автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Динамика и энергоэффективность перспективных единиц подвижного состава, оснащаемых вентильно-индукторными электрическими машинами

На правах рукописи

¿1

Г

Гребенников Николай Вячеславович

ДИНАМИКА И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЕДИНИЦ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА, ОСНАЩАЕМЫХ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 идй ¿012

Ростов-на-Дону - 2012

005044264

005044264

Работа выполнена на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Зарифьян Александр Александрович

Космодамианский Андрей Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тяговый подвижной состав» Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения

Киреев Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент, Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр «ПРИВОД-Н»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Защита состоится «28» мая 2012 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения» по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2 (главный корпус, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2.

Автореферат разослан «27» апреля 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.01 доктор технических наук, профессор / В.А. Соломин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 давиых, 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 лабораторном 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:

1. Компьютерная модель, методы и результаты расчета динамической системы «вагон-подвагонный ВИГ» в режимах разгона и торможения поезда.

2. Улучшение энергетических и виброакустических показателей ВИМ за счет обеспечения поворотной симметрии её магнитной системы с углом поворота равным 120° (защищено патентом).

3.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:

1. Разработана компьютерная модель управляемой электромеханической системы «единица подвижного состава - вентильно-индукторная машина», методика построения которой основывается на использовании внешних связей между комплексами программ.

2. Выполнено исследование динамических электромеханических процессов в системе «вагон - подвагонный ВИГ», происходящих в режимах разгона, движения с постоянной скоростью и экстренного торможения.

3.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%.

4. 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».

2. В создании методики расчета ВИМ с магнитной системой, имеющей поворотную симметрию и учитывающей сильное взаимодействие между фазами.

3.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 ТПС.

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 ElectrEMACS 2011 (l'Umversite 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, приведены сведения о структуре диссертации.

Первая глава посвящена критическому анализу эволюции силовых установок и систем преобразования энергии на подвижном составе. Здесь сформулированы основные задачи исследования.

Выполненный обзор литературных источников показал, что энергоэффективность силовых установок и систем преобразования энергии единиц подвижного состава неуклонно повышалась, соответственно росли их основные динамические характеристики, такие как сила тяги, скорость и т.д.

Повышение энергоэффективности современных локомотивов обеспечивается, главным образом, применением новых типов электрических машин.

Большой вклад в разработку и исследование перспективных систем электроприводов внесли отечественные и зарубежные ученые: Ю.А. Бахвалов, М.Г. Бычков, A.B. Грищенко, И.П. Исаев, A.B. Киреев, Л.Ф. Коломейцев, Г. И. Кол-пахчьян, А.Б. Красовский, В.А. Кручек, В.А. Кузнецов, A.C. Курбасов, В .В. Ли-товченко, A.C. Мазнев, Д.К. Минов, В.И. Некрасов, С. А. Пахомин, А.Д. Пет-рушин, A.B. Плакс, Б.Д. Никифоров, H.A. Ротанов, В.Е. Скобелев, В.В. Стреко-пытов, Э.Д. Тартаковский, Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, Т.А. Тибилов, В.П. Феоктистов, В.Г. Щербаков, Ю.М. Иньков, В.П. Янов, С.А. Ferreira, T.J.E. Miller, A.V. Radun и др.

На основе анализа публикаций сделан вывод о том, что вентильно-индукторные машины находят применение в мощных приводах, как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. В настоящее время ВИМ находят распространение в промышленности, применяются в силовых установках гибридных автомобилей, а также на железнодорожном транспорте. ВИМ становится конкурентом синхронным машинам и асинхронным двигателям.

Для подвижного состава достоинствами ВИМ являются простота конструкции, надежность, работоспособность, высокие энергетические и удельные показатели. В то же время имеется ряд недостатков, в первую очередь повышенный уровень шума и вибраций, которые сдерживают широкое распространение таких машин.

