Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Харківський державний політехнічний університет
УДК 621.313.13.518
ДОСЛІДЖЕННЯ МЕЖ ВИКОРИСТАННЯ ЛІНІЙНОГО СИНХРОННОГО ДВИГУНА ДЛЯ РОЗВАНТАЖЕННЯ СИСТЕМИ ПІДВІСУ МАГНІТОЛЕВІТНОГО ТРАНСПОРТУ
Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Робота виконана в Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України.
|
Науковий керівник |
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Сергеєв Сергій Олександрович, Харківський державний політехнічний університет, старший науковий співробітник кафедри автоматизованих електромеханічних систем |
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, доцент Шинкаренко Василь Федорович, Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, виконуючий обов’язки завідуючого кафедрою електромеханіки
Кандидат технічних наук Щукін Ігор Сергійович, Харківський державний політехнічний університет, доцент кафедри електричних машин
Провідна установа:
Науково-дослідний, проектно-конструкторський технологічний інститут важкого електромашинобудування НДІ “Електроважмаш” Міністерства промислової політики України, м. Харків.
Захист відбудеться “21” жовтня 1999 р. о 14.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, м. Харків-2, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.
Автореферат розісланий “18” вересня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.
Актуальність теми. Система високошвидкісних наземних перевезень на основі магнітолевітних поїздів, які рухаються за допомогою лінійних електродвигунів, була запропонована для міжміських сполучень на початку 60-х років. Її застосування приваблює можливістю заміни звичайного залізничного транспорту і повітряного сполучення на міжміських маршрутах довжиною від 100 до 600 км, а також на приміських перевезеннях до 50 км. До переваг магнітолевітних поїздів відносяться низький шум, поліпшену якість їзди, можливе заощадження енергії і економічні вигоди.
Безконтактний привід, підвіс і горизонтальне спрямування таких поїздів здійснюється за рахунок електромеханічного перетворення енергії в системі магнітозв’язаних контурів із струмом, що утворюють тягово-левітну систему (ТЛС) екіпажа. Цими контурами є надпровідникові магніти (НПМ), встановлені на самому екіпажі, та електричні котушки лінійного синхронного двигуна (ЛСД), системи електродинамічного підвісу (ЕДП) і електродинамічного спрямування (ЕДС), змонтовані на колійному полотні.
Патентний фонд по компонуванню ТЛС нараховує біля 40 рішень, але проблема розробки оптимальної ТЛС, яка б мала не тільки досконалі технічні характеристики, але і техніко-економічні показники, не вирішена остаточно. Незважаючи на величезний прогрес, досягнутий у розвитку цього виду транспорту, досі з'являються нові конструктивні рішення ТЛС, що забезпечують більш раціональне використання матеріально-технічних ресурсів. Одним з основних напрямків роботи конструкторів є усунення надмірності конструкції ТЛС, що мала місце в перших компоновочних варіантах на рівні як екіпажної, так і колійної частини системи. З огляду на величезну проектну протяжність перспективних маршрутів, не втрачає актуальності задача спрощення конструкції та підвищення технологічності колійної частини ТЛС, вирішення якої забезпечить зниження витрат на будівництво траси.
Магнітолевітний транспорт відкрив новий етап у розвитку електромеханіки. Слідом за ним з'явилися лінійні машини спеціального призначення, такі як вантажні катапульти, електромагнітні прискорювачі, МГД двигуни. Всі ці нові гілки електромеханіки потребують свого дослідницького апарата. Задача створення цього апарата, розвиток і відпрацювання ефективних підходів до моделювання і проектування нового класу електромеханічних систем має загальнонаукове і загальнотехнічне значення. З цього погляду, задачі, розв'язані в дисертаційній роботі, також є актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася відповідно до технічного завдання на науково-дослідницьку роботу М3703 “Дослід ження по створенню надпровідникових магнітів для магнітолевітаційного транспорту” (1992-1994 рр., 1996 р.), наказ Міносвіти України № 44 від 13.06.92 р.
Метою дисертаційної роботи є зниження матеріалоємності тягово-левітної системи високошвидкісного наземного транспорту за рахунок її компонування на базі комбінованого лінійного синхронного двигуна (КЛСД) з надпровідниковим індуктором, який спроможний розвивати відповідне, в порівнянні з тяговим, підйомне зусилля.
