Динамика и энергоэффективность перспективных единиц подвижного состава, оснащаемых вентильно-индукторными электрическими машинами
На правах рукописи
Гребенников Николай Вячеславович ДИНАМИКА И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЕДИНИЦ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА, ОСНАЩАЕМЫХ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ростов-на-Дону – 2012
Работа выполнена на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный уни верситет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) доктор технических наук, профессор
Научный консультант:
Зарифьян Александр Александрович Космодамианский Андрей Сергеевич,
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тяговый подвижной состав» Российской открытой академии транс порта Московского государственного универ ситета путей сообщения Киреев Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент, Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр «ПРИВОД-Н» Федеральное государственное бюджетное об
Ведущая организация:
разовательное учреждение высшего профес сионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Защита состоится «28» мая 2012 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный универси тет путей сообщения» по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2 (главный корпус, конференц зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка На родного Ополчения, д. 2.
Автореферат разослан «27» апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.010. доктор технических наук, профессор В.А. Соломин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одним из условий успешного развития экономи ки Российской Федерации является наличие эффективной и надежной транс портной системы, что предопределяет высокие требования к качеству подвиж ного состава железных дорог.
В процессе эволюции подвижного состава на протяжении длительного времени применялись коллекторные электрические машины постоянного тока, что было обусловлено такими их качествами, как простота конструкции и управления. Наряду с этим, существенным недостатком является наличие кол лекторно-щеточного аппарата.
В настоящее время на самоходном подвижном составе повсеместно на ходят применение бесколлекторные электрические машины переменного тока (синхронные тяговые генераторы и асинхронные тяговые двигатели), главным образом по причине высокой мощности и надежности. Однако, такие машины требуют наличия сложных микропроцессорных систем управления и преобра зования энергии.
Вместе с тем, появляются новые виды высокоэффективных электриче ских машин, которые имеют перспективы использования на железнодорожном подвижном составе. К их числу относятся вентильно-индукторные машины (ВИМ), которые находят применение главным образом как двигатели в составе тяговых и вспомогательных электроприводов. Вместе с тем, и в качестве гене ратора такая машина представляет значительный интерес для подвижного со става, в том числе как подвагонный генератор.
Отметим здесь такие достоинства ВИМ, как высокий к.п.д. и отсутствие обмоток на зубчатом роторе. Кроме того, по сравнению с электрическими ма шинами других типов ВИМ конструктивно проще и технологичнее, имеет меньшие расходы меди и изоляционных материалов при практически одинако вых массах электротехнической стали. В итоге, это позволяет достичь более высоких энергетических и массогабаритных показателей, снизить стоимость ВИМ и затраты на эксплуатацию. Кроме того, при использовании ВИМ в каче стве генератора применение управляемого электромагнитного возбуждения по зволяет получать стабилизированное выходное напряжение при изменении час тоты вращения вала в широком диапазоне, что особенного важно для подвагон ного генератора.
Вместе с тем, имеется ряд проблем, сдерживающих начало широкого применения ВИМ. К их числу относятся существенные пульсации электромаг нитного момента таких машин, высокий уровень шума, необходимость уста новки специальных датчиков и систем управления и т.д.
Из выше сказанного вытекает актуальность постановки задачи углуб ленного исследования динамики и энергоэффективности единиц подвижного состава (как вагонов, так и локомотивов), оснащаемых вентильно индукторными электрическими машинами, рассматривая их в качестве управ ляемых электромеханических систем. В ходе исследования неизбежно появле ние новых предложений как по конструкции и параметрам ВИМ, так и по алго ритмам управления, имеющим конечной целью создание более эффективных конструкций, полностью отвечающих требованиям, предъявляемым к железно дорожному подвижному составу.
Целью работы является улучшение динамических и энергетических по казателей перспективных единиц подвижного состава, оснащаемых вентильно индукторными электрическими машинами (в частности, подвагонными генера торами), рассматриваемых в качестве управляемых электромеханических сис тем. В итоге должны быть сформулированы предложения по конструкции вен тильно-индукторной машины и алгоритмам управления, для удовлетворения основным требованиям, предъявляемым к электрическим машинам для под вижного состава.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие зада чи:
- разработана компьютерная модель электромеханической системы «ва гон – подвагонный ВИГ», предназначенная, главным образом, для изучения ди намических процессов, возникающих при движении;
- выполнено исследование переходных электромеханических процессов в системе «вагон – подвагонный ВИГ» при разгоне и торможении;
- выполнено сравнение основных характеристик вентильно индукторного двигателя НТИ-350 конфигурации 12/8 (три фазы), разработан ного в ОАО ВЭлНИИ для электропоездов, полученных в результате расчетов на компьютерной модели и экспериментальных данных, опубликованных в перио дических изданиях;
- выполнено сравнение основных характеристик разработанного в РГУПС подвагонного ВИГ конфигурации 18/12 (три фазы), полученных в ре зультате численного эксперимента на компьютерной модели и эксперимен тальных данных, полученных на стенде;
- выполнено исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его энергетические и виброакустические характеристики при неизмен ной конфигурации статора за счет изменения числа зубцов ротора;
- разработан и изготовлен лабораторный макет ВИМ конфигурации 18/15 (шесть фаз), выполнено сравнение расчетных данных, полученных на компьютерной модели и экспериментальных данных, полученных на лабора торном макете.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были приме нены методы теории электромагнитного поля, теории электрических цепей, динамики систем твердых тел, методы компьютерного моделирования элек тромеханических систем, а также методы интерактивной отладки микропроцес сорных систем управления с использованием интегрированной среды разработ ки Code Composer Studio.
