Особенности моделирования электрической трансмиссии транспортного средства на примере линейного тягового электрического привода.

В наземном транспорте тяговый электропривод (ТЭП) используется достаточно давно. В качестве примера ТЭП в транспортных машинах можно привести всевозможные мотор-колеса и мотор-звездочки. Наблюдается также тенденция совмещения рабочего элемента и статора или ротора электродвигателя, отказ от редукторов, организация так называемого ТЭП прямого действия.

Достоинства такого подхода очевидны – кинематически упрощается трансмиссия, что влияет на КПД. Так же это несёт значительные компоновочные преимущества.

Способ совместить рабочий орган – движитель и ТЭП рассмотрим на примере гусеничной машины: статор линейного двигателя размещен вдоль верхней ветви гусеницы, а в качестве ротора использован гусеничный движитель. Такое решение выглядит выгодным, т. к. обычно пространство вокруг верхней ветви гусеницы ГМ не используется (рис. 5.1).

Рис. 5.1 – Схема шасси гусеничной машины с линейным тяговым электродвигателем

Кроме того, это лишает конструкцию высоконагруженного зацепления ведущего колеса с гусеницей.

Из всего разнообразия электрических машин самой перспективной для данного применения является вентильно-индукторный двигатель (ВИД).

По принципу действия ВИД и его линейный вариант – вентильно-индукторный линейный двигатель (ВИЛД), относятся к реактивным двигателям. В таких двигателях система статор-ротор стремится занять положение, в котором магнитное сопротивление минимально (иными словами: магнитная проводимость максимальна, магнитные линии максимально спрямлены).

Рис. 5.2 – Принцип работы ВИЛД

Работа ВИД не имеет какого либо установившегося режима и механические характеристики этого типа машин в большой степени зависит от алгоритмов и реализации системы управления.

Классические аналитические методики расчета и рекомендации по выбору характеристик электрических машин как постоянного, так и переменного токов в данном случае использовать затруднительно.

Это вызывает необходимость выявления новых принципов проектирования, базирующихся на имитационном математическом моделировании рабочих процессов, протекающих в ТЭП.

Таким образом, математическое моделирование ВИД является достаточно важной задачей. Уже создано некоторое количество моделей с большой степенью достоверности описывающих работу ВИД.

Упомянутые модели созданы для моделирования обычного кругового двигателя и обладают некоторыми особенностями делающих затруднительными их адаптацию для моделирования ВИЛД.

Так же эти модели больше ориентированы на изучение процессов преобразования энергии в электрической машине, чем на её механические характеристики.

В связи с этим была поставлена задача создания оригинальной модели, способной легко менять геометрию ВИЛД и приспособленной для совместной работы с математической моделью транспортного средства.

Построение математической модели для исследования работы ВИЛД целесообразно было выполнить в программном пакете Matlab/Simulink. Это высокоуровневое графическое средство программирования обладает высокой наглядностью, простотой понимания готовых моделей, встроенными средствами расчета и большой библиотекой готовых блок-схем.

Готовая модель ВИЛД, выполненная в программном пакете Matlab/Simulink, изображена на рис. 5.3.

Рис. 5.3 – Модель ВИЛД

Входными переменными для модели являются сигналы горизонтального перемещения гусеницы-ротора (блок «x_gus»), его скорости (блок «x`_gus»), и положения некого органа управления (блок «pedal»).

Выходным сигналом модели является развиваемая двигателем сила тяги (блок «F_t»).

Вычисления, связанные с электромагнитными преобразованиями энергии в электрической машине сведены в блок «VILM». Блок «IP» имитирует идеальный, источник питания конечной емкости.

При создании модели основной упор делался на возможность расчета ВИЛД с любым количеством фаз и их взаимным расположением. В связи с этим следует обратить внимание на константу X_em. Эта величина вычисляется перед началом расчета и является вектором, содержащим горизонтальные координаты электромагнитов статора. При их равномерном размещении в синтаксисе Matlab это выглядит следующим образом.

X_em = [0:N_em-1]·X_st;

здесь N_em – число электромагнитов, X_st – шаг магнитов статора.

В соответствии с принципом работы модуля Matlab/Symulink, все зависящие от X_em величины так же будут иметь векторную форму. Например, сила тяги, которую развивает каждая фаза. На рис. 5.4 изображены показания блока-графика F_t, N. Сверху сила от каждой фазы, снизу суммарная сила тяги ВИЛД.

Рис. 5.4 – Развиваемая ВИЛМ сила

 

Как видно из этого графика работу ВИЛД характеризует большая неравномерность развиваемой силы тяги. В выбранном режиме в конце цикла работы каждая фаза переходит в генераторный режим, развивая отрицательную тягу. Такая дискретность работы двигателя затрудняет оценку его эффективности и не позволяет построить наглядную механическую характеристику.

Так как одной из задач создаваемой модели является подбор основных параметров ВИЛД, то крайне полезно получать готовую и наглядную механическую характеристику не путем последующей обработки результатов моделирования, а непосредственно во время работы модели.

Для этой цели служит блок F_sr. Назначение блока состоит в вычислении средней по времени силы тяги за один цикл работы фазы. Состав блока изображен на рис. 5.5.