Для її досягнення необхідно вирішити такі задачі:
Оцінити технічну здійсненність ТЛС на базі довгостаторного КЛСД із вертикально розташованими статорними котушками й надпровідниковим індуктором;
Розробити обчислювальний алгоритм для вирішення багатокритеріальних багатопараметричних задач оптимального проектування в електромеханіці;
Проаналізувати вплив функціональних і параметричних обмежень, що зв'язують головні розміри двигуна, на характер оптимальних рішень;
Виконати дослідження чутливості оптимальних рішень до зміни швидкості руху екіпажа;
Оцінити техніко-економічну ефективність ТЛС на базі КЛСД у порівнянні з традиційним компонуванням ТЛС на базі ЛСД і ЕДП.
Наукова новизна одержаних результатів:
запропоновано методику теоретичної оцінки ефективності виконання КЛСД функцій тяги і підйому, яка використовує методологію зворотних задач;
виявлено, що накладення на ЛСД додаткової функції створення підйомного зусилля не призводить до істотного погіршення його силових і енергетичних характеристик;
запропоновано двохетапну методику послідовного синтезу ТЛС на базі КЛСД і ЕДП, що включає першочергову оптимізацію двигуна і наступну оптимізацію системи ЕДП;
доведено економічну доцільність синтезу ТЛС магнітолевітного транспорту на базі КЛСД і ЕДП.
Практичне значення дисертаційної роботи полягає в наступному:
розроблено програмно-алгоритмічний комплекс чисельного вирішення складних багатопараметричних задач векторної оптимізації лінійних електромеханічних пристроїв;
виявлено тенденцію зміни оптимальної форми надпровідникових магнітів у залежності від величини функціональних обмежень щодо зусиль тяги та підйому, які розвиває КЛСД, а також від величини параметричних обмежень, що зв'язують довжину і ширину магніту;
запропоновано алгоритм перерозподілу функції підвісу між функціональними вузлами ТЛС в широкому діапазоні швидкостей руху екіпажа;
доведено можливість економії активного матеріалу статорної частини ТЛС при використанні підйомного зусилля, яке розвиває КЛСД, для часткового розвантаження системи ЕДП.
Результати наукових досліджень були використані в Харківському державному політехнічному університеті при підготовці і виконанні держбюджетних науково-дослідницьких робіт М3407 “Розробка принципів та алгоритмів управління енергетичними та електромеханічними системами з використанням штучних нейронних сіток та генетичних алгоритмів” (1997-1998 рр.) та М1510 “Підвищення ефективності електромеханічних систем при використанні надпровідникових і кріорезистивних обмоток” (1997-1999 рр.), наказ Міносвіти України №37 від 13.02.97, а також впроваджені в ПФ “Адаптивні системи” (м. Харків).
Достовірність одержаних результатів базується на коректності математичної моделі ЛСД, яка була використана при вирішенні задачі аналізу, а також на достовірності роботи програмно-алгоритмічного комплексу, підтвердженої вирішенням тестових багатопараметричних задач векторної оптимізації.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації опубліковано у вітчизняних і зарубіжних журналах у співавторстві з Сергеєвим С. О. і Омельяненком В. І. У статті [1] авторові належать результати синтезу ТЛС на базі КЛСД та ЕДП, а також алгоритм перерозподілу функцій підвісу між двигуном та системою підвісу при різних швидкостях руху екіпажа. У статті [2] авторові належить алгоритм і результати його тестування на задачі синтезу тягового двигуна. У доповідях [5], [6], [8] авторові належать ідея і обгрунтування доцільності застосування еволюційних методів для оптимізації ЛСД. У доповіді [11] авторові належать результати аналізу впливу параметричних обмежень на характер оптимальних рішень і аналіз просторового рельєфу цільової функції в околі оптимального рішення.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, представлені в дисертації, були докладені на 7 ми республіканських наукових конференціях: “Математичне моделювання в електротехніці і електроенергетиці”, м. Львів, 1995 р. , “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”, м. Алушта, 1995-1997 рр. , “microCAD. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”, м. Харків, 1995-1997 рр., а також на міжнародній конференції “Fourth Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism”, Брно (Чехія), 1996 р.
Публікації. Основний зміст, наукові положення і результати дисертації опубліковано в 4 х статтях в наукових журналах, а також в матеріалах 8 ми конференцій.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація включає перелік умовних позначень, вступ, чотири розділи основної частини, висновки, список використаних джерел та один додаток. Повний обсяг дисертації складає 186 сторінок, в тому числі 121 сторінка тексту і 37 сторінок, що містять 40 ілюстрацій, а також 5 сторінок, що містять додаток. В роботі наведено 18 таблиць. Список використаних джерел з 124 найменувань займає 16 сторінок.
