WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Ваткин ВладимирАлександрович

РАЗРАБОТКА ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

АВТОТРАНСПОРТНОГОНАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.09.01–

“Электромеханика иэлектрические аппараты”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканиеученой степени

кандидата техническихнаук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедреэлектромеханики и технологии

электротехническихпроизводств ФГОУ ВПО “Чувашский

государственныйуниверситет имени И.Н.Ульянова”

Научныйруководитель:

доктортехнических наук, профессор

Нестерин ВалерийАлексеевич

Научныйконсультант:

кандидаттехнических наук

Бабак АлександрГеоргиевич

Официальныеоппоненты:

доктор техническихнаук, профессор

Ковалёв Константин Львович

кандидаттехнических наук,доцент

Мощинский Юрий Анатольевич

Ведущая организация – ОАО “Чебоксарскийэлектроаппаратный завод”

(ОАО “ЧЭАЗ”), г.Чебоксары

Защита диссертациисостоится“ 26 ” октября 2007г. вауд. Е-205
в 13час. 00 мин. назаседании диссертационного советаД.212.157.15 приМосковском энергетическом институте(Техническом Университете) поадресу: 111250, Москва, ул.Красноказарменная, д.13

Отзывы наавтореферат (в двух экз. заверенныепечатью) просим направлять:111250, Москва, ул.Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можноознакомиться в библиотеке Московского энергетическогоинститута(ТУ).

Автореферат разослан“___”__________2007г.

Ученый секретарь

диссертационного советаД212.157.15

к.т.н., доцент Е.М. Соколова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность темы.Рассматриваемые вдиссертации вентильные индукторныеэлектромеханические преобразователи(ЭМП) автотранспортного применения представляют собойнеразрывное целое полупроводниковогопреобразователя (ППП) и индукторной машины, работающей в режимегенератора или двигателя. Использование ЭМП индукторного типа вавтотракторной техникеи в другихвидах транспорта объясняется высокойнадежностью, простотой конструкции, технологичностью изготовления инизкой стоимостью. Хотясами индукторные машины достаточно хорошоизучены, задача улучшения рабочих динамических и статическиххарактеристик и массогабаритных показателей системы вцелом становится актуальной и востребованной.

Современный уровеньтребований, предъявляемых кхарактеристикам ЭМП как в режимегенератора (ВИГ), так и двигателя (ВИД)заставляет совершенствовать известные и разрабатывать новые способы исследования стационарных и переходных электромагнитных процессов.

Большой вклад вразвитие теории ЭМП индукторноготипа внеслиотечественные 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., ПахоминС.А., ТерзянА.А., Шаров В.С., Byrne J.V., Lawrenson P.J., Miller T.J.E., Stephenson J.M. и др.В то же время возросшееприменение вентильных индукторных ЭМПв современномэлектрооборудованиитранспорта и необходимость оптимизации режимов их работытребует использования новыхматематических моделей, учитывающих характерные особенности такихсистем:наличиедвухсторонней зубчатости, постоянных магнитов (ПМ), насыщение магнитной цепи,параметры вентилей ППП, дискретность работы фазВИД.

В связи с изложеннымсоздание математическоймодели, позволяющей осуществлять выбор размеровзубцовой зоны машины и параметров системы в целях получения оптимальныхмассогабаритных, энергетических и динамическихпоказателей вентильных электромеханическихсистеминдукторного типа являетсясвоевременной и актуальной задачей,которая имеет важное практическоезначение.

Цель работы – разработка вентильных индукторныхэлектрических машин транспортного назначения на основетеоретических и экспериментальныхисследований стационарных и динамическихрежимов с учетом двухсторонней зубчатости и насыщения сталимагнитопровода.

Задачиисследований. Длядостижения поставленной цели в диссертации решаютсяследующие задачи:

- разработка методики аналитическогорасчета магнитной проводи-мости воздушногозазора вентильных индукторных машин (ВИМ) в функции угла поворота ротора;

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

- исследованиевлияния отдельных параметров ВИМ наэнергетические и динамические характеристикисистемыдля полученияпрактическихрекомендаций, необходимых для ихрационального проектирования;

- проведение экспериментальныхисследований, подтверждающихдостоверность результатов математическогомоделирования ицелесообразность выработанныхпрактических рекомендаций посовершенствованию конструкцийЭМП автотранспортногоназначения.

Методы исследования.При выполнении работыприменялись следующие методы: методы теорииэлектромагнитного поля и электрических цепей, метод Поля для расчета магнитнойпроводимости, численныеметоды решения дифференциальныхуравнений, метод имитационногомоделирования, метод конечных элементов.

