автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Генератор подпитки тяговых двигателей тепловоза

На правах рукописи

РГБ ОД 2 2 ДЕК мм

ЕЛКИН Сергей Николаевич

Генератор подпитки тяговых двигателей тепловоза

Специальность 05.09.01 - Электромеханика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск, 2000 г.

Работа выполнена на кафедре электромеханики Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Коломейцев Л.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Битюцкий И.Б.

кандидат технических наук, доцент Птах Г.К.

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский, про-ектно-конструкторский и технологический институт электровозостроения (АО ВЭлНИИ, г.Новочеркасск).

Защита состоится « 1 » декабря 2000 г. в 10 часов в 107 аудитории главного корпуса на заседании диссертационного совета Д063.30.01 ЮжноРоссийского государственного технического университета (НПИ) по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ (НПИ).

Автореферат разослан «_»_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

(Ьш-о^о

Золотарев Н.А.

Общая характеристика работы

Актуалыгосп, темы. В настоящее время задача экономии энергетических ресурсов становится все более актуальной. В тепловозных дизельных электроэнергетических установках рекомендуется применение системы получения дополнительной электроэнергии за счет использования остаточной энергии выхлопных газов. В этом случае выхлопными газами приводится во вращение специальная силовая турбина с электрогенератором на валу, полученная электрическая энергия используется для подпитки тяговых двигателей постоянного тока. По оценкам специалистов ВНИИЖТа и Коломенского тепловозостроительного завода, применение такой системы на магистральном тепловозе ТЭП-70 позволит сэкономить до 5 % дизельного топлива. Генератор подпитки (ГП) должен работать с частотой вращения силовой газовой турбины, составляющей 10... 12 тыс. об/мин, иметь мощность до 200 кВт, при напряжении в силовой сети постоянного тока от 300 до 800 В. Мощность главного генератора достигает 2600 кВт.

В работе предлагается применение в качестве ГП униполярной двухпа-кетной индукторной машины с сосредоточенными обмотками якоря (УИГ). В этом случае ГП подключается через диодный выпрямитель к силовой сети постоянного тока. Главными достоинствами УИГ являются конструктивная и технологическая простота, повышенная надежность, прочный ротор, допускающий повышенные частоты вращения.

На малой скорости движения тепловоза при пониженном напряжении в силовой сети с целью предотвращения аварийного разгона силовой турбины ГП должен развивать мощность вплоть до номинальной. При этом ток якорной обмотки в несколько раз превышает номинальный. Режим работы ГП с большими токами якоря наиболее сложен для расчета, поскольку он характеризуется существенным влиянием степени насыщения магнитной системы генератора на величину тока. Для повышения электромагнитной мощности и снижения массы ГП может использоваться емкостная компенсация фазных индуктивностей путем включения последовательно с обмотками якоря компенсирующих конденсаторов.

В существующей литературе недостаточно отражены вопросы электромагнитного расчета индукторных генераторов в режимах с форсированным током якоря, отсутствуют рекомендации по электромагнитному расчету генераторов подпитки с учетом особенностей режимов работы. Традиционные методы расчета не позволяют с достаточной точностью учитывать особенности подключения ГП через выпрямитель к сети большой мощности. В связи с этим, в работе рассмотрены вопросы расчета электромагнитных процессов и проектирования ГП на основе униполярной индукторной машины, учитывающие особенности его работы в составе подпитки тяговых двигателей тепловоза.

Целью диссертационной работы является получение наиболее полной информации об электромагнитных процессах в генераторе со специ-

фичными условиями работы и рассмотрение вопросов, связанных с его проектированием. Для достижения поставленной цели необходимо:

- разработать математическую модель, алгоритмы и программы электромагнитного расчета ГП по мгновенным значениям, позволяющие рассчитать необходимые для проектирования режимы работы ГП в составе системы подпитки тяговых двигателей тепловоза ТЭП-70, обладающие достаточно высоким быстродействием и точностью;

- провести экспериментальную проверку результатов, полученных с помощью расчетных программ;

- выработать рекомендации по проектированию ГП.

Методы исследования. При выполнении работы использовались следующие методы:

- метод конечных элементов (МКЭ) для расчета магнитных полей;

- метод электромагнитного расчета ГП но мгновенным значениям электрических и магнитных величин, который включает в себя:

- численные методы решения дифференциальных уравнений для расчета электромагнитных процессов ГП;

- численные релаксационные методы для получения установившихся значений магнитных величин в нелинейной схеме замещения магнитной системы ГП;

- численные методы для решения систем нелинейных алгебраических уравнений при расчете электромагнитных процессов ГП;

- численный метод припасовывания для моделирования работы ГП через выпрямитель;

- экспериментальные исследования для подтверждения численных расчетов.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработаны математическая модель, алгоритмы и программы электромагнитного расчета униполярного индукторного генератора с сосредоточенными обмотками якоря, позволяющие рассчитать электромагнитные процессы в генераторе, работающем через выпрямитель на сеть большой мощности при широком диапазоне изменения напряжения в последней;

- сформированы рекомендации по проектированию ГП: по выбору числа зубцов статора и ротора, относительной глубины паза индуктора, диаметра центрального отверстия в пакете ротора, отношения ширины паза к ширине зубца индуктора, по определению обмоточных данных с учетом диапазона изменения напряжения;

- сформированы рекомендации по проектированию ГП с продольной емкостной компенсацией: по определению обмоточных данных, емкости компенсирующих конденсаторов, выбору числа зубцов статора и ротора.

Практическая ценность ii значение работы.