У вступі обгрунтовано важливість і актуальність проблеми удосконалення характеристик ТЛС екіпажу, а також сформульовано мету і задачі дослідження, подано стислу характеристику отриманих в дисертації результатів.
В першому розділі дисертації наведено огляд основних етапів розвитку і сучасний стан розробок ТЛС у світі та показано, що тенденція подальшого удосконалення її характеристик полягає в об'єднанні функцій тяги, підйому і спрямування екіпажу в одному конструктивному вузлі, що містить тільки один універсальний набір бортових і колійних котушок.
Перші дослідження комбінованої системи синхронної тяги і підвісу, що базується на ЛСД із горизонтально орієнтованими котушками індуктора і статора, були розпочаті наприкінці 60-х — початку 70-х років. Проте вони не одержали належного розвитку через незадовільну якість досягнутих результатів. У ті роки технологічний рівень виробництва НПМ залишався досить низьким, і магніторухома сила (МРС) магнітів не перевищувала 300 кА. У таких умовах пріоритетний розвиток одержали компонування ТЛС на базі роздільних систем тяги, підвісу і спрямування, кожна з яких містила свої власні НПМ.
До початку 90-х років у розробці магнітолевітних поїздів був досягнутий величезний прогрес. Виробники НПМ навчилися виготовляти магніти з МРС 700 кА, удосконалили бортову систему їхнього охолодження. Були створені тиристорні джерела живлення. Крім того, було досягнуте розуміння того, які з компоновочних схем екіпажа є раціональними, а які — ні. На зміну ТЛС із горизонтально орієнтованими котушками прийшли більш прогресивні компоновочні схеми з вертикально орієнтованими НПМ і статорними обмотками.
Зараз в усьому світі взяла гору точка зору, що для тяги екіпажа найбільш зручним є довгостаторний ЛСД з плоскими вертикально орієнтованими статорними котушками і плоским надпровідниковим індуктором. Ця широко відома конструкція характеризується збігом у горизонтальному напрямі подовжніх осей симетрії статорних котушок і подовжніх осей симетрії НПМ. В роботі наведено аналіз залежності механічних зусиль, які розвиває ЛСД, від геометричних і режимних параметрів і показано, що при вертикальному зсуві подовжніх осей симетрії НПМ відносно подовжніх осей симетрії обмоток статора, двигун може генерувати одночасно з тяговим і досить велике підйомне зусилля.
Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі стала ТЛС, подана на фіг.1. Її основою є КЛСД, індуктор якого складається з дванадцяти НПМ 4, розташованих групами по чотири штуки на трьох несучих візках екіпажу 2.
Статорну трифазну обмотку 5 двигуна секціоновано на фрагменти довжиною 40-50 м, які підключені до джерела живлення за допомогою секційних перемикачів. Екіпаж рухається уздовж колійного полотна 1 на низьких швидкостях на колісній підвісці 3, а в діапазоні середніх і високих швидкостей — за рахунок взаємодії НПМ 4 з колійними котушками 5.
Особливістю такого компонування ТЛС є те, що бортові НПМ зсунуті відносно колійних статорних котушок ЛСД у вертикальному напрямку для того, щоб на них, крім тягового, діяло і виштовхуюче зусилля, здатне стабілізувати екіпаж у вікні поперечного перетину колійного полотна.
На момент початку роботи не було повною мірою досліджено потенціал ЛСД, який можна було б використовувати для підвісу екіпажа. Залишалося неясним, чи можна, не виходячи за рамки традиційної конструкції двигуна, домогтися повноцінного виконання їм додаткової функції по підвісу екіпажа. Було невідомо, чи може він забезпечити безконтактний підвіс екіпажа без ослаблення тягового зусилля, і на скільки сильно зросте при цьому повна потужність, що споживається їм з електричної мережі.
В кінці розділу подано мету і основні задачі дисертації.
В другому розділі дисертації наведено математичну модель КЛСД, яку було використано для вирішення задачі аналізу силових і енергетичних характеристик ТЛС. За основу моделі була прийнята відома математична модель ЛСД з двохполюсним надпровідниковим індуктором (НПІ), який функціонує в режимі “замороженого струму”. Модель була доповнена алгоритмом розрахунку зусилля підйому, розробленим у рамках енергетичного підходу.
