авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Электрические нагружающие устройства для испытаний двигателей внутреннего сгорания

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Раев Владимир Альбертович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2008

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом универ­ситете им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) на кафедре «Электрооборудование судов».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Титов Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Онищенко Георгий Борисович

кандидат технических наук,

Анишев Евгений Юрьевич

Ведущая организация - ООО «Интермодуль», г. Н. Новгород

Защита состоится «_26__» ___июня___ 2008 г. в _14_ часов в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в Ни­жегородском государ­ственном техническом университете (603950, ГСП – 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

Отзывы на авторефераты, заверенные печатью организации, просим
направить по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ,
ученому секретарю диссертационного совета Д212.165.02 или по факсу
(831)436-93-79.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижего­родского госу­дарственного технического университета.

Автореферат диссертации размещен на сайте:

http:\www.nntu.ru/rus/aspir_doktor/avtoreferat

Автореферат разослан “_24_” ___мая___ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент В.В. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из наиболее энерго­емких этапов производства двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются стендовые испытания. В процессе их проведения с помощью электрических нагружающих уст­ройств (НУ) имитируется реальная нагрузка ДВС, производится отладка, экспериментально определяются качественные и количественные характеристики испытуемых двигателей. При полезном использовании энергии ДВС современные испытательные станции могут стать дополнительной электрогенерирующей составляющей в энергетическом балансе моторостроительных предприятий. Особенностью испытательных стендов является то, что основным регулируемым параметром является нагрузочный момент, точность измерения, задания и стабилизации которого определяет качество испытаний и количественные показатели настройки выпускаемых ДВС, в частности, удельный расход топлива.

Измерителем нагрузочного момента, как правило, является тензометрический датчик, встраиваемый под упор статора балансирной нагрузочной машины или в линию вала. Такая электромеханическая система (ЭМС) обладает явно выраженными упругими свойствами.

Качество испытаний и эффективность использования энергии испытуемого ДВС определяется включением в состав структуры нагружающего устройства силового полупроводникового регулятора нагрузочного момента и скорости, обеспечивающего требуемое управление, стабилизацию регулируемого параметра и рекуперацию энергии ДВС. Однако несинусоидальность токов нагрузочной машины и дискретность работы цилиндров ДВС приводит к появлению периодических возмущающих воздействий в виде колебаний момента, что может являться причиной возникновения резонансных явлений в системе ДВС-НУ.





Резонансные явления нежелательны в системе ДВС-НУ – они приво­дят к перегрузкам в упругих элементах системы и даже разрушению используе­мого для измерения нагрузочного момента тензометрического датчика. Поэтому наиболее об­щей задачей, требующей решения для данных систем, является уменьшение или устранение резонансных явлений.

Эта задача может быть решена путем:

  • проведения параметрического синтеза электромеханической системы;
  • построения замкнутой системы регулирования по мгновенному значению нагрузочного момента с использованием электрического датчика момента.

Настоящая диссертация является продолжением исследований систем ДВС-НУ. В работе наибольшее внимание уделено математическому моделированию ЭМС как многомассовой системы, применению математических методов для сокращения времени расчетов при параметрическом синтезе системы ДВС-НУ, исследованию элек­тромагнитной жесткости как функции токов в электриче­ской машине, применению современной электронной базы для создания датчика электромагнитного момента для замкнутой системы автоматического регулирования.

Целью диссертационной работы является: параметрический синтез силовой структуры системы ДВС-НУ и разработка датчика мгновенного значения нагру­зочного момента для системы автоматического регулирования с целью снижения величины упругих колебаний в элементах системы.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следую­щие задачи:

  1. Анализ существующих схем полупроводниковых силовых регуляторов с точки зрения целесообразности применения их в нагружающих устройствах.
  2. Разработка математической модели многомассовой электромеханической системы с упругими связями, позволяющей рассчитывать величину упругих колебаний в элементах системы.
  3. Исследование максимальных динамических усилий в упру­гих элементах системы ДВС-НУ при варьировании исходных силовых параметров. Определение возможности сокращения машинных затрат при расчете усилий, выявление способов параметрической минимизации усилий в ЭМС и целесообразности применения специальных математических ал­горитмов отыскания целевой функции.
  4. Развитие понятия электромагнитной жесткости нагрузочной машины. Исследование влияния электромагнитной жесткости на максимальные усилия в элементах исследуемой системы с целью определения целесо­образности ее учета. Разработка методики расчета электромаг­нитной жесткости с использованием матричных преобразований для машины переменного тока с фазным ротором.
  5. Анализ методов измерения момента в упругих элементах ЭМС. Исследование возможности применения микропроцессорного датчика мгновенного значения электромагнитного момента в качестве датчика обратной связи по моменту.
  6. Разработка структурной схемы и алгоритма программы универсального микропроцессорного датчика мгновенного значения электромагнитного момента, позволяющего использовать его системе управления НУ в качестве датчика обратной связи по моменту. Разработка методики выбора элементов и наиболее эффективного применения математических преобразований с учетом необходимой точности и быстродействия преобразования входных вели­чин.

