WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Грачев Павел Юрьевич

развитие теории и разработка электромеханических и электромагнитных вентильных преобразователей

для автономных  энергоустановок

Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Самара – 2010

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая и общая электротехника» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный консультант:       Доктор технических наук, профессор

      Костырев Михаил Леонидович

Официальные оппоненты:       Доктор технических наук, профессор

      Беспалов Виктор Яковлевич

      Доктор технических наук, профессор

      Казаков Юрий Борисович

  Доктор технических наук, профессор

         Гуляев Игорь Васильевич

.

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет» (УГТУ-УПИ) (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 26 октября в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 Гоувпо «Самарский  государственный технический университет» (СамГТУ) по адресу:

Самара, ул. Первомайская, 18, первый учебный корпус, ауд. 4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (846) 278-44-00

Автореферат разослан "  " __________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.04

  к.т.н. доцент Е.А. Кротков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из проблем современной электромеханики, к которой традиционно относят не только электромеханические (ЭМХ), но и электромагнитные (ЭМГ) преобразователи энергии, является повышение энергетических показателей преобразователей с вентильными элементами (диодами, транзисторами или тиристорами), которые называют электромеханическими и электромагнитными вентильными преобразователями. Они нашли широкое применение в автономных энергетических установках: ветроэнергетических станциях, микро и малых ГЭС для промышленности и сельского хозяйства, транспортных средствах, в частности - для систем запуска первичных двигателей и генерирования электроэнергии в бортовую сеть летательных аппаратов и автомобилей. Здесь нашли применение асинхронные машины (АМ) с короткозамкнутым или фазным ротором, а также - трансформаторы с вращающимся магнитным полем (ТВП). Для автономных энергетических установок значительной мощности целесообразно применять многообмоточные преобразователи. При небольших мощностях в автомобильных комбинированных энергетических установках (КЭУ) требуются специальные многополюсные низковольтные АМ, создающие значительные моменты в пусковых режимах, а также позволяющие вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне частот вращения вала в генераторных режимах.

В автономных энергетических установках подвижных объектов, например, системах «Переменная скорость вращения вала – постоянная частота выходного напряжения» летательных, в том числе космических, аппаратов, недопустим скользящий контакт и предъявляются жесткие требования к массогабаритным показателям, уровню излучения электромагнитных помех, а также качеству электроэнергии. Поэтому здесь целесообразно применение АМ с короткозамкнутым ротором и трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Они работают совместно с вентильными источниками реактивной мощности, создающими токи намагничивания  ЭМХ и ЭМГ преобразователей.

Трансформаторы с вращающимся магнитным полем, в сравнении со стержневыми трансформаторами, не содержат ярем и воздушных зазоров в стыках. Исключение из конструкции ярем на 20 - 30 % снижает удельную массу трансформаторов. Обмотки таких трансформаторов расположены в пазах внутри магнитопровода, поэтому имеют пониженный уровень электромагнитного излучения. Эти факторы определяют перспективность их использования в автономных энергетических установках.

В стационарных автономных объектах с диапазоном изменений частот вращения вала около 1:2 зачастую скользящий контакт допустим. Поэтому здесь возможно применение асинхронных машин с фазным ротором, с преобразованием только мощности скольжения, позволяющих уменьшить установленную мощность вентильных коммутаторов.

Весомый вклад в теорию и разработку ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей внесен как отечественными, так и зарубежными учеными. Вот далеко не полный их список: Горев А.А., Копылов И.П., Балагуров В.А., Бертинов А.И., Беспалов В.Я, Булгаков А.А., Бут Д.А., Винокуров В.А., Глазенко Т.А.., Гуляев И.В., Еременко В.Г., Загорский А.Е., Зиннер Л.Я., Казаков Ю.Б., Костырев М.Л., Лабунцов В.А., Лищенко В.А., Лозенко В.К., Лукутин Б.В.,  Мазуренко Л.И. Мишин В.И., Мыцык Г.С., Онищенко Г.Б., Сандлер А.С., Сарапулов Ф.Н., Сидельников Б.В., Сипайлов Г.А., Скороспешкин А.И., Титов В.Г., Торопцев Н.Д., Хватов С.В., Хватов О.С., Шакарян Ю.Г., Шрейнер Р.Т., Шукалов В.Ф.  а также Г. Крон, Р. Парк, Б. Бедфорд, Р. Хофт, Л. Джюджи, Т. Такеути и многие другие.

Автором также накоплен значительный опыт в области разработки и исследования ЭМХ и ЭМГ преобразователей автономных энергоустановок.  Современные силовые электронные ключи (вентили) осуществляют преобразование электроэнергии с  малыми потерями, позволяют формировать напряжения и токи в обмотках ЭМХ и ЭМГ преобразователей, обеспечивая в автономных энергетических установках требуемое качество электрической и механической энергии. Однако, еще недостаточное внимание уделялось процессам квантования ЭДС, напряжений и токов обмоток. Поэтому представляется актуальным развитие теории таких преобразователей в части углубленного анализа процессов квантования ЭДС, напряжений и токов и их влияния на процессы преобразования энергии.

Необходимы также рациональные схемные решения и способы управления автономными ЭМХ и ЭМГ преобразователями, построение математических моделей, разработка алгоритмов и пакетов прикладных программ, позволяющих проводить детальные исследования процессов в таких преобразователях. Решение этих вопросов дает возможность подойти к проектированию различных вариантов преобразователей, включая многообмоточные асинхронные машины и многообмоточные трансформаторы с вращающимся магнитным полем, при дискретном характере ЭДС, напряжений и токов фаз.

Можно сделать вывод, что направленность диссертации на развитие теории ЭМХ и ЭМГ преобразователей с вентильными элементами для возможно более полного учета факторов, вносимых в работу вентильными коммутаторами и разработка на основе этой теории эффективных технических решений, соответствует перспективному направлению развития областей технических наук и электротехнической промышленности, связанных с электромеханическим и электромагнитным преобразованием энергии в автономных энергетических установках.

Цель работы. Целью работы является развитие обобщенной теории ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок на базе асинхронных машин, а также многообмоточных трансформаторов с вращающимся магнитным полем, позволяющей создавать преобразователи с улучшенными энергетическими и эксплуатационными показателями.

Задачи диссертационной работы. В работе поставлены и решены следующие основные задачи.

  1. Оценено современное состояние проблемы в области создания ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей переменного тока для автономных  энергетических установок,  и проанализирован опыт их разработок и исследований.
  2. На основе обобщенной теории многообмоточных преобразователей  энергии с вентильными элементами и вращающимся магнитным полем построены математические модели для исследования особенностей протекания электромагнитных процессов, с целью определения ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ.
  3. Изучено влияние алгоритмов переключений вентилей в цепи ротора АМ на характер электромагнитных процессов, изменения полезных составляющих переменных, параметров и фазовых сдвигов токов при изменении режимов работы АМ.
  4. Исследовано влияние пространственных сдвигов фаз обмоток, изменения форм фазных напряжений и способов управления вентильными преобразователями на электромагнитные процессы многообмоточных АМ и ТВП.
  5. Предложены математические модели, разработаны алгоритмы и пакеты прикладных программ для исследования процессов в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.
  6. Доказана возможность получения в обмотках автономных ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей напряжений близких к синусоидальным без применения широтно-импульсной модуляции.
  7. Разработаны технические решения в области ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок, улучшающие их энергетические и эксплуатационные характеристики.
  8. Уточнены методики расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП автономных энергетических установок с учетом с учетом дискретности и пространственной несимметрии обмоток.
  9. Созданы экспериментальные установки ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для проверки основных теоретических положений.

Обоснованность и достоверность результатов работы определяются корректностью математических моделей, построенных на основе фундаментальных положений общей теории электромеханических, электромагнитных и вентильных преобразователей, а также подтверждением теоретических аспектов работы достаточным объемом  экспериментальных данных.

Методы исследования, представленные в диссертационной работе, основаны на общей теории электрических цепей, электрических машин и трансформаторов, силовой электроники, теории нелинейных дифференциальных уравнений и обобщенных функций, теории автоматического регулирования.

В работе использованы методы преобразования переменных, согласующиеся с обобщенной теорией электромеханического преобразования энергии и метод коммутационных функций, описывающие кусочно-гармонические изменения токов, ЭДС и напряжений для анализа установившихся и переходных режимов автономных энергоустановок.

При экспериментальных исследованиях и испытаниях макетных и опытных образцов ЭМХ и ЭМГ преобразователей энергии с вращающимся магнитным полем использованы современные методы, аппаратура и устройства для измерений.

Связь темы диссертации с НИР

При выполнении диссертационной работы выполнено более 10 научно-исследовательских работ под руководством и при участии автора. Разработки и научные исследования ЭМХ и ЭМГ преобразователей на базе АМ и ТВП для автономных энергетических установок проводились по заданиям и совместно с Вагоностроительным заводом (г. Рига), НПО «Циклон» и «Ветроэн» (г. Истра), Таганрогским машиностроительным заводом, Москвовским агрегатным заводом «Дзержинец», ОАО «Завод автотракторного электрооборудования» им. А.М.Тарасова (г. Самара), НТЦ ОАО «Волжский автомобильный завод» (г. Тольятти), ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» (г. Самара).

Научная новизна работы

1. Предложена теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентильными элементами и вращающимся полем,  основанная на координатных преобразованиях коммутационных функций переменных, представленных в виде тригонометрических функций дискретного аргумента.

2. Разработаны идеализированные математические модели, функционально ориентированные на определение мгновенных значений ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ, учитывающие влияние дискретности и расположения фаз обмоток на уравнительные токи фаз этих обмоток преобразователей и «естественную ШИМ» тока в  цепи фазного ротора АМ.