Имеется разработанная концепция компьютерного моделирования сложных управляемых электромеханических систем (таких, как электровозы и теп-

ловозы), применение которой позволяет на стадии проектирования изучить особенности динамического поведения объектов исследования. Отметим работы в этом направлении Д.Ю. Погорелова, А.А. Зарифьяна, Е.М. Плохова, П.Г. Колпахчьяна и д.р.

В свете вышесказанного, сформулированы основные задачи исследования. К их числу относятся создание компьютерной модели электромеханической системы «вагон - подвагонный ВИГ», при помощи которой планируется изучить переходные электромеханические процессы в этой системе в различных режимах движения, в том числе при разгоне и торможении.

Необходимо выполнить сопоставление полученных на компьютерной модели основных характеристик разработанного в РГУПС подвагонного ВИГ конфигурации 18/12 (три фазы), выбранного в качестве прототипа, и экспериментальных данных, полученных на стенде.

Большой научный и практический интерес представляет исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его эксплуатационные характеристики (пульсации момента, уровень шума) за счет изменения числа зубцов ротора при неизменной конфигурации статора. Фаза ВИМ представляет собой группу соединенных катушек, расположенных на зубцах статора, для которых существует такое положение ротора, при котором его зубцы находятся в согласованном положении с зубцами статора.

Для подтверждения достоверности результатов теоретического анализа, необходимо разработать и изготовить лабораторный макет ВИМ конфигурации 18/15 (шесть фаз), выполнить сравнение расчетных данных, полученных на компьютерной модели и экспериментальных данных, полученных на лабораторном макете.

Актуальность работ в этом направлении отмечается в решениях и рекомендациях многих российских и международных научных форумов. Так, на международной конференции ElectrIMACS 2011 (l'Université de Cergy-Pontoise, France, 6-8 июня 2011 г.) отмечено, что с целью сокращения сроков разработки, длительности испытаний и доводочных работ при создании новых систем электроприводов целесообразно в полной мере использовать компьютерное моделирование всей электромеханической системы в целом.

Вторая глава посвящена, главным образом, вопросам разработки компьютерной модели управляемой электромеханической системы «вагон - подвагонный вентильно-индукторный генератор».

Приведено описание объекта исследования - трехфазного ВИГ конфигурации 18/12 разработки РГУПС (рис. 1). Расчетные параметры генератора: мощность - 16 кВт; диапазон частоты вращения 380...2400 об/мин; вырабатываемое напряжение - 537±20 В; род тока - постоянный; КПД - не менее 90%. Рассмотрены способы его установки на подвижном составе, дана принципиальная схема его подключения (рис. 2.)

Рис. 1. ВИГ разработки РГУПС

Рис. 2. Принципиальная схема трехфазного ВИГ

Механическая часть вагона, представленная как система твердых тел, состоит из кузова, двух рам тележек и четырех колесных пар, связанных между собой силовыми элементами и сочленениями, имеющими конкретные кинематические свойства. Подвагонный генератор пассажирского вагона приводится во вращение от колесной пары при помощи зубчатого редуктора и крепится непосредственно к кузову. Подвагонный генератор вагона-рефрижератора приводится при помощи текстропного привода и располагается на раме тележки.

Дифференциальные уравнения движения системы твердых тел записаны на основе формального метода Ньютона - Эйлера:

М(£>£+ *(£,£> = Є(£,£), (1)

где д - матрица-столбец обобщенных (лагранжевых) координат;

М — матрица масс;

к, 0 - матрицы-столбцы инерционных и активных сил.

Компьютерная модель механической части системы «вагон - подвагонный вентильно-индукторный генератор» (рис. 3) создана в программном комплексе «Универсальный Механизм» [www.umlab.ru].

Рис. 4. Компьютерная модель электрической части ВИГ

Рис. 3. Компьютерная модель «вагон - подвагонный ВИГ»

Компьютерная модель электрической части вентильно-индукторной машины разработана в программном комплексе МАТЬДВ/БишИпк (рис. 4).

