Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задачи исследования 7
1.1 Основные этапы развития тягового электропривода подвижного состава 7
1.2 Подвагонные электрогенераторы 18
1.3 Перспективы использования вентильно-индукторного привода на подвижном составе железных дорог 19
1.4 Компьютерное моделирование единицы подвижного состава как электромеханической системы 27
1.5 Выводы по первой главе 31
2 Компьютерная модель управляемой электромеханической системы «вагон - подвагонный вентильно-индукторный генератор» 34
2.1 Описание конструкции подвагонного вентильно-индукторного генератора 34
2.1.1 Установка ВИГ на вагоне-рефрижераторе 39
2.1.2 Установка ВИГ на пассажирском вагоне 40
2.2 Моделирование механической части вагона в программном комплексе «Универсальный механизм». 41
2.2.1 Уравнения движения системы твердых тел 42
2.2.2 Применение ПК «Универсальный механизм» 46
2.3 Построение компьютерной модели электрической части вентильно-индукторного генератора 54
2.3.1 Расчет электромагнитных характеристик ВИМ 5 8
2.3.2 Повышение эффективности расчета магнитных характеристик 61
2.3.3 Способы управления вентильно-индукторным генератором 64
2.3.4 Компьютерная модель электрической части ВИГ 74
2.4 Сопоставление результатов компьютерного моделирования и стендовых испытаний 2.4.1 Результаты компьютерного моделирования динамики управляемой электромеханической системы «вагон - подвагонный вентильно-индукторный генератор» 80
2.5 Выводы по второй главе 86
3 Улучшение эксплуатационных характеристик вентильно-индукторного генератора путем увеличения числа фаз при неизменной конфигурации статора 88
3.1 Варианты исполнения ВИМ со статором, имеющим 18 зубцов 88
3.2 Электромагнитные процессы в ВИМ конфигурации 18/15 91
3.3 Компьютерная модель ВИГ 18/15 101
3.4 Анализ энергетических показателей ВИГ 106
3.5 Экспериментальное подтверждение 110
3.6 Результаты компьютерного моделирования динамики управляемой электромеханической системы «вагон - подвагонный вентильно-индукторный генератор 18/15» 115
3.7 Выводы по третьей главе 117
4 Возможности улучшения динамических характеристик и энергоэффективности тягового подвижного состава за счет применения шестифазных вим конфигурации 18/15 120
4.1 Тяговый двигатель НТИ-3 50 121
4.2 Вентильно-индукторные двигатели для безредукторного тягового привода 124
4.3 Концепция электрической передачи тепловоза на базе вентильно-индукторных машин 126
4.4 Выводы по четвертой главе 131
Заключение 132
Литература
- Перспективы использования вентильно-индукторного привода на подвижном составе железных дорог
- Моделирование механической части вагона в программном комплексе «Универсальный механизм».
- Электромагнитные процессы в ВИМ конфигурации 18/15
- Вентильно-индукторные двигатели для безредукторного тягового привода
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из условий успешного развития экономики Российской Федерации является наличие эффективной и надежной транспортной системы, что предопределяет высокие требования к качеству подвижного состава железных дорог.
В процессе эволюции подвижного состава на протяжении длительного времени применялись коллекторные электрические машины постоянного тока, что было обусловлено такими их качествами, как простота конструкции и управления. Наряду с этим, существенным недостатком является наличие кол-лекторно-щеточного аппарата.
В настоящее время на самоходном подвижном составе повсеместно находят применение бесколлекторные электрические машины переменного тока (синхронные тяговые генераторы и асинхронные тяговые двигатели), главным образом по причине высокой мощности и надежности. Однако, такие машины требуют наличия сложных микропроцессорных систем управления и преобразования энергии.
Вместе с тем, появляются новые виды высокоэффективных электрических машин, которые имеют перспективы использования на железнодорожном подвижном составе. К их числу относятся вентильно-индукторные машины (ВИМ), которые находят применение главным образом как двигатели в составе тяговых и вспомогательных электроприводов. Вместе с тем, и в качестве генератора такая машина представляет значительный интерес для подвижного состава, в том числе как подвагонный генератор.
