автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование математической модели автомобильной генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя

i i.; / { / i

; W / 1 ~..... / ..7

• / / и и- y . ■

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

На правах рукописи

АГАФОНОВ АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПЛЕЧОМ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук проф. Акимов C.B.

Москва

1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................5

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК И ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПЛЕЧОМ ВЫПРЯМИТЕЛЯ............................................... 12

1.1. Генераторная установка как элемент системы электроснабжения транспортных машин........................ 12

1.2. Тенденции развития автомобильных генераторных установок.............................................................. 16

1.3. Исследование особенностей работы выпрямительных

узлов генераторных установок................................... 20

1.4. Выбор метода исследования автомобильной генераторной' установки с дополнительным

плечом выпрямителя................................................ 27

1.5. Особенности исследования вентильных генераторов

на основе математических моделей.............................. 31

1.5.1. Анализ принципов построения математических

моделей вентильных генераторов............................... 31

1.5.2. Особенности расчета магнитного поля электрических

машин................................................................. 39

1.5.3. Особенности построения математической модели и расчета выходных характеристик автотракторных генераторов............................................................ 55

Выводы......................................................................... 61

2. СИНТЕЗИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УПРОЩЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АВТОМОБИЛЬНОЙ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ

ПЛЕЧОМ ВЫПРЯМИТЕЛЯ............................................... 62

2.1. Разработка упрощенной математической модели генераторной установки с дополнительным

плечом выпрямителя................................................ 62

2.2. Экспериментальное определение адекватности упрощенной математической модели........................... 79

Выводы......................................................................... 92

3. СИНТЕЗИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПЛЕЧОМ ВЫПРЯМИТЕЛЯ............... 95

3.1. Расчет магнитных полей в воздушном зазоре генераторной установки с переменным сечением полюсов.................. 95

3.1.1. Методика расчета магнитных полей в воздушном зазоре генераторной установки с переменным

сечением полюсов.................................................. 95

3.1.2. Описание программы расчета магнитных полей генераторной установки с переменным сечением

полюсов.............................................................. 107

3.2. Разработка математической модели и расчет магнитной цепи генератора с переменным

сечением полюсов................................................... 108

3.3. Расчет выходных характеристик генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя. Анализ степени адекватности разработанной математической модели............................................ 118

Выводы........................................................................ 125

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ............. 127

4.1. Анализ влияния значения МДС обмотки возбуждения на параметры магнитной цепи и характеристики генераторной установки. Разработка рекомендаций по оптимизации величины МДС обмотки возбуждения....... 128

4.2. Исследование влияния фасок на полюсных наконечниках на параметры генераторной установки

с выдачей рекомендаций по их введению...............,..... 130

Выводы....................................................................... 136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................. 137

ЛИТЕРАТУРА.............................................................. 140

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................ 150

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. Стремление повысить конкурентоспособность автомобиля приводит к росту количества и мощности установленных на нем электропотребителей, улучшающих потребительские и эксплуатационные свойства автомобиля, что требует от разработчиков автомобильных систем электроснабжения создания генераторных установок с высокими мощностными показателями. В то же время, уменьшение мировых сырьевых запасов приводит к необходимости достижения высокой энергоотдачи при минимальном весовом исполнении энергоустановки.

Создание эффективных, надежных и технологичных автомобильных генераторных установок является актуальной задачей.

Сегодня автомобильная генераторная установка представляет собой сложный энергетический комплекс, объединяющий синхронный генератор с клювообразным ротором, вентильный преобразователь и регулятор напряжения. Расчет и проектирование такого комплекса является сложной и многопараметрической задачей. Успех в решении этой задачи зависит от правильного выбора и расчета всех элементов машинно-вентильного комплекса, в первую очередь электрической машины. Поиски эффективных и всеобъемлющих решений по улучшению энергетических показателей и качества выходного напряжения занимают одно из центральных мест при разработке автомобильных генераторных установок. Эти поиски могут быть осуществлены как на основе натурного машинного эксперимента так и с помощью математического моделирования. Последнее более рационально.

