автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Моделирование электромагнитных процессов в синхронном линейном двигателе при питании от тиристорного преобразователя частоты

МОСКОВСКИ« ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ШШ8ЕРСИТЕТ ПаТЕЛ СООБЩЕНИЯ СЖИТ)

на ппл&ах р.у-к.»аиаа Ь'ДК 021. 313: 625. 39. 001. Й?ЗС 043. ЛЭ

СОХОР ЮРИЯ НИКОЛАЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ 3 СИНХРОННОМ ЛИНЕЙНОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ПИТАНИИ ОТ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

г-..4-

ч

Специальность 05. 09. 01 - Электромеханика

Лзторег?5рат диссертации на соискание иченой степени кандидата технически!! наук

Москва Ют'

Работа выполнена в Московской государственной .университете путей сообвания СМИИТ).

. Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В. А. Винокуров Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор И. П. Копылов; кандидат технических наук, А. Е. Петров.

Ведущая организация - Инженерно-научный центр "Темп".

Зашита состоится о/сгл 199? г. в

на заседании диссертационного совета Д114. 05. 07 по адресу 101475, Москва, Л-55, ул. Образцова, 15, аул. У У

С диссертацией кожно ознакомиться в фундаментальной библи ке университета.

Автореферат разослан -_1997г.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организаци просик направлять по указанному выше адресу

Ученый секретарь диссертационного совета. д. т. и., профессор /А »л Л л А С.П.Власов

- з -

• актуальность тепы. К однопу из направлений развития злектроие-1ки относится разработка и применение линейных двигателей. в гности для транспорта на магнитном подвесе, как отвечающего в большей степени требованиям скорости, экологической чистоты и юмичности. Перспективным линейным тяговым электродвигателе«. :ь явлется линейный синхронный двигатель С ЛСД). имеющий такие г1ые преимущества, как относительно большой воздушный зазор и вы-ие энергетические показатели. Успешные испытания опытных полноштабных экипажей с ЛСД были проведены в Японии, где в системе -003 были достигнуты скорости свыше 500 км/ч. В нашей стране в ГБетствии с принятыми правительственными постановлениями иссле-ания высокоскоростного транспорта вошли в план перспективных ис-дований до 2005г.

Отличительная особенность ЛСД определяется его "встраиванием" в паж и путевое полотно, что приводит к большому числу конструк-ских решений, связанных с системным окружением двигателя. Взаи-вязь подсистем в свою очередь приводит к разнообразию возможных зний относительно выбора системы управления и питания 'двигателя, ектироваиие линейных синхронных двигателей по отношению к проек-оваипи вракакотхся, оказывается более уникальным, ориентированна конкретную реализацию. Поскольку ЛСД является одной из взаи-вязанных подсистем всей транспортной системы, то оконча-ьный выбор конструктивных параметров и режимов необходимо осу-твлять с учетом показателей всех подсистем при всем многообра-возиожных конструкторских решений. Это приводит к необходимое-применения системного подхода, с использованием автоиатизирован-систем проектирования и соответствующих аналитических техноло-. Особое значение здесь имеет разработка методов, позволяющих версализировать определенные .проектные этапы. Перспективным нап-лением в этом плане оказывается применение тензорного подхода, воляющего обобщить описания' различных Физических процессов и

схемных решений, применить блочно-иерархическое представление в т ком описании, а также поддержать принцип сквозного ССАО/САМ) прое тиров&ния.

Отсутствие разработок системных математических моделей для И1 следования ЛСД привело к необходимости восполнить этот пробел. П01 кольну для решения комплексных системотехнических задач и их все! тороннего анализа наиболее универсальным средством является имит; ционное моделирование, то диссертация посвящена разработке и прим! нению тензорного подхода к проблеме системного моделирования пр< цессов в ЛСД при его совместной работе с тиристорными преобразов; телями частоты.

Цель работы, иелыо работы является создание системной моде, электромагнитных процессов в синхронном линейном двигателе для ис следования его совместной работы с различными преобразователя? частоты.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи!

- исследована экспериментальная модель синхронного линейного дви гателя, работающего от тиристорного преобразователя частоты;

- на принципах тензорной диакоптики построена модель силоеой час ти системы преобразователь-синхронный линейный двигатель, разрабо тан единый метод расчета динамических электромагнитных процессов ЛСД при питании от различных тиристорных преобразователей частоты;

- создан программный комплекс ДИЭЛ схемотехнического моделирова ния для персональных ЭВМ с интерфейсом для системы сквозного проек тирования электронных систем управления;

- выполнено моделирование динамических режимов работы ЛСД на ЭВ при его работе от различных преобразователей частоты с. использоЕа нием разработанного программного комплекса.

Методика выполнения исследований. Тензорное эквивалентировзнн! модели ЛСД и силовых подсистем привода выполнено на базе элементарной ветви, включающей источники токэ и напряжения. Параметры ветв!

