ТЕМА ОТЧЕТА ПО ПРЕДДИПЛОМНОЙ ПРАКТИКЕ:"ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ТИПА ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Содержание

Введение…………………………………………………………………………….3

1Общие сведения по ВИД…………………………………………………………5

2 Особенности конструктивного исполнения тягового привода вентильно-индукорного типа …………………………………………………………………14

3 НТИ-350 для электропоезда…………………………………………………......17

Заключение…………………………………………………………………………30

Список использованных источников……………………………………………..32

Введение

Одним из условий успешного развития экономики Российской Федерации является наличие эффективной и надежной транспортной системы, что предопределяет высокие требования к качеству подвижного состава железных дорог.

Тяговый электродвигатель является одним из основных элементов подвижного состава. Поэтому улучшение его характеристик является одной из первостепенных задач, стоящих на пути создания подвижного состава нового поколения. Долгое время решение этой задачи прочно связывалось с применением более эффективных материалов, технологий производства и конструктивных решений.

В процессе эволюции подвижного состава на протяжении длительного времени применялись коллекторные электрические машины постоянного тока, что было обусловлено такими их качествами, как простота конструкции и управления. Наряду с этим, существенным недостатком является наличие коллекторно-щеточного аппарата.

В настоящее время на самоходном подвижном составе повсеместно находят применение бесколлекторные электрические машины переменного тока (синхронные тяговые генераторы и асинхронные тяговые двигатели), главным образом по причине высокой мощности и надежности. Однако, такие машины требуют наличия сложных микропроцессорных систем управления и преобразования энергии.

Вместе с тем, появляются новые виды высокоэффективных электрических машин, которые имеют перспективы использования на железнодорожном подвижном составе. К их числу относятся вентильно-индукторные машины (ВИМ), которые находят применение главным образом как двигатели в составе тяговых и вспомогательных электроприводов. Вместе с тем, и в качестве генератора такая машина представляет значительный интерес для подвижного состава, в том числе как подвагонный генератор.

Вентильно-индукторный двигатель (ВИД) представляет собой шаговый двигатель, работающий в режиме постоянного вращения. Поэтому, его можно отнести к классу синхронных реактивных машин. В мировой технической литературе ВИД имеет много других названий: управляемый вентильный реактивный двигатель, коммутируемый реактивный двигатель с переменным магнитным сопротивлением, электронно–коммутируемый двигатель, бесконтактный реактивный двигатель, двигатель с электромагнитной редукцией.

ВИД имеет более высокий коэффициент полезного действия в широком диапазоне частот вращения и крутящего момента, в отличие от частотно-регулируемого асинхронного двигателя и коллекторного двигателя, что установлено теоретически и подтверждено экспериментально.

1 Общие сведения по вид

ВИД – относительно новый тип регулируемых электрических машин, активно развивающийся последние десятилетия.В зарубежной научно-технической литературе он встречается под аббревиатурой SwitchedReluctanceMotor (SRM). 

Начало работ по созданию вентильно-индукторных электроприводов с ВИД связано с именами зарубежных ученых J.V.Byrne и P.J.Lawrenson, при этом наиболее полно основные сведения о SRM представлены в монографии T.J.Miller.

По сравнению с традиционными конструкциями электрических машин ВИД обладают рядом неоспоримых преимуществ: конструктивно более просты, надёжны, относительно недороги, имеют более высокие энергетические характеристики. КПД ВИД выше КПД синхронных и асинхронных двигателей и уступает по этому показателю лишь двигателям с постоянными магнитами. Вместе с тем, двигателям типа ВИД свойственны характерные для них недостатки – повышенный акустический шум и пульсации электромагнитного момента.

Конструктивно ВИД подобен шаговому двигателю. Однако питание его обмоток осуществляется однополярными импульсами тока по сигналам от датчика положения ротора, позволило перейти ВИД из исполнительных механизмов в класс устройств, главной функцией которых является электромеханическое преобразование энергии. Питание обмоток от преобразователя частоты с обратной связью в зависимости от положения ротора обеспечивает высокие технико-экономические показатели и позволяет применять ВИД в качестве управляемого двигателя в широком диапазоне мощностей. 

От традиционных конструкций электрических машин ВИД отличает повышенная надежность, обусловленная отсутствием обмоток на роторе и применением для возбуждения полюсов статора простых и надежных сосредоточенных обмоток, не имеющих пересечений смежных катушек в лобовых частях. По простоте устройства и надежности ВИД превосходит асинхронный двигатель, трудоемкость его изготовления в серийном производстве в 1,5... 2 раза меньше, чем у АД. При этом КПД ВИД на 2... 5 % выше. 

