Разработка вентильных индукторных электромеханических систем автотранспортного назначения

Актуальность темы

Вентильные индукторные электромеханические преобразователи находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности и на транспорте, как в качестве автономных источников электроэнергии, так и в качестве регулируемых электродвигателей.

Первоначально электрические машины индукторного типа использовались в качестве генераторов повышенной частоты (ЮОО-ЮОООГц) в радиостанциях, электроавтоматике, электротермии и других отраслях промышленности [2, 3, 18]. По мере развития силовой электропики с появлением катодных ламп, мощных тиристоров и транзисторов индукторные генераторы стали вытесняться статическими преобразователями частоты. В настоящее время электромеханические преобразователи индукторного типа достаточно широко используются в автотракторной технике и в других видах транспорта в качестве автономных источников электроэнергии благодаря их высокой надежности, простоте конструкции, технологичности изготовления и низкой стоимости.

На современном этапе развития индукторные генераторы применяются в основном как органическое объединение с полупроводниковыми преобразователями (выпрямителем, регулятором напряжения). Такие конструктивные особенности вентильных индукторных генераторов (ВИГ) как отсутствие щеток и применение постоянных магнитов на роторе делают их незаменимыми источниками постоянного тока в автотракторной технике, комбайнах, различных сельхозмашинах, технике специального военного назначения. Хотя сами индукторные машины достаточно хорошо изучены, задача улучшения рабочих динамических характеристик и массога-баритных показателей вентильных индукторных систем в целом сохраняет свою актуальность.

Большой вклад в развитие вопросов теории электромеханических преобразователей индукторного тина внесли отечественные и зарубежные ученые: Алексеева М. М., Альпер Н. Я., Бычков М. Г., Бут Д. А., Жуловяи В. В., Ильинский Н. Ф., Коломейцев Л. Ф., Красовский А. Б., Кузнецов В. А., Пахомип С. А., Терзян A.A., Ша.

I, ров B.C., Byrne J.V., Lawrcnson P.J., Miller T.J.K., Stephenson J.M. и другие.

II Современный уровень требований, предт>являемых к характеристикам гепера торов индукторного типа, заставляет искать и разрабатывать новые способы исследования как стационарных, так и переходных электромагнитных процессов. Вопросы, связанные с совместной работой электрической машины и электронного преобразователя, с изучением различных динамических режимов, зачастую трудно решаемы при применении традиционных методов анализа, в основу которых положено предположение о синусоидальности фазного напряжения. Особенно затрудняют расчет наличие двойной зубчатости рабочего воздушного зазора, учет насыщения магнитной цепи, применение постоянных магнитов, которые характерны для совре менпых машин данного типа.

Основные преимущества индукторных электрических машин способствуют их использованию и в двигательном режиме. Предлагаются различные конструкции индукторных двигателей и методов их исследования [124, 83]. Интенсивное развитие силовой и микропроцессорной электропики, наблюдаемое в последнее десятилетие, способствует росту интереса к электромеханическим преобразователям (ЭМП) индукторного типа в двигательном режиме [136, 137, 23, 75, 57, 52, 142]. Конструктивно вентильный индукторный двигатель (ВИД) аналогичен шаговому двигателю. Од: пако в отличие от шагового двигателя, который создастся в основном для преобразования кодовой информации в пропорциональное ей перемещение, вентильный индукторный двигатель (ВИД) выполняется в силовом варианте. Если основным требованием, предъявляемым к шаговому приводу, является высокая точность отработки заданных перемещений, а энергетические показатели имеют, как правило, второстепенное значение, то для ВИД энергетические показатели являются одними из важнейших. В связи с этим большинство методов анализа и рекомендаций по проектированию, используемые при разработке шаговых электроприводов, неприменимы для расчета ВИД. Поэтому применение индукторных двигателей в промышленности и оптимизация режимов их работы требует использования адекватных математических моделей, учитывающих характерные особенности индукторных машин, и обла- - I дающих достаточной быстротой вычислений, простотой и наглядностью. Важными {| особенностями ВИД являются дискретность работы фаз, наличие датчика положения).! ротора (ДПР), по сигналам которого осуществляется коммутация фаз. Эти схемотехнические отличия должны учитываться при исследовании статических и динамических характеристик. В бездатчиковом приводе [67, 22, 6, 140] роль ДПР выполняет электронный блок — наблюдатель, который также необходимо учитывать при исследовании электромагнитных процессов.

В связи с перечисленными особенностями вентильных индукторных электрических машин (ВИМ), создание их математической модели, позволяющей учитывать главные размеры и соотношения геометрических параметров зубцовой зоны в целях улучшения массогабаритных, энергетических и динамических показателей является.