1. Разработанные материалы позволяют выполнять электромагнитные расчеты в процессе проектирования ГП для тепловозов, с учетом особенностей эксплуатационных режимов.

2. Созданное программное обеспечение может быть использовано как при проведении научно-исследовательских работ, так и в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Изготовленный с участием автора макетный образец ГП мощностью 137 кВт был использован при проведении во ВНИИЖТе исследований стендовой установки с тепловозным двигателем мощностью 3000 л.с. и силовой газовой турбиной. Разработанное программное обеспечение было использовано при проектировании ГП, имеющего улучшенные параметры и эти данные переданы во ВНИИЖТ. Программное обеспечение на языке Pascal используется при дипломном проектировании на кафедре.электромеханики ЮРГТУ (НПИ).

Апробация работы. Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на кафедре электромеханики ЮРГТУ (НПИ). Основные положения обсуждались на научных конференциях ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 64-х наименований и пяти приложений. Общий объем - 156 страниц машинописного текста, включая 59 иллюстраций, 9 таблиц и 37 страниц приложений.

Основное содержание работы

Во введении показана актуальность темы исследования, определены цель и задачи диссертационной работы.

Первая глава посвящена обоснованию выбора ГП для использования в составе системы подпитки тяговых двигателей тепловоза. Рассмотрены разные типы генераторов и их применимость для использования в составе системы подпитки. Показано, что бесконтактность генератора, использование сосредоточенных катушек якоря, кольцевой обмотки возбуждения, расположенной на статоре, отсутствие обмоток на простом и прочном роторе, обеспечивают возможность работы ГП совместно с силовой газовой турбиной, технологическую простоту, виброустойчивость и надежность конструкции ГП и его конкурентоспособность в сравнении с другими типами генераторов.

На основании проведенного обзора литературы сделан вывод о том, что существующие математические модели, применяемые при проектировании индукторных генераторов и ориентированные на ручной счет, не пригодны для целей расчета ГП, не позволяют с достаточной точностью учитывать особенности его включения в силовую сеть тепловоза. Всвязи с чем возникает необходимость в создании математической модели, отвечающей этим требованиям. Для этих целей может быть взят за основу хо-

рошо себя зарекомендовавший подход с применением математического моделирования электромагнитных процессов в машине по мгновенным значениям токов, потокосцеплений и напряжений. Этот подход успешно применялся для расчета однофазных и трехфазных индукторных генераторов, в том числе вентильных. Суть его состоит в том, что расчет электромагнитных процессов ведется по мгновенными значениям электрических и магнитных величин с учетом взаимосвязей между ними, устанавливаемых с помощью дифференциальных уравнений для электрических цепей машины, и нелинейных алгебраических уравнений, связывающих потокосцепления с токами и полученных в соответствии со схемой замещения магнитной системы генератора с учетом насыщения стали магнитопровода. Для учета работы на силовую сеть постоянного тока через диодный выпрямитель используется метод припасовывания, который получил широкое распространение при моделировании процессов в диодных выпрямителях.

Этот подход взят за основу и при разработке математической модели для расчета электромагнитных процессов в ГП с продольной емкостной компенсацией.

Вторая глава посвящена созданию математической модели, алгоритма и программы для расчета электромагнитных процессов в трехфазном одно-именнополюсном двухпакетном индукторном генераторе с сосредоточенными обмотками якоря при работе на нагрузку переменного тока.

Математическая модель ГП предполагает следующие основные допущения:

1. Магнитное поле в воздушном зазоре считается плоскопараллельным.

2. Влияние насыщения зубцов статора на проводимость пазового рассеяния не учитывается.

3. Весь поток пазового рассеяния входит в коронку зубца.

4. Пульсациями потока контура возбуждения, демпфируемыми массивными частями магнитопровода и обмоткой возбуждения, пренебрегаем.

5. Вебер-амперные характеристики зубцовой зоны определяется в режиме холостого хода без учета токов в пазах статора.

На рис. 1 представлена схема замещения магнитной системы генератора. Она соответствует одному пакету статора. Второй пакет в контур возбуждения включается последовательно с первым. В отличие от схем замещения магнитных систем трехфазных генераторов, использованных в работах ранее, в схеме замещения рис. 1 учитывается влияние потоков пазового рассеяния на магнитное состояние зубцов якоря путем введения элементов пазовой проводимости

Ф5 Фв

Авр

^ Я*«

\ Г--Лп

-П^бгЗ

Фб1 ТФ52 Тф53

Рисунок 1.

Характеристика намагничивания участков ярма статора и ротора, станины, втулки ротора для магнитных потоков контура возбуждения учитывается введением в схему замещения нелинейного элемента (НЭ) К-

Схема замещения магнитной системы ГП содержит НЭ Х^-з, соответствующие зубцам первого пакета статора. Нелинейные элементы А^-э учитывают характеристики проводимости ротора и воздушного зазора под соответствующими зубцами статора. Характеристики НЭ рассчитываются методом конечных элементов (МКЭ) для режима холостого хода (XX) генератора с учетом насыщения стали. На рис.2 показана расчетная область и картина силовых линий магнитного поля.

Рисунок 2.

При расчете полевыми методами нет возможности рассчитать отдельно характеристики НЭ Хп и без искажений граничных условий и, соответственно, без потери точности расчета. Поэтому был применен прием, в котором с использованием МКЭ вычисляется сначала характеристика намагничивания (ВАХ) зубцовой зоны (>.5,1+ ).г1). Характеристика НЭ соответствующего зубцу статора, рассчитывается простейшим путем при допущении равномерного распределения магнитного потока по сечению зубца. Для

получения ВАХ ротора и воздушного зазора под зубцом статора (Х&О из В АХ зубцовой зоны (1бг1+ КО вычитается }.,,.