Отметим здесь такие достоинства ВИМ, как высокий к.п.д. и отсутствие обмоток на зубчатом роторе. Кроме того, по сравнению с электрическими машинами других типов ВИМ конструктивно проще и технологичнее, имеет меньшие расходы меди и изоляционных материалов при практически одинаковых массах электротехнической стали. В итоге, это позволяет достичь более высоких энергетических и массогабаритных показателей, снизить стоимость ВИМ и затраты на эксплуатацию. Кроме того, при использовании ВИМ в качестве генератора применение управляемого электромагнитного возбуждения позволяет получать стабилизированное выходное напряжение при изменении частоты вращения вала в широком диапазоне, что особенного важно для подвагонного генератора.
Вместе с тем, имеется ряд проблем, сдерживающих начало широкого применения ВИМ. К их числу относятся существенные пульсации электромагнитного момента таких машин, высокий уровень шума, необходимость установки специальных датчиков и систем управления и т.д.
Из выше сказанного вытекает актуальность постановки задачи углубленного исследования динамики и энергоэффективности единиц подвижного состава (как вагонов, так и локомотивов), оснащаемых вентильно-индукторными электрическими машинами, рассматривая их в качестве управляемых электромеханических систем. В ходе исследования неизбежно появление новых предложений как по конструкции и параметрам ВИМ, так и по алгоритмам управления, имеющим конечной целью создание более эффективных
конструкций, полностью отвечающих требованиям, предъявляемым к железнодорожному подвижному составу.
Целью работы является улучшение динамических и энергетических показателей перспективных единиц подвижного состава, оснащаемых вентильно-индукторными электрическими машинами (в частности, подвагонными генераторами), рассматриваемых в качестве управляемых электромеханических систем. В итоге должны быть сформулированы предложения по конструкции вен-тильно-индукторной машины и алгоритмам управления, для удовлетворения основным требованиям, предъявляемым к электрическим машинам для подвижного состава.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
разработана компьютерная модель электромеханической системы «вагон - подвагонный ВИГ», предназначенная, главным образом, для изучения динамических процессов, возникающих при движении;
выполнено исследование переходных электромеханических процессов в системе «вагон - подвагонный ВИГ» при разгоне и торможении;
выполнено сравнение основных характеристик вентильно-индукторного двигателя НТИ-350 конфигурации 12/8 (три фазы), разработанного в ОАО ВЭлНИИ для электропоездов, полученных в результате расчетов на компьютерной модели и экспериментальных данных, опубликованных в периодических изданиях;
выполнено сравнение основных характеристик разработанного в РГУПС подвагонного ВИГ конфигурации 18/12 (три фазы), полученных в результате численного эксперимента на компьютерной модели и экспериментальных данных, полученных на стенде;
- выполнено исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его энергетические и виброакустические характеристики при неизменной конфигурации статора за счет изменения числа зубцов ротора;
- разработан и изготовлен лабораторный макет ВИМ конфигурации
18/15 (шесть фаз), выполнено сравнение расчетных данных, полученных на
компьютерной модели и экспериментальных данных, полученных на лабора
торном макете.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были применены методы теории электромагнитного поля, теории электрических цепей, динамики систем твердых тел, методы компьютерного моделирования электромеханических систем, а также методы интерактивной отладки микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки Code Composer Studio.
Модель механической части вагона разработана на основе формального метода Ньютона-Эйлера в программном комплексе «Универсальный механизм». Модель электрической части разработана в программном комплексе MATLAB-Simulink. Расчет схемы замещения магнитной системы, с учетом насыщения магнитопровода и взаимного влияния фаз проводился с использованием метода конечных элементов в программном комплексе FEMM. Модели
объединены в комплексную электромеханическую модель по средствам внешних связей.
Экспериментальные исследования выполнены в ЗАО «Тверской институт вагоностроения» на опытном образце подвагонного ВИГ мощностью 16 кВА, а также на макетном образце вентильно-индукторной машины мощностью 0,5 кВА (число зубцов статора 18, числа зубцов ротора 12 и 15).
Достоверность научных результатов обеспечена адекватностью и корректностью применяемых в работе теоретических положений, математических методов и программных комплексов, и подтверждается результатами экспериментальных исследований, выполненных автором, а также данными литературных источников.
Основные научные результаты и положения, выносимые автором на защиту:
Компьютерная модель, методы и результаты расчета динамической системы «вагон-подвагонный ВИГ» в режимах разгона и торможения поезда.
Улучшение энергетических и виброакустических показателей ВИМ за счет обеспечения поворотной симметрии её магнитной системы с углом поворота равным 120 (защищено патентом).
