Вентильний реактивний тяговий двигун із живленням від джерела постійного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.313.13

Вентильний реактивний тяговий двигун із живленням від джерела постійного струму

Спеціальність 05.09.01 - електричні машини і апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Демченко Геннадій Володимирович

Донецьк 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті (ДонДТУ) Міністерства освіти України, м. Донецьк.

Захист відбудеться "21" жовтня 1999 року о "1400 " годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 у Донецькому державному технічному університеті за адресою:

Україна, 340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 1, к. 201.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонДТУ за адресою: Україна, 340000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 2.

Автореферат розісланий "17 " вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.М. Ларін

АНОТАЦIЯ

Демченко Г.В. Вентильний реактивний тяговий двигун із живленням від джерела постійного струму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Донецький державний технічний університет. Донецьк, 1999.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню вентильного реактивного двигуна (ВРД) для шахтного акумуляторного електровоза. Показані шляхи визначення геометричних і електричних параметрів електромеханічного перетворювача вентильного реактивного тягового двигуна, що забезпечують отримання заданих електромеханічних характеристик у габаритах базової машини. У дисертації розроблені моделі електромагнітних досліджень ВРД. Для розрахунку магнітного поля використовується метод скінчених елементів. Результати математичного моделювання дозволили уточнити параметри ВРД і склали основу для визначення електромеханічних характеристик апробованими методами з наступною експериментальною перевіркою на повномасштабних фізичних моделях. Результати роботи можуть використовуватись при проектуванні тягового електропривода рудникового електровоза.

Ключові слова: вентильний реактивний двигун, електромеханічний перетворювач, магнітне поле, метод скінчених елементів, параметри, потокозчеплення, обертальний момент, тяговий електропривод.

АННОТАЦИЯ

Демченко Г.В. Вентильный реактивный тяговый двигатель с питанием от источника постоянного тока. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Донецкий государственный технический университет. Донецк, 1999.

Диссертация посвящена разработке и исследованию вентильного реактивного двигателя (ВРД) для шахтного аккумуляторного электровоза.

Вентильный двигатель представляет собой электромеханический преобразователь (ЭМП), снабженный электронной системой управления. Конструкция электромеханического преобразователя и схемное решение системы управления отличаются разнообразием и привязываются к конкретным условиям эксплуатации. Для привода рудничного электровоза рациональным является вариант электромеханического преобразователя реактивного типа (без обмотки на роторе). Электромеханический преобразователь вентильного реактивного двигателя с целью унификации предложено выполнить в корпусе базового взрывозащищенного коллекторного двигателя. Поэтому при разработке такого тягового двигателя важным является максимальное использование активного объема машины. Устранение коллектора позволяет увеличить длину ротора, а выбор рациональных геометрических параметров электромеханического преобразователя ВРД даст возможность получения заданных электромеханических характеристик.

Идея работы заключается в эффективном использовании заданных габаритов машины для перехода к преобразованию электромагнитной энергии на основе принципа переключения магнитного сопротивления при исключении проводниковых материалов на якоре и электромеханического выпрямителя базового двигателя.

Для качественного функционирования привода электровоза на базе ВРД проведены исследования с целью получения высоких удельных показателей в электромеханическом преобразователе энергии, позволяющие максимально использовать возможности активных материалов. Для достижения максимального значения электромагнитного момента исследуемого двигателя в заданных габаритах необходимо выбирать электромагнитные нагрузки, обеспечивающие определенное насыщение зубцовой зоны электромеханического преобразователя.

Решена одна из важнейших задач проектирования ВРД, а именно, расчет электромагнитных характеристик зубцовой зоны - магнитного потока, проходящего через эту зону, и силы взаимодействия между полюсами статора и ротора двигателя на основе расчета картины магнитного поля. В данной работе для решения этой задачи используется один из наиболее эффективных и универсальных численных методов расчета электромагнитных полей - метод конечных элементов. Разработана математическая модель для расчета магнитного поля в поперечном сечении рабочей зоны электромеханического преобразователя ВРД на ЭВМ.

На основании разработанной математической модели с использованием метода конечных элементов установлены закономерности изменения индукции магнитного поля в зазоре машины при различных взаимных положениях полюсов ротора относительно полюсов статора, что позволило уточнить геометрические размеры магнитной системы исследуемого двигателя с учетом насыщения.

В работе предложен подход к определению индуктивных сопротивлений ВРД по продольной и поперечной осям, отличающийся использованием потокосцепления статорной обмотки, определяемого путем расчета магнитного поля на ЭВМ с применением метода конечных элементов, что дало возможность повысить точность определения указанных параметров.