I: своевременной и актуальной задачей, реализация которой имеет важное практическое значение.

Цель диссертационной работы — разработка вентильных индукторных электрических машин транспортного назначения па основе теоретических и экспериментальных исследований стационарных и динамических режимов систем с учетом двухсторонней зубчатости и насыщения стали магиигопровода.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи: 1. Разработка методики аналитического расчета магнитной проводимости воз> I I: душного зазора вентильных индукторных машин в функции угла поворота ротора.

2. Разработка математической модели, функционально связывающей параметры вентильных индукторных электромеханических систем с их характеристиками.

3. Исследование влияния изменения отдельных параметров электрической машины па энергетические и динамические характеристики вентильных индукторных электромеханических систем с целью получения практических рекомендаций, необходимых для их рационального проектирования.

4. Проведение экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность результатов теоретических исследований.

Методы исследований. 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.

При проведении экспериментальных исследований использовался метод физического моделирования при изготовлении натурных образцов, методики прямых и косвенных измерений.

Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием персонального компьютера и современного программного обеспечения [49, 48].

Достоверность результатов. Достоверность результатов расчетов индуктив-постсй фаз вентильных индукторных машин по предложенной аналитической методике подтверждена сравнением с данными, полученными при расчете магнитного поля методом конечных элементов и экспериментальными данными, полученными автором. Достоверность теоретических исследований вентильных индукторных ЭМГ1 с помощью имитационной математической модели в статических и динамических режимах подтверждается сравнением с экспериментальными данными, полученными автором, а также известными из литературы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета ипдуктивностей фаз вентильной индукторной машины в функции углового положения ротора, отличающаяся от известных получением функциональной аналитической зависимости между геометрией зубцовой зоны и значением индуктивности, что позволило создать универсальную инженерную компьютерную программу расчета.

2. Создана обобщенная компьютерная имитационная модель вентильных индукторных ЭМП в установившихся и переходных режимах как генератора, так и двигателя, отличающаяся от известных применением методики аналитического расчета потокосцепления фазы, а также возможностью учета параметров полупроводникового преобразователя, влияния постоянных магнитов и их параметров на характеристики индукторных машин с комбинированным возбуждением.

3. На основе применения полевой математической модели магнитной цепи индукторной электрической машины и экспериментальных исследований выявлено влияние профиля постоянного магнита на энергетические и динамические характеристики автотракторного генератора с комбинированным возбуждением, в результате чего предложена защищенная патентом РФ конструкция ротора, позволившая улучшить энергетические характеристики электромеханической системы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана обобщенная имитационная математическая модель вепгилыюй индукторной машины, позволяющая оценить влияние геометрических параметров зубцовой зоны, нелинейности магнитной цепи, обмоточных данных машины, динамического сопротивления ключа силового преобразователя на рабочие характеристики и динамические показатели электромеханической системы в целом.

2. Предложена инженерная методика расчета индуктивности фазы вентильных индукторных машин, реализованная в виде компьютерной программы, позволяющая достаточно быстро и с приемлемой точностью оценить влияние геометрии зубцовой зоны на характеристики таких машин.

3. Предложена защищенная патентом РФ конструкция вентильного индукторного генератора с комбинированным возбуждением, позволившая улучшить его энергетические характеристики.

Основные положения, которые выносятся па защиту:

1. Методика аналитического расчета индуктивностей фаз вентильной 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 двойной зубчатости, насыщения стали магнитопровода, параметров постоянных магнитов, параметров вентилей полупроводникового преобразователя.

3. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования вентильных индукторных машин, использованные при разработке и освоении серии автотракторных ВИГ комбинированного возбуждения в ООО «Электром» .

Апробация работы. По результатам работы сделаны доклады на следующих конференциях и симпозиумах: на 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, Tuczno, Poland, 2004; Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК-2005, Москва, 2005.

Публикации. Основные результаты выполненных в диссертации исследований 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 приложений. Основная часть работы изложена на 171 страницах, содержит 98 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 143 наименований.

Выводы по главе 4.

1. Представлены методики определения основных статических и динамических характеристик ЭМП индукторного типа. Проведены экспериментальные исследования макетных и серийных образцов двигателей и генераторов. Сравнение экспериментальных данных с расчетными, полученными с применением имитационной математической модели, подтверждает достоверность разработанной модели и целесообразность ее применения па этапе проектного расчета.