Компьютерная модель, учитывающая сильное магнитное взаимодействие фаз, методы и результаты расчета динамической системы «вагон-подвагонный ВИГ» при применении ВИГ с конфигурацией магнитной системы с поворотной симметрией, с числом фаз равным шести и конфигурации 18/15.
4. Снижение амплитуды пульсаций электромагнитного момента ВИМ в
шесть раз, уровня шума на 8 дБ при неизменной конфигурации статора, за счет
изменения числа зубцов ротора, что было обнаружено путем компьютерного
моделирования и затем подтверждено экспериментально.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Разработана компьютерная модель управляемой электромеханической системы «единица подвижного состава - вентильно-индукторная машина», методика построения которой основывается на использовании внешних связей между комплексами программ.
Выполнено исследование динамических электромеханических процессов в системе «вагон - подвагонный ВИГ», происходящих в режимах разгона, движения с постоянной скоростью и экстренного торможения.
Проанализированы различные варианты конфигурации ВИМ, показано, что машина с шестифазной конфигурацией 18/15 обладает оптимальными характеристиками по пульсациям момента, по стоимости преобразователя и по энергетическим показателям. Она представляет собой ВИМ с существенным взаимным влиянием фаз, что отличает её от традиционных ВИМ. При конфигурации 18/15 происходит частичный обмен энергии между фазами в магнитном поле, достигающий 20%.
Предложена оригинальная конфигурация ВИМ с поворотной симметрией магнитной системы, с углом поворота 120 (защищена патентом).
5.Разработаны методы расчета магнитной системы ВИМ с поворотной симметрией, учитывающей сильное взаимное влияние фаз.
Практическая ценность заключается:
1.В разработке методики расчета электромеханической системы «вагон-подвагонный ВИГ».
В создании методики расчета ВИМ с магнитной системой, имеющей поворотную симметрию и учитывающей сильное взаимодействие между фазами.
В разработке рекомендаций по выбору конфигураций магнитной системы, регулированию напряжения питания и выбору режимов коммутации ВИГ, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики.
4.3а счет повышения энергоэффективности, а также снижения пульсаций электромагнитного момента и уровня шума ВИМ предлагаемой конфигурации, можно рекомендовать её применение на подвижном составе, в том числе в качестве подвагонного генератора для пассажирских вагонов, тяговых генераторов и двигателей ТИС.
5.Предложена схема перспективной электрической передачи мощности тепловоза в составе вентильно-индукторного тягового генератора и вентильно-индукторных тяговых двигателей. Тяговый ВИГ заменяет синхронный тяговый генератор, синхронный возбудитель и стартер-генератор, а система регулирования заменяется микропроцессором.
Результаты диссертации реализованы в виде компьютерных моделей и методик расчета, которые использовались:
при выполнении х/д №124 «Создание комплекта автономного энергоснабжения на базе модернизированной тележки КВЗ-И2 с вентильно-индукторным подвагонным генератором для электропитания потребителей рефрижераторных вагонов и контейнеров»;
при выполнении работ по государственному контракту от 8.09.2010 г. № 14.740.11.0110 по теме «Создание энергоэффективного безредукторного двигателя электропоезда», новая конфигурация магнитной системы ВИМ 18/15 использована для разработки проекта высокомоментного тягового электродвигателя мощностью 350 кВт;
для расчета динамических режимов работы тягового двигателя НТИ-350;
для разработки конкурентоспособной на российском и зарубежных рынках электротехнической продукции промышленного назначения в фирме ООО «Сапфир».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-техническом семинаре «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа» Брянского государственного технического университета (г. Брянск, 2009г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт-2010» и «Транспорт-2011» (РГУПС, г. Ростов н/Д), на ежегодных научно-технических конференциях и семинарах РГУПС с 2009 по 2011 гг., на заседании учебно-методической комиссии по специальности 190301 «Локомотивы» (г. Ростов н/Д, май 2011 г.), на Международной конференции ElectrlMACS 2011 (l'Universite de Cergy-Pontoise, France,
June 2011), на 3-й Российской конференции «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, г. Москва, апрель 2012).
Работа полностью доложена и обсуждена на расширенном заседании кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГУПС 19.04.2012 г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 17 печатных работ, из них шесть статей в журналах, входящих в перечень ВАК. Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа общим объемом 148 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Перспективы использования вентильно-индукторного привода на подвижном составе железных дорог
Наряду с тяговым подвижным составом, силовыми электрическими машинами оснащаются пассажирские вагоны и вагоны-рефрижераторы. Здесь они используются в качестве генераторов.
