Актуальность темы. При разработке электропривода для транспортных систем на основе линейного асинхронного двигателя (ЛАД) актуальной задачей является анализ влияния конструкционных изменений и режимов работы на тяговые усилия. Необходимость такого анализа возникает как при проектировании двигателя, так и в ходе его эксплуатации.
В частности, необходимо учесть возможное изменение параметров конструктивных элементов, таких как тип используемой обмотки, схема ее укладки в пазы, использование дополнительных обмоток в пазах, подбор параметров питания обмоток, изменение ширины вторичного элемента, толщины или свойств активного слоя, оценить влияние технологических разрывов во вторичном элементе (ВЭ) на характеристики двигателя. Необходимо учитывать перекосы двигателя относительно ВЭ, возникающие при движении, наличие нормальных усилий, нагружающих опоры путевой структуры, определить возможные способы уменьшения сил притяжения с помощью выбора режима работы или изменения конструкции еще на стадии проектирования.
Такие исследования осложняются тем, что линейные асинхронные двигатели отличаются от вращающихся электрических машин характером протекания в них электромагнитных процессов. Основные отличия заключаются в следующем: имеются краевые эффекты; индуктор и вторичный элемент ЛАД, как правило, работают в разных тепловых режимах; усилия распределяются неравномерно по длине вторичного элемента (ВЭ).
Применение известных методов расчета, используемых в приводах вращательного действия, является некорректным, т.к. они основаны на ряде допущений, которые для линейных машин не выполняются и ведут к неточным результатам.
Также следует отметить, что при выполнении полевых расчетов без значительных упрощений магнитные потоки определяются как многомерные функции, формируемые на основе полученных результатов для заданного числа положений подвижного объекта и заданного числа значений тока в каждой об-мотке. Такие расчеты требуют больших затрат времени, что на практике делает их трудновыполнимыми.
Вместе с тем, как показывает опыт, модели, построенные на базе детализированных до секции обмотки и зубцового деления электрических и магнитных схемах замещения, позволяют достаточно простыми средствами и с достаточной для практики точностью исследовать динамические режимы ЛАД в составе электромеханической системы за время, исчисляемое несколькими минутами или десятками секунд.
Таким образом, актуальной является разработка программных средств и «быстрых» математических моделей, учитывающих указанные особенности ЛАД и обеспечивающих проведение исследования его характеристик. Данная работа основывается на разработках коллектива кафедры электротехники и электротехнологических систем УрФУ в области линейных индукционных машин и развивает их.
Объектом исследования является линейный асинхронный двигатель, предмет исследования - тяговые и силовые характеристики ЛАД.
Цели работы:
1. Разработать методику и программные средства для расчета тяговых и силовых характеристик ЛАД в динамических и статических режимах на основе детализированных электрических и магнитных схем замещения;
2. Исследовать тяговые и силовые характеристики ЛАД конкретных модификаций в их рабочих режимах на основе разработанной методики.
3. Сформулировать рекомендации по формированию режимов работы и конструкции ЛАД.
Для выполнения поставленных целей решаются следующие задачи:
1. Разработка модификаций математической модели линейного асинхронного двигателя для транспортной системы на основе детализированных схем замещения. Они позволяют провести исследование двигателей с различными особенностями конструкции при помощи детализированной магнитной схемы замещения, с учетом влияния краевых зон магнитной цепи и потоков рассеяния в немагнитном зазоре, поперечного краевого эффекта и зубчатости сердечника индуктора.
2. Формирование модели и ее модификаций при изменении элементов конструкции линейного асинхронного двигателя для учета неравномерности зазора, модуляции параметров вторичного элемента по длине, особенностей моделирования двухчастотного питания обмоток индуктора.
3. Анализ влияния на тяговые и энергетические характеристики неравномерности зазора между индуктором и вторичным элементом, конструкционных изменений в обмотке, разрывов во вторичном элементе ЛАД.
Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, метод детализированных магнитных и электрических схем замещения, реализованный в математическом пакете IATHCAI).методы компьютерного моделирования с помощью пакета ЕЬСиТ.
Научная новизна заключается в разработке математической модели электромеханических процессов в ЛАД, позволяющей учесть влияние на тяговые и энергетические характеристики неравномерности зазора между индуктором и вторичным элементом, конструкционных и схемных особенностей обмотки ЛАД, наличия разрывов во вторичном элементе ЛАД, изменения параметров питания обмотки двигателя.
Практическая ценность заключается в следующих аспектах:
1. Создание программных средств для исследования процессов в линейном асинхронном двигателе.
2. Получение результатов анализа процессов в ЛАД при неравномерном зазоре, разрывах вторичного элемента, применении дополнительных обмоток индуктора, изменения элементов конструкции.
3. Создание рекомендаций по конструктивному исполнению линейного двигателя и режимам работы тягового асинхронного электропривода.
Основные аспекты, выносимые на защиту:
• математическая модель линейного асинхронного двигателя для транспортной системы на основе детализированных схем замещения и ее модификации при изменении элементов конструкции линейного асинхронного двигателя для учета неравномерности зазора, модуляции параметров вторичного элемента по длине, особенностей моделирования двухчастотного питания обмоток индуктора;
• результаты анализа влияния на тяговые и энергетические характеристики неравномерности зазора между индуктором и вторичным элементом, конструкционных изменений в обмотке, разрывов во вторичном элементе ЛАД, сравнения с данными, полученными на испытательном стенде;
• рекомендации по конструктивному исполнению и режимам работы, сформулированные в ходе исследования промышленного образца тягового ЛАД.