Відповідно до прийнятих початкових припущень, тягове і підйомне зусилля визначалися за допомогою однотипних виразів наступного виду:
,(1)
де Ns — кількість пар НПМ, Is — МРС обмотки надпровідникового магніту, Msg — взаємоіндуктивність між магнітами надпровідникового індуктора і колійними котушками статора, k — номер триплету статорних котушок у заживленій секції (фіг. 2), xs — x-ова координата центру індуктора, n — приріст по осях координат: по осі x при розрахунку сили тяги та по осі y при розрахунку сили підйому, j — індекс, для фази А j = 0, для фаз В і С, відповідно, j =1 і j =2, igi — миттєві значення токів у фазах статора:
, (2)
де Im — амплітуда статорного току.
Дослідження моделі показало, що механічні зусилля тяги Fт.ср і підйому Fп.ср, перевантажувальна спроможність по силі тяги Kт і повна потужність двигуна S утворюють систему взаємно суперечливих критеріїв. Вони досягають екстремальних значень у різних точках пошукового простору, тому при переміщенні можливого рішення по області припустимих значень (ОПЗ) змінних проектування поліпшення одного з критеріїв супроводжується погіршенням інших. Таким чином, набір параметрів, що забезпечують виконання двигуном будь-яких заданих функціональних вимог, можна одержати тільки шляхом вирішення задачі в оптимізаційній постановці.
При формулюванні задачі оптимізації межі ОПЗ задавалися у вигляді рівностей і нерівностей. Протягом усього дослідження МРС НПМ Is, амплітуда статорного току Im, зазор між статором й індуктором zs, питома витрата активного провідника в розрахунку на погонний метр статора КЛСД і кількість котушок в одній секції статорної обмотки залишалися незмінними. Крім цього, на перших етапах дослідження швидкість екіпажа V приймалася на рівні крейсерської швидкості.
Задача оптимізації КЛСД, що розвиває задані тягове та підйомне зусилля, була сформульована в постановці задачі умовної мінімізації — знайти такі значення геометричних розмірів обмоток КЛСД, кута сили і вертикального зсуву НПІ щодо статора, , які б мінімізували споживану двигуном із мережі повну потужність, нормовану на значення середнього зусилля тяги:
(3)
при заданих параметричних
ai<xi<bi, i=1,...,n, Is=const, Im=const, V=const, КЛСД=const, zs=const (4)
і функціональних обмеженнях
. (5)
Таким чином, з усіх припустимих варіантів прийнятого конструктивного виконання КЛСД, що характеризуються однаковою витратою активного матеріалу обмотки статора і мають однакову спроможність розвивати необхідні зусилля тяги і підйому при визначеній перевантажувальній спроможності по тязі, найкращим признавався той, що споживав із мережі мінімальну повну потужність.
В обчислювальному плані вирішення задач оптимального проектування електричних машин зв’язано з великими труднощами, оскільки, як правило, ці задачі є багатокритеріальними. У цьому зв'язку успіх зусиль по оптимізації багато в чому визначається вибором пошукового методу. В роботі показано, що метод деформованого багатогранника (МДБ), що раніше широко застосовувався для вирішення подібних задач, втрачає ефективність з ростом розмірності пошукового простору і розмірності вектору критеріїв.
Для вирішення задач, поставлених в роботі, знадобився більш потужний чисельний метод глобальної оптимізації. До таких методів належать генетичні алгоритми (ГА) — алгоритми, які імітують принципи штучної селекції і механізми біологічної еволюції. Останнім часом ГА усе більш активно застосовують для вирішення оптимізаційних задач в електромеханіці, тому в роботі віддано перевагу саме цьому методу.
У третьому розділі описано розроблений на базі паралельного ГА програмно-алгоритмічний комплекс (ПАК). Для прискорення збіжності пошукового процесу алгоритм доповнено пошуковими операторами МДБ.
Основна ідея організації пошукового процесу, реалізованого в ПАК, полягає в наступному.
У n-мірній ОПЗ випадковим чином генерують m множин можливих рішень, кожне з яких інтерпретується як багатогранник у термінах МДБ. З іншого боку, ці ж множини розглядаються як особини деякої популяції ГА, такі, що незалежно одна від одної здійснюють пошук глобального екстремуму на рельєфі цільової функції.