Уравнение, описывающее процессы в фазе ВИМ:

йм/ „ . т <й ,с16 <И т сИ ,„л

Ж Л Л ¿в А

где

~ск~!нск дв Л" Л дв

ЭДС определяется как

д\и с1Ь е = со—— = ая-— дв ¿в

Рис. 5. Потокосцепление фазы ц, = /(г,6) Рис- б- ^Р анимации магнитно-

го поля подвагонного генератора (конфигурация 18/12)

Рассмотрены способы управления вентильно-индукторным генератором. При формировании генераторного режима углы открытия ЮВТ-транзисторов находятся в области снижения индуктивности фазы, т.е. йЫ йв < 0, а для формирования двигательного режима они должны находиться в области увеличения индуктивности фазы с1Ь/ ¿/0 > 0.

Направление ЭДС е определяется знаком производной (1Ь/ <&). Когда сЧ/ й9 > 0, ЭДС имеет положительный знак и препятствует нарастанию тока,

где ш - угловая скорость ротора:

йв со = —.

Л

Расчет электромагнитного поля опирается на уравнения Максвелла:

- - - - дБ гс1tH = J + J., го = ^

В = 0, Зв =уЁ, где В и Я - магнитная индукция и напряженность магнитного поля; J - вектор плотности тока в обмотках статора и ротора; 1е - вектор плотности вихревых токов в стали и меди; Ё - напряженность электрического поля.

При помощи пакета БЕММ получены зависимости потокосцепления фазы (// от тока г и углового положения ротора в (рис. 5) и динамическая картина магнитного поля (рис. 6).

направлена против приложенного напряжения и электрическая энергия преобразуется в механическую работу (двигательный режим). Когда <11/ еВ < О, ЭДС имеет отрицательный знак и поддерживает нарастание тока, при этом механическая энергия преобразуется в электроэнергию (генераторный режим). При этом амплитуда ЭДС изменяется в зависимости от скорости вращения ротора и характер изменения тока определен соотношением между ей V.

На рис. 7 показаны фазные токи г'рь, потокосцепление у/рь и идеализиро- ^ ванная индуктивность Ь в зависимости от угла поворота ротора 8.

Интеграл токов, показанных на рис. 7, может быть определен как:

"ОД "ЄХІ

4 = ¡ір^' !ои, = К

'р^

[о ~ Iт'

где 1о — ток генерации.

Коэффициент возбуждения 5 определяется следующим образом:

є =

/„ + /,»

Рис. 7. Фазный ток, потокосцепление и идеализированная индуктивность в генераторном режиме: 0Ш,-угол открытия, 0а-угол согласованного положения, 0ог- угол закрытия, 0м- угол окончания перекрытия полюсов, 9ц,- угол начала перекрытия полюсов, 90Х, - угол, при котором потокосцеп-лении достигает нуля

На рис. В показана схема управления ВИГ, в которой имеется обратная связь по напряжению в звене постоянного тока У ос, которое сравнивается с заданным значением напряжения Кс. Система управления изменяет углы открытия/закрытия ЮВТ-транзисторов и верхний порог токового коридора .

В качестве входных параметров система управления использует напряжение в звене постоянного тока Урс и угловую скорость вращения ротора со.

Блок ВИГ (см. рис. 8) объединяет в себе преобразователь и ВИМ, который генерирует ток !о.

Разность между А и током нагрузки 1

к

р^І-1 1 _

За* ВИГ

0-т, ВИГ

Рис. 8. Схема системы управления ВИГ

заряжает конденсатор фильтра С, заряд которого определяет значение напряжения звена постоянного тока У ос.

Компьютерные модели механической и электрической части электромеханической системы «вагон - подвагонный ВИГ» объединены в комплексную компьютерную модель через внешние связи между комплексами программ.

Результаты компьютерного моделирования (рис. 9, рис. 11) подтверждены экспериментальными данными (рис. 10, рис. 12), полученными при стендовых испытаниях ВИГ. Расхождение в результатах составляет не более 5 %.

