Развитие теории и разработка электромеханических и электромагнитных вентильных преобразователей для автономных энергоустановок

Автором показано, что в таких системах роторный диодный выпрямитель может работать в режиме широтно-импульсной модуляции тока ротора с несущей частотой, определяемой переключениями вентилей в цепи статора, и частотой модуляции, равной частоте скольжения. Это связано с тем, что ЭДС фаз ротора существенно отличаются от синусоидальных. Этот вид модуляции назван автором «естественной ШИМ».

Исследования формы ЭДС ротора, проведенные во второй главе, позволяют перейти к изучению такой «естественной ШИМ» тока ротора.

Фазные токи ротора без учета коммутационных процессов в роторном выпрямителе описаны следующими выражениями:

i^R_a = i^R_g /2 [Sign e^R_ab - Sign e^R_ca];

i^R_b = i^R_g /2 [Sign e^R_bc - Sign e^R _ab];(14)

i^R_c = i^R_g /2 [Sign e^R_ca - Sign e^R _bc],

где: i^R_g - мгновенное значение тока на выходе выпрямителя;

1, при x > 0;

Sign (x) = -1, при x < 0;

0, при x = 0.

- функции сигнатуры.

Следовательно, форма тока ротора зависит от положения фаз обмотки ротора ^R₀.

На рис. 3 приведены формы токов, коммутационных функций и ЭДС, соответствующие выражениям (13,14).

Такая модель дает совпадение теоретической формы фазных токов ротора с экспериментальной по числу импульсов и характеру модуляции их ширины. Отличие реальных форм токов и напряжений ротора объясняется в основном пренебрежением при теоретических исследованиях временем протекания коммутационных процессов.

Особенно существенно отличаются фронты импульсов тока ротора внутри интервалов дискретности. От их вида зависит фазовый сдвиг первых гармоник ЭДС и токов ротора, который во многом определяет энергетические и эксплуатационные показатели АВСГ. Поэтому в работе учтено влияние коммутационных процессов в цепи ротора на процессы преобразования энергии при различных режимах работы АВСГ.

Математическое описание коммутационных процессов в цепи ротора АВСГ при «естественной ШИМ» тока ротора встречает значительные трудности. Они связаны с тем, что коммутационная ЭДС внутри интервалов дискретности, как следует из выражения (13), представляет собой алгебраическую сумму синусоидальной ЭДС вращения, изменяющейся с частотой скольжения, и трансформаторной ЭДС, изменяющейся на интервалах дискретности с частотой, пропорциональной скорости вращения ротора. Кроме того, коммутационные процессы на границах интервалов дискретности происходят при скачкообразных изменениях ЭДС ротора, а внутри интервалов дискретности - при плавном переходе ЭДС ротора через ноль.

Порядок переключения фаз соответствует прямому чередованию фаз только на границах интервалов дискретности, причем здесь может происходить смена знака фазного тока и ток могут проводить 4 вентиля. Переключения токов фаз внутри интервалов дискретности соответствуют обратному чередованию фаз.

Как показали исследования, при рассмотрении коммутационных процессов в цепи ротора АВСГ удобно рассматривать импульсы тока ротора на периоде частоты скольжения, выделив интервалы уменьшения и увеличения ширины импульсов. На интервалах увеличения ширины импульсов тока ротора коммутации, определяющие передний фронт импульсов, происходят на границах интервалов дискретности, их длительность значительно меньше длительности коммутаций, определяющих задний фронт импульса. Это связано с тем, что процессы коммутации, определяющие передний фронт, происходят при скачкообразном изменении коммутационных ЭДС, а процессы коммутации, определяющие задний фронт, - внутри интервалов дискретности при плавном изменении линейных ЭДС ротора.

На интервалах уменьшения ширины импульсов тока ротора зависимость обратная: передний фронт импульсов более пологий, а задний - более крутой. Угол коммутации внутри интервалов дискретности значительно превышает угол на границах этих интервалов. Это приводит к увеличению площади импульсов при нарастании фазного тока ротора и уменьшению площади этих импульсов при его снижении.

Результаты гармонического анализа экспериментальных и расчетных кривых фазного тока ротора показали, что изменение формы импульсов тока ротора под влиянием коммутационных процессов приводит к сдвигу первой гармонической фазного тока ротора в сторону опережения относительно первой гармонической ЭДС той же фазы.

Расчеты показали, что этот угол увеличивается при увеличении выпрямленного тока ротора и снижении скольжения. Реактивная составляющая тока ротора компенсирует индуктивную составляющую тока намагничивания АМ, что приводит к снижению тока статора, увеличивает габаритную мощность АД и уменьшает установленную мощность ВП.

Коммутационные процессы в выпрямителе, включенном в цепь ротора учтены также введением усредненного коммутационного сопротивления, учитывающего трех (к₁) и четырех (к₂) вентильную коммутацию:

R_К.СР. = (к₁ + 2к₂) X_К / 2р . (15)

В отличие от преобразователей с синусоидальным напряжением на статоре АМ это коммутационное сопротивление увеличивается с уменьшением модуля скольжения. Показано, что среднее значение выпрямленной ЭДС ротора является нелинейной функцией скольжения.

Таким образом, теория позволила выявить эффект «естественной ШИМ» тока ротора и эффект возникновения опережающих токов ротора в автономных ЭМХ преобразователях на базе АМ с диодными роторными выпрямителями, положительно влияющие на энергетические и эксплуатационные показатели преобразователей.