2. Проведено исследование гармонического состава вентильного индукторного генератора 40.3771. В ходе экспериментов выявлены режимы работы (е малой частотой вращения и малым током нагрузки), при которых возможна неудовлетворительная работа приборов автомобиля (тахометра, РБС и др.), использующих переменный сигнал генератора. Экспериментальные исследования подтверждают результаты моделирования с помощью МКЭ о наличии сильно выраженной второй гармоники в составе ЭДС генератора. Даны рекомендации по улучшению гармонического состава ЭДС генератора. Предложена конструкция фильтра-формирователя для геперато ра 40.3771, исключающая неправильную работу тахометра автомобиля «КАМАЗ» .

3. Предложена уточненная методика проектного расчета вентильных индукторных машин. Представлены соотношения для выбора основных параметров ВИГ. С учетом полученных рекомендаций выполнен проектный расчет вентильного индукторного двигателя привода движения электропогрузчика.

4. Даны рекомендации по проектированию вентильных индукторных генераторов автотракторного назначения. Предложены основные соотношения для выбора оптимальных обмоточных данных обмотки возбуждения, параметров диодов полу проводникового выпрямителя, регулятора напряжения. Предложена конструкция I вентильного индукторного генератора, позволяющая снизить эквивалентный воздушный зазор, улучшить электрические и эксплуатационные характеристики. Па конструкцию генератора получен патент РФ па полезную модель.

5. Предложены различные варианты профиля постоянных магнитов, установленных в пазах ротора ВИГ, позволяющие улучшить электрические характеристики генератора. На конструкцию ротора вентильного индукторного генератора с магнитами специального профиля получен патент РФ па полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основная научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в создании обобщенной имитационной математической модели вентильных ин-I дукторных машин в установившихся и переходных режимах с использованием аналитической методики расчета потокосцепления фазы, и разработке технических реj шений, совокупность которых позволяет осуществить решение научной проблемы i j создания систем с требуемыми техническими характеристиками.

Достоверность результатов расчетов индуктивпостей фаз веитильиых иидукj торных машин по предложенной аналитической методике подтверждается сравпени-I ем с данными, полученными при расчете магнитного поля методом конечных элементов и экспериментальными данными, полученными автором. Достоверность теоi рстических исследований вентильных индукторных систем с помощью имитационной математической модели в статических и динамических режимах подтверждается сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, полученными автором, а также известными в литературе.

При выполнении работы применялись следующие методы: методы теории. электромагнитного поля и электрических цепей, численные методы решения дифференциальных уравнений, метод имитационного моделированияметод конечных элементов.

При проведении экспериментальных исследований использовались метод физического моделирования при изготовлении натурных моделей, методики прямых и косвенных измерений.

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

Научные положения, результаты теоретических и экспериментальных иссле довапий внедрены в производство. Таким образом, представленная в диссертациопi ной работе совокупность научных положений и технических решений, является ре.

I шепием научной проблемы создания эффективных и надежных вентиль пых индукI торных систем, имеющее важное практическое значение.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1) разработана методика расчета ипдуктивпостей 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 ЭМП, а также в инженерных расчетах;

2) исследовано влияние рабочего воздушного зазора и параметров зубцовой зоны на индуктивность фазы вентильной индукторной машины. Даны рекомендации по выбо ру оптимальных размеров зубцовой зоны для ВИД, при которых достигается максимум элекгромапштпого момента;

3) создана обобщенная компьютерная имитационная модель вентильной индукторной машины, в генераторном и в двигательном режимах. Модель учитывает параметры вентилей ПГ1П, комбинированное возбуждение, насыщение магнитной цепи машины и позволяет проводить оценку влияния параметров системы па рабочие характеристики в динамических и статических режимах;

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

5) с помощью полевой математической модели исследовано влияние профиля ИМ на характеристики автотракторной генераторной установки с комбинированным возбуждениемпредложена защищенная патентом РФ конструкция ВИГ с ПМ, позволяющая улучшить его характеристики;

6) па основе экспериментальных исследований предложена защищенная патентом РФ конструкция автотракторного вентильного генератора индукторного типа с комбипированным возбуждением, позволяющая уменьшить паразитные зазоры и повысить то-коотдачу.

7) разработанные методики, программное обеспечение внедрены на предпри— ятии ООО «Электром», а полученные рекомендации использованы при создании макетных, опытных и серийных вентильных индукторных машин:

— автотракторных генераторов типа 40.3771 и Г3000, серийно выпускаемых ООО «Электром» г. Чебоксары;

— образца тягового двигателя привода движения электропогрузчика;

— образца индукторного двигателя электропривода механизма перевода железнодорожных стрелок, разработанного и изготовленного ОАО «ЧЭАЗ» г. Чебоксары.