Модель механической части вагона разработана на основе формального метода Ньютона-Эйлера в программном комплексе «Универсальный меха низм». Модель электрической части разработана в программном комплексе MATLAB-Simulink. Расчет схемы замещения магнитной системы, с учетом на сыщения магнитопровода и взаимного влияния фаз проводился с использова нием метода конечных элементов в программном комплексе FEMM. Модели объединены в комплексную электромеханическую модель по средствам внеш них связей.
Экспериментальные исследования выполнены в ЗАО «Тверской инсти тут вагоностроения» на опытном образце подвагонного ВИГ мощностью кВА, а также на макетном образце вентильно-индукторной машины мощностью 0,5 кВА (число зубцов статора 18, числа зубцов ротора 12 и 15).
Достоверность научных результатов обеспечена адекватностью и кор ректностью применяемых в работе теоретических положений, математических методов и программных комплексов, и подтверждается результатами экспери ментальных исследований, выполненных автором, а также данными литератур ных источников.
Основные научные результаты и положения, выносимые автором на за щиту:
1. Компьютерная модель, методы и результаты расчета динамической системы «вагон–подвагонный ВИГ» в режимах разгона и торможения поезда.
2. Улучшение энергетических и виброакустических показателей ВИМ за счет обеспечения поворотной симметрии её магнитной системы с углом пово рота равным 120° (защищено патентом).
3. Компьютерная модель, учитывающая сильное магнитное взаимодей ствие фаз, методы и результаты расчета динамической системы «вагон– подвагонный ВИГ» при применении ВИГ с конфигурацией магнитной системы с поворотной симметрией, с числом фаз равным шести и конфигурации 18/15.
4. Снижение амплитуды пульсаций электромагнитного момента ВИМ в шесть раз, уровня шума на 8 дБ при неизменной конфигурации статора, за счет изменения числа зубцов ротора, что было обнаружено путем компьютерного моделирования и затем подтверждено экспериментально.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Разработана компьютерная модель управляемой электромеханической системы «единица подвижного состава – вентильно-индукторная машина», ме тодика построения которой основывается на использовании внешних связей между комплексами программ.
2. Выполнено исследование динамических электромеханических про цессов в системе «вагон – подвагонный ВИГ», происходящих в режимах разго на, движения с постоянной скоростью и экстренного торможения.
3. Проанализированы различные варианты конфигурации ВИМ, показа но, что машина с шестифазной конфигурацией 18/15 обладает оптимальными характеристиками по пульсациям момента, по стоимости преобразователя и по энергетическим показателям. Она представляет собой ВИМ с существенным взаимным влиянием фаз, что отличает её от традиционных ВИМ. При конфигу рации 18/15 происходит частичный обмен энергии между фазами в магнитном поле, достигающий 20%.
4. Предложена оригинальная конфигурация ВИМ с поворотной симмет рией магнитной системы, с углом поворота 120° (защищена патентом).
5. Разработаны методы расчета магнитной системы ВИМ с поворотной симметрией, учитывающей сильное взаимное влияние фаз.
Практическая ценность заключается:
1. В разработке методики расчета электромеханической системы «ва гон–подвагонный ВИГ».
2. В создании методики расчета ВИМ с магнитной системой, имеющей поворотную симметрию и учитывающей сильное взаимодействие между фаза ми.
3. В разработке рекомендаций по выбору конфигураций магнитной сис темы, регулированию напряжения питания и выбору режимов коммутации ВИГ, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики.
4. За счет повышения энергоэффективности, а также снижения пульса ций электромагнитного момента и уровня шума ВИМ предлагаемой конфигу рации, можно рекомендовать её применение на подвижном составе, в том числе в качестве подвагонного генератора для пассажирских вагонов, тяговых генера торов и двигателей ТПС.
5. Предложена схема перспективной электрической передачи мощности тепловоза в составе вентильно-индукторного тягового генератора и вентильно индукторных тяговых двигателей. Тяговый ВИГ заменяет синхронный тяговый генератор, синхронный возбудитель и стартер-генератор, а система регулиро вания заменяется микропроцессором.
Результаты диссертации реализованы в виде компьютерных моделей и методик расчета, которые использовались:
при выполнении х/д №124 «Создание комплекта автономного энерго снабжения на базе модернизированной тележки КВЗ-И2 с вентильно индукторным подвагонным генератором для электропитания потребителей рефрижераторных вагонов и контейнеров»;
при выполнении работ по государственному контракту от 8.09.2010 г.
