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)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Зарифьян Александр Александрович

Официальные оппоненты: Космодамианский Андрей Сергеевич,

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»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное об-

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 218.010.01 доктор технических наук, профессор В.А. Соломин

3

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

4

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

5

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 16 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.

6

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 18/15 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’Université de Cergy-Pontoise, France,

7

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-

8

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’Université 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.)

9

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-

вагонный ВИГ» Рис. 4. Компьютерная модель электрической

части ВИГ

Компьютерная модель электрической части вентильно-индукторной ма-

шины разработана в программном комплексе MATLAB/Simulink (рис. 4).

10

Уравнение, описывающее процессы в фазе ВИМ:

, edtdiLiR

ddL

dtdi

dtdiLiR

dtdiRu

(2)

где

dtdiL

dtd

dtdi

idtd .

ЭДС определяется как

ddLie

где – угловая скорость ротора:

dtd

.

Расчет электромагнитного поля опирается на уравнения Максвелла:

,,0div

,rot,rot

EJBtBEJJH

в

в

(3)

где B

и H

– магнитная индукция и напряженность магнитного поля; J

– век-тор плотности тока в обмотках статора и ротора; вJ

– вектор плотности вихре-

вых токов в стали и меди; E

– напряженность электрического поля. При помощи пакета FEMM получены зависимости потокосцепления фазы

ψ от тока i и углового положения ротора θ (рис. 5) и динамическая картина маг-нитного поля (рис. 6).

Рис. 5. Потокосцепление фазы i fψ ),( Рис. 6. Кадр анимации магнитно-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. 0/ ddL , а для фор-мирования двигательного режима они должны находиться в области увеличе-ния индуктивности фазы 0ddL / .

Направление ЭДС е определяется знаком производной ddL / . Когда 0ddL / , ЭДС имеет положительный знак и препятствует нарастанию тока,

11

направлена против приложенного напряжения и электрическая энергия преоб-разуется в механическую работу (двигательный режим). Когда 0ddL / , 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 ψph и идеализиро-ванная индуктивность L в зависимости от угла поворота ротора θ.

Интеграл токов, показанных на рис. 7, может быть определен как:

off

on

diI phin ;

ext

off

diI phout ;

inouto III , где I0 – ток генерации.

Коэффициент возбуждения ε оп-ределяется следующим образом:

ino

in

out

in

III

II

.

Рис. 7. Фазный ток, потокосцепление и идеализированная индуктивность в генера-

торном режиме: θon – угол открытия, θa – угол согласованного положения, θoff – угол закрытия, θ1d – угол окончания перекрытия полюсов, θ1u – угол начала перекрытия по-

люсов, θext – угол, при котором потокосцеп-лении достигает нуля

На рис. 8 показана схема управления ВИГ, в которой имеется обратная связь по напряжению в звене постоянного тока DCV , которое сравнивается с за-данным значением напряжения *

DCV . Система управления изменяет углы откры-тия/закрытия IGBT-транзисторов и верхний порог токового коридора HII .

В качестве входных параметров система управления использует на-пряжение в звене постоянного тока

DCV и угловую скорость вращения ро-тора ω.

Блок ВИГ (см. рис. 8) объеди-няет в себе преобразователь и ВИМ, который генерирует ток 0I .

Рис. 8. Схема системы управления ВИГ

Разность между 0I и током нагрузки LI заряжает конденсатор фильтра С, заряд которого определяет значение напряжения звена постоянного тока DCV .

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 %.

12

Рис. 9. Результат моделирования напряжения на отключенной фазе

генератора (компьютерное моделирование)

Рис. 10. Осциллограмма напряжения на отключенной фазе генератора

(стендовые испытания)

Рис. 11. Ток в фазе ВИГ (компьютерное мо-

делирование) Рис. 12. Осциллограмма тока в фазе ВИГ

(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.

-1300

-1200

-1100

-1000

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

00 5 10 15 20 25 t, с

M, Н∙м

Генератор мощностью 32 кВт 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-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.

13

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 18/15

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:

dtdu

dtdu

dtdu

dtdiRu

dtdiRu

dtdiRu

YY

YY

YY

YYY

XXX

ZZZ

33

22

11

(4)

где u – напряжение фазы; i – ток фазы;

),(

m

kkid

1 – потокосцепление фазы, (в данном

случае функция семи переменных). С учетом того, что перекрытие в работе фаз со-

ставляет 60 эл.град., а область генераторного или двигательного режима составляет 180 эл.град, то од-новременно в номинальном режиме будет работать не более трех фаз машины. Тогда можно записать систему уравнений (4), где индексы Z, X и Y соответ-ствуют сочетаниям работы фаз (F, A, B), (A, B, C), (B, C, D), (C, D, E), (D, E, F) и (E, F, A).

Выражение для коэнергии рассматриваемой машины, когда возможна од-новременная работа трех фаз, имеет вид:

XYZ i

ZYX

i

ZY

i

ZeZYXc diididdTiiiW0000

),,,(),,,0(),,0,0(),0,0,0(),,,(

XYZ i

YYXX

i

ZZYY

i

Z diMLdiMLdL000

0 )()(

YXYXZYZYZZYYXX iiMiiMiLiLiL 222

21

21

21 ,

14

где – переменная интегрирования, принимает следующие значения XYZ iii ,,, по порядку для интегралов.

Электромагнитный момент в зависимости от токов трех фаз и положения ротора, выражается через коэнергию следующим образом:

.21

21

21

),,,(

222

,,

YXYX

ZYZY

ZZ

YY

XX

iii

ZYXce

iiMiiMiLiLiL

iiiWTZYX

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

i fψ AAA ),( Рис. 16. Потокосцепление фазы A с фазой B

i fψ AAB ),(

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 2,5 раза по сравнению с ВИГ 18/12.

15

Рис. 18. Зависимости электромагнитных моментов ВИГ

(1 – момент одной фазы ВИГ 18/12; 2 – момент Рис. 17. Кадр анимации магнитного

поля ВИГ конфигурации 18/15 одной фазы ВИГ 18/15; 3 – суммарный момент ВИГ

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 ωр = 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%.

16

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 моделирование)

Рис. 23. Напряжение фазы ВИГ (экспери-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).

-900

-800-700-600

-500

-400

-300-200-100

00 5 10 15 20 25 t , c

М , Н∙м

Выполнено моделирова-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-рацией 18/12) уменьшился поч-ти в шесть раз, см. рис. 13. Рис. 24. Изменение электромагнитного момента генера-

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.

17

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-

18

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 18/15

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 18/15 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 20 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 18/15 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

19

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 – 21

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). – 28.02.2011

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. – № 4 (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 60×84/16. 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.