Расчетам и моделированию синхронных генераторов, в том числе и в составе машинно-вентильного комплекса, посвящено большое количество работ. Помимо фундаментальных работ по теории вентильных машин ( Андреева Ю.М., Бута Д.А., Глебова И.А.) огромную роль в разви-

тие методов и средств математического моделирования вентильных генераторов сыграли работы ученых Московского энергетического института ( Русакова A.M., Рожнова Н.М., Тыричева П.А., Сугробова A.M.); научно-исследовательского института автомобильной электроники и автоприборов ( Купеева Ю.А., Евграфова В.И., Лейкина Л.П.) и Московского автомеханического института ( Акимова C.B., Акимова A.B.). В их работах сформированы принципы построения и описания математических моделей вентильных генераторов.

При создании математических моделей обычно основное внимание уделяют расчету характеристик генераторной установки при ее работе совместно с вентильным преобразователем, имеющим традиционную схему выпрямления, на основе синусоидального представления изменения переменных величин ( токов и напряжений) в обмотках статора генератора. Существенно в меньшей степени проработаны вопросы по исследованию возможности использования высших гармонических составляющих индуктированного напряжения для повышения энергетических показателей генераторной установки, особенностям работы машинно-вентильного комплекса, выпрямитель которого имеет дополнительное плечо. Для исследования влияния высших гармонических составляющих на внутренние процессы и выходные характеристики генераторной установки представляется целесообразным на различных стадиях исследования этого вопроса использовать модели различной степени сложности, что подталкивает к необходимости создания целой совокупности моделей машинно-вентильного комплекса различной степени детализации.

Таким образом, развитие методов математического моделирования с целью исследования возможностей использования высших гармонических составляющих фазного напряжения для повышения энергетических показателей машинно-вентильного комплекса и особенностей совместной

работы электрической машины с выпрямителем, имеющим дополнительное плечо, остается актуальной задачей.

Целью работы является создание совокупности моделей машинно-вентильного комплекса, которые позволяли бы достаточно точно и с небольшими затратами вычислительного времени рассчитывать характеристики комплекса с учетом реальных электромагнитных процессов генератора и наличия вентильного преобразователя, имеющего дополнительное плечо, которое позволяет использовать высшие гармонические составляющие индуктированного напряжения для повышения максимальной выходной мощности, а также разработка рекомендаций по выбору отдельных параметров генераторных установок и их совершенствованию.

Достижение поставленной цели предполагает конкретизацию и решение основных задач:

определение способов и средств построения математических моделей машинно-вентильного комплекса, имеющего дополнительное плечо выпрямителя ;

разработка упрощенной математической модели автомобильной генераторной установки, позволяющей оценить эффективность применения дополнительного плеча выпрямителя и провести расчет элементов вентильного преобразователя при различном спектральном составе фазного напряжения;

разработка метода расчета магнитного поля в воздушном зазоре генератора с учетом изменений сечений магнитопровода, разно полярных полюсов и зубчатого строения статора, позволяющего проводить расчеты с минимальными затратами машинного времени;

создание комплексной математической модели автомобильной генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя, отражающей реальную форму токов и напряжений, учитывающей влияние

дополнительного плеча выпрямителя на энергетические показатели генераторной установки;

реализация совокупности разработанных моделей в форме компонентов прикладного программного обеспечения;

проверка адекватности математических моделей физическому образцу на основе экспериментальных исследований;

разработка рекомендаций по выбору и оптимизации отдельных параметров перспективных генераторов с дополнительным плечом выпрямителя для автомобилей марки ГАЗ.

В первой главе работы на основе анализа современных направлений проектирования и моделирования машинно-вентильных комплексов определяются методы исследования и принципы построения математических моделей машинно-вентильного комплекса, обосновывается выбор автомобильной генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя в качестве конкретного объекта исследований, определяются цель и основные задачи работы. - ■

Во второй главе синтезируется упрощенная математическая модель генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя, проводится анализ ее адекватности по отношению к реальному физическому объекту. Исследовано влияние формы фазного напряжения на выходную мощность, нагрузку диодов и разработаны рекомендации по выбору диодов основного и дополнительного плеч с учетом спектрального состава фазного напряжения.

В третьей главе проводится разработка упрощенного метода расчета магнитного поля в воздушном зазоре, обеспечивающего достаточную точность при проведении инженерных расчетов характеристик генераторных установок. Формируется модель магнитной цепи и синтезируется полная математическая модель генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя, которая позволяет определить мгновенные и

действующие значения напряжений и токов, без изменения структуры модели проводить расчеты выходных характеристик как с применением дополнительного плеча выпрямителя так и без него. Проведена идентификация модели.