На основе расчетов и натурных экспериментов проведены сравнительные исследования по определению электромагнитного вращающего момента ВРД с использованием разложения в ряд Фурье и по изменению магнитной энергии. Установлено, что определение вращающего момента следует проводить по методике, в основу которой положено изменение магнитной энергии за цикл коммутации каждой фазы обмотки статора, так как этот метод не предъявляет жестких требований по точности информации о начальном угле включения.

Разработана методика расчета электромеханических характеристик ВРД, в основу которой положено определение электромагнитного момента по изменению магнитной энергии при повороте ротора с учетом установленных в процессе исследования угловых положений полюсов, обеспечивающих наиболее эффективное их магнитное взаимодействие.

Произведен сравнительный анализ результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований на полномасштабных физических моделях. При этом имеет место удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных результатов (расхождение не превышает 14%).

Выполненное сравнение стоимостных показателей предлагаемых и базовых машин показало, что затраты на приобретение комплектующих изделий шахтного аккумуляторного электровоза АМ8Д в случае привода с ВРД на 20% меньше, чем с ДРТ-13.

Ключевые слова: вентильный реактивный двигатель, электромеханический преобразователь, магнитное поле, метод конечных элементов, параметры, потокосцепление, вращающий момент, тяговый электропривод.

ANNOTATION

Demchenko G.V. The rectifier reluctance traction motor with constant-current power source. - Manuscript.

Dissertation is prepared to get a degree of candidate of technical sciences in speciality 05.09.01 - electric machines and apparatuses. - Donetsk State Technical University, Donetsk, 1999.

The dissertation is initiated to develop and investigate the rectifier reluctance motor (RRM) for a mine storage-accumulator locomotive. The work shows the ways of determining geometrical and electric parameters of electromechanical converter of the rectifier reluctance traction motor, which provide production of the specified electromechanical characteristics in overall dimensions of the base machine. The methods of electromagnetic RRM investigations were developed in the dissertation. For the computer-aided calculations of magnetic field considered magnetic circuit saturation the finite element method is used. The stimulation results made it possible to make the RRM parameters more accurate and were the basis for definition of electromechanical characteristics of the engine under investigation with the help of the tested methods with the on going experimental check made on whole-scale physical models. The results could be used in designing of traction drive of a mine electric locomotive.

Key-words: rectifier reluctance motor, electromechanical converter, magnetic field, finite element method, flux links, torque, traction drive.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В останній час електромеханіка стала розширювати свої традиційні межі за рахунок створення нових типів електромеханічних перетворювачів енергії завдяки розвитку силової електроніки. Це дозволяє впроваджувати в народне господарство новий клас електричних машин, що отримали назву вентильних, які відрізняються органічним синтезом електромеханічних перетворювачів енергії з напівпровідниковими перетворювальними приладами. В останні роки велика увага приділяється вентильним двигунам без збудження з боку ротора (вентильним реактивним двигунам).

Найбільш необхідним, через несприятливі умови експлуатації, є впровадження та заміна ними традиційних машин, зокрема, колекторних в гірничій промисловості. Очевидно, що при живленні від джерела постійного струму доцільно замість колекторного двигуна шахтного акумуляторного електровоза застосувати вентильний реактивний двигун (ВРД), створений в габаритах базової машини.

Підвищення інтересу до ВРД в останні роки викликало створення спеціальних фірм по розробці і дослідженню таких двигунів, у тому числі "SRD Ltd" в Англії, "Maccon" в Німеччині та ін. Фірма "Дрессер" (Великобританія) розробила і виготовляє ВРД для підземних робіт (потужність 35 кВт, частота обертання 1000 хв-1, напруга 1100 В, коефіцієнт корисної дії 95%). Дослідження щодо створення тягових вентильних двигунів з реактивним ротором ведуться в Челябінському державному технічному університеті, Московському енергетичному інституті, Південно-Російському державному технічному університеті (Новочеркаський політехнічний інститут).

У зазначеному зв'язку задача розробки вентильного реактивного двигуна для рудникового електровоза є актуальною.

Проведений аналіз стану питання показав, що в опублікованій технічній літературі відсутній єдиний підхід до розрахунку параметрів і характеристик вентильних двигунів запропонованої конструкції. Разом із тим, досягнення високих показників тягового привода рудникового електровоза на базі вентильних реактивних двигунів неможливе без багатопланових теоретичних і експериментальних досліджень. Вимагають розробки методики розрахунку електромеханічних характеристик та оптимізації конструктивних і схемних рішень ВРД стосовно до умов тягового привода шахтного електровоза.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота відповідає тематиці науково-дослідних робіт кафедри "Електричні машини" і є складовою науково-дослідних розробок, що виконуються кафедрами "Електричні машини" та "Гірничозаводський транспорт і логістика" ДонДТУ за завданням Мінвуглепрому (договір № В 119510000 / г.т. 92-99). Її результати використовуються при читанні лекцій і в курсовому проектуванні студентами-електромеханіками.