В применяемых на железной дороге системах электроснабжения вагонов используются, в основном [1.5-1.6], подвагонные генераторы следующих типов: - постоянного тока с поперечным магнитным полем смешанного возбуждения (компаундные); - постоянного тока с продольным магнитным полем и параллельным возбуждением (шунтовые); - синхронные генераторы переменного тока; - индукторные генераторы переменного трехфазного тока. Генераторы имеют привод от оси колесной пары и выполнены полностью закрытыми. Генераторы устанавливают под вагоном, охлаждение их осуществляется благодаря обдуву потоком воздуха при движении вагона. В некоторых конструкциях на вал якоря насаживают крыльчатку.
Поскольку аккумуляторная батарея может заряжаться только постоянным током, генератор устанавливают под вагоном вместе с выпрямителем, который преобразует вырабатываемый генератором переменный ток в постоянный. В качестве унифицированного для всех пассажирских вагонов без кондиционирования воздуха отечественного производства, а также для вагонов постройки заводов Германии принят генератор типа 2ГВ.003.
На вагонах с кондиционированием воздуха применяются трехфазные генераторы переменного тока индукторного типа DCG 4435/24/2а38 производства Германии и с 1996г. - генераторы типа ЭГВ.08.У1 производства Псковского машиностроительного завода. Эти генераторы имеют номинальную мощность 35 кВА при номинальном напряжении 116 В.
На вагонах с кондиционированием воздуха при автономной системе
электроснабжения устанавливают электромашинные преобразователи. Они представляют собой агрегаты, состоящие из смонтированных в одном корпусе асинхронизаторного трехфазоного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, питающегося от внешней сети напряжением 220/380 В или только 380 В, и генератора постоянного или переменного тока со смешанным возбуждением с напряжением на выходе 135-150 В. Обе машины имеют между собой только механическую связь. Генератор выполняет такую же функцию, как и на вагонах без кондиционирования воздуха, а электродвигатель предназначен для привода генератора при длительных отстоях в парках формирования и оборота, чтобы можно было производить зарядку аккумуляторной батареи и проверять работоспособность всего электрооборудования. Привод генератора при движении вагона осуществляется от средней оси колесной пары через редуктор, карданный вал и фрикционную муфту сцепления
Таким образом, единицы подвижного состава (тепловозы, электровозы и вагоны) постоянно совершенствовались как по механической части, так и по электрической. В преобразовании энергии использовались: машины постоянного тока; синхронные машины переменного тока в качестве генераторов; индукторные генераторы и асинхронные двигатели.
1.3 Перспективы использования вентильно-индукторного привода на подвижном составе железных дорог
«Типаж» 2002 года перспективного подвижного состава [1.7] ориентирует разработчиков и производителей подвижного состава на широкое внедрение технических решений с использованием тяговых приводов на основе бесколлекторных двигателей и статических преобразователей частоты с микропроцессорными системами управления. Основным типом тягового привода, заложенным в «Типаже» 2002 года для перспективных грузовых, пассажирских и маневровых электровозов и тепловозов, является электропередача переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями.
Создание электровозов с асинхронным тяговым приводом (АТП) стало реальной задачей после освоения выпуска быстродействующих полупроводниковых приборов большой единичной мощности и высокопроизводительных микропроцессоров.
Работы по созданию асинхронного тягового привода электровозов были начаты в нашей стране в середине 60-х годов прошлого века. В 1968 г. была изготовлена макетная секция грузового восьмиосного электровоза с АТД, а в 1971 г. Новочеркасским электровозостроительным заводом по проекту ВЭлНИИ изготовлен опытный образец такого электровоза ВЛ80А-751 с часовой мощностью 9600 кВт.
Следующим этапом работ в этом направлении стало создание грузового двенадцатиосного электровоза переменного тока ВЛ86Ф. Статические преобразователи для этих электровозов были созданы с использованием традиционных быстродействующих тиристоров. Например, преобразователь электровоза ВЛ86Ф был построен на тиристорах ТБ-253 12-го класса со временем выключения 40 мкс и ТБ-253 14-го класса со временем выключения 50 мкс.
Опытная эксплуатация первых электровозов с АТП [1.8-1.12] позволила найти оптимальные решения по схемам преобразователей, конструкции тяговых двигателей и алгоритмам системы управления.