Характеристики НЭ ^бгз соответствуют /.^i со сдвигом на 120 и 240 эл. град. Характеристики НЭ второго пакета соответствуют }.S2l _3 со сдвигом на 180 эл. град. Гладкая аппроксимация вебер-амперных характеристик НЭ для различных положений ротора обеспечивается с помощью кубических сплайнов.

Математическая модель электромагнитных процессов в генераторе сформирована на основе схемы замещения магнитной системы машины (рис. 1) в соответствии с подходом, в основе которого лежит идея совместного решения системы дифференциальных уравнений для электрических цепей машины

•-^7Г=*с<Г.+0-*л(Га+гнУ, (1)

at

•л +', +'с = 0.

и системы алгебраических уравнений, устанавливающей связь потокосцеп-лений обмоток с токами на основе линеаризованной схемы замещения

Ч'л +сЧз'с 4>л'.

Wl = а-и'л + а22'в + а23'с * V* '; (2)

Vc =ап'л +a3ih + an'c + Wc-

В формулах (1), (2) ги - активное сопротивление нагрузки фазы; га-собственное активное сопротивление фазы; а¡Д/ = j)- коэффициенты самоиндукции для линеаризованной магнитной цепи; aj)- коэффициенты взаимоиндукции; y,4>V.B>Vc - потокосцепления обмоток фаз; vV.viV,»^' _ составляющие потокосцеплений, обусловленные потоком возбуждения и параметрами линеаризации; iA,iB,ic - токи обмоток. Индексы н, А, В, С относятся соответственно к параметрам нагрузки и фазам обмотки якоря; 4/M,Va - результирующие потокосцепления контура якорь-нагрузка

Ч£4 = % +(Аь + АЛ -(¿А чь =vt +(lcs -(¿a +l„)'a-

где LM,Les,LCs - индуктивность лобового рассеяния обмоток якоря; Ьи -индуктивность нагрузки фазы.

В результате решения системы уравнений (1) методом Рунге-Кутта четвертого порядка и системы (2) методом линеаризации, на каждом шаге по времени получаются значения всех токов и напряжений, потоков в

элементах магнитопровода и потокосцеплений обмоток, т.е. отражаются мгновенные состояния процесса в машине.

Расчет начальных значений потокосцеплений производится с помощью метода релаксации. Получение установившегося режима осуществляется путем автоматической корректировки начальных условий через 180 эл. град.

Достоверность математической модели проверялась путем сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик XX и КЗ, а также осциллограмм тока и напряжения.

Эксперименты проводились на опытном образце трехфазного двухпа-кетного одноименнополюсного индукторного генератора с сосредоточенными обмотками якоря. Его основные данные: конфигурация зубцовой зоны - ¡2/4; диаметр ротора - 300 мм; воздушный зазор - 4 мм; толщина пакета статора — 84 мм.

При испытаниях ГП приводился во вращение от электрической машины постоянного тока. Частота вращения ротора составляла 750 об/мин. На рис.3 представлены экспериментальные и расчетные (пунктирная линия) характеристики холостого хода (а) и короткого замыкания (б).

а) б)

Рисунок 3.

На рис.4 приведены экспериментальная и расчетная осциллограммы напряжения холостого хода (а) и тока короткого замыкания (б) фазы генератора при токе возбуждения 15 А и частоте тока в обмотке якоря 50 Гц. Как видно из рис. 3,4, расчетные и экспериментальные данные достаточно хорошо совпадают.

Рисунок 4.

Третья глава посвящена разработке математической модели, алгоритма и программы расчета электромагнитных процессов в ГП при работе в составе системы подпитки тяговых двигателей тепловоза, а также выработке рекомендаций по его проектированию. При разработке математической модели использован подход на основе апробированной математической модели, описанной во второй главе, в совокупности с методом припасовыва-ния.

В условиях эксплуатации ГП отдает энергию через выпрямитель на электрическую сеть значительно большей мощности. Эквивалентная схема силовой цепи тепловоза с применением генератора подпитки может быть представлена как показано на рис.5.

На рис.5 гдв - эквивалентное активное сопротивление обмоток тяговых двигателей тепловоза; £0>— эквивалентная индуктивность обмоток возбуждения тяговых двигателей, зависит от тока; - токи в фазах ГП; /т -составляющая тока тяговых двигателей от ГП; га - активное сопротивление фазы; ьш— индуктивность рассеяния фаз обмотки якоря; сЛ^, ¿Ц/^,

е51 =--=—=--—, где у*,,^,- составляющие пото-

аI си ш

косцеплений фаз обмотки якоря, обусловленные потоком воздушного зазора.

В основе метода припасовывания лежит модель диода в виде идеального ключевого элемента. Исходя из принципа действия трехфазного мостового выпрямителя, период его работы разбивается на шесть промежутков повторяемости, каждый из которых состоит из внекоммутационного и коммутационного интервалов. Электрическая схема рис.5 рассматривается как схема с переменной структурой (см.рис.6). При этом рис.6а соответствует внекоммутационному, а рис.66 - коммутационному интервалу. В схеме рис.6 сопротивлением г пренебрегаем, индуктивность ¿дв=сога/ принимается равной эквивалентной индуктивности обмоток возбуждения тяговых

двигателей £ов в часовом режиме. Падением напряжения на £ов от токов СГ пренебрегаем, тогда напряжение в силовой сети 17с представляется напряжением ию на якоре двигателей от тока СГ.

и

Рисунок 5.

а)

б)

Рисунок 6.

