: насыщение наступает при одном и том же значении тока Iнас; при i<Iнас потокосцепление фазы определяется выражением (, i)=L()i; в режиме насыщения при iIнас наклон участков кривой потокосцепления (, i) совпадает с наклоном при рассогласованном положении. На следующем этапе расчета по алгоритму (рис.5) вычисляются электромагнитные моменты фаз по выражениям:

- при отсутствии насыщения , (5)

- при локальном насыщении магнитной системы

. (6)

По значениям электромагнитных моментов отдельных фаз М1, M2, M3 на выходе сумматора Sum1 формируется результирующий момент, развиваемый ВИМ. Значения угловой скорости и угла поворота вычисляются по алгоритму обобщенной математической модели ВИМ (рис.5)

в соответствии с уравнением движения ротора и уравнением связи:

, . (7)

В

Рисунок 8 Переходный процесс пуска ВИД с углом включения =0

t, c
нешний момент на валу ВИМ подается на вычитающий вход сумматора Sum2. Угол поворота вычисляется блоком Integrator1 по формулам (7). Расчет суммарного тока ВИД выполняется подсистемой Subsytem5. Контроль необходимых переменных в процессе расчета в модели выполняется с помощью осциллографов (Scope1-Scope4
на рис.7).




Рисунок 9 Зависимость

момента ВИД от угла включения фазы

M, Нм
С помощью предложенной имитационной модели исследовались режимы пуска двигателя привода движения электропогрузчика с различными углами включения, с нагрузкой и при отсутствии нагрузки на валу. График переходного процесса при пуске ВИД без нагрузки на валу показан на рис.8, где введены следующие обозначения: 1 – iА (1дел.- 60А); 2 – MA
(1дел.- 6Нм); 3 –  (1дел.- 100рад/с); 4 –  (1дел.- 60рад).

М
, эл. град.
атематическая модель (рис.7) использовалась также для расчета статических и динамических характеристик электропривода усилителя руля автомобиля. Исследовалось влияние угла управления (включения фазы) при неизменной длительности включения (120 электрических градусов) на электромагнитный момент, развиваемый ВИМ. Результаты моделирования показали (рис.9), что максимальное значение электромагнитного момента достигается при угле управления -27 электрических градусов. Модель использовалась также для расчета механической характеристики ВИД, при этом расхождение с опытными данными не
превысило 10-15%.

Ф


Рисунок 10 Функциональная схема

вентильного индукторного генератора
ункциональная схема автотракторного ВИГ (рис.1, а) показана на рис.10. При вращении ротора от привода П значение магнитного потока в индукторе И при неизменной полярности изменяется по модулю, благодаря чему в обмотках якоря ОЯ наводятся переменные ЭДС, значения которых определяются МДС ПМ и регулируемой МДС обмотки возбуждения ОВ. Переменные напряжения фазных обмоток с помощью выпрямителя В преобразуются в постоянное, которое затем поступает в бортовую сеть для зарядки аккумулятора АКБ и питания нагрузки Н. На выходе выпрямителя может устанавливаться емкостной фильтр Ф. Поддержание напряжения ВИГ на заданном уровне обеспечивается полупроводниковым регулятором напряжения РН.

Существенными особенностями ВИГ (рис.10) является наличие обмотки возбуждения и ПМ, создающих дополнительную МДС возбуждения. Кроме того, в отличие от ВИД, имитационная модель которого рассмотрена выше, работа фаз генератора происходит непрерывно, поэтому в имитационной модели учитываются взаимные индуктивности фаз. Параметры генератора выбираются так, чтобы магнитная цепь не насыщалась, поэтому в модели (рис.11) не учитывается насыщение магнитной системы. Структура имитационной математической модели составлена на основе обобщенной математической модели с учетом функциональной схемы пятифазного индукторного генератора (рис.10).

При расчете переходных процессов в ВИГ ПМ заменен эквивалентной одновитковой обмоткой возбуждения с включенным в нее источником тока Iм=const, значение которого равно фиктивной коэрцитивной силе F’м и представлено в модели в виде источника IM. Обмотка возбуждения представлена в виде подсистемы Las.