елены разностно-йтерационной процедурой. соответствующей неяв-ФДН-методу интегрирования и методу Ньютона. Для логической

схемы привода применен метод асинхронного моделирования, [рограммное обеспечение реализовано на Фортране-?? для ПЭВМ IBM '. Моделируемая схема вводится в ЭВМ через ее отрисовку в трахом редакторе PC-CAPS системы P-CAD. Специально разработанный 5>ейс с этой системой позволяет вводить не только электричес-хемы, но и схемы другой физической природы, имеющие соответ-мую электрическую аналогию. Кроме того, интерфейс реализует . с конструированием печатных плат в P-CAD. то есть в части •ронной системы управления на конструкторском этапе использует-(в отлаженная посредством моделирования функциональная схема. 1ри выполнении ' экспериментальных исследований использовались ;ы измерения, а таюке наблюдения с. осциллографированием элек-:ханических параметров.

(остоверность предлаг^^мя кэтодог подтверждена сразиением ре-■зтсв рас«-"?та с эксперипонтальн'.ии данными и известными опубли-:нъ!пи результатами исс-.чэ-сачн:;:! других авторов. ручная новизна работы заключается в следующем; перЕыо применена тензорная технология моделирования для иссле-:мя работы линейного синхронного двигателя а приводе; азрзботзнкыЯ тснзортя лето л расчета электромагнитных процес-, линейном синхронном двигателе при его работе с различными разователями частоты, позволяю-дий автоматически формировать ения системы привода в целом с • произвольной конфигурацией и Й5ЙСЯ структурой соединения силовых элементов является наибо-ниверсальным среди применяемых в области исследований ЛСД; озданный программный комплекс схемотехнического моделирования ссов в системе, включающей линейда:, синхронный двигатель и

- 6 - . преобразователь, является первый и пока единственный в" данной области техники, который поддерживает принцип сквозного автоматизированного проектирования;

результаты моделирования электромагнитных процессов в ЛСД при питании от различных преобразователей частоты явились основой для принятия решений в части рационального выбора преобразователя и системы «правления двигателем»

Практическая ценность. Результаты исследований и разработок использовались в ВэлНИИ при проектировании опытных экипажей с ЛСД для транспорта на магнитном подвесе. Разработанный метод расчета по частям и программный комплекс может быть применен в других областях техники. Б частности, он был применен для расчета спектрального состава тягового тока при исследовании электромагнитной совместимости тяговой сети железных дорог с проводными линиями связи, для расчета режимов разгона и торможения транспортных экипажей с асинхронными линейными двигателями, для расчета динамических процессов в инверторе индукционной электротермической установки. Разработанная методика и программный комплекс применены в учебном курсе по автоматизированному проектированию и по моделированию технических систем. Полученные во всех случаях модели в тоже время пополнили информационную базу для исследований ЛСД.

Апробация работы. Основные положения представленной работы докладывались на Всесоюзных конференциях по высокоскоростному наземному транспорту СНовочеркасск, 1980г., 1984г.). научно-технических семинарах кафедры "Электрические машины" ШИТа С Москва, 1984-19оСгг.), научно-технической конференции кафедр БелИИЖГа и ДорНТО Белорусской железной дороги СГомель, 1989г.), на -школе-семинаре "Тензорные методы анализа и синтеза сложных систем" С Ижевск. 1991г.), на конференциях "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки" С С.-Петербург, 1994, 1996), на конференции "Актуальные вопросы образования, науки и техники" СПсков, 1935г.).

- ? -

Публикации'. По результатам выполненных- исследований опубликова-I 14 работ^ Результаты исследований отражены в отчетах по исследо-ггельским хоздоговорным работам.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, трех разде-)В, заключения, списка использованных источников. Содержит 152 с. :новного текста, включая 32 рисунка, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассматриваются конструктивные особенности ЛСД, >дчеркивается тесная взаимосвязь двигателя с другими подсистемами >ивода, в частности с преобразователем частоты и системой управле-!я. Отмечается необходимость системных автоматизированных методов >и проектировании ЛСД, анализируются существующие здесь разработ-!, делается вывод о недостаточной универсальности применеямых ме-)дов и перспективности в этой связи .тензорного подхода. Приводит-I история еозникнов-эння, развития и применения тензорных методов. Фмулируются цели и задачи диссертации.

В переой главе рассматриваются общие принципы применения тен-фной технологии для построения модели анализируемой ^системы, ко-|рые сведены к следующим этапам: 1) приведение уравнений системы к озорному виду, 2) выбор эталонной тензорной модели, 33 приЕеде-ю в соответствие тензорны:: уравнений системы и эталонной модели. . ¡еле подбора подходящей эталонной модели, переход к подели любой угой системы данного класса осуществляется путем использования ■алонных инвариантов и тензоров преобразований,после чего производя решение эталонной модели относительно неизвестных перепенных.