Еволюція популяції багатогранників являє собою чередування епох. Протягом кожної епохи особини адаптуються до локального рельєфу, роблячи s пошукових кроків за допомогою операторів МДБ (розтягнення, стиснення, редукція). Кількість кроків у циклі адаптації визначає тривалість епохи. Наприкінці кожної епохи всю популяцію ранжують за величиною цільової функції в кращих вершинах багатогранників, і особину з найгіршим значенням цого показника виключають з популяції. Її місце займає нащадок, одержаний за допомогою схрещування двох особин, при цьому в ролі батьків виступають дві будь-які особини, випадковим чином обрані з тієї частини популяції, що вижила.
На початку кожної епохи популяцію упорядковують за розміром багатогранників. q найбільш вироджених особин, що мають стислі розміри багатогранників, втрачають право адаптуватися в поточній епосі. Вони залишаються нерухомими, а пошук здійснюють m-q особин. Тим самим обчислювальні ресурси перерозподіляються на користь тієї частини популяції, що знаходиться в процесі пошуку, тобто не виродилася в локальних екстремумах.
Пошук вважають закінченим, коли розміри всіх багатогранників стають менше деякого граничного значення 0. При цьому, якщо усі вони стягуються навколо однієї точки в ОПЗ, вважається, що глобальний екстремум знайдено.
Достовірність й ефективність роботи розробленого ПАК доведено в процесі вирішення тестових задач нелінійного програмування:
, (6)
, (7)
а також у процесі повторного вирішення відомої задачі оптимального проектування тягового ЛСД, розробленої в Харківському державному політехнічному університеті.
За допомогою ПАК були виконані дослідження з оцінки здійсненності ТЛС на базі КЛСД. За доказ здійсненності приймалося існування рішень задачі (3)-(5) у всьому діапазоні вимог до тягового і підйомного зусиль, які повинен розвивати КЛСД:
. (8)
Сканування нижньої межі досяжної множини критеріїв було виконано шляхом послідовного вирішення зворотних задач (3)-(5) з поступовим посиленням вимог (8) до величини зусиль.
В результаті чисельних експериментів з моделлю двигуна встановлено: КЛСД з вертикально орієнтованими бортовими НПМ і плоскими статорними котушками не спроможний самостійно створити нормальне зусилля, достатнє для безконтактного підвішування екіпажа магнітолевітного транспорту. Двигун може генерувати одночасно обидва зусилля, тягове і підйомне, тільки у певному діапазоні їхніх співвідношень, кН,: F*т.ср[50,110] і [50,80], (фіг. 3, заштрихована область), тобто спроможний компенсувати тільки частину ваги екіпажа. Навіть 100 кН по підйомному зусиллю виявилися для КЛСД недосяжним бар'єром, не говорячи вже про більш жорсткі вимоги, розмірні з масою існуючих екіпажів (20 т.).
Максимальне підйомне зусилля, досягнуте в ході чисельних експериментів з моделлю, дорівнює 80 кН. Подальше посилення вимоги до нормального зусилля призводить до витиснення рішення за межі ОПЗ по x4 і x7. Подальше ж розширення діапазону варіювання змінних проектування не може вважатися доцільним, оскільки це призведе до порушення пропорційності в компонуванні екіпажа.
У той же час встановлено, що накладення додаткової вимоги по створенню нормального зусилля не призводить до значного росту повної потужності, споживаної двигуном з електромережі. Максимальний приріст повної потужності (7%) має місце при максимальному нормальному зусиллі 80 кН і тязі 50 кН. В міру посилення вимоги до сили тяги приріст знижується до 4%.
Малий приріст повної потужності, споживаної ЛСД із мережі при розвитку їм, крім тягового, також підйомного зусилля, робить привабливим використання КЛСД для часткового розвантаження системи ЕДП.
Задачу (3)-(5) спочатку було сформульовано для найбільш простого варіанта обмежень на розміри НПМ у виді подвійних нерівностей. Проте великий практичний інтерес мають і інші випадки, коли розміри магніту в плані вважають зв'язаними співвідношенням у виді рівності, наприклад, незмінністю периметра або площі НПМ в плані. Такий підхід створює певну базу для непрямого порівняння однотипних конструктивних виконань кріомодуля НПМ, під котрим звичайно розуміють сукупність самого магніту, кріостата для його термостатування при температурі рідкого гелію, та бортового рефрижератора.
