автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка вентильных индукторных электромеханических систем автотранспортного назначения

На правах рукописи

Ваткин Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ АВТОТРАНСПОРТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.09.01 -"Электромеханика и электрические аппараты"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2007

003065932

Работа выполнена на кафедре электромеханики и технологии электротехнических производств ФГОУ ВПО "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова"

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Нестерин Валерий Алексеевич

Научный консультант

кандидат технических наук Бабак Александр Георгиевич

Официальные оппоненты.

доктор технических наук, профессор Ковалёв Константин Львович

кандидат технических наук, доцент Мощинский Юрий Анатольевич

Ведущая организация - ОАО "Чебоксарский электроаппаратный завод" (ОАО "ЧЭАЗ"), г Чебоксары

Защита диссертации состоится " 26 " октября 2007г в ауд Е-205 в 13 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д.212 157 15 при Московском энергетическом институте (Техническом Университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д 13

Отзывы на автореферат (в двух экз заверенные печатью) просим направлять 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (ТУ)

Автореферат разослан " 'И " ды^сл^ 2007г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212 157 15 к тн, доцент Що^О'

Е М. Соколова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рассматриваемые в диссертации вентильные индукторные электромеханические преобразователи (ЭМП) автотранспортного применения представляют собой неразрывное целое полупроводникового преобразователя (ГШГТ) и индукторной машины, работающей в режиме генератора или двигателя. Использование ЭМП индукторного типа в автотракторной технике и в других видах транспорта объясняется высокой надежностью, простотой конструкции, технологичностью изготовления и низкой стоимостью Хотя сами индукторные машины достаточно хорошо изучены, задача улучшения рабочих динамических и статических характеристик и массогабарктных показателей системы в целом становится актуальной и востребованной

Современный уровень требований, предъявляемых к характеристикам ЭМП как в режиме генератора (ВИГ), так и двигателя (ВИД) заставляет совершенствовать известные и разрабатывать новые способы исследования стационарных и переходных электромагнитных процессов

Большой вклад в развитие теории ЭМП индукторного типа внесли отечественные и зарубежные ученые Алексеева ММ, Альпер НЯ, Бычков М Г, Бут ДА, Жуловян В В, Ильинский Н.Ф, Коломейцев Л Ф, Красовский А Б., Кузнецов В А, Пахомин С А, Терзян А А, Шаров В.С, Byrne J V, Lawrenson Р J, Miller T J E, Stephenson J M. и др В то же время возросшее применение вентильных индукторных ЭМП в современном электрооборудовании транспорта и необходимость оптимизации режимов их работы требует использования новых математических моделей, учитывающих характерные особенности таких систем наличие двухсторонней зубчатости, постоянных магнитов (ПМ), насыщение магнитной цепи, параметры вентилей ППП, дискретность работы фаз ВИД

В связи с изложенным создание математической модели, позволяющей осуществлять выбор размеров зубцовой зоны машины и параметров системы в целях получения оптимальных массогабаритных, энергетических и динамических показателей вентильных электромеханических систем индукторного гипа является своевременной и актуальной задачей, которая имеет важное практическое значение

Цель работы - разработка вентильных индукторных электрических машин транспортного назначения на основе теоретических и экспериментальных исследований стационарных и динамических режимов с учетом двухсторонней зубчатости и насыщения стали магнитопровода

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи.

- разработка методики аналитического расчета магнитной проводимости воздушного зазора вентильных индукторных машин (ВИМ) в функции угла поворота ротора;

- разработка математической модели, функционально связывающей параметры вентильных индукторных ЭМП с их характеристиками;

- исследование влияния отдельных параметров ВИМ на энергетические и динамические характеристики системы для получения практических рекомендаций, необходимых для их рационального проектирования;

- проведение экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность результатов математического моделирования и целесообразность выработанных практических рекомендаций по совершенствованию конструкций ЭМП автотранспортного назначения

Методы исследования. При выполнении работы применялись следующие методы методы теории электромагаитного поля и электрических цепей, метод Поля для расчета магнитной проводимости, численные методы решения дифференциальных уравнений, метод имитационного моделирования, метод конечных элементов

Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием персонального компьютера и современного программного обеспечения

Научная новизна работы заключается в следующем

- разработана методика расчета индуктивностей фаз вентильной индукторной машины в функции углового положения ротора, отличающаяся от известных получением функциональной аналитической зависимости между геометрией зубцовой зоны и значением индуктивности, что особенно важно на этапе проектного расчета,

- создана компьютерная имитационная модель ВИМ в установившихся и переходных режимах генератора и двигателя, отличающаяся от известных наличием аналитических выражений для индуктивности и по-токосцепления фазы с учетом параметров вентилей ППП и постоянных магнитов в системах с комбинированным возбуждением,

- с помощью полевой математической модели электромагнитной системы индукторной электрической машины и экспериментальных исследований выявлено влияние формы ПМ на энергетические характеристики ВИГ комбинированного возбуждения, в результате чего предложена защищенная патентом РФ конструкция ротора, позволившая улучшить энергетические характеристики автотракторных генераторов

Практическая ценность

- разработана имитационная математическая модель ВИМ, позволяющая оценить влияние геометрических параметров зубцовой зоны, нелинейности магнитной цепи, обмоточных данных машины, динамического сопротивления ключей 111111 на рабочие характеристики и динамические показатели электромеханической системы в целом;

- предложена инженерная методика расчета индуктивности фазы ВИМ, реализованная в виде компьютерной программы, позволяющая достаточно быстро и с приемлемой точностью оценить влияние геометрии зубцовой зоны на характеристики рассматриваемых систем,

- предложена защищенная патентом РФ конструкция вентильного индукторного генератора с комбинированным возбуждением, позволившая улучшить ее энергетические характеристики

Достоверность результатов. Достоверность результатов расчетов индуктивностей фаз ВИМ подтверждена сравнением с данными расчета магнитного поля методом конечных элементов (МКЭ) и экспериментальными данными Достоверность теоретических исследований вентильных индукторных ЭМП с помощью имитационной математической модели подтверждается сравнением с экспериментальными данными, полученными в диссертации, а также с результатами, известными из литературы

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований и полученные рекомендации использованы при создании серии освоенных в производстве ООО "Электром" (г. Чебоксары) автотракторных ВИГ типа 40.3771 и ГЗООО По разработанной автором методике были рассчитаны образцы тягового ВИД привода движения электропогрузчика и ВИД привода механизма перевода железнодорожных стрелок по техническим требованиям ОАО "ЧЭАЗ" (г. Чебоксары)

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах IV Всероссийской научной конференции "Динамика нелвнейных дискретных электротехнических и электронных систем", Чебоксары, 2001; International ХШ symposium on micromachines & servodnves, Krasiczyn, Poland, 2002, Международной научной конференции "Электротехника, энергетика, экология-2004", Санкт-Петербург, 2004; V Международном симпозиуме "ЭЛМАШ-2004", Москва, 2004; International XIV symposium on micromachines & servodrives, Tuczno, Poland, 2004, Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЖ-2005, Москва, 2005.

Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 12 печатных работах и двух патентах РФ на полезную модель

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 171 страницах, содержит 98 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 143 наименований.