Мета роботи. Підвищення надійності тягового електропривода шахтного акумуляторного електровоза шляхом заміни колекторного електродвигуна вентильним реактивним електродвигуном, створеним в габаритах базової машини.

Ідея роботи полягає в ефективному використанні заданих габаритів машини для переходу до перетворення електромагнітної енергії на основі принципу переключення магнітного опору при вилученні провідникових матеріалів на якорі і електромеханічного випрямляча базового двигуна.

Задачі досліджень.

1. Обгрунтування основних елементів структури ВРД для шахтного акумуляторного електровоза.

2. Розробка цифрової математичної моделі для розрахунку магнітного поля ВРД з урахуванням двосторонньої зубчатості і зміни насичення магнітного кола.

3. Визначення раціональних геометричних параметрів електромеханічного перетворювача ВРД, що забезпечують досягнення заданих електромеханічних характеристик.

4. Встановлення закономірностей зміни індукції магнітного поля ВРД при повороті ротора.

5. Розробка методики розрахунку електромеханічних характеристик ВРД.

6. Проведення порівняльного аналізу показників ВРД і тягового колекторного двигуна.

Методи досліджень. При розробці моделей використовувалася методологія досліджень, що полягає в системному підході до вибору основних елементів структури ВРД та обліку факторів, які впливають на електромеханічні характеристики двигуна. При електромагнітних дослідженнях використовувалося математичне моделювання, результати якого стали основою для визначення характеристик вентильного реактивного електродвигуна апробованими методами за зміною магнітної енергії з наступною експериментальною перевіркою на повномасштабних фізичних моделях.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. На основі розробленої математичної моделі з використанням методу скінчених елементів встановлені закономірності зміни індукції магнітного поля в зазорі машини при різних взаємних положеннях полюсів ротора відносно полюсів статора, що дозволило уточнити геометричні розміри магнітної системи досліджуваного двигуна з урахуванням насичення.

2. Запропонований підхід до визначення індуктивних опорів з урахуванням насичення і двосторонньої зубчатості ВРД по поздовжній та поперечній осях, що відрізняється використанням потокозчеплення статорної обмотки, яке визначається шляхом розрахунку магнітного поля на ЕОМ із застосуванням методу скінчених елементів, що дало можливість підвищити точність визначення зазначених параметрів.

3. На основі розрахунків і натурних експериментів проведені порівняльні дослідження щодо визначення електромагнітного обертального момента ВРД з використанням розкладу в ряд Фур'є і за зміною магнітної енергії. Встановлено, що визначення обертального момента слід проводити за методикою, в основу якої покладена зміна магнітної енергії за цикл комутації кожної фази обмотки статора, тому що цей метод не вимагає жорстких умов щодо точності інформації про початковий кут включення.

4. Розроблена методика розрахунку електромеханічних характеристик ВРД, в основу якої покладене визначення електромагнітного момента за зміною магнітної енергії при повороті ротора з урахуванням встановлених в процесі дослідження таких положень полюсів, які забезпечують найбільш ефективну їх магнітну взаємодію.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і основних рекомендацій роботи забезпечується тим, що вхідні посилання досліджень базуються на фундаментальних положеннях електродинаміки, в ході аналізу використовується коректний математичний апарат. Отримані в роботі висновки підтверджені експериментальною перевіркою, при цьому має місце задовільний збіг розрахункових і експериментальних результатів (розбіжність не перевищує 14%).

Наукове значення роботи полягає у вирішенні науково-дослідних задач, що включають визначення закономірностей зміни індукції магнітного поля і електромагнітних параметрів ВРД та встановлення ефективного методу обчислення обертального момента, необхідних для визначення його електромеханічних характеристик, що має важливе народно-господарське значення внаслідок підвищення надійності тягового електропривода рудникового електровоза.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблена цифрова математична модель для проектування ВРД у заданих габаритах і визначення його електромеханічних характеристик.