Існують два основні різновиди конструкцій кріостатів транспортного призначення — тороідальна, що повторює форму надпровідникової обмотки, і коробчата, що охоплює обмотку цілком. Припускаючи, що потужність теплопритоків у низькотемпературну зону пропорційна площі гелієвої судини кріостату, одержимо, що всяке зв'язування розмірів НПМ виділяє з множини припустимих сполучень довжини і ширини магніту таку підмножину, для якої цей показник буде приблизно однаковий. Тоді в першому наближенні можна очікувати, що усі СПМ, які задовольняють умові константності периметра (або площі), характеризуються не тільки однаковою власною вагою, але й однаковою вагою кріостата та бортового рефрижератора, який необхідний для покриття теплопритоків у низькотемпературну зону.
Тому в розвиток результатів, отриманих при вирішенні задачі (3)-(5), були проведені дослідження з накладенням параметричних обмежень, що зв'язують між собою геометричні розміри бортових НПМ у плані:
1. Вибір оптимальних розмірів НПМ здійснювався на множині, що задовольняє умові незмінності його периметра:
PНПМ=2(ws+ls)=const1. (9)
2. Вибір оптимальних розмірів НПМ здійснювався на множині, що задовольняє умові незмінності його площі
НПМ=wsls=const2. (10)
У цих дослідженнях вектор змінних проектування мав розмірність, зменшену на одиницю — ширину НПМ, а в якості незалежної змінної величини виступала довжина магніту ls.
Було встановлено, що оптимальні розміри НПМ мають високу чутливість до величини обмежень const1 і const2. Крім того, виявилося, що межі ОПЗ що до розмірів магніту можуть бути звужені більш ніж у два рази в порівнянні зі значеннями, прийнятими за основу на початковому етапі дослідження. Зокрема, якщо на двигун заздалегідь накласти вимогу по розвитку підйомного зусилля 50 кН при силі тяги від 50 кН до 110 кН, оптимальну довжину і ширину НПМ можна вибирати в діапазоні 1,7...2,0 0,8...1,1 м (фіг. 4 а, F*п=50 кН при обмеженнях: const11=4,4 м— криві 1, const21=5,4 м — криві 2, const2=1,13 м2 — криві 3, (4) —криві 4).
Фіг. 4 Оптимальні значення довжини (злиті криві) і ширини (пунктирні криві) НПМ від F*т при різних параметричних (а) і функціональних (б) обмеженнях
Що стосується оптимальних пропорцій НПМ, аналіз виявив, що існує явна тенденція їх зміни під впливом величини функціональних (8) і параметричних (4),(9)-(10) обмежень. Для усіх типів обмежень оптимальною формою магніту при невеликих значеннях механічних зусиль є витягнутий прямокутник із співвідношенням довжини до ширини як 2:1. В міру посилення вимог до зусиль F*т і F*п, а також у міру зменшення величини const1 і const2 співвідношення довжини до ширини у оптимального магніту зменшується, і прямокутник трансформується до форми із співвідношенням сторін як 1,5:1 (фіг. 4 б, 1 — F*п= 0; 2 — F*п= 50 кН; 3 — F*п= 60 кН; 4 — F*п= 70 кН;
5 — F*п= 80кН).
Дослідження рельєфу цільової функції в околі отриманих оптимальних рішень показало, що вона є унімодальною. Абсолютний мінімум повної потужності досягається при вирішенні задачі (3)-(5) з обмеженнями на довжину і ширину НПМ у виді подвійних нерівностей. Введення в постановку задачі обмежень у виді рівностей, що зв'язують довжину і ширину магніту, призводить до витиснення рішення на схил, тобто до зростання повної потужності, споживаної двигуном із мережі.
По суті, отримані в третьому розділі результати переконують у неможливості компонування ТЛС на базі тільки КЛСД. Це примушує повернутися до відомої схеми ТЛС, яка включає, крім двигуна, окрему систему ЕДП.
У четвертому розділі розглянуто синтез ТЛС на базі КЛСД і ЕДП і виконано оцінку техніко-економічної ефективності такого компонування в порівнянні з традиційним компонуванням на базі ЛСД і ЕДП.
Запропоноване компоновочне рішення ТЛС, що використовує комбінацію КЛСД і ЕДП, подано на фіг. 5 (1— колійне полотно; 2— екіпаж; 3— колеса; 4— бортовий НПМ; 5— статорна котушка КЛСД; 6— колійна котушка ЕДП). Тут, як і раніше, збережено вертикальний зсув подовжніх осей симетрії НПМ відносно подовжніх осей симетрії статорних котушок двигуна.