Для каждого интервата составляется система дифференциальных уравнений для электрических цепей машины: внекоммутационный интервал

—~т~='л-+{/д»; \5>

си

коммутационный интервал

>л +>г +'С=0.

где

% -V* -¿Л + ¿д»'.

V™ =¥„ -¥, + 4Л

(5)

В формулах (3) — (5) у4А,\|/„„ - результирующие потокосцеиления соответственно контура якорь-нагрузка (контур I на рис.6) и короткозамкнутого контура якоря (контур II на рис.6); — потокосцеиления фаз; 4,

4 'т, 'и - фазные токи. Индексы (/г, И), (т, п) - принимают значения от 1 до 3 и обозначают номера фаз обмотки якоря ГП, которые на данном промежутке повторяемости входят соответственно в контуры I и II.

Структура системы алгебраических уравнений, устанавливающих связь потокосцеплений обмоток с токами, аналогична использованной во второй главе.

Переход от одного интервала повторяемости к другому осуществляется с учетом законов коммутации.

Математическая модель составлена с учетом допущений, принятых во второй главе, а также допущения о том, что угол коммутации не превышает 60° (невозможна одновременная работа четырех вентилей).

Достоверность математической модели проверялась путем сопоставления расчетных и экспериментальных осциллограмм тока и напряжения при работе опытного образца ГП через выпрямитель на активную нагрузку. В процессе испытаний ГП приводился во вращение от электрической машины постоянного тока. Частота вращения ротора составляла 750 об/мин. На рис.7 представлены экспериментальные и расчетные (пунктирная линия) осциллограммы фазного напряжения (а), линейного напряжения (б), тока фазы (в) при токе возбуждения 13,9 А и частоте тока в обмотке якоря 50 Гц. Как видно из рис.7, расчетные и экспериментальные данные имеют хорошее совпадение.

Определение потерь в стали производится по значениям магнитных индукций в зубцах и спинках статора и ротора. Индукции могут быть определены из значений потоков в элементах схемы замещения рис.1. Приближенный пересчет потерь в стали для требуемых значений толщины стали Д2, переменной составляющей индукции В_2, частоты неремагничивания производится по формуле:

Л

ь

Ш и.,

где Рв - удельные потери в стали толщиной Л1 на вихревые токи при переменной составляющей индукции В_ь частоте перемагничивания /и Рг -удельные потери на гистерезис; т„ - масса стали; кт — коэффициент учитывающий увеличение потерь в стали вследствие обработки; кг - коэффициент при постоянной составляющей индукции В0. Для достижения наилучшего совпадение расчетных и экспериментальных данных потерь в стати 2421 значения коэффициентов кт и кг были уточнены. Наилучшее совпадение получено при кТ=1, кт=\,А.

0 005 0.01 0 0 015 0.020 (, с

а)

б)

в)

Рисунок 7.

Разработан набор программ расчета электромагнитных процессов, прочности ротора, вентиляционного, теплового. Применение указанных программ позволяет выполнять достаточно качественное проектирование и оперативное уточнение параметров генератора подпитки с учетом особенностей эксплуатации на тепловозе. Проведен большой объем работ по расчетам ГП с варьированием конструктивных параметров. Выработаны рекомендации по проектированию ГП. Анализ полученных данных позволяет рекомендовать близкий к оптимальному вариант генератора подпитки тяговых двигателей тепловоза ТЭП-70, имеющий следующие основные показатели:

соотношение чисел зубцов статора и ротора — 12/8;

диапазон рабочих напряжений - 300... 800 В;

мощность во всем диапазоне напряжений, не менее - 200 кВт;

КПД-0.92;

номинальная частота вращения - 12000 об/мин;

максимальная частота вращения ротора - 16000 об/мин;

внешний диаметр корпуса - 466 мм;

длина по корпусу - 620 мм;

диаметр ротора -260 мм;

воздушный зазор - 1 мм;

толщина одного пакета статора — 110 мм;

масса меди - 38 кг;

масса ГП- 380 кг.

Четвертая глава посвящена разработке математической модели, алгоритма и программы расчета электромагнитных процессов в ГП с продольной емкостной компенсацией при работе в составе системы подпитки тяговых двигателей тепловоза, а также выработке рекомендаций по его проектированию.

Индукторные генераторы характеризуются значительными потоками рассеяния. Этим определяется крутой наклон внешних характеристик и трудности с получением требуемой мощности при пониженных напряжениях в силовой сети тепловоза. Для компенсации индуктивности обмотки якоря и повышения отдаваемой мощности ГП предлагается использовать конденсаторы, включаемые последовательно с фазными обмотками.

Математическая модель для расчета электромагнитных процессов в ГП при использовании последовательной емкостной компенсации составлена на основе математической модели, описанной в третьей главе, в соответствии с эквивалентной схемой электрической цепи для внекоммутационного и коммутационного интервалов. При этом в систему дифференциальных уравнений для электрических цепей машины введены напряжения на компенсирующих конденсаторах, определяемые по формулам:

j <

Ui=—\hdt + Uio> Li о

I '

• иг = — JijA + i/jo;

2 О 1 '

и3 =—ji3dt+U10.

5 О

где С1, С2, Сз - значения емкости компенсирующих конденсаторов; U10, U-.го, U30 - начальные (в момент времени t=0) значения напряжений на компенсирующих конденсаторах.