Теоретические исследования иобработка результатов экспериментов выполнялисьс использованиемперсонального компьютера исовременногопрограммногообеспечения.

Научная новизнаработы заключается в следующем:

- разработана методика расчетаиндуктивностей фаз вентильной индукторной машины в функцииуглового положения ротора,отличающаясяот известных получением функциональнойаналитической зависимости междугеометрией зубцовой зоны и значениеминдуктивности, что особенно важно наэтапе проектного расчета;

- создана компьютерная имитационная модель ВИМ вустановившихся и переходных режимах генератора и двигателя,отличающаясяот известных наличием аналитических выражений для индуктивности ипотокосцепления фазы с учетом параметров вентилейППП и постоянных магнитов в системах с комбинированнымвозбуждением;

- спомощью полевойматематической модели электромагнитнойсистемыиндукторной электрической машины и экспериментальных исследованийвыявлено влияние формы ПМ на энергетические характеристики ВИГ комбинированного возбуждения, врезультате чего предложена защищенная патентом РФ конструкция ротора, позволившая улучшить энергетические характеристики автотракторных генераторов.

Практическаяценность:

- разработана имитационная математическая модель ВИМ, позволяющая оценить влияние геометрическихпараметров зубцовой зоны, нелинейности магнитной цепи, обмоточных данных машины,динамического сопротивления ключей ПППна рабочие характеристикии динамические показателиэлектромеханической системы в целом;

- предложена инженерная методикарасчета индуктивности фазыВИМ, реализованная в виде компьютернойпрограммы, позволяющаядостаточно быстро и сприемлемой точностью оценить влияние геометрии зубцовой зонына характеристикирассматриваемых систем;

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

Достоверность результатов. Достоверностьрезультатов расчетов индуктивностей фазВИМ подтверждена сравнением с данными расчета магнитного поляметодом конечных элементов (МКЭ) иэкспериментальными данными. Достоверность теоретическихисследований вентильныхиндукторных ЭМП с помощьюимитационной математической модели подтверждается сравнением сэкспериментальными данными, полученными в диссертации, атакже с результатами, известными из литературы.

Реализация и внедрение результатовработы. Результаты исследований и полученные рекомендациииспользованы при созданиисерии освоенных впроизводстве ООО “Электром” (г. Чебоксары) автотракторных ВИГ типа 40.3771 и Г3000. По разработаннойавтором методике были рассчитаны образцы тягового ВИД приводадвижения электропогрузчика и ВИД привода механизма перевода железнодорожных стрелок по техническимтребованиям ОАО “ЧЭАЗ”(г.Чебоксары).

Апробация работы.Результаты работы докладывались и обсуждалисьна следующих конференциях и симпозиумах: IVВсероссийской научной конференции “Динамиканелинейных дискретных электротехнических иэлектронных систем”, Чебоксары, 2001; InternationalXIII symposium on micromachines & servodrives, Krasiczyn, Poland, 2002;Международной научной конференции“Электротехника, энергетика, экология - 2004”,Санкт-Петербург, 2004; VМеждународном симпозиуме
“ЭЛМАШ-2004”, Москва, 2004; International XIV symposium on micromachines& servodrives, Тuczno, Poland, 2004; Всероссийскомэлектротехническом конгрессе ВЭЛК-2005, Москва,2005.

Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 12 печатных работах и двухпатентах РФ на полезнуюмодель.

Структура и объем работы. Диссертационнаяработа состоит из введения, четырех глав,заключения, списка литературы и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 171 страницах, содержит98 рисунков, 7 таблиц, список литературыиз 143 наименований.

Основныеположения, которыевыносятся на защиту:

1) методика аналитическогорасчета индуктивностей фаз индукторной машины в функции угла поворота ротораи геометрическихпараметров рабочего зазора с двухстороннейзубчатостью;

2) обобщенная компьютерная имитационная модельвентильных индукторныхмашин в установившихся ипереходных режимах, использующая аналитические выражения индуктивности и потокосцепленияфазы, с учетомпараметров вентилей ППП,параметров ПМ, двухстороннейзубчатости и насыщения стали магнитопровода;

3) результатыматематического моделирования и экспериментальныхисследований вентильныхиндукторных машин, использованные при разработке иосвоении серийного производства автотракторных ВИГкомбинированного возбуждения в ООО “Электром”.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобоснована актуальность темыдиссертации,изложены еецели и задачи, методы исследования,основные научные положения, выносимые на защиту.Такжеотражены научная и практическая ценностьработы, реализацияполученных результатов.