Рис. 10. Осциллограмма напряжения на отключенной фазе генератора (стендовые испытания)

Рис. 9. Результат моделирования напряжения на отключенной фазе генератора (компьютерное моделирование)

Рис. 11. Ток в фазе ВИГ (компьютерное мо- Рис. 12. Осциллограмма тока в фазе ВИГ делирование) (стендовые испытания)

Необходимо выполнить исследование переходных процессов, возникающих в электромеханической системе «колесная пара пассажирского вагона -вентильно-индукторный генератор» в двух практически важных ситуациях: 1) при включении генератора на полную мощность при разгоне (колесная пара не должна блокироваться); 2) при экстренном торможении (в электрических цепях не должно возникать перенапряжений).

Соответствующие расчеты были выполнены для разгона с включением ВИГ до скорости 72 км/ч (рис. 13) и торможения с его выключением.

Генератор мощностью 32 кВт , $ ,„ .б » « .. включается на скорости 20 км/ч. Показано, что как при включении генератора на полную мощность 32 кВт во время разгона вагона, так и во время экстренного торможения с включенным генератором, не наблюдается возникновения аварийных ситуаций (юза колесной пары или перенапряже-

М, Н и

ний в электрических цепях). рис. із. Изменение электромагнитного момен-

та генератора 18/12 при разгоне Необходимо отметить, что электромагнитный момент ВИГ конфигурации 18/12 имеет значительные пульсации, что приводит к возникновению шума и вибраций.

Третья глава посвящена вопросам разработки новой конфигурации магнитной системы ВИМ, которая позволяла бы улучшить эксплуатационные показатели, без увеличения стоимости ВИМ. Изготовлен макетный образец ВИМ конфигурации 18/15.

Рассмотрены возможные варианты исполнения ВИМ со статором, имеющим 18 зубцов. В результате проведенного анализа получено, что оптимальной, с точки зрения удовлетворения двум противоречивым критериям -стоимости и эксплуатационных показателей — является шестифазная ВИМ конфигурации 18/15, которая принята в качестве базовой.

Данная конфигурация ВИМ защищена патентом.

Изучены возможные варианты схем силовых преобразователей для шестифазной ВИМ конфигурации 18/15.

Рис. 14. Принципиальная схема шестифазного ВИГ конфигурации 18/15

Принята схема Т. Миллера с нулевой средней точкой (рис. 14), которая использует минимальное число силовых полупроводниковых приборов (такое же, как и для коммутации трехфазного ВИМ, см. рис. 2). Записана система дифференциальных уравнений, позволяющая учесть особенности электромагнитных процессов, происходящих в ВИМ конфигурации 18/15:

где и - напряжение фазы; i - ток фазы;

■ =R-iz +

.=R-ix +

uv= R-L +

¿Vz dt

dVx dt

¿Yy dt

dt

dt

(4)

d\i/( £ ik, Q) - потокосцепление фазы, (в данном

к-1

случае функция семи переменных).

С учетом того, что перекрытие в работе фаз составляет 60 эл.град., а область генераторного или двигательного режима составляет 180 эл.град, то одновременно в номинальном режиме будет работать не более трех фаз машины. Тогда можно записать систему уравнений (4), где индексы Z, X и Y соответствуют сочетаниям работы фаз (F, А, В), (А, В, С), (В, С, D), (С, D, Е), (D, Е, F) и (Е, F, А).

Выражение для коэнергии рассматриваемой машины, когда возможна одновременная работа трех фаз, имеет вид:

= 0 + + ¡(LrlI + Mzriz)d§ + )(L£ + Myxir)dq =

0 0 0

= \L& + \LX +~Lz'l + Mzyiyi2 + Mrxixiy,

где £, - переменная интегрирования, принимает следующие значения в,і2,іу,іх по порядку для интегралов.