Последняя глава посвящена применению разработанного набора компьютерных моделей машинно-вентильного комплекса для оптимизации отдельных параметров генераторной установки с целью улучшения ее выходных характеристик.

Методы исследования. Характеристики генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя были получены методами математического моделирования. В основу принципов построения математических моделей положены эквивалентные схемы замещения. Для определения магнитного поля в воздушном зазоре использовался метод Р. Поля. В качестве универсального средства моделирования применяется пакет прикладных программ ИРИС.

Научная новизна работы заключается в следующем: обоснована структура и форма построения системы математических моделей генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя;

разработана система математических моделей автомобильной генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя;

получены аналитические зависимости, позволяющие осуществить выбор элементов вентильного преобразователя, и рассчитать относительное увеличение мощности генераторной установки с учетом измененной схемы выпрямления и наличием высших гармонических составляющих в фазном напряжении;

разработана методика по упрощенному расчету магнитных полей в воздушном зазоре синхронного клювообразного генератора с учетом пе-

ременного сечения полюса, разно полярности полюсов и зубчатости конструкции;

показаны возможность и целесообразность применения универсальных программных средств анализа электрических и электронных цепей для моделирования электромагнитных процессов в сложных машинно-вентильных комплексах с учетом взаимного влияния и изменения параметров в процессе функционирования комплекса.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанный комплекс компьютерных моделей генераторной установки с дополнительным плечом выпрямителя, реализованный с помощью программы анализа электрических и электронных цепей ИРИС в виде универсального описания структуры, внедрен на ОАО АТЭ-1 для расчета и проектирования автомобильных генераторных установок. Полученные в результате работы рекомендации по оптимизации отдельных параметров генераторной установки 25.3771 внедрены в производство.

Диссертационная работа является частью комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых совместно кафедрой «Автотракторное электрооборудование» МАМИ и ОАО. АТЭ-1 по созданию энергетических комплексов перспективных автомобилей.

Апробация работы. Результаты, полученные при выполнении диссертации, докладывались и получили одобрение научной общественности при проведении научно-технической конференции « Электротехнические комплексы автономных объектов ЭКАО-97» (Москва октябрь 1997 г.), на заседании кафедры « Автотракторное электрооборудование » Московского автомеханического института.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отра-. жено в семи печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 1кЗ страниц основного текста, 40 рисунков, 1 таблицы и приложения.

В основу диссертации положены результаты, полученные автором при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ проводимых кафедрой «Автотракторное электрооборудование» МАМИ и ОАО АТЭ-1 в период с 1996 по 1998 г.г.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК И ВЫБОР МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПЛЕЧОМ ВЫ-ПРЯМИТЛЯ.

1.1. Генераторная установка как элемент системы электроснабжения транспортных машин.

Система электроснабжения (СЭС) транспортных машин представляет собой сложный комплекс различных устройств, машин и аппаратов, предназначенных для производства электроэнергии необходимого вида, количества и качества, ее распределения и передачи к потребителям. СЭС - это совокупность систем генерирования и распределения электроэнергии. Структура СЭС зависит от большого числа факторов, прежде всего от комплекса общих и частных требований к самой СЭС и ее элементам.

Выбор типа электрической машины, используемой в качестве генератора в СЭС, магнитной системы и конструктивного исполнения электрической машины - сравнительно сложная и многопараметрическая задача. Критериями оптимальности могут служить относительная стоимость, надежность, энергетические показатели и т.д.

Долгое время основным источником электроэнергии на автомобилях являлись генераторы постоянного тока. Однако с увеличением мощности и количества потребителей электрической энергии на автомобиле, размеры и масса генераторов постоянного тока настолько возросли, что размещать их на двигателе стало трудно, повышения частоты вращения коленчатого вала двигателя и передаточного отношения привода генератора увеличили износ щеток и коллектора. Совершенствование конструкции и технологии производства генераторов постоянного тока, учитывая

низкую надежность работы в эксплуатации щеточно-коллекторного узла и малый срок его службы, а также большие габариты и вес генератора, практически оказалось неосуществимо. В связи с этим, создание электрических машин, в которых коллектор заменяется полупроводниковым преобразователем, явилось одной из наиболее актуальных задач электромашиностроения.

Развитие полупроводниковой техники позволило применять в ге