Напряжения фаз, вычисленные в блоках PhaseA-PhaseE, подаются на блок Rectifier, описывающий работу пятифазного мостового выпрямителя.

Выпрямленное напряжение Uout поступает на нагрузку, заданную в подсистеме Load. По фазным токам в соответствии с алгоритмом (рис.5) в блоках PhaseA-PhaseE вычисляются электромагнитные моменты фаз М1-

M


Рисунок 11 Структурная схема имитационной модели ВИГ
5, а на выходе сумматора Sum1 рассчитывается результирующий момент. Регулятор напряжения представлен в имитационной модели подсистемой Regulator, которая в зависимости от уровня выпрямленного напряжения Uout подключает или отключает обмотку возбуждения к выходному напряжению генератора, обеспечивая его поддержание на уровне напряжения настройки регулятора за счет ШИМ.

Электромагнитные процессы, протекающие в обмотке возбуждения и регуляторе, описываются уравнением, аналогичным уравнению (4) с учетом взаимной индуктивности с обмотками статора и эквивалентным контуром ПМ:

, (8)

где mfм – взаимная индуктивность обмотки возбуждения и эквивалентного контура ПМ.

Уравнения, описывающие выпрямительный блок имеют вид:

. (9)

где =(0, 1) – коэффициенты, определяющие топологию схемы; U – падение напряжения на -ом вентиле.

Напряжение возбуждения Uf формируется регулятором напряжения с ШИМ и зависит от уровня выходного напряжения:

, (10)

где Uout – напряжение на выходе выпрямителя, Uнастр – напряжение настройки регулятора напряжения.




Рисунок 12 Пуск ВИГ,

работающего на нагрузку без АКБ


t, c
Разработанная имитационная математическая модель (рис.11) использовалась для расчета режимов пуска генератора 40.3771 с нагрузкой и без нее, сброса нагрузки при неизменной частоте вращения. График переходного процесса при пуске генератора показан на рис.12, где введены следующие обозначения: 1 – Uout (1дел.-10В); 2 – М (1дел.- 8Нм); 3 –  (1дел.-30рад/с); 4 –  (1дел.- 50рад).

С помощью математической модели рассчитана токоскоростная характеристика генератора 40.3771 при неизменном напряжении. Различие в расчетных и экспериментальных характеристиках составило
около 10-15%.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований вентильных индукторных ЭМП.

Для разработки ВИМ автотранспортного назначения предложена уточненная методика проектного расчета, позволяющая по заданным габаритным размерам, номинальной частоте вращения (или мощности) и параметрам источника питания определить обмоточные данные и рассчитать геометрию зубцовой зоны, с использованием аналитической методики расчета индуктивности, описанной в главе 2. Порядок расчета рассмотрен на примере ВИД электропривода переключения железнодорожных стрелок.

Рассмотрены также особенности расчета ВИГ, применяемого в автотракторной технике. Получены рекомендации по выбору обмоточных данных катушки возбуждения и обмотки якоря.

С целью улучшения массогабаритных показателей и эксплуатационных характеристик ВИГ автором предложена конструкция, реализованная в генераторе Г3000, на которую получен патент РФ на полезную модель.

В


а б

Масштаб: Mx=1мс; My=10В

Рисунок 13 Форма ЭДС фазы ВИГ(а) и ее гармонический состав (б) при n=1500мин-1
ажное значение при исследовании и проектировании ВИМ занимает определение гармонического состава ЭДС, поскольку отдельные потребители (тахометр, реле блокировки стартера) используют переменный сигнал фазы.