Методы исследования. В теоретическом исследовании использованы методы общей теории машин переменного тока, с применением теории колебаний многомассовых электромеханических систем. Для проверки и уточнения полученных теоретических результатов проведены экспе­риментальные исследования на физических моделях, лабораторных установках и опытных образцах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

        1. Разработана математическая модель системы ДВС-НУ с нагрузочной асинхронной машиной с фазным ротором и силовым полупроводниковым регулятором момента и скорости, позволяющая проводить параметрический синтез силовой структуры системы с учетом электромагнитной жесткости нагружающей электрической машины.
        2. Обоснована необходимость учета электромагнитной жесткости в системе ДВС-НУ и разработан метод расчета электромагнитной жесткости для асинхронной машины с фазным ротором с использованием линеаризованных уравнений для малых отклонений, позволивший установить связь между электромагнитной жесткостью и токами электрической машины.
        3. Обоснована целесообразность применения специальных математических методов для нахождения целевой функции, позволяющих существенно сократить время проектирования электромеханической системы.
        4. Разработаны теоретические основы и создан датчик мгновенного значения электромагнитного момента и электромагнитной жесткости, позволяющий с высокой точностью измерять электромагнитные момент и жесткость.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

  1. Разработана инженерная методика расчета максимальных динамических усилий “по резонансным точкам”, позволяющая существенно сократить время расчетов. Обоснована целесообразность варьирования силовых параметров для конкретной электромеханической системы.
  2. Разработаны расчетно-исследовательские программные продукты “GraphStrain” для расчета и графоаналитического представления максимальных динамических усилий в системе ДВС-НУ при варьировании произвольного исходного параметра ее силовой схемы, а также программный модуль нахождения целевой функции для системы ДВС-НУ при 2-х исходных варьируемых параметрах (“GraphStrain2”).
  3. Разработана методика выбора и применения специальных математических алгоритмов глобального поиска для нахождения сформулированной целевой функции, позволяющая с минимальными потерями точности сократить время нахождения целевой функции ЭМС.
  4. Разработана инженерная методика выбора элементов микропроцессорного датчика электромагнитного момента. Разработан опытный образец микропроцессорного датчика мгновенного значения электромагнитного момента, схема сопряжения и программный модуль для взаимодействия разработанного датчика с ЭВМ.

Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью используемых методов математического моделирования, экспериментальными исследованиями, а также практическим использованием разработанных методик расчета и опытно-промышленных образцов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде методик расчета, моделирования и анализа, а также компьютерных программ и опытно-промышленных образцов внедрены в ООО ”Интермодуль” (г.Нижний Новгород), результаты диссертации также внедрены в учебные процессы кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта» Волжской государственной академии водного транспорта, а также кафедры «Электрооборудование судов» Нижегородского государственного технического университета.

Публикация и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получено 2 свиде­тельства об официальной регистрации программы для ЭВМ. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

  • “Актуальные проблемы электроэнергетики” (Н.Новгород: НГТУ, 1999 - 2005 гг.)
  • Седьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электро­техника и энергетика” (Москва: МЭИ, 2001г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за­ключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 142 страницы основного текста, содержит 66 рисунков, список литературы из 132 на­именований, 18 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследования.

В первой главе рассмотрены структура и основные режимы работы системы ДВС-НУ, основные схемы построения полупроводниковых преобразователей для нагружающих устройств, проведена оценка достоинств и недостатков основных типов преобразователей.

Построенные по классическим схемам, полупроводниковые преобразователи являются источниками колебания момента из-за несинусоидальности токов в статорных и роторных цепях нагрузочной машины. Эти колебания являются возмущающим воздействием в электромеханической системе испытательного стенда. В работе проведен анализ стендов на основе асинхронной машины с фазным ротором по схеме асинхронно-вентильного каскада (АВК) и по схеме машины двойного питания с токовым непосредственным преобразователем частоты. Показано, что наличие преобразователя в цепи ротора машины переменного тока обуславли­вает несинусоидальную форму тока ротора и, как следствие, присутствие в ре­зультирующем электромагнитном моменте гармоник ряда 6nsf (n=1,2,3,…), ам­плитуда которых зависит от индуктивности сглаживающего дросселя: достигает 30% при индуктивности дросселя Xd=0 и уменьшается до 15% при пятикратном значении индуктивности ротора электрической машины Xd=5Xp. Наиболее значимыми в области малых скольжений являются 6-ая и 12-ая гармоники момента, обусловленные трапецеидаль­ной формой тока преобразователя и практически не устраняемые дальнейшим по­вышением индуктивности сглаживающего дросселя.