3. Показано, что «естественная ШИМ» тока ротора, возникающая при небольших положительных и отрицательных скольжениях в АМ с неуправляемым выпрямителем в цепи ротора, определяет нелинейный характер зависимостей фазных токов и постоянной составляющей выпрямленной ЭДС ротора, а также эквивалентного сопротивления роторной группы вентилей от скольжения. Определено влияние «естественной ШИМ» на основную гармонику тока ротора и динамические свойства ЭМХ преобразователей.

4. Выявлены особенности протекания электромагнитных процессов в автономных ЭМХ и ЭМГ преобразователях на базе многообмоточных ТВП и АМ с короткозамкнутым ротором. Показано, что причиной возникновения уравнительных токов в фазах первичных обмоток ТВП и АМ является значительное различие форм напряжения и ЭДС фаз. Доказано, что при предложенных способах управлении достигается снижение уравнительных токов в несколько раз. 

5. Построены математические модели и разработаны алгоритмы численного решения, позволяющие исследовать квазиустановившиеся и переходные электромагнитные и электромеханические процессы в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.

Практическая ценность работы заключается:

  1. В разработке на основе предложенных математических моделей алгоритмов численного определения значений переменных и создании пакетов прикладных программ для компьютерного моделирования установившихся и переходных процессов в автономных энергетических установках с рассматриваемыми ЭМХ и ЭМГ преобразователями.
  2. В уточнении и обобщении методик расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП для автономных энергоустановок, учитывающих особенности работы и конструкций обмоток.
  3. В разработке новые устройств и способов управления ЭМХ и ЭМГ вентильными преобразователями на базе АМ и ТВП, позволяющие повысить энергетические и эксплуатационные показатели.
  4. В разработке конструкции многополюсной АМ, обеспечивающей требуемые пусковые моменты, с укороченными лобовыми частями обмотки статора, которая делает перспективным применение таких машин в комбинированных энергетических установках автомобилей
  5. В создании и испытаниях макетных образцов ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей на базе АМ с фазным и короткозамкнутым ротором, а также многообмоточного ТВП для автономных энергетических установок транспорта и возобновляемых источников энергии.

Реализация результатов работы.  Результаты диссертационной работы использованы на предприятиях: НПО «Ветроэн» (г. Истра) – для создания маетной установки; Таганрогский машиностроительный завод – для создания опытного образца; ОАО «Завод автотракторного электрооборудования» (г. Самара) – для создания экспериментальной установки; НТЦ ОАО «Волжский автомобильный завод» – для создания новых силовых установок автомобилей; ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» - при разработке ЭМ преобразователей для автономных энергетических установок.

Результаты диссертационной работы, изложенные автором в учебно-методических пособиях, используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета (СамГТУ) и Самарского университета путей сообщения (СамГУПС). Технические решения автора, защищенные авторскими свидетельствами, использованы в лабораторном практикуме студентов электротехнического факультета СамГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- Всесоюзных научно - технических конференциях, совещаниях и семинарах: “Теория и методы расчета нелинейных цепей”, Ташкент, 1975г., «Современные задачи преобразовательной техники», Киев, 1975г., «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов». Днепродзержинск, 1985г., «Опыт проектирования и производства электрических машин автономных электрических систем». Ереван, 1985г., «Электромеханотроника», Ленинград, 1987, 1989гг., «Эквивалентирование электроэнергетических систем для управления их режимами»  - Баку, 1987.

- Традиционных научно - технических конференциях: «Динамические режимы работы электрических машин переменного тока». Смоленск, 1975г., «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», Свердловск, 1986, 1989гг.

- Республиканских научно-практических конференциях: «Использование местных возобновляемых источников энергии в орошаемом земледелии и животноводстве Киргизской ССР» - Фрунзе, 1982г, «Использование возобновляемых источников энергии в практике народного хозяйства республики». Фрунзе, 1988г.;

- Всероссийских научно-технических конференциях: ″Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии″, Екатеринбург, 1995г.; “Электроэнергетические комплексы автономных объектов ЭКАО-99”, Москва, МЭИ, 1999г.;

- Международных научно-технических конференциях в России: “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”, Самара, 1999г., “Нетрадиционные электромеханические и электрические системы” Санкт-Петербург, 1999г., “Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы”, Екатеринбург, 2003г., «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2001, 2003гг., «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», Магнитогорск, 2004г., «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново, 2009г., ЭЛМАШ-2009 «Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы», Москва.

- Международных научно-технических конференциях на Украине: “Проблемы современной электротехники ”, Киев, 2000, 2002гг.

- Международных симпозиумах: ЭЛМАШ-2004 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», Москва; «Электроника и электрооборудование транспорта», Суздаль, 2005г;

- Международных научно-технических конференциях за рубежом: Eleventh International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems «ELMA 2005», «ELMA 2008» (Болгария).

- Всероссийском электротехническом конгрессе «ВЭЛК – 2005». Москва, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликован текст лекций, 43 статьи, в том числе 10 - издательствами, утвержденными перечнем ВАК, получено 22 авторских свиде­тельства на изобретения и 5 патентов. Перечень публикаций в диссертации приве­ден в полном объеме, а в автореферате в сокращенном виде.

Структура и объем работы.  Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников  из 212 наименований и приложений, изложена на 384 страницах основного текста с 18 таблицами, иллюстрирована 125 рисунками.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентильными элементами и вращающимся полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных  функций переменных, представленных в виде тригонометрических функций дискретного аргумента.
  2.   Идеализированные математические модели многообмоточных ЭМХ и ЭМГ преобразователей в составе  автономных энергетических установок, функционально ориентированные на определение мгновенных значений ЭДС, напряжений и токов фаз, учитывающие влияние дискретности и расположения фаз на уравнительные токи обмоток преобразователей и «естественную ШИМ» тока в  цепи фазного ротора АМ.
  3. Математические модели, алгоритмы расчета и пакеты прикладных программ, ориентированные на исследование квазиустановившихся и переходных электромагнитных и электромеханических процессов в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.
  4. Уточненные методики расчета и проектирования специальных вентильных электрических машин и трансформаторов с вращающимся магнитным полем для автономных энергетических установок, учитывающие особенности режимов работы и конструктивное выполнение обмоток.

5. Защищенные авторскими свидетельствами и патентами технические решения в области ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок, улучшающие их энергетические и эксплуатационные характеристики.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель работы, обоснована актуальность  темы, сформулированы задачи исследований, отражены практическая ценность и научная новизна решаемых проблем. Представлена также структура работы.

В первой главе проведен критический анализ разработок и исследований в области ЭМХ и ЭМГ преобразователей для автономных энергетических установок. Рассмотрены известные наиболее значимые технические решения, в частности, предложенные автором для автономных энергетических установок дизель-поездов, малых ГЭС, летательных аппаратов и автомобильного транспорта, ветроэлектрических установок. Кроме того, рассмотрены известные  математические модели, применяющиеся для описания ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей, и определен круг задач по созданию теории указанных преобразователей, позволяющей учесть особенности их работы в автономных энергетических установках.

Автономные ЭМХ и ЭМГ преобразователи с вращающимся магнитным полем и вентильным управлением по функциональному назначению разделены на следующие группы:

- для энергетических установок железнодорожного транспорта и ветроэнергетических установок на базе асинхронных машин с выпрямителями в цепи ротора;

- для микро - ГЭС и летательных аппаратов на базе асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором и трансформаторов с вращающимся полем;

- для комбинированных энергетических установок (КЭУ) гибридных транспортных средств на базе асинхронных стартер – генераторов с частотным управлением.

Рассмотрены технические решения автора в области автономных ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей. Они выполнены на базе АМ с выпрямителем в цепи ротора, на базе АМ с  короткозамкнутым ротором и вентильными элементами, а также в виде преобразователей с ТВП. Приведено описание отдельных технических решений.

Основными особенностями работы ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей в составе автономных энергетических установок являются:

  1. Необходимость учета дискретного характера работы вентилей. Такой учет особенно важен при рассмотрении автономных энергетических установок на базе АМ с выпрямителями в цепи ротора, а также на базе ТВП, у которых на первичные трехфазные обмотки подается ступенчатое напряжение.
  2. Проявление в таких преобразователях специфических свойств, существенно отличающих их от аналогичных преобразователей, работающих от промышленной сети. Например, возникновение «естественной ШИМ» тока ротора в асинхронных машинах с фазным ротором.
  3. Ограниченные напряжение и мощность источника электроэнергии автономного объекта, что диктует необходимость получения наибольших коэффициентов передачи вентильных преобразователей.
  4. Возникновение периодических и непериодических изменений момента сопротивления на валу электрического двигателя энергетической установки автономного объекта или подобных изменений момента первичного двигателя, автономной генераторной установки;
  5. Соизмеримость времени протекания электромагнитных и электромеханических процессов в автономных энергетических установках с небольшими моментами инерции, например, в комбинированных энергетических установках автомобилей.

В данной главе представлены результаты критического анализа теории и методов математического моделирования ЭМХ и ЭМГ преобразователей с несколькими вентильными коммутаторами. Показано, что в подавляющем большинстве случаев для учета дискретных  воздействий используется метод гармонического анализа или спектральный метод. В результате математические модели получаются достаточно громоздкими и неудобными для анализа.

Для выявления свойств ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей в автономных энергоустановках, существенно влияющих на энергетические и эксплуатационные показатели, необходимо разработать такую теорию и методы математического моделирования, которые учитывали бы как процессы, обусловленные переключениями вентилей, так и процессы изменения «полезных» составляющих воздействий.

Во второй главе изложены основы теории установившихся и переходных процессов в многообмоточных  преобразователях энергии, объединяющих ЭМХ и ЭМГ преобразователи на базе асинхронных машин с короткозамкнутым и фазным ротором и трансформаторов с вентильными источниками реактивной мощности и с вращающимся магнитным полем.