Основные положения, которые выносятся на защиту

1) методика аналитического расчета индуктивностей фаз индукторной машины в функции угла поворота ротора и геометрических параметров рабочего зазора с двухсторонней зубчатостью;

2) обобщенная компьютерная имитационная модель вентильных индукторных машин в установившихся и переходных режимах, использующая аналитические выражения индуктивности и потокосцепления фазы, с учетом параметров вентилей 111111, параметров ПМ5 двухсторонней зубчатости и насыщения стали магнигопровода,

3) результаты математического моделирования и экспериментальных исследований вентильных индукторных машин, использованные при разработке и освоении серийного производства автотракторных ВИГ комбинированного возбуждения в ООО "Электром"

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены ее цели и задачи, методы исследования, основные научные положения, выносимые на защиту Также отражены научная и практическая ценность работы, реализация полученных результатов

В первой главе рассматривается современное состояние теории и практики ВИМ в генераторном и двигательном режимах Проведен аналитический обзор публикаций в области разработки ВИМ и методов их исследования в установившихся и переходных режимах

Вентильные индукторные ЭМП прочно завоевали позиции в качестве автономных источников электроэнергии, работающих параллельно с аккумулятором в электрооборудовании автотранспортных средств, благодаря простоте конструкции и отсутствию скользящих контактов, что существенно повышает их надежность и срок службы. Отсутствие щеток расширяет диапазон рабочих частот вращения, а применение ПМ на роторе обеспечивает устойчивое самовозбуждение при отсутствии аккумулятора, что особенно важно для сельскохозяйственных машин и военной техники в экстремальных условиях

В связи с появлением и широким применением ПГО1, работающих совместно с индукторной машиной, задача создания адекватных матема-

тических моделей ЭМП, применяемых в автотракторном электрооборудовании, становится важной и востребованной В части детального изучения не только статических характеристик (токоскоросшой, нагрузочной), но и динамических режимов, возникающих как при работе (сброс-наброс нагрузки, изменение частоты вращения), так и в аварийных режимах (внезапное короткое замыкание, пробой вентиля и т п )

Конструкция автотракторного ВИГ типа 40 3771 (£/„=28В, /Н=80А) производства ООО "Электром" г. Чебоксары показана на рис 1, а Статор 4 пятифазного генератора имеет Zi=15 зубцов, на которых размещаются сосредоточенные катушки обмоток фаз Ротор 6 содержит 2^=6 зубцов (пар полюсов) В пазах ротора устанавливаются постоянные магниты 5

Рисунок 1 Конструкции ВИМ а - генератора типа 40 3771, б - ВИД 6/4 Отличительной особенностью представленной ВИМ является наличие встроенных полупроводниковых узлов- выпрямителя 7 и регулятора напряжения 8. Выпрямитель собран по пятифазной мостовой схеме с расположением анодных и катодных групп на кольцевых алюминиевых пластинах, с запрессованными в них вьшрямительными диодами Охлаждение выпрямительного блока осуществляется заодно с обмотками статора центробежным вентилятором 1 Регулятор напряжения 8 представляет собой транзисторный ключ, соединенный последовательно с неподвижной обмоткой возбуждения 3, закрепленной в стальном щите 2, и систему управления, обеспечивающую поддержание выходного напряжения в заданном диапазоне путем изменения тока возбуждения

Распространенная модификация трехфазного ВИД показана на рис 1,6 В последнее время такие электродвигатели широко рекламируются и обсуждаются в печати. Высокая надежность благодаря отсутствию щеток, дешевизна и технологичность позволили рассматривать ВИД, как альтернативу коллекторному двигателю последовательного возбуждения. Недостатками ВИД являются невысокое значение КПД и повышенная мощность преобразователя при работе на низких частотах вра-

щения Реактивная мощность,, идущая на создание магнитного поля в двигателе может в 2-3 раза превосходить номинальную мощность, что приводит к увеличению мощности ППП Поэтому область эффективного применения ВИД в автотранспортном электрооборудовании ограничена в основном использованием в составе маломощных электроприводов

Для математического описания ВИМ могут использоваться три типа моделей, базирующихся на теории поля, теории цепей или их комбинации. При этом расчет поля выполняется путем непосредственного решения полевых уравнений, либо приближенно аналитическим или численным способом. Аналитические методы позволяют получить эмпирические зависимости для основных магнитных параметров машины, но они достаточно трудоемки и дают погрешность поряд ка (15-20)%.

Применение ЭВМ способствует развитию приближенных численных способов расчета, основанных на методах конечных разностей и конечных элементов, которые характеризуются достаточно высокой точностью и справедливы только для конкретного частного случая При изменении взаимного положения элементов ЭМП расчет магнитного поля выполняется заново Поэтому численные методы трудноприменимы на этапе проектирования и расчета динамических режимов и используются, в основном, при поверочных расчетах. Распространенными программными продуктами являются иностранные "Maxweîî", "Femme" и отечественные "LOMAN", "JUMP" и "ELCUT", основанные на МКЭ, а также программа проф. Афанасьева А А. с применением конформного преобразования

Расчеты ВИМ на основе теории цепей достаточно легко программируются и обладают высоким быстродействием Недостатком таких моделей является низкая точность расчетов (отклонение до 20% и более)

Наиболее современный подход к моделированию процессов в вентильных индукторных ЭМП состоит в комбинировании теории поля и теории цепей Сначала на основе полевых уравнений определяются параметры машины, а затем, используя уравнения теории цепей, рассчитываются показатели всей системы в переходных и установившихся режимах Такой подход представляется наиболее целесообразным и взят за основу математической модели ВИМ, пред лагаемой в диссертации

Во второй главе проводится исследование зависимости магнитной проводимости воздушного зазора индукторной машины от угла поворота ротора, поскольку при расчете электромагнитных процессов в ВИМ важное место занимает задача определения индуктивности фазы для различных взаимных положений зубцов статора и ротора Для яз-фазной ВИМ

зависимость индуктивности фазы Ь от коэффициента магнитной проводимости воздушного зазора X имеет вид.

L = -

ш

{2а)'

(1)

п ! \

н

а

1 /

Л

Q

L

Зависимость коэффициента магнитной проводимости от угла поворота ротора А,(9) найденная в аналитическом виде, представляет совокупность математических выражений, ь, полученных по разработанной методике, в основе которой лежит метод Поля. При рассмотрении картины магнитного поля (рис.2), в рабочем зазоре линии проходят прямолинейно, а за пределами зазора в пазах - по дугам окружностей, центром которых являются крайние точки зубцов Зубцовое деление статора Ь\ разбивается на участки с однородными коэффициентами проводимости Итоговый коэффициент проводимости определяется суммой коэффициентов отдельных участков. Расчет производится в пределах половины полюсного деления ротора (а<Ь212).

На основе предложенной методики получены выражения для максимального и минимального значений индуктивности фазы ВИМ В положении, когда зубец ротора расположен напротив зубца статора, индуктивность фазы принимает максимальное значение, соответствующее коэффициенту проводимости

Рисунок 2 Основные размеры (а) и условное распределение силовых линий (б)

1щ р

1+

2S + P {ЪЛ-ЪА\

Р

1-

Р(^2 -ьлУ

25

uzl

(2)

В положении, когда зубец статора расположен точно напротив паза ротора, индуктивность фазы минимальна и определяется коэффициентом

^mii

2(Ьг-Ьл)

1 +

"П

2 b + ${b2-bzX-bz2)_

(3)

25 + pfe-èzl-èz2) р

Для расчета магнитной проводимости и индуктивности фазной обмотки составлена программа в математической среде MATLAB 6 5 Достоверность расчета индуктивности фазы по предложенной методике проверялась путем сравнения со значениями индуктивности, полученными с помощью программы "Maxwell" и опытным путем Зависимости индуктивности фазы ВИМ от угла поворота, полученные этими

способами приведены на рис 3. Как видно из представленных графиков, точность расчета индуктивности аналитическим методом несколько уступает МКЭ, однако погрешность аналитического метода в целом не превысила 10%, а время, затрачиваемое на подготовку данных и решение задачи численным методом значительно (в 5-10 раз) превышает время расчета по предложенной методике. Применение аналитического метода расчета позволяет достаточно быстро и с приемлемой точностью рассчитать индуктивности фазы при различных параметрах зубцовой зоны и

оценить их влияние Полученные аналитические выражения удобны и эффективны для дальнейшего использования в обобщенной математической модели, описывающей ВИМ в целом.