Алгоритм расчета электромагнитных процессов АВСГ предусматривает определение нелинейных зависимостей и эквивалентных параметров роторной цепи с учетом описанных выше факторов.

Глава четвертая посвящена анализу электромагнитных процессов автономных многообмоточных ЭМХ преобразователей, а также ЭМГ преобразователей на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Если одноименные фазы трехфазных обмоток многообмоточных преобразователей имеют сдвиг в пространстве, соответствующий временному сдвигу ступенчатых фазных напряжений, уменьшаются пульсации электромагнитного момента в двигательном режиме, а с помощью дополнительной трехфазной обмотки, расположенной со сдвигом относительно упомянутых обмоток, можно получить напряжение в генераторном режиме со значительным числом ступеней, близкое к синусоидальному.

Показано, что основной особенностью работы таких многообмоточных преобразователей является возникновение уравнительных токов в фазах первичных обмоток. Доказано, что это связано с существенным различием мгновенных значений ЭДС фаз и ступенчатых фазных напряжений, формируемых вентильными ИРМ. Уравнительные токи загружают фазы обмотки статора и полупроводниковые ключи вентильных преобразователей, создают дополнительные потери в стали.

Дискретный характер фазных напряжений учтен с помощью коммутационных функций, соответствующих заданному алгоритму переключения вентилей. Коммутационные функции фазных напряжений асинхронной машины в фазных осях координат для преобразователя, показанного на рис. 2, с управлением транзисторами ИРМ по базовому алгоритму, имеют вид:

для первой трехфазной обмотки:

uA1		FA1		cos n1 (р /3)
uB1	= ud	FB1	= ud 2/3	cos n1 (р /3) - 2р /3)	, (16)
uC1		FC1		cos n1 (р /3) + 2р /3)

для второй трехфазной обмотки:

uA2		FA2		cos n2 (р /3)
uB2	= ud	FB2	= ud 2/3	cos n2 (р /3) - 2р /3)	, (17)
uC2		FC2		cos n2 (р /3) + 2р /3)

где ; .

Моделирование в неподвижных осях координат показало, что первые гармонические составляющие напряжений двух трехфазных обмоток, пространственный сдвиг которых соответствует временному сдвигу фазных напряжений, создают в магнитопроводе круговое вращающееся магнитное поле. Моделирование в синхронно вращающихся осях координат показало, что при магнитной симметрии преобразователя энергии, ему свойственна электрическая несимметрия вследствие отличия мгновенных значений напряжений и ЭДС одноименных фаз.

Это отличие приводит к возникновению уравнительных токов в фазах первичной обмотки. Выражения для уравнительного тока фазы статора с m обмотками получено в виде, включающем кусочно-экспоненциальные функции:

;

_Д = щ₁[t - T_Д (n₁ + n₂ + …+ n_m)] . (18)

Здесь: _Д - дискретный аргумент, преобразующий экспоненциальную функцию в кусочно-экспоненциальную; n₁, n₂, … n_m - целочисленные функции, используемые для описания ступенчатых напряжений вентильных преобразователей; К - номер интервала дискретности; N - число интервалов дискретности за период фазного напряжения вентильного преобразователя; L - текущий интервал дискретности; T_Д - длительность интервала дискретности преобразователя; Дu - разность одноименных фазных напряжений обмотки статора в единой системе координат; R^S - активное сопротивление фазы обмотки статора машины; ф - постоянная времени цепи статора.

В частности, для электрической машины переменного тока с двумя трехфазными обмотками, сдвинутыми на 30 электрических градусов, и двумя мостовыми ВП Дu принимает следующий вид:

Дu = U_d /3 [ cos рn₁ /3 - cos (рn₁ /3 - р /6)], (19)

где: U_d - напряжение постоянного тока вентильных преобразователей.



Расчетная временная диаграмма уравнительных токов для этого случая представлена на рис. 4. Максимальные значения токов, как следует из (20), определяются соотношением активного и индуктивного сопротивлений фаз статора машины, а также максимальными значениями разности одноименных фазных напряжений ДU.

Анализ условий возникновения уравнительных токов позволил предложить новый способ управления преобразователем с двумя трехфазными обмотками, сдвинутыми на 30 электрических градусов. Он предполагает дополнительные выключения управляемых вентилей преобразователя, аналогичен 150 градусному закону управления и существенно уменьшает максимальные и действующие значения уравнительных токов.

Для построения математической модели многообмоточных ЭМХ преобразователей, а также ЭМГ преобразователей на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем, двенадцатиступенчатой формой напряжений фаз первичных обмоток и двумя трехфазными системами обмоток, сдвинутыми между собой на 15 электрических градусов, записаны коммутационные функции фазных напряжений.

Формируемое ИРМ напряжение фаз обмоток для этого случая представлено коммутационными функциями, аналогичными приведенной ниже коммутационной функции для фазы А₁:

 . (20)

Фазные напряжения, записанные на основе этих коммутационных функций, примут вид:

для первой трехфазной обмотки:

	=
			, (21)

для второй трехфазной обмотки:

	=
			, (22)

где и - целочисленные функции, которые записаны аналогично предыдущей модели; и - целочисленные функции, которые осуществляют дополнительные скачкообразные изменения фазных напряжений и равны

Используя преобразование координат для многообмоточной вентильной машины, преобразуем коммутационные функции обмотки к осям обмотки , принятые за начало отсчета. Так как угол сдвига обмоток равен эл. радиан, эти функции получим в виде:

	=

(23)

Исследования, проведенные с помощью этой модели, показали значительное уменьшение уравнительных токов фаз преобразователей при двенадцатиступенчатой форме напряжений фаз обмоток, а также позволили создать достаточно простые алгоритмы расчета электромагнитных процессов в автономных энергетических установках с такими многообмоточными преобразователями.