На основе анализа различных схем и конструкций  ЭМХ и ЭМГ преобразователей на базе АМ и ТВП, рассмотренных в главе 1, автором предлагается представить это многообразие как обобщенный многообмоточный  вентильный преобразователь энергии (МПЭ) с вращающимся магнитным полем.

под многообмоточными вентильными преобразователями энергии подразумеваются электрические машины и трансформаторы, имеющие несколько трехфазных статорных или первичных обмоток, к которым подключены автономные вентильные преобразователи (ВП) со ступенчатой формой напряжения. К другим обмоткам подключены трехфазные вентильные коммутаторы или потребители переменного тока.

На рис. 1 изображена функциональная схема многообмоточного преобразователя энергии с магнитопроводом, включающим внешний и внутренний сердечники, с несколькими группами трехфазными обмоток.

Группа обмоток М внешнего сердечника имеет m трехфазных симметричных обмоток на статоре, к которым подключены вентильные источники реактивной мощности (ИРМ) с цепями постоянного тока (ЦПТ), к группе N трехфазных симметричных обмоток подключаются потребители (Н - нагрузки). На внутреннем сердечнике расположена группа L обмоток, к которым подключены вентильные коммутаторы (ВК).

Рис.1

В частных случаях этот многообмоточный преобразователь энергии соответствует:

1. Асинхронному вентильному генератору с короткозамкнутым ротором. В этом случае внутренний сердечник (ротор) вращается, цепи постоянного тока ИРМ содержат емкостной фильтр, а фазы обмотки ротора замкнуты накоротко.

2. Асинхронному вентильному стартер-генератору с короткозамкнутым ротором. При этом в цепях постоянного тока вентильных ИРМ включены накопители электроэнергии (аккумуляторная батарея или конденсатор энергоемкий).

3. Статическому многообмоточному трансформатору с вращающимся магнитным полем. В этом случае внутренний сердечник неподвижен. Первичные и вторичные обмотки трансформатора расположены на внешнем сердечнике, а внутренний сердечник служит для замыкания магнитного потока. Возможно также расположение обмоток на внутреннем сердечнике или расположение первичной и вторичной обмоток на разных сердечниках.

4. Трансформатору с вращающимся магнитным полем и вращающимся внутренним сердечником. Такой режим наблюдается при вращении асинхронного вентильного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора с синхронной скоростью.

5. Асинхронному вентильному стартер-генератору с выпрямителем в цепи фазного ротора. При этом в качестве вентильных коммутаторов в цепь ротора включаются трехфазные выпрямители.

При построении математической модели обобщенного многообмоточного преобразователя энергии приняты обычные в теории  ЭМХ  преобразователей допущения.

Эффекты насыщения магнитопровода и вытеснение тока в массивных частях проводников и потери в стали магнитопровода учитываются отдельно при построении уточненных моделей преобразователей энергии.

Для обобщенного многообмоточного преобразователя энергии с вращающимся магнитным полем, изображенного на рис. 1, с учетом принятых допущений уравнения электрического равновесия в фазных осях обмоток записываются в следующей матричной форме:

[U]=[ R ][ I ]+([ L ][ i ]+[ L ]([ I ] )). (1)

Матрица напряжений:

[U] = colon [UMABC, UNABC , ULABC];  (2)

где матрицы–столбцы M, N, L групп обмоток МПЭ:

UMABC = colon [uA1,  u B1,  u C1, …., uA m,  u B m,  u C  m ]M ;

UNABC = colon [uA1,  u B1,  u C1, …., uA n,  u B n,  u C n ]N;

ULABC = colon [uA1,  u B1,  u C1, …., uA l,  u B l,  u C l ]L.

Матрица токов:

[I] = colon [I MABC, I NABC  , I LABC]; (3)

где  I MABC , I NABC  - подматрицы токов первичной и вторичной групп обмоток внешнего сердечника;  I LABC - матрица токов группы обмотки внутреннего сердечника:

I MABC = colon [iA1,  iB1,  iC1, …., iA m,  i B m,  i C m,]M ;

I NABC = colon [iA1,  i B1,  iC1, …., iA n,  i B n,  i C n ]N;

I LABC = colon [iA1,  iB1,  i C1, …., iA l,  i B l,  i C l,]L.

Диагональная матрица активных сопротивлений:

RM1

:

:

:

. . .

: . . .

. . .

: . . .

. . .

:. . .

=

:

RN1

:

:

. . .

: . . .

. . .

: . . .

. . .

:. . .

,

:

:

RL1

:

. . .

:. . .

. . .

: . . .

. . .

: . . .

где  RM1…. RN1…. RL1……диагональные подматрицы  третьего порядка.

Матрица индуктивностей рассеяния [Lσ] соответствует по структуре матрице [R] при замене символов  R на символы  Lσ.

Матрица основных индуктивностей:

LM1

….

LM1m

LMN11

….

LMN1n

LML11

….

LML1l

….

….

….

….

….

….

….

….

….

LMm1

….

LMm

LMNm1

….

LMNmn

LMLm1

….

LMNml

LNM1

….

LNM1m

LN1

….

LN1n

LNL11

….

LNL1l

[L] =

….

….

….

….

….

….

….

….

….

,

LNMn1

….

LNMnm

LNn1

….

LNn

LNLn1

….

LNLnl

LLM11

….

LLM1m

LLM11

….

LLM1n

LL1

….

LL1l

….

….

….

….

….

….

….

….

…..

LLMl1

….

LLMlm

LLMl 1

….

LLMln

LLl1

….

LLl

где LM , LN , LL –индуктивности, а LMN, LLM,…– взаимные индуктивности фаз обмоток.

При неподвижном внутреннем сердечнике преобразователя взаимные индуктивности между фазами обмоток постоянны. При вращении внутреннего сердечника (сердечника ротора) с обмотками взаимные индуктивности между обмотками статора и ротора содержат периодические коэффициенты. Кроме того, ЭДС, напряжения и токи за счет периодического переключения вентилей представляют собой кусочно-гармонические функции. При математическом моделировании входных воздействий таких преобразователей по методу первой гармонической составляющей это приводит к существенным погрешностям в расчетах.

Автором предложена теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии с вентильными элементами и вращающимся магнитным полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных  функций в виде тригонометрических функций дискретного аргумента, позволяющая выявить специфические свойства такого преобразователя энергии при кусочно-гармоническом характере ЭДС, напряжений и токов обмоток.

В главе описаны координатные преобразования коммутационных функций, представленных тригонометрическими функциями дискретного аргумента. Показана возможность преобразования таких функций к неподвижным и равномерно вращающимся ортогональным системам координат. Описано преобразование к дискретно вращающимся координатам, позволяющее определять мгновенные значения активной и реактивной мощности в ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователях. Рассмотрены координатные преобразования параметров и переменных обобщенного преобразователя энергии.

Математические модели идеализированного МПЭ, функционально ориентированы на определение ЭДС, напряжений и токов фаз обмоток. ЭМХ и ЭМГ преобразователей в составе  автономных энергоустановок

Напряжения фаз первичных обмоток МПЭ имеют ступенчатую форму. При 6k синусоидально распределенных ступенях на периоде фазных напряжений i –ой трехфазной группы первичной обмотки, можно записать мгновенные значения этих фазных напряжений в матричной форме в виде произведений мгновенного значения напряжения звена постоянного тока преобразователя на соответствующие коммутационные функции:

uAi

FAi

cos (ni /(3k))

uBi

= udi

FBi

= udi  2/3

cos (ni /(3k)  – 2 /3)

. (4)

uCi

FCi

cos (ni /(3k)  + 2 /3)

Или

uAi

FAi

cos (ni /3)

uBi

= udi

FBi

= udi Кi

cos (ni /3  – 2 /3)

, (4/)

uCi

FCi

cos (ni /3  + 2 /3)

где:  ni = Еntier [ϑ1 / (/3k)]; Кi – коэффициент коммутационных функций; ϑ1 = 1 (t) dt + ϑ10; 1 – частота основной гармоники; ϑ10 – её начальная фаза.

Применив координатные преобразования, получим выражение для напряжений i-той M группы, сдвинутой на ϑi относительно базовой в ортогональных осях ϑк, вращающихся с произвольной частотой.

uUi

= udi

cos (ni /(3k) - ϑк -ϑi)

.  (5) 

uVi

sin (ni /(3k) - ϑк - ϑi)

Получены выражения для ЭДС фаз i-той N группы  ротора:

eRAi

1/m Cos [ni /(3k) - (1 – s) 1 t - ϑR0i ]

eRBi

= u/di 2/3

1/m Cos [ni /(3k) - (1 – s) 1 t - ϑR0i - 2 /3 ]

eRCi

1/m Cos [ni /(3k) - (1 – s) 1 t - ϑR0i + 2 /3 ]

Cos (s1 t - /6k - ϑR0i )

– (1-s) (1/m u/Ui)1

Cos (s1 t - /6k - ϑR0i  -  2 /3)

,  (6)

Cos (s1 t - /6k - ϑR0i +  2 /3)

где: s – скольжение; ϑR0i  - начальное положение фазы A  i-той обмотки N группы; u/- напряжение приведенное к цепи ротора.

Рассмотрен частный случай многообмоточного преобразователя энергии - асинхронная машина с  двумя первичными обмотками статора, изображенная на рис. 2.

Транзисторы первого ИРМ обозначены цифрами 1-6 (в порядке их включения). Обратные диоды этого ИРМ обозначены цифрами 7-12.  Этот ИРМ подключен к первой первичной трехфазной обмотке статора АМ – А, В, С. Цифрой 19 обозначена асинхронная машина, а цифрой 20 - устройство, связанное с валом этой машины, например приводной двигатель. Транзисторы второго ИРМ обозначены цифрами 21-26, а обратные диоды цифрами 27-32.