С помощью предложенной аналитической методики исследовалась зависимость индуктивности фазы ВИМ от соотношений параметров рабочего воздушного зазора И ЗубЦОВОЙ ЗОНЫ (Ьд/Ьл, Ьг}/Ь{) Получены рекомендации по выбору оптимальных соотношений размеров зубцовой зоны (622/621=1-1,2, 62!/б1=0,35-0,45) для ВИД привода электропогрузчика, при которых обеспечивается максимальный электромагнитный момент.

В диссертации предложена полевая математическая модель ВИГ с комбинированным возбуждением для расчета магнитной системы методом конечных элементов (рис 4). Выполнен расчет ЭДС фазы автотракторного генератора при отсутствии ПМ и с магнитами различной формы. С целью улучшения характеристик вентильного индукторного генератора (увеличение мощности генераторной установки и снижение частоты начала токоотдачи) найдена специальная форма ПМ (рис 4) Результаты расчетов ЭДС и проведенные эксперименты пока-5али, что за счет применения таких магнитов, мощность генератора увеличивается в среднем на 3-5% На конструкцию такого вентильного ЭМП с ПМ получен патент РФ на полезную модель

0, град

Рисунок 3 Зависимость индуктивности фазы от угла поворота ротора

Рисунок 4 Расчетная модель по МКЭ ВИГ с ПМ

в йв

к S " &

¡и ь*

3 g S £

Si*

£ 5

Mi

Задание параметров индукторной машины

А

Расчет индуктивностей фаз ь=ад

г-

Расчет токов а ЭДС в системе шш-ЭМ

i

Расчет электромагнитного момента

1

Расчет}гдовой скорости

1

\ Расчет }гла поворота ! ротора

<:---1Расчет •—-^.Нет -—НЬ1! IOJ IHyj^---^^

1 Вывод результатов j

В третьей главе представлены результаты разработки обобщенной имитационной модели ВИМ в двигательном и генераторном режимах, позволяющей исследовать их статические и динамические характеристики Алгоритм компьютерной реализации обобщенной модели представлен на рис 5

Обобщенная математическая модель учитывает работу вентильного ППП, схемы управления, индукторной машины, датчика положения ротора Функциональная схема для двигательного режима представлена на рис.6. Обмотки фаз двигателя 2 с помощью силовых ключей инвертора 1 поочередно подключаются к источнику постоянного напряжения Uq. Коммутация обмоток ВИД осуществляется схемой управления 3 в зависимости от положения ротора, которое Рисунок 5 Алгоритм обоб-определяегся с помощью датчика положения щенной математической ротора 4 модели ВИМ

В соответствии с алгоритмом (рис 5) на основе функциональной схемы (рис 6) для трехфазного ВИД электропривода движения погрузчика предложена имитационная математическая модель, структура которой показана на рис 7 Блок питания Source формирует выходную характеристику источника в зависимости от потребляемого тока При включении ВИД напряжение источника прикладывается к одной из фазных обмоток: появляется напряжение на одном из выходов Ul, U2, U3 блока Invertor При отключении фазы к обмотке прикладывается напряжение обратной полярности, соответствующее закрытому состоянию силовых транзисторов и ток протекает через диоды. Когда ток фазы спадает до нуля, диоды инвертора переходят в закрытое состояние Порядок включения фаз определяется в зависимости от угла поворота ротора s подсистемой SP, имитирующей работу датчика положения ротора Угол включения и длительность работы фазы задаются в подсистеме Invertor, с выхода которой напряжения фаз. Ul, U2, U3 подаются на подсистемы PhaseA, PhaseB, PhaseC для расчета тока и электромагнитного момента

Рисунок 6 Функциональная схема ВИД

Рисунок 7 Структурная схема имитационной математической модели ВИД Электромагнитные процессы в ВИМ описываются системой уравнений Кирхгофа, которая в общем виде ву-ом контуре запишется так

п п яч>,

7=1 м dt

где UP ij, Rj - напряжение, ток и сопротивление элемента контура, Wj - погокосцепление обмоток j-го контура При формировании напряжения подаваемого на фазную обмотку учитывается падение напряжения на вентилях ППП (в виде функциональных резисторов)

В соответствии с предложенным алгоритмом (рис 5) сначала с помощью аналитической методики, описанной в главе 2, выполняется расчет индуктивности фазы ВИД от угла поворота ротора, результаты которого задаются в подсистему Induction и используются в после,цующем для моделирования установившихся и переходных режимов В модели при аппроксимации кривых намагничивания приняты следующие допущения насыщение наступает при одном и том же значении тока /нас, при К/да погокосцепление фазы определяется выражением Т(9, i)=L(Q)i, в режиме насыщения при г>1шс наклон участков кривой потокосцепления XF(9, i) совпадает с наклоном при рассогласованном положении. На следующем этапе расчета по алгоритму (рис 5) вычисляются электромагнитные моменты фаз по выражениям

Z dL

- при отсутствии насыщения М = —-—/2, (5)

- при локальном насыщении магнитной системы

dl( . I,;]

По значениям электромагнитных моментов отдельных фаз MI, М2, МЗ на выходе сумматора Suml формируется результирующий момент, развиваемый ВИМ. Значения угловой скорости и угла поворота вычисляются по алгоритму обобщенной математической модели ВИМ (рис.5) в соответствии с уравнением движения ротора и уравнением связи:

= § = (7)

at dt

Внешний момент на валу ВИМ подается на вычитающий вход сумматора Sum 2 Угол поворота вычисляется блоком Integratorl по формулам (7). Расчет суммарного тока ВИД выполняется подсистемой SubsytemS. Контроль необходимых переменных в процессе расчета в модели выполняется с помощью осциллографов (Scope 1 -Scope4 на рис.7).

С помощью предложенной имитационной модели исследовались режимы пуска двигателя привода движения электропогрузчика с различными углами включения, с нагрузкой и при отсутствии нагрузки на валу. График переходного процесса при пуске ВИД без наружи на валу показан на рис.8, где введены следующие обозначения: 1 - iA (1дел.- 60А); 2 - МА (1дел.- 6Нм); 3 - ш (1дел.- 100рад/с); 4-6 (1дел.- бОрад).

Математическая модель (рис.7) использовалась также для расчета статических и динамических характеристик электропривода усилителя руля автомобиля. Исследовалось влияние угла управления (включения фазы) при неизменной длительности включения (120 электрических градусов) на электромагнитный момент, разпиваемый ВИМ. Результаты

Л* -1----__!_-.—I-1 . ------'----------^---

О 0.1 0.2 0.3 04 0,6 0.6 0.7 0.8

/, с

Рисунок 8 Переходный процесс пуска ВИД с углом включения 9=0

м, Нм

0, эл. град. Рисунок 9 Зависимость момента ВИД от угла включения фазы

моделирования показали (рис 9), что максимальное значение электромагнитного момента достигается при угле управления -27 электрических градусов Модель использовалась также для расчета механической характеристики ВИД, при этом расхождение с опытными данными не превысило 10-15%.

Функциональная схема автотракторного ВИГ (рис.1, а) показана на рис 10 При вращении ротора от привода П значение магнитного потока в гадукторе_ И_при_ неизменной полярности изменяется по модулю, благодаря чему в обмотках якоря ОЯ наводятся переменные ЭДС, значения которых определяются МДС ПМ и регулируемой МДС обмотки возбуждения ОВ Переменные напряжения фазных обмоток с помощью

Рисунок 10 Функциональная схема вентильного индукторного генератора

выпрямителя В преобразуются в постоянное, которое затем поступает в бортовую сеть для зарядки аккумулятора АКБ и пихания нагрузки Н На выходе выпрямителя может устанавливаться емкостной фильтр Ф Поддержание напряжения ВИГ на заданном уровне обеспечивается полупроводниковым регулятором напряжения РН.