К настоящему времени выпущены пассажирские электровозы с АТП это и это. Тепловозы с электрической передачей переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями. В 1968 г. на базе маневрового тепловоза ВМЭ1А-024 был создан макетный тепловоз с АТД, питаемыми от автономного инвертора напряжения.
По результатам испытаний в 1970 г. был построен магистральный тепловоз ТЭ120, оснащенный асинхронными тяговыми двигателями ЭД900. На испытаниях опытных образцов тепловозов всегда отмечались их хорошие тяговые качества и приемлемая энергетика, но из-за низкой надёжности преобразовательных устройств того времени создать тепловозы с АТД для эксплу 21 атационной работы так и не удалось.
Первым тепловозом с АТД, который удалось довести до эксплуатации, стал тепловоз 2ТЭ25А «Витязь», разработанный ОАО «ВНИКТИ» совместно с ЗАО УК «БМЗ».
Тепловоз создан полностью на отечественной технологической базе. Тяговый преобразователь, выполненный на IGBT-транзисторах, является ключевым инновационным элементом «Витязя».
Для создания подвижного состава нового поколения большое значение имеет разработка высокоэффективных электроприводов новых типов [1.13-1.14].
В настоящее время наблюдается интенсивное развитие новых систем тяговых бесколлекторных электроприводов подвижного состава с высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. При этом рассматриваются вентильно-индукторные двигатели, а также двигатели с постоянными магнитами.
В нашей стране первые работы по созданию вентильно-индукторных электроприводов (ВИП) приходятся на начало 80-х годов [1.15-1.17]. В работах отмечается высокий КПД двигателя. Ряд работ посвящен аналитическому обзору и сравнению ВИД с традиционными конструкциями электрических машин [1.18-1.22] и рассмотрению вопросов применения ВИД на подвижном составе железных дорог [1.23]. За рубежом ВИП также находит широкое применение, диапазон освоенных мощностей достаточно широк - от единиц Вт до нескольких МВт [1.24-1.26].
Моделирование механической части вагона в программном комплексе «Универсальный механизм».
Существует несколько подходов к анализу уравнений движения, причем выбор конкретного из них в значительной степени определяется особенностями моделируемого объекта [2.9].
Это может быть численное интегрирование уравнений для объекта, совершающего сложное пространственное. Для системы, звенья (тела) которой совершают малые движения, около фиксированного в пространстве положения, часто используется определение собственных значений и собственных векторов.
Значительную информацию для поведения некоторых систем можно получить, решая задачу об устойчивости движения в окрестности положения равновесия или стационарного движения.
Представление результатов анализа уравнений движения объекта, наиболее удобно с использованием средств машинной графики. К таким средствам можно отнести анимацию движения (мультипликацию) и построение графических зависимостей переменных на экране дисплея.
Объектами применения UM являются системы абсолютно твердых тел (СТТ) [2.9]. Тела системы могут быть как несвязанными друг с другом, так и связанными посредством шарниров и силовых элементов. Обычно разделение конкретного объекта на отдельные тела не представляет проблем. Отдельные тела связываются шарнирами с безынерционными упругими элементами.
Для описания положения одного тела относительно другого используется понятие «шарнир». Большая часть шарниров, реализованных в UM, допускают описание положения одного тела относительно другого путем введения шарнирных координат. Естественно, при таком подходе шарнир можно ввести между любой парой тел, как кинематически связанных, так и несвязанных. Если пара тел связана шарниром в обычном смысле этого слова, например вращательным шарниром, то его задание в смысле UM предполагает, что будет описано положение одного тела относительно другого, а именно, положение связанной СК одного тела относительно связанной СК другого тела, и введены шарнирные координаты, то есть переменные, описывающие это положение. Полный набор координат для всего объекта при этом получается простым объединением локальных шарнирных координат. Такое описание шарниров происходит в программах ввода исходных данных и в значительной мере автоматизировано. При этом не обязательно, чтобы существовал шарнир, связывающий каждое тело с базой, достаточно, чтобы для каждого тела существовала цепочка попарно связанных тел, по которой можно добраться до базового тела. В этом и заключается обязательное условие связности моделируемого объекта. По условию связности также требуется, чтобы шарниры в цепочке были не произвольными, а конкретных типов. Всего в настоящее время в UM предусмотрены обобщенные модели шарниров следующих типов: вращательный; поступательный; шарнир с шестью степенями свободы; обобщенный; кватернионный; внутренний шарнир тела, основанный на шарнире с шестью степенями свободы; связь в виде невесомого стержня; сопряжения; шарнир постоянной скорости [2.9].