Два трехфазных вентильных ИРМ, выполненных по схеме автономного инвертора напряжения, создают напряжения ступенчатой формы, сдвинутые во времени на 30 градусов на двух трехфазных обмотках, со сдвигом одноименных фаз в пространстве 30 эл. градусов.

На примере этого МПЭ описан метод преобразования переменных к осям, вращающимся дискретно, который основан на привязке координатных осей к обобщенному вектору напряжения, описываемому кусочно-непрерывными функциями. Этот метод позволил найти выражения для мгновенных значений токов вентилей трехфазных и многообмоточных МПЭ.

Напряжение на i -ой первичной обмотке статора электрической машины (ЭМ) записывается через тригонометрические функции дискрет­ного аргумента. Приводя переменные к осям XiYi, вращающимся с частотой первой гармонической составляющей напряжений  1-ой или 2-ой обмок, получаем выражение:

uXi S

=  udi

FXiS

udi

cos (ϑд – ϑк )

.  (7)

uYi S

FYiS

sin (ϑд – ϑк )

Здесь: Fi – коммутационные функции,  udi – напряжение в звене постоянного тока ИРМ 1-ой или 2-ой эквивалентной двухфазной обмотке М группы МПЭ (статора ЭМ).

Если  дискретные составляющие аргументов имеют вид

ϑд1 = /3 Еntier (ϑ1 / /3 ) ,  ϑд2 = /3 Еntier [(ϑ1+ /6) / /3]  ,  (8)

то, при совмещении осей X1 и X2 координат с направлениями  векторов первых гармоник напря­жений обмоток их непрерывные составляющие будут

  ϑ к1 = 1 (t) dt + ϑ10 - /6 , ϑ к2 = 1 (t) dt + ϑ10 + /6 ,  (9)

где  1 — частота вращения изображающго вектора первой гармоники статорного напряжения.

Используя полученные кусочно-гармонические функции на­пряжений, а затем информа­цию о воздействиях управ­ления 1 = f ( uу , р,..) и возмущающих воздействиях (частота вращения ротора р, момент на валу ЭМ и т.д.), получим информацию о токах статора ЭМ в собственных ортогональных осях обмоток. Однако про­водить анализ процессов в преобразователе при непосредственном использовании этих токов затруднительно.

Автором предложено перейти к новой системе координат, одна из осей которой совпадает с изображающим вектором напряжения статора US, вращающимся дискретно. В случае транзисторного ИРМ процессы переключения вентилей можно считать протекающими мгновенно. Тогда этот вектор неподвижен относительно статора внутри интер­валов дискретности и скачкообразно изменяет положение на границе интервалов дискретности. Также скачкообразно будут вращаться и новые оси коорди­нат.

Обозначим эти новые координатные оси F,S (by fits and starts), причем ось  F  направим в ту же сторону, что и вектор US  .

Если требование соосности UiS и Fi соблюдается, то напряжение по оси F  будет равно модулю вектора US или максимальному значению uX, а по оси S — нулю.

UF i S

udi

1

.  (10)

US i S

0

Рассматривая совместно выражения (7) и (10), с учетом того, что матрица преобразований должна быть ортогональ­ной для соблюдения условия инвариантности мощности, на­ходим матрицу перехода к новым осям:

Ai SXY, FS

-1

=

cos (ϑдi – ϑкi )

sin (ϑдi – ϑкi )

. (11)

- sin (ϑдi – ϑкi )

cos (ϑдi – ϑкi )

Используя эту матрицу, можно найти токи статора в диск­ретно вращающихся осях

ii F

=

AiS XY, FS

-1

iiXY

=

iX cos (ϑдi – ϑкi ) + iY sin (ϑдi – ϑкi )

. (12)

i i S

-iX sin (ϑдi – ϑкi ) + iY cos (ϑдi – ϑкi )

Так как напряжение к эквивалентной двухфазной группе М обмотки МПЭ в дискретно вращаю­щихся осях приложено только по оси F, то ток iFi протекает под действием напряжения udi .

В работе также представлены преобразования, необходимые для перехода от токов в осях F,S к токам в управляемых и неуправляемых вентилях МПЭ, позволяющие перейти к выбору отдельных элементов при проектировании ЭМХ и ЭМГ преобразователей.

Рассмотрен вариант математической модели МПЭ с фазным ротором и одной M обмоткой. При математическом моделировании электромагнитных процессов в роторе мгновенные значения ЭДС фаз ротора представлены в виде алгебраической суммы несинусоидальной трансформаторной ЭДС (eRтр) и синусоидальной ЭДС вращения (eRвр):

eR = eRтр.+ eRвр.  (13)

Предложен алгоритм определения ЭДС ротора, необходимый для нахождения моментов переключений вентилей ВК в цепи ротора, которые определяют формы фазных токов ротора, напряжений и токов ВК.

В третьей главе приведены результаты математического моделирование и исследования автономных ЭМХ преобразователей, включающих асинхронные машины с выпрямителем в цепи фазного ротора.

Применение разработанной теории рассмотрено на примере асинхронных вентильных стартер-генераторов (АВСГ), выполненных по каскадной схеме. Они предназначены питания электрических нагрузок автономных энергоустановок при диапазоне изменения частоты вращения вала до 1:2, а также для запуска приводного двигателя. Электромеханические преобразователи АВСГ - асинхронные машины в генераторном режиме снабжаются реактивной мощностью, а в стартерном режиме получают электропитание от вентильных преобразователей возбуждения (ПВ). ПВ выполняются по схеме автономного инвертора напряжения. Цепь постоянного тока ПВ соединена с батареями аккумуляторов (АБ) и емкостными накопителями (ЕН).

Автором  показано, что в таких системах роторный диодный выпрямитель может работать в режиме широтно-импульсной модуляции тока ротора с несущей частотой, определяемой переключениями вентилей в цепи статора, и частотой модуляции, равной частоте скольжения. Это связано с тем, что ЭДС фаз ротора существенно отличаются от синусоидальных. Этот вид модуляции назван автором «естественной ШИМ».

Исследования формы ЭДС ротора, проведенные во второй главе,  позволяют перейти к изучению такой «естественной ШИМ» тока ротора.

Фазные токи ротора без учета коммутационных процессов в роторном выпрямителе описаны следующими выражениями:

iRa = iRg /2 [Sign eRab – Sign eRca];

iRb = iRg /2 [Sign eRbc – Sign eR ab];(14) 

iRc = iRg /2 [Sign eRca – Sign eR bc],

где:  iRg – мгновенное значение тока на выходе выпрямителя;

1, при x > 0;

Sign (x) =  -1, при x < 0;

0, при x = 0.

  - функции сигнатуры.

Следовательно, форма тока ротора зависит от положения фаз обмотки ротора ϑR0.

На рис. 3 приведены формы токов, коммутационных функций и ЭДС, соответствующие выражениям (13,14).

Такая модель дает совпадение теоретической формы фазных токов ротора с экспериментальной по числу импульсов и характеру модуляции их ширины. Отличие реальных форм токов и напряжений ротора объясняется в основном пренебрежением при теоретических исследованиях временем протекания коммутационных процессов.

Особенно существенно отличаются фронты импульсов тока ротора внутри интервалов дискретности. От их вида зависит фазовый сдвиг первых гармоник ЭДС и токов ротора, который во многом определяет энергетические и эксплуатационные показатели АВСГ. Поэтому в работе учтено влияние коммутационных процессов в цепи ротора на процессы преобразования энергии при различных режимах работы АВСГ.

Математическое описание коммутационных процессов в цепи ротора АВСГ при «естественной ШИМ» тока ротора встречает значительные трудности. Они связаны с тем, что коммутационная ЭДС внутри интервалов дискретности, как следует из выражения (13), представляет собой алгебраическую сумму синусоидальной ЭДС вращения, изменяющейся с частотой скольжения, и трансформаторной ЭДС, изменяющейся на интервалах дискретности с частотой, пропорциональной скорости вращения ротора. Кроме того, коммутационные процессы на границах интервалов дискретности происходят при скачкообразных изменениях ЭДС ротора, а внутри интервалов дискретности – при плавном переходе ЭДС ротора через ноль.

Порядок переключения фаз соответствует прямому чередованию фаз только на границах интервалов дискретности, причем здесь может происходить смена знака фазного тока и ток могут проводить 4 вентиля. Переключения токов фаз внутри интервалов дискретности соответствуют обратному чередованию фаз.

Как показали исследования, при рассмотрении коммутационных процессов в цепи ротора АВСГ удобно рассматривать импульсы тока ротора на периоде частоты скольжения, выделив интервалы уменьшения и увеличения ширины импульсов. На интервалах увеличения ширины импульсов тока ротора коммутации, определяющие передний фронт импульсов, происходят на границах интервалов дискретности, их длительность значительно меньше длительности коммутаций, определяющих задний фронт импульса. Это связано с тем, что процессы коммутации, определяющие передний фронт, происходят при скачкообразном изменении коммутационных ЭДС, а процессы коммутации, определяющие задний фронт, - внутри интервалов дискретности при плавном изменении линейных ЭДС ротора.

На интервалах уменьшения ширины импульсов тока ротора зависимость обратная: передний фронт импульсов более пологий, а задний – более крутой. Угол коммутации внутри интервалов дискретности значительно превышает угол на границах этих интервалов. Это приводит к увеличению площади импульсов при нарастании фазного тока ротора и уменьшению площади этих импульсов при его снижении.

Результаты гармонического анализа экспериментальных и расчетных кривых фазного тока ротора показали, что изменение формы импульсов тока ротора под влиянием коммутационных процессов приводит к сдвигу первой гармонической фазного тока ротора в сторону опережения относительно первой гармонической ЭДС той же фазы.

Расчеты показали, что этот угол увеличивается при увеличении выпрямленного тока ротора и снижении скольжения. Реактивная составляющая тока ротора компенсирует индуктивную составляющую тока намагничивания АМ, что приводит к снижению тока статора, увеличивает габаритную мощность АД и уменьшает установленную мощность ВП.