№ 14.740.11.0110 по теме «Создание энергоэффективного безредукторного двигателя электропоезда», новая конфигурация магнитной системы ВИМ 18/ использована для разработки проекта высокомоментного тягового электродви гателя мощностью 350 кВт;
для расчета динамических режимов работы тягового двигателя НТИ 350;
для разработки конкурентоспособной на российском и зарубежных рынках электротехнической продукции промышленного назначения в фирме ООО «Сапфир».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион ной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно техническом семинаре «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа» Брянского государствен ного технического университета (г. Брянск, 2009г.), Всероссийских научно практических конференциях «Транспорт-2010» и «Транспорт-2011» (РГУПС, г.
Ростов н/Д), на ежегодных научно-технических конференциях и семинарах РГУПС с 2009 по 2011 гг., на заседании учебно-методической комиссии по специальности 190301 «Локомотивы» (г. Ростов н/Д, май 2011 г.), на Междуна родной конференции ElectrIMACS 2011 (l’Universit de Cergy-Pontoise, France, June 2011), на 3-й Российской конференции «Технические и программные сред ства систем управления, контроля и измерения» (Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, г. Москва, апрель 2012).
Работа полностью доложена и обсуждена на расширенном заседании кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГУПС 19.04.2012 г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 17 печатных работ, из них шесть статей в журналах, входящих в перечень ВАК.
Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа общим объе мом 148 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка лите ратуры и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирова ны цели работы, приведены сведения о структуре диссертации.
Первая глава посвящена критическому анализу эволюции силовых уста новок и систем преобразования энергии на подвижном составе. Здесь сформу лированы основные задачи исследования.
Выполненный обзор литературных источников показал, что энергоэф фективность силовых установок и систем преобразования энергии единиц под вижного состава неуклонно повышалась, соответственно росли их основные динамические характеристики, такие как сила тяги, скорость и т.д.
Повышение энергоэффективности современных локомотивов обеспечи вается, главным образом, применением новых типов электрических машин.
Большой вклад в разработку и исследование перспективных систем элек троприводов внесли отечественные и зарубежные ученые: Ю.А. Бахвалов, М.Г.
Бычков, А.В. Грищенко, И.П. Исаев, А.В. Киреев, Л.Ф. Коломейцев, Г. И. Кол пахчьян, А.Б. Красовский, В.А. Кручек, В.А. Кузнецов, А.С. Курбасов, В.В. Ли товченко, А.С. Мазнев, Д.К. Минов, В.И. Некрасов, С. А. Пахомин, А.Д. Пет рушин, А.В. Плакс, Б.Д. Никифоров, Н.А. Ротанов, В.Е. Скобелев, В.В. Стреко пытов, Э.Д. Тартаковский, Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, Т.А. Тибилов, В.П.
Феоктистов, В.Г. Щербаков, Ю.М. Иньков, В.П. Янов, C.A. Ferreira, T.J.E.
Miller, A.V. Radun и др.
На основе анализа публикаций сделан вывод о том, что вентильно индукторные машины находят применение в мощных приводах, как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. В настоящее время ВИМ находят распространение в промышленности, применяются в силовых установках гиб ридных автомобилей, а также на железнодорожном транспорте. ВИМ становит ся конкурентом синхронным машинам и асинхронным двигателям.
Для подвижного состава достоинствами ВИМ являются простота конст рукции, надежность, работоспособность, высокие энергетические и удельные показатели. В то же время имеется ряд недостатков, в первую очередь повы шенный уровень шума и вибраций, которые сдерживают широкое распростра нение таких машин.
Имеется разработанная концепция компьютерного моделирования слож ных управляемых электромеханических систем (таких, как электровозы и теп ловозы), применение которой позволяет на стадии проектирования изучить особенности динамического поведения объектов исследования. Отметим рабо ты в этом направлении Д.Ю. Погорелова, А.А. Зарифьяна, Е.М. Плохова, П.Г.
Колпахчьяна и д.р.
В свете вышесказанного, сформулированы основные задачи исследова ния. К их числу относятся создание компьютерной модели электромеханиче ской системы «вагон – подвагонный ВИГ», при помощи которой планируется изучить переходные электромеханические процессы в этой системе в различ ных режимах движения, в том числе при разгоне и торможении.
Необходимо выполнить сопоставление полученных на компьютерной мо дели основных характеристик разработанного в РГУПС подвагонного ВИГ конфигурации 18/12 (три фазы), выбранного в качестве прототипа, и экспери ментальных данных, полученных на стенде.
Большой научный и практический интерес представляет исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его эксплуатационные ха рактеристики (пульсации момента, уровень шума) за счет изменения числа зуб цов ротора при неизменной конфигурации статора. Фаза ВИМ представляет со бой группу соединенных катушек, расположенных на зубцах статора, для кото рых существует такое положение ротора, при котором его зубцы находятся в согласованном положении с зубцами статора.
Для подтверждения достоверности результатов теоретического анализа, необходимо разработать и изготовить лабораторный макет ВИМ конфигурации 18/15 (шесть фаз), выполнить сравнение расчетных данных, полученных на компьютерной модели и экспериментальных данных, полученных на лабора торном макете.
Актуальность работ в этом направлении отмечается в решениях и реко мендациях многих российских и международных научных форумов. Так, на международной конференции ElectrIMACS 2011 (l’Universit de Cergy-Pontoise, France, 6 - 8 июня 2011 г.) отмечено, что с целью сокращения сроков разработ ки, длительности испытаний и доводочных работ при создании новых систем электроприводов целесообразно в полной мере использовать компьютерное моделирование всей электромеханической системы в целом.
