Учебное пособие 800516

ОГ мощностью 300 Вт в операционной среде Matlab. На графиках показано возрастание напряжения ОГ при разгоне поезда. Совместное рассмотрение полученных зависимостей при вариации числа фаз обмотки корректно только при одинаковом числе активных проводников обмотки, чисел полюсов индуктора и геометрических размерах электрической машины.

Рис. 2. Разгон 3-фазного ОГ при номинальной нагрузке (вертикальная ось – ЭДС, о.е., горизонтальная ось – время, сек.)

Рис. 3. Разгон 6-фазного ОГ (6 фаз последовательно) (вертикальная ось – ЭДС, о.е., горизонтальная ось – время, сек.)

41

Нетрудно заметить повышение уровня ЭДС шестифазного ОГ по сравнению с трехфазным при одинаковых размерах и обмоточных данных.

Остальные технические характеристики многофазных ОГ для сравнения приведены в таблице.

Основные характеристики многофазных ОГ

42

Нетрудно заметить, что при существенном усложнении схемы коммутации вентилей при использовании многофазных схем выпрямления напряжения, энергетические характеристики системы «ОГ-многофазный выпрямитель» при использовании четырех и шестифазных схем улучшаются. Одновременно достигается требуемый запас мощности ОГ для форсированной зарядки АКБ.

Развитие системы электроснабжения предполагается в виде расширения функционала систем информационного взаимодействия с центром управления – базовой станцией сотовой связи, интегрированной в подсистему ГЛОНАСС (GPS). Мощность генератора при этом будет варьироваться в зависимости от вида ТС: полувагон, цистерна, платформа и т.п.

Необходимо отметить, что выводы авторов настоящей работы основаны на проведенных за последние годы в ЗАО «МЭЛ» опытно-конструкторских работах по созданию серии ОГ. Серия будет содержать три исполнения ОГ в габаритных размерах железнодорожного транспорта 120, 160 и 200 мм номинальной мощностью 25, 40 и 90 Вт соответственно при минимальных частотах вращения около 20 об/мин, что соответствует максимальной мощности 600, 1000 и 2000 Вт при максимальной скорости 800 об/мин.

Литература

1.Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года (в редакции Постановления Правительства РФ от 17.06.2008 г. № 877-р). – М.: Транспорт. – 132 с.

2.Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики / под ред. В. В. Сапожникова. – М.: Транспорт. 1995. – 272 с.

ЗАО «МЭЛ», г. Воронеж Воронежский государственный технический университет

43

УДК 621.313.292

С. С. Дзюбан, А. В. Кайгородов, О. А. Киселёва

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВИНТОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ АВАРИЙНОЙ ПЕРЕКАЧКИ НЕФТИ

в исполнительном двигателе, так и в преобразователе частоты. Рассмотрены возможности повышения надежности системы за счет резервирования элементов и использования различных исполнительных электродвигателей. Показано, что можно резервировать не только аппаратные элементы, но и обеспечивать резерв за счет алгоритмических решений.

Ключевые слова: электропривод, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, бесконтактный двигатель постоянного тока, винтовой насос, надежность.

Применение станций блочного типа, установленных на автомобильном шасси, для аварийной перекачки нефтегазовой смеси позволяет обеспечить полную откачку нефтегазоконденсатной смеси не в передвижные топливные емкости, а в параллельный действующий трубопровод [1].

К достоинствам винтового насоса для перекачки нефти можно отнести:

-подачу жидкости ровным потоком, что позволяет не перемешивать жидкость, сохранять ее структуру;

-устойчиво работают с густыми веществами, такими как нефтепродукты;

-поддерживать высокое давление при перекачке;

-простота конструкции;

-небольшие габариты;

-низкий уровень шума.

Для перекачки нефти в аварийных режимах при питании от автономных источников применяют как одновинтовые насосы, так

идвухвинтовые. Они имеют высоким КПД. В связи с тем, что в данной ситуации используется автономный источник питания, то необходимо рассматривать варианты питания от дизель-генератора

иаккумуляторных устройств. При питании от дизель-генератора надежнее применять асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а при питании от аккумуляторных устройств можно

44

использовать электропривод с бесконтактным двигателем постоянного тока [2, 3]. Принятие решения о необходимости переключения в резервированные режимы можно обеспечить только при наличии диагностики электропривода. Определяющим показателем в таких случаях будет время переключения из одного режима работы в другой, заранее заложенный в программу перехода в случае определённых отказов.

За счет избыточности в такой автономной системе можно достигнуть повышения надежности, но это связано с увеличением габаритов и веса устройства, поэтому необходимо искать возможности разработки алгоритмов, которые позволяют восстанавливать работоспособность при определенных, наиболее часто встречающихся отказах в преобразователях.

Существуют системы управления электроприводов на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, а также на основе бесконтактного двигателя постоянного тока, где заложен алгоритм восстановлением работоспособности.

В трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором при аварии надёжность можно повысить за счет алгоритма введения дополнительных гармоник [1]. Для построения систем управления с бесконтактным двигателем постоянного тока были рассмотрены различные варианты работы электропривода от автономного источника питания аккумуляторного типа. При исследовании математической модели различных ситуаций [2–4] получены результаты динамических и статических характеристик, которые подтвердили возможность применения в критических случаях этих электроприводов.