Для выбора наиболее характерных сеойств системы преобразова-■ль-ЛСД и их последующего тензорного описания, проводится анализ шествующих теоретических 'и экспериментальных разработок. который зеолил установить, что ЛСД представляется в большинстве исследо-нии как совокупность магнитосвязанных обмоток. Статорная обмотка

уложена в пути, на экипаже расположена обмотка возбуждения. Тензорные уравнения, описывающие динамику двигателя:

и« = Риь- 1Ь + Ь»ь-1Иь/(Ц. - е» ;

- ^ - ■ а)

где и» _ тензор приложенных напряжений, - тензор сопротивлений обмоток, 1Ь - тензор токов в обмотках, Ьаь-тензор индуктив-ностей, т1"5 - тензор механической инерции подвижного элемента двигателя по вращательным и поступательным координатам. - тензор вращательных и поступательных скоростей, Г"**1 - вектор сил сопротивления, е» - вектор наведенных е. д. с.:

е» = ЗЬа.ь/Эч8- V*-1" , . С2)

где ЭЬль/Эче - частная производная тензора индуктивностёй по обобщенной координате че.

Г1" - тяговая сила, определяемая из выражения:

Г-» 1/2 1а-1Ь. . С3>

В систему уравнений С15 могут входить компоненты, соответствующие обмоткам электродинамического подвеса с дискретной путевой структурой.

Тиристорные преобразователи частоты в работе представляются как совокупность й, Ь. С-ветвей и силовых вентилей, при этом вентиль представляет собой идеальный ключ, разрывающий схему в узлах присоединения в непроводящем состоянии и закорачивающий ее в проводящей.

Для описания явлений неэлектрической природы в работе принят метод электрических аналогий. Принятая система аналогий к ковариан-тным перекгкнъти относит электрическое напряжение, линейную и угловую скорости, газогидравлическое давление, температуру. К контрава-риантным - электрический ток, механические силу и вращающий момент, газогидравлический кассовый расход, тепловой поток. Выбор именно такой системы аналогий диктуется удобством составления эквивалентной электрической схемы замещения; поскольку в этой случае соеди-

.ию неэлектрических. элементов напрямую соответствует соединение •ктрических аналогов. Это оказывается важным при графическом вво-незлектрических схем на ЗЗ'И - автоматическая процедура электри-кого эквивалентирования предельно упрощается. Для описания взаи-зязи явлений разной природы используются аналоги электрических равляеяых источников: источников тока и напряжения, управляемых :ом или напряжением. Такими аналогами описываются также рычаги. 1УКТ0РЫ и т. д.

Таким образом, уравнения силовых элементов преобразователя и рлектрических элементов привода з работе представлены уравнения-связи между током и напряжением для R,L,С-ветвей и управляемых очников.

При Еыборе эталонной тензорной модели, в качестве топологи-кого пространства исследуемой системы выбран линейный грз.ф, сос-щий из I-hsphkü Бетвеп, которип при соединении образуют гранич-■ пространства - контуры и узловые пэры. Алгебраическая система, бражакглая эти пространства, включает пскторы токов в ветвях i и турах i", секторы напряжений на сетзях U и узловых парах U'. зь между зекторои токов ветвей и вектором контурных токов опре-"етел v.ohtvphhm тензором преобразований С:

i = C-i' С 4)

Сзязь к<»-ду Гектором напряжений ветзеД п вектором узлових нап-вний определяется узловым тензором преобразований А:

U * А-U- сз,

Между векторами источников в ветвях э и J и векторами источни-в граничных пространствах е- n J', такя-з существует топологи-кая связь:

е' « Ct-e ;

J' » ÄfJ , Ct '

\

t - знак транспонирования.

Топологические .«равнения С4Э + С5) представляют 'преобразован«! координат пространства элементарной схемы, состоящей из несоединенных элементарных ветвей в координаты пространства соединенной схемы. состоящей из контуров и узловых пар, т.е. в иетодологическо* плане конструктивные преобразования схем описываются как преобразования пространств. Тензорный аппарат предоставляет для этого достаточно иошные математические средства. Отличительной особенность« тензоров преобразования перед широко применяемыми патрицами инци-денций состоит в том, что тензоры преобразования могут отражать еще и преобразования к движущимся или иным координатам, т. е. матричная Форма тензоров преобразования может включать не только 0,+1,-1 для случая электрических соединений, но и тригонометрические функции, дробные числа, комплексные числа и т. д. В работе тензоры С и А представлены квадратными матрицами, т. е. схемы рассматриваются как ортогональные. Разработанный для электрических соединений способ построения ортогональных схем и матриц преобразования, исходит из контурного представления схем с введением разомкнутых контуров на узловых парах, имеющих один обший (нулевой) узел и выборе замкнутых контуров с одной ветвью связи. Ориентация на контурный способ связана с тем, что уравнения электрических машин традиционно представляются в контурных переменных, а радиальное представление схем существенно упрощает алгоритм переформирования уравнений при расчете по частям схем с переменной структурой соединений.'