На основании математической модели разработана программа расчета электромагнитных процессов в ГП с продольной емкостной компенсацией. Используя разработанную программу, а также программы расчетов прочно-

сти ротора, вентиляционного, теплового, выполнен большой объем работ по расчетам компенсированных ГП с варьированием конструктивных параметров. Установлено, что применение емкостной компенсации в ряде случаев существенно изменяет характер протекания электромагнитных процессов. Выработаны рекомендации по проектированию такого ГП. Анализ полученных данных позволяет рекомендовать близкий к оптимальному вариант генератора подпитки тяговых двигателей тепловоза ТЭП-70, имеющий следующие основные показатели:

соотношение чисел зубцов статора и ротора - 18/21; диапазон рабочих напряжений - 300... 800 В; мощность во всем диапазоне напряжений, не менее - 200 кВт; КПД-0.9;

емкость компенсирующих конденсаторов (на фазу) — 24 мкФ;

номинальная частота вращения — 12000 об/мин;

максимальная частота вращения ротора — 16000 об/мин;

внешний диаметр корпуса — 447мм;

длина по корпусу — 591 мм;

диаметр ротора — 260 лш;

воздушный зазор - 1 мм;

толгцина одного пакета статора — 110 мм;

масса меди — 24 кг;

масса ГП — 270 кг.

В приложении приведены методика расчета механической прочности ротора, конструктивные данные экспериментального образца, основные конструктивные данные вариантов ГП без компенсации и с емкостной компенсацией.

Автор выражает свою признательность к.т.н. Пахомину Сергею Александровичу за научные консультации.

Заключение

1. Разработаны математическая модель, атгоритм и программа электромагнитного расчета генератора подпитки по мгновенным значениям величин, позволяющие учитывать особенности его включения в силовую сеть тепловоза, обладающие достаточно высокой точностью и быстродействием.

2. Разработан пакет программ расчета электромагнитных процессов, прочности ротора, вентиляционного, теплового. Примененный подход обеспечивает возможность расчета и оперативного уточнения параметров генератора подпитки с учетом особенностей эксплуатации на тепловозе.

3. Получены рекомендации по проектированию: выбор числа зубцов статора и ротора, выбор относительной глубины паза индуктора, диаметра центрального отверстия в пакете ротора, отношения ширины паза к ширине зубца индуктора, определения обмоточных данных с учетом широкого диапазона изменения рабочего напряжения.

4. Создана модификация математической модели, алгоритма и программы электромагнитного расчета генератора подпитки с применением про-

V. дольной емкостной компенсации индуктивного сопротивления обмоток якоря.

5. Получены рекомендации по проектированию генератора подпитки с продольной емкостной компенсацией: выбор числа зубцов статора и ротора, определения обмоточных данных с учетом широкого диапазона изменения рабочего напряжения, емкости компенсирующих конденсаторов.

/- '. • б/Использование компенсирующих конденсаторов позволяет на 30 % уменьшить массу генератора подпитки. При этом масса меди снижается л- ' ~ на 37%.

- 7. Как показала экспериментальная проверка, погрешность расчета электромагнитных процессов разработанными программами не превышает 5 %, что вполне достаточно для практического применения при проектировании.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Индукторный генератор для подпитки тяговых двигателей тепловоза// Сборник статей и кратких сообщений по материалам научно-технической конференции студентов и аспирантов НГТУ, посвященной 100-летию университета. 1997. 5-15 апреля. С.48.

2. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Моделирование электромагнитных процессов в трехфазном униполярном индукторном генераторе с сосредоточенными обмотками якоря// Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №1. С.37-40.

3. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Расчет электромагнитных процессов в униполярном индукторном генераторе подпитки тяговых двигателей тепловоза//Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №3.

4. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Индукторный генератор с емкостной компенсацией в системе подпитки тяговых двигателей тепловоза// Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №3.

Личный вклад автора по опубликованным в соавторстве работам: [2] разработка математической модели электромагнитного расчета ГП, алгоритма, программы, экспериментальная проверка; [3] разработка математической модели электромагнитного расчета ГП, алгоритма, программы, экспериментальная проверка, формирование рекомендаций; [4] разработка математической модели расчета ГП с продольной емкостной компенсацией, алгоритма, программы, формирование рекомендаций.

Объем 1.0 п.л. Тир. 100.

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) 346428, г.Новочеркасск, ул. Просвещения. 132.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

Глава 2. Математическое моделирование электромагнитных процессов в униполярном индукторном генераторе при работе на активно-индуктивную нагрузку.

2.1 Устройство генератора.

2.2 Построение математической модели.

2.3 Численная реализация математической модели на компьютере.

2.3.1 Расчет переходных характеристик намагничивания зубцовой зоны методом конечных элементов.

2.3.2 Аппроксимация характеристик элементов схемы замещения магнитной системы ГП.

2.3.3 Линеаризация нелинейных элементов.

2.3.4 Определение начальных значений потокосцеплений.

2.3.5 Алгоритм расчета электромагнитных процессов.

2.4 Оценка достоверности разработанной математической модели, алгоритма и расчетной программы.

2.5 Выводы.

Глава 3. Расчет генератора подпитки с учетом особенностей включения в силовую сеть тепловоза.

3.1 Краткая характеристика работы ГП в составе системы подпитки.

3.2 Математическое моделирование электромагнитных процессов в ГП.

3.2.1 Построение математической модели.

3.2.2 Алгоритм расчета электромагнитных процессов в генераторе подпитки.

3.2.3 Оценка достоверности разработанной математической модели, алгоритма и расчетной программы.

3.2.4 Расчет контура возбуждения.

3.3 Расчет ГП.

3.3.1 Предварительный выбор основных размеров.

3.3.2 Выбор рациональной геометрии зубцовой зоны.

3.3.3 Расчет переходных характеристик намагничивания зубцовой зоны.

3.3.4 Расчет индуктивностей пазовых и лобовых рассеяний.

