Разработка методики поверочного расчета вентильного индукторного двигателя с последовательной обмоткой возбуждения

Одной из тенденций развития современного электропривода является постоянное расширение сферы применения регулируемого электропривода [27, 53]. Электрическая машина для современного привода должна обладать хорошими регулировочными и динамическими характеристиками, иметь технологичную и надежную конструкцию, высокий КПД, способность длительно работать в широком диапазоне скоростей вращения, обеспечивать заданные характеристики при питании от полупроводниковых преобразователей с современными алгоритмами управления.

В ряде областей требуется работа в пределах механической характеристики гиперболического вида (тяговой характеристики) при хороших динамических качествах привода и широком диапазоне регулирования вращающего момента. Это относится к электроприводам большегрузных автомобилей, тепловозов и других транспортных средств, электроприводам грузоподъемного оборудования, приводам электроинструмента различного назначения и мощности и т. д.

Особенностью условий функционирования перечисленных выше двигателей является широкий диапазон изменения нагрузок и частоты вращения вала, что приводит к существенным перераспределениям потерь в меди и стали магнитопровода в зависимости от режима работы.

В настоящее время в этих областях в составе регулируемого привода широко применяются электродвигатели постоянного тока с последовательной обмоткой возбуждения.

Основным недостатком двигателей постоянного тока (ДПТ) является наличие в них щеточно-коллекторного узла. При этом все возрастающие технические требования к электроприводу и к электрическим машинам в частности побуждают к разработке новых электродвигателей нетрадиционных конструкций.

Альтернативой приводам с двигателями постоянного тока являются приводы с вентильными двигателями (ВД) [5].

В составе ВД могут использоваться электрические машины различного типа.

В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока широкое применение получили вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов [11, 38]. Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим.

Для общепромышленного применения перспективными являются индукторные двигатели с самовозбуждением (в зарубежной литературе имеют название Switched Reluctance Motors). Такие двигатели хорошо изучены: разным аспектам их разработки и исследования посвящены многие статьи и доклады как в нашей стране [12, 13, 35, 52], так и за рубежом [65−68].

Реализация тяговых характеристик, наиболее просто осуществляемая при использовании электродвигателей с последовательной обмоткой возбуждения, может быть обеспечена в ВД на базе одноименнополюсных индукторных машин. В дальнейшем такие двигатели будем называть вентильными индукторными двигателями (ДВИ).

Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны, надежны, имеют малые потери в роторе, обладают хорошими регулировочными свойствами, способны работать в сложных условиях окружающей среды.

Несмотря на то, что машины подобного класса известны уже достаточно давно, выход на большие мощности двигателей стал возможным исключительно благодаря успехам современной электроники.

Для создания конкурентоспособных ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения требуются методики их поверочного расчета, включающие электромагнитные и тепловые расчеты, которые позволили бы производить расчеты интегральных значений и временных зависимостей параметров и характеристик двигателя, а также уточнить с учетом заданного критерия геометрические и обмоточные данные электродвигателя, провести расчет на требуемые показатели и выбрать алгоритм управления.

В публикациях, касающихся вентильных двигателей с электромагнитным возбуждением, в основном рассматриваются двигатели независимого возбуждения [3CM-32, 41, 43]. В то же время в этих публикациях недостаточно внимания уделено методам расчета электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в машинах такого типа, а особенности, касающиеся машин последовательного возбуждения, практически не рассмотрены.

Актуальность задачи. С учетом сказанного можно сделать вывод, что разработка и исследование вентильных индукторных электродвигателей с последовательной обмоткой возбуждения представляет весьма актуальную задачу. А создание методик поверочного расчета является необходимой базой для анализа и синтеза электромеханических систем такого класса в целом.

Цель диссертационной работы заключается в разработке математических моделей электромагнитных и тепловых процессов в вентильном индукторном двигателе с последовательной обмоткой возбуждения и в исследовании его характеристик посредством этих моделей.

Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:

1) Провести анализ и систематизацию сведений по различным вопросам теории и практики разработки и применения ДВИ.

2) Разработать математическую модель электромагнитных процессов в ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения.