Существенными особенностями ВИГ (рис.10) является наличие обмотки возбуждения и ПМ, создающих дополнительную МДС возбуждения Кроме того, в отличие от ВИД имитационная модель которого рассмотрена выше, работа фаз генератора происходит непрерывно, поэтому в имитационной модели учитываются взаимные индуктивности фаз Параметры генератора выбираются так, чтобы магнитная цепь не насыщалась, поэтому в модели (рис.11) не учитывается насыщение магнитной системы. Структура имитационной математической модели составлена на основе обобщенной математической модели с учетом функциональной схемы пятифазного индукторного генератора (рис.10)

При расчете переходных процессов в ВИГ ПМ заменен эквивалентной одновитковой обмоткой возбуждения с включенным в нее источником тока /v=const, значение которого равно фиктивной коэрцитивной силе F'M и представлено в модели в виде источника IM. Обмотка возбуждения представлена в виде подсистемы Las

Напряжения фаз, вычисленные в блоках PhaseA-PhaseE, подаются на блок Rectifier, описывающий работу пятифазного мостового выпрямителя

Выпрямленное напряжение Uout поступает на нагрузку, заданную в подсистеме Load По фазным токам в соответствии с алгоритмом (рис 5) в

блоках PhaseA-PhaseE вычисляются электромагнитные моменты фаз М1-М5, а на выходе сумматора Surnl рассчитывается результирующий момент. Регулятор напряжения представлен в имитационной модели подсистемой Regulator, которая в зависимости от уровня выпрямленного напряжения Uout подключает или отключает обмотку возбуждения к выходному напряжению генератора, обеспечивая его поддержание на уровне напряжения настройки регулятора за счет ШИМ

Рисунок 11 Структурная схема имитационной модели ВИГ

Электромагнитные процессы, протекающие в обмотке возбуждения и регуляторе, описываются уравнением, аналогичным уравнению (4) с учетом взаимной индуктивности с обмотками статора и эквивалентным контуром ИМ

^/^Ьг1/+т^1А+т1вгв+т^1с+тД)10+т^1Е+тм1и, (8)

где т^ - взаимная шщуктивность обмотки возбуждения и эквивалентного контура ПМ

Уравнения, описывающие выпрямительный блок имеют вид

т

+ (9)

Ц=1

где с^=(0, 1) - коэффициенты, определяющие тополошю схемы, -падение напряжения на ц-ом вентиле

Напряжение возбуждения Ь} формируется регулятором напряжения с ШИМ и зависит от уровня выходного напряжения.

и г — < , (Дч)

[О,при иш>инаотр

где иога - напряжение на выходе выпрямителя. иващ> - напряжение настройки регулятора напряжения

Разработанная имитационная математическая модель (рис 11) использовалась для расчета режимов пуска генератора 40 3771 с нагрузкой и без нее, сброса нагрузки при 4

) -.4 ^ м-

■ .«И 1:,% !?,! «

01 02 0.3

и с

неизменной частоте вращения График переходного процесса при пуске генератора показан на рис 12, где введены следующие обозначения- 1 - иш (1дел.-10В); 2 - М (1дел.- 8Нм), 3 - © (1дел -ЗОрад/с); 4-0 (1дел - 50рад). -г,

С помощью математической Рисунок 12 Пуск ВИГ,

модели рассчитана токоскоростная работающего на нагрузку без АКБ характеристика генератора 40 3771 при неизменном напряжении. Различие в расчетных и экспериментальных характеристиках составило около 10-15%.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований вентильных индукторных ЭМП

Для разработки ВИМ автотранспортного назначения предложена уточненная методика проектного расчета, позволяющая по заданным га-

баришым размерам, номинальной частоте вращения (или мощности) и параметрам источника питания определить обмоточные данные и рассчитать геометрию зубцовой зоны, с использованием аналитической методики расчета индуктивности, описанной в главе 2 Порядок расчета рассмотрен на примере ВИД электропривода переключения железнодорожных стрелок

Рассмотрены также особенности расчета ВИГ, применяемого в автотракторной технике. Получены рекомендации по выбору обмоточных данных катушки возбуждения и обмотки якоря

С целью улучшения массогабаритных показателей и эксплуатационных характеристик ВИГ автором предложена конструкция, реализованная в генераторе Г3000. на которую получен патент РФ на полезную модель.

Важное значение при исследовании и проектировании ВИМ занимает определение гармонического состава ЭДС, поскольку отдельные потребители (тахометр, реле блокировки стартера) используют переменный сигнал фазы > , ■}

При эксплуатации автомобильных ВИГ типа 40 3771 в составе бортовой сети автомобилей "КАМАЗ" были выявлены сбои в работе тахометров дергание

\ УУ

Т~ТУ

а

стрелки, завышенные в 2-3 *'1асштаб м^Муиов

^ Рисунок 13 Форма ЭДС фазы ВИГ(а) и ее

раза показания С целью „ -1

г гармонически« состав (б) при п-1500мин

принятия мер по их исключению проведены исследования гармонического состава фазной ЭДС. Форма фазной ЭДС при выпрямленном напряжении генератора £/ге„=28,5В и токе нагрузки /Г0К«5А при частотах вращения ротора я=1500мин"] показана на рис 13, а На рис 13, б показан гармонический состав фазной ЭДС Проведенные исследования показали, что при малых токах нагрузки (/<7А) и малых частотах (п<2500мин *) в кривой ЭДС сильно выражена вторая гармоника, что обусловлено достаточно большим раскрытием паза статора Для исключения сбоев потребителей предложена установка фильтра-формирователя

Для проведения экспериментальных исследований статических и динамических характеристик ВИМ в работе приводятся схемы экспериментов и их результаты Для ВИМ, работающих в двигательном режиме, проводилось сравнение индуктивности фазы и механической характеристики, полученных на основе расчетов с использованием разработанных

математических моделей и результатами эксперимента Отклонение расчетных характеристик от экспериментальных в целом не превышает 15-20%

Осциллограмма напряжения на клемме "+" генератора 40.3771 при имитации пуска двигателя автомобиля показана на рис 14

Графики переходного процесса Масштаб Мх=0,1с, Му=20В расчетного (рис 12) и опытного Рисунок 14 Пуск генератора 40 3771 (рис 14) отличаются незначительно (в пределах погрешности измерений) Некоторое отличие в длительности переходного процесса связано с конечным временем электромагнитных и механических процессов в приводном двигателе, которое не задавалось при моделировании (рассматривался процесс скачкообразного приложения приводного момента)

В ходе экспериментов исследован режим сброса нагрузки генератора, который является критичным для работы потребителей. Переходный процесс сброса нагрузки с 55 до 5А при работе генератора 40 3771 без АКБ на частоте вращения 3000 мин"1 показан на рис 15 При сбросе нагрузки происходит скачок напряжения, амплитуда которого почти в 3 раза превышает значение номинального напряжения. Через ?Пп«0,28с выходное напряжение стабилизируется на уровне напряжения настройки регулятора напряжения. Максимальные броски напряжения наблюдаются при сбросе номинального тока при номинальной частоте вращения амплитуда импульса почти в 3,2 раза превышает номинальное напряжение, а длительность импульса ¿пп«0,37с Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке системы защиты потребителей бортовой сети

Разработанные в диссертации рекомендации по улучше- Рисунок 15 Сброс тока нагрузки с 55 нию характеристик индукторных ДО 5А при работе генератора без АКБ электромашинных преобразователей были использованы при проектировании и создании серии ВИГ автотракторного назначения, освоенных на предприятии ООО "Электром".