Электромагнитный момент в зависимости от токов трех фаз и положения ротора, выражается через коэнергию следующим образом:

дШХіх,іу,іг,в)

Т=-

дв

1 dLx ,2 1 dLr .г 1 8LZ ,2 дМ„ . . дМгх . .

=---it +---ll +---ly + - lyly + -—lyly.

2 дв x 2 дв У 2 дв z дв YZ дв х 1 Разработана компьютерная модель ВИМ конфигурации 18/15. Расчет

электромагнитных полей выполнен при помощи пакета FEMM.

Рассчитаны собственное потокосцепление фазы (рис. 15), видно, что собственное потокосцепление фазы шестифазного ВИГ аналогично показанному на рис. 5 для трехфазного ВИГ.

Рассчитаны также взаимные потокосцепления с другими фазами (на рис. 16 показано потокосцепление фазы А с фазой В, аналогичные картины получены для всех возможных сочетаний фаз). Видно, что интенсивность взаимных потокосцеплений достигает 50% от собственной.

Т"'

Рис. 15. Потокосцепление фазы А Рис. 16. Потокосцепление фазы А с фазой В

Vaa ~ Ліл>®) * VAa = flL.QI

Получена наглядная картина (рис. 17) анимации магнитного поля шести-■фазного ВИГ конфигурации 18/15. Из сопоставления с рис. 6 видно, что для ВИГ конфигурации 18/15 магнитный поток фазы замыкается через зубцы соседних фаз.

Выполнено исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его эксплуатационные характеристики при неизменной конфигурации статора, исключительно за счет изменения числа зубцов ротора. Изменение конфигурации с 18/12 на 18/15 приводит к значительному положительному эффекту: согласно расчетам, амплитуда пульсаций момента снижается в шесть раз, частота пульсаций момента увеличивается с 573 до 2860 Гц (рис. 18).

Спектральный анализ электромагнитного момента показал, что спектральная плотность мощности электромагнитного момента основной гармоники для ВИГ 18/15 меньше в 20 раз, а частота основной гармоники выше в 2,5 раза по сравнению с ВИГ 18/12.

Рис. 17. Кадр анимации магнитного поля ВИГ конфигурации 18/15

Была изучена энергоэффективность ВИМ конфигурации 18/15. Показано, что она является неклассической машиной с сильным взаимным влиянием фаз (рис. 19). Энергия, вносимая в фазу через магнитное поле, составляет порядка 20 %. Удельная мощность машины увеличивается на 10 - 14 %. За один оборот ротора ВИГ конфигурации 18/15 преобразует из механической в электромагнитную на 14 % энергии больше, нежели ВИГ конфигурации 18/12.

Рис. 19. Энергетические диаграммы интервала коммутации фазы ВИГ при шр- 100 рад/с: 1-0 эл.град., 2-180 эл.град, (слева - для конфигурации 18/12; справа - для конфигурации 18/15)

Для подтверждения теоретических положений автором спроектирован и изготовлен макетный образец ВИМ мощностью 500 Вт. Статор показан на рис. 20 Ротор изготовлен в двух вариантах: 12 и 15 зубцов (рис.21), что дало возможность опытного сопоставления характеристик ВИМ конфигураций 18/12 и 18/15. Изготовление пакета роторного железа производилось на проволочно-вырезном электро-эррозионном станке марки MAX SEE F325.

Было получено, что характер расчетных графиков (рис. 22) и опытных осциллограмм (рис. 23) для ВИМ 18/15 совпадает. Различие между опытными данными и результатами моделирования не превышает 7%.

