Введение к работе
Актуальность темы
Одним из наиболее энергоемких этапов производства двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются стендовые испытания. В процессе их проведения с помощью электрических нагружающих устройств (НУ) имитируется реальная нагрузка ДВС, производится отладка, экспериментально определяются качественные и количественные характеристики испытуемых двигателей. При полезном использовании энергии ДВС современные испытательные станции могут стать дополнительной электрогенерирующей составляющей в энергетическом балансе моторостроительных предприятий. Особенностью испытательных стендов является то, что основным регулируемым параметром является нагрузочный момент, точность измерения, задания и стабилизации которого определяет качество испытаний и количественные показатели настройки выпускаемых ДВС, в частности, удельный расход топлива.
Измерителем нагрузочного момента, как правило, является тензометрический датчик, встраиваемый под упор статора балансирной нагрузочной машины или в линию вала. Такая электромеханическая система (ЭМС) обладает явно выраженными упругими свойствами.
Качество испытаний и эффективность использования энергии испытуемого ДВС определяется включением в состав структуры нагружающего устройства силового полупроводникового регулятора нагрузочного момента и скорости, обеспечивающего требуемое управление, стабилизацию регулируемого параметра и рекуперацию энергии ДВС. Однако несинусоидальность токов нагрузочной машины и дискретность работы цилиндров ДВС приводит к появлению периодических возмущающих воздействий в виде колебаний момента, что может являться причиной возникновения резонансных явлений в системе ДВС-НУ.
Резонансные явления нежелательны в системе ДВС-НУ – они приводят к перегрузкам в упругих элементах системы и даже разрушению используемого для измерения нагрузочного момента тензометрического датчика. Поэтому наиболее общей задачей, требующей решения для данных систем, является уменьшение или устранение резонансных явлений.
Эта задача может быть решена путем:
проведения параметрического синтеза электромеханической системы;
построения замкнутой системы регулирования по мгновенному значению нагрузочного момента с использованием электрического датчика момента.
Настоящая диссертация является продолжением исследований систем ДВС-НУ. В работе наибольшее внимание уделено математическому моделированию ЭМС как многомассовой системы, применению математических методов для сокращения времени расчетов при параметрическом синтезе системы ДВС-НУ, исследованию электромагнитной жесткости как функции токов в электрической машине, применению современной электронной базы для создания датчика электромагнитного момента для замкнутой системы автоматического регулирования.
Целью диссертационной работы является: параметрический синтез силовой структуры системы ДВС-НУ и разработка датчика мгновенного значения нагрузочного момента для системы автоматического регулирования с целью снижения величины упругих колебаний в элементах системы.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ существующих схем полупроводниковых силовых регуляторов с точки зрения целесообразности применения их в нагружающих устройствах.
-
Разработка математической модели многомассовой электромеханической системы с упругими связями, позволяющей рассчитывать величину упругих колебаний в элементах системы.
-
Исследование максимальных динамических усилий в упругих элементах системы ДВС-НУ при варьировании исходных силовых параметров. Определение возможности сокращения машинных затрат при расчете усилий, выявление способов параметрической минимизации усилий в ЭМС и целесообразности применения специальных математических алгоритмов отыскания целевой функции.
-
Развитие понятия электромагнитной жесткости нагрузочной машины. Исследование влияния электромагнитной жесткости на максимальные усилия в элементах исследуемой системы с целью определения целесообразности ее учета. Разработка методики расчета электромагнитной жесткости с использованием матричных преобразований для машины переменного тока с фазным ротором.
-
Анализ методов измерения момента в упругих элементах ЭМС. Исследование возможности применения микропроцессорного датчика мгновенного значения электромагнитного момента в качестве датчика обратной связи по моменту.
-
Разработка структурной схемы и алгоритма программы универсального микропроцессорного датчика мгновенного значения электромагнитного момента, позволяющего использовать его системе управления НУ в качестве датчика обратной связи по моменту. Разработка методики выбора элементов и наиболее эффективного применения математических преобразований с учетом необходимой точности и быстродействия преобразования входных величин.
Методы исследования. В теоретическом исследовании использованы методы общей теории машин переменного тока, с применением теории колебаний многомассовых электромеханических систем. Для проверки и уточнения полученных теоретических результатов проведены экспериментальные исследования на физических моделях, лабораторных установках и опытных образцах.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
-
-
-
Разработана математическая модель системы ДВС-НУ с нагрузочной асинхронной машиной с фазным ротором и силовым полупроводниковым регулятором момента и скорости, позволяющая проводить параметрический синтез силовой структуры системы с учетом электромагнитной жесткости нагружающей электрической машины.
-
Обоснована необходимость учета электромагнитной жесткости в системе ДВС-НУ и разработан метод расчета электромагнитной жесткости для асинхронной машины с фазным ротором с использованием линеаризованных уравнений для малых отклонений, позволивший установить связь между электромагнитной жесткостью и токами электрической машины.
-
Обоснована целесообразность применения специальных математических методов для нахождения целевой функции, позволяющих существенно сократить время проектирования электромеханической системы.
-
Разработаны теоретические основы и создан датчик мгновенного значения электромагнитного момента и электромагнитной жесткости, позволяющий с высокой точностью измерять электромагнитные момент и жесткость.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработана инженерная методика расчета максимальных динамических усилий “по резонансным точкам”, позволяющая существенно сократить время расчетов. Обоснована целесообразность варьирования силовых параметров для конкретной электромеханической системы.
-
Разработаны расчетно-исследовательские программные продукты “GraphStrain” для расчета и графоаналитического представления максимальных динамических усилий в системе ДВС-НУ при варьировании произвольного исходного параметра ее силовой схемы, а также программный модуль нахождения целевой функции для системы ДВС-НУ при 2-х исходных варьируемых параметрах (“GraphStrain2”).
-
Разработана методика выбора и применения специальных математических алгоритмов глобального поиска для нахождения сформулированной целевой функции, позволяющая с минимальными потерями точности сократить время нахождения целевой функции ЭМС.
-
Разработана инженерная методика выбора элементов микропроцессорного датчика электромагнитного момента. Разработан опытный образец микропроцессорного датчика мгновенного значения электромагнитного момента, схема сопряжения и программный модуль для взаимодействия разработанного датчика с ЭВМ.
Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью используемых методов математического моделирования, экспериментальными исследованиями, а также практическим использованием разработанных методик расчета и опытно-промышленных образцов.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде методик расчета, моделирования и анализа, а также компьютерных программ и опытно-промышленных образцов внедрены в ООО ”Интермодуль” (г.Нижний Новгород), результаты диссертации также внедрены в учебные процессы кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта» Волжской государственной академии водного транспорта, а также кафедры «Электрооборудование судов» Нижегородского государственного технического университета.
Публикация и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получено 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:
“Актуальные проблемы электроэнергетики” (Н.Новгород: НГТУ, 1999 - 2005 гг.)
Седьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (Москва: МЭИ, 2001г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 142 страницы основного текста, содержит 66 рисунков, список литературы из 132 наименований, 18 страниц приложений.
Похожие диссертации на Электрические нагружающие устройства для испытаний двигателей внутреннего сгорания
-
-
-
