Автоматизация проектирования электромеханического преобразователя вентильного тягового двигателя с помощью современных программных средств

Прошутинский Роман Игоревич; Колодкин Олег Владимирович

УДК 629.423.31

Р И. Прошутинский, О. В. Колодкин

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВЕНТИЛЬНОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ СОВРЕМЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ

Дата поступления: 29.01.2016 Решение о публикации: 29.01.2016

Цель: Разработать систему автоматизированного проектирования комплекса тягового электропривода как элемента системы автоматизированного проектирования электроподвижного состава. Современный подход к проектированию комплекса тягового электропривода заключается в разработке совокупности взаимосвязанных между собой систем, таких как тяговый электродвигатель, преобразователь, система управления. Наиболее ярким примером такой совокупности является вентильный тяговый двигатель, занимающий промежуточное положение между электрическими машинами и электроприводами. Работы над системой автоматизированного проектирования вентильного тягового двигателя целесообразно начать с разработки системы автоматизированного проектирования электромеханического преобразователя вентильного тягового двигателя. Методы: В основе разрабатываемой системы автоматизированного проектирования лежит методика проектирования электромеханического преобразователя вентильного тягового двигателя. На этапе расчета магнитной цепи электромеханического преобразователя применялась программа моделирования магнитных полей методом конечных элементов. Результаты: Предложена структурная схема системы автоматизированного проектирования электромеханического преобразователя вентильного тягового двигателя. Разработана расчетная программа на языке Octave. Получены результаты расчета магнитного поля электромеханического преобразователя вентильного тягового двигателя в программе конечноэлементного моделирования FEMM. По результатам расчетов магнитного поля построена характеристика намагничивания электромеханического преобразователя. Подтверждена целесообразность применения программы FEMM на этапе расчета магнитной цепи. Практическая значимость: Полученные результаты целесообразно использовать при создании учебно-исследовательской системы автоматизированного проектирования комплекса тягового электропривода. Разработка системы автоматизированного проектирования вентильных тяговых двигателей позволит отработать методы и приемы проектирования электромашинно-полупроводниковых комплексов тяговых электроприводов в целом.

Система автоматизированного проектирования, вентильный тяговый двигатель, электромеханический преобразователь, FEMM, характеристика намагничивания.

*Roman I. Proshutinsky, assistant lecturer, [email protected]; Oleg V. Kolodkin, Cand. Sci. (Eng.), assistant professor, [email protected] (Petersburg State Transport University) COMPUTER AIDED DESIGN OF ELECTROMECHANICAL TRANSDUCER OF SELF-COMMUTATED SYNCHRONOUS TRACTION MOTOR BY USING MODERN SOFTWARE

72

Objective: To develop a system of computer aided design for electrical traction drive complex, as a component of CAD for electric rolling stock. Modern approach for electrical traction drive complex design means the development of assembly of interconnected systems, such as electrical traction motor, transducer, control system, etc. The most striking instance of such an assembly is self-com mutated synchronous traction motor, that is somehow in-between electric machines and electric drives. It is usefull to start the developing of CAD of developing the CAD system for electromechanical transducer of self-commutated synchronous traction motor. Methods: In the base of CAD system under development there is a technology of design of electromechanical transducer of self-commutated synchronous traction motor. At the stage of electromechanical transducer magnetic circuit calculation the software for simulation of magnetic fields by finite elements method was used. Results: The paper suggests the structure diagram of CAD system for electromechanical transducer of self-commutated synchronous traction motor. Calculating software language is Octave. The paper provides the results of magnetic field calculations for electromechanical transducer of gated traction motor FEMM software for finite-element simulation. Based on the results of magnetic field calculations the magnetizatio of electromechanical transducer is plot. Also the practicability of FEMM software implementation at the design stage of magnetic circuit is confirmed. Practical importance: Obtained results are useful for creation of educational and research system for CAD for electric traction drive complex. Development of CAD system for self-commutated synchronous traction motor will allow to master methods and approaches of design for electric machines and semiconductor complexes of electric traction drives in general.

Computer aided design system, gated traction motor, electromechanical transducer, FEMM, magnetization curve.

