Разработка вентильных индукторных электромеханических систем автотранспортного назначения

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.).

Конструкция 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 (1520)%.

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)

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 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=11,2; bz1/b1=0,350,45) для ВИД привода электропогрузчика, при которых обеспечивается максимальный электромагнитный момент.