Рис. 5.5 – Вычисление среднецикловой силы тяги. Блок «F_sr»

Входными переменными для блока являются векторы мгновенных значений силы тяги и локальной координаты фаз. Значения локальной координаты используются для сбрасывания счётчика элементарного приращения времени «dt» и силы тяги «dF». Блок «dt1» нужен для того, чтобы выдавать постоянное значение среднецикловой силы тяги, вычисленной на прошлом цикле коммутации.

Чтобы получить механическую характеристику системы на выходе «F_sr» необходимо смоделировать равноускоренное движение ротора ВИЛД от нулевой скорости. При этом, чем меньше будет это ускорение, тем детальнее получится характеристика.

Результаты такого моделирования показаны на графике рис. 5.6. Отсутствие нулевых значений силы тяги на этом графике объясняется тем, что пока цикл работы фазы не закончен среднюю силу вычислить невозможно.

Рис. 5.6 – Механическая характеристика ВИЛД

Результатом моделирования являются следующие достижения:

- Созданная модель обеспечивает расчет ВИЛД с произвольной геометрией в рамках выбранной схемы;

- С помощью входных портов скорости и перемещения ротора, а так же выходного порта силы тяги модель ВИЛД легко связать с любой механической системой. Например, с моделью транспортного средства;

- Среднецикловая сила тяги, вычисляемая блоком «F_sr», позволяет построить механическую характеристику ВИЛД для предварительной оценки его тяговых возможностей.

 

Заключение

Литература:

1. J.M. Stephenson, M.A. El-Khazendar Saturation in doubly salient reluctance motors, IEE PROCEEDINGS, Vol. 136, Pt. B, No. 1, 1989.

2. Dunlop G.R. A switched-reluctance motor drive with zero torque ripple and a constant inverter bus current. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Vol. 208, No.1, pp.61-68, 1994.

3. Wu C-Y, Pollock C. Analysis and reduction of vibration and acoustic noise in switched reluctance drive. IEEE transactions on industry applications, Vol. 31, No.1 1995.

4. Pollock C., Williams B. Power convertor circuits for switched reluctance motors witw the minimum number of switches, IEE Proceedings, Electr. Power Appl., vol. 137, No. 6, pp. 1034-1047,1991.

5. Красовский А.Б. Анализ условий формирования постоянства выходной мощности в вентильно-индукторном электроприводе, Электричество, № 2, 2002, с. 36-45.

6. Красовский А.Б., Бычков М.Г. Исследование пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе, Электричество, 2001, № 10.

7. Голландцев Ю.А. Уравнения вентильного индукторно-реактивного двигателя при одиночной коммутации фаз, Электротехника, № 7, 2003, с.45-51.

8. Виноградов А.Б., Чистосердов В.Л., Сибирцев А.Н. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом // Электротехника.- 2003.- №7.- с. 7-17.

9. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока/ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».⎯ Иваново, 2008.⎯ 298 с. ISBN

10. Коломейцев Л.Ф., Прокопец И.А., Пахомин С.А., Крайнов Д.В. Режимы работы тягового электропривода рудничного электровоза с трехфазным реактивным индукторным двигателем // Изв. вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 18–22.

11. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Прокопец И.А. и др. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном управляемом индукторном двигателе // Сб. науч. тр. ОАО ВЭлНИИ. Электровозостроение. 1997. Т. 38. С. 234–245.

12. Пахомин С.А., Прокопец И.А. и др. Выбор соотношения зубцов статора и ротора в тяговом реактивном индукторном двигателе // Сб. науч. тр. ОАО ВЭлНИИ. Электровозостроение. 1997. Т. 38. С. 223–234.

13. Пахомин С.А. Влияние геометрии зубцового слоя и параметров питания на показатели вентильного реактивного индукторного двигателя // Изв. вузов, Электромеханика, 2000, № 1, С. 30–36.

14. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973.

15. Петрушин А.Д. Вентильно-индукторный привод: опыт разработки и внедрения // Приводная техника. 1998. №2.

16. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб: КОРОНА принт, 2001. 320с.

17. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. М.: Недра, 1981. С.390.

18. Синчук О.Н., Беридзе Т.М., Гузов Э.С. Системы управления рудничным электровозным транспортом, - М.: Недра, 1993. - 255 с.

19. Казачковський М.М. Комплектні електроприводи: Навч. посібник - Дніпропетровськ.: НГУ, 2003, - 226с.

20. Алексеев Н.И. Оптимизация систем электрической тяги в подземных выработках. – М.: Недра, 1979. – 252 с.

21. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002. – 448 с.: ил.

22. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов, - М.: Энергоатомиздат, 1992 – 544 с.

23. Кузнецов В.А. Вентильно-индукторные двигатели/В.А.Кузнецов, В.А.Кузьмичев – М.: Изд-во МЭИ, 2003. – 68 с.

24. Голландцев Ю.А. Вентильные индукторно-реактивные двигатели/Ю.А.Голландцев – С-П: Эл.прибор, 2003. – 148 с.

25. Стадухин А.А. Тяговый линейный электродвигатель быстроходного гусеничного шасси // Известия Академии инженерных наук РФ им. акад. А.М. Прохорова. Транспортно-технические машины и комплексы / Под ред. Ю.В. Гуляева. – Москва – Н. Новгород: НГТУ, 2006. Т. 16 – С. 202-207.

26. Бычков М.Г. Алгоритм проектирования вентильно-индукторного электропривода и его компьютерная реализация. – Электротехника. – 1997. ╧ 2. - С. 11 – 13.1.4.