WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

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;

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»