Также важным этапом исследования сложных механических систем является анализ их структуры, основанный на рассмотрении графа объекта. Вершинами графа являются тела, в том числе базовое, а ребрами - шарниры. При сформулированных ранее условиях связности объекта, граф является связным, если между любыми его вершинами-телами существует, по меньшей мере, один путь. Связность графа следует из того условия, что для каждого тела в системе существует цепочка, соединяющая его с базовым телом. Если между любой парой вершин графа существует единственный путь, то граф является деревом, и мы будем говорить, что механическая система имеет структуру дерева. Если же это условие нарушено, то есть можно найти, по крайней мере, одну пару тел, между которыми существует более одного пути, то граф имеет циклы. В этом случае мы будем говорить, что механическая система содержит замкнутые кинематические цепи (или, короче, замкнутые цепи). Нетрудно понять, что в этом случае в системе существуют тела, связанные с базовым более чем одной цепочкой.
Большинство механизмов имеет замкнутые цепи. Примером может служить кривошипно-ползунный механизм. Исследование объектов с замкнутыми цепями значительно сложнее, чем в случае систем со структурой дерева. Наиболее эффективный прием состоит в том, что условно разрезаются несколько шарниров таким образом, чтобы получить в результате дерево. Число разрезаемых шарниров равно числу независимых циклов в графе объекта. Ясно, что почти во всех случаях выбор разрезаемых шарниров является неоднозначным и поэтому имеется возможность их наилучшего, оптимального выбора, например с целью упрощения уравнений движения, уменьшения их объема и снижения числа арифметических операций при численном моделировании движения. В комплексе UM этот выбор производится автоматически на основе анализа графа. Оптимальное разрезание базируется на алгоритме Дийкстры поиска минимальных по весу путей от корня графа к каждой вершине-телу.
Для сложных механических систем с большим числом тел серьезной проблемой является не только анализ уравнений, но и их вывод и даже описание структуры объекта. Комплекс UM позволяет полностью автоматизировать эти операции, что кардинальным образом повышает производительность труда исследователя. Если объект содержит более двух десятков тел, то даже ввод традиционных данных для описания его инерционных и кинематических свойств сопряжен со значительными затратами времени. Реализованный в UM метод подсистем в значительной степени упрощает эту процедуру, особенно в случаях, когда анализируется техническая система, содержащая несколько типовых подсистем.
Электромагнитные процессы в ВИМ конфигурации 18/15
В [3.1] сказано, что «если по условиям работы ВИМ должна обеспечивать высокую стабильность частоты вращения и малый уровень пульсаций момента, то количество фаз следует выбирать максимально возможным». Увеличение числа фаз ВИМ можно получить путем изменения числа зубцов ротора при сохранении прежнего статора с 18 зубцами, что диктуется экономическими соображениями.
Рассмотрим возможные варианты конфигураций ВИМ со статором, имеющим 18 зубцов, на каждом из которых расположена одна катушка, в зависимости от количества зубцов на роторе (количество зубцов ротора меньше 18): а) 18/9 - двухфазная машина, пульсации момента которой будут больше, чем у трехфазной машины [3.1], причем эти пульсации принципиально невозможно устранить [3.2]; б) 18/12 - трехфазная машина, число зубцов статора увеличено втрое по сравнению с базовой трехфазной машиной конфигурации 6/4. Это позволяет понизить уровень шума [3.1]. Такую конфигурацию имеет изготовленный подвагонный ВИГ; в) 18/16 - девятифазная машина [3.3] с чередующейся полярностью со седних обмоток. Отметим, что число силовых полупроводниковых приборов (СПП) в преобразователе увеличивается в три раза по сравнению с преобра зователем трехфазной машины. г) 18/15 - на основе анализа работы ВИГ с различными числами зубцов ротора автором настоящей работы предлагается шестифазная машина конфи гурации 18/15. Стоимость преобразователя для неё будет существенно ниже, чем для девятифазной: известна конструкция преобразователя для её пита ния, имеющая такое же количество СПП, как и для трехфазной машины [3.4]. Основным условием устранения пульсаций электромагнитного момента в ВИМ является частичное перекрытие зон работы машины соседними фазами. Для оценки возможной степени перекрытия этих зон используется коэффициент абсолютного перекрытия [3.2, 3.4]: РА =т/2, где т - число фаз ВИМ. Из анализа этого выражения следует, что значение коэффициента абсолютного перекрытия пропорционально числу фаз.