Для описания связи между токами и напряжениями, в принятой эталонной модели, каждой элементарной ветви приписывается сопротивление г. Тогда элементарная схема описывается тензорным уравнением!

и + е * 2- С1 + Л), С?)

где 2 - тензор сопротивлений ветвей. Между ветвями может быть связь, необязательно взаимная, т. е. матрица 2 имеет недиагональные элементы, в состав которых могут входить взаимные индуктивности или коэффициенты передачи управляемых источников.

- Ll -

. Тензоры преобразороний С л-^лставляпт собой группу в элгкбраи-скои смысле. Группа про"'лосрелсТЕОН тензора С -гас-ет инвс-риантной -горн» v;-....' « < ?> им случая соединенной сх-?кы: U' .. ' ¿' - i i' + J' 3.

п = 2-С - тепгор cni,.-.- ••• ч *-<»г.>и совдинсной скг»чи.

Влочно-пвтричккй вив системы уразнзний С8) в работа предст*»-ется слеауюыия o'5p.i?ovr.

J°l

I Ы h О ! |ек|

ЛРО ti о>с 0 í

• с

ízr.o 2 у. у. i4

С 9)

э индекс о - относится г. координат«и открыт«« КОНТУРОВ с УЗЛОЕКХ р),-индекс к - относится координатлм замкнутым кэнтугоз.

Появление нулевых блочных патриц Uk=0 и io=0 сеяззно с рззпобо-нкып способом построения ортогонально'.! схемы, при котором теизор-ю урзпнения С9), сведет! к уравнениям, представлягс'.чм схему лы:о г, узловых координатах или только контурных:

Uo + е~о-= г~оо-С Io + J° ), . СЮ)

U;t + e:t - 2С iK + J-KJ", Cil)

e 2~oo = Zoo - So!-.- С ZM-,;)-1 - Z:\o, o~o = (Jo' - SOK-CZKK)-1 - ex,

= J* + C2kk)-l-2ko- J°. U*=0 , i°=0.

Такое представление уравнений оказывается существенным при pac-re. по частям - для рзечета подсхем используется уравнение СИ), а \л расчета соединенной схемы используется узловое представление дсхем СЮ).

Последний шаг в построении окончательной подели - установление ответствия между тензорными уравнениями исследуемом системы и авнениями эталонной систег.ы. Тензорнъ-.е уравнения ЛСД С1) вклю-,ют Еекторы напряжений и токов как для электрической части, так и 1Я механической в рамках электрических аналогий. Параметры ветвей 'Д содержат активные сопротивления, индуктивности, взаимные индук-вности, емкости Скак аналоги механических инерционности!). а так-

же управляемые источники. Такие же компоненты содер:«лт схемы преобразователей частоты. Поэтому оказывается достаточным представления уравнений к, Ь, С-коипонент в инвариантной норме <?'). Для этой цели во ьрепеннои области было выполнено описание этих ветвей как резис-тивлых через разностно-итерационную схему замещения, соответстиук-щую неявному $ДН-иетоду интегрирования. Б соответствии с этим методом производные токов и напряжении б текущий <п+1)-й нонеит времени Е компонентных уравнениях представлены через рассчитанные токи к напряжения в предыдущие моменты времени согласно уравнению:

с1х/сИ.= -1/ а1_-2(ги-хп--1—13. (12)

где ог - временной шаг интегрирования. к - порядок ФДН-г.етода, ' сиСгде .3=0*кЭ - постоянные коэффициенты, зависящие от. порядка метода, х - ток либо напряжение инерционной ветви. •

Уравнение С12) определило соответствующие выражения для расчетов источников тока и напряжения в уравнении С73. - Для нелинейных ветвей алгебраизиросанные сопротивления представлены по методу Ньютона динамическими параметрами с итерационным уточнением.

Для случаев расчета в комплексных числах сопротивления 2 представлены комплексными числами: Z=L/ÍJuC') - для емкости, Z=■iыL - для индуктивности. В соотношениях С6) и С8) используются при этом комплексно-сопряженные транспонированные патрицы СЪ и А1 (для представления моделей электрических машин во вращающихся осях).

Приведенные соотношения С7+12) используются для расчета сложной схемы по частям.