Масштаб Мх=0,1с, Му=20В

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По диссертационной работе можно сделать следующие выводы

1) разработана методика расчета индуктивностей фаз индукторных машин в функции углового положения ротора, позволяющая получить аналитическую зависимость между геометрией зубцовой зоны и значением индуктивности, которая удобна для использования в имитационном моделировании ВИМ, а также в инженерных проектных расчетах,

2) исследовано влияние рабочего воздушного зазора и параметров зубцовой зоны на индуктивность фазы ВИМ Даны рекомендации по выбору оптимальных размеров зубцовой зоны для ВИД, при которых достигается максимум электромагнитного момента,

3) создана обобщенная компьютерная имитационная модель ВИМ, в генераторном и в двигательном режимах Модель учитывает параметры вентилей 111Ш, комбинированное возбуждение, насыщение магнитной цепи машины. Имитационная модель позволила исследовать влияние параметров электромеханической системы индукторного типа на их рабочие характеристики в динамических и статических режимах,

4) исследован гармонический состав фазной ЭДС в зависимости от частоты вращения и тока нагрузки автотракторной генераторной ВИМ, для которой определены режимы работы с наиболее сильно выраженными высшими гармониками ЭДС, и даны рекомендации по их снижению,

5) с помощью полевой математической модели исследовано влияние профиля ПМ на характеристики автотракторной генераторной установки с комбинированным возбуждением; в результате чего предложена защищенная патентом РФ конструкция ВИГ с ПМ, позволяющая улучшить его характеристики,

6) на основе экспериментальных исследований предложена защищенная патентом РФ конструкция автотракторного вентильного генератора с комбинированным возбуждением, позволяющая уменьшить паразитные зазоры и повысить токоотдачу генераторов такого типа

Публикации по теме диссертации:

1 Чихняев В А, Несгерин В А, Ваггкин В А., Бабак АГ Математическое исследование венттшо-индукторного привода // Автоматизированный электропривод Юбилейный сб науч тр, посвященный 40-легаю кафедры систем автоматического управления электроприводами Чувашского государственного университета им И.Н. Ульянова - Чебоксары Изд-во Чуваш, ун-та, 2003 -С 152-161

2Вапсин В А, Несгерин В А Исследование динамических режимов венгально-щцукгорного привода на основе математического моделирования // Труды АЭН ЧР -

20 у

i

Чебоксары Изд-во Чуваш, ун-та, 2003 -Ш -С 40-45

3 Бабак АГ., Вагкин В А, Нестерин В А, Чихняев В А Применение реакшвного индук-горнош двигателя для привода движения электропогрузчика // Электроника и электрооборудование транспорта.-2004 -№2 -С 26-27

4 Вагкин В А, Нестерин В А Экспфименхальное исследование гармонического состава фазного напряжения одноименно-полюсного индукторного генератора // Эжкгроника и электрооборудование транспорта. -2004 -№6 -С 16-17

5 Бабак АГ, Вагкин В А Исследования индуктивности фазы веншпьнош индукторного привода движения электропогрузчика // Электроника и электрооборудование транспор-га.-2006 -№6 -С 9-11

6 Нестерин В А, Вагкин В А Имитационная математическая модель вентильного индукторного генератора комбинированного возбуждения // Электротехника. - 2006 - №2 -С 4145

7 Чихняев В А, ВахкинВ А Математическая модель венгилыю-ицпукгорного привода// Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем Материалы IV Всероссийской научной конференции. - Чебоксары, 2001 -С 112-114

8 Ваш® В А, Нестерин В А, Чихняев В А. Расчет проводимости воздушного зазора вешилшо-ицаукгорного двигателя // Сб научных трудов молодых ученых и специалистов -Чебоксары Изд-во Чуваш, ун-та, 2002 - С 243 -244

9 Вапсин В А, Кириллов С В, Нестерин В А, Савов BJL, Чихняев В А Разработка электропривода усишпеш руля автомобиля на базе веншлшого индукторного двигателя // Международный ХШ симюзиум по микромашинам и сервоприводам, Красицин, Польша 15-19JX2002 - С.361-368 (на англ. яз )

10 Бабак АР, Вагкин В А, Нестерин В А, Чихняев В А Имитационная модель вентильного индукторного привода // Международный XÍV симпозиум по микромащигам и сервоприводам, Тучно, Польша 12-16К.2004 -С 13-17 (шангл.яз)

11 Вапсин В А, Кириллов С.В, Нестерин В А Исследование переходных процессов в щаукгорных автотракторных электрогенераторах // Электротехника, энергетика, эколо-шя-2004 Сборник трудов Международной научнойконференции (Санкт-Петербург 1215 сенгабря2004г)-С 93-96

12 Нестерин В А, Вагкин В А, Кириллов С.В Исеждование динамических режимов в индукторных машинах транспортного применения // Труды симпозиума "ЭЛМАШ-2004" (Москва, 11-15 октября 2004 г) - С 145 -149

13 Патент на полезную модель №35925, МПК Н 02 К 29/00 Одноименно-полюсный индукторный генератор / В А Вагкин. - № 20033133576/20, Заявлено 20] 12003, Опубл. Ю 022004, Бюл. №4

14 Патент на полезную модель №37047, МПК В 60 L 11/00 Автотракторный генератор индукторного типа с постоянными магнитами (варианты) / ВА Вагкин. -№ 2004100393/20. Заявлено 14 012004, Опубл. 10 04 2004, Бюл. № 10

Подписано в печать 6.CÜ Зак. Ü-? Тир. tO^ П.л. 1%А Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЕНТИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНДУКТОРНОГО ТИПА.

1.1 Магнитные системы вентильных индукторных электромеханических преобразователей.

1.2 Схемы полупроводниковых преобразователей и принципы управления электромеханическими системами индукторного тина.

1.3 Обзор математических моделей вентильных индукторных электромеханических преобразователей. Постановка задачи исследования.

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА И ИНДУКТИВНОСТИ ФАЗЫ ИНДУКТОРНОЙ МАШИНЫ С ДВУХСТОРОННЕЙ ЗУБЧАТОСТЬЮ.

2.1 Определение индуктивных параметров вентильных индукторных машин через магнитную проводимость воздушного зазора.

2.2 Аналитический расчет коэффициента магнитной проводимости воздушного зазора.

2.3 Численный метод расчета индуктивных параметров вентильных индукторных машин.

2.4 Исследование зависимости индуктивности фазы от геометрических параметров зубцовой зоны.

2.5 Исследование формы электромагнитного момента ВИД и ЭДС фазной обмотки ВИГ.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИМИТАЦИОННОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНЫХ ЭМИ ИНДУКТОРНОГО ТИПА.

3.1 Обобщенная компьютерная математическая модель вентильных индукторных ЭМП.

3.2 Имитационная математическая модель вентильного индукторного двигателя.

3.3 Исследования дииамических и статических режимов в ВИД.86!

3.4 Имитационная математическая модель вентильного индукторного генератора.

3.5 Исследования динамических и статических режимов в ВИГ.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ОПЫТНЫХ И СЕРИЙНЫХ ОБРАЗЦОВ ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ МАШИН. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Разработка опытных образцов вентильных индукторных двигателей

4.2 Разработка вентильных индукторных генераторов автотракторного назначения.

4.3 Исследование гармонического состава ЭДС фазы ВИГ в различных режимах работы.

4.4 Исследование статических и динамических режимов вентильных ЭМП индукторного типа.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Вентильные индукторные электромеханические преобразователи находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности и на транспорте, как в качестве автономных источников электроэнергии, так и в качестве регулируемых электродвигателей.

Первоначально электрические машины индукторного типа использовались в качестве генераторов повышенной частоты (ЮОО-ЮОООГц) в радиостанциях, электроавтоматике, электротермии и других отраслях промышленности [2, 3, 18]. По мере развития силовой электропики с появлением катодных ламп, мощных тиристоров и транзисторов индукторные генераторы стали вытесняться статическими преобразователями частоты. В настоящее время электромеханические преобразователи индукторного типа достаточно широко используются в автотракторной технике и в других видах транспорта в качестве автономных источников электроэнергии благодаря их высокой надежности, простоте конструкции, технологичности изготовления и низкой стоимости.