Алгоритм расчета электромагнитных процессов в автономных многообмоточных ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователях содержит преобразования коммутационных функций к ортогональным неподвижным координатам. Эти алгоритмы созданы на основе уточненной модели МПЭ, которая учитывает насыщение магнитной цепи преобразователей и вытеснение тока в проводниках обмотки ротора. Нелинейность, связанная с насыщением магнитной цепи, аппроксимирована сплайн функциями, а для учета вытеснения тока в проводниках обмотки ротора использована схема замещения этой обмотки с переменными параметрами.

Пакеты прикладных программ, реализующие эти алгоритмы, включают подпрограммы коммутационных функций, соответствующие построенным моделям и предполагают получение выходных данных в виде расчетных осциллограмм и таблиц гармонических составляющих токов и напряжений.

Таким образом, на базе обобщенной теории построены модели многообмоточных преобразователей энергии с синусоидальным и несинусоидальным распределением ступеней фазных напряжений статора. Созданы алгоритмы расчета электромагнитных процессов и пакеты прикладных программ для ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей с двумя трехфазными входными обмотками, сдвинутыми на 30 и 15 электрических градусов.

Исследования гармонического состава выходных напряжений многообмоточных преобразователей на базе АМ с короткозамкнутым ротором и ТВП, проведенные с использованием разработанных алгоритмов и пакетов прикладных программ, показали возможность получения выходных напряжений, соответствующих стандартам при небольшой фильтрации высших гармоник а также улучшение гармонического состава выходных напряжений с увеличением нагрузки. Так, при фильтрации 23-ей и 25-ой гармоник при работе без нагрузки коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения для преобразователя с многообмоточным ТВП с 15-ти градусным сдвигом первичных обмоток, составляет около 6%.

Глава пятая посвящена формированию математических моделей, разработке алгоритмов и пакетов прикладных программ для исследования электромагнитных и электромеханических процессов в КЭУ для автотранспорта с ЭМХ вентильными преобразователями на базе АМ с короткозамкнутым ротором, при учете конструктивных особенностей, изменений момента на валу, нелинейностей отдельных звеньев.

В большинстве традиционных автотранспортных средств функции “пуск двигателя внутреннего сгорания” и “генерирование электрической энергии” осуществляются двумя различными ЭМХ преобразователями - стартером и генератором. Тот факт, что постоянно один - находится в состоянии покоя, в то время как другой работает, привел к тому, что появились, как в России, так и за рубежом, стартер-генераторы, в которых одна электрическая машина выполняет обе эти функции.

Первый вариант стартер-генераторной энергетической установки, разработанной под руководством и при участии автора, содержит редуктор и запасает кинетическую энергию.

Разработана математическая модель ЭМХ преобразователя такого типа с накоплением кинетической энергии и использовании ее при запуске ДВС.

Так как для преобразователя с инерционным накопителем энергии в начале запуска ДВС его вал и вал АМ не сцеплены между собой, а передача момента начинается после включения редуктора, процесс запуска ДВС описан двумя уравнениями динамического механического равновесия:

М_ЭМ - М₀ - J p _МЕХ - М_ТР ^/ = M_ДВС ^/ + J_ДВС ^/ p _ДВС ^/ ; (24)

М_ЭМ - М₀ - J p _МЕХ = M_ДВС + J_ДВС p _ДВС . (25)

Здесь: М_ЭМ , M_ДВС , М_ТР - моменты ЭМ, ДВС и трения, возникающий в процессе сцепления валов ДВС и ЭМ, приведенные к частоте вращения вала ЭМ; J_ДВС - момент инерции ДВС, приведенный к частоте вращения вала ЭМ; (^/ ) - обозначение двойного приведения.

Пакет прикладных программ, реализующий алгоритм расчета процессов в таком ЭМХ преобразователе, разработанный автором, использует уравнения (24), (25). Он позволяет получить расчетные осциллограммы электромеханических процессов в стартерном и электромагнитных процессов в генераторном режимах работы. Дискретность процессов, обусловленная переключениями вентилей ВП, учтена включением в пакет прикладных программ подпрограммы коммутационных функций в соответствии с математической моделью МПЭ.



Рис. 5

На рис. 5 приведены расчетные осциллограммы изменений частоты вращения вала АМ в режиме электродвигателя (n1) и приведенной частоты вращения вала ДВС (n2), а также тока фазы статора АМ ( i_Ф ) в процессе запуска ДВС. Начало увеличения частоты вращения вала ДВС соответствует моменту включения в работу редуктора. При равенстве n1 и n2 - вала ДВС и осуществляется полное сцепление. Процесс разгона ДВС протекает интенсивно за счет запасенной кинетической энергии.

Представлены результаты расчетов процессов запуска ДВС при нескольких законах коммутации вентилей ВП, в том числе при широтно-импульсном регулировании напряжения статора АМ.

Второй вариант - комбинированная энергетическая установка для транспортных средств, не содержащая редуктора.

В настоящее время появились гибридные автомобили и автобусы, включающие стартер-генератор значительной мощности, монтируемый в зоне коленчатого вала ДВС. Наряду с интеграцией двух отдельных комплектующих автомобиля - стартера и генератора, такая конструкция КЭУ обеспечивает, при увеличении мощности ЭМ, выполнение ею функций ''поддержки'' ДВС при значительных нагрузках, рекуперацию энергии при торможении автомобиля, разгон автомобиля на электрической тяге.