У-.о второй гл-?ве приведен разработанный метод расчета по частям системы, г,кл»чаютай ЛСД и переобразователь частоты. Каждая подсхема, полученная в результате разбиения, описывается унифицированным способом, одинаковым как для ЛСД, так и для преобразователя частоты и других систем привода. Стратегия разбиения на части -определяется степенью детальности описания и целями исследований. Каждая подсхема может быть описана в той системе координат, которая наибо-

~ 13 -•с приемлем» влч рэсчята. Тензорный бптрпт опг^л'.-лпет ппоц<\цуру :ьчг.влентирования отлсльннх подсхем. позволяющую получить решончч ¡я соединенной схемы. Это рс^кя-г прслстгпляет собоч rteroa ччвив;-•нгного генератора, рчспрогтрат--ти.;-< на слулой дриг с

vi ом мюгопо/пскигсв. Счс»л волчтеч ил част* г. чалчч тр.", чю-íh лучеиг-лло Ш1игсгол:с..-.ник;; re-w с о-J •',•': :5ос-" н.лв ic

г.- с г:'-;!;; г. vл~ -:: про1!:.-'-:"'i ¡ п спи "пик^л ■ . < ■м л ■ w.г íicc-.о'Л cücimís ЛГП - п; еоЗралсл-тол^ го тч^ч.ч^м я-л'иллеч дьпра-ль, «с'очк;;-: нитапгл, енльтг', »-'qiíiu i цепочки-:i т. л. Ветвл-

сьдля ячлчвгеч kopot козллл; утке 'и-реп-мки и кснти/ьнкэ гс. „и. Сста-ллиг- г, кл".'-ррег! ре.ллмл, т.е. система ЛСД-г.р^обрАзор.атРль яв-1-.1ся >; cci.'f" случсе cxenrr.i с всгоушюй структурой сосдилонич.

Для еу расчета ¡?чл рал.ра-.от?'.' метод, который базируется на пос-оснии тенлора прс^брозсЕлниз Соя, опаскваткого '.сэдичемнуп "ллелу. зрабо'1>"к1 ни способ nof-TrfPha* дерева для схевы с исрвяе|;.чой руктурой требует пшшмальных затрат на переформирование матрицы поскольку ксчаз.ч пэяг>.'?ка, г.ргдстззлемизд з ралиальнох виде, i г;вл;;егсл чпетью дерена все..! схег.ы. При этом используете:! с зная схема. в которой узлэки является полехеми, а ветвями -»

>водаше ветви из тех, которые сседизяят подсхемы. Посколь: . :ум->ная схема имеет 'постоянную структуру, то ее дерево неизг. -о и »еяориирсвение матрицы Со* сводятсч к переназначении тех п;ое?дя-: вэтЕей связей, которые на расчетной шаге стали непрогол/ хим.

В работе рассматривается решение особых ситуациий, когда венти-сбразувт между собой замкнутый контур млн наоборот, изолируют :схемы друг от друга. В этих ситуациях вентилям приплел г ^втея ротивления, достаточно малые для замкнутых контуров и достаточ-больигле для разомкнутых. Выбор конкретных значений определяется овием минимального влияния выбранных сопротивлений на протека-элоктромагнитных процессе» в.

- 14 - •

а излом расчет схемы по частям состоит из следующих зтапоЕ: 1. Расчет отдельных подсхем: и0 = 2~ос.--3° - ч~о '• Л. Построение Сог;

Я Расчет контурцух сопротивлений суммарной схемы г~оо-

4. Расчет напряжений в связях суммарной схемы е3=Са°-ио;

5. Расчет то ков в связях - С255бЗ-"1 • ок :

8. Расчет прираиюкий токов в подсхемах = С°к-•

7. Расчет приращений напряжений подсхем о11о-2~оо-а.10 :

8. Получение окончательного решения для подсхем и~о - Ь'о + оЦо .

Окончательное решение может быть исполъзоБано для расчета другими схеиаии, .также рассчитанными по частям - таким образен по лучается иерархическая структура расчета сложных схем.

■ Приведенные этапы относятся к тензорной технологии расчета п частям. В ходе их выполнения требуется расчет переменных, определе кие которых не укладывается в рамки тензорного описания. Сюда отно сится расчет нелинейнос'тей, расчет сложной Формы напряжениий источ ников. Для получения информации об управляющих импульсах на тирис торы требуется расчет логической части системы управления и т.д Решение этих задач выполнено на ал1 оритмическои и программном уров не реализации модели. Здесь же решены задачи сходимости, точности общей организации вычислительного процесса.

Алгоритм, расчета по частям приведен на рис.1 и включает следую кие блоки. После ввода исходной информации о структуре- соединени схемы и параметрах элементов и трансляции их б списочную форму производится формирование структуры . матрицы соединений суммарно схемы. Этот этап не входит в цикл переформирования уравнений пр изменении структуры схемы. Затем производится расчет сопротивлени и прсводимостей подсхем. Поскольку структура внутреннего представ ления данных о подсхемах использует одно место оперативной пакят для одинаковых подсхем, то наибольшая Эффективность алгоритм проявляется для больших схем, имеющих значительное число однотип

Ввод исходных данных

_1_

Трансляция данных во внутреннее представление. '}ормироЕгние патрицы соединения результирующей схемы

Расчет обратных патриц сопротивлений подсхем.