На современном этапе развития индукторные генераторы применяются в основном как органическое объединение с полупроводниковыми преобразователями (выпрямителем, регулятором напряжения). Такие конструктивные особенности вентильных индукторных генераторов (ВИГ) как отсутствие щеток и применение постоянных магнитов на роторе делают их незаменимыми источниками постоянного тока в автотракторной технике, комбайнах, различных сельхозмашинах, технике специального военного назначения. Хотя сами индукторные машины достаточно хорошо изучены, задача улучшения рабочих динамических характеристик и массога-баритных показателей вентильных индукторных систем в целом сохраняет свою актуальность.

Большой вклад в развитие вопросов теории электромеханических преобразователей индукторного тина внесли отечественные и зарубежные ученые: Алексеева М.М., Альпер Н.Я., Бычков М.Г., Бут Д.А., Жуловяи В.В., Ильинский Н.Ф., Коломейцев Л.Ф., Красовский А.Б., Кузнецов В.А., Пахомип С.А., Терзян A.A., Ша

I, ров B.C., Byrne J.V., Lawrcnson P.J., Miller T.J.K., Stephenson J.M. и другие.

II Современный уровень требований, предт>являемых к характеристикам гепера торов индукторного типа, заставляет искать и разрабатывать новые способы исследования как стационарных, так и переходных электромагнитных процессов. Вопросы, связанные с совместной работой электрической машины и электронного преобразователя, с изучением различных динамических режимов, зачастую трудно решаемы при применении традиционных методов анализа, в основу которых положено предположение о синусоидальности фазного напряжения. Особенно затрудняют расчет наличие двойной зубчатости рабочего воздушного зазора, учет насыщения магнитной цепи, применение постоянных магнитов, которые характерны для совре менпых машин данного типа.

Основные преимущества индукторных электрических машин способствуют их использованию и в двигательном режиме. Предлагаются различные конструкции индукторных двигателей и методов их исследования [124, 83]. Интенсивное развитие силовой и микропроцессорной электропики, наблюдаемое в последнее десятилетие, способствует росту интереса к электромеханическим преобразователям (ЭМП) индукторного типа в двигательном режиме [136, 137, 23, 75, 57, 52, 142]. Конструктивно вентильный индукторный двигатель (ВИД) аналогичен шаговому двигателю. Од: пако в отличие от шагового двигателя, который создастся в основном для преобразования кодовой информации в пропорциональное ей перемещение, вентильный индукторный двигатель (ВИД) выполняется в силовом варианте. Если основным требованием, предъявляемым к шаговому приводу, является высокая точность отработки заданных перемещений, а энергетические показатели имеют, как правило, второстепенное значение, то для ВИД энергетические показатели являются одними из важнейших. В связи с этим большинство методов анализа и рекомендаций по проектированию, используемые при разработке шаговых электроприводов, неприменимы для расчета ВИД. Поэтому применение индукторных двигателей в промышленности и оптимизация режимов их работы требует использования адекватных математических моделей, учитывающих характерные особенности индукторных машин, и обла- ; I дающих достаточной быстротой вычислений, простотой и наглядностью. Важными {| особенностями ВИД являются дискретность работы фаз, наличие датчика положения ).! ротора (ДПР), по сигналам которого осуществляется коммутация фаз. Эти схемотехнические отличия должны учитываться при исследовании статических и динамических характеристик. В бездатчиковом приводе [67, 22, 6, 140] роль ДПР выполняет электронный блок - наблюдатель, который также необходимо учитывать при исследовании электромагнитных процессов.

В связи с перечисленными особенностями вентильных индукторных электрических машин (ВИМ), создание их математической модели, позволяющей учитывать главные размеры и соотношения геометрических параметров зубцовой зоны в целях улучшения массогабаритных, энергетических и динамических показателей является

I: своевременной и актуальной задачей, реализация которой имеет важное практическое значение.

Цель диссертационной работы - разработка вентильных индукторных электрических машин транспортного назначения па основе теоретических и экспериментальных исследований стационарных и динамических режимов систем с учетом двухсторонней зубчатости и насыщения стали магиигопровода.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи: 1. Разработка методики аналитического расчета магнитной проводимости воз> I I : душного зазора вентильных индукторных машин в функции угла поворота ротора.

2. Разработка математической модели, функционально связывающей параметры вентильных индукторных электромеханических систем с их характеристиками.

3. Исследование влияния изменения отдельных параметров электрической машины па энергетические и динамические характеристики вентильных индукторных электромеханических систем с целью получения практических рекомендаций, необходимых для их рационального проектирования.

4. Проведение экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность результатов теоретических исследований.

Методы исследований. При выполнении работы применялись следующие методы: методы теории электромагнитного поля и электрических цепей, метод Поля для расчета магнитной проводимости, численные методы решения дифференциальных уравнений, метод имитационного моделирования, метод конечных элементов.

При проведении экспериментальных исследований использовался метод физического моделирования при изготовлении натурных образцов, методики прямых и косвенных измерений.

Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием персонального компьютера и современного программного обеспечения [49, 48].

Достоверность результатов. Достоверность результатов расчетов индуктив-постсй фаз вентильных индукторных машин по предложенной аналитической методике подтверждена сравнением с данными, полученными при расчете магнитного поля методом конечных элементов и экспериментальными данными, полученными автором. Достоверность теоретических исследований вентильных индукторных ЭМГ1 с помощью имитационной математической модели в статических и динамических режимах подтверждается сравнением с экспериментальными данными, полученными автором, а также известными из литературы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета ипдуктивностей фаз вентильной индукторной машины в функции углового положения ротора, отличающаяся от известных получением функциональной аналитической зависимости между геометрией зубцовой зоны и значением индуктивности, что позволило создать универсальную инженерную компьютерную программу расчета.

2. Создана обобщенная компьютерная имитационная модель вентильных индукторных ЭМП в установившихся и переходных режимах как генератора, так и двигателя, отличающаяся от известных применением методики аналитического расчета потокосцепления фазы, а также возможностью учета параметров полупроводникового преобразователя, влияния постоянных магнитов и их параметров на характеристики индукторных машин с комбинированным возбуждением.

3. На основе применения полевой математической модели магнитной цепи индукторной электрической машины и экспериментальных исследований выявлено влияние профиля постоянного магнита на энергетические и динамические характеристики автотракторного генератора с комбинированным возбуждением, в результате чего предложена защищенная патентом РФ конструкция ротора, позволившая улучшить энергетические характеристики электромеханической системы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана обобщенная имитационная математическая модель вепгилыюй индукторной машины, позволяющая оценить влияние геометрических параметров зубцовой зоны, нелинейности магнитной цепи, обмоточных данных машины, динамического сопротивления ключа силового преобразователя на рабочие характеристики и динамические показатели электромеханической системы в целом.

2. Предложена инженерная методика расчета индуктивности фазы вентильных индукторных машин, реализованная в виде компьютерной программы, позволяющая достаточно быстро и с приемлемой точностью оценить влияние геометрии зубцовой зоны на характеристики таких машин.

3. Предложена защищенная патентом РФ конструкция вентильного индукторного генератора с комбинированным возбуждением, позволившая улучшить его энергетические характеристики.

Основные положения, которые выносятся па защиту:

1. Методика аналитического расчета индуктивностей фаз вентильной индукторной машины в функции угла поворота ротора и геометрических параметров рабочего зазора с двухсторонней зубчатостью.