Для синтезу ТЛС запропоновано підхід, що базується на першочерговій оптимізації КЛСД. На цьому етапі проводиться пошук оптимальних режимних і конструктивних параметрів двигуна, що забезпечують задані сили тяги і підйому при умові споживання двигуном мінімальної повної потужності.
Оскільки ті ж самі бортові НПМ збуджують основний магнітний потік і в системі ЕДП, то при переході до другого етапу розрахунку вважають, що оптимальні геометричні розміри НПМ вже знайдено на першому етапі. Тому на другому етапі оптимізують тільки параметри колійної частини системи ЕДП. У результаті синтезу визначають оптимальну довжину, ширину і крок намотки колійних котушок, а також зазор між колійною котушкою і НПМ, які забезпечують необхідну силу підйому при мінімальних активних втратах у колійних котушках.
Дослідження впливу швидкості руху екіпажа на характер оптимальних рішень КЛСД внесло деякі корективи в цю схему. В процесі чисельного експериментування з моделлю двигуна були визначені порівняно вузькі діапазони рівнозначущості оптимальних довжини і ширини НПМ, будь-яка точка з яких забезпечує високу ефективність електромеханічного перетворення енергії двигуном в усьому робочому діапазоні швидкостей екіпажа.
Щоб вибрати остаточні розміри НПМ, які б задовольняли вимогам до енергетичних і силових характеристик не тільки КЛСД, але і ЕДП, отримані на першому етапі синтезу ТЛС діапазони рівнозначущості розмірів НПМ передаються в блок оптимізації геометричних розмірів системи ЕДП як межі ОПЗ. У формальному відношенні це рівнозначно заміні на другому етапі синтезу ТЛС жорстких обмежень на розміри НПМ у виді рівностей менш жорсткими обмеженнями у виді подвійних нерівностей.
В рамках цього підходу була синтезована ТЛС, у якій КЛСД розвивав компенсуюче підйомне зусилля 50 кН. Розрахунок електродинамічного підйомного зусилля здійснювався також в рамках енергетичного підходу з використанням розробленого ПАК.
Аналіз швидкісних залежностей електродинамічних зусиль, що розвиваються цією ТЛС (фіг. 6, 1 — сила підйому системи ЕДП; 2 — об'єднана сила підйому, утворювана КЛСД з підйомним зусиллям 50 кН і ЕДП; 3 — вага екіпажа; 4 — сила аеродинамічного гальмування; 5 — сила магнітного опору), показав, що використання нормального зусилля, що розвиває КЛСД, дозволяє частково розвантажити систему ЕДП, допомагаючи їй підтримувати екіпаж над колійним полотном у діапазоні середніх швидкостей від 35 м/с до 90 м/с.
Фіг. 6 Швидкісні залежності зусиль, які створюються ТЛС, при обмеженні на силу тяги 100 кН
Це дозволило запропонувати алгоритм перерозподілу ваги екіпажа між колісною підвіскою, КЛСД і ЕДП. При рушанні з місця та у діапазоні низьких швидкостей руху екіпаж спирається на колісну підвіску, а двигун працює в режимі створення чисто тягового зусилля. У діапазоні середніх швидкостей, поки аеродинамічний опір руху не дуже великий, а створене системою ЕДП вертикальне електродинамічне зусилля ще не вийшло на плато швидкісної характеристики, двигун використовується для часткового розвантаження спочатку колісної, а потім і електродинамічної підвіски, приймаючи на себе до третини ваги екіпажа. При досягненні крейсерської швидкості підвіс екіпажа цілком здійснюється системою ЕДП, а КЛСД переводять у чисто тяговий режим, щоб екіпаж міг подолати зрослий лобовий опір.
Такий перерозподіл функції підвісу екіпажа між підсистемами ТЛС у процесі розгону екіпажа дозволяє істотно понизити швидкісний поріг, при подоланні якого екіпаж переходить у стан левітації, і за рахунок цього послабити вимоги до точності виготовлення, установки і спряження між собою бетонних секцій направляючої естакади.