Коммутационные процессы в выпрямителе, включенном в цепь ротора учтены также  введением усредненного коммутационного сопротивления, учитывающего трех (к1) и четырех (к2) вентильную коммутацию:

RК.СР. = (к1 + 2к2) XК / 2 .  (15)

В отличие от преобразователей с синусоидальным напряжением на статоре АМ это коммутационное сопротивление увеличивается с уменьшением модуля скольжения. Показано, что среднее значение выпрямленной ЭДС ротора является нелинейной функцией скольжения.

Таким образом, теория позволила выявить эффект «естественной ШИМ» тока ротора и эффект возникновения опережающих токов ротора  в автономных ЭМХ преобразователях на базе АМ с диодными роторными выпрямителями, положительно влияющие  на энергетические и эксплуатационные показатели преобразователей.

Алгоритм расчета электромагнитных процессов АВСГ предусматривает определение нелинейных зависимостей и эквивалентных параметров роторной цепи с учетом описанных выше факторов.

Глава четвертая посвящена анализу электромагнитных процессов автономных многообмоточных ЭМХ преобразователей, а также ЭМГ преобразователей на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Если одноименные фазы трехфазных обмоток многообмоточных преобразователей имеют сдвиг в пространстве, соответствующий временному сдвигу ступенчатых фазных напряжений, уменьшаются пульсации электромагнитного момента в двигательном режиме, а с помощью дополнительной  трехфазной обмотки, расположенной со сдвигом относительно упомянутых обмоток, можно получить напряжение в генераторном режиме со значительным числом ступеней, близкое к синусоидальному.

Показано, что основной особенностью работы таких многообмоточных преобразователей является возникновение уравнительных токов в фазах  первичных обмоток. Доказано, что это связано с существенным различием мгновенных значений ЭДС фаз и ступенчатых фазных напряжений, формируемых вентильными ИРМ. Уравнительные токи загружают фазы обмотки статора и полупроводниковые ключи вентильных преобразователей, создают дополнительные потери в стали.

Дискретный характер фазных напряжений учтен с помощью коммутационных функций, соответствующих заданному алгоритму переключения вентилей. Коммутационные функции фазных напряжений асинхронной машины в фазных осях координат для преобразователя, показанного на рис. 2, с управлением транзисторами ИРМ по базовому алгоритму, имеют вид:

для первой трехфазной обмотки:

uA1

FA1

cos n1 ( /3)

uB1

= ud

FB1

= ud 2/3

cos n1 ( /3) – 2 /3)

, (16)

uC1

FC1

cos n1 ( /3) + 2 /3)

для второй трехфазной обмотки:

uA2

FA2

cos n2 ( /3)

uB2

= ud

FB2

= ud 2/3

cos n2 ( /3)  – 2 /3)

,  (17)

uC2

FC2

cos n2 ( /3) + 2 /3)

где ; .

Моделирование в неподвижных осях координат показало, что первые гармонические составляющие напряжений двух трехфазных обмоток, пространственный сдвиг которых соответствует временному сдвигу фазных напряжений, создают в магнитопроводе круговое вращающееся магнитное поле. Моделирование в синхронно вращающихся осях координат показало, что при магнитной симметрии преобразователя энергии, ему свойственна электрическая несимметрия вследствие отличия мгновенных значений напряжений и ЭДС одноименных фаз.

Это отличие приводит к возникновению уравнительных токов в фазах первичной обмотки.  Выражения для уравнительного тока фазы статора с m обмотками получено в виде, включающем кусочно-экспоненциальные функции:

;

ϑД = 1[t – TД (n1 + n2 + …+ nm)] . (18)

Здесь: ϑД – дискретный аргумент, преобразующий экспоненциальную функцию в кусочно-экспоненциальную; n1, n2, … nm - целочисленные функции, используемые для описания ступенчатых напряжений вентильных преобразователей; К – номер интервала дискретности; N - число интервалов дискретности за период фазного напряжения вентильного преобразователя; L – текущий интервал дискретности; TД – длительность интервала дискретности преобразователя; u – разность одноименных фазных напряжений обмотки статора в единой системе координат; RS – активное сопротивление фазы обмотки статора машины; – постоянная времени цепи статора.

В частности, для электрической машины переменного тока с двумя трехфазными обмотками, сдвинутыми на 30 электрических градусов, и двумя мостовыми ВП u принимает следующий вид:

u = Ud /3 [ cos n1 /3 - cos (n1 /3 - /6)], (19)

где:  Ud - напряжение постоянного тока вентильных преобразователей.

Расчетная временная диаграмма уравнительных токов для этого случая представлена на рис. 4. Максимальные значения токов, как следует из (20), определяются соотношением активного и индуктивного сопротивлений фаз статора машины, а также максимальными значениями разности одноименных фазных напряжений U.

  Р и с. 4

Анализ условий возникновения  уравнительных токов позволил предложить новый способ управления преобразователем с двумя трехфазными обмотками, сдвинутыми на 30 электрических градусов. Он предполагает дополнительные выключения управляемых вентилей преобразователя, аналогичен 150 градусному закону управления и существенно уменьшает максимальные и действующие значения уравнительных токов.

Для построения математической модели многообмоточных ЭМХ преобразователей, а также ЭМГ преобразователей на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем, двенадцатиступенчатой формой напряжений фаз первичных обмоток и двумя трехфазными системами обмоток, сдвинутыми между собой на 15 электрических градусов, записаны коммутационные функции фазных напряжений.

Формируемое ИРМ напряжение фаз обмоток для этого случая представлено коммутационными функциями, аналогичными приведенной ниже коммутационной функции для фазы А1:

.  (20)

Фазные напряжения, записанные на основе этих коммутационных функций, примут вид:

для первой трехфазной обмотки:

=

, (21)

для второй трехфазной обмотки:

=

, (22)

где и - целочисленные функции, которые записаны аналогично предыдущей модели; и - целочисленные функции, которые осуществляют дополнительные скачкообразные изменения фазных напряжений и равны

Используя преобразование координат для многообмоточной вентильной машины, преобразуем коммутационные функции обмотки к осям обмотки , принятые за начало отсчета. Так как угол сдвига обмоток равен эл. радиан,  эти функции получим в виде:

 

=

(23)

.

Исследования, проведенные с помощью этой модели, показали значительное уменьшение уравнительных токов фаз преобразователей при двенадцатиступенчатой форме напряжений фаз обмоток, а также позволили создать достаточно простые алгоритмы расчета электромагнитных процессов в автономных энергетических установках с такими многообмоточными преобразователями.

Алгоритм расчета электромагнитных процессов в автономных многообмоточных ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователях содержит преобразования коммутационных функций к ортогональным неподвижным координатам. Эти алгоритмы созданы на основе уточненной модели МПЭ,  которая учитывает насыщение магнитной цепи преобразователей и вытеснение тока в проводниках обмотки ротора. Нелинейность, связанная с насыщением магнитной цепи, аппроксимирована сплайн функциями, а для учета вытеснения тока в проводниках обмотки ротора использована схема замещения этой обмотки с переменными параметрами.

Пакеты прикладных программ, реализующие эти  алгоритмы, включают подпрограммы коммутационных функций, соответствующие построенным моделям и предполагают получение выходных данных в  виде расчетных осциллограмм и таблиц гармонических составляющих токов и напряжений.

Таким образом, на базе обобщенной теории построены модели многообмоточных преобразователей энергии с синусоидальным и несинусоидальным распределением ступеней фазных напряжений статора. Созданы алгоритмы расчета электромагнитных процессов и пакеты прикладных программ для ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей с двумя трехфазными входными обмотками, сдвинутыми на 30 и 15 электрических градусов.

Исследования гармонического состава выходных напряжений многообмоточных преобразователей на базе АМ с короткозамкнутым ротором и ТВП, проведенные с использованием разработанных алгоритмов и пакетов прикладных программ, показали возможность получения выходных напряжений, соответствующих стандартам при небольшой фильтрации высших гармоник а также улучшение гармонического состава выходных напряжений с увеличением нагрузки. Так, при фильтрации 23-ей и 25-ой гармоник при работе без нагрузки коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения для преобразователя с многообмоточным ТВП с 15-ти градусным сдвигом первичных обмоток, составляет около 6%.

Глава пятая  посвящена формированию математических моделей, разработке алгоритмов и пакетов прикладных программ для исследования электромагнитных и электромеханических процессов в КЭУ для автотранспорта с ЭМХ вентильными преобразователями на базе АМ с короткозамкнутым ротором, при учете конструктивных особенностей, изменений момента на валу, нелинейностей отдельных звеньев.

В большинстве традиционных автотранспортных средств функции “пуск двигателя внутреннего сгорания” и “генерирование электрической энергии” осуществляются двумя различными ЭМХ преобразователями – стартером и генератором.  Тот факт, что постоянно один - находится в состоянии покоя, в то время как другой работает, привел к тому, что появились, как в России, так и за рубежом, стартер-генераторы, в которых одна электрическая машина выполняет обе эти функции.

Первый вариант стартер-генераторной энергетической установки, разработанной под руководством и при участии автора, содержит редуктор и запасает кинетическую энергию.

Разработана математическая модель ЭМХ преобразователя такого типа с накоплением кинетической энергии и использовании ее при запуске ДВС.

Так как для преобразователя с инерционным накопителем энергии в начале запуска ДВС его вал и вал АМ не сцеплены между собой, а передача момента начинается после включения редуктора, процесс запуска ДВС описан двумя уравнениями динамического механического равновесия: 

МЭМ  - М0 - J p ωМЕХ - МТР / = MДВС /  +  JДВС / p ωДВС / ; (24)

МЭМ  - М0 - J p ωМЕХ = MДВС  + JДВС  p ωДВС  .  (25)

Здесь: МЭМ ,  MДВС ,  МТР  - моменты ЭМ, ДВС и трения, возникающий в процессе сцепления валов ДВС и ЭМ, приведенные к частоте вращения вала ЭМ;  JДВС - момент инерции ДВС, приведенный к частоте вращения вала ЭМ; (/ ) - обозначение двойного приведения.