По сравнению с синхронными вентильными двигателями с электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов ВИД конструктивно проще и надежнее, стоимость его существенно ниже. Характеристики ВИД находятся на уровне характеристик вентильных двигателей с постоянными магнитами. Следует отметить также повышенную надежность силового инвертора индукторной машины, которая обусловлена схемными решениями, исключающими возможность сквозных коротких замыканий в инверторе. Диапазон мощностей, создаваемых ВИД, сегодня достаточно широк: от нескольких ватт до сотен киловатт. 

Главным сдерживающим фактором в практическом развитии ВИД явилось то обстоятельство, что указанный тип электрической машины не работает без электронного коммутатора, обеспечивающего вентильный принцип питания обмоток с обратной связью по положению ротора. Ближайшими конструктивными аналогами ВИД являются широко известные шаговые электродвигатели. Однако организация питания, электромагнитные процессы и энергетические показатели уВИД, благодаря использованию обратной связи по положению ротора, существенно отличаются.

Вентильно-индукторный электропривод на базе ВИД имеет структуру, аналогичную электроприводу с вентильными двигателями с электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов с обратной связью по положению ротора. Он включает в себя непосредственно двигатель, преобразователь частоты (инвертор и фильтр) и датчик положения ротора (ДПР). Структура электропривода с ВИД изображена на рисунке 1.

Преобразователь частоты включает в себя выпрямитель с фильтром (при питании привода от звена переменного тока) и инвертор. Для питания ВИД чаще всего используется полумостовой инвертор с двумя ключами на каждую фазу (рисунок 2). Особенностью работы такой схемы является то, что между управляемыми ключами всегда оказывается включенной индуктивность (фазная обмотка), ограничивающая скорость нарастания тока. Это практически исключает сквозные короткие замыкания в инверторе, которые свойственны классическим схемам инверторов для питания асинхронных двигателей с частотным управлением и для вентильных двигателей синхронного типа.

Управление работой инвертора и соответственно двигателя осуществляется от блока управления.

Рисунок 1–Структура электропривода с ВИД

Рисунок 2 –Схема полумостового инвертора

На рисунке 3 показано принципиальное устройство активной зоны трехфазного ВИД.

Шихтованный магнитопровод статора имеет полюса, охваченные фазными катушками. При этом каждая фаза имеет катушки, размещенные через равные промежутки так, что одноименные фазные катушки попарно расположены диаметрально. Такое расположение одноименных катушек исключает появление нескомпенсированных радиальных сил притяжения. Кроме того, их парно-согласное включение обеспечивает отсутствие взаимной индуктивности между фазами (в ненасыщенной машине) по пути основного магнитного потока. Взаимная индуктивность по полям рассеяния (в основном пазового) незначительна, и ею часто пренебрегают. Поэтому считается, что фазы ВИД работают независимо друг от друга. Ротор имеет также шихтованный магнитопровод с явно выраженной зубчатостью, но без обмотки. Обмотка статора одновременно выполняет две функции – создание потока возбуждения и образование рабочей ЭДС.

Характер магнитного поля ВИД при возбуждении полюсов одной фазы свидетельствует об отсутствии взаимной индукции между фазами по пути основного потока (рисунок 4).

Рисунок 3 –Магнитная система ВИД с конфигурацией

зубцового слоя 12/8

Рисунок 4 –Магнитное поле ВИД с одной возбуждённой фазой

Питание обмоток ВИД от преобразователя частоты позволяет рассматривать число фаз двигателя как варьируемую в процессе проектирования величину, существенно влияющую на технико-экономические показатели электропривода. Из практики известны примеры использования двигателей с числом фаз m= 1, 2, 3, 6, 5 и 9. Многофазность формируется соответствующим размещением на статоре фазных полюсов. Угловой сдвиг между осями соседних разноименных полюсов симметричного многофазного ВИД должен составлять

где =;

= 1,2… и

В ВИД обмотка выполняется конструктивно по типу обмотки возбуждения машины постоянного тока. Простота конструкции статора и отсутствие обмоток на роторе обеспечивают двигателю высокую надежность.