3) Разработать математическую модель тепловых процессов в ДВИ с электромагнитным возбуждением, определить основные особенности систем охлаждения.

4) С целью подтверждения адекватности разработанных математических моделей провести экспериментальные исследования и сравнение результатов натурного и математического моделирования.

Методы исследования.

Комплексное исследование ДВИ последовательного возбуждения включает в себя анализ электромагнитных процессов с помощью аналитических методов исследования, базирующихся на методе мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Исследование тепловых процессов в ДВИ проводилось посредством математической модели, основанной на методе эквивалентных схем замещения, и с применением пакета конечно-элементного анализа ELCUT.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе обосновывается хорошим совпадением результатов теоретического исследования и экспериментальных данных, полученных на макетном образце для различных режимов работы исследуемого двигателя.

Новые научные результаты и практическая ценность.

1. Систематизированы сведения по вопросам современного состояния теории и практики разработки ДВИ. Определены и обоснованы перспективные области применения ДВИ с последовательной ОВ.

2. Разработана и обоснована математическая модель электромагнитных процессов в ДВИ с последовательной ОВ, позволяющая адекватно с приемлемыми допущениями исследовать процессы, протекающие в машине. Дана оценка точности показателей этой модели.

3. Разработана математическая модель тепловых процессов в ДВИ с электромагнитным возбуждением, позволяющая оценить динамику процесса нагрева и охлаждения элементов конструкции электродвигателя, а также определить рациональное значение требуемой производительности системы охлаждения в соответствии с заданными режимами работы объекта исследования.

4. С учетом особенностей работы тяговых электродвигателей сформулированы рекомендации для выбора систем охлаждения ДВИ этого назначения.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные математические модели реализованы в виде программ для персонального компьютера. Использование программ позволяет принимать обоснованные технические решения по выбору рациональных параметров и режимов работы ДВИ.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и проектировании ДВИ для приводов электротележки, троллейбуса и сетевого насоса РТС «Коломенская» г. Москвы. Подтверждением реализации результатов работы является наличие актов о внедрении.

Разработанные в рамках данной работы программные средства реализованы в учебном процессе на кафедре ЭКАО МЭИ (ПСУН «Программа моделирования тепловых процессов в вентильных индукторных двигателях» и «Программа моделирования электромагнитных процессов в вентильных индукторных машинах»), а также используются при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в данной области.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель электромагнитных процессов в ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения.

2. Математическая модель тепловых процессов в ДВИ, позволяющая исследовать тепловое состояние электродвигателя в различных режимах его работы.

3. Результаты расчета и анализа электромагнитных и тепловых процессов в ДВИ с последовательной ОВ различного назначения и мощности.

4. Результаты экспериментальных исследований макетного образца ДВИ с последовательной ОВ, подтверждающие адекватность результатов, полученных с использованием разработанных математических моделей.

Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института (технического университета), а так же на следующих конференциях:

1. Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1−2- марта, 2005.

2. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2−3 марта, 2006.

3. Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 1−2 марта, 2007.

Для решения поставленных задач в первой главе проведен аналитический обзор по вопросам современного состояния теории и практики применения индукторных машин. Рассмотрены электромеханические преобразователи энергии в составе вентильного двигателя, выделены их достоинства и недостатки. Представлена классификация, устройство и принцип действия индукторных машин, а также сравнительный анализ возможных способов включения последовательной обмотки возбуждения. Выбраны методы исследования, отвечающие выдвинутым требованиям и поставленным задачам.

Во второй главе рассмотрены общие проблемы, связанные с выбором и обоснованием метода электромагнитного расчета ИМ. С учетом принятых допущений разработана математическая модель электромагнитных процессов в вентильном индукторном двигателе с последовательной обмоткой возбуждения. Представлены схемы замещения магнитной цепи, определены основные электромагнитные параметры.

В третьей главе рассмотрены особенности тепловых процессов в ДВИ с электромагнитным возбуждением. Проведен сопоставительный анализ существующих методов расчета. Представлены тепловые схемы замещения, алгоритм и особенности тепловых расчетов электродвигателей применительно к тяговому приводу.

