Развитие теории и разработка электромеханических и электромагнитных вентильных преобразователей для автономных энергоустановок (19.07.2010)

Автор: Грачев Павел Юрьевич

cos n2 (? /3) + 2? /3)

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 = ?1[t – TД (n1 + n2 + …+ nm)] . (18)

Здесь: (Д – дискретный аргумент, преобразующий экспоненциальную функцию в кусочно-экспоненциальную; n1, n2, … nm - 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; TД – длительность интервала дискретности преобразователя; ?u – разность одноименных фазных напряжений обмотки статора в единой системе координат; RS – активное сопротивление фазы обмотки статора машины; ? – постоянная времени цепи статора.

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

?u = Ud /3 [ cos ?n1 /3 - cos (?n1 /3 - ? /6)], (19)

где: Ud - 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 ?U.

Р и с. 4

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:

для второй трехфазной обмотки:

- целочисленные функции, которые осуществляют дополнительные скачкообразные изменения фазных напряжений и равны

эл. радиан, эти функции получим в виде:

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:

МЭМ - М0 - J p (МЕХ - МТР / = MДВС / + JДВС / p (ДВС / ; (24)

МЭМ - М0 - J p (МЕХ = MДВС + JДВС p (ДВС . (25)

Здесь: МЭМ , MДВС , МТР - моменты ЭМ, ДВС и трения, возникающий в процессе сцепления валов ДВС и ЭМ, приведенные к частоте вращения вала ЭМ; JДВС - 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.

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 ( iФ ) 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.


загрузка...