2. Обобщенная компьютерная имитационная модель вентильных индукторных машин в установившихся и переходных режимах, использующая аналитические выражения индуктивности и потокосцепления фазы, с учетом двойной зубчатости, насыщения стали магнитопровода, параметров постоянных магнитов, параметров вентилей полупроводникового преобразователя.

3. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования вентильных индукторных машин, использованные при разработке и освоении серии автотракторных ВИГ комбинированного возбуждения в ООО "Электром".

Апробация работы. По результатам работы сделаны доклады на следующих конференциях и симпозиумах: на IV Всероссийской научной конференции "Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем ", Чебоксары, 2001; International XIII symposium on micromachines & servodrives, Krasiczyn, Poland, 2002; Международной научной конференции "Электротехника, энергетика, экология - 2004", Санкт-Петербург, 2004; V Международном симпозиуме "ЭЛМАШ-2004", Москва, 2004; International XIV symposium on micromachines & servodrives, Tuczno, Poland, 2004; Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК-2005, Москва, 2005.

Публикации. Основные результаты выполненных в диссертации исследований освещены в 12 печатных работах и двух патентах РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 171 страницах, содержит 98 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 143 наименований.

Выводы по главе 4.

1. Представлены методики определения основных статических и динамических характеристик ЭМП индукторного типа. Проведены экспериментальные исследования макетных и серийных образцов двигателей и генераторов. Сравнение экспериментальных данных с расчетными, полученными с применением имитационной математической модели, подтверждает достоверность разработанной модели и целесообразность ее применения па этапе проектного расчета.

2. Проведено исследование гармонического состава вентильного индукторного генератора 40.3771. В ходе экспериментов выявлены режимы работы (е малой частотой вращения и малым током нагрузки), при которых возможна неудовлетворительная работа приборов автомобиля (тахометра, РБС и др.), использующих переменный сигнал генератора. Экспериментальные исследования подтверждают результаты моделирования с помощью МКЭ о наличии сильно выраженной второй гармоники в составе ЭДС генератора. Даны рекомендации по улучшению гармонического состава ЭДС генератора. Предложена конструкция фильтра-формирователя для геперато ра 40.3771, исключающая неправильную работу тахометра автомобиля "КАМАЗ".

3. Предложена уточненная методика проектного расчета вентильных индукторных машин. Представлены соотношения для выбора основных параметров ВИГ. С учетом полученных рекомендаций выполнен проектный расчет вентильного индукторного двигателя привода движения электропогрузчика.

4. Даны рекомендации по проектированию вентильных индукторных генераторов автотракторного назначения. Предложены основные соотношения для выбора оптимальных обмоточных данных обмотки возбуждения, параметров диодов полу проводникового выпрямителя, регулятора напряжения. Предложена конструкция I вентильного индукторного генератора, позволяющая снизить эквивалентный воздушный зазор, улучшить электрические и эксплуатационные характеристики. Па конструкцию генератора получен патент РФ па полезную модель.

5. Предложены различные варианты профиля постоянных магнитов, установленных в пазах ротора ВИГ, позволяющие улучшить электрические характеристики генератора. На конструкцию ротора вентильного индукторного генератора с магнитами специального профиля получен патент РФ па полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в создании обобщенной имитационной математической модели вентильных ин-I дукторных машин в установившихся и переходных режимах с использованием аналитической методики расчета потокосцепления фазы, и разработке технических реj шений, совокупность которых позволяет осуществить решение научной проблемы i j создания систем с требуемыми техническими характеристиками.

Достоверность результатов расчетов индуктивпостей фаз веитильиых иидукj торных машин по предложенной аналитической методике подтверждается сравпени-I ем с данными, полученными при расчете магнитного поля методом конечных элементов и экспериментальными данными, полученными автором. Достоверность теоi рстических исследований вентильных индукторных систем с помощью имитационной математической модели в статических и динамических режимах подтверждается сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, полученными автором, а также известными в литературе.

При выполнении работы применялись следующие методы: методы теории . электромагнитного поля и электрических цепей, численные методы решения дифференциальных уравнений, метод имитационного моделирования; метод конечных элементов.

При проведении экспериментальных исследований использовались метод физического моделирования при изготовлении натурных моделей, методики прямых и косвенных измерений.

Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием персонального компьютера и современного программного ; обеспечения.

Научные положения, результаты теоретических и экспериментальных иссле довапий внедрены в производство. Таким образом, представленная в диссертациопi ной работе совокупность научных положений и технических решений, является ре

I шепием научной проблемы создания эффективных и надежных вентиль пых индукI торных систем, имеющее важное практическое значение.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1) разработана методика расчета ипдуктивпостей фаз индукторных машин в функции углового положения ротора, позволяющая получить аналитическую зависимость между геометрией зубцовой зоны и значением индуктивности, которая удобна для использования в имитационном моделировании ЭМП, а также в инженерных расчетах;

2) исследовано влияние рабочего воздушного зазора и параметров зубцовой зоны на индуктивность фазы вентильной индукторной машины. Даны рекомендации по выбо ру оптимальных размеров зубцовой зоны для ВИД, при которых достигается максимум элекгромапштпого момента;

3) создана обобщенная компьютерная имитационная модель вентильной индукторной машины, в генераторном и в двигательном режимах. Модель учитывает параметры вентилей ПГ1П, комбинированное возбуждение, насыщение магнитной цепи машины и позволяет проводить оценку влияния параметров системы па рабочие характеристики в динамических и статических режимах;

4) исследован гармонический состав фазной ЭДС в зависимости от частоты вращения и тока нагрузки автотракторной генераторной установки, для которой определены режимы работы с наиболее сильно выраженными высшими гармониками ЭДС, и даны рекомендации но их снижению;

5) с помощью полевой математической модели исследовано влияние профиля ИМ на характеристики автотракторной генераторной установки с комбинированным возбуждением; предложена защищенная патентом РФ конструкция ВИГ с ПМ, позволяющая улучшить его характеристики;

6) па основе экспериментальных исследований предложена защищенная патентом РФ конструкция автотракторного вентильного генератора индукторного типа с комбипированным возбуждением, позволяющая уменьшить паразитные зазоры и повысить то-коотдачу.

7) разработанные методики, программное обеспечение внедрены на предпри-; ятии ООО "Электром", а полученные рекомендации использованы при создании макетных, опытных и серийных вентильных индукторных машин:

- автотракторных генераторов типа 40.3771 и Г3000, серийно выпускаемых ООО "Электром" г. Чебоксары;

- образца тягового двигателя привода движения электропогрузчика;

- образца индукторного двигателя электропривода механизма перевода железнодорожных стрелок, разработанного и изготовленного ОАО "ЧЭАЗ" г. Чебоксары.

1. Акимов C.B., Башкиров A.B., Руновский С.К. Вычислительная модель вентильного генератора с различными вариантами обмотки статора // Автотракторное электрооборудование. 2002. - №5-6. - С. 10-11.

2. Алексеева М.М. Машинные генераторы повышенной частоты. Л.: Энергия, 1967.-344 с.

3. Альпер Н.Я., Терзян A.A. Индукторные генераторы. М.: Энергия, 1970. -192 с.

4. Антонов М.В., Герасимова Л.С. Технология производства электрических машин: Учеб. пособие для вузов. -М.: Эпергоиздат, 1982. 512 с

5. Аракеляи А.К., Афанасьев A.A. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: В 2 кн. Кн. 1: Вентильные электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1997. 509 с.

6. Аракеляп А.К., Глухепький Т.Г. Определение положения ротора в высокоскоростных бездагчиковых вептилыю-индукторпых электроприводах // Электричество. 2003. - № 4. - С. 27 - 30.

7. Архипов А.Н., Евсип Н.Ф., Коломейцев Л.Ф. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном индукторном генераторе с классической зубцовой зоной // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1984. - №3. -С. 29-35.