Вперше у вітчизняній промисловій практиці отримано досвід проектування і дослідження тягового ВРД, що відрізняється підвищеною надійністю, і здатного замінити колекторний двигун шахтного акумуляторного електровоза.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Результати дисертації стали основою для створення проекту і виготовлення експериментальних взірців ВРД (виконаних у габаритах тягового колекторного двигуна типу ДРТ-13), дослідження яких проведені в лабораторії електричних машин ДонДТУ.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на регіональній науковій конференції "Творча спадщина В.І. Вернадського", секція: "Актуальні проблеми обчислювальної техніки, інформатики та енергетики" (Донецьк, 1995 р.); на технічній раді при Заст. Міністра вугільної промисловості України (Донецьк, 1996 р.); на технічній раді ВАТ "Луганський енергозавод" (Луганськ, 1996 р.); на Всеросійському електротехнічному конгресі "На рубежі віків: підсумки і перспективи", підсекція "Електротехнічні системи залізничного і промислового транспорту" (Москва, 1999 р.); на розширеному засіданні кафедри "Електричні машини" (Донецьк, 1999 р.); експериментальний взірець ВРД експонувався на виставці науково-технічних досягнень, присвяченій 75-річчю ДонДТУ (Донецьк, 1996 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 наукових робіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновку, списку використаних джерел із 70 найменувань і трьох додатків; викладена на 130 сторінках машинописного тексту, містить 48 рисунків і 24 таблиці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані її мета й основна ідея, стисло охарактеризовані наукова новизна та практичне значення результатів досліджень.

У першому розділі приведена загальна характеристика діючих тягових приводів рудникових електровозів. Відзначено, що на всіх рудникових електровозах застосовуються колекторні двигуни постійного струму послідовного збудження. За нормативами строк служби електродвигуна до капітального ремонту повинен становити п'ять, а до списання вісім років. У дійсності він значно менший. Низький строк служби електродвигуна зумовлений важкими умовами експлуатації. На частку якоря, колектора і щіточного апарата припадає 60% відмови двигунів.

Зазначено, що в умовах більшості шахт України, небезпечних по газу і пилу, перевага надається акумуляторним електровозам, а найбільш розповсюдженим є рудниковий акумуляторний магістральний електровоз АМ8Д, оснащений двома колекторними електродвигунами ДРТ-13.

Проведений аналіз основних напрямків удосконалення тягових електродвигунів показав, що в останні роки ведуться роботи по створенню приводів із безколекторними машинами й одним із варіантів для рудникового електровоза може стати привод на базі вентильних двигунів реактивного типу.

У кінці розділу на основі викладеного сформульовані основні задачі досліджень.

У другому розділі розглядаються структура та основні принципи побудови вентильного реактивного тягового двигуна із живленням від джерела постійного струму. Двигун сладається з електромеханічного перетворювача енергії (ЕМП), силового напівпровідникового перетворювача (СНП), а керування СНП здійснюється пристроєм керування (ПК) за допомогою безконтактного давача положення ротора (ДПР). У випадку застосування на шахтному акумуляторному електровозі живлення здійснюється від акумуляторної батареї (АБ) (рис.1).

Для рудникового електровоза рекомендується така конструкція ВРД: ЕМП двигуна виконується із статора з зосередженими обмотками на явно виражених полюсах і ротора без обмотки. З урахуванням раціонального співвідношення міді і сталі, а також зменшення пульсацій момента в двигуні приймається число полюсів статора NС = 8 і полюсів ротора NР = 6. Магнітопроводи статора і ротора виконуються шихтованими із електротехнічної сталі. З урахуванням спрощення виготовлення і з'єднання з редуктором для станини ВРД використовується вибухобезпечний корпус базового колекторного двигуна ДРТ-13. Котушки статорних обмоток протилежних полюсів з'єднані послідовно й утворюють чотири фази (рис.2).

Послідовна комутація фаз за допомогою електронних ключів системи керування за сигналами від давача положення ротора призводить до виникнення магнітного притягання між відповідними полюсами статора і ротора, що забезпечує створення обертального момента, а отже, і безперервне обертання вала двигуна з необхідною частотою. Проведені дослідження показали, що у тяговому ВРД найбільш сприйнятним є застосування давача положення ротора на основі магнітокерованих мікросхем із вмонтованими елементами Хола.

Для якісного функціонування привода електровоза на базі ВРД у цілому необхідне оптимальне співвідношення параметрів ЕМП з ефективною системою керування ним. Одержання високих показників ефективності перетворення енергії в двигуні також значно залежить і від конструктивного виконання ЕМП. Оптимальне проектування електромеханічної системи є багатокритеріальною задачею. Для ВРД особливе значення набувають електромагнітні розрахунки: наявність подвійної зубчатості в магнітній системі робить неприйнятним застосування традиційних методик розрахунку, а прагнення до високих питомих показників в електромеханічних перетворювачах енергії припускає максимальне використання можливостей активних матеріалів.