9, зл.град. 180 240

0,2 0 -0,2 «І -0,4

5 -0,6 -0,6 -1

Рис. 18. Зависимости электромагнитных моментов ВИГ (1 - момент одной фазы ВИГ 18/12; 2 - момент одной фазы ВИГ 18/15; 3 - суммарный момент ВИГ 18/12; 4-суммарный момент ВИГ 18/15)

Рис. 20. Статор с 18 зубцами

Рис. 21. Роторы с 12-ю (а) и с 15-ю (б) зубцами

25 «,<

Рис. 22. Напряжение фазы (компьютерное Рис. 23. Напряжение фазы ВИГ (экспери-моделирование) мент)

Экспериментально подтверждено обнаруженное расчетным путем уменьшение пульсаций момента в шесть раз (см. рис. 18). При испытаниях макетного образца, уровень шума составил 78 дБ для конфигурации 18/12 и менее 70 дБ для конфигурации 18/15. Фоновый уровень шума в помещении составлял 50 дБ (применялся измеритель шума CENTER 322).

Выполнено моделирование динамики системы «пассажирский вагон модели 4440 -подвагонный ВИГ конфигурации 18/15» (на рис. 24 показано изменение электромагнитного момента генератора при разгоне). Получено, что размах пульсаций электромагнитного момента (по сравнению с конфигурацией 18/12) уменьшился почти в шесть раз, см. рис. 13.

М, Ни

Рис. 24. Изменение электромагнитного момента генератора 18/15 при разгоне В результате значительно уменьшается уровень шума, уменьшается нагрузка на резинокордыую муфту и снижается вероятность самоотвинчивания резьбовых креплений привода, чем обеспечивается комфорт и безопасность пассажиров.

Четвертая глава посвящена вопросам применения разработанной конструкции ВИМ конфигурации 18/15 на перспективном подвижном составе (электропоезда и тепловозы) как в качестве генератора, так и двигателя. В качестве одного из вариантов рассмотрено безредукторное исполнение тягового двигателя.

Разработана комплексная компьютерная модель электромеханической системы «моторный вагон электропоезда - ВИД» (рис.25), предназначенная, главным образом, для изучения динамических процессов.

Обосновано предложение по применению шестифазных вентильно-индукторных двигателей конфигурации 18/15 в качестве тяговых, поскольку они имеют пониженный уровень шума и вибраций. Показана целесообразность применения шестифазных двигателей для безредукторного привода электропоездов и локомотивов.

ШВВШ\

шВЯЯШЯшЯИЯшШШ

Рис. 25. Компьютерная модель моторного вагона электропоезда с ВИД

Предложена принципиальная схема перспективной электрической передачи мощности тепловоза в составе вентильно-индукторного тягового генератора и вентильно-индукторных тяговых двигателей. Так, тяговый ВИГ заменяет синхронный тяговый генератор, синхронный возбудитель и стартер-генератор, а система регулирования заменяется микропроцессором.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По результатам выполненных исследований можно сформулировать следующие выводы:

1. Разработана комплексная компьютерная модель электромеханической системы «единица подвижного состава - ВИМ», применительно к пассажирским и рефрижераторным вагонам, электропоездам и тепловозам. Моделирование экипажной части выполнено при помощи пакета «Универсальный механизм», электрической части и системы управления - при помощи пакетов Mat-Lab Simulink и FEMM. С ее помощью исследованы динамические переходные процессы, протекающие при движении подвижного состава.

2. Результаты моделирования ВИГ конструкции РГУПС подтверждаются экспериментальными данными, полученными при стендовых испытаниях, расхождение в' результатах составляет не более 5 %. Необходимо отметить, что электромагнитный момент ВИГ конфигурации 18/12 имеет значительные пульсации, что приводит к возникновению шума и вибраций.

3. Предложен оптимальный вариант исполнения ВИМ со статором, имею-

щим 18 зубцов. С точки зрения удовлетворения двум противоречивым критериям - стоимости и эксплуатационных показателей - оптимальной является шес-тифазная ВИМ конфигурации 18/15, которая принята в качестве базовой. Данная конфигурация ВИМ защищена патентом.

4. Изучены возможные варианты схем силовых преобразователей для шестифазной ВИМ конфигурации 18/15. Принята схема Т. Миллера с нулевой средней точкой, которая использует минимальное число силовых полупроводниковых приборов (такое же, как и для коммутации трехфазного ВИМ) и тем самым не приводит к повышению стоимости системы преобразования энергии.