Вторая глава посвящена, главным образом, вопросам разработки компью терной модели управляемой электромеханической системы «вагон – подвагон ный вентильно-индукторный генератор».
Приведено описание объекта исследования – трехфазного ВИГ конфигу рации 18/12 разработки РГУПС (рис. 1). Расчетные параметры генератора:
мощность – 16 кВт;
диапазон частоты вращения 380…2400 об/мин;
вырабаты ваемое напряжение – 53720 В;
род тока – постоянный;
КПД – не менее 90%.
Рассмотрены способы его установки на подвижном составе, дана принципиаль ная схема его подключения (рис. 2.) Рис. 1. ВИГ разработки РГУПС Рис. 2. Принципиальная схема трехфазного ВИГ Механическая часть вагона, представленная как система твердых тел, со стоит из кузова, двух рам тележек и четырех колесных пар, связанных между собой силовыми элементами и сочленениями, имеющими конкретные кинема тические свойства. Подвагонный генератор пассажирского вагона приводится во вращение от колесной пары при помощи зубчатого редуктора и крепится не посредственно к кузову. Подвагонный генератор вагона-рефрижератора приво дится при помощи текстропного привода и располагается на раме тележки.
Дифференциальные уравнения движения системы твердых тел записаны на основе формального метода Ньютона – Эйлера:
M (q)q k (q, q) Q(q, q), (1) где q – матрица-столбец обобщенных (лагранжевых) координат;
M – матрица масс;
k, Q – матрицы-столбцы инерционных и активных сил.
Компьютерная модель механической части системы «вагон – подвагон ный вентильно-индукторный генератор» (рис. 3) создана в программном ком плексе «Универсальный Механизм» [www.umlab.ru].
Рис. 3. Компьютерная модель «вагон – под- Рис. 4. Компьютерная модель электрической вагонный ВИГ» части ВИГ Компьютерная модель электрической части вентильно-индукторной ма шины разработана в программном комплексе MATLAB/Simulink (рис. 4).
Уравнение, описывающее процессы в фазе ВИМ:
d d dL di di u Ri R i L i R i L e, (2) dt d dt dt dt где d di d di.
L i dt dt dt dt ЭДС определяется как dL e i d где – угловая скорость ротора:
d.
dt Расчет электромагнитного поля опирается на уравнения Максвелла:
B rot H J J в, rot E, (3) t div B 0, J в E, где B и H – магнитная индукция и напряженность магнитного поля;
J – век тор плотности тока в обмотках статора и ротора;
J в – вектор плотности вихре вых токов в стали и меди;
E – напряженность электрического поля.
При помощи пакета FEMM получены зависимости потокосцепления фазы от тока i и углового положения ротора (рис. 5) и динамическая картина маг нитного поля (рис. 6).
Рис. 6. Кадр анимации магнитно Рис. 5. Потокосцепление фазы f (i, ) го поля подвагонного генератора (конфигурация 18/12) Рассмотрены способы управления вентильно-индукторным генератором.
При формировании генераторного режима углы открытия IGBT-транзисторов находятся в области снижения индуктивности фазы, т.е. dL / d 0, а для фор мирования двигательного режима они должны находиться в области увеличе ния индуктивности фазы dL / d 0.
Направление ЭДС е определяется знаком производной dL / d. Когда dL / d 0, ЭДС имеет положительный знак и препятствует нарастанию тока, направлена против приложенного напряжения и электрическая энергия преоб разуется в механическую работу (двигательный режим). Когда dL / d 0, ЭДС имеет отрицательный знак и поддерживает нарастание тока, при этом ме ханическая энергия преобразуется в электроэнергию (генераторный режим).
При этом амплитуда ЭДС изменяется в зависимости от скорости вращения ро тора и характер изменения тока определен соотношением между e и V.
На рис. 7 показаны фазные токи iph, потокосцепление ph и идеализиро ванная индуктивность L в зависимости от угла поворота ротора.
Интеграл токов, показанных на рис. 7, может быть определен как:
off ext I in i ph d ;
I out i ph d ;
on off I o I out I in, Рис. 7. Фазный ток, потокосцепление и идеализированная индуктивность в генера где I0 – ток генерации.
торном режиме: on – угол открытия, a – Коэффициент возбуждения оп угол согласованного положения, off – угол ределяется следующим образом: закрытия, 1d – угол окончания перекрытия I I in полюсов, 1u – угол начала перекрытия по in.
люсов, ext – угол, при котором потокосцеп I out I o I in лении достигает нуля На рис. 8 показана схема управления ВИГ, в которой имеется обратная связь по напряжению в звене постоянного тока VDC, которое сравнивается с за * данным значением напряжения VDC. Система управления изменяет углы откры тия/закрытия IGBT-транзисторов и верхний порог токового коридора I HI.
В качестве входных параметров система управления использует на пряжение в звене постоянного тока VDC и угловую скорость вращения ро тора.
Блок ВИГ (см. рис. 8) объеди няет в себе преобразователь и ВИМ, Рис. 8. Схема системы управления ВИГ который генерирует ток I0.