У третьому розділі відзначається, що одним із найбільш складних питань проектування ВРД є розрахунок магнітної системи, з яким пов'язане визначення як електромагнітного момента, так і потужності на валу машини. Показано, що для досягнення максимального значення електромагнітного момента двигуна в заданих габаритах необхідно вибирати електромагнітні навантаження, які забезпечують певне насичення зубцової зони електромеханічного перетворювача, і однією з найважливіших задач є розрахунок електромагнітних характеристик - магнітного потоку, що проходить через цю зону та сили взаємодії між полюсами статора і ротора. Найбільш точно таку задачу можна вирішити на основі розрахунку картини магнітного поля. У даній роботі використовується один із найбільш ефективних і універсальних числових методів розрахунку електромагнітних полів - метод скінчених елементів. Розроблена математична модель для розрахунку магнітного поля в поперечному перерізі робочої зони електромеханічного перетворювача ВРД на ЕОМ. Для ряду положень ротора відносно активізованих полюсів статора (рис.3) і при різних комбінаціях геометричних розмірів статора, ротора, величини повітряного зазора і параметрів обмотки двигуна визначені розподіл магнітного поля, а також величини значень індукції в зубцовій зоні ЕМП, що використовуються для уточнення електромагнітних розрахунків за відомими методиками проектування.

У результаті розрахунків установлена раціональна геометрія магнітної системи ВРД. Аналіз розподілу магнітного поля в двигуні при різних кутах повороту ротора дав можливість визначити взаємне положення полюсів ротора і полюсів статора збудженої фази, що відповідає найкращим умовам для створення початкового момента, тобто початку циклу роботи даної фази (її включення). Ці результати використовуються для подальшого розрахунку електромагнітного момента двигуна.

У четвертому розділі викладені основні положення розробленої методики розрахунку ВРД. Оскільки в опублікованих літературних джерелах, що стосуються питань ВРД, наводяться лише окремі підходи щодо визначення деяких параметрів двигунів цього типу, то задачею розділу є розробка методики розрахунку ВРД для шахтного акумуляторного електровоза, а саме: вибір і уточнення магнітних і електричних навантажень, що дозволяють визначити вихідні дані для створення системи керування; аналіз існуючих підходів до визначення електромагнітного момента й обгрунтування запропонованої методики розрахунку.

Важливим питанням у даній роботі є визначення електромагнітного момента і, як підсумок, потужності на валу двигуна, що досліджується. У ВРД зміна значення момента за кутом повороту ротора близька до синусоїдної. Тому одним із можливих підходів до визначення електромагнітного момента двигуна є використання розкладу в ряд Фур'є. При цьому визначення електромагнітного момента проводиться за основною гармонійною складовою:

, (1)

де m - число фаз обмотки статора; U - напруга живлення; 1 - кутова швидкість обертання поля статора; xd , xq - індуктивні опори по поздовжній і поперечній осях відповідно; R - активний опір обмотки статора; - кут непогодження між магнітними осями активізованих полюсів статора і найближчих полюсів ротора;

.

Без урахування активного опору обмотки статора (який у нашому випадку в порівнянні з xd, xq невеликий) рівняння визначення обертального момента приймає вигляд:

. (2)

Потужність на валу двигуна, що відповідає цьому моменту,

, (3)

де 2 - кутова швидкість обертання ротора.

Головна проблема розрахунку обертального момента з використанням розкладу в ряд Фур'є - точне визначення індуктивних опорів по поздовжній та поперечній осях xd, xq. Визначені за відомими методиками xd, xq мають приблизні значення і, відповідно, значення електромагнітного момента ВРД буде приблизним. Більш точне визначення xd, xq можливе при використанні результатів розрахунку магнітного поля, що враховує всю геометрію двигуна. Індуктивні опори у відповідних осях зв'язані з потокозчепленням обмотки статора таким чином:

, (4)

, (5)

де f - частота зміни магнітного потоку; max - максимальне значення потокозчеплення обмотки статора, що відповідає положенню "полюс статора проти полюса ротора" (узгоджене положення -УЗГ = 0); I - сила струму двигуна; min - мінімальне значення потокозчеплення обмотки статора при непогодженому положенні полюсів.

Для визначення потокозчеплення використовуються результати розрахунку магнітного поля методом кінцевих елементів, а саме: значення індукцій B в окремих елементах повітряного зазора зубцової зони електромеханічного перетворювача. Маючи вищезазначений набір значень B , визначаємо величину магнітного потоку і відповідне потокозчеплення на пару полюсів:

, (6)

, (7)

де wK - кількість витків котушки; B СР i - середнє значення індукції в повітряному зазорі при відповідному куті , віднесене до площі перетину заліза (поблизу повітряного зазора) SПС полюса статора з котушкою, з якою зчеплений магнітний потік Фi. Для ВРД також продуктивним виявляється енергетичний підхід, що враховує баланс енергії за цикл комутації робочої фази. При збудженні фази постійним струмом I електромагнітний момент двигуна M дорівнює похідній магнітної енергії W щодо кута повороту ротора :

. (8)

Оскільки безпосереднє використання виразу (8) утруднене, то одним із варіантів вирішення цього питання є підхід до визначення електромагнітного момента двигуна з використанням потокозчеплення робочої фази машини. Досягнення даної мети можливе за допомогою результатів розрахунку магнітного поля досліджуваного двигуна. Визначення електромагнітного момента через потокозчеплення робочої фази двигуна можна представити у вигляді:

, (9)

де NР - число полюсів ротора; max і min - відповідно максимальне та мінімальне потокозчеплення, що визначаються згідно з виразами (6,7).