13 Достиг-

нут за-

данный —

порядок да

метода?

Определение проводящих Еетвей в патрице соединений результирующей схелл. Расчет и обращение контурной матрицы сопротивлений результирующей схемы

Расчет независимых, управляемых и разностно-итерационных источников подсхем.Расчет токов в проеодящих связях и напряжений на непроводящих. Окончательный расчет токов л напряжений в подсхемах.

нет

г<- 6 Есть нелинейные подсхемы?

да

7 Расчет условий сходимости

—I--

81 Сходимость достигнута? I—>

Расчет логической части схемы Расчет состояний ключевых . элементов схемы.

10 Вывод и обработка результатов

11

Приращение шага. Выполнено условие окончания счета?

" Гнет

Стоп

12 Изменилось состояние схемы?

Рис.1. Алгоритм расчета.

ных подсхем.

На следующих этапах алгоритма производится определение элементов матрицы соединений суммарной схемы, соответствующих проводишь сбя^-тм. Расчет соединенной схемы проводится в контурном базисе, поэтому Формируется матрица контурных сопротивлений и вычисляете: ее обратная. Применение процедуры обращения матрицы здесь оказывается более целесообразным перед методом исключения, так как расчет во временной области требует многократного решения системы алгебраических уравнений.

Эффективность разработанного метода на алгоритмическом уровне проявилась в следующем: при расчете отпадает необходимость выделения нормального дерева графа схемы. Случай параллельного включени5 емкостей не приводит к специальной обработке, кроме ситуации, когда в контуре оказывается вентильная ветвь - в этом случае алгоритм предусматривает использование уменьшенного расчетного шага для - надежного запирания Еентильной ветви. Расчет токов в вентильных ветвях совмещен с общим расчетом токов между подсхемами. При определении условий сходимости для расчета нелинейностей. предусмотрена зашита от итерационных зацикливаний, а такта смена итераций с итераций по току на итерации па напряжению и обратно для нелинейностей диодного типа.

Для расчета логической части системы управления тиристорами применен алгоритм асинхронного событийного двоичного моделирования со встроенными моделями элементов жесткой логики и триггеров, соот— ветстЕукших их таблицам истинности. Для сеязи .логической схемы с силовой разработаны интерфейсные модели цифро-аналоговых и аналого-цифровых компонент.

Алгоритм расчета состояни.. ключевых и вентильных элементов носит экспертный характер, построенный по принципу "если. . . то... " и может уточняться в зависимости от задач исследований. Такой подход

!меет существенное преимущество перед подходов, применяемым в известных схемотехнических программах типа SPICE или Hlcro-Cfip". где [абор ключевых элементов представлен встроенными моделями с ограни-¡енными возможностями.

При программной реализации применена табличная Форма представ-:ения матриц. Расчет нелинейных параметров подсхем выполняется че-ез подпрограмму-каталог, которая подключает необходимые подпрог-эмиы из общей библиотеки. Каждая подпрограмма расчета нелинейных одсхем составляется с учетом характера нелинейностей конкретного ипа подсхемы - транзистора, участка магнитопровода и т. д. Подпрог-амм-каталогов может быть несколько с ориентацией на электронную, еханическую или другие библиотеки..Подпрограммы расчетов истсчни-ов также составляются отдельно. Здесь выполняется расчет источни-ов сложной формы сигнала при представлении преобразователя источ-иком заданного напряжения или тока. Через эти подпрограммы органи-иется расчет схем, в которых подсхемы отличаются -'ольшим разбро-эм постоянных времени. Так как разностные модели инерционных вет-зй включают источники начальных условий для расчетного иага, то ;тен увеличения этого шага для ветвей с большой инерционностью, гй источники перерасчитываются явным методом, с последующим выхо->к на установившийся режим посредством расчета с текущим шагом. :тойчивость ФДН-метода гарантирует такой выход.

При расчете схем в частотном диапазоне не используются подпрог-1ммы, связанные с особенностями расчета мгновенных процессов. Под-югрампы расчета нелинейных и времязависимых источников заменены i подпрограмм!! расчета частотозависимых сопротивлений и источни-в. Приращения частоты могут быть линейными или нелинейными, в ок-вах или декадах, а выводимые на график величины могут быть пред-авлены в логарифмическом масштабе, в частности в децибелла,: при счете логарифмических амплитудно-частотных характеристик систем равления. Предусмотрена возможность подключения сервисных под-

программ, обрабатывающих результаты расчета токоб и напряжений расчет различных составляющих мощности, коэффициентов формы и спек тров напряжения и тока на выходе преобразователя и т.д.

