Помощь студентам в учебе
Исследование энергетической эффективности системы магнитного подвешивания
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ТИПОВ МАГНИТНОГО ПОДВЕСА 10
1.1 Актуальность применения магнитного подвеса на поездах 10
1.2 Конструкции магнитного подвеса 12
1.3 Реализация поездов на магнитном подвесе 20
1.4 Анализ основных проблем 25
1.5 Выводы 34
2 МЕТОДИКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАСЧЕТА
ЭЛЕКТРОМАГНИТА НА ПОЕЗДЕ 35
2.1 Расчеты электромагнита поезда маглев 37
2.2 Расчеты экспериментальной физической модели электромагнита 40
2.3 Выводы 43
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДВЕСА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК 44
3.1 Имитационная модель в MatLab Simulink 44
3.2 Физическая модель системы электромагнитного подвеса поезда 50
3.3 Выводы 61
4 ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДВЕСА ДЛЯ РЕАЛЬНОГО ПОЕЗДА 62
4.1 Угол наклона путевой структуры 63
4.2 Выводы 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 68
ПРИЛОЖЕНИЕ 73
1 АНАЛИЗ ТИПОВ МАГНИТНОГО ПОДВЕСА 10
1.1 Актуальность применения магнитного подвеса на поездах 10
1.2 Конструкции магнитного подвеса 12
1.3 Реализация поездов на магнитном подвесе 20
1.4 Анализ основных проблем 25
1.5 Выводы 34
2 МЕТОДИКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАСЧЕТА
ЭЛЕКТРОМАГНИТА НА ПОЕЗДЕ 35
2.1 Расчеты электромагнита поезда маглев 37
2.2 Расчеты экспериментальной физической модели электромагнита 40
2.3 Выводы 43
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДВЕСА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК 44
3.1 Имитационная модель в MatLab Simulink 44
3.2 Физическая модель системы электромагнитного подвеса поезда 50
3.3 Выводы 61
4 ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДВЕСА ДЛЯ РЕАЛЬНОГО ПОЕЗДА 62
4.1 Угол наклона путевой структуры 63
4.2 Выводы 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 68
ПРИЛОЖЕНИЕ 73
Маглев (означает магнитный + левитация) - это метод движения, который использует для компенсации вертикальных сил нагрузки транспортных средств магнитную левитацию и для движения использует линейный двигатель, а не колеса, оси вращения и подшипники. Транспорт на магнитном под¬весе имеет преимущества безопасности, комфорта, низкого уровня шума, малого радиуса поворота и способности преодолевать большой уклон профиля пути. В целом поезда на магнитной подвеске движутся плавно и тихо, чем колесные транспортные поезда. При очень высоких скоростях обычных ко¬лесных поездов износ от трения наряду с ударным эффектом колес на рельсах ускорит износ оборудования. Линия транспорта поездов магнитного под¬веса же гораздо дороже в строительстве, но требуют меньшего технического обслуживания и имеют более низкие текущие затраты. Это перспективный способ передвижения людей на железнодорожном транспорте, которому в последние годы уделяется большое внимание. Такие страны, как Германия, Япония, Китай, Южная Корея и Америка, провели исследования в области технологии магнитного поля, и все они добились большого прогресса.
Успешное создание поездов на электромагнитном подвесе стало возможным благодаря прогрессу в области силовой и управляющей электроники, достигнутому в последние десятилетия. Реализация эффективных систем управления подвесными электромагнитными и линейными тяговыми двигателями требует применения быстродействующих силовых полупроводниковых ключей, а также высокопроизводительных вычислительных систем на основе микроконтроллеров.
Проектирование систем электромагнитного подвешивания является одной из основных проблем при создании новых моделей транспорта. Оно требует решения, как стандартных задач расчета электромагнитов, так и за¬дачи разработки системы управления. К системе электромагнитного подвешивания предъявляется ряд противоречивых требований. Электромагнит должен обладать по возможности малым весом, что требует уменьшения сечения магнитопровода, и в то же время малым энергопотреблением, что требует снижения удельной магнитной индукции. Рабочий воздушный зазор должен быть достаточно большим, чтобы гарантировать безопасность движения и обеспечивать достаточно большое время реакции системы управления, но как можно меньшим, чтобы сократить потребление энергии. Подвес¬ной электромагнит должен создавать постоянную силу тяги в широком диапазоне зазоров. Для упрощения регулирования необходимо, чтобы электро¬магнит обладал достаточно малой индуктивностью. В то же время, для сокращения энергопотребления подвесного магнита желательно увеличить число его витков.