Разность между I0 и током нагрузки I L заряжает конденсатор фильтра С, заряд которого определяет значение напряжения звена постоянного тока VDC.
Компьютерные модели механической и электрической части электроме ханической системы «вагон – подвагонный ВИГ» объединены в комплексную компьютерную модель через внешние связи между комплексами программ.
Результаты компьютерного моделирования (рис. 9, рис. 11) подтвержде ны экспериментальными данными (рис. 10, рис. 12), полученными при стендо вых испытаниях ВИГ. Расхождение в результатах составляет не более 5 %.
Рис. 9. Результат моделирования Рис. 10. Осциллограмма напряжения на напряжения на отключенной фазе отключенной фазе генератора генератора (компьютерное моделирование) (стендовые испытания) Рис. 11. Ток в фазе ВИГ (компьютерное мо- Рис. 12. Осциллограмма тока в фазе ВИГ делирование) (стендовые испытания) Необходимо выполнить исследование переходных процессов, возникаю щих в электромеханической системе «колесная пара пассажирского вагона – вентильно-индукторный генератор» в двух практически важных ситуациях:
1) при включении генератора на полную мощность при разгоне (колесная пара не должна блокироваться);
2) при экстренном торможении (в электрических цепях не должно возникать перенапряжений).
Соответствующие расчеты были выполнены для разгона с включением ВИГ до скорости 72 км/ч (рис. 13) и торможения с его выключением.
Генератор мощностью 32 кВт t, с 0 5 10 15 20 включается на скорости 20 км/ч. По- - казано, что как при включении генера- - - тора на полную мощность 32 кВт во - - время разгона вагона, так и во время - - экстренного торможения с включен- - - ным генератором, не наблюдается - возникновения аварийных ситуаций - - (юза колесной пары или перенапряже- - M, Нм ний в электрических цепях). Рис. 13. Изменение электромагнитного момен та генератора 18/12 при разгоне Необходимо отметить, что электромагнитный момент ВИГ конфигурации 18/12 имеет значительные пульсации, что приводит к возникновению шума и вибраций.
Третья глава посвящена вопросам разработки новой конфигурации маг нитной системы ВИМ, которая позволяла бы улучшить эксплуатационные по казатели, без увеличения стоимости ВИМ. Изготовлен макетный образец ВИМ конфигурации 18/15.
Рассмотрены возможные варианты исполнения ВИМ со статором, имеющим 18 зубцов. В результате проведенного анализа получено, что опти мальной, с точки зрения удовлетворения двум противоречивым критериям – стоимости и эксплуатационных показателей – является шестифазная ВИМ кон фигурации 18/15, которая принята в качестве базовой.
Данная конфигурация ВИМ защищена патентом.
Изучены возможные ва рианты схем силовых преобра зователей для шестифазной ВИМ конфигурации 18/15.
Рис. 14. Принципиальная схема шестифазного ВИГ конфигурации 18/ Принята схема Т. Миллера с нулевой средней точкой (рис. 14), которая использует минимальное число силовых полупроводниковых приборов (такое же, как и для коммутации трехфазного ВИМ, см. рис. 2). Записана система дифференциальных уравнений, позволяющая учесть особенности электромаг нитных процессов, происходящих в ВИМ конфигурации 18/15:
где u – напряжение фазы;
d Z uZ R iZ i – ток фазы;
dt m d( ik, ) – потокосцепление фазы, (в данном d X u R i k X X dt случае функция семи переменных).
d Y С учетом того, что перекрытие в работе фаз со uY R iY dt ставляет 60 эл.град., а область генераторного или двигательного режима составляет 180 эл.град, то од uY 1 d Y новременно в номинальном режиме будет работать dt не более трех фаз машины. Тогда можно записать d Y 2 (4) систему уравнений (4), где индексы Z, X и Y соответ uY dt ствуют сочетаниям работы фаз (F, A, B), (A, B, C), (B, d Y 3 C, D), (C, D, E), (D, E, F) и (E, F, A).
uY dt Выражение для коэнергии рассматриваемой машины, когда возможна од новременная работа трех фаз, имеет вид:
iZ iY iX Wc (i X, iY, iZ, ) Te (0,0,0, )d Z (0,0,, )d Y (0,, iZ, )d X (, iY, iZ, )d 0 0 0 iZ iY iX 0 LZ d ( LY M ZY iZ ) d ( LX M YX iY ) d 0 0 1 1 L X i X LY iY2 LZ i Z M ZY iY iZ M YX i X iY, 2 2 2 где – переменная интегрирования, принимает следующие значения, iZ, iY, i X по порядку для интегралов.
Электромагнитный момент в зависимости от токов трех фаз и положения ротора, выражается через коэнергию следующим образом:
Wc (iX, iY, iZ, ) Te i,i,i X Y Z 1 LX 2 1 LY 2 1 LZ 2 M ZY M YX iX iY iZ iY iZ iX iY.
2 2 2 Разработана компьютерная модель ВИМ конфигурации 18/15. Расчет электромагнитных полей выполнен при помощи пакета FEMM.