Принцип образования момента основан на свойстве притяжения к возбуждённому полюсу (полюсы статора с обмотками) ферромагнетиков (зубцов ротора) (рисунок 5). При этом тангенциальная составляющая усилия непосредственно участвует в создании электромагнитного момента, а нормальная составляющаяв симметричной машине оказывается скомпенсированной взаимодействием диаметрально расположенной пары «полюс статора – зубец ротора».

Рисунок 5 – Силы, действующие на зубец ротора

Рабочий процесс в ВИД протекает следующим образом. При подаче однополярного импульса тока в фазную обмотку полюс возбуждается, и на ближайшие зубцы ротора действуют силы притяжения (рисунок 5). Под действием электромагнитного момента

где – внешний диаметр ротора,зубцы ротора стремятся занять с

возбужденным полюсом соосное положение.

Для однонаправленного вращения ротора ток в обмотку подается при взаимном положении «полюс статора – паз ротора», а в положении «полюс статора – зубец ротора» обмотка обесточивается. Для своевременного питания фазных катушек в двигателе предусмотрен датчик положения ротора, сигналы с которого используются в качестве исходной информации при выработке стратегии управления ВИД. Простейшая конструкция диска ДПР трёхфазного ВИД приведена на рисунке 1.6.

Рисунок 6 –Датчик положения ротора

В настоящее время разработкой и внедрением вентильно-индукторных приводов занимаются практически все ведущие электротехнические компании – «Oulton» (Великобритания), «Emerson Electric», TRW, DANA, «General Electric Company» (США) и др. Над технологией проектирования и способами управления этих машин также работают ученые ведущих университетов Великобритании, Германии и др. 

В России наиболее активно занимаются разработкой ВИД в Южно-Российском государственном техническом университете (ЮРГТУ), Московском энергетическом институте (техническом университете), Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ»), Ростовском государственном университете путей сообщения и др. Есть основания полагать, что в ближайшее время вентильно-индукторные приводы составят серьезную альтернативу электроприводам традиционных типов.[1] 

Проектирование вентильно-индукторных приводов отличается спецификой, обусловленной двухсторонней явно выраженной зубчатостью магнитной системы и значительным влиянием насыщения зубцового слоя на электромагнитные процессы. В последнее время достаточно хорошо изучены компьютерное моделирование процессов в таких приводах, выбор структуры и геометрии зубцового слоя ВИД. Имеются разработки алгоритмов питания обмоток и работы преобразователей частоты, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели. Созданные методологии проектирования и компьютерные модели позволяют на уровне мгновенных значений электромагнитных величин с высокой точностью определять функциональные параметры вентильно-индукторных приводов.

Применительно к отечественному электроподвижному составу работы по созданию вентильных приводов были начаты в 1990 г. На первых этапах исследований ограничивались определением рабочих характеристик двигателей вспомогательных приводов: мощностью 5 кВт — для привода компрессора электропоезда и мощностью 37 кВт — для регулируемого привода вентиляторов электровозов. 

Результаты исследований подтвердили расчетные параметры, что позволило продолжить исследования в области более высоких мощностей применительно к широкорегулируемым тяговым двигателям электровозов и электропоездов. Были изготовлены макетные образцы тяговых ВИД разных мощностей: 340 кВт—для безредукторного привода тепловоза с силовым преобразователем на тиристорах; 720 кВт — для привода тягового агрегата с силовым преобразователем на тиристорах; 350 кВт (тяговый двигатель НТИ-350) — для привода электропоезда на транзисторных IGBT-модулях производства фирмы «Hitachi» (Япония). 

Из выше сказанного, можно заключить, что ВИД является как электрической машиной, так и интегрированной системой регулируемого привода. Он представляет собой органическое единство индукторной машины (ИМ), преобразователя частоты и микропроцессорной системы управления. Поэтому все его достоинства можно разделить на две группы:

- характеристики, обусловленные ИМ;

-характеристики, обусловленные преобразователем частоты и системой управления;

В соответствии с этими группами ниже приведены достоинства ВИД:

-простота и технологичность конструкции индукционной машины;

- возможность работы на больших частотах вращения;

- низкая себестоимость;

- низкие потери в роторе;

- высокая надежность;

- минимальные температурные эффекты;

- низкий момент инерции;

- высокая ремонтопригодность;

- возможность работы в агрессивных средах.

Достоинства вентильно-индукторного двигателя, обусловленные преобразователем частоты и системой управления:

- высокие массогабаритные и энергетические характеристики.

- возможность оптимального управления процессом электромеханического[2].