В первой главерассматривается современное состояниетеории ипрактики ВИМв генераторном идвигательном режимах. Проведен аналитический обзор публикаций в области разработки ВИМ иметодов ихисследования в установившихся ипереходных режимах.

Вентильные индукторные ЭМП прочно завоевали позиции вкачестве автономных источниковэлектроэнергии, работающих параллельно саккумулятором вэлектрооборудовании автотранспортныхсредств, благодаря простоте конструкции иотсутствию скользящих контактов, чтосущественноповышаетих надежность и срок службы. Отсутствиещеток расширяет диапазон рабочих частот вращения,а применение ПМ на роторе обеспечивает устойчивоесамовозбуждение при отсутствииаккумулятора, что особенно важно для сельскохозяйственныхмашин и военной техники в экстремальныхусловиях.

В связи с появлениеми широким применениемППП, работающих совместно синдукторной машиной, задачасоздания адекватных математических моделей ЭМП, применяемых в автотракторномэлектрооборудовании, становитсяважной и востребованной. Вчасти детального изучения не только статических характеристик(токоскоростной, нагрузочной), но и динамических режимов, возникающихкак приработе (сброс-наброснагрузки, изменение частоты вращения), таки в аварийных режимах (внезапноекороткое замыкание, пробой вентиля и т.п.).

Конструкцияавтотракторного ВИГтипа 40.3771 (Uн=28В; Iн=80А) производства ООО “Электром”г. Чебоксары показана на рис.1, а. Статор4пятифазного генератораимеет Z1=15зубцов, на которых размещаютсясосредоточенные катушки обмоток фаз. Ротор 6 содержит Z2=6зубцов (парполюсов). В пазах ротора устанавливаются постоянные магниты 5.

Отличительнойособенностью представленной ВИМ являетсяналичиевстроенныхполупроводниковых узлов: выпрямителя 7и регулятора напряжения 8. Выпрямитель собран по пятифазноймостовой схеме срасположением анодных и катодных групп накольцевых алюминиевых пластинах, сзапрессованными в них выпрямительнымидиодами. Охлаждение выпрямительного блокаосуществляется заодно с обмоткамистаторацентробежным вентилятором 1. Регуляторнапряжения 8 представляет собой транзисторный ключ, соединенныйпоследовательно с неподвижной обмоткойвозбуждения 3, закрепленной в стальном щите 2,и систему управления, обеспечивающую поддержание выходного напряжения в заданномдиапазоне путем изменениятока возбуждения.

Распространеннаямодификация трехфазного ВИД показана нарис.1, б. Впоследнее время такиеэлектродвигатели широкорекламируются и обсуждаютсяв печати. Высокая надежность благодаряотсутствиющеток,дешевизна и технологичность позволилирассматривать ВИД, как альтернативу коллекторномудвигателю последовательного возбуждения. Недостатками ВИД являются невысокое значениеКПД и повышенная мощность преобразователяпри работе на низких частотах вращения. Реактивная мощность, идущая на созданиемагнитного поля в двигателеможет в 2-3 раза превосходитьноминальную мощность, что приводитк увеличению мощности ППП. Поэтому область эффективного применения ВИД в автотранспортномэлектрооборудовании ограничена в основном использованием в составемаломощных электроприводов.

Для математического описания ВИМ могут использоваться три типа моделей,базирующихся на теории поля, теории цепейили их комбинации. При этом расчет поля выполняется путемнепосредственного решенияполевых уравнений, либоприближенно аналитическим или численнымспособом. Аналитические методы позволяютполучить эмпирические зависимости для основныхмагнитных параметров машины, ноони достаточно трудоемкии дают погрешностьпорядка (1520)%.

Применение ЭВМ способствует развитию приближенных численныхспособоврасчета, основанных на методах конечныхразностей и конечных элементов,которые характеризуютсядостаточно высокой точностью и справедливы только дляконкретного частного случая. Приизменениивзаимного положенияэлементов ЭМПрасчет магнитного полявыполняетсязаново. Поэтому численные методы трудноприменимы на этапе проектирования ирасчета динамических режимов и используются, восновном,при поверочных расчетах. Распространеннымипрограммными продуктами являются иностранные “Maxwell”,“Femme”и отечественные “LOMAN”,“JUMP” и “ELCUT”, основанные наМКЭ, а такжепрограмма проф. АфанасьеваА.А. с применением конформного преобразования.

Расчеты ВИМна основетеории цепей достаточно легкопрограммируются и обладают высокимбыстродействием. Недостатком таких моделей являетсянизкая точность расчетов (отклонение до20% и более).

Pages:     || 2 | 3 |






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