3.3.5 Расчет электромагнитных процессов.

3.3.6 Укладка провода в пазу.

3.3.7 Расчет геометрических размеров контура возбуждения.

3.3.8 Расчет потерь в стали.

3.3.9 Определение потерь генератора.

3.3.10 Тепловой расчет.

3.4 Результаты расчетов ГП с разными вариантами зубцовых зон.

3.5 Вопросы конструкции подшипниковых узлов.

3.6 Выводы.

Глава 4. Расчет генератора подпитки с емкостной компенсацией.

4.1 Способы получения форсированного тока генератора в пусковых режимах тепловоза.

4.2 Построение математической модели и алгоритма для расчета ГП с продольной емкостной компенсацией.

4.3 Расчет электромагнитных процессов в ГП с продольной емкостной компенсацией.

4.4 Результаты расчетов ГП, имеющих продольную емкостную компенсацию, с разными вариантами зубцовых зон.

4.5 Вопросы выбора компенсирующих конденсаторов.

4.6 Выводы.

В тепловозных дизельных электроэнергетических установках рекомендуется применение системы получения дополнительной электроэнергии за счет использования остаточной энергии выхлопных газов. В этом случае выхлопными газами приводится во вращение специальная силовая турбина с электрогенератором на валу, а полученная электрическая энергия используется для подпитки тяговых двигателей постоянного тока. По оценкам специалистов ВНИ-ИЖТа и Коломенского тепловозостроительного завода, применение такой системы на магистральном тепловозе позволит сэкономить до 5 % дизельного топлива. На тепловозе типа ТЭП-70 генератор подпитки (ГП) должен работать с частотой вращения силовой газовой турбины 10. 12 тыс. об/мин, иметь мощность до 200 кВт, при напряжении в силовой сети постоянного тока от 300 до 800 В. Мощность главного генератора достигает 2600 кВт.

В настоящей работе предлагается создание ГП на основе униполярного индукторного генератора. В этом случае ГП подключается через диодный выпрямитель к силовой сети постоянного тока. Главными достоинствами генератора индукторного типа являются конструктивная и технологическая простота, повышенная надежность, прочный ротор, допускающий повышенные частоты вращения. Это обеспечивает его высокую конкурентоспособность по отношению к другим типам генераторов.

При пониженном напряжении в силовой сети тепловоза с целью предотвращения аварийного разгона силовой турбины ГП должен работать с мощностью равной номинальной. При этом ток якорной обмотки в несколько раз превышает номинальный. Режим работы ГП с большими токами якоря наиболее сложен для расчета, поскольку он характеризуется существенным влиянием степени насыщения магнитной системы генератора на величину тока. Для снижения массы ГП может использоваться емкостная компенсация фазных индук-тивностей путем включения последовательно с обмотками якоря компенсирующих конденсаторов.

В существующей литературе недостаточно отражены вопросы электромагнитного расчета индукторных генераторов в режимах с повышенным током якоря, при использовании традиционных методов расчета нет возможности достаточно точно учесть особенности подключения ГП через выпрямитель к сети большой мощности.

В работе рассмотрены вопросы расчета электромагнитных процессов и проектирования ГП на основе униполярной индукторной машины с учетом особенностей его работы в составе системы подпитки тяговых двигателей тепловоза. Работа содержит четыре главы.

В первой главе обоснован выбор типа генератора, выделены основные задачи, возникающие при его создании, определены методы их решения и дан краткий обзор литературы.

Вторая глава посвящена созданию математической модели, алгоритма и программы расчета электромагнитных процессов в трехфазном одноименнопо-люсном двухпакетном индукторном генераторе с сосредоточенными обмотками якоря при работе на активно-индуктивную нагрузку. Достоверность полученных расчетных данных подтверждается сравнением с результатами натурных экспериментов.

В третьей главе на основе опробованной во второй главе математической модели разрабатываются математическая модель, алгоритм и программа расчета электромагнитных процессов в ГП при работе в составе реальной системы подпитки. По результатам проведенных расчетов выработаны рекомендации по проектированию. Достоверность подтверждается сравнением расчетных данных с результатами испытаний опытного образца ГП.

Четвертая глава посвящена разработке математической модели, алгоритма и программы расчета электромагнитных процессов в ГП с продольной емкостной компенсацией при работе в составе реальной системы подпитки, а также выработке рекомендаций по его проектированию.

Основные результаты работы отражены в четырех статьях [1-4].

4.6 ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель, алгоритм и программа электромагнитного расчета генератора подпитки с продольной емкостной компенсацией, позволяющая учесть особенности подключения генератора к силовой сети тепловоза.

2. Оптимальным соотношением зубцов статора и ротора ГП с продольной емкостной компенсацией является 18/21.

3. Наибольшие потери в пакетах электротехнической стали соответствуют минимальному рабочему напряжению генератора.

4. При работе ГП в режимах, близких к резонансным, ограничение частоты вращения ГП и приводящей его силовой газовой турбины достигается без изменения тока возбуждения, за счет резкого возрастания мощности при увеличении частоты вращения.

5. При работе ГП с большими фазными токами под действием реакции якоря поток в зубцах статора изменяется по направлению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа электромагнитного расчета генератора подпитки по мгновенным значениям величин, позволяющие учитывать особенности его включения в силовую сеть тепловоза, обладающие достаточно высокой точностью и быстродействием.

2. Разработан набор программ расчета электромагнитных процессов, прочности ротора, вентиляционного, теплового. Примененный подход обеспечивает возможность расчета и оперативного уточнения параметров генератора подпитки с учетом особенностей эксплуатации на тепловозе.