5. Записана система дифференциальных уравнений, позволяющая учесть особенности динамики электромагнитных процессов, происходящих в ВИМ конфигурации 18/15. Обнаружено наличие сильной взаимосвязи между фазами. Электромагнитный момент в зависимости от токов трех фаз и положения ротора выражен через коэнергию, для которой получено аналитическое выражение.

6. Разработана компьютерная модель ВИМ конфигурации 18/15. Расчет электромагнитных полей выполнен при помощи пакета FEMM. Получена динамическая картина анимации магнитного поля шестифазного ВИГ конфигурации 18/15

7. Выполнено теоретическое исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его эксплуатационные, энергетические и виброакустические характеристики при неизменной конфигурации статора, исключительно за счет изменения числа зубцов ротора. Изменение конфигурации с 18/12 на 18/15 приводит к значительному положительному эффекту: амплитуда пульсаций момента снижается в шесть раз, частота пульсаций момента увеличивается с 573 до 2860 Гц.

8. Спектральный анализ показал, что спектральная плотность мощности электромагнитного момента основной гармоники для ВИГ 18/15 меньше в 20 раз, а частота основной гармоники выше в 2,5 раза по сравнению с ВИГ 18/12.

9. Показано, что ВИМ конфигурации 18/15 представляет собой неклассическую машину с сильным взаимным влиянием фаз. Энергия, вносимая в фазу •через магнитное поле, составляет порядка 20 %. Удельная мощность машины увеличивается на 10 — 14 %. За один оборот ротора ВИГ конфигурации 18/15 преобразует из механической в электромагнитную на 14 % энергии больше, нежели ВИГ 18/12.

10. Для подтверждения теоретических положений автором разработан и изготовлен макетный образец, что дало возможность опытного сопоставления характеристик ВИМ конфигураций 18/12 и 18/15. Получено, что характер поведения экспериментальных осциллограмм и графиков компьютерного моделирования совпадает. Различие между опытными данными и результатами моделирования не превышает 7 %.

11. При испытаниях макетного образца, уровень шума составил 78 дБ для конфигурации 18/12 и менее 70 дБ для конфигурации 18/15 (фоновый уровень шума составляет 50 дБ).

12. Выполнено моделирование динамики системы «пассажирский вагон модели 4440 - подвагонный ВИГ конфигурации 18/15». Получено, что размах

пульсаций электромагнитного момента (по сравнению с конфигурацией 18/12) уменьшился почти в шесть раз. В результате значительно понижается уровень шума, уменьшается нагрузка на резинокордную муфту и снижается возможность самоотвинчивания резьбовых креплений привода, чем обеспечивается комфорт и безопасность пассажиров.

13. Показана целесообразность применения шестифазных двигателей для безредукторного привода электропоездов и локомотивов. Разработана принципиальная схема перспективной электрической передачи мощности тепловоза с ВИМ (вентильно-индукторный тяговый генератор и вентильно-индукторные тяговые двигатели).

Список публикаций по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гребенников, Н.В. Переходные электромеханические процессы при работе подвагонного вентально-индукторного генератора / Н.В. Гребенников, A.A. Зарифьян // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения: науч. изд. - ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения (ОАО "ВЭлНИИ"). - № 2 (62). - Новочеркасск, 2011.-С. 93-103.

2. Ворон, O.A. Подвагонный вентильно-индукторный генератор / O.A. Ворон, Н.В. Гребенников, A.A. Зарифьян, А.Д. Петрушин // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. - ОАО "ВЭлНИИ". - № 1 (57). - Новочеркасск, 2009. - С. 132 - 143.

3. Гребенников, Н.В. Компьютерная модель экипажной части грузового тепловоза / Н.В. Гребенников, A.B. Козубенко // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС) - РГУПС. -№ 4 (40). -Ростов н/Д, 2010. - С. 35 - 41.