Внедрение. Результаты работы используются: 1. ОАО «Инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва) для решения текущих задач по эксплуатации тяговых ЛАД поезда монорельсовой дороги, а также при разработке новых конструкций тяговых двигателей; 2. На кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований.
Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:
• VI международный симпозиум ЭЛМАШ-2006. Москва, октябрь 2006 г.
• XI Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Алушта, сентябрь 2006 г.
• Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий», Екатеринбург, УГТУ-УПИ, апрель 2006 г.
• VIII региональная научно-практическая конференция с международным участием «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург, май 2005 г.
• XIII Международная научно-техническая конференция «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург, УГТУ-УПИ, март, 2005 г.
• VI International Conference «Unconventional Electromechanical and Electrical Systems». Alushta, Ukraine, September, 2004 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 2 приложений общим объемом 169 страниц. Основная часть изложена на 142 страницах машинописного текста, иллюстрирована 107 рисунками, 15 таблицами. Список использованной литературы содержит 113 наименований.
Диссертационная работа выполнена на кафедре электротехники и электротехнологических систем УрФУ и является продолжением разработок коллектива кафедры в области исследования линейных индукционных машин и создания программных средств их математического моделирования, в частности, для использования в учебном процессе и научных исследованиях кафедры.
На основе разработанной модели, реализованной в компьютерных программах в среде МАТНСАП, выполнен анализ ряда режимов тягового ЛАД, применяющегося в Монорельсовой транспортной системе (г. Москва).
Основные результаты исследований могут быть выражены в следующих выводах:
1. Разработана математическая модель индукционной машины, основанная на однослойной магнитной схеме замещения, введены основные допущения, необходимые для формирования математической модели ЛИМ в статических и динамических режимах. Создана динамическая модель линейной индукционной машины на основе двухслойной магнитной схемы замещения. Показаны формирование основных математических блоков в программной реализации с помощью пакета МаШсаб, возможности модели для расчета характеристик линейного асинхронного двигателя с различными параметрами индуктора, а также отличия динамической модели от известных статических.
• Показаны особенности формирования модели в краевых зонах магнитной цепи. Сравнение результатов расчета магнитной индукции с результатами, полученными с помощью метода конечных элементов а также с помощью физической модели, позволяет сделать вывод о корректности использования данной модели в практических целях. Предложена методика учета влияния потоков рассеяния в немагнитном зазоре на основе двухслойной МСЗ, позволяющая проводить исследование неуравновешенных нормальных усилий при разработке тягового привода с ЛАД.
• Разработаны модификации модели ЛИМ для уточненного учета поперечного краевого эффекта на основе детализированных по поперечной оси магнитных и электрических схем замещения, и для учета влияния зубчатости сердечника индукционной машины путем введения различных магнитных сопротивлений под пазом и зубцом. С их помощью проведено моделирование режимов работы линейного асинхронного двигателя для транспортной системы. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало хорошую сходимость результатов.
• Созданы унифицированные блоки математической модели, позволяющие формировать обмоточные матрицы различных обмоток тягового ЛАД.
2. Созданы модификации модели тягового ЛАД, которые позволяют учесть следующие конструктивные и эксплуатационные особенности реальной системы монорельсового транспорта:
• неравномерность зазора между индуктором и вторичным элементом по длине учитывается в базовой модели на этапе формирования матрицы магнитных сопротивлений зазора;
• модуляция параметров модели по длине ВЭ позволяет учитывать технологические разрывы вторичного элемента и изменение толщины его проводящего слоя. Модификация модели с детализацией по поперечной оси позволяет оценить влияние на характеристики двигателя смещения индуктора относительно продольной оси вторичного элемента;
• моделирование обмотки индуктора с помощью обмоточных функций позволяет рассчитать усилия тягового двигателя при питании обмотки индуктора токами двух различных частот.
3. При анализе тяговых и энергетических характеристик ТЛАД получены следующие результаты:
• Расчеты характеристик ЛАД при питании обмотки токами разной частоты позволили определить режимы, наиболее благоприятные по сочетанию тягового усилия и усилия притяжения;
• Применение двухслойной обмотки и изменение полюсного деления при сохранении габаритов двигателя показали возможность увеличения его тяговых усилий;
• Сформулированы рекомендации по возможному изменению ширины вторичного элемента на участках разгона и торможения, которые позволяют обеспечить максимум тягового усилия в этих зонах.
4. Анализ нормальных усилий тягового двигателя при возникновении неравномерности зазора между индуктором и вторичным элементом по длине позволил сделать вывод о необходимости учета неравномерного распределения усилий при проектировании опор транспортной системы и конструкционных элементов двигателя, а также контроля уменьшения тягового усилия из-за технологического перекоса. Исследование тяговых и нормальных усилий при использовании дополнительных обмоток индуктора показало малую эффективность такого способа компенсации усилия притяжения за счет усилий отталкивания, созданных этими обмотками. Модификация модели с учетом технологических разрывов по длине вторичного элемента позволила оценить их воздействие на электромагнитные процессы в ЛАД, а также на изменение тягового усилия при различных значениях ширины разрыва во вторичном элементе.
5. Сравнение характеристик тягового линейного асинхронного двигателя для монорельсовой системы, полученных с помощью математической модели и на экспериментальном стенде, показало сходимость в пределах 17%. Из этого можно сделать вывод о корректности применения модели для расчетов ТЛАД как на этапе проектирования, так и для оценки эффективности работы действующего тягового двигателя.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