Для решения задачи определения наиболее эффективных геометрических и электромагнитных характеристик системы подвеса, а также для разработки алгоритма управления ей необходимо применение математического моделирования подобных систем.
Цель работы заключается в уменьшении энергозатрат путем получения новых знаний о процессе энергопотребления и его оптимизации параметров в системе электромагнитного подвешивания.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить существующие виды систем магнитного подвеса и вы-брать оптимальную конструкцию для городского транспорта;
2. Разработать методику предварительный расчет для системы электромагнитного подвеса реального подвижного состава и физической его мо¬дели;
3. С помощью модели в программе MatLab Simulink определить наилучшие параметры электромагнита и алгоритма управления на основе математической модели системы при изменении размеров магнитопровода и потребляемой энергии;
4. На экспериментальной физической модели проверить методику предварительного расчета потребляемого электромагнитом тока и его удельной мощности в различных условиях. Проверить систему управления воз¬душным зазором между направляющим рельсом и электромагнитом, состав¬ленную в программе MathLAB Simulink. Проверить в программе Femm данные, полученные с физической модели системы электромагнитного подвеса
5. Определить наибольшую подъемную силу электромагнита при сравнении его различных геометрических размеров; рассчитать скорость прохождения поворотов транспорта на электромагнитном подвесе при раз-личных радиусах поворота.
Объектом исследования магистерской диссертации является система электромагнитного подвеса на подвижном составе, предметом - оптимизация энергопотребления магнитного подвеса.
Успешное создание поездов на электромагнитном подвесе стало возможным благодаря прогрессу в области силовой и управляющей электроники, достигнутому в последние десятилетия. Реализация эффективных систем управления подвесными электромагнитными и линейными тяговыми двигателями требует применения быстродействующих силовых полупроводниковых ключей, а также высокопроизводительных вычислительных систем на основе микроконтроллеров.
Проектирование систем электромагнитного подвешивания является одной из основных проблем при создании новых моделей транспорта. Оно требует решения, как стандартных задач расчета электромагнитов, так и за¬дачи разработки системы управления. К системе электромагнитного подвешивания предъявляется ряд противоречивых требований. Электромагнит должен обладать по возможности малым весом, что требует уменьшения сечения магнитопровода, и в то же время малым энергопотреблением, что требует снижения удельной магнитной индукции. Рабочий воздушный зазор должен быть достаточно большим, чтобы гарантировать безопасность движения и обеспечивать достаточно большое время реакции системы управления, но как можно меньшим, чтобы сократить потребление энергии. Подвес¬ной электромагнит должен создавать постоянную силу тяги в широком диапазоне зазоров. Для упрощения регулирования необходимо, чтобы электро¬магнит обладал достаточно малой индуктивностью. В то же время, для сокращения энергопотребления подвесного магнита желательно увеличить число его витков.
Для решения задачи определения наиболее эффективных геометрических и электромагнитных характеристик системы подвеса, а также для разработки алгоритма управления ей необходимо применение математического моделирования подобных систем.
Цель работы заключается в уменьшении энергозатрат путем получения новых знаний о процессе энергопотребления и его оптимизации параметров в системе электромагнитного подвешивания.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить существующие виды систем магнитного подвеса и вы-брать оптимальную конструкцию для городского транспорта;
2. Разработать методику предварительный расчет для системы электромагнитного подвеса реального подвижного состава и физической его мо¬дели;
3. С помощью модели в программе MatLab Simulink определить наилучшие параметры электромагнита и алгоритма управления на основе математической модели системы при изменении размеров магнитопровода и потребляемой энергии;
4. На экспериментальной физической модели проверить методику предварительного расчета потребляемого электромагнитом тока и его удельной мощности в различных условиях. Проверить систему управления воз¬душным зазором между направляющим рельсом и электромагнитом, состав¬ленную в программе MathLAB Simulink. Проверить в программе Femm данные, полученные с физической модели системы электромагнитного подвеса
5. Определить наибольшую подъемную силу электромагнита при сравнении его различных геометрических размеров; рассчитать скорость прохождения поворотов транспорта на электромагнитном подвесе при раз-личных радиусах поворота.