Вентильный тяговый двигатель (ВТД) является электромашинно-полу-проводниковым комплексом, включающим в себя электромеханический преобразователь (ЭМП), полупроводниковый преобразователь частоты (ПЧ) и систему управления. Таким образом, он занимает промежуточное положение между классическими электрическими машинами и электроприводами. Эта особенность накладывает дополнительные условия при решении задач проектирования электромеханического преобразователя ВТД. Одно из таких условий - необходимость конструирования электродвигателей, адаптированных к определенному преобразователю частоты [2]. Задачу проектирования с учетом всего комплекса условий можно упростить, разработав исследовательскую систему автоматизированного проектирования (САПР) ВТД.

САПР ВТД

Исследовательская САПР создается под определенную конфигурацию ВТД (рис. 1), где ЭМП - синхронная электрическая машина нормального исполнения с электромагнитным возбуждением, снабженная демпферной клеткой, ПЧ - зависимый инвертор тока с естественной коммутацией, выполненный на базе однооперационных тиристоров по схеме с явным звеном

73

L1 UZ1

Рис. 1. Схема вентильного тягового двигателя:

M1 - электромеханический преобразователь (ЭМП);

UZ1 - преобразователь частоты (ПЧ); L1 - сглаживающий реактор; VS1, VS2, C1 - элементы контура искусственной коммутации

постоянного тока. Такой вариант ВТД применен на нескольких семействах французских скоростных поездов TGV, а также на опытных отечественных электровозах ЭП200.

Создаваемая исследовательская САПР имеет модульную компоновку и состоит из следующих модулей-подсистем:

• САПР ЭМП;

• САПР ПЧ;

• модуль синтеза системы автоматического регулирования;

• модуль моделирования переходных процессов в ВТД.

Указанные подсистемы взаимодействуют между собой в процессе проектирования ВТД.

САПР ЭМП ВТД

В настоящее время ведется работа над созданием САПР ЭМП.

Данная САПР строится по модульному принципу (рис. 2). Модули могут работать как в комплексе, обеспечивая полный расчет машины, так и автономно - для проведения расчетов на отдельных этапах [1].

В основе САПР ЭМП лежит методика поверочного расчета ЭМП ВТД [4]. На стадии расчета активного слоя якоря (на этапе 2) дополнительно используются материалы из [5]. Расчет массы (этап 10) ведется по методике, изложенной в [6].

Результирующая расчетная методика перенесена на язык свободно распространяемого математического пакета Octave версии 3.6.4 [8]. Для проверки адекватности получаемых результатов рассчитана электрическая машина

74

75

Рис. 2. Структура САПР ЭМП ВТД

с параметрами тягового двигателя НБ-601. В результате установлено, что получаемая характеристика намагничивания имеет расхождение с опытной кривой в области насыщения магнитной цепи машины.

Повышение точности расчетов магнитной цепи ЭМП ВТД

Для повышения точности расчетов характеристик намагничивания применена свободно распространяемая программа конечно-элементного моделирования FEMM версии 4.2 [7].

Последовательность автоматизированного построения характеристики на этапе 4 с помощью скрипт-программы на языке Octave:

1) создание модели расчетной области - одного полюсного деления

ЭМП:

• задание геометрических параметров расчетной области по исходным данным;

• задание параметров материалов стали сердечников (в том числе кривых намагничивания), меди обмоток, воздуха;

• задание величины тока в обмотке возбуждения I с использованием цепных свойств;

• сопоставление параметров материалов и величины тока конкретным участкам расчетной области с помощью меток блоков;

• задание граничных условий на краях расчетной области. В данном случае применены условия Дирихле A = 0, сопоставленные с краями внутренней поверхности ротора и внешней поверхностью статора, а также антипериодические граничные условия, примененные (попарно) к отрезкам, составляющим боковые границы модели;

2) проведение серии решений двумерных стационарных задач магнитного поля постоянных токов для 1в от 25 до 200 А с шагом 25 А. В результате каждого расчета получение распределения векторного магнитного потенциала (ВМП) A (рис. 3);

3) установление в каждом случае по полученному распределению ВМП значения магнитного потока Ф через криволинейный контур, расположенный на поверхности якоря на полюсном делении;

4) сопоставление в каждом случае вычисленного значения Ф соответствующему значению тока возбуждения 1в;

5) построение характеристики намагничивания в табличной и графической форме.