Как видно из таблицы 3.1, наименьшие пульсации момента имеют место при максимально возможном значении числа фаз, но при этом количество СПП значительно возрастает и стоимость преобразователя становится наивысшей. С другой стороны, наименьшая стоимость преобразователя достигается при минимально возможном значении числа фаз (две фазы), но такой вариант не рационален по виброакустическим показателям.
Варианты конфигурации [ВИМ Число Число Количество Количество Число Коэффициент зубцов зубцов фаз катушек в спп абсолютного на ста- на ро- одной фазе перекрытия, торе торе РА 18 9 2 9 8 1 18 12 3 6 12 1,5 18 15 6 3 24 (12) 3 18 16 9 2 36 4,5 Таким образом, низкий уровень пульсаций момента ВИГ и стоимость его системы управления представляют собой два взаимно противоречивых критерия, и предлагаемый вариант шестифазного генератора конфигурации 18/15 является оптимальным решением.
Рис. 3.1. Поперечное сечение активной зоны ВИГ (конфигурации 18/12 - слева, конфигурации 18/15 - справа)
Увеличение числа фаз до шести достигается заменой ротора, имеющего 12 зубцов, на ротор, имеющий 15 зубцов, то есть предлагаемый ВИГ имеет конфигурацию 18/15 (рис. 3.1). При этом форма зубца ротора остается прежней, уменьшается только промежуток между зубцами.
Работа фаз шестифазного генератора конфигурации 18/15 обеспечивается статическим преобразователем частоты [3.4], схема которого показана на рис. 3.2. Преобразователь имеет такое же количество СПП, что и преобразователь для питания трехфазного ВИГ (см. рис. 2.2), но в отличие от него, содержит второй конденсатор в схеме подключения обмоток.
Управление статическим преобразователем обеспечивается системой управления (СУ), которая по сигналам датчиков тока фаз, датчика положения ротора и датчика напряжения на конденсаторе определяет время открытия и закрытия Л Г-транзисторов. При этом предусмотрена возможность управления по различным алгоритмам (минимум потерь, максимум мощности, минимум пульсаций электромагнитного момента и т.д.), о чем говорилось во второй главе.
Принципиальная схема шестифазного ВИГ конфигурации 18/15 ДПР - датчик положения ротора, ДТ - датчик тока, ДН - датчик напряжения, КП -колесная пара, СУ - система управления, СП - силовой преобразователь, VT1... VT6 силовые транзисторные ключи, VD1... VD6 - диоды, С1... С2 - конденсаторы, А.. F фазы ВИГ.
В настоящее время многие исследователи стремятся учитывать взаимное влияние фаз для классических ВИМ [3.5-3.10]. Отмечается положитель 92 ный эффект от данного взаимодействия, как правило мощность машины увеличивается на 5... 15%.
Для расчета магнитных характеристик ВИМ конфигурации 18/15 использовался пакет FEMM (см. главу 2). Картина распределения магнитных силовых линий в ВИГ конфигурации 18/15 показана на рис. 3.3.
Видно, что все катушки, в пределах одной фазы, соединены встречно. Магнитный поток, создаваемый фазой А полностью замыкается через соседние фазы (В, С, D, Е, F).
В результате расчета ВИМ 18/15 получены зависимости собственного потокосцепления рис. 3.5 и взаимных взаимные потокосцепления с другими фазами (рис. 3.4 -3.9). Видно, что интенсивность взаимных потокосцеплений достигает 50% от собственной. г AF J A Из анализа приведенных диаграмм следует, что в рассматриваемой ВИМ имеется интенсивное взаимное влияние между фазами. При этом, как видно, существенное воздействие оказывается на соседние фазы машины.
Предлагаемая ВИМ конфигурации 18/15 представляет собой «неклассическую» машину. У нее три катушки в фазе, которые создают встречные магнитные потоки, замыкающиеся через соседние фазы. При этом за счет сильного перекрытия работы фаз, соседние фазы участвуют в работе рассматриваемой фазы. Таким образом, при построении модели данной машины необходимо учитывать взаимодействие между соседними фазами.