Во второй главе проведен анализ основных методов измерения крутящего момента с точки зрения их целесообразности для практического применения в системе ДВС-НУ. Наиболее распространенные тензометрические датчики момента обеспечивают необходимую точность практически в любых областях применения, однако в большинстве случаев требуют для их установки изменения силовой схемы исследуемой ЭМС и имеют высокую стоимость в случае применения телеметрических способов сбора информации с подвижного (вращающегося) измерительного элемента.

Из-за механического контакта оборудования с изме­рительной системой, тензометрические датчики весьма критичны к перегруз­кам, могущим привести к выходу их из строя, а торсионные датчики чувст­вительны к радиальным, изгибающим и осевым перегрузкам, что подразумевает использование специальных компенсационных муфт, увеличивающим стоимость и усложняющим схему.

Для измерения момента в ЭМС с асинхронной машиной (АМ) целесообразно применять косвенные методы, предусматривающие преобразование непосредственно измеряе­мых физических величин (тока, напряжения, скорости, угла) в сигнал, пропорциональный электромагнитному моменту АМ.

В третьей главе проведено теоретическое исследование максимальных динами­ческих усилий в упругих элементах 3-х массовой электромеханической системы ДВС-НУ при варьиро­вании исходных силовых параметров. Для этого на основе математической модели разработаны прикладные программы с целью авто­матизации исследований (главное окно программы «GraphStrain» показано на рис.1, блок-схема – на рис.2).

Уравнение движения для обобщенной координаты сосредоточенной массы j для n-массовой системы:

, (1)

где - собственная частота колебаний i-ой массы;

- частота колебаний j-ой возмущающей силы;

- фазовый сдвиг j-го возмущения, приложенного к i-ой массе

- собственный вектор системы,

– инерционная матрица системы;

– упругая матрица системы;

- вектор-функция обобщенных возмущающих сил;

, (2)

где - элементы диссипативной матрицы R.

– диссипативная матрица системы.

Динамические нагрузки в упругих элементах между массами k и j определя­ются следующим образом:

, (3)

где - жесткость соединения между точками k и j.

Произведено исследование максимальных динамических усилий в рас­четных точках для 3-х массовой ма­тематической мо­дели ДВС-НУ, при варьировании ис­ходных силовых параметров. Обос­нована необходи­мость применения специальных ме­тодов для сокра­щения времени расчетов. Разрабо­тана методика рас­чета максималь­ных значе­ний ди­намических уси­лий в упругих эле­ментах исследуемой ЭМС “по резонанс­ным точкам”, позволяющая значительно сократить время расчета при варьирова­нии исходных параметров функции и не допустить “разрыва” функции вследствие дискретности расчетов. Для системы ДВС-НУ с МДП, при расчете функции с погрешностью менее 1% сокращение времени расчета при применении методики достигает двух-трех порядков. В работе обоснована необходимость предварительного расчета максимальных усилий в упругих элементах исследуемой системы. Произведен расчет максимальных усилий в критических точках системы ДВС-НУ, исследовано поведение графиков полученных функций.

Пример графического представления рассчитанных максимальных усилий в исследуемых элементах системы при варьировании электромагнитной жесткости в системе ДВС-НУ с МДП мощностью 160 кВт показан на рис.3.

Разработана методика параметрического синтеза силовой струк­туры системы ДВС-НУ, позволяющая минимизировать упругие колебания в системе.

Разработан алгоритм вы­бора и критерии поиска целевой функции для электро­механической системы на примере системы ДВС-НУ, где целевая функция определяется наиболее хрупким упру­гим звеном системы. Для такой системы в каче­стве целевой функции можно выбрать:

,, (4)

при ограничениях для других связей

, , (5)

где Y – вектор варьируемых параметров ,

P – область допустимых изменений параметров .

В этом случае задача состоит в том, чтобы найти глобальный минимум це­левой функции , с учетом вышеназванных ограни­чений.

Под решением задачи поиска минимума целевой функции понимается нахождение численной оценки Y', приближающей абсолютный минимум Y'* функции с требуемой точностью , т.е.

и/или . (6)

Целесообразность применения специальных алгоритмов поиска целевой функции определяется, прежде всего, наличием или отсутствием локальных экс­тремумов в функции максимальных динамических усилий при варьировании ис­ходных параметров по отдельности, а также количеством варьируемых перемен­ных. В главе рассмотрены оптимальные с точки зрения скорости нахождения минимума целевой функции алгоритмы глобального поиска. Наибольшая эффективность специальных алгоритмов поиска достигается на больших исследуемых ин­тервалах изменения исходных параметров при наличии нескольких локальных экстремумов. В этих случаях время нахождения целевой функции теоретически может сократиться до нескольких тысяч раз по сравнению с методом прямого дискретного перебора в зависимости от необходимой точности и добротности ре­зонансных пиков в рассматриваемой кривой.



Pages:   || 2 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.