При эксплуатации автомобильных ВИГ типа 40.3771 в составе бортовой сети автомобилей “КАМАЗ” были выявлены сбои в работе тахометров: дергание стрелки, завышенные в 2-3 раза показания. С целью принятия мер по их исключению проведены исследования гармонического состава фазной ЭДС. Форма фазной ЭДС при выпрямленном напряжении генератора Uген=28,5В и токе нагрузки Iген5А при частотах вращения ротора n=1500мин-1 показана на рис.13, а. На рис.13, б показан гармонический состав фазной ЭДС. Проведенные исследования показали, что при малых токах нагрузки (I<7А) и малых частотах (n<2500мин-1) в кривой ЭДС сильно выражена вторая гармоника, что обусловлено достаточно большим раскрытием паза статора. Для исключения сбоев потребителей предложена установка фильтра-формирователя.

Для проведения экспериментальных исследований статических и динамических характеристик ВИМ в работе приводятся схемы экспериментов и их результаты. Для ВИМ, работающих в двигательном режиме, проводилось сравнение индуктивности фазы и механической характеристики, полученных на основе расчетов с использованием разработанных математических моделей и результатами эксперимента. Отклонение расчетных характеристик от экспериментальных в целом не превы-шает 15-2


Масштаб: Mx=0,1с; My=20В
Рисунок 14 Пуск генератора 40.3771
0%.

Осциллограмма напряжения на клемме “+” генератора 40.3771 при имитации пуска двигателя автомобиля показана на рис.14. Графики переходного процесса: расчетного (рис.12) и опытного (рис.14) отличаются незначительно (в пределах погрешности измерений). Некоторое отличие в длительности переходного процесса связано с конечным временем электромагнитных и механических процессов в приводном двигателе, которое не задавалось при моделировании (рассматривался процесс скачкообразного приложения приводного момента).

В


Масштаб: Mx=0,1с; My=20В

Рисунок 15 Сброс тока нагрузки с 55

до 5А при работе генератора без АКБ
ходе экспериментов исследован режим сброса нагрузки генератора, который является критичным для работы потребителей. Переходный процесс сброса нагрузки c 55 до 5А при работе генератора 40.3771 без АКБ на частоте вращения 3000 мин-1 показан на рис.15. При сбросе нагрузки происходит скачок напряжения, амплитуда которого почти в 3 раза превышает значение номинального напряжения. Через tпп0,28c выходное напряжение стабилизируется на уровне напряжения настройки регулятора напряжения. Максимальные броски напряжения наблюдаются при сбросе номинального тока при номинальной частоте вращения: амплитуда импульса почти в 3,2 раза превышает номинальное напряжение, а длительность импульса tпп0,37c. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке системы защиты потребителей бортовой сети.

Разработанные в диссертации рекомендации по улучшению характеристик индукторных электромашинных преобразователей были использованы при проектировании и создании серии ВИГ автотракторного назначения, освоенных на предприятии ООО “Электром”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1) разработана методика расчета индуктивностей фаз индукторных машин в функции углового положения ротора, позволяющая получить аналитическую зависимость между геометрией зубцовой зоны и значением индуктивности, которая удобна для использования в имитационном моделировании ВИМ, а также в инженерных проектных расчетах;

2) исследовано влияние рабочего воздушного зазора и параметров зубцовой зоны на индуктивность фазы ВИМ. Даны рекомендации по выбору оптимальных размеров зубцовой зоны для ВИД, при которых достигается максимум электромагнитного момента;

3) создана обобщенная компьютерная имитационная модель ВИМ, в генераторном и в двигательном режимах. Модель учитывает параметры вентилей ППП, комбинированное возбуждение, насыщение магнитной цепи машины. Имитационная модель позволила исследовать влияние параметров электромеханической системы индукторного типа на их рабочие характеристики в динамических и статических режимах;

4) исследован гармонический состав фазной ЭДС в зависимости от частоты вращения и тока нагрузки автотракторной генераторной ВИМ, для которой определены режимы работы с наиболее сильно выраженными высшими гармониками ЭДС, и даны рекомендации по их снижению;

5) с помощью полевой математической модели исследовано влияние профиля ПМ на характеристики автотракторной генераторной установки с комбинированным возбуждением; в результате чего предложена защищенная патентом РФ конструкция ВИГ с ПМ, позволяющая улучшить его характеристики;

6) на основе экспериментальных исследований предложена защищенная патентом РФ конструкция автотракторного вентильного генератора с комбинированным возбуждением, позволяющая уменьшить паразитные зазоры и повысить токоотдачу генераторов такого типа.
Публикации по теме диссертации:

  1. Чихняев В.А., Нестерин В.А., Ваткин В.А., Бабак А.Г. Математическое исследование вентильно-индукторного привода // Автоматизированный электропривод: Юбилейный сб. науч. тр., посвященный 40-летию кафедры систем автоматического управления электроприводами Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2003. – С. 152 – 161.