Объектом исследования магистерской диссертации является система электромагнитного подвеса на подвижном составе, предметом - оптимизация энергопотребления магнитного подвеса.
В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:
1. Проведен анализ актуальности применения магнитного подвеса, рассмотрены различные схемы его конструкции, а также установлены основные научные проблемы, связанные с созданием магнитного подвеса.
2. Проведен предварительный расчет для системы электромагнитного подвеса, установленной на реальном вагоне поезда. На основании формул этого расчета, были получены параметры для создания физической модели электромагнита. А также этот расчет был повторен для проверки результатов эксперимента на физической модели.
3. Для исследования процессов энергопотребления и стабилизации воздушного зазора было произведено имитационное моделирование в прикладной программе MATLAB Simulink. Особенностью реализованной моде¬ли является использование обратной связи для определения величины магнитного потока. На созданной модели определены параметры регулятора то¬ка, обеспечивающего постоянный воздушный зазор.
Собрана экспериментальная модель электромагнитного подвешивания. Исследовано изменения коэффициента заполнения ШИМ от времени при различных коэффициентах ПИД-регулятора. Получена зависимость отклонения действительного воздушного зазора от его желаемого значения. Исследовано энергопотребление системы, которое составляет 80-100 Вт/кг, в зависимости от прилагаемой на систему нагрузки. Проведена проверка экспери¬ментальной модели в программе Femm.
4. Исследована зависимость изменения геометрических размеров электромагнита на энергопотребление системы электромагнитного подвеса. Осуществлен подбор оптимальных геометрических параметров для электро¬магнита, установленного на реальном вагоне поезда, в программе Femm. Произведен расчет оптимального угла наклона путевой структуры по отношению к горизонтальной плоскости, который равен 3.5°, при котором поезд способен развивать максимальную скорость при различных радиусах поворота, не снижая подъемную силу ниже допустимой.
1. Проведен анализ актуальности применения магнитного подвеса, рассмотрены различные схемы его конструкции, а также установлены основные научные проблемы, связанные с созданием магнитного подвеса.
2. Проведен предварительный расчет для системы электромагнитного подвеса, установленной на реальном вагоне поезда. На основании формул этого расчета, были получены параметры для создания физической модели электромагнита. А также этот расчет был повторен для проверки результатов эксперимента на физической модели.
3. Для исследования процессов энергопотребления и стабилизации воздушного зазора было произведено имитационное моделирование в прикладной программе MATLAB Simulink. Особенностью реализованной моде¬ли является использование обратной связи для определения величины магнитного потока. На созданной модели определены параметры регулятора то¬ка, обеспечивающего постоянный воздушный зазор.
Собрана экспериментальная модель электромагнитного подвешивания. Исследовано изменения коэффициента заполнения ШИМ от времени при различных коэффициентах ПИД-регулятора. Получена зависимость отклонения действительного воздушного зазора от его желаемого значения. Исследовано энергопотребление системы, которое составляет 80-100 Вт/кг, в зависимости от прилагаемой на систему нагрузки. Проведена проверка экспери¬ментальной модели в программе Femm.
4. Исследована зависимость изменения геометрических размеров электромагнита на энергопотребление системы электромагнитного подвеса. Осуществлен подбор оптимальных геометрических параметров для электро¬магнита, установленного на реальном вагоне поезда, в программе Femm. Произведен расчет оптимального угла наклона путевой структуры по отношению к горизонтальной плоскости, который равен 3.5°, при котором поезд способен развивать максимальную скорость при различных радиусах поворота, не снижая подъемную силу ниже допустимой.