Взаимодействие между фазами может быть классифицировано на две категории: 1) влияние взаимной индуктивности, 2) влияние взаимного насыщения. Взаимная индуктивность возникает вследствие перекрытия поля через другую фазу. Взаимное насыщение - влияние намагничивающей силы одной фазы на насыщение другой. Уровень насыщения оказывает влияние на потокосцепление и выходной момент.
Вентильно-индукторные двигатели для безредукторного тягового привода
Как и другие варианты бесколлекторных тяговых электроприводов - с асинхронными (АД), вентильными (ВД) и синхронными двигателями с постоянными магнитами (СПДМ), - привод с ВИД является сочетанием трех основных элементов: статического силового преобразователя, системы управления и электрической машины. Отличительные особенности структурных схем перечисленных электроприводов, систем преобразования и управления определяются различием используемых электрических машин [4.1].
В настоящей работе уже отмечалось, что основные отличительные особенности ВИД заключаются в простоте конструкции магнитной системы и обмоток, отсутствии обмоток на зубчатом роторе и питании обмоток статора однополярными импульсами тока по сигналам датчика положения ротора. По сравнению с двигателями других типов ВИД конструктивно проще и технологичнее, имеет меньшие расходы меди и изоляционных материалов при практически одинаковых массах электротехнической стали. Статический преобразователь является инвертором напряжения с включением каждой из фазных обмоток в диагональ индивидуальных мостов с силовыми транзисторными ключами и обратными диодами [4.1].
Во Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ОАО "ВЭлНИИ") выполнены теоретические и экспериментальные исследования [4.1] вентильно-индукторного электропривода, осуществлены проектные разработки такого рода привода различной мощности и созданы экспериментальные образцы статических преобразователей и двигателей. Была доказана возможность создания тягового вентильно-индукторного привода с необходимыми для по 121 движного состава показателями. Построена действующая натурная модель вагона такого электропоезда, которая проходит испытания.
Во второй и третьей главах подробно рассмотрены вопросы построения комплексной компьютерной модели электромеханической системы «вагон -подвагонный ВИГ». Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями. Отметим, что ВИМ способна работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому все принципы построения комплексных компьютерных моделей ВИГ можно отнести и к тяговым вид.
Также в третьей главе предложена ВИМ конфигурации 18/15, которая отличается по характеру протекающих в ней электромагнитных процессов и представляет собой неклассическую ВИМ. Показано, что ВИМ конфигурации 18/15 превосходит аналогичную машину 18/12 по удельной мощности, у неё ниже пульсации момента и уровень шума. При этом стоимость ВИМ конфигураций 18/12 и 18/15 вместе с преобразователем будет одинаковой.
Объектом для компьютерной модели ВИД выбран тяговый двигатель НТИ-350, предназначенный для пригородного электропоезда. Он разработан и изготовлен специалистами ОАО «ВЭлНИИ», ЮРГТУ(НПИ) и ООО «ПК «НЭВЗ»[4.1,4.2].
НТИ-350 представляет собой трехфазную ВИМ с конфигурацией магнитной системы 12/8, с явно выраженными полюсами [4.1]. На статоре размещены фазные обмотки, катушки каждой фазы размещены по окружности статора и соединены попарно последовательно с выведением начала и конца каждой пары во внешнюю цепь гибкими кабелями [4.2]. Это позволяет проводить испытания двигателя как при последовательном включении фазных катушек, так и при параллельном. Основные характеристики двигателя НТИ-350 приведены в первой главе настоящей диссертации (табл. 1.2).
Для питания ВИД используется трехфазный инвертор напряжения [4.3] с силовыми ключами на транзисторах IGBT, позволяющий в каждой фазной обмотке формировать однополярные импульсы тока с ограничением их амплитуды на заданном уровне. Развиваемый двигателем момент зависит как от значения и формы фазного тока, так и пространственного сдвига зубцовых структур статора и ротора.
При выполненном автором компьютерном моделировании ВИД были получены основные характеристики, которые практически совпадают с характеристиками, опубликованными в периодических изданиях [4.1] (рис. 4.2).
Применяя методы построения комплексных компьютерных моделей электромеханических систем, разработанные во второй главе, была построена модель электропоезда с вентильно-индукторным тяговым двигателем. Анимация движения компьютерной модели электропоезда показана на рис. 4.3. В перспективе возможно построение аналогичной модели для ВИД конфигурации 18/15 соответствующей мощности