В работе обращается внимание на приципиальное отличие тензорно го моделирования от моделей специального исследования, состоящее том, что оно ведется в обобщенных категориях, которые проходят че рез все решение задачи, в то время как в специальных исследования общие уравнения сразу адаптируются под . "узкое место" разработки Эта особенность проявляется, например, при описании подсхем в тен зорном виде, при проведении электрических аналогий для неэлектри ческих систем и т.д., что требует соответствующей иатематическо подготовки. Поэтому для применения тензорного моделирования в инже нерной практике и учебном процессе разработаны пользовательские ин терфейсные программы, работа с которыми не требует специальных ма тематических навыков. Достаточно знаний основных тензорных поняти и особенностей метода расчета.

Разработанный программный комплекс позволяет автоматизироват достаточно широкий круг исследовательских задач функционального ас пекта проектирования. Поскольку наибольшая эффективность автомати зированного проектирования достигается при организации сквозног СCAD/CAM) проектирования", при котором с помощь» единого программно го обеспечения осуществляется согласование проектных операций н всех этапах - "от замысла до изготовления" С функциональное, кон структорское и технологическое проектирование), то в работе был установлено место разработанного подхода в этой концепции и опреде лены возможности ее максимальной поддержки. В этой связи дополни телько были разработаны интерфейсные программы для встраивания программное обеспечение автоматизированного конструирования, в час тности системы P-CflD. Это позболило обеспечить беод исходных дан ных для моделирования в графической форме, соответствующей принци

калькой схеме рассчитываемой системы, включая неэлектрические эле-;нты. Таким образом, уравнения, описывающие схему, проектировшлком зтрисовываются" в виде графической схемы, максимально приближен-)й к принципиальной. Это имеет преимущество перед пакетами типа ibVIEU, где используются графические представления схем в виде пе-гдаточных функций.

В третьей главе приводятся результаты применения разработанной жзорной технологии для исследований совместной работы ЛСД с Разиными преобразователями частоты.

Для режима разгона экипажа определена -перегрузочная способ-сть источника питания при трех способах! постоянным ускорением, стоянным током и комбинированным, обеспечивающим сначала потребило постоянного тока до выхода на номинальное напряжение и затем згон с номинальным напряжением. Полученные законы изменения нап-жения и тока затем использовались при моделирования системы давления преобразователями. В главе приводятся резул таты исследо-ний работы ЛСД от инвертора тока, инвертора напряжения со 150" разлениеи тиристорами со звеном постоянного тока и инвертора нап-♦вния со 180" управлением и широтно-импульсным регулированием 1Р). В результате моделирования совместной работы ЛСД с инг.ерто-1 тока определены условия запуска экипажа с минимальными пу.:ьса-ти. Работа с инвертором напряжения со 180* управлением тнристо-1И и со звеном постоянного тока исследовалась в динамически pele перехода стыков питаемых участков якорной обмотки. Показана Сходимость регулирования напряжения для устранения импульса тя-ой силы, величина которого Б 1,5 раза-больше номинального значе-и снижения почти двухкратных бросков тока в выходящей из рабо-секции. Для регулирования^напряжения при переходе стыков иссле-алась возможность применения для этой цели инвертора напряжения «утренним регулированием напряжения. Показано, что коммутацион-процессы в инверторе ограничивают возможности в регулировании

тяговой силы при переходе стыков на больших скоростях С при больших частотах) из-за достаточно большой их длительности - до 0.4 «с, когда выход на ноиинальное напряжение должен сопровождаться скачком напряжения.

В главе рассматривается опыт применения системных аспектов тензорной технологии моделирования, связанных с возможностью расширения информационной базы для принятия решений путей применения технологии в других областях техники, а также в области образования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗИЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Применение тензорного подхода позволило включить в единое математическое описание цепь двигателя, силовые элементы преобразователя и системы питания, что наилучшим образом отвечает системному характеру проектирования ЛСД для транспортных экипажей на магнитном подвесе.

2. Разработан метод расчета по частям систегы. включающей ЛСД- и преобразователь частоты, который позволил автоматически формировать и решать уравнения системы привода в целок при. произвольной-конфигурации и менкгаэйся структуре - .соединений силовых. элементов. . . Зто значительно поеысило эффективность исследования работы двигателя с различными преобразователями частоты.

3. Разработан пакет программ . схемотехнического моделирования электромагнитных процессов с ЛСД для персональных ЭВИ и средства адаптации к программам сквозного проектирования в части электронных систем управления;

4. Выполнены исследования совместной работы ЛСД с различными преобразователями частот. В результате установлено;

- при работе от инвертора тока развиваемой противо-з. д.с. двигателя недостаточно для естественной коммутации вентилей, необходима их искусственная коммутация;

- при запуске двигателя в вентильном режиме требуется разработ-

:а специального устройства для установки начального угла сдвига |агнитных полей, обеспечивающего минимум пульсаций сил. развиваа-1ых двигателем;

- при регулировании напряжения в режиме перехода стыков питае-!ЫХ участков при работе инвертора с ШИР. нулевая пауза в Фазном :апряжении становится соизмеримой с длительностью переходных провесов в коммутационном узле. Это требует скачкообразного перехода а рабочее напряжение, что приводит к перегрузке преобразователя по оку примерно на 25Х и дополнительным пульсациям сил, развиваемых питателем.