Гибридные автомобили и автобусы улучшают экологическую обстановку в городах. Увеличение мощности ЭМ в КЭУ позволяет снизить токсичные выбросы в атмосферу за счет разгона автомобиля на электрической тяге и обеспечения оптимального режима работы двигателя внутреннего сгорания. Для КЭУ гибридных автомобилей необходима разработка новых конструкций ЭМ, работающих совместно с низковольтными ВП, управляющими работой ЭМ в стартерном и генераторном режимах.

В главе представлены результаты построения математических моделей и исследований статических и динамических режимов стартер-генераторов, выполненных на базе асинхронных двигателей серии 4А, представлены новые схемные и конструктивные решения для КЭУ со специальной асинхронной машиной и накопителем электроэнергии. В качестве накопителя энергии используется импульсный энергоемкий конденсатор. Сохраняется и аккумуляторная батарея для аварийного электропитания и подзаряда емкостного накопителя.

Показано, что при выполнении КЭУ в виде «неполного» гибрида (комбинированной силовой установки автомобиля с одним сцеплением) небольшое расстояние между ДВС и коробкой передач не позволяет установить здесь АМ обычной конструкции, у которой вылет лобовых частей соизмерим с длиной магнитопровода. Поэтому разработана новая конструкция АМ, которая размещается в ограниченном пространстве между ДВС и коробкой передач.

Одной из основных конструктивных особенностей такой АМ является выполнение обмотки статора, позволяющее существенно уменьшить вылет ее лобовых частей. Техническое решение по конструктивному выполнению такой обмотки защищено патентом РФ. Обмотка волновая, двухслойная стержневая с лобовыми частями в виде специальных перемычек. На рис. 6 показано выполнение сектора активной части статора АМ с предложенной обмоткой.

Рис. 6

Сектор активной части статора АМ включает пазы 1 - 5 сердечника 6, в которых расположен верхний слой обмотки со стержнями 7 - 11 и нижний слой обмотки со стержнями 12 - 16. Эти стержни соединены перемычками 18, 19, 21 и разделены межслойной изоляцией 17, показанной утолщенной пунктирной линией. Показан слой изолирующего материала 20 и катушечная перемычка 24. Например, стержни 10 и 12 соединяет перемычка 19, площади соединения которой со стержнями заштрихованы и примерно в двое меньше площадей поперечного сечения стержней 10 и 12.

На рисунке также показаны: поверхность 22 зубцового слоя сердечника 6 и его ярмо 23. Между катушечными перемычками расположены слои изоляции 25,26,27. В - обозначение одного из выводов обмотки.

Дополнительные преимущества такой обмотки в том, что за счет уменьшения лобовых частей, происходит экономия меди на 5-10% и уменьшение активного сопротивления обмотки статора. Последнее позволяет увеличить электромагнитный момент и КПД электрической машины.

В главе описана также методика электромагнитного расчета такой специальной АМ, учитывающая конструкцию лобовых частей. Также представлены: математическая модель, алгоритм и структура пакета прикладных программ для анализа электромагнитных и электромеханических процессов в КЭУ, разработанные автором. При моделировании, кроме учета дискретности процессов, обусловленной переключениями вентилей ВП, и нелинейностей, связанных с насыщением магнитной цепи АМ и вытеснением тока в проводниках обмотки ротора, учтена зависимость момента ДВС от положения коленчатого вала, которая представлена в математической модели в виде дискретной кусочно-гармонической функции. Представлены результаты моделирования процессов разгона ДВС при частотном запуске АМ, перехода АМ в генераторный режим, режима ''поддержки'' ДВС.

В шестой главе изложены результаты экспериментальных исследований и методики проектирования электромеханической, электромагнитной и вентильной частей ЭМХ и ЭМГ преобразователей для автономных энергетических установок.

Представлены результаты экспериментальных исследований установившихся режимов работы, динамических свойств и проектирования системы регулирования АВСГ на базе АМ с НВ и ведомым инвертором в цепи ротора, математические модели которого описаны в 3 главе.

Экспериментально подтверждено возникновение «естественной ШИМ» тока ротора (рис.7), теоретически обоснованной в главе 3.

Экспериментальные исследования динамки подтвердили, что на качество переходных процессов в системе положительное влияние оказывает контур рекуперации энергии.

Рис. 7

Также выявлено положительное влияние и увеличения постоянной времени фильтра на стороне постоянного тока ИРМ, тогда как индуктивность сглаживающего дросселя в цепи ротора приводит к появлению в системе дополнительной не компенсируемой постоянной времени.

Динамические свойства АВСГ также изменяются при изменении скольжения и режима работы, причем наиболее выраженной является зависимость эквивалентной постоянной времени цепи ротора от скольжения.

Для синтеза регулятора в системе стабилизации выходного напряжения АВСГ в генераторном режиме выбран метод последовательной коррекции, с настройкой параметров электронного регулятора на оптимум по модулю передаточной функции замкнутого контура регулирования. Удовлетворительное качество регулирования достигается настройкой регулятора при средних значениях коэффициентов передачи и постоянных времени отдельных звеньев объекта.

Экспериментальные исследования образца мощностью 4 кВт показали, что при такой настройке регулятора время переходных процессов в генераторном режиме АВСГ не превышает 0,14 с, а величина максимальных отклонений выходного напряжения постоянного тока составляет 15% от номинального.