Рассчитаны собственное потокосцепление фазы (рис. 15), видно, что соб ственное потокосцепление фазы шестифазного ВИГ аналогично показанному на рис. 5 для трехфазного ВИГ.
Рассчитаны также взаимные потокосцепления с другими фазами (на рис.
16 показано потокосцепление фазы A с фазой B, аналогичные картины получе ны для всех возможных сочетаний фаз). Видно, что интенсивность взаимных потокосцеплений достигает 50% от собственной.
Рис. 15. Потокосцепление фазы A Рис. 16. Потокосцепление фазы A с фазой B AA f ( iA, ) AB f ( i A, ) Получена наглядная картина (рис. 17) анимации магнитного поля шести фазного ВИГ конфигурации 18/15. Из сопоставления с рис. 6 видно, что для ВИГ конфигурации 18/15 магнитный поток фазы замыкается через зубцы со седних фаз.
Выполнено исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его эксплуатационные характеристики при неизменной конфигурации статора, исключительно за счет изменения числа зубцов ротора. Изменение конфигурации с 18/12 на 18/15 приводит к значительному положительному эф фекту: согласно расчетам, амплитуда пульсаций момента снижается в шесть раз, частота пульсаций момента увеличивается с 573 до 2860 Гц (рис. 18).
Спектральный анализ электромагнитного момента показал, что спек тральная плотность мощности электромагнитного момента основной гармони ки для ВИГ 18/15 меньше в 20 раз, а частота основной гармоники выше в 2, раза по сравнению с ВИГ 18/12.
Рис. 18. Зависимости электромагнитных моментов ВИГ (1 – момент одной фазы ВИГ 18/12;
2 – момент Рис. 17. Кадр анимации магнитного одной фазы ВИГ 18/15;
3 – суммарный момент ВИГ поля ВИГ конфигурации 18/15 18/12;
4 – суммарный момент ВИГ 18/15) Была изучена энергоэффективность ВИМ конфигурации 18/15. Показано, что она является неклассической машиной с сильным взаимным влиянием фаз (рис. 19). Энергия, вносимая в фазу через магнитное поле, составляет порядка 20 %. Удельная мощность машины увеличивается на 10 – 14 %. За один оборот ротора ВИГ конфигурации 18/15 преобразует из механической в электромаг нитную на 14 % энергии больше, нежели ВИГ конфигурации 18/12.
Рис. 19. Энергетические диаграммы интервала коммутации фазы ВИГ при р = 100 рад/с:
1 – 0 эл.град., 2 – 180 эл.град.
(слева – для конфигурации 18/12;
справа – для конфигурации 18/15) Для подтверждения теоретических положений автором спроектирован и изготовлен макетный образец ВИМ мощностью 500 Вт. Статор показан на рис.
20. Ротор изготовлен в двух вариантах: 12 и 15 зубцов (рис.21), что дало воз можность опытного сопоставления характеристик ВИМ конфигураций 18/12 и 18/15. Изготовление пакета роторного железа производилось на проволочно вырезном электро-эррозионном станке марки MAX SEE F325.
Было получено, что характер расчетных графиков (рис. 22) и опытных осциллограмм (рис. 23) для ВИМ 18/15 совпадает. Различие между опытными данными и результатами моделирования не превышает 7%.
а) б) Рис. 20. Статор с 18 зубцами Рис. 21. Роторы с 12-ю (а) и с 15-ю (б) зубцами Рис. 22. Напряжение фазы (компьютерное Рис. 23. Напряжение фазы ВИГ (экспери моделирование) мент) Экспериментально подтверждено обнаруженное расчетным путем уменьшение пульсаций момента в шесть раз (см. рис. 18). При испытаниях ма кетного образца, уровень шума составил 78 дБ для конфигурации 18/12 и менее 70 дБ для конфигурации 18/15. Фоновый уровень шума в помещении составлял 50 дБ (применялся измеритель шума CENTER 322).
Выполнено моделирова 0 5 10 15 20 25 t, c ние динамики системы «пасса- жирский вагон модели 4440 – - подвагонный ВИГ конфигура- - - ции 18/15» (на рис. 24 показано - изменение электромагнитного - момента генератора при разго- - не). Получено, что размах пуль- - - саций электромагнитного мо - мента (по сравнению с конфигу- М, Нм рацией 18/12) уменьшился поч Рис. 24. Изменение электромагнитного момента генера ти в шесть раз, см. рис. 13.
тора 18/15 при разгоне В результате значительно уменьшается уровень шума, уменьшается на грузка на резинокордную муфту и снижается вероятность самоотвинчивания резьбовых креплений привода, чем обеспечивается комфорт и безопасность пассажиров.
Четвертая глава посвящена вопросам применения разработанной конст рукции ВИМ конфигурации 18/15 на перспективном подвижном составе (элек тропоезда и тепловозы) как в качестве генератора, так и двигателя. В качестве одного из вариантов рассмотрено безредукторное исполнение тягового двига теля.
Разработана комплексная компьютерная модель электромеханической системы «моторный вагон электропоезда – ВИД» (рис.25), предназначенная, главным образом, для изучения динамических процессов.