В указанной последовательности была рассчитана характеристика намагничивания для тягового двигателя НБ-601. Данная характеристика приведена на рис. 4 вместе с опытной кривой двигателя НБ-601 [3] и с кривой

76

намагничивания, полученной расчетом по методике [4]. Из рис. 4 видно, что полученная с помощью программы FEMM характеристика намагничивания имеет в зоне 1в > 80 А лучшую сходимость с опытной кривой. Благодаря

Рис. 3. Результат расчета магнитного поля ЭМП ВТД НБ-601 в режиме холостого хода при токе возбуждения номинального режима I = 205 А - картина линий равного векторного магнитного потенциала и направлений вектора магнитной индукции

Ф, Вб

Рис. 4. Опытная и расчетные характеристики намагничивания ЭМП ВТД НБ-601

77

этому уточняется расчет электромеханических характеристик ВТД в зоне пуска и малых скоростей движения.

Выводы

Предложена структура САПР ЭМП ВТД как элемента исследовательской САПР ВТД. В основу САПР ЭМП ВТД положены известные расчетные методики, перенесенные на язык математической программы Octave. В САПР ЭМП ВТД на этапе расчета магнитной цепи применен метод конечноэлементного моделирования магнитных полей, реализованный в программе FEMM. Показано, что применение программы FEMM в САПР ЭМП ВТД позволяет повысить точность и наглядность расчета магнитной цепи ЭМП.

Библиографический список

1. Автоматизированное проектирование электрических машин / под ред. Ю. Б. Бородулина. - М. : Высш. шк., 1989. - 280 с.

2. Аракелян А. К. Вентильные электрические машины в системах регулируемых электроприводов. В 2 т. Т. 1 / А. К. Аракелян, А. А. Афанасьев. - М. : Высш. шк., 2006. -546 с.

3. Курбасов А. С. Результаты испытаний вентильного тягового двигателя / А. С. Кур-басов, В. А. Сенаторов, В. В. Шумейко // Вестн. ВНИИЖТ. - 1973. - № 1. - С. 1-5.

4. Проектирование тяговых электрических машин / под ред. М. Д. Находкина. - М. : Транспорт, 1976. - 624 с.

5. Проектирование тяговых электродвигателей / под ред. А. С. Курбасова. - М. : Транспорт, 1987. - 536 с.

6. Проектирование электрических машин / под ред. О. Д. Гольдберга. - М. : Высш. шк., 1984. - 431 с.

7. Finite Element Method Magnetics. - URL : http://www.femm.info (дата обращения

09.08.2015) .

8. GNU Octave. - URL : https://www.gnu.org/software/octave (дата обращения

09.08.2015) .

References

1. Avtomatizirovannoye proyektirovaniye elektricheskikh mashin [Computer aided design of electric machines]; ed. Yu. B. Borodulin. Moscow, Vysshaya shkola, 1989. 280 p.

2. Arakelyan А. K. & Afanas’ev А. А. Ventil’nyye elektricheskiye mashiny v sistemakh reguliruyemykh elektroprivodov [within the systems of controlled electric drives]. In 2. Vol. 1. Moscow, Vysshaya shkola, 2006. 546 p.

78

3. Kurbasov A. S., Senatorov V. А. & Shumeiko V. V. Vestnik VNIIZhT- Bul. Railway Res. Inst., 1973, no. 1, pp. 1-5.

4. Proyektirovaniye tyagovykh elektricheskikh mashin [Electric traction machine design]; ed. M. D. Nakhodkin. Moscow, Transport, 1976. 624 p.

5. Proyektirovaniye tyagovykh elektrodvigateley [Electric traction motor design]; ed. A. S. Kurbasov. Moscow, Transport, 1987. 536 p.

6. Proyektirovaniye elektricheskikh mashin [Electric machine design]; ed. О. D. Goldberg. - Moscow, Vysshaya shkola, 1984. 431 p.

7. Finite Element Method Magnetics, available at: http://www.femm.info.

8. GNU Octave, available at: https://www.gnu.org/software/octave.

*ПРОШУТИНСКИЙ Роман Игоревич - ассистент, [email protected]; КОЛОДКИН Олег Владимирович - канд. техн. наук, доцент, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).

79