Однако, экспериментальные исследования варианта АВСГ с ведомым инвертором для рекуперации энергии скольжения в цепь статора АМ выявили и его недостатки.

В связи с этим показана перспективность выполнения АВСГ по схеме АВК с рекуперацией энергии ротора в цепь постоянного тока.

В главе также рассмотрены вопросы проектирования многообмоточных АМ и ТВП, приведены примеры схем их первичных и выходных обмоток. Приведены результаты экспериментальных испытаний макетных образцов, для которых были рассчитаны и изготовлены новые обмотки, позволяющие осуществить подключение ВП при питании его от источников постоянного тока пониженного напряжения.

Экспериментально подтверждено теоретическое положение главы 4 о возможности получения выходных напряжений ЭМХ и ЭМГ преобразователей на базе АМ и ТВП с небольшим коэффициентом искажения синусоидальности, действующие значения высших гармоник не превышают 5% действующих значений первой гармоники. Так, в многообмоточной асинхронной машине и многообмоточном трансформаторе с вращающимся магнитным полем, у которых первичные обмотки сдвинуты в пространстве на 15 электрических градусов, а фазное напряжение ИРМ имеет двенадцатиступенчатую форму напряжения, коэффициент искажений выходного фазного напряжения составляет около 7,8%.

На рис. 8 приведены экспериментальные осциллограммы линейного и фазного напряжений на выходной обмотке преобразователя с ТВП. Одноименные фазы первичных и выходной обмоток трансформатора располагалась симметрично со сдвигом 7,5°. В фазном напряжении выходной обмотки - двадцать четыре ступени за период основной частоты.

Рис. 8

Ступени расположены по закону, близкому к синусоидальному. Гармонический анализ кривой выходного напряжения показал, что только 23-я и 25-я гармоники достигают 4% и могут быть подавлены высокочастотным фильтром. Другие высшие гармонические составляющие незначительны.

Эксперименты показали, что существует шесть положений внутреннего магнитопровода ЭМГ вентильного преобразователя на базе ТВП, при которых в выходной обмотке индуцируется ЭДС, по форме соответствующая рис. 8. Кривые на рис. 8 соответствуют сдвигу фазы А этой обмотки относительно фазы А первичной - на 37,5⁰. При этом амплитуда первой гармоники выходного напряжения наибольшая.

Для улучшения жесткости внешней характеристики системы преобразования предпочтителен сдвиг её выходной обмотки на 37,5°. При работе ТВП под нагрузкой форма его выходного напряжения приближается к синусоидальной. Кривые напряжений приобретают плавные переходы от ступени к ступени.

В главе приведены также методики проектирования и результаты экспериментальных испытаний стартер-генераторов с АМ и частотным управлением для энергетических установок гибридных автомобилей.

При проектировании АМ электромеханического вентильного преобразователя для КЭУ на базе серийного асинхронного электродвигателя необходимо провести определение типоразмера базового двигателя и параметров АМ для случая заданных диапазонов двигательного режима и режима рекуперативного торможения, пределов изменения мощностей и моментов, с учетом ограничений размеров машины.

Внутренний диаметр статора АМ, размещаемой в моторном отсеке автомобиля, ограничен. Поэтому необходимо уменьшить длины сердечников статора и ротора, а также выполнить новые обмотки. Предложено проводить расчет параметров этих обмоток, пользуясь справочными данными серийных АМ. В качестве базовых - выбирают АМ с высотами осей вращения, которые укладываются в заданный размер внутреннего диаметра статора. После расчета пускового и максимального моментов при частотном запуске АМ с уменьшенной длиной магнитопровода и новыми параметрами обмоток определяют их соответствие требуемым значениям для стартерного режима КЭУ.

Силовая часть экспериментальных образцов таких энергетических установок включает АМ с короткозамкнутой обмоткой ротора и один ВП, собранный по схеме инвертора напряжения. В стартерном режиме он работает в режиме инвертора, а в генераторном - передает электроэнергию, вырабатываемую АМ, в цепь постоянного тока - на заряд накопителя электроэнергии и в бортовую сеть автомобиля.

ВП, служащий также для управления частотой и напряжением асинхронной машины, собран на IJBT транзисторах по мостовой трехфазной схеме. Для управления транзисторами применены схемы, обеспечивающие развязку и усиление сигналов управления. Система регулирования при проведении экспериментов строилась на базе микроконтроллера.

Результаты экспериментов показали работоспособность разработанных ЭМХ вентильных преобразователей для КЭУ автомобилей типа ВАЗ для запуска ДВС и генерирования электроэнергии, а также корректность математических моделей и алгоритмов расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении изложены основные выводы и результаты работы

1. На основе анализа современного состояния проблемы предложена обобщенная теория многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентилями и вращающимся полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных функций с использованием тригонометрических функций дискретного аргумента.

2. Разработаны математические модели, функционально ориентированные на определение ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ, учитывающие особенности возникновения уравнительных токов многообмоточных преобразователей и влияние «естественной ШИМ» тока ротора, возникающей в вентильных АМ с фазным ротором.

3. Показано, что «естественная ШИМ» тока ротора, возникающая при небольших положительных и отрицательных скольжениях в АВСГ с неуправляемым выпрямителем в цепи ротора, при ступенчатом напряжении фаз статора определяет нелинейный характер зависимостей токов фаз ротора, постоянной составляющей выпрямленной ЭДС ротора, а также эквивалентного сопротивления роторной группы вентилей, от скольжения.