Обосновано предложение по применению шестифазных вентильно индукторных двигателей конфигурации 18/15 в качестве тяговых, поскольку они имеют пониженный уровень шума и вибраций. Показана целесообразность применения шестифазных двигателей для безредукторного привода электропо ездов и локомотивов.
Рис. 25. Компьютерная модель моторного вагона электропоезда с ВИД Предложена принципиальная схема перспективной электрической пере дачи мощности тепловоза в составе вентильно-индукторного тягового генера тора и вентильно-индукторных тяговых двигателей. Так, тяговый ВИГ заменяет синхронный тяговый генератор, синхронный возбудитель и стартер-генератор, а система регулирования заменяется микропроцессором.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ По результатам выполненных исследований можно сформулировать сле дующие выводы:
1. Разработана комплексная компьютерная модель электромеханической системы «единица подвижного состава – ВИМ», применительно к пассажир ским и рефрижераторным вагонам, электропоездам и тепловозам. Моделирова ние экипажной части выполнено при помощи пакета «Универсальный меха низм», электрической части и системы управления – при помощи пакетов Mat Lab Simulink и FEMM. С ее помощью исследованы динамические переходные процессы, протекающие при движении подвижного состава.
2. Результаты моделирования ВИГ конструкции РГУПС подтверждаются экспериментальными данными, полученными при стендовых испытаниях, рас хождение в результатах составляет не более 5 %. Необходимо отметить, что электромагнитный момент ВИГ конфигурации 18/12 имеет значительные пуль сации, что приводит к возникновению шума и вибраций.
3. Предложен оптимальный вариант исполнения ВИМ со статором, имею щим 18 зубцов. С точки зрения удовлетворения двум противоречивым критери ям – стоимости и эксплуатационных показателей – оптимальной является шес тифазная ВИМ конфигурации 18/15, которая принята в качестве базовой. Дан ная конфигурация ВИМ защищена патентом.
4. Изучены возможные варианты схем силовых преобразователей для шестифазной ВИМ конфигурации 18/15. Принята схема Т. Миллера с нулевой средней точкой, которая использует минимальное число силовых полупровод никовых приборов (такое же, как и для коммутации трехфазного ВИМ) и тем самым не приводит к повышению стоимости системы преобразования энергии.
5. Записана система дифференциальных уравнений, позволяющая учесть особенности динамики электромагнитных процессов, происходящих в ВИМ конфигурации 18/15. Обнаружено наличие сильной взаимосвязи между фазами.
Электромагнитный момент в зависимости от токов трех фаз и положения рото ра выражен через коэнергию, для которой получено аналитическое выражение.
6. Разработана компьютерная модель ВИМ конфигурации 18/15. Расчет электромагнитных полей выполнен при помощи пакета FEMM. Получена ди намическая картина анимации магнитного поля шестифазного ВИГ конфигура ции 18/ 7. Выполнено теоретическое исследование влияния изменения числа фаз подвагонного ВИГ на его эксплуатационные, энергетические и виброакустиче ские характеристики при неизменной конфигурации статора, исключительно за счет изменения числа зубцов ротора. Изменение конфигурации с 18/12 на 18/ приводит к значительному положительному эффекту: амплитуда пульсаций момента снижается в шесть раз, частота пульсаций момента увеличивается с 573 до 2860 Гц.
8. Спектральный анализ показал, что спектральная плотность мощности электромагнитного момента основной гармоники для ВИГ 18/15 меньше в раз, а частота основной гармоники выше в 2,5 раза по сравнению с ВИГ 18/12.
9. Показано, что ВИМ конфигурации 18/15 представляет собой некласси ческую машину с сильным взаимным влиянием фаз. Энергия, вносимая в фазу через магнитное поле, составляет порядка 20 %. Удельная мощность машины увеличивается на 10 – 14 %. За один оборот ротора ВИГ конфигурации 18/ преобразует из механической в электромагнитную на 14 % энергии больше, нежели ВИГ 18/12.
10. Для подтверждения теоретических положений автором разработан и изготовлен макетный образец, что дало возможность опытного сопоставления характеристик ВИМ конфигураций 18/12 и 18/15. Получено, что характер пове дения экспериментальных осциллограмм и графиков компьютерного модели рования совпадает. Различие между опытными данными и результатами моде лирования не превышает 7 %.
11. При испытаниях макетного образца, уровень шума составил 78 дБ для конфигурации 18/12 и менее 70 дБ для конфигурации 18/15 (фоновый уровень шума составляет 50 дБ).
12. Выполнено моделирование динамики системы «пассажирский вагон модели 4440 – подвагонный ВИГ конфигурации 18/15». Получено, что размах пульсаций электромагнитного момента (по сравнению с конфигурацией 18/12) уменьшился почти в шесть раз. В результате значительно понижается уровень шума, уменьшается нагрузка на резинокордную муфту и снижается возмож ность самоотвинчивания резьбовых креплений привода, чем обеспечивается комфорт и безопасность пассажиров.
13. Показана целесообразность применения шестифазных двигателей для безредукторного привода электропоездов и локомотивов. Разработана принци пиальная схема перспективной электрической передачи мощности тепловоза с ВИМ (вентильно-индукторный тяговый генератор и вентильно-индукторные тяговые двигатели).