Пакет прикладных программ, реализующий алгоритм расчета процессов в таком  ЭМХ преобразователе, разработанный автором, использует уравнения (24), (25). Он позволяет получить расчетные осциллограммы электромеханических процессов в стартерном и электромагнитных процессов в генераторном режимах работы. Дискретность процессов, обусловленная переключениями вентилей ВП, учтена включением в пакет прикладных программ подпрограммы коммутационных функций в соответствии с математической моделью МПЭ.

Рис. 5

На рис. 5 приведены расчетные осциллограммы изменений частоты вращения вала АМ в режиме электродвигателя (n1) и приведенной частоты вращения вала ДВС (n2), а также тока фазы статора АМ ( iФ ) в процессе запуска ДВС. Начало увеличения частоты вращения вала ДВС соответствует моменту включения в работу редуктора. При равенстве n1 и n2 -  вала ДВС и  осуществляется полное сцепление. Процесс разгона ДВС протекает интенсивно за счет запасенной кинетической энергии.

Представлены результаты расчетов  процессов запуска ДВС при нескольких законах коммутации вентилей ВП, в том числе при широтно-импульсном регулировании напряжения статора АМ.

Второй вариант - комбинированная энергетическая установка для транспортных средств, не содержащая редуктора.

В настоящее время появились гибридные автомобили и автобусы, включающие стартер-генератор значительной мощности, монтируемый в зоне коленчатого вала ДВС. Наряду с интеграцией двух отдельных комплектующих автомобиля - стартера и генератора, такая конструкция КЭУ обеспечивает, при увеличении мощности ЭМ, выполнение ею функций ''поддержки'' ДВС при значительных нагрузках, рекуперацию энергии при торможении автомобиля, разгон автомобиля на электрической тяге.

Гибридные автомобили и автобусы улучшают экологическую обстановку в городах. Увеличение мощности ЭМ в КЭУ позволяет снизить токсичные выбросы в атмосферу за счет разгона автомобиля на электрической тяге и обеспечения оптимального режима работы двигателя внутреннего сгорания. Для КЭУ гибридных автомобилей необходима разработка новых конструкций ЭМ, работающих совместно с низковольтными ВП, управляющими работой ЭМ в стартерном и генераторном режимах.

В главе представлены результаты построения математических моделей и исследований статических и динамических режимов стартер–генераторов, выполненных на базе асинхронных двигателей серии 4А, представлены новые схемные и конструктивные решения для КЭУ со специальной асинхронной машиной и накопителем электроэнергии. В качестве накопителя энергии используется импульсный энергоемкий конденсатор. Сохраняется и аккумуляторная батарея для аварийного электропитания и подзаряда емкостного накопителя.

Показано, что при выполнении КЭУ в виде «неполного» гибрида (комбинированной силовой установки автомобиля с одним сцеплением) небольшое расстояние между ДВС и коробкой передач не позволяет установить здесь АМ обычной конструкции, у которой вылет лобовых частей соизмерим с длиной магнитопровода. Поэтому разработана новая конструкция АМ, которая размещается в ограниченном пространстве между ДВС и коробкой передач.

Одной из основных конструктивных особенностей такой АМ является выполнение обмотки статора, позволяющее существенно уменьшить вылет ее лобовых частей. Техническое решение по конструктивному выполнению такой обмотки защищено патентом РФ. Обмотка волновая, двухслойная стержневая с лобовыми частями в виде специальных перемычек. На рис. 6 показано выполнение сектора активной части статора АМ с предложенной обмоткой.

Рис. 6

Сектор активной части статора АМ включает пазы 1 - 5 сердечника 6, в которых расположен верхний слой обмотки со стержнями 7 - 11 и нижний слой обмотки со стержнями 12 - 16. Эти стержни соединены перемычками 18, 19, 21 и разделены межслойной изоляцией 17, показанной утолщенной пунктирной линией. Показан слой изолирующего материала 20 и  катушечная перемычка 24. Например, стержни 10 и 12 соединяет перемычка 19, площади соединения которой со стержнями заштрихованы и примерно в двое меньше площадей поперечного сечения стержней 10 и 12.

На рисунке также показаны: поверхность 22 зубцового слоя сердечника 6 и его ярмо 23. Между катушечными перемычками расположены слои изоляции 25,26,27.  В – обозначение одного из выводов обмотки.

Дополнительные преимущества такой обмотки в том, что за счет уменьшения лобовых частей, происходит экономия меди на 5-10% и уменьшение активного сопротивления обмотки статора. Последнее позволяет  увеличить электромагнитный момент и КПД электрической машины.

В главе описана также методика электромагнитного расчета такой специальной АМ, учитывающая конструкцию лобовых частей. Также представлены: математическая модель, алгоритм и структура пакета прикладных программ для анализа электромагнитных и электромеханических процессов в КЭУ, разработанные автором. При моделировании, кроме учета дискретности процессов, обусловленной переключениями вентилей ВП, и нелинейностей, связанных с насыщением магнитной цепи АМ и вытеснением тока в проводниках обмотки ротора, учтена зависимость момента ДВС от положения коленчатого вала, которая представлена в математической модели в виде дискретной кусочно-гармонической функции. Представлены результаты моделирования  процессов разгона ДВС при частотном запуске АМ, перехода АМ в генераторный режим,  режима ''поддержки'' ДВС.

В шестой главе изложены результаты экспериментальных исследований и методики проектирования электромеханической, электромагнитной и вентильной частей ЭМХ и ЭМГ преобразователей для автономных энергетических установок.

Представлены результаты экспериментальных исследований установившихся режимов работы, динамических свойств и проектирования системы регулирования АВСГ на базе АМ с  НВ и ведомым инвертором в цепи ротора, математические модели которого описаны в 3 главе.

Экспериментально подтверждено возникновение «естественной ШИМ» тока ротора (рис.7), теоретически обоснованной в главе 3.

Экспериментальные исследования динамки подтвердили, что на качество переходных процессов в системе положительное влияние оказывает контур рекуперации энергии.

  Рис. 7

Также выявлено положительное влияние и увеличения постоянной времени фильтра на стороне постоянного тока ИРМ, тогда как индуктивность сглаживающего дросселя в цепи ротора при­водит к появлению в системе дополнительной не компенсируемой постоянной времени.

Динамические свойства АВСГ так­же изменяются при изменении скольжения и режима работы, причем наиболее выраженной является зависимость эквивалентной постоянной времени цепи ротора от скольжения.

Для синтеза регулятора в системе стабилизации выход­ного напряжения АВСГ в генераторном режиме выбран метод последовательной коррекции, с настройкой параметров электронного регулятора на оптимум по модулю передаточной функции замкнутого контура регулирования. Удовлетворительное качество регулирования достигается настройкой регулятора при средних значениях коэффициентов передачи и постоянных времени отдельных звеньев объекта.

Экспериментальные исследования образца мощностью 4 кВт показали, что при такой настройке регулятора время переходных процессов в генераторном режиме АВСГ не превышает 0,14 с, а величина максималь­ных отклонений выходного напряжения постоянного тока состав­ляет 15% от номинального.

Однако, экспериментальные исследования варианта АВСГ с ведомым инвертором для рекуперации энергии скольжения в цепь статора АМ выявили и его  недостатки.

В связи с этим показана перспективность выполнения АВСГ по схеме АВК с рекуперацией энергии ротора в цепь постоянного тока.

В главе также рассмотрены вопросы проектирования многообмоточных АМ и ТВП, приведены примеры схем их первичных и выходных обмоток. Приведены результаты экспериментальных испытаний макетных образцов, для которых были рассчитаны и изготовлены новые обмотки, позволяющие осуществить подключение ВП при питании его от источников постоянного тока пониженного напряжения.

Экспериментально подтверждено теоретическое положение главы 4 о возможности получения выходных напряжений ЭМХ и ЭМГ преобразователей на базе АМ и ТВП с небольшим коэффициентом искажения синусоидальности, действующие значения высших гармоник не превышают 5%  действующих значений первой гармоники. Так, в многообмоточной асинхронной машине и многообмоточном трансформаторе с вращающимся магнитным полем, у которых первичные обмотки сдвинуты в пространстве на 15 электрических градусов, а фазное напряжение  ИРМ имеет двенадцатиступенчатую форму напряжения, коэффициент искажений выходного фазного напряжения составляет около 7,8%.

На рис. 8 приведены экспериментальные осциллограммы линейного и фазного напряжений на выходной обмотке преобразователя с ТВП. Одноименные фазы первичных и выходной обмоток трансформатора располагалась симметрично со сдвигом 7,5°. В фазном напряжении выходной обмотки - двадцать четыре ступени за период основной частоты.

  Рис. 8

Ступени расположены по закону, близкому к синусоидальному. Гармонический анализ кривой выходного напряжения показал, что только 23-я и 25-я гармоники достигают 4% и могут быть подавлены высокочастотным фильтром. Другие высшие гармонические составляющие незначительны.

Эксперименты показали, что существует шесть положений внутреннего магнитопровода ЭМГ вентильного преобразователя на базе ТВП, при которых в выходной обмотке индуцируется ЭДС, по форме соответствующая рис. 8. Кривые на рис. 8 соответствуют сдвигу фазы А этой обмотки относительно фазы А первичной - на 37,50. При этом амплитуда первой гармоники выходного напряжения наибольшая.

Для улучшения жесткости внешней характеристики системы преобразования предпочтителен сдвиг её выходной обмотки на 37,5°. При работе ТВП под нагрузкой форма его выходного напряжения приближается к синусоидальной. Кривые напряжений приобретают плавные переходы от ступени к ступени.