4. Выявлены особенности протекания электромагнитных процессов в автономных ЭМХ и ЭМГ преобразователях на базе многообмоточных ТВП и АМ с короткозамкнутым ротором. Показано, что причиной возникновения уравнительных токов в фазах первичных обмоток ТВП и АМ является значительное отличие форм напряжения и ЭДС фаз. Доказано, что при предложенных способах управления наблюдается значительное снижение уравнительных токов.

5. Разработаны математические модели алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие исследовать квазиустановившиеся и переходные, электромагнитные и электромеханические процессы в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.

6. Доказана возможность получения в многообмоточных преобразователях, включающих многообмоточные АМ и ТВП, напряжений на выходных обмотках, соответствующих требованиям стандартов без применения широтно-импульсной модуляции при фильтрации 23 и 25 гармоник.

7. Предложены уточненные методики расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП для автономных энергоустановок, учитывающие особенности работы и конструкций обмоток этих преобразователей.

8. Разработаны технические решения для повышения КПД, надежности, пусковых моментов и качества напряжений АМ и ТВП в составе автономных энергоустановок, в частности, конструкция многополюсной АМ с уменьшенными лобовыми частями обмотки статора, которая делает перспективным применение таких машин в силовых установках автомобилей типа ВАЗ.

9. Проведена экспериментальная проверка основных теоретических положений диссертационной работы, которая подтвердила правильность условий возникновения «естественной ШИМ» тока ротора, снижение уравнительных токов многообмоточных АМ и ТВП при предложенных способах управления.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ РАБОТАХ:

1. Грачев П.Ю., Костырев М.Л. Математические методы моделирования вентильных электрических машин - Куйбышев: КптИ, 1986. - 46 с.

Статьи в изданиях по перечню ВАК:

2. Костырев М.Л., Скороспешкин А.И., Грачев П.Ю. Электромагнитные процессы в асинхронной машине с выпрямителем при ступенчатом напряжении на статоре // Электротехника, 1982. - №7. - С.18-21.

3. Автомобильный асинхронный стартер-генератор / В.М. Анисимов, П.Ю. Грачев, В.Н. Кудояров, А.И. Скороспешкин // Вестник УГТУ. “Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии”, Екатеринбург: УГТУ, 1995. - с.58 -59.

4. Автомобильные стартеры и генераторы. Состояние и перспективы развития / В.М. Анисимов, А.И. Скороспешкин, П.Ю. Грачев, В.Н. Кудояров, // Автомобильная промышленность, 1995, №11. с. 9 - 11.

5. Определение параметров и расчет динамических режимов безредукторных стартер-генераторов для гибридных автомобилей // В.М. Анисимов, П.Ю. Грачев, В.Н Кудояров, А.И Скороспешкин // Электромеханика и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2000. - с.182-190.

6. Математическая модель и исследования статических режимов асинхронных безредукторных стартер-генераторов. // В.М. Анисимов, В.Н Кудояров., П.Ю. Грачев, А.И Скороспешкин // Электромеханика и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2000. - с.191-196.

7. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Моделирование КСУ с двумя вентильными преобразователями для гибридного автомобиля // Вестник УГТУ-УПИ №5 (25). Часть 1. Екатеринбург. 2003 . C. 447-450.

8. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Асинхронный стартер-генератор для комбинированного энергетического привода гибридного автомобиля // Электротехника. 2004. №12. - С. 35-39.

9. Грачев П.Ю. Использование тригонометрических и экспоненциальных функций дискретного аргумента для математического моделирования электромеханических и электромагнитных систем с несколькими вентильными преобразователями // Вестник СамГТУ. Сер. Физико-математические науки. 2004. №30. - С. 197-201.

10. Многообмоточные преобразователи энергии для автономных объектов // Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Мягков Ф.Н., Кунцевич П.А. // Электротехника, 2005. №12. - С. 24 -29.

11. Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Ежова Е.В. Асинхронная вентильная энергоустановка для автомобилей типа ВАЗ // Известия ВУЗов: Электромеханика, 2007, №6 -С. 46 - 49.

12. Грачев П.Ю. Математические модели электромеханических и электромагнитных преобразователей с вентильными коммутаторами и вращающимся магнитным полем для автономных энергетических установок // Электричество, 2010. №3. - С. 35 -39.

Другие печатные статьи:

13. Грачев П.Ю., Костырев М.Л. Вопросы математического моделирования асинхронных вентильных генераторов // Электрические машины: Межвуз. сб. научн. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1976. - вып.3. -С. 127-135.

14. Грачев П.Ю. Особенности динамики автономной системы с АВСГ // Электрические машины: Межвузовский тем. сб. научн. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1976. - вып.3. - С. 135 - 141.

15. Грачев П.Ю., Костырев М.Л. Метод дискретно вращающихся координат. Сборник науч. тр. «Специальные электрические машины». Куйбышев: КПтИ, 1983. - С. 40-45.

16. Грачев П.Ю., Волгин В.Н., Бурков С.Н. Исследование динамических режимов работы асинхронного вентильного генератора. Сб. науч. тр. «Электрические машины специального назначения». Куйбышев, 1985. - С.48-56.

17. Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Токарь И.И. Многофункциональная система ПСПЧ // Межвузовский сб. науч. труд. «Разработка и исследование специальных электрических машин». Куйбышев, Авиационный институт, 1987 - С. 147 - 153.