Четвертая глава посвящена расчету электромагнитных и тепловых процессов в тяговых вентильных индукторных электродвигателях различного назначения и мощности. Проведен анализ влияния отдельных параметров и режимов работы на выходные характеристики ДВИ.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых процессов макетного образца ДВИ последовательного возбуждения. Представлены результаты сопоставления экспериментальных и расчетных исследований, которые позволили судить об адекватности математических моделей.

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Русаков А. М., Шатова И. В. Моделирование тепловых процессов в вентильном индукторном двигателе с электромагнитным возбуждением // «Электричество». — 2007. — № 4. — С. 42−49.

2. Русаков A.M., Окунеева Н. А., Соломин А. Н., Шатова И. В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях // Вестник МЭИ. — 2007. — №.3 — С. 33−39.

3. Шатова И. В. (Капкова И.В.) Результаты моделирования электромагнитных процессов в индукторном вентильном двигателе с последовательным возбуждением // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Одиннадцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. — М.: МЭИ, 2005. Т. 2. — С. 84−85.

4. Шатова И. В. Результаты исследования вентильных индукторных электродвигателей с последовательной обмоткой возбуждения // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Двенадцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. — М.: МЭИ, 2006. Т. 2. — С. 90−91.

5. Шатова И. В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных индукторных двигателях с последовательным возбуждением // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Тринадцатая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. — М.: МЭИ, 2007. Т. 2. — С. 89−90.

По теме диссертационной работы опубликовано пять печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 71 наименования. Ее содержание изложено на 193 страницах машинописного текста, включая 78 рисунков, 16 таблиц и 2 приложения.

5.5. Выводы.

Экспериментальные исследования макетного образца ДВИ последовательного возбуждения позволили получить следующие результаты.

1. Подтверждена достоверность разработанных математических моделей и правомочность принятых допущений для адекватного отражения протекающих в двигателе электромагнитных и тепловых процессов.

2. Сопоставление результатов электромагнитного расчета и данных экспериментальных исследований показало, что количественные расхождения между ними не превышают 10−12%, что позволяет считать предлагаемые методики и разработанные расчетные программы приемлемыми для практического использования.

3. Проверена адекватность результатов расчетов по предложенной математической модели тепловых процессов в ДВИ с экспериментальными данными, что подтвердило возможность ее практической применимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с содержанием поставленных задач в данной работе:

1. Проведен анализ и систематизация сведений по различным вопросам теории и практики разработки и применения ДВИ, показавшие, что ДВИ с последовательной ОВ перспективен для использования в тяговом электроприводе как альтернатива электродвигателю постоянного тока.

2. Показано, что метод математического моделирования на базе эквивалентных схем замещения в анализе электромагнитных процессов в ДВИ не уступает по точности результатов полевым методам и более экономичен в использовании машинного времени.

3. Разработана математическая модель электромагнитных процессов в ДВИ с последовательной обмоткой возбуждения, позволяющая адекватно исследовать процессы, протекающие в машине. Полученная точность в оценке магнитных систем ДВИ различного назначения и мощности не превышала 10−12%.

4. С использованием цепных схем замещения и сосредоточенных источников тепла разработана математическая модель тепловых процессов в ДВИ с электромагнитным возбуждением. Модель позволяет оценить динамику процесса нагрева и охлаждения элементов конструкции электродвигателя, а также определить рациональное значение требуемой производительности системы охлаждения в соответствии с заданными режимами работы.

5. Разработанные математические модели реализованы в виде программ для персонального компьютера на языке программирования FORTRAN. При приемлемых затратах машинного времени и объема памяти машины модели позволяют исследовать протекающие в ДВИ процессы и рассчитывать его характеристики.

6. Произведен расчет вентильных индукторных электродвигателей, предназначенных для работы в составе привода электротележки, троллейбуса и привода сетевого насоса, отличающихся величиной и соотношением потерь, а также имеющих различные системы охлаждения. Для перечисленных электродвигателей на основе вычислительного эксперимента выявлен характер влияния различных параметров на выходные показатели ДВИ и показана принципиальная возможность выбора с помощью разработанных математических моделей рациональных законов регулирования ДВИ и оптимальной структуры системы охлаждения.