В главе приведены также методики проектирования и результаты экспериментальных испытаний стартер-генераторов с АМ и частотным управлением для энергетических установок гибридных автомобилей.

При проектировании АМ электромеханического вентильного преобразователя для КЭУ на базе серийного асинхронного электродвигателя необходимо провести определение типоразмера базового двигателя и параметров АМ для случая заданных диапазонов двигательного режима и режима рекуперативного торможения, пределов изменения мощностей и моментов, с учетом ограничений размеров машины.

Внутренний диаметр статора АМ, размещаемой в моторном отсеке автомобиля, ограничен. Поэтому необходимо уменьшить длины сердечников статора и ротора, а также выполнить новые обмотки. Предложено проводить расчет параметров этих обмоток, пользуясь справочными данными серийных АМ. В качестве базовых - выбирают АМ с высотами осей вращения, которые  укладываются в заданный размер внутреннего диаметра статора. После расчета пускового и максимального моментов при частотном запуске АМ с уменьшенной длиной магнитопровода и новыми параметрами обмоток определяют их соответствие требуемым значениям для стартерного режима КЭУ.

Силовая часть экспериментальных образцов таких энергетических установок включает АМ с короткозамкнутой обмоткой ротора и один ВП, собранный по схеме  инвертора напряжения. В стартерном режиме он работает в режиме инвертора, а в генераторном – передает электроэнергию, вырабатываемую АМ, в цепь постоянного тока - на заряд накопителя электроэнергии и в бортовую сеть автомобиля.

ВП, служащий также для управления частотой и напряжением асинхронной машины, собран на IJBT транзисторах по мостовой трехфазной схеме. Для управления транзисторами применены схемы, обеспечивающие развязку и усиление сигналов управления. Система регулирования при проведении экспериментов строилась на базе микроконтроллера.

Результаты экспериментов показали работоспособность разработанных ЭМХ вентильных преобразователей для КЭУ автомобилей типа ВАЗ для запуска ДВС и генерирования электроэнергии, а также корректность математических моделей и алгоритмов расчетов.

В заключении изложены основные выводы и результаты работы

  1. На основе анализа современного состояния проблемы предложена обобщенная теория многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентилями и вращающимся полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных  функций с использованием тригонометрических функций дискретного аргумента.
  2. Разработаны математические модели, функционально ориентированные на определение ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ, учитывающие особенности возникновения уравнительных токов многообмоточных преобразователей и влияние «естественной ШИМ» тока ротора, возникающей в вентильных АМ с фазным ротором.
  3. Показано, что «естественная ШИМ» тока ротора, возникающая при небольших положительных и отрицательных скольжениях в АВСГ с неуправляемым выпрямителем в цепи ротора, при ступенчатом напряжении фаз статора определяет нелинейный характер зависимостей токов фаз ротора, постоянной составляющей выпрямленной ЭДС ротора, а также эквивалентного сопротивления роторной группы вентилей, от скольжения.
  4. Выявлены особенности протекания электромагнитных процессов в автономных ЭМХ и ЭМГ преобразователях на базе многообмоточных ТВП и АМ с короткозамкнутым ротором. Показано, что причиной возникновения уравнительных токов в фазах первичных обмоток ТВП и АМ является значительное отличие форм напряжения и ЭДС фаз. Доказано, что при предложенных способах управления наблюдается значительное снижение уравнительных токов.
  5. Разработаны математические модели алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие исследовать квазиустановившиеся и переходные, электромагнитные и электромеханические процессы в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.
  6. Доказана возможность получения в многообмоточных преобразователях, включающих многообмоточные АМ и ТВП, напряжений на выходных обмотках, соответствующих требованиям стандартов без применения широтно-импульсной модуляции при фильтрации 23 и 25 гармоник.
  7. Предложены уточненные методики расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП для автономных энергоустановок, учитывающие особенности работы и конструкций обмоток этих преобразователей.
  8. Разработаны технические решения для повышения КПД, надежности, пусковых моментов и качества напряжений АМ и ТВП в составе автономных энергоустановок, в частности, конструкция многополюсной АМ с уменьшенными лобовыми частями обмотки статора, которая делает перспективным применение таких машин в силовых установках автомобилей типа ВАЗ.
  9. Проведена экспериментальная проверка основных теоретических положений диссертационной работы, которая подтвердила правильность условий возникновения «естественной ШИМ» тока ротора, снижение уравнительных токов многообмоточных АМ и ТВП при предложенных способах управления.

Основные положения диссертации опубликованы работах:

  1. Грачев П.Ю., Костырев М.Л. Математические методы моделирования вентильных электрических машин – Куйбышев: КптИ, 1986. – 46 с.

Статьи в изданиях по перечню ВАК:

  1. Костырев М.Л., Скороспешкин А.И., Грачев П.Ю. Электромагнитные процессы в асинхронной машине с выпрямителем при ступенчатом напряжении на статоре // Электротехника, 1982. - №7. – С.18-21.
  2. Автомобильный  асинхронный стартер-генератор / В.М. Анисимов, П.Ю. Грачев, В.Н. Кудояров, А.И. Скороспешкин // Вестник УГТУ. “Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии”, Екатеринбург: УГТУ, 1995. - с.58 -59.
  3. Автомобильные стартеры и генераторы. Состояние и перспективы развития / В.М. Анисимов, А.И. Скороспешкин, П.Ю. Грачев, В.Н. Кудояров, // Автомобильная промышленность, 1995, №11. с. 9 - 11.
  4. Определение параметров и расчет динамических режимов безредукторных стартер-генераторов для гибридных автомобилей // В.М. Анисимов,  П.Ю. Грачев, В.Н Кудояров, А.И Скороспешкин // Электромеханика и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2000. - с.182-190.
  5. Математическая модель и исследования статических режимов асинхронных безредукторных стартер-генераторов. // В.М. Анисимов, В.Н Кудояров., П.Ю. Грачев, А.И Скороспешкин //  Электромеханика и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2000. - с.191-196.
  6. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Моделирование КСУ с двумя вентильными преобразователями для гибридного автомобиля // Вестник УГТУ-УПИ №5 (25). Часть 1.  Екатеринбург. 2003 . C. 447-450.
  7. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Асинхронный стартер-генератор для комбинированного энергетического привода гибридного автомобиля // Электротехника. 2004. №12. - С. 35-39.
  8. Грачев П.Ю. Использование тригонометрических и экспоненциальных функций дискретного аргумента для математического моделирования электромеханических и электромагнитных систем с несколькими вентильными преобразователями // Вестник СамГТУ. Сер. Физико-математические науки. 2004. №30. – С. 197-201.
  9. Многообмоточные преобразователи энергии для автономных объектов // Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Мягков Ф.Н., Кунцевич П.А. // Электротехника, 2005. №12. - С. 24 -29.
  10. Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Ежова Е.В. Асинхронная вентильная энергоустановка для автомобилей типа ВАЗ // Известия ВУЗов: Электромеханика, 2007, №6  –С. 46 – 49.
  11. Грачев П.Ю. Математические модели электромеханических и электромагнитных преобразователей с вентильными коммутаторами и вращающимся магнитным полем для автономных  энергетических установок // Электричество, 2010.  №3. - С. 35 -39.

Другие печатные статьи:

  1. Грачев П.Ю., Костырев М.Л. Вопросы математического моделирования асинхронных вентильных генераторов // Электрические машины: Межвуз. сб. научн. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1976. - вып.3. –С. 127-135.
  2. Грачев П.Ю. Особенности динамики автономной системы с АВСГ // Электрические машины: Межвузовский тем. сб. научн. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1976. - вып.3. – С. 135 - 141.
  3. Грачев П.Ю., Костырев М.Л. Метод дискретно вращающихся координат. Сборник науч. тр. «Специальные электрические машины». Куйбышев: КПтИ, 1983. – С. 40-45.
  4. Грачев П.Ю., Волгин В.Н., Бурков С.Н. Исследование динамических режимов работы асинхронного вентильного генератора. Сб. науч. тр. «Электрические машины специального назначения». Куйбышев, 1985. – С.48-56.
  5. Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Токарь И.И. Многофункциональная система ПСПЧ // Межвузовский сб. науч. труд. «Разработка и исследование специальных электрических машин». Куйбышев, Авиационный институт, 1987 – С. 147 – 153.
  6. Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Мягков Ф.Н. Электромагнитные процессы в многообмоточных машинах с вентильными преобразователями типа «Автономный инвертор напряжения» // Межвуз. сб. науч. тр. «Специальные электрические машины». Куйбышев КптИ, 1989. – С. 108 - 114.
  7. Anisimov V.M., Grachev P.Y., Kudoyarov V.N. Starter - generators system with accumulation of kinetic energy. Proc. of the 4-th Intern. Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems UEES’99. St. Petersburg, Russia, 21-24 June 1999, pp. 289-294.
  8. Kudoyarov V.N. Anisimov V.M., Grachev P.Y. Asynchronous automotive starter – generators. Proc. of the 4-th Intern. Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems UEES 99, St. Petersburg, Russia, vol.2,1999, pp.295- 298.
  9. Кудояров В.Н., Анисимов В.М., Грачев П.Ю. Повышение надежности автомобильных стартер-генераторов // Труды международной конференции “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”, Самара,1999. - с.152-154.
  10. Стартер-генераторы для автомобильного транспорта // П.Ю. Грачев, В.М. Анисимов,  В.Н Кудояров., А.И Скороспешкин //, Техническая электродинамика: Тематический выпуск “Проблемы современной электротехники”, часть 7. Киев: Нац. академия наук Украины, 2000. - с. 98-104.
  11. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Комбинированная  силовая  установка  как  один  из  способов повышения надежности  работы  автотранспортных  средств // Сборник трудов международной техн. конф. «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин». Т. 2, ч. 2.: М., Машиностроение, 2003. - С. 402-405.
  12. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Автономный электропривод комбинированных энергоустановок // Труды IV Международной конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», ч.2, Магнитогорск, 2004. – С. 174-176.
  13. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Стартер-генераторные устройства для перспективных автомобилей ВАЗ на базе асинхронных машин с вентильными преобразователями // Труды пятого международного симпозиума ЭЛМАШ-2004 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», том 2, МА «Электромаш», 2004. – С. 167-169.
  14. Грачев П.Ю. Особенности режимов работы и математического моделирования электромеханических и электромагнитных преобразователей с несколькими вентильными преобразователями с использованием тригонометрических и экспоненциальных функций дискретного аргумента // Труды 5-го междунар. симпозиума ЭЛМАШ-2004 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», том 2, МА «Электромаш», 2004. – С. 162-166.
  15. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Автономный электропривод комбинированных энергоустановок // Электроприводы переменного тока: Труды тринадцатой международной научн.-техн. конференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. – С. 171-174.
  16. Автомобильный асинхронный стартер-генератор - лучший инновационный проект поволжского региона // Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В., Тарановский В.Р. // Материалы международного симпозиума «Электроника и электрооборудование транспорта». Суздаль: НПП «Томилинский электронный завод», 2005. С. 21 – 23.
  17. Использование микроконтроллеров в системе управления стартер-генераторов автомобилей // Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В., Тарановский В.Р. // Материалы Всероссийского электротехнического конгресса ВЭЛК - 2005. Москва, 2005. С. 246 – 248.
  18. Pavel Grachev, Vladimir Anisimov, Elena Ejova. The Asynchronous Machine for a Starter-Generating Unit (SGU). Eleventh International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems «ELMA 2005».  (IEEE Bulgaria Section) – Sofia, 2005. P.314-316.
  19. Комбинированная стартер-генераторная установка переменного тока для «неполного» гибрида //Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В., Тарановский В.Р. // Электроника и электрооборудование транспорта. №3-4, 2005. С. 32-34.
  20. Грачев П.Ю., Ежова Е.В.Влияние конфигурации лобовых частей на расчет параметров специальной асинхронной машины для гибридного автомобиля //  Вопросы теории и проектирования электрических машин. Моделирование электромеханических процессов: сборник научных трудов: Ульяновский техн. ун-т. - Ульяновск: УлГТУ, 2009. – С. 118-123.
  21. Грачев П.Ю. Режимы опережающих токов ротора в автономных асинхронных вентильных каскадах с диодными выпрямителями // Труды симпозиума ЭЛМАШ-2009: «Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы», том 1. МА «Электромаш», 2009. - С. 178-183.

Авторские свидетельства и патенты

  1. А.с. 452897 СССР, МКИ Н02К 17/34. Способ пуска асинхронного двигателя / М.Л. Костырев, П.Ю. Грачев, А.И. Скороспешкин и др. // БИ.1974.№ 45.
  2. А.с. 543121 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления автономным асинхронным генератором / В.Д. Ежов, М.Л. Костырев, А.И. Скороспешкин, П.Ю. Грачев и др. // БИ. 1977. № 2.
  3. А.с. 558368 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Асинхронный вентильный стартер-генератор / М.Л. Костырев, П.Ю.Грачев, В.Д. Ежов и др. // БИ. 1977. № 18.
  4. А.c. 588610 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления автономным асинхронным генератором  с  короткозамкнутым  ротором /  М.Л. Костырев, А.И. Скороспешкин,  В.Д. Дудышев , П.Ю. Грачев и др. // БИ. 1978. № 2.
  5. А.с. 817922 СССР, МКИ Н02Р 9/42. Асинхронный вентильный генератор / В.Д.Ежов, М.Л.Костырев, А.И.Скороспешкин, П.Ю.Грачев и др. // БИ. 1981. № 12.
  6. A.с. №896737 СССР, МКИ: Н02Р 9/42. Способ управления асинхронным вентильным генератором / П.А.Кунцевич, П.Ю.Грачев, М.Л.Костырев, В.Д.Загоруйко // БИ. 1982, №1.
  7. А.с. 951626 СССР, МКИ Н02Р 9/44.  Ветроэнергетическая установка с инерционным аккумулятором энергии / П.Ю.Грачев, М.Л. Костырев, В.Н.Волгин, М.В.Кузнецов // БИ., 1982, №30.
  8. А.с. 1046863 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Асинхронная вентильная машина с короткозамкнутым ротором / В.Н.Кудояров, В.Н.Волгин, П.Ю.Грачев, В.Д.Дудышев // БИ. 1983,  №37.
  9. А.с. 1078574 СССР, МКИ Н02Р 9/42  Способ управления асинхронным вентильным ветрогенератором / П.А.Кунцевич, В.Д.Загоруйко, М.Л. Костырев, П.Ю.Грачев, В.Н.Волгин // БИ., 1984, № 9.
  10. А.с. 1403334 СССР, МКИ H02 P 9/46. Автономный источник электроэнергии / П.Ю.Грачев, В.И.Волгин, Ф.Н.Мягков и др. // БИ.,1988, № 22.
  11. А.с. 1302360 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления асинхронным вентильным генератором / П.Ю.Грачев, Н.В.Мотовилов, В.П.Назаренко, И.Г.Сегида  // БИ. 1987. №13.
  12. А.с. 1403334 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Автономный источник электроэнергии / П.Ю.Грачев, В.Н.Волгин, А.Н. Штанов, Ф.Н.Мягков // БИ. 1988. №22.
  13. А.с. 1473068 СССР, МКИ Н02Р 17/42. Источник эдектропитания / П.Ю. Грачев, А.А.Дружков, Ф.Н.Мягков и др. //  БИ. 1989, №14.
  14. А.с. I568I92 СССР, МКИ Н02Р 6/02. Способ управления вентильной электрической машиной / П.Ю.Грачев, М.Л.Костырев, Ф.Н.Мягков //  БИ. 1990. №20.
  15. А.с. 1568203 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Автономная система генерирования / Грачев П.Ю., Волгин В.Н.,  Токарь И.И. // БИ. 1990. №20.
  16. А.с. 1568204 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления асинхронным вентильным генератором / П.Ю.Грачев, В.И.Волгин, Ф.Н.Мягков и др. //  БИ. 1990, №20.
  17. А.с. 1577069 СССР, МКИ Н02Р 17/42. Генераторный источник электроэнергии / В.Н. Волгин,  П.Ю Грачев, И.И.Токарь, А.С.Тупиков // БИ. 1990. №25
  18. А.с. 1669075 СССР, МКИ Н02 Р 17/42. Источник электроэнергии / П.Ю. Грачев, В.Н. Волгин, Н.А. Каминская // БИ. 1991. №29,
  19. А.с. 174242 СССР, МКИ Н02 Р 17/42. Способ формирования квазикругового магнитного поля / П.Ю. Грачев, М.Л. Костырев, И.И. Токарь, Ф.Н. Мягков // БИ.1992, №22
  20. А.с. 1821884 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Способ формирования выходного напряжения преобразователя электроэнергии / П.Ю. Грачев, М.Л. Костырев, Ф.Н. Мягков, И.И. Токарь, С.А. Рябинский // БИ. 1993. №22
  21. Патент №2104612 Российской Федерации, МКИ Н 02 Р 9/44. Устройство управления асинхронным стартер-генератором / А.И. Скороспешкин, В.М. Анисимов, В.Н. Кудояров, П.Ю. Грачев / Самарский государственный технический университет / Бюл. №4, 10. 02. 98.
  22. Патент №2173020 Российской Федерации. МКИ Н 02 Р 9/44. Электрическая система с асинхронным стартер-генератором / В.М. Анисимов, П.Ю. Грачев, А.И. Скороспешкин, В.Н Кудояров. // Самарский государственный технический университет / Бюл. №24, 27. 08. 2001.
  23. Патент №2236079 Российской Федерации. МКИ Н 02 Р 9/44, F 02 N 11/04. Способ управления стартер - генераторной системой с планетарным редуктором и устройство для его осуществления / П.Ю. Грачев, В.М. Анисимов, В.Н Кудояров, А.И. Скороспешкин  // Самарский государственный технический университет / Бюл. №25, 10. 09. 2004.
  24. Патент №2275729 Российской Федерации. МПК Н 02 К 3/04, Н 02 К 17/16. Обмотка электрической машины / П.Ю. Грачев, Ф.Н. Сарапулов, Е.В. Ежова  /  Бюл. №12, 27. 04. 2006.
  25. Патент №2282301 Российской Федерации.  МПК Н 02 Р 9/48, Н 02 Р 9/04, В 60 L 11/02, B 60 L 11/12, F 02 N 11/04.  Энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором / П.Ю.Грачев, Е.В.Ежова // Самарский государственный технический университет / Бюл. №23, 20. 08. 2006.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в дис­сертацию, опубликованы в работах [9,12,14,26,33], написанных лично автором, в работах [2,5-8,11,13,15-17,19-22], где автору принадлежат: постановка задачи, результаты разработок технических решений и построения математических моделей. В работах [4,23-25,28] автору принадлежат методики, обоб­щения и выводы, в работах [12,38-40] – результаты анализа и экспериментальная часть, в работах [18,29-31,32] – методики и алгоритмы расчетов и проектирования, в работах [3,4,10,21,24-27,33] – обоб­щения результатов исследований. В работах [34-38,40-47,49-51,53-58] – новые направления в разработке технических решений, в работах [39,48,52] – варианты новых технических решений.

Работа [1] написана лично автором, кроме раздела 6, написанного Костыревым М.Л.

Автореферат отпечатан с разрешения

диссертационного совета Д 212.217.04 ГОУ ВПО

Самарский государственный технический университет

(протокол №  5 от 22 июня 2010 г.)

Заказ №___ Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе.

ГОУВПО Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной печати

443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244






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

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.