18. Грачев П.Ю., Костырев М.Л., Мягков Ф.Н. Электромагнитные процессы в многообмоточных машинах с вентильными преобразователями типа «Автономный инвертор напряжения» // Межвуз. сб. науч. тр. «Специальные электрические машины». Куйбышев КптИ, 1989. - С. 108 - 114.

19. Anisimov V.M., Grachev P.Y., Kudoyarov V.N. Starter - generators system with accumulation of kinetic energy. Proc. of the 4-th Intern. Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems UEES'99. St. Petersburg, Russia, 21-24 June 1999, pp. 289-294.

20. Kudoyarov V.N. Anisimov V.M., Grachev P.Y. Asynchronous automotive starter - generators. Proc. of the 4-th Intern. Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems UEES 99, St. Petersburg, Russia, vol.2,1999, pp.295- 298.

21. Кудояров В.Н., Анисимов В.М., Грачев П.Ю. Повышение надежности автомобильных стартер-генераторов // Труды международной конференции “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”, Самара,1999. - с.152-154.

22. Стартер-генераторы для автомобильного транспорта // П.Ю. Грачев, В.М. Анисимов, В.Н Кудояров., А.И Скороспешкин //, Техническая электродинамика: Тематический выпуск “Проблемы современной электротехники”, часть 7. Киев: Нац. академия наук Украины, 2000. - с. 98-104.

23. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Комбинированная силовая установка как один из способов повышения надежности работы автотранспортных средств // Сборник трудов международной техн. конф. «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин». Т. 2, ч. 2.: М., Машиностроение, 2003. - С. 402-405.

24. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Автономный электропривод комбинированных энергоустановок // Труды IV Международной конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», ч.2, Магнитогорск, 2004. - С. 174-176.

25. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Стартер-генераторные устройства для перспективных автомобилей ВАЗ на базе асинхронных машин с вентильными преобразователями // Труды пятого международного симпозиума ЭЛМАШ-2004 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», том 2, МА «Электромаш», 2004. - С. 167-169.

26. Грачев П.Ю. Особенности режимов работы и математического моделирования электромеханических и электромагнитных преобразователей с несколькими вентильными преобразователями с использованием тригонометрических и экспоненциальных функций дискретного аргумента // Труды 5-го междунар. симпозиума ЭЛМАШ-2004 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», том 2, МА «Электромаш», 2004. - С. 162-166.

27. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Автономный электропривод комбинированных энергоустановок // Электроприводы переменного тока: Труды тринадцатой международной научн.-техн. конференции. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. - С. 171-174.

28. Автомобильный асинхронный стартер-генератор - лучший инновационный проект поволжского региона // Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В., Тарановский В.Р. // Материалы международного симпозиума «Электроника и электрооборудование транспорта». Суздаль: НПП «Томилинский электронный завод», 2005. С. 21 - 23.

29. Использование микроконтроллеров в системе управления стартер-генераторов автомобилей // Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В., Тарановский В.Р. // Материалы Всероссийского электротехнического конгресса ВЭЛК - 2005. Москва, 2005. С. 246 - 248.

30. Pavel Grachev, Vladimir Anisimov, Elena Ejova. The Asynchronous Machine for a Starter-Generating Unit (SGU). Eleventh International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems «ELMA 2005». (IEEE Bulgaria Section) - Sofia, 2005. P.314-316.

31. Комбинированная стартер-генераторная установка переменного тока для «неполного» гибрида //Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В., Тарановский В.Р. // Электроника и электрооборудование транспорта. №3-4, 2005. С. 32-34.

32. Грачев П.Ю., Ежова Е.В.Влияние конфигурации лобовых частей на расчет параметров специальной асинхронной машины для гибридного автомобиля // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Моделирование электромеханических процессов: сборник научных трудов: Ульяновский техн. ун-т. - Ульяновск: УлГТУ, 2009. - С. 118-123.

33. Грачев П.Ю. Режимы опережающих токов ротора в автономных асинхронных вентильных каскадах с диодными выпрямителями // Труды симпозиума ЭЛМАШ-2009: «Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы», том 1. МА «Электромаш», 2009. - С. 178-183.

Авторские свидетельства и патенты

34. А.с. 452897 СССР, МКИ Н02К 17/34. Способ пуска асинхронного двигателя / М.Л. Костырев, П.Ю. Грачев, А.И. Скороспешкин и др. // БИ.1974.№ 45.

35. А.с. 543121 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления автономным асинхронным генератором / В.Д. Ежов, М.Л. Костырев, А.И. Скороспешкин, П.Ю. Грачев и др. // БИ. 1977. № 2.

36. А.с. 558368 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Асинхронный вентильный стартер-генератор / М.Л. Костырев, П.Ю.Грачев, В.Д. Ежов и др. // БИ. 1977. № 18.

37. А.c. 588610 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления автономным асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором / М.Л. Костырев, А.И. Скороспешкин, В.Д. Дудышев , П.Ю. Грачев и др. // БИ. 1978. № 2.

38. А.с. 817922 СССР, МКИ Н02Р 9/42. Асинхронный вентильный генератор / В.Д.Ежов, М.Л.Костырев, А.И.Скороспешкин, П.Ю.Грачев и др. // БИ. 1981. № 12.

39. A.с. №896737 СССР, МКИ: Н02Р 9/42. Способ управления асинхронным вентильным генератором / П.А.Кунцевич, П.Ю.Грачев, М.Л.Костырев, В.Д.Загоруйко // БИ. 1982, №1.