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

9. Афанасьев A.A. Линейные преобразования переменных в теории вептильпо-индукторного двигателя // Электричество. 2004. - № 4. - С. 27 - 35.

10. Афанасьев A.A. Расчет магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины // Электричество. 1985. - № 6. - С. 27 - 31.

11. Бабак А.Г., Ваткин В.А. Исследования индуктивности фазы вентильного индукторного привода движения электропогрузчика // Электроника и электрооборудование транспорта. 2006. - № 6. - С. 9 - 11.

12. Бабак А.Г., Ваткин В.А., Пестерин В.А., Чихпяев В.А. Применение реактивного индукторного двигателя для привода движения электропогрузчика // Электроника и электрооборудование транспорта. 2004. - № 2. - С. 26 - 27.

13. Биис К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей: Пер. с англ. М.: Энергия, 1970. - 376 с.

14. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.-Л.: Энергия, 1964.-464 с.

15. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высш. шк., 1985.-255 с.

16. Бут Д.А. Модификации вептильпо-индукторпых двигателей и особенности их расчетных моделей // Электричество. 2000. - № 7. - С. 34 - 44.

17. Бут Д.Л., Чернова E.II. Линейные вептильно-индукторпые двигатели // Электричество. В 2 ч. Ч. 1. 1999.- № 12. - С. 46 - 49.

18. Бут Д.А., Чернова E.H. Линейные вентильпо-индукторные двигатели // Электричество. В 2 ч. 4.2. 2000. — № 1. - С. 36 - 41.

19. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторпого электропривода. Автореферат дис. доктора техн. наук. М., 1999.-38 с.

20. Бычков М.Г. Элементы теории веитилыю-ипдукторного электропривода // Электричество. 1997. - № 8. - С. 35 - 44.

21. Бычков М.Г., Киселышкова A.B., Семенчук В.А. Экспериментальные исследования шума и вибраций в веитилыю-ипдукторпом электроприводе // Электричество. 1997. - № 12. - С. 41 - 46.

22. Бычков М.Г., Сусси Риах Самир. Расчетные соотношения для определения главных размеров вентильпо-индукторпой машины // Электротехника. 2000. - № 3. -С. 15-19.

23. Ваткип В.А., Нестерип В.А. Исследование динамических режимов веитилыю-индукторпого привода на основе математического моделирования // Труды АЭН 4P. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2003. - С. 40 - 45.

24. Ваткип В.А., Нестерип В.А. Экспериментальное исследование гармонического состава фазного напряжения одпоимеппо-полюсиого индукторного генератора// Электроника и электрооборудование транспорта. 2004. -№ 6. - С. 16-17.

25. Ваткип В.А., Нестерип В.А., Чихпяев В.А. Расчет проводимости воздушного зазора вептильио-ипдукторного двигателя // Сб. научных трудов молодых ученых и специалистов. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2002. - С.243 - 244.

26. Вентильные преобразователи в цепях электрических машин / И.А. Глебов, B.II. Левин, П.А. Ровипский, В.И. Рябуха. Л.: Наука, 1971. - 228 с.

27. Волокитииа Е.В. Исследование и разработка быстродействующего вентильного электропривода органов управления новых самолетов: Автореф. дис. канд. техн. паук. Чебоксары, 2006. - 20 с.

28. Волокитииа Е.В., Головизпин С.Б., Шалагипов В.Ф. Пестерип В.А. Анализ динамических показателей авиационных вентильных электродвигателей с редкоземельными постоянными магнитами // Электропика и электрооборудование транспорта. 2005. - № 2. -С. 22 - 28.

29. Вольдск А.И. Электрические машины. М. - Л.: Энергия, 1966. - 782 с.

30. Высокоточные преобразователи угловых перемещений / Э.Н. Асиповский, A.A. Ахметжанов, М.А. Габидулин и др.; Под общ. ред. A.A. Ахметжанова. М.: Энергоатомиздат, 1986- 128 с.

31. Генераторы зарубежных автомобилей / A.B. Акимов, C.B. Акимов, Л.П. Лейкии; Под ред. C.B. Акимова. М.: ЗАО "КЖИ "За рулем", 2003. - 128 с.

32. Глухепький Т.Г. К расчету минимальной индуктивности фазы в индукторных электродвигателях // Электротехника. 2003. - №10. - С. 15-20.

33. Голландцев Ю.А. Пульсации пускового момента вентильного индукторпо-реактивного двигателя // Электричество. 2003. - №6. - С. 37 - 42.

34. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин: Учеб. для вузов по спец. "Электромеханика".- М.: Высш. шк., 1990.-255 с.

35. Гольдберг О.Д., Гурии Я.С. Свиридсико И.С. Проектирование электрических машин: Учебник для вузов / Под. ред. О.Д. Гольдберга. М.: Высш. шк., ; 1984.-431 с.i 42. Демирчап К.С., Чечурин B.JT. Машинные расчеты электромагнитных полей.

36. М.: Высш. шк., 1986.-239 с.j43., Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Б.А. Ивоботенко, В.П. Рубцов, JI.A. Садовский, В.К. Цаценкин; Под общ. ред. М.Г. Чиликина. М.: j Энергия, 1971.-624 с.

37. Дмитриев Б.Ф., Чсрсвко А.И., Гаврилов Д.А. К вопросу о построении универсальной математической модели обобщенной электрической машины в программной срсде MatLab-Simulink // Электротехника. 2005. - №7. - С. 3 - 9.

38. Дубенский A.A. Бесконтактные двигатели постоянного тока М.: Энергия, ; 1967.-144 с.

39. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН-Пресс, - 2002. - 768 с.

40. Жервс Г.К. Промышленные испытания электрических машин. М. - Л.: ГЭИ, 1959.-504 с.

41. Тезисы второй международной конференция. (Москва, 14-15 июня 2001 г.). -! С. 12-14.

42. Зечихип Б.С. Анализ магнитных систем бесконтактных синхронных машин // ! Электричество. 2003. - № 12. - С. 30 - 34.

43. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные силы и преобразование энергии вэлектрических машинах. М.: Высш. шк., 1989. - 312 с. | 55. Иванов-Смоленский A.B., Абрамкип Ю.В., Власов А.П., Кузнецов В.А. ;1.:

44. Ильинский Н.Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода // Электричество. 2003. - №2. - С. 2 - 7.

45. Козаченко В.Ф., Обухов H.A., Миколаенко В.П., Семепчук В.А., Шишов II.II. Универсальный контроллер для встроенных систем управления индукторными вентильными двигателями // Электротехника. 1997. - № 2. - С. 7 - 11.

46. Коломейцев Л.Ф., Елкип С.II. Расчет электромагнитных процессов в униполярном индукторном генераторе подпитки тяговых двигателей тепловоза //

47. Коломейцев Л.Ф., Пахомип С.А. О влиянии чисел зубцов статора и ротора па характеристики трехфазного реактивного индукторного двигателя // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1998. -№ 2 - 3. - С. 34-39.

48. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

49. Красовский А.Б. Имитационные модели в теории и практике вептильпо-индукторпого электропривода: Авторсф. дис. доктора техн. паук. М., 2004. - 40 с.

50. Красовский А.Б. Получение максимальной выходной мощности вентильпо-индукториого электропривода средствами управления // Электричество. 2002. -№,9.-С. 29-36.

51. Красовский А.Б. Применение имитационного моделирования для исследования вентилыю-индукторпого электропривода // Электричество. 2003. - № 3. -С. 35-44.

52. Красовский А.Б., Бычков М.Г. Исследование пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе // Электричество. -2001. -№10. С. 33 -43.

53. Краткий справочник для инженеров и студентов: Высшая математика. Физика. Теоретическая механика. Сопротивление материалов / А.Д. Полянин, В.Д. Полянин,i