3. Выработаны рекомендации по проектированию: выбор числа зубцов статора и ротора, выбор относительной глубины паза индуктора, диаметра центрального отверстия в пакете ротора, отношения ширины паза к ширине зубца индуктора, определения обмоточных данных с учетом широкого диапазона изменения рабочего напряжения.

4. Создана модификация математической модели, алгоритма и программы электромагнитного расчета генератора подпитки с применением продольной емкостной компенсации индуктивного сопротивления обмоток якоря.

5. Выработаны рекомендации по проектированию генератора подпитки с продольной емкостной компенсацией: выбор числа зубцов статора и ротора, определения обмоточных данных с учетом широкого диапазона изменения рабочего напряжения, емкости компенсирующих конденсаторов.

6. Использование компенсирующих конденсаторов позволяет на 30 % уменьшить массу генератора подпитки. При этом масса меди снижается на 37 %.

7. Как показала экспериментальная проверка, погрешность расчета электромагнитных процессов разработанными программами не превышает 5 %, что вполне достаточно для практического применения при проектировании.

1. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Моделирование электромагнитных процессов в трехфазном униполярном индукторном генераторе с сосредоточенными обмотками якоря//Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №1. С.37-40.

2. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Расчет электромагнитных процессов в униполярном индукторном генераторе подпитки тяговых двигателей тепловоза// Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №3. С.

3. Коломейцев Л.Ф., Елкин С.Н. Индукторный генератор с емкостной компенсацией в системе подпитки тяговых двигателей тепловоза// Изв. вузов. Электромеханика. 2000. №3. С.

4. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высш. школа. 1982. 272 с.

5. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. М.: Высш. шк. 1985. 255 с.

6. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат. 1988. 280 с.

7. Hammond Е.Е., NeffW.S., Shilling W.J. A 2.5 MVA High Voltage Light-weight Generator. Aircraft, v. 16, N1, 1979.

8. Miller T. Switched Reluctance Motors and Their Control. Hillsboro, OH: Magna Physics Publishing, and Oxford: Oxford University Press, 1993.

9. Ю.Тяговые электродвигатели тепловозов / В.И.Бочаров, В.И.Захаров, Л.Ф.Коломейцев, Г.И.Колпахчьян, М.А.Комаровский, В.Г.Наймушин,

10. B.И.Седов, И.И.Талья, В.Г.Шербаков, В.ПЯнов; Под ред. В.Г.Щербакова. Новочеркасск: Агентство Наутилус. 1998. 672 с.

11. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. M. : Энергия, 1970. -192 с.

12. Алексеева М.М. Машинные генераторы повышенной частоты. JL: Энергия, 1967. - 343 с.

13. Домбур Л.Э. Аксиальные индукторные машины. Рига: Зинатне. 1984. 247 с.

14. Жежерин Р.П. Индукторные генераторы. М.: Госэнергоиздат. 1961. 320 с.

15. Домбур Л.Э. Гармонический анализ кривых поля возбуждения аксиальных индукторных машин и выбор оптимальных соотношений геометрии зубцо-вой зоны. Бесконтактные электрические машины. 1963. Вып.З. С.73-97.

16. Домбур Л.Э. Гармонический анализ коэффициентов магнитных полей. Бесконтактные электрические машины. 1965. Вып.4. С.33-73.

17. Апсит В.В. Современные проблемы развития теории бесконтактных электрических машин. Изв. АН Латв. ССР. Сер.: Физ.м.техн.наук. 1960. №3.1. C.62-69.

18. Чабан В.И. Основы теории переходных процессов электромашинных систем.

19. Львов.: Вища школа. 1980. 199 с. 20.Чабан В.И., Семенова С.В. О записи дифференциальных уравнений разветвленной магнитной цепи. Теоретическая электротехника. Львов. 1982. №32. С.42-46.

20. Фильц Р.В., Глухивский Л.И. Основные положения магнитно-нелинейной теории явнополюсной синхронной машины. Электричество. 1970. №6. С.30-34.

21. Фильц Р.В., Глухивский Л.И., Лябук H.H. Расчет характеристик и процессов насыщения явнополюсных синхронных машин. Электричество. 1977. №2. С.15-32.

22. Фильц Р.В. Математические основы теории электромеханических преобразователей. Киев.: Наукова думка. 1979. 208 с.

23. Птах Г.К., Евсин Н.Ф. Расчет электромагнитных процессов в однофазном одноименнополюсном индукторном генераторе с учетом насыщения зубцовой зоны// Изв. вузов. Электромеханика. 1979. №7. С.635-637.

24. Птах Г.К., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф. Переходные характеристики для зубцовой зоны однофазного индукторного генератора// Изв. вузов. Электромеханика. 1984. №4. С. 14-19.

25. Архипов А.Н., Евсин Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном индукторном генераторе с классической зубцовой зоной// Изв. вузов. Электромеханика. 1984. №3. С.29-35.

26. Птах Г.К., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф., Петраков М.Д. Исследование несинусоидальности формы кривой напряжения однофазного индукторного генератора с помощью вычислительных экспериментов// Изв. вузов. Электромеханика. 1985. №10. С.35-38.

27. Архипов А.Н., Архипова Л.И., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчет переходных процессов в трехфазном индукторном генераторе при работе на выпрямительную нагрузку с регулятором напряжения// Изв. вузов. Электромеханика. 1986. №10. С.52-54.

28. Птах Г.К., Коломейцев Л.Ф., Архипов А.Н. Математическая модель электромагнитных связей в трехфазном индукторном генераторе с произвольной структурой обмотки якоря// Изв. вузов. Электромеханика. 1987. №3.

29. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А. К определению токов в обмотках электромеханических преобразователей при математическом моделировании электромагнитных процессов//Изв. вузов. Электромеханика. 1987. №6. С.27-33.

30. Коломейцев Л.Ф., Птах Г.К., Архипов А.Н., Пахомин С.А. Метод расчета электромагнитных процессов в нелинейных электромеханических системахна основе эквивалентных схем замещения// Изв. вузов. Электромеханика. 1987. №11. С.80-88.

31. Архипов А.Н., Евсин Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Петраков М.Д. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном индукторном генераторе, работающем на выпрямительную нагрузку// Изв. вузов. Электромеханика. 1984. №6. С.34-38.

32. Иванов-Смоленский A.B., Абрамкин Ю.В., Власов А.И., Кузнецов В.А. Расчет электромагнитных процессов в электрических машинах методом прово-димостей зубцовых контуров. Вычислительная техника и моделирование в энергетике. Киев, 1984. С.149-168.

33. Евсин Н.Ф. Математическое моделирование электромагнитных процессов в индукторном генераторе повышенной частоты: Дис.канд.техн.наук. Новочеркасск. 1975. 180 с.

34. Радин В.И., Петраков М.Д., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф. Расчет электромагнитных процессов в однофазном униполярном индукторном генераторе// Изв. вузов. Электромеханика. 1976. №10. С.1095-1099.

35. Птах Г.К. Разработка математических моделей, расчет и исследование электромагнитных процессов в индукторных генераторах: Дис.канд.техн.наук. Новочеркасск. 1979. 183 с.

36. Силовая преобразовательная техника. Т.1. Моделирование вентильных преобразователей на вычислительных машинах. / Конев Ф.Б.; Ред. Гуткин Б.М. М.: ВИНИТИ, 1976. 84 с.

37. Конев Ф.Б., Троицкая Г.А. Метод расчета электромагнитных процессов в вентильных преобразователях на ЦВМ. Электротехн. пром-ть. Сер.: Преобразовательная техника, 1972, вып.7. С.21-23.

38. Дижур Д.П. Метод моделирования на ЦВМ вентильных преобразовательных схем. Тр. НИИ постоянного тока. 1970. вып.16. С.46-53.

39. Богрый B.C. Русских A.A. Математическое моделирование тиристорных преобразователей. М.: Энергия. 1972. 183 с.

40. Коротков Б.А. Математическое моделирование мостовых преобразователей. Тр. НИИ постоянного тока, 1970, вып.16, С.54-66.

41. Зубков Ю.С. К расчету переходных процессов в насыщенной индукторной машине. В кн.: Бесконтактные электрические машины. Рига: Зинатне. 1969. №8.

42. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.

43. Фильц Р.В., Гаврилюк Р.Б., Плахина Е.Г. Об аппроксимации характеристик намагничивания при расчетах на ЭВМ переходных процессов в электрических машинах и трансформаторах// Изв. вузов. Электромеханика. 1978. №4. С.357-360.

44. Бахвалов Ю.А., Коломейцев Л.Ф., Евсин Н.Ф., Птах Г.К. Расчет магнитного поля в зубцовой зоне одноименнополюсного индукторного генератора методом конечных элементов// Изв. вузов. Электромеханика. 1979. №6. С.524-527.

45. Турчак Л.И. Основы численных методов: Учеб. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1987. 320 с.

46. Булгаков A.A. Новая теория управляемых выпрямителей. М.: Наука. 1970. 320.С.9

47. Назикян Г.А. Индукторный генератор для ультразвуковой технологии: Дис.канд.техн.наук. Новочеркасск, 1986. 168 с.

48. Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г. Добавочные потери в электрических машинах. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1963. 214 с.

49. Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. Л.: Энергоатомиздат. 1989. 400 с.

50. AVXCapacitors Datasheet. 1999. P.23-26.

51. Хуторецкий Г.М., Токов М.И., Толвинская Е.В. Проектирование турбогенераторов. Л.: Энергоатомиздат. 1987. 256 с.

52. Иванов-Смоленский A.B., Кузнецов В.А. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и систем// Электричество. 2000. № 7. С.24-33.

53. Slem.on, G.R., Awad, M.L. On Equivalent Circuit Modeling for Synchronous Machines IEEE Transactions on Energy Conversion. September 1998.

54. Пертренко A.M., Ровинский П.А., Сазонов A.C., Соколов Л.Г. В кн.: Бесколлекторные электрические двигатели с полупроводниковыми устройствами. Л.: Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения. 1985. С.37-48.

55. Проектирование тяговых электрических машин. Под ред. М.Д.Находкина. Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.:"Транспорт". 1976. 624 с.

56. Иванов-Смоленский A.B. Анализ магнитного поля контура в электрической машине с двухсторонней зубчатостью сердечников// Изв. АН СССР. Серия Энергетика и транспорт. 1976. № 4. С.37-51.

57. Иванов-Смоленский A.B. Метод проводимостей зубцовых контуров и его применение к электромагнитному расчету ненасыщенной электрической машины с двухсторонней зубчатостью сердечников// Электричество. 1976. №9. С. 18-28.

58. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах// A.B. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А.П. Власов, В.А. Кузнецов; Под ред. A.B. Иванова-Смоленского. М.: Энергоатомиздат. 1986. 216 с.

59. Кузнецов В.А., Федотов А.И. Дискретная математическая модель системы синхронный генератор-выпрямительная нагрузка// Электричество. 1995. № 4. С.23.- 122

60. Пульников A.A. Метод решения систем уравнений нелинейных электрических и магнитных цепей// Электричество. 1999. № 2.