4. Гребенников, Н.В. Выбор типа электродвигателя безредукторного исполнения для электропоезда /Н.В. Гребенников, А.Д. Петрушин, А.П. Пиотровский - Вестник РГУПС -РГУПС. - № 4 (40). - Ростов н/Д, 2010. - С. 49 - 53.

5. Гребенников, Н.В. Влияние изменения числа фаз подвагонного вентильно-индукторного генератора на его эксплуатационные характеристики при неизменной конфигурации статора // Известия высших учебных заведений. Электромеханика - ЮРГТУ (НПИ).-№2,2011.-Новочеркасск, 2011.-С. 17-21

6. Гребенников, Н.В. Оценка влияния ширины рельсовой колеи на износ гребней колесных пар электровозов / Н.В. Гребенников, A.A. Зарифьян, Д.А. Лысенко // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. - ОАО "ВЭлНИИ". - № 1 (55). - Новочеркасск, 2008. - С. 130 -137.

Другие издания:

7. Grebennikov, N. Improvement of undercar switched reluctance generator characteristics by increase the phase number and change the number of rotor poles / N. Grebennikov, A. Zarifian. // ELECTRIMACS 2011,6-8th June 2011, Cergy-Pontoise, France

8. Реактивная коммутируемая электрическая машина с поворотной симметрией / Решение о выдаче патента на изобретение/ Н.В. Гребенников, А.Д. Петрушин // Заявка № 2011107631/ 07(010846). - 28.02.2011

9. Гребенников, Н.В. Компьютерная модель пассажирского вагона со специальным электрооборудованием / Н.В. Гребенников, A.A. Зарифьян // Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа (научно-техническии семинар). Сборник тезисов. 9-12 февраля 2009 г. - Брянск, 2009. - С. 23.

10. Гребенников, Н.В. Динамика единиц подвижного состава, оснащенных индукторной установкой / Н.В. Гребенников, A.B. Зуй // Сборник тезисов докладов 68-й студенческой научно-практической конференции / РГУПС. - Ростов н/Д, 2009. - С. 222 - 223.

11. Гребенников, Н.В. Компьютерная модель силовых цепей электровоза с зонно-фазным регулированием напряжения тяговых двигателей / Н.В. Гребенников, В.В. Зак, А.В. Козубенко // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения - РГУПС. - № 2 (9). - Ростов н/Д, 2009. - С. 19 - 23.

12. Гребенников Н.В. Влияние числа фаз вентильно-индукторного генератора на процесс преобразования энергии // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2010»- РГУПС. - Ростов н/Д, 2010. - С. 197-199.

13. Гребенников Н.В., Иванов Е.А. Повышение эффективности расчета магнитных характеристик электрических машин / Н.В. Гребенников, Е.А. Иванов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2010» - РГУПС. - Ростов н/Д, 2010. - С. 200 - 202.

14. Гребенников Н.В. Компьютерная модель шестифазного вентильно-индукторного генератора // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения -РГУПС.'- № 3 (12). - Ростов н/Д, 2010. - С. 28 - 32.

15. Гребенников Н.В. Варианты исполнения подвагонного вентильно-индукторного генератора при неизменной конфигурации статора // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт20И» - РГУПС. - Ростов н/Д, 2011.-С. 340-342.

16. Гребенников Н.В. Особенности протекания электромагнитных процессов в вен-тильно-индукторном генераторе конфигурации 18/15 // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2011» - РГУПС. - Ростов н/Д, 2011. - С. 343 - 345.

17. Гребенников Н.В. Обзор способов управления вентильно-индукторным генератором // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения - РГУПС. - № 4 (18). - Ростов н/Д, 2011. - С. 20 - 23.

Гребенников Николай Вячеславович

ДИНАМИКА И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЕДИНИЦ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА, ОСНАЩАЕМЫХ ВЕНГИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 26.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.- изд. л. 1,11. Тираж 100 экз. Заказ № 64 F5.

Ростовский государственный университет путей сообщения. Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС.

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.