40. А.с. 951626 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Ветроэнергетическая установка с инерционным аккумулятором энергии / П.Ю.Грачев, М.Л. Костырев, В.Н.Волгин, М.В.Кузнецов // БИ., 1982, №30.

41. А.с. 1046863 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Асинхронная вентильная машина с короткозамкнутым ротором / В.Н.Кудояров, В.Н.Волгин, П.Ю.Грачев, В.Д.Дудышев // БИ. 1983, №37.

42. А.с. 1078574 СССР, МКИ Н02Р 9/42 Способ управления асинхронным вентильным ветрогенератором / П.А.Кунцевич, В.Д.Загоруйко, М.Л. Костырев, П.Ю.Грачев, В.Н.Волгин // БИ., 1984, № 9.

43. А.с. 1403334 СССР, МКИ H02 P 9/46. Автономный источник электроэнергии / П.Ю.Грачев, В.И.Волгин, Ф.Н.Мягков и др. // БИ.,1988, № 22.

44. А.с. 1302360 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления асинхронным вентильным генератором / П.Ю.Грачев, Н.В.Мотовилов, В.П.Назаренко, И.Г.Сегида // БИ. 1987. №13.

45. А.с. 1403334 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Автономный источник электроэнергии / П.Ю.Грачев, В.Н.Волгин, А.Н. Штанов, Ф.Н.Мягков // БИ. 1988. №22.

46. А.с. 1473068 СССР, МКИ Н02Р 17/42. Источник эдектропитания / П.Ю. Грачев, А.А.Дружков, Ф.Н.Мягков и др. // БИ. 1989, №14.

47. А.с. I568I92 СССР, МКИ Н02Р 6/02. Способ управления вентильной электрической машиной / П.Ю.Грачев, М.Л.Костырев, Ф.Н.Мягков // БИ. 1990. №20.

48. А.с. 1568203 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Автономная система генерирования / Грачев П.Ю., Волгин В.Н., Токарь И.И. // БИ. 1990. №20.

49. А.с. 1568204 СССР, МКИ Н02Р 9/44. Способ управления асинхронным вентильным генератором / П.Ю.Грачев, В.И.Волгин, Ф.Н.Мягков и др. // БИ. 1990, №20.

50. А.с. 1577069 СССР, МКИ Н02Р 17/42. Генераторный источник электроэнергии / В.Н. Волгин, П.Ю Грачев, И.И.Токарь, А.С.Тупиков // БИ. 1990. №25

51. А.с. 1669075 СССР, МКИ Н02 Р 17/42. Источник электроэнергии / П.Ю. Грачев, В.Н. Волгин, Н.А. Каминская // БИ. 1991. №29,

52. А.с. 174242 СССР, МКИ Н02 Р 17/42. Способ формирования квазикругового магнитного поля / П.Ю. Грачев, М.Л. Костырев, И.И. Токарь, Ф.Н. Мягков // БИ.1992, №22

53. А.с. 1821884 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Способ формирования выходного напряжения преобразователя электроэнергии / П.Ю. Грачев, М.Л. Костырев, Ф.Н. Мягков, И.И. Токарь, С.А. Рябинский // БИ. 1993. №22

54. Патент №2104612 Российской Федерации, МКИ Н 02 Р 9/44. Устройство управления асинхронным стартер-генератором / А.И. Скороспешкин, В.М. Анисимов, В.Н. Кудояров, П.Ю. Грачев / Самарский государственный технический университет / Бюл. №4, 10. 02. 98.

55. Патент №2173020 Российской Федерации. МКИ Н 02 Р 9/44. Электрическая система с асинхронным стартер-генератором / В.М. Анисимов, П.Ю. Грачев, А.И. Скороспешкин, В.Н Кудояров. // Самарский государственный технический университет / Бюл. №24, 27. 08. 2001.

56. Патент №2236079 Российской Федерации. МКИ Н 02 Р 9/44, F 02 N 11/04. Способ управления стартер - генераторной системой с планетарным редуктором и устройство для его осуществления / П.Ю. Грачев, В.М. Анисимов, В.Н Кудояров, А.И. Скороспешкин // Самарский государственный технический университет / Бюл. №25, 10. 09. 2004.

57. Патент №2275729 Российской Федерации. МПК Н 02 К 3/04, Н 02 К 17/16. Обмотка электрической машины / П.Ю. Грачев, Ф.Н. Сарапулов, Е.В. Ежова / Бюл. №12, 27. 04. 2006.

58. Патент №2282301 Российской Федерации. МПК Н 02 Р 9/48, Н 02 Р 9/04, В 60 L 11/02, B 60 L 11/12, F 02 N 11/04. Энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором / П.Ю.Грачев, Е.В.Ежова // Самарский государственный технический университет / Бюл. №23, 20. 08. 2006.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах [9,12,14,26,33], написанных лично автором, в работах [2,5-8,11,13,15-17,19-22], где автору принадлежат: постановка задачи, результаты разработок технических решений и построения математических моделей. В работах [4,23-25,28] автору принадлежат методики, обобщения и выводы, в работах [12,38-40] - результаты анализа и экспериментальная часть, в работах [18,29-31,32] - методики и алгоритмы расчетов и проектирования, в работах [3,4,10,21,24-27,33] - обобщения результатов исследований. В работах [34-38,40-47,49-51,53-58] - новые направления в разработке технических решений, в работах [39,48,52] - варианты новых технических решений.

Работа [1] написана лично автором, кроме раздела 6, написанного Костыревым М.Л.

Размещено на Allbest.ru