Оснсвъие положения диссертации опубликованы в следуган:-: работах.

1. Патин В. И. , • Сэхаров Е. В. , Сег.оъ К!. И. Некоторые г1-чульт >тч ис-ледоз.зння способов пуска и торможения экипажа "CHT. //Tn i. ;;ок. II сесоюз. конф. "Итоги и перспективы создания высокоскоростного наемного трансп. " И. : Информэлектро, 1980, с. 70.

2. Матин В. И. , Сохор HJ. Н. . Зм Л. И. Частотный пуск экипажа РХНТ с СД при питании от статических преобразователей частоты. // Извес-ия вузов. "Электромеханика", ,'! 1.15'25, с. 4G-51.

3. Винокуров В. А. , Сохор «3. Н. , 'Миронов А. Н. Сравненение спосо-ов разгона транспортных средств с линейным синхронным вигателем. //Кежвуз. сб. науч. тр. "Перспективный тяговый электропри-од транспортных средств, м. : КИИТ, еып. 777, 1SS8, с. 63-71.

4. Матин В. И. , Сохор ¡3. Н. , 'Миронов А. Н. Математическое моделиро-ание электромагнитных процессов в системе преобразователь частоты

синхронный линейный двигатель.//Кежвуз. сб. науч. тр. "Пути совер-энстеобзния тягоеого электроприЕОда", Н. : ШШТ. еып. 789, 387, с. 5-13.

5. Сохор Я. Н. ДИЗЛ - программная реализация тензорной диакопти-л для расчета сложных электрических цепей. //'Гез. док. XVI конф. глИИЖТа и ДорНТО Белорусской железной дороги: "Пути технического

перевооружения и модернизации ж.-д. транспорта", ч. XI. Гомель, 1939, С. 80-81.

6. Пительмахов й. В.. Сохор Ю. Н. Спектральный анализ тягового тока на ЭВМ с пользованием тензорной диакоптики. //Тез.док. XVI конф. "елИЮТа и ДорНТО Белорусской железкой дороги:"Пути технического перевооружения и модернизации ж.-д. транспорта", ч. II. Гомель, 1589, с. 87-88.

7. Пительмахов А. В., Сохор Ю. Н. Применение тензорной диакоптики при анализе электромагнитной совместимости тяговой сети. Сб. "Повышение Эффективности устройств железнодорожного транспорта", Рос-тов-н/Д. РИДОа, 1990, с. 76-76.

8. Сохор Ю. Н. Декомпозиция и расчет узловой цепи с переменкой структурой.//Тез. докл. школы-семинара "Тензорные методы анализа и синтеза сложных систем". Ижевск. 1991. - с. 8-11.

9. Курилин С. Л. . Сохор Ш. Н. Тензорный метод г асчета процессов • в инверторе индукционной электротермической установки. //Деп. ЦНТИ Информэнерго. К3286-зн 91 от 25.04.91.. БелИИЖТ, г. Гомель, 28с.

10. Сохор Ю.Н. Тензорная технология интеллектуализации образования. //Тез.докл. 1-й конф. "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки". С.-Петербург 1994 г. с. 153-159.

11. Сохор Ю. Н. ДИЗЛ - информационная технология поддержки научно-технических разработок. //Тез. докл. конф. "Актуальные вопросы образования, науки и техники", ч. 1, СПГТЫ, Псков. 1995г. с. 56-58.

12. Сохор И.Н. Автоматизированное проектирование для студен-тоЕ-электроприЕодчиков. //Тез. докл. конф. "Актуальные вопросы образования, науки .и техники". ч2. СПГТа, Псков.1995г. с. 13-15.

13. Сохор Ю.Н. Курс автоматизированного проектирования электроприводов и систем управления. /, Тез. докл. 3-й' Междунарорн.. конф. "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки",С.-Петербург, 1936 г. с. 223-225.

11 Сохор Ю. Н. Системное моделирование приводов с линейными двигателями. Основной подход и реализация. //Труды Псковского'политехнического института. «1. Псков, 1997г. с. 42-43.

СОХОР ЮРИЯ НИКОЛАЕВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИНХРОННОМ ЛИНЕИНОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ПИТАНИИ ОТ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

(05.09.01. - Электромеханика)

Подписано к печати* 22. 09.1997г. Объем 1.5 п. л.

Формат бумаги 60x90 1/16 Заказ 621

Печать офсетная Тираж 90 экз

Ротапринт типографии Псковского областного комитета статистики. 18000О, Псков, ул. К. Маркса. 15.