Співвідношення між електричними та механічними кутами у двигуні, що досліджується, виражається як:

. (10)

Вираз для визначення електромагнітного момента з урахуванням послідовної роботи всіх фаз двигуна приймає вигляд:

, (11)

де z = 1, 2, 3, 4 - номер робочої фази.

Середнє значення момента двигуна, виходячи з виразу (11), можна визначити наступним чином (рис.4 і 5):

, (12)

де kM - коефіцієнт, який враховує відношення значення МСР до значення Мmax . Останнє визначається виразом:

. (13)

Потужність на валу ВРД:

чи . (14)

Аналіз та порівняння результатів розрахунків і експериментальних досліджень по визначенню електромагнітного момента ВРД (табл.1) показали, що обчислення момента слід проводити за методикою, в основу якої покладена зміна магнітної енергії за цикл комутації кожної фази обмотки статора, тому що цей метод менш чутливий до точності визначення індуктивного опору по поперечній осі xq і не вимагає надто точної інформації про початковий кут включення.

Таблиця 1 Порівняння максимальних значень електромагнітного момента, отриманих за результатами розрахунків і дослідження експериментального взірця вентильного реактивного двигуна (ВРД1)

Порівнювана величина	Позначення	Значення
Максимальне розрахункове значення електромагнітного момента двигуна з використанням розкладу в ряд Фур'є		203 Нм
Максимальне розрахункове значення електромагнітного момента двигуна за зміною магнітної енергії		180 Нм
Максимальне експериментально отримане значення статичного момента досліджуваного двигуна		172 Нм

Розрахункові швидкісні і робочі характеристики досліджуваного вентильного реактивного двигуна зображені на рис.6.

У п'ятому розділі наведено опис лабораторних стендів, викладені методика і хід проведення лабораторних випробувань, а також основні результати експериментів.

При дослідженні статичних моментів ВРД на стенді, за допомогою пружинного динамометра, визначалася залежність між моментом, прикладеним до вала, і відхиленням ротора від положення рівноваги при збудженні нормованою силою струму однієї з фаз. При цьому був використаний метод прямого вимірювання момента на валу при різних кутах непогодження магнітних осей полюсів статора і ротора. Отримані значення цих експериментів дозволили зробити побудову статичної моментної характеристики досліджуваного двигуна (рис.7), визначити значення кута повороту ротора, при якому електромагнітний момент двигуна для робочої фази має максимальну величину. Вимірювання максимальних статичних моментів при різних значеннях сили струму в робочій фазі дозволили побудувати відповідну характеристику експериментального взірця двигуна ВРД1 (рис.8). На цьому ж рисунку зображена і розрахункова моментна характеристика ВРД1. На рис.9 зображена розрахункова моментна характеристика другого конструктивного варіанта досліджуваного двигуна ВРД2. Вона дозволяє зробити порівняльний аналіз із моментною характеристикою базового колекторного двигуна постійного струму послідовного збудження ДРТ-13 і підтвердити доцільність застосування запропонованої машини як тягової для рудникового електровоза.

Вимірювання індукції в повітряному зазорі двигуна при різних кутах повороту ротора дали можливість зіставлення експериментальних значень B і аналогічних значень розрахунку магнітного поля в зубцовій зоні електромеханічного перетворювача ВРД за допомогою методу скінчених елементів. Найбільша розбіжність між розрахунковими і дослідними величинами B (при непогодженому положенні полюсів) у відповідних точках не перевищує 14%. Результати вимірів B для різної сили струму в робочій фазі при узгодженому положенні відповідних полюсів статора і ротора ( = 0) дали можливість побудувати експериментальну магнітну характеристику машини і порівняти її з розрахунковою, завдяки цьому перевірити достовірність результатів розрахунку магнітного кола досліджуваного двигуна (рис.10). Розбіжність між теоретичною й експериментальною кривими не перевищує 6%.

Стенд із навантажувальною машиною дозволяє виконати відпрацювання наступних режимів роботи ВРД: холостий хід, роботу під навантаженням, регулювання частоти обертання, гальмування та реверс.