  2. Ваткин В.А., Нестерин В.А. Исследование динамических режимов вентильно-индукторного привода на основе математического моделирования // Труды АЭН ЧР. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2003. – №2. – С. 40 – 45.

  3. Бабак А.Г., Ваткин В.А., Нестерин В.А., Чихняев В.А. Применение реактивного индукторного двигателя для привода движения электропогрузчика // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2004. – №2. – С. 26 – 27.

  4. Ваткин В.А., Нестерин В.А. Экспериментальное исследование гармонического состава фазного напряжения одноименно-полюсного индукторного генератора // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2004. – №6. – С. 16-17.

  5. Бабак А.Г., Ваткин В.А. Исследования индуктивности фазы вентильного индукторного привода движения электропогрузчика // Электроника и электрооборудование транспор-
    та. – 2006. – №6. – С. 9 – 11.

  6. Нестерин В.А., Ваткин В.А. Имитационная математическая модель вентильного индукторного генератора комбинированного возбуждения // Электротехника. – 2006. – №2. –
    С. 41-45.

  7. Чихняев В.А., Ваткин В.А. Математическая модель вентильно-индукторного привода // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы IV Всероссийской научной конференции. – Чебоксары, 2001. – С. 112 – 114.

  8. Ваткин В.А., Нестерин В.А., Чихняев В.А. Расчет проводимости воздушного зазора вентильно-индукторного двигателя // Сб. научных трудов молодых ученых и специалистов. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2002. – С.243 – 244.

  9. Ваткин В.А., Кириллов С.В., Нестерин В.А., Савов В.Я., Чихняев В.А. Разработка электропривода усилителя руля автомобиля на базе вентильного индукторного двигателя // Международный XIII симпозиум по микромашинам и сервоприводам, Красицин, Польша 15-19.IX.2002. – С.361–368 (на англ. яз.)

  10. Бабак А.Г., Ваткин В.А., Нестерин В.А., Чихняев В.А. Имитационная модель вентильного индукторного привода // Международный XIV симпозиум по микромашинам и сервоприводам, Тучно, Польша 12-16.IX.2004. – С.13-17 (на англ. яз.)

  11. Ваткин В.А., Кириллов С.В., Нестерин В.А. Исследование переходных процессов в индукторных автотракторных электрогенераторах // Электротехника, энергетика, экология – 2004: Сборник трудов Международной научной конференции (Санкт-Петербург 12-15 сентября 2004 г.). – С. 93 – 96.

  12. Нестерин В.А., Ваткин В.А., Кириллов С.В. Исследование динамических режимов в индукторных машинах транспортного применения // Труды симпозиума “ЭЛМАШ-2004” (Москва, 11 – 15 октября 2004 г.). – С. 145 – 149.

  13. Патент на полезную модель №35925, МПК Н 02 К 29/00. Одноименно-полюсный индукторный генератор / В.А. Ваткин. – № 20033133576/20; Заявлено 20.11.2003;
    Опубл. 10.02.2004, Бюл. №4.

  14. Патент на полезную модель №37047, МПК В 60 L 11/00. Автотракторный генератор индукторного типа с постоянными магнитами (варианты) / В.А. Ваткин. –
    № 2004100393/20; Заявлено 14.01.2004; Опубл. 10.04.2004, Бюл. № 10.



Подписано в печать ____________ Формат 60 х 80 х 1/16.
Бумага писчая Тираж 100 экз.



Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации