Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы применения вентильно-индукторного стартер-генератора в автономных объектах 13
1.1. Анализ разработок стартер-генераторных устройств 13
1.1.1. История применения стартер-генераторных устройств 13
1.1.2. Концепция интегрированного стартер-генератора 16
1.2. Основные типы электрических машин для стартер-генераторного устройства автономного объекта 18
1.3. Состояние вопроса в области разработки вентильно-индукторных машин и стартер-генераторных устройств 25
Выводы по главе 1 29
Глава 2. Вентильно-индукторный стартер-генератор. Общие сведения 30
2.1. Описание конструкции и принципа действия вентильно-индукторной машины 30
2.1.1. Общие сведения о вентильно-индукторной машине 30
2.1.2. Принцип действия индукторной машины 33
2.2. Стартёр-генераторное устройство на базе вентильно-индукторной ма шины 38
2.2.1. Выходные характеристики вентильно-индукторного стартер-генератора 38
2.2.2. Особенности конструкции и режимов работы вентильно-индукторного стартер-генератора 39
2.3. Алгоритм управления вентильно-индукторным стартер-генератором.. 43
2.3.1. Система и алгоритм управления вентильно-индукторным стартер-генератором 43
2.3.2. Магнитное поле индукторной машины 50
2.4. Электромеханическое преобразование энергии в вентильно-индуктор- ном стартер-генераторе 52
2.4.1. Баланс энергии и мощности вентильно-индукторного стартер-генератора 52
2.4.2. Определение мгновенного значения вращающего момента и тока вентильно-индукторного стартер-генератора 56
2.4.3. Энергетическая диаграмма интервала коммутации фазыиндукторной машины 61
Выводы по главе 2 64
Глава 3. Методика проектирования вентильно-индукторного стартергенератора двигателя внутреннего сгорания 65
3.1. Основные положения при проектировании вентильно-индукторного стартер-генератора 65
3.2. Анализ влияния основных параметров на выходные характеристики проектируемого стартер-генератора 68
3.2.1. Влияние главных размеров, обмоточных данных и напряжения питания стартер-генератора 68
3.2.2. Влияние конфигурации магнитной системы 71
3.3. Методика проектирования вентильно-индукторного стартер-генератора.
72
3.3.1. Синтез параметров магнитной системы индукторной машины на основе исходных данных 72
3.3.2. Определение главных размеров и обмоточных данных индукторной машины 77
3.3.3. Проектирование зубцовой зоны индукторной машины 79
3.3.4. Расчет магнитной цепи индукторной машины 81
3.3.5. Выбор элементной базы электронного коммутатора фаз 83
3.4. Алгоритм проектирования вентильно-индукторного стартер-генератора ДВС 84
Выводы по главе 3 88
Глава 4. Математическая модель для анализа электромагнитных процессов в вентильно-индукторном стартер-генераторе 89
4.1. Выбор метода математического моделирования 89
4.2. Математическая модель стартер-генератора на базе вентильно-индук-торной машины 92
4.2.1. Быстрая математическая модель 92
4.2.2. Уточненная математическая модель вентильно-индукторного стартер-генератора 97
4.3. Анализ результатов математического моделирования вентильно-индук торного стартер-генератора 102
4.3.1. Стартерный режим 102
4.3.2. Генераторный режим 108
4.4. Верификация данных полученных с помощью математического моделирования 112
Выводы по главе 4 118
Заключение 119
Библиографический список использованных источников 120
Приложение 1 Программа расчета магнитоного поля индукторной машины. 134
- Основные типы электрических машин для стартер-генераторного устройства автономного объекта
- Стартёр-генераторное устройство на базе вентильно-индукторной ма шины
- Анализ влияния основных параметров на выходные характеристики проектируемого стартер-генератора
- Математическая модель стартер-генератора на базе вентильно-индук-торной машины
Введение к работе
В настоящее время невозможно представить себе мир без средств передвижения. В течение всего времени их существования человечество вкладывало передовые инженерные и научные разработки в создание более безопасных, комфортных и быстрых средств передвижения. Современный автомобиль, самолет или морское судно являют собой средоточие всех новых идей и знаний в различных областях науки.
Основой любого автономного объекта (АО) является силовая установка. В основном, за редким исключением, в таких объектах применяются двигатели внутреннего сгорания или реактивные установки. Реже применяются установки с химическим источником энергии (топливные элементы) или атомным. Назначение силовой установки — обеспечение объекта электрической или механической энергией для поддержания его способности длительно выполнять свои функции без привязки к определенному положению в пространстве.
Обязательной составной частью силовых установок, основанных на двигателях внутреннего сгорания или реактивных двигателях, являются системы запуска двигателя и генерации электрической энергии. Вполне естественным желанием конструктора является снижение массы силовой установки за счет комбинирования этих двух систем в одном устройстве - электрической машине. Однако противоречивые требования к системе запуска двигателя и генерации электроэнергии долгое время не позволяли использовать в качестве стартер-генератора одну электрическую машину. До сегодняшнего дня стартер и генератор автономного объекта в большинстве случаев являются различными по принципу действия электрическими машинами.
Одним из возможных вариантов решения данной проблемы стало развитие регулируемого вентильного привода, позволяющего, с одной стороны, повысить надежность системы запуска и генерации электроэнергии, с другой, совместить характеристики стартера и генератора в одной электрической машине.
Вентильно-индукторные машины (ВИМ) — один из наиболее динамично развивающихся типов электромеханических преобразователей энергии. Представляя собой органическое единство полупроводникового преобразователя частоты, микропроцессорной системы управления и индукторной машины, они являются одновременно и электрической машиной, и интегрированной системой регулируемого электропривода.
Вентильно-индукторный преобразователь энергии хорошо зарекомендовал себя в двигательном режиме и в настоящее время ведется разработка генераторов для специальных установок на основе вентильно-индукторных машин.
Одним из направлений деятельности электротехнических компаний становится гибридная установка на базе ВИМ, совмещающая в себе характеристики двигателя и генератора, — вентильно-индукторный стартер-генератор (ВИСГ). Использование в качестве стартер-генератора автономного объекта ВИМ является перспективным направлением, поскольку вентильно-индуктор-ная машина имеет более простую конструкцию, благодаря чему она исключительно надежна, долговечна и технологична; хорошо приспособлена для работы во взрывоопасных и агрессивных средах при повышенной температуре. Важной особенностью вентильно-индукторной машины является отсутствие обмотки на роторе, что существенно повышает ее надежность и снижает стоимость по сравнению с другими видами вентильного электропривода. По экономическим показателям ВИСГ не уступают своим основным конкурентам: приводам на основе синхронной, асинхронной машины и машины постоянного тока.
Наличие в структуре машины микропроцессорной системы управления позволяет оптимизировать характеристики двигателя под конкретную нагрузку, что обеспечивает высокие энергетические характеристики системы привода.
Основная область применения ВИСГ - энергетические установки, требующие запуска от электрической машины и генерирующие электроэнергию. К данному классу устройств относятся двигатели внутреннего сгорания, дизель-
генераторные установки, реактивные двигатели. Так, в двигателе внутреннего сгорания ВИСГ может заменить не только стартер и генератор, но и выполнять функции маховика, а также позволяет избавиться от некоторых механических передач, что повышает надежность всей системы в целом. Также существует огромный класс перспективных объектов, где возможна установка стартер-генератора — мобильные объекты, использующие электрическую энергию непосредственно для движения. Установка на них стартер-генератора позволит производить рекуперацию энергии, что значительно увеличит время автономной работы всей установки.
Это объясняет существующий повышенный интерес к данному типу электрических машин зарубежных и отечественных автомобилестроительных компаний. За последние годы ими были достигнуты ощутимые результаты в области исследования и проектирования ВИСГ. Однако, несмотря на все усилия, практическое использование этих электрических машин до сих пор весьма ограничено.
Трудности, возникающие при проектировании ВИСГ, обусловлены сложностью процессов электромеханического преобразования энергии, происходящего в них. Резко несинусоидальный характер пространственного и временного распределения магнитного поля в отдельных элементах магнитной системы индукторной машины предопределяет принципиальную невозможность использования при проектировании ВИСГ традиционных подходов, основанных на предположении о синусоидальном характере распределении поля и использовании понятия универсальной машинной постоянной.
Основополагающими в области разработки и исследования электромеханических систем на базе ВИМ являются труды Бута Д.А., Бычкова М.Г., Кузнецова В.А., Кузьмичева В.А., Матвеева А.В., Миллера Т. Г. Е. Однако, вопрос генераторного режима ВИМ в работах данных авторов практически не освещается.
Вопросами проектирования ВИСГ занимались, в основном, иностранные авторы: A. de Veies, Drager В.Т., Edrington C.S., Fahimi B.A., Ferreira C,
Gabriel Gallegos-Lopez, Jones S.R., Ritcher E..
Несмотря на достаточно большое число работ, посвященных исследованию ВИСГ, многие вопросы в области проектирования стартер-генераторов на базе ВИМ остались нерешенными. В частности, не исследованы принципы электромеханического преобразования энергии при совмещении двигательного и генераторного режимов в ВИМ, а также вопросы влияния главных размеров, обмоточных данных и конфигурации магнитной системы на характеристики стартера и генератора. До настоящего времени не существует методики проектирования ВИСГ как единой электрической машины.
Цель и задачи работы. Целью данной диссертации является разработка рекомендаций по проектированию ВИСГ, методики и алгоритма проектирования. Для этого поставлены следующие задачи:
Провести анализ современного состояния и перспектив использования ВИМ в качестве стартер-генератора автономного объекта.
Рассмотреть принципы электромеханического преобразования энергии в ВИМ находящейся в режиме двигателя и генератора и при совмещении данных режимов.
Разработать математические модели для исследования динамических и установившихся режимов ВИСГ.
Исследовать влияние изменения параметров магнитной цепи, обмоточных данных и напряжения питания на выходные характеристики ВИСГ.
Провести физическое моделирование на экспериментальном образце для верификации математической модели.
Разработать технические решения, позволяющие обеспечить требования, предъявляемые к ВИСГ.
Методы исследования. При выполнении работы были использованы аналитические и численные методы моделирования процессов в ВИСГ. Расчет магнитных полей проводился с использованием метода конечных элементов, для решения системы дифференциальных уравнений применялся метод Эйле-
pa. Модели разрабатывались на основе теории магнитного поля, электромеханического преобразования энергии. При их реализации были применены стандартные программные пакеты (MathCad, Femm, AutoCad, Eagle, Electronics Workbench, SciLab). Экспериментальные исследования проводились на разработанном опытном образце ВИСГ.
Научная новизна работы заключается в разработке:
методики проектирования ВИСГ, основанной на синтезе параметров магнитной цепи и обмоточных данных на базе исходных данных, позволяющей определить главные размеры и необходимые обмоточные данные индукторной машины (ИМ) без проведения моделирования магнитного поля;
математических моделей различной степени сложности для расчета динамических характеристик ВИСГ, позволяющих исследовать работу ВИСГ в любых режимах.
Практическую ценность представляют:
рекомендации по выбору размеров, обмоточных данных, регулированию напряжения питания и выбору режимов коммутации ВИСГ;
рекомендации по корректировке основных размеров, обмоточных данных и режимов коммутации с целью изменения выходных характеристик ВИСГ;
результаты проектирования интегрированного вентильно-индукторного стартер-генератора двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментального исследования опытного образца ВИСГ. На защиту выносятся основные положения.
Методика проектирования ВИСГ, включая рекомендации по выбору главных размеров, обмоточных данных и режимов коммутации.
Математическая модель ВИСГ для расчета динамических характери-
стик ВИСГ, базирующаяся на аппроксимации кривых потокосцепле-ния и численном моделировании магнитного поля ИМ. 3. Результаты проектирования интегрированного вентильно-индуктор-ного стартер-генератора двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля. Реализация результатов работы. Разработанные в рамках диссертационной работы математические модели и методика проектирования использовались для проектирования ВИСГ легкового автомобиля мощностью 4кВт, реализованного в ОАО "КБ Электроприбор" (г.Саратов), а также при выполнении работ по гранту фонда поддержки молодых ученых и преподавателей МЭИ по теме "Разработка вентильно-индукторного стартер-генератора автономных объектов".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Х-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Москва. Россия. 2-3 марта 2004г.
XI-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Москва. Россия. 1-2 марта 2005г.
Ш-я Международная научно-техническая конференция "Информационная техника и электромеханика" (ИТЭМ-2005). Луганск. Украина. 19-21 апреля 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 121 наименования и приложений. Основная часть работы изложена на 133 страницах, включает 68 рисунков и 2 таблицы.
Краткое содержание работы
В первой главе в проводится анализ разработок стартер-генераторов автономных объектов на основе различных типов электрических машин. Изложена история их создания и применения. Выдвигается концепция интегрированного стартер-генератора. Рассматривается варианты применения в качестве стартер-генераторных установок (СГУ) всех наиболее перспективных типов электрических машин. Проведен анализ состояния вопроса в области разработки вентильно-индукторных машин и стартер-генераторных устройств.
Во второй главе даны общие сведения о ВИМ, ее структурная схема и назначение основных блоков, особенности конструкции ИМ, их достоинства и недостатки. Описан принцип действия ИМ, даны выходные характеристики ВИМ в двигательном и генераторном режимах.
Приведены основные отличия в конструкции и системе управления ВИСГ от типовой ВИМ, а также основные требования к выходным характеристикам ВИСГ.
Рассмотрен процесс преобразования энергии в ИМ для двигательного и генераторного режимов, детально рассмотрен баланс энергии системы как в двигательном, так и в генераторном режимах, способы определения мгновенного значения механического момента и тока.
В третьей главе приведены основные положения проектирования ВИСГ, начальные данные и специфика проектирования ВИСГ. Проведен анализ влияния главных размеров, обмоточных данных, напряжения питания, конфигурации магнитной системы на выходные характеристики ВИСГ, является базой при проектировании ВИСГ.
Описана методика проектирования основанная на синтезе параметров магнитной цепи. Приведен алгоритм проектирования и пример проектирования ВИСГ легкового автомобиля.
В четвертой главе приводится выбор оптимального метода математического моделирования ВИСГ. Рассматриваются две математические модели, базирующиеся на аппроксимации характеристик намагничивания и численном
моделировании магнитного поля ИМ. Проведен анализ результатов моделирования спроектированного в третьей главе ВИСГ и их сравнение со сформулированными теоретическими положениями. Выполнена верификация результатов математического моделирования на опытном образце, подтверждающая адекватность созданной математической модели.
В заключении приведены основные результаты и выводы.
Основные типы электрических машин для стартер-генераторного устройства автономного объекта
В соответствии с со свойством обратимости электрических машин, известном с 30х годов XIX века, в качестве стартер-генераторного устройства может выступать любая из существующих в настоящее время электрических машин. Общие требования, предъявляемые к данному классу устройств, — высокая надежность, приемлимые массогабаритные показатели, низкая стоимость (в случае крупносерийного производства), хорошая ремонтопригодность. Также, по возможности, СГУ должно соединяться с ДВС без редуктора, т.е. реализо-вывать концепцию интегрированного стартер-генератора. В большинстве случаев, источником питания бортовой электросети с неработающей силовой установкой является аккумуляторная батарея. Вследствие этого, стартер должен обеспечивать запуск силовой установки при питании постоянным током. Рассмотрим основные типы электрических машин в качестве СГУ постоянного тока.
Машина постоянного тока с электромагнитным возбуждением, получившая практическое применение для привода различных механизмов, была создана питербургским академиком Б.С. Якоби в 1834г. К достоинствам МПТ относится хорошая регулируемость выходных характеристик в широком диапазоне скоростей, высокий КПД и массогабаритные показатели. К недостаткам относится низкая надежность из-за применения механического коммутатора (ще-точно-колекторного узла) и высокая стоимость изготовления и эксплуатации. В агрессивных средах и при большой высоте над уровнем моря щеточный контакт вообще неработоспособен.
МПТ была первой электрической машиной, использованной в качестве стартер-генератора. Это единственная электрическая машина использование которой в качестве стартер-генератора постоянного тока возможно без применения электронного блока коммутации. С другой стороны, расположение ме ханического коммутатора на валу ДВС еще более снижает его надежность вследствие загрязнения. Надежность коллекторного узла падает также вследствие больших пусковых токов, требуемых для развития высокого пускового момента в случае использования МПТ без редуктора. Коллекторный узел при своей работе создает значительные радиочастотные помехи, требующие установки фильтров.
Таким образом, применение машины постоянного тока в качестве СГУ нежелательно, так как в итоге получается дорогостоящее и ненадежное решение, связанное с большими эксплуатационными расходами.
Вентильная машина постоянного тока (ВМПТ).
Решением проблем МПТ может стать использование электронного блока коммутации вместо щёточно-коллекторного узла. Первые машины с коммутирующими устройствами на ртутных выпрямителях, тиратронах и игнитронах появились в конце 20х годов XX века. Вентильный двигатель был предложен Керном в 1933 году.
Вентильная машина постоянного тока по характеристикам аналогична МПТ, а по конструкции представляет собой синхронную машину обычного исполнения, снабженную датчиком положения ротора, в соответствии с показаниями которого происходит коммутация обмоток якоря. Коллекторный узел в данной конструкции уступает место контактным кольцам, необходимым для питания обмотки возбуждения, расположенной на роторе. Возможно изготовление бесконтактной вентильной машины постоянного тока с электромагнитным возбуждением, однако габаритные размеры и стоимость такой машины при одинаковой мощности окажутся выше. Применение такого типа электрических машин может быть целесообразно на крупногабаритных транспортных средствах, где такое увеличение габаритов будет несущественно.
Вентильная машина постоянного тока, обладая большей надежностью по сравнению с МПТ, оказывается выше по стоимости из-за наличия инвертора и может быть использована в качестве СГУ, так как электромагнитная система
возбуждения, несмотря наличие скользящих контактов, хорошо переносит высокие ускорения, присущие мобильным автономным объектам.
Применение для возбуждения в ВМПТ постоянных магнитов делает машину постоянного тока бесконтактной, а значит более надежной. Однако повышенная надежность ведет к увеличению стоимости изготовления, так как стоимость постоянных магнитов в несколько раз превышает стоимость магнитоэлектрической системы возбуждения. С введением постоянных магнитов в МПТ необходимо также изготовление дополнительных демпферных обмоток, предохраняющих постоянные магниты от размагничивания в пусковых режимах.
Вентильная машина постоянного тока с постоянными магнитами обладает очень хорошей надежностью и массогабаритными показателями, однако ее стоимость оказывается в 2-3 раза выше стоимости двигателя постоянного тока с щеточно-коллекторным узлом. Применение вентильной машины постоянного тока с постоянными магнитами в качестве СГУ целесообразно в тех случаях, когда стоимость СГУ не является определяющей характеристикой и автономный объект не подвержен большим ускорениям, так как в этом случае могут быть повреждены постоянные магниты.
Синхронная машина (СМ). Со времени открытия Фарадеєм явления электромагнитной индукции и по сей день синхронная машина используется в основном как генератор электрической энергии. В двигательном режиме СМ используется редко, так как для пуска ей необходим дополнительный момент на валу, который часто обеспечивается асинхронной короткозамкнутой обмоткой. По сравнению с асинхронной машиной, синхронная примерно на 20% больше и на столько же дороже, что вызвано наличием системы электромагнитного возбуждения. Вследствие наличия скользящего контакта надежность СМ выше, чем у МПТ и при близительно равна надежности ВМПТ. При питании от источника постоянного тока СМ также требует для двигательного режима наличие инвертора, благодаря чему СМ и ВМПТ отличаются в основном видом управления коммутацией. Коммутация обмоток СМ, в отличие от ВМПТ, происходит принудительно, без обратной связи по положению ротора, что незначительно упрощает конструкцию блока коммутации, но может значительно уменьшить пусковой момент в стартерном режиме.
Синхронная машина с постоянными магнитами (СМсПМ). Синхронная машина с постоянными магнитами полностью аналогична вентильной машине постоянного тока с постоянными магнитами, за исключением системы управления.
Асинхронная машина САМ). Трехфазный асинхронный электродвигатель, изобретенный М.О. Доли-во-Добровольским, известен с 1890 года. В настоящее время асинхронная машина (AM) используется в основном как электродвигатель. В качестве генератора она не получила широкого распространения,несмотря на преимущество перед синхронным генератором - постоянную частоту генерируемого напряжения. Асинхронная машина в генераторном режиме требует наличия дополнительных емкостных элементов для создания энергии возбуждения, что ограничивает область ее применения вследствие их дороговизны и больших габаритных размеров. По надежности AM близка и даже превосходит вентильный электропривод с постоянными магнитами, имея при этом значительно более низкую стоимость.
Стартёр-генераторное устройство на базе вентильно-индукторной ма шины
Механическая характеристика ВИМ в двигательном режиме соответствует режиму постоянной мощности во всем диапазоне скоростей вращения и сходна с механической характеристикой ДПТ с последовательным возбуждением. Вращающий момент при этом обратно пропорционален скорости вращения ротора (рис.2.6).
Пусковой момент ВИМ ограничен максимально потребляемым током, то есть, при отсутствии принудительного ограничения тока системой управления, пусковой момент ограничивается только внутренним сопротивлением фазы. На рис. 2.6 даны механические характеристики ВИМ при различных напряжениях питания ( 1 2 з) Изменение напряжения питания — единственный канал регулирования выходных характеристик вентильно-индукторного двигателя (ВИД) без изменения алгоритма и параметров системы управления.
Модификация алгоритма и параметров системы управления позволяет получать любые требуемые характеристики в заданном диапазоне развиваемой мощности, что, наряду с бесконтактной системой коммутации, выгодно отличает ВИД от ДПТ.
Выходные характеристики вентильно-индукторного генератора (ВИГ) с возбуждением от обмотки статора представлены на рис.2.7. С ростом скорости вращения ротора выходная мощность генератора Рвых возрастает, что обусловлено ростом ЭДС с уменьшением времени перехода зубцов из согласованного в рассогласованное положение. Начиная с определенного диапазона скоростей вращения рост мощности прекращается, а при дальнейшем увеличении скорости происходит уменьшение выходной мощности генератора. Это вызвано уменьшением мощности возбуждения РВОЗБ передаваемой в обмотку статора, так как время коммутации с ростом скорости уменьшается, и становится невозможным передать требуемую мощность на отведенный промежуток времени. Преодоление данного ограничения и расширение диапазона скоростей вращения возможно за счет увеличения напряжения возбуждения.
Мощность возбуждения ВИГ на низкой скорости вращения может в 3-5 раз превосходить номинальную мощность генератора, что должно учитываться при проектировании электронного коммутатора. Увеличение мощности возбуждения по сравнению с выходной мощностью делает возможным использование генератора на низких скоростях вращения и может быть реализовано только с помощью электронного управления.
Стартер-генератор на базе ВИМ - вентильно-индукторный стартер-генератор (ВИСГ) — имеет ряд особенностей по сравнению с ВИМ общего назначения, связанных как с конструкцией, так и с режимами работы.
Стартер-генератор предназначен для кратковременного пускового режима и продолжительной работы в режиме генератора, что накладывает определенные ограничения на конструкцию на этапе проектирования, и влияет на вы бор главных размеров и соотношения числа зубцов статора и ротора.
Назначение стартер-генератора в немалой степени определяет его габаритные размеры. ВИСГ предназначенный для автомобильного ДВС (рис.2.8, б) имеет увеличенный диаметр вала ротора, вследствие чего число пар полюсов достаточно велико. Это вызвано интеграцией его с диском сцепления автомобиля. Сцепление размещается внутри ротора ВИСГ, который также выступает маховиком ДВС. Длина активной части, как правило, небольшая и обусловлена размещением стартер-генератора в автомобиле.
Воздушный зазор между сердечниками статора и ротора автомобильного ВИСГ увеличенный, что ведет к снижению развиваемой мощности. Он выбирается с учетом выработки подшипников коленчатого вала ДВС.
Диаметр ротора авиационного ВИСГ (рис.2.8, а) делается как можно меньшим, так как скорость вращения ротора может достигать 60000 об/мин, что может привести к его механическому разрушению из-за действия центробежных сил. Число зубцов статора и ротора вследствие этого, как правило, невелико, а воздушный зазор может быть уменьшен, так как вал ВИСГ крепится на собственных подшипниках. Авиационный ВИСГ наиболее близок к ВИМ обычного исполнения.
Основные отличия вентильно-индукторного стартер-генератора от ВИМ общего назначения состоят в его выходных характеристиках. Большое влияние на них оказывает напряжение питания, обусловленное напряжением бортовой сети автономного объекта, которое составляет несколько десятков вольт. Как правило, питание в стартерном режиме производится от аккумуляторных батарей, неспособных без повреждения выдержать значительные пусковые токи, возникающие при столь низких значениях питающего напряжения. Это вынуждает вводить в систему управления цепи, ограничивающие потребляемый ток.
В стартерном режиме стартер-генераторное устройство должно развивать значительный вращающий момент и наряду с этим работать в очень широком диапазоне скоростей. Для авиационного стартер-генератора изменение скорости в пусковом режиме составляет приблизительно от 0 до 10000 об/мин, плавное повышение постоянного напряжения при увеличении скорости. Использование повышенного напряжения позволяет значительно снизить габаритные размеры ВИСГ при сохранения его мощности. Однако напряжение, подаваемое на стартер-генератор, ограничено правилами безопасности и не должно превышать заданного значения.
Основным недостатком ВИМ являются большие пульсации момента и высокий уровень вибрации и шумов. Поскольку приводным механизмом ВИСГ является либо ДВС, либо реактивный двигатель, обладающие большим момен том инерции, к пульсациям момента ВИСГ не предъявляется таких жестких требований, как в ВИМ общего назначения. Уровень вибрации ВИСГ учитывается только в генераторном режиме, поскольку: - двигательный режим непродолжителен; - уровень шума и вибрации ВИСГ в несколько раз ниже чем шум и вибрации стандартного стартера с механическим редуктором и приводного механизма.
Система управления (СУ) (рис. 2.10) является неотъемлемой частью вентильно-индукторной машины, без которой невозможно непрерывное преобразование энергии. Основное назначение системы управления - осуществлять коммутацию фаз ИМ, а также обеспечивать защиту компонентов ВИСГ от выхода из строя. Сложность исполнения системы управления диктуется исключительно требованиями, предъявляемыми к вентильно-индукторному приводу. При наличии бортового компьютера автономного объекта, СУ ВИСГ может быть связана с ним, что значительно расширяет возможности управления и контроля.
Электронный коммутатор одной фазы состоит из двух электронных ключей (для фазы А ключи S1 и S2 рис.2.10 - обычно MOSFET или IGBT транзисторы), и двух диодов Dl, D2 (рис.2.10). Электронные ключи работают в синхронном режиме, т.е. по сигналу блока управления ключи срабатывают одновременно. Асинхронный режим работы ключей также возможен,но применяется реже. Фаза ИМ подключается к точкам 1 и 2 (рис.2.10). На шины, соединяющие коммутатор с фазами ИМ, устанавливаются датчики тока. Конденсатор С сглаживает пульсации напряжения в генераторном режиме, а также при ис
Анализ влияния основных параметров на выходные характеристики проектируемого стартер-генератора
Увеличение активной длины машины при сохранении напряжения питания и обмоточных данных приводит к увеличению максимального момента и уменьшению мощности ВИСГ в стартерном режиме. Увеличение момента вызвано пропорциональным увеличением потокосцепления как в согласованном, так и в рассогласованном положении, что приводит к пропорциональному увеличению производной магнитной энергии по углу поворота (2.25, 2.26). Соответственно, при одинаковых значениях МДС обмотки, ВИСГ с различной активной длиной имеет тем больший момент, чем больше длина активной части машины.
Уменьшение мощности с ростом активной длины объясняется тем, что пропорционально увеличению активной длины увеличивается индуктивность обмотки, а следовательно, Евращ , противодействующая нарастанию тока, также возрастает.
Характерной точкой на механических характеристиках является точка соа (рис.3.2), соответствующая окончанию режима токоограничения. При скоростях выше скорости соа , происходит естественное уменьшение тока вследствие увеличения Евращ и соответствующего изменения знака производной по (2.30). Мощность развиваемая ВИСГ при скоростях выше соа стано вится постоянной (кривые 3 и 4 рис.3.2). При увеличении индуктивности обмотки точка ша смещается в область меньших скоростей ( сюа рис.3.2).
Если сравнить производные тока на одной и той же скорости, но при различии активной длины в два раза, то производная тока машины (2.29, 2,30) с увеличенной длиной окажется меньше. Это означает, что при скоростях, выше точки соа , развиваемая мощность при увеличенной длине оказывается меньше, чем при укороченной машине. На рис. 3.2 представлены механические характеристики ВИСГ при активной длине 1бХ (кривая 1, 3) и 2=2 lS\ (кривая 2, 4). сти с ростом индуктивности. На одинаковых скоростях вращения увеличение индуктивности приводит к увеличению постоянной времени переходного процесса намагничивания, что уменьшает предельный ток возбуждения и ведет к падению мощности генератора с ростом скорости тем интенсивнее, чем выше индуктивность обмотки.
Возможен режим генератора, когда к началу следующего периода коммутации, вследствие большой индуктивности, ток не успевает упасть до нуля. Соответственно на возбуждение тратится минимум энергии, так как ток циркулирует в обмотке постоянно, но в данном случае протекающий ток будет создавать потери постоянно, даже вне периодов коммутации фазы. Это вызовет падение КПД, однако позволяет расширить диапазон рабочих скоростей в высокоскоростную область.
К увеличению выходной мощности как в стартерном, так и в генераторном режиме ведет увеличение напряжения питания и возбуждения. При одновременном увеличении и длины, и напряжения питания происходит не только рост мощности, но и увеличение пускового момента ВИСГ. В генераторном режиме, увеличение напряжения возбуждения ведет к расширению диапазона рабочих скоростей.
Увеличение внешнего диаметра позволяет увеличить число пар полюсов или число фаз, что ведет к повышению выходной мощности ВИСГ. Также это позволяет увеличить отношение потокосцеплений в согласованном и рассогласованном положениях Л или повысить жесткость ярма статора и ротора, что улучшает виброаккустические характеристики ВИСГ
Увеличение соотношения Л , как показано в [98], ведет к увеличению вращающего момента при одной и той же МДС фазы (2.4.2).
Увеличение воздушного зазора между статором и ротором 5 ведет к уменьшению Л , что, как и во всех электрических машинах, основанных на реактивном взаимодействии, приводит к уменьшению выходной мощности. В связи с этим, воздушный зазор в ВИСГ стараются выполнить наименьшим. Изменение обмоточных данных приводит к изменению индуктивности фазы ИМ, что вызывает изменения в выходных характеристиках такие же, как длины машины. Одновременно с изменением числа витков изменяется сечение проводников, что влечет за собой изменение КПД ВИСГ. При изменении активной Рис. 3.3 Выходная мощность генератора при различной длине длины практически про активной части. порционально изменяет 2- I =2-1 ся и сопротивление фазы, однако, при заданном максимальном токе фазы при увеличении длины не происходит увеличения плотности тока, что наблюдается при увеличении числа витков.
Конфигурация магнитной системы - соотношение числа зубцов статора Zs и ротора ZR - во многом определяет эффективность работы ВИСГ. Как показано в [98], энергетически более выгодны конфигурации с числом зубцов статора больше, чем на роторе, ZS ZR (рис.3.4). При этом время коммутации, а соответственно и частота следования импульсов, уменьшается, снижая потери в магнитопроводе ИМ. Требуемая мощность электронного преобразователя также снижается с 5...6 Рном до2...3 Рном .
Как показывают проведенные исследования, увеличение числа зубцов ротора, такое что ZS ZR , не приводит к ожидаемому росту мощности в генераторном режиме, так как одновременно с ростом ЭДС вращения практиче ски обратно пропорционально уменьшается отношение Л , характеризующее развиваемый вращающий момент. Выбор ZR больше числа зубцов статора позволяет сместить диапазон рабочих скоростей генератора в область низких скоростей, но, как правило, не ведет к его расширению.
Уменьшение числа зубцов статора и соответствующее уменьшение числа зубцов ротора, ведет к уменьшению либо числа фаз, либо числа полюсов по (2.1). При сохранении требуемой мощности это приводит к увеличению электромагнитной нагрузки на один зубец. Таким образом, МДС катушки увеличивается в соответствии с уменьшением числа по люсов. Однако при уменьшении Zs наблюдается рост отношения Л , вследствие чего электрическая машина, обладающая теми же габаритными размерами, способна развивать большую мощность.
Математическая модель стартер-генератора на базе вентильно-индук-торной машины
Основное отличие быстрой ММ от уточненной состоит в расчете характеристики —f{y,i) . При этом, для построения семейства характеристик намагничивания расчеты магнитного поля требуется проводить только для двух определяющих пространственных положений — рассогласованного f{yu,i) и согласованного Y—f(ya,i) [31]. Задачей аппроксимации характеристик намагничивания при этом становится нахождение аналитической зависимости У=/{уа,і),веотІ .
Нарис. 4.1 представлены характеристики L(y,i)j=const={y,i)/i , полученные из расчетов магнитного поля методом конечных элементов. Рост индуктивности при изменении угловой координаты ротора от рассогласованного к согласованному положению объясняется ростом магнитной проводимости воздушного зазора.
Зависимость L=L{y)i=const имеет три четко выраженных участка. На первом участке (0 у ух) индуктивность фазы практически не зависит от углового положения. На втором (yx y yhr) происходит линейное нарастание индуктивности, что соответствует линейному увеличению площади взаимного перекрытия зубцов статора и ротора. На третьем участке {yhr y ya) индуктивность плавно увеличивается до своего значения в согласованном положении. При этом на участке вблизи согласованного положения (у2—У—У а) индуктивность также может оставаться постоянной, если bzs bZR .
При увеличении значения тока в обмотке вследствие насыщения магни-топровода индуктивность согласованного положения уменьшается. Изменение индуктивности согласованного положения от тока Lmax(i) определяется из расчетов магнитного поля. Для рассогласованного положения, как видно из рис.4.1, значение индуктивности практически не меняется при изменении тока. Для аппроксимации достаточно определить Lmin для одной точки характеристики, что сокращает требуемое число расчетов магнитного поля.
Существует несколько методов аппроксимации семейства характеристик намагничивания. Наиболее распространенный метод - использование для нелинейных участков кривой Frohlich аппроксимации [31], [97].
Уравнения кривых для трех участков характеристики намагничивания при заданном значении тока:
Хорошие результаты также показывает аппроксимация с помощью функции нормального распределения вероятности. При этом значение математического ожидания {л соответствует углу уа , а дисперсия сг определяется углом у0
Аппроксимация нелинейных участков характеристики возможна также с помощью гармонических функций, однако вследствие необходимости определения угла сопряжения функции и ее производной требует больше вычисли тельных ресурсов. Из условия равенства аппроксимирующей функции в точках Lmax{i) и Lmin требуемой функции и неразрывности первой производной на участке II находят значения для гармонических функций, которыми аппроксимируют участки I и III. На рис.4.2 приведены варианты аппроксимации различными методами и функция полученная с помощью численного моделирования поля (FEM) для ненасыщенной ИМ магнитной цепи (ток ЗОА рис.2.23).
К сожалению, несмотря на хорошую точность данных методов при малых насыщениях магнитопровода, в насыщенных режимах (рис.4.3) они дают большое расхождение, особенно в значении производной потокосцепления по углу, что приводит к ошибкам вычисления развиваемого момента и ЭДС.
Происходит это из-за того, что первоначальное аппроксимирование происходит прямыми, определяемыми Lmax(i) , Lmin , у, , у2 . Основная ошибка вносится при определении углов у{ и уг , так как аналитические методы не могут учесть возрастания магнитного поля в области пазов статора при насыщении магнитной системы. Для уточнения математической модели зависимость Y=f(y,i) переводят в гладкую форму (рис.4.4) многократным моделированием магнитного поля ИМ численными методами с последующей интерполяцией результатов. Моделирование магнитного поля достаточного провести на одном периоде коммутации фазы ИМ.