Список публикаций по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Гребенников, Н.В. Переходные электромеханические процессы при работе подва гонного вентильно-индукторного генератора / Н.В. Гребенников, А.А. Зарифьян // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института элек тровозостроения: науч. изд. – ОАО «Всероссийский научно-исследовательский и проектно конструкторский институт электровозостроения (ОАО “ВЭлНИИ”). – № 2 (62). – Новочер касск, 2011. – С. 93 – 103.
2. Ворон, О.А. Подвагонный вентильно-индукторный генератор / О.А. Ворон, Н.В.
Гребенников, А.А. Зарифьян, А.Д. Петрушин // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. – ОАО “ВЭлНИИ”. – № 1 (57). – Новочеркасск, 2009. – С. 132 – 143.
3. Гребенников, Н.В. Компьютерная модель экипажной части грузового тепловоза / Н.В. Гребенников, А.В. Козубенко // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС) – РГУПС. – № 4 (40). – Ростов н/Д, 2010. – С. 35 – 41.
4. Гребенников, Н.В. Выбор типа электродвигателя безредукторного исполнения для электропоезда / Н.В. Гребенников, А.Д. Петрушин, А.П. Пиотровский – Вестник РГУПС – РГУПС. – № 4 (40). – Ростов н/Д, 2010. – С. 49 – 53.
5. Гребенников, Н.В. Влияние изменения числа фаз подвагонного вентильно индукторного генератора на его эксплуатационные характеристики при неизменной конфи гурации статора // Известия высших учебных заведений. Электромеханика – ЮРГТУ (НПИ). – №2, 2011. – Новочеркасск, 2011. – С. 17 – 6. Гребенников, Н.В. Оценка влияния ширины рельсовой колеи на износ гребней ко лесных пар электровозов / Н.В. Гребенников, А.А. Зарифьян, Д.А. Лысенко // Вестник ВЭл НИИ: науч. изд. – ОАО “ВЭлНИИ”. – № 1 (55). – Новочеркасск, 2008. – С. 130 - 137.
Другие издания:
7. Grebennikov, N. Improvement of undercar switched reluctance generator characteristics by increase the phase number and change the number of rotor poles / N. Grebennikov, A. Zarifian.
// ELECTRIMACS 2011, 6-8th June 2011, Cergy-Pontoise, France 8. Реактивная коммутируемая электрическая машина с поворотной симметрией / Решение о выдаче патента на изобретение/ Н.В. Гребенников, А.Д. Петрушин // Заявка № 2011107631/ 07(010846). – 28.02. 9. Гребенников, Н.В. Компьютерная модель пассажирского вагона со специальным электрооборудованием / Н.В. Гребенников, А.А. Зарифьян // Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа (научно-технический семинар). Сборник тезисов. 9-12 февраля 2009 г. – Брянск, 2009. – С. 23.
10. Гребенников, Н.В. Динамика единиц подвижного состава, оснащенных индуктор ной установкой / Н.В. Гребенников, А.В. Зуй // Сборник тезисов докладов 68-й студенческой научно-практической конференции / РГУПС. – Ростов н/Д, 2009. – С. 222 – 223.
11. Гребенников, Н.В. Компьютерная модель силовых цепей электровоза с зонно фазным регулированием напряжения тяговых двигателей / Н.В. Гребенников, В.В. Зак, А.В.
Козубенко // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения – РГУПС.
– № 2 (9). – Ростов н/Д, 2009. – С. 19 – 23.
12. Гребенников Н.В. Влияние числа фаз вентильно-индукторного генератора на про цесс преобразования энергии // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2010» – РГУПС. – Ростов н/Д, 2010. – С. 197 – 199.
13. Гребенников Н.В., Иванов Е.А. Повышение эффективности расчета магнитных ха рактеристик электрических машин / Н.В. Гребенников, Е.А. Иванов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2010» – РГУПС. – Ростов н/Д, 2010. – С.
200 – 202.
14. Гребенников Н.В. Компьютерная модель шестифазного вентильно-индукторного генератора // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения – РГУПС. – № 3 (12). – Ростов н/Д, 2010. – С. 28 – 32.
15. Гребенников Н.В. Варианты исполнения подвагонного вентильно-индукторного генератора при неизменной конфигурации статора // Труды Всероссийской научно практической конференции «Транспорт 2011» – РГУПС. – Ростов н/Д, 2011. – С. 340 – 342.
16. Гребенников Н.В. Особенности протекания электромагнитных процессов в вен тильно-индукторном генераторе конфигурации 18/15 // Труды Всероссийской научно практической конференции «Транспорт 2011» – РГУПС. – Ростов н/Д, 2011. – С. 343 – 345.
17. Гребенников Н.В. Обзор способов управления вентильно-индукторным генерато ром // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения – РГУПС. – № (18). – Ростов н/Д, 2011. – С. 20 – 23.
Гребенников Николай Вячеславович ДИНАМИКА И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЕДИНИЦ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА, ОСНАЩАЕМЫХ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 26.04.2012. Формат 6084/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16.
Уч.- изд. л. 1,11. Тираж 100 экз. Заказ № Ростовский государственный университет путей сообщения.
Ризография ФГБОУ ВПО РГУПС.
Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.