Для повышения надежности электропривода с асинхронным двигателем необходимо получать информацию о состоянии элементов преобразователя частоты и двигателя. Эту функцию может выполнить дополнительный блок диагностики. Этот блок собирает и обрабатывает информацию с датчиков состояния. Частота, с которой проходит опрос, равна или пропорциональна частоте импульсной модуляции. Полученная с датчиков состояний информация об отклонениях параметров различных ячеек в преобразователе частоты анализируется и сводится к эквивалентному параметру, по которому принимается решение о состоянии системы. В тех случаях, когда наступает аварийный режим, рассматривается вопрос восстановления. В режиме

45

восстановления качество процесса управления снижается, но появляется возможность продолжения непрерывной работы до перехода на резервные системы.

Это особенно важно в данном случае, так как одна авария на трубопроводе уже произошла, поэтому необходимо обеспечить перекачку нефти в другой трубопровод. Система перекачки мобильная, ремонт в полевых условиях практически не возможен, а применение алгоритмов восстановления, даже при снижении качества позволит решить эту задачу.

Литература

1. Дзюбан С. С. Электропривод насоса для перекачки нефти в аварийных ситуациях / С. С. Дзюбан, А. В. Кайгородов, О. А. Киселёва // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Всерос. студенческая науч.-техн. конф. – Воронеж,

14-15 мая 2018. – С. 84-85.

2. Киселёва О. А. Математическая модель системы управления бесконтактным двигателем постоянного тока / О. А. Киселёва, А. В. Романов, Д. П. Киселёв // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. – 2015. – № 1(8). – С. 3.

3. Винокуров С. А. Методология синтеза электромеханических систем с бесконтактным двигателем постоянного тока с накоплением информации о состоянии / С. А. Винокуров, О. А. Киселёва, В. Е. Букатова // Системы управления и информационные технологии. 2008. – Т.34. – № 4-1. – С. 153-156.

4. Киселёва О. А. Исследование электроприводов с бесконтактными двигателями постоянного тока с позиции методологии логико-динамических систем / О. А. Киселёва, С. А. Винокуров, В. Е. Букатова // Системы управления и информационные технологии. 2008. – Т.33. – № 3. – С. 89-93.

Воронежский государственный технический университет

46

УДК 621.313.2

В. С. Шевляков

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОЛЫМ ЯКОРЕМ

ПО УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

Проводится исследование зависимости допустимой полезной мощности электродвигателя в зависимости от параметров магнитной системы.

Ключевые слова: двигатель постоянного тока, полый якорь, воздушный зазор, магнитная система, метод конечных элементов.

При проектировании электрических машин первоочередной задачей является определение геометрических размеров и оптимального соотношения составляющих магнитной системы электродвигателя.

Исследуемый электродвигатель постоянного тока, содержит полый немагнитный ротор с якорной обмоткой и магнитную систему на основе постоянного магнита цилиндрической формы.

Конструкция магнитопровода представлена на рис. 1.

Рис. 1. Поперечное сечение магнитной системы электродвигателя

сполым якорем:

1– вал; 2 – воздушный зазор δ1 между валом и втулкой; 3 – втулка; 4 – магнит; 5 – воздушный зазор δ2 между якорем и магнитом; 6 – якорь;

7 – воздушный зазор δ3 между якорем и корпусом; 8 – корпус;

Dв – диаметр вала; Dв1 – внутренний диаметр втулки; Dв2 – внешний

диаметр втулки; Dм1 – внутренний диаметр магнита; Dм2 – внешний диаметр магнита; Dк1 – внутренний диаметр корпуса; Dк2 – внешний диаметр корпуса

47

Изменение толщины корпуса, толщины якоря, диаметра втулки, диаметра магнита в программном комплексе ANSYS Maxwell позволяет получить различные значения магнитного потока на метр длины двигателя (Вб/м) при заданном диаметре двигателя 20 мм.

Результаты, полученные в процессе конечно-элементного моделирования, позволяют рассчитать параметры якоря: количество витков в фазе, сечение провода, сопротивление якоря, потери мощности в якоре.

На основе этих данных произведен расчет максимальной полезной мощности, которую можно получить в заданном объеме электродвигателя, а также его КПД.

1. Средний радиус якоря, мм:

где – толщина корпуса, мм; hя – толщина якоря, мм.

2. Средняя ширина секции, мм:

. (2)

3. Длина магнита, мм:

где λ = 1,7 – отношение длины магнита к диаметру двигателя.

4. Магнитный поток на полюс двигателя, Вб:

где Ф – магнитный поток на метр длины двигателя, Вб/м.

48

7. Площадь поперечного сечения изолированного провода,

мм2:

где Sn, мм2 – площадь паза; – коэффициент заполнения паза.

7.1. Предельно допустимый потребляемый ток в

49

7.2. Допустимая потребляемая мощность, Вт:

. (14)

7.3. Средняя длина витка секции, мм:

. (15)

7.4. Суммарная длина проводников двух фаз:

. (16)

8. Активное сопротивление якоря, Ом:

где ρ = 0,0175 – удельное сопротивление меди.

9. Потери мощности в обмотке электродвигателя, Вт:

. (18)

9.1. Полезная мощность на валу электродвигателя без учета потерь на трение в подшипниках и аэродинамических потерь в воздушных зазорах:

. (19)

10. Расчетный КПД электродвигателя при максимально допустимом токе, :

. (20)

Результаты расчета сведены в табл. 1, 2.

50