У шостому розділі виконане техніко-економічне обгрунтування ефективності застосування ВРД як тягових двигунів для шахтних акумуляторних електровозів. Аналіз їхніх переваг у порівнянні з базовими колекторними двигунами постійного струму ДРТ-13 показав, що для ВРД властиве наступне:

1. Підвищується надійність через відсутність колектора і застосування безобмоткового ротора.

2. Менші витрати міді (до 30 %).

3. Більш висока технологічність і менша трудомісткість виготовлення за рахунок того, що магнітопроводи статора і ротора простої конфігурації, мають мале число явно виражених полюсів. Використовується лише один типорозмір котушки полюсів статора (у двигуні ДРТ три типорозміри: секція обмотки якоря, котушки головних і додаткових полюсів статора).

4. Менший повітряний зазор між полюсами статора і ротора ВРД порівняно з таким у ДРТ-13 і більша довжина полюсів, за рахунок чого досягаються більші значення електромагнітного момента, потужності і коефіцієнта корисної дії (табл.2).

Таблиця 2 Порівняння технічних показників запропонованого ВРД2 і базового колекторного двигуна ДРТ-13

Показник	ДРТ-13	ВРД2
Електромагнітний момент М, Нм	202	234
Потужність на валу Р2 , кВт	13	15
ККД	0,82	0,85
Маса двигуна mДВ , кг	380	425
Питомий показник mДВ / Р2 , кг / кВт	29,2	28,3

5. Вища безпека руху електровоза. Верхнє значення швидкості обмежується системою керування і зупинка потяга можлива на меншому шляху гальмування. У базових колекторних двигунах послідовного збудження із зменшенням опору руху (рух електровоза під ухил) частота обертання зростає і зумовлює більший шлях гальмування, а інколи і руйнування якоря.

6. Виключається забруднення внутрішньої порожнини двигуна продуктами зносу щіток та колектора, що особливо важливо для двигунів вибухобезпечного виконання без примусової вентиляції.

7. Низька собівартість машини. В табл.3 наведена вартість комплектуючих виробів двох варіантів привода електровоза АМ8Д за даними Дружковського машзаводу та Луганського енергозаводу. Ціна контролера, блоків діодів і блоків резисторів для двигунів ДРТ близька до вартості блоків системи керування ВРД, а зменшення загальної ціни електропривода електровоза з запропонованими двигунами досягається за рахунок меншої вартості електромеханічного перетворювача ВРД. Наведені в табл.3 відомості свідчать про те, що витрати на придбання комплектуючих виробів електровоза АМ8Д у випадку привода з ВРД на 20% менші, ніж із ДРТ-13.

Таблиця 3 Вартість комплектуючих виробів двох варіантів привода електровоза

№ п/п		Привод з ДРТ-13	Привод з ВРД
	Найменування виробів	кількість, шт.	ціна, грн.	сума, грн.	кількість, шт.	ціна, грн.	сума, грн.
1.	Електродвигун (електромеханічний перетворювач)	2	5100	10200	2	3000	6000
2.	Контролер КРВ-2	1	1590	1590	-	-	-
3.	Блок діодів БД-2	2	2455	4910	-	-	-
4.	Блок резисторів БРВ-1	2	358	716	-	-	-
5.	Блок СНП	-	-	-	2	3500	7000
6.	Блок ПК	-	-	-	1	400	400
Всього				17416			13400

Аналіз калькуляції собівартості, виконаної на ВАТ "Луганський енергозавод", показує, що при серійному випуску витрати на виготовлення електромеханічного перетворювача ВРД будуть менші, ніж витрати на капітальний ремонт базового електродвигуна ДРТ-13, що здійснюється на цьому ж підприємстві, на суму 1242 грн. (у цінах за станом на січень 1998 р.).

Аналіз виконаного проекту бізнес-плану "Впровадження в серійний випуск ВАТ "Луганський енергозавод" вентильних реактивних двигунів" показав, що встановлення річного випуску запропонованих двигунів у середньому до 1000 штук на рік дасть можливість оновити існуючий парк електродвигунів ДРТ-13 за 5 років. При виборі джерелом фінансування Мінвуглепрому, зацікавленого в розробці проекту по виготовленню ВРД (безпроцентна позика), після трьох років у підприємства відпаде необхідність у кредитній позиці і буде можливість продовжувати їх випуск. При подальшому випуску електромеханічних перетворювачів ВРД за кількістю 1000 штук за рік чистий прибуток підприємству складе 974 тис. грн.

У додатках представлені протокол лабораторних випробувань експериментальних взірців ВРД, результати показників точності вимірів при експериметальних дослідженнях, довідка про використання результатів дисертаційної роботи у навчальному процесі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення надійності тягового електропривода рудникового електровоза шляхом заміни колекторного електродвигуна вентильним реактивним двигуном, створеним у габаритах базової машини на основі результатів математичного і фізичного моделювання електромагнітних процесів перетворення енергії в досліджуваному електромеханічному перетворювачі. Основні наукові і практичні висновки роботи полягають у наступному:

1. Обгрунтовані основні елементи структури ВРД для привода шахтного акумуляторного електровоза, що забезпечують досягнення необхідної потужності двигуна в заданих габаритах.

2. Розроблена математична модель для розрахунку магнітного поля електромеханічного перетворювача на ЕОМ при допущенні плоскопаралельного поля, з урахуванням двосторонньої зубчатості і насичення магнітного кола.

3. На основі розробленої математичної моделі з використанням методу скінчених елементів встановлені закономірності зміни індукції магнітного поля в зазорі машини при різних взаємних положеннях полюсів ротора відносно полюсів статора, що дозволило уточнити геометричні розміри магнітної системи досліджуваного двигуна з урахуванням насичення.

4. Запропонований підхід до визначення індуктивних опорів з урахуванням насичення і двосторонньої зубчатості ВРД по поздовжній та поперечній осях, що відрізняється використанням потокозчеплення статорної обмотки, яке визначається шляхом розрахунку магнітного поля на ЕОМ із застосуванням методу скінчених елементів, що дало можливість підвищити точність визначення зазначених параметрів.

5. На основі розрахунків і натурних експериментів проведені порівняльні дослідження щодо визначення електромагнітного обертального момента ВРД із використанням розкладу в ряд Фур'є і за зміною магнітної енергії. Встановлено, що визначення обертального момента слід проводити за методикою, в основу якої покладена зміна магнітної енергії за цикл комутації кожної фази обмотки статора, тому що цей метод не вимагає жорстких умов щодо точності інформації про початковий кут включення.

6. Розроблена методика розрахунку електромеханічних характеристик ВРД, в основу якої покладене визначення електромагнітного момента за зміною магнітної енергії при повороті ротора з урахуванням встановлених у процесі дослідження таких положень полюсів, які забезпечують найбільш ефективну їх магнітну взаємодію.

7. Зроблений порівняльний аналіз результатів розрахунків із результатами експериментальних досліджень на повномасштабних фізичних моделях показав, що найбільша розбіжність між ними не перевищує 14%.

8. Виконане техніко-економічне порівняння запропонованих і базових машин показало, що затрати на придбання комплектуючих виробів шахтного акумуляторного електровоза АМ8Д у випадку привода з ВРД на 20% менші, ніж з ДРТ-13.

вентильний реактивний двигун ротор

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дудник М.З., Демченко Г.В. Определение параметров вентильного реактивного тягового двигателя // Електричний журнал. - 1999. - №1 - С. 11 -14.

2. Дудник М.З., Демченко Г.В., Шендриков В.Н. Численный метод расчета магнитного поля вентильного реактивного тягового двигателя // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика. - Выпуск 4. - Донецк: ДонГТУ. - 1999. - С. 95-99.

3. Дудник М.З., Чебаненко К.И., Васильев Л.А., Ададуров В.В., Демченко Г.В. Вентильный привод рудничного электровоза // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика. - Выпуск 2.- Донецк: ДонГТУ. - 1998. - С. 144-148.

4. Демченко Г.В. Исследования статических моментов в тяговом реактивном двигателе. // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика. - Выпуск 2. - Донецк: ДонГТУ. - 1998. - С. 88-93.

5. Демченко Г.В. Экспериментальные исследования датчиков положения ротора вентильного реактивного двигателя // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика. - Выпуск 2. - Донецк: ДонГТУ. - 1998. - С. 84-87.

6. Дудник М.З., Васильев Л.А., Демченко Г.В., Мнускин Ю.В. Цифровая система управления реактивного вентильного двигателя // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика. - Выпуск 2. - Донецк: ДонГТУ. - 1998. - С. 195-198.

7. Дудник М.З., Чебаненко К.И., Васильев Л.А., Демченко Г.В. Вентильный двигатель для рудничного электровоза // Сборник трудов горно-электромеханического факультета ДонГТУ. - Донецк: ДонГТУ. - 1996. - С. 119-122.

8. Дудник М.З., Демченко Г.В., Попов Д.А. Разработка вентильного двигателя для рудничного электровоза // Доклады региональной научной конференции. Секция: "Актуальные проблемы вычислительной техники, информатики и энергетики". - Донецк: ДонГТУ. - 1995. - С.61-62.

Размещено на Allbest.ru

...