Переключення режимів роботи двигуна здійснюється зміною кута сили і амплітуди статорного току Im. На фіг. 3 точка А з координатами Fт=100 кН; Fп=50 кН відповідає робочому режиму, для якого Im=450 А і =138,22. Для того, щоб КЛСД продовжував розвивати тягу 100 кН при нульовому підйомному зусиллі, тобто щоб перейти з точки А в точку Б з координатами Fт=100 кН; Fп=0, що буде потрібно, коли екіпаж вийде в режим сталої левітації, потрібно зменшити амплітуду току в статорних котушках з 450 А до 300 А і встановити кут сили = 90.
Щоб оцінити порівняльну економічну ефективність запропонованої компоновочної схеми ТЛС на базі КЛСД і системи ЕДП, було проведено порівняння цього компонування з традиційним, яке являє собою комбінацію ЛСД традиційного виконання із системою ЕДП.
Результати порівняння показують, що, не підвищуючи питому об'ємну витрату алюмінію статорних котушок і не змінюючи конструкцію і ресурси двигуна, тобто не збільшуючи статорний струм і МРС НПМ, не знижуючи запас двигуна по тязі, можна без збитку для ефективності перетворення енергії значно розширити функціональні можливості ЛСД. Двигун може розвити підйомне зусилля, що компенсує до третини ваги екіпажа, при рості повної споживаної потужності усього лише на 7%.
Що стосується вузла підвісу, то дослідження впливу питомої об'ємної витрати алюмінію котушок ЕДП, ЕДП, на профіль швидкісних характеристик електродинамічного зусилля підйому (фіг. 7, 1 — FЕДП,ЕДП= 0,01 м3/м; 2 — FЕДП,ЕДП= 0,011 м3/м; 3 — FЕДП+FКЛСД, 4 — FЕДП,ЕДП= 0,018 м3/м; 5 — вага екіпажа) показало таке. Для того, щоб вузол ЕДП з отриманими геометричними параметрами самостійно підвішував екіпаж на швидкості 35 м/с, потрібно збільшити ЕДП майже у два рази (крива 3) у порівнянні з базовою величиною (крива 1), прийнятою при розрахунках 25%-ого розвантаження двигуном системи ЕДП. Цим фактом, у підсумку, і визначається економічна ефективність синтезу ТЛС на базі КЛСД і ЕДП.
Отже, порівняльна оцінка техніко-економічної ефективності ТЛС показала, що при проектуванні ТЛС на базі КЛСД можна домогтися практично тих самих результатів по енергетичних характеристиках, як і на базі традиційного ЛСД, але тільки при меншій величині об'ємної витрати алюмінію на погонний метр колійної частини системи ЕДП. Використання КЛСД у режимі 25%-го розвантаження системи ЕДП надає можливість майже дворазової економії матеріалу провідника (алюмінію) колійних котушок системи ЕДП.
ВИСНОВКИ
1. Головним науковим результатом дисертації є доказ доцільності компонування ТЛС магнітолевітного транспорту на базі КЛСД. Система доказів базується на порівнянні нижніх меж досяжної множини критеріїв для комбінованого двигуна і двигуна традиційного виконання.
2. Запропоновано методику теоретичної оцінки ефективності виконання комбінованим ЛСД функцій тяги і підйому, яка використовує методологію зворотних задач. Для чисельного експериментування з моделлю двигуна розроблено програмно-алгоритмічний комплекс, який застосовує генетичний алгоритм для пошуку глобального екстремуму в просторі змінних проектування.
3. Чисельними експериментами доведено, що ЛСД спроможний розвити водночас із тяговим підйомне зусилля, що складає не більш третини ваги екіпажа. Це виключає можливість компонування ТЛС екіпажа без системи електродинамічного підвісу.
4. Виявлено, що накладення на ЛСД додаткової функції створення підйомного зусилля не призводить до істотного зростання мінімальної повної потужності, споживаної ним із мережі, у зв'язку з чим запропоновано використовувати комбінований ЛСД для часткового розвантаження системи ЕДП.
5. Запропоновано двохетапну методику послідовного синтезу ТЛС, що включає першочергову оптимізацію КЛСД і наступну оптимізацію системи ЕДП. Показано, що використання КЛСД у режимі 25%-го розвантаження системи ЕДП з ортогональним розташуванням надпровідникових магнітів і пасивних колійних котушок дає можливість майже дворазової економії матеріалу провідника (алюмінію) колійних котушок системи ЕДП у порівнянні з традиційним рішенням.
6. Запропоновано алгоритм перерозподілу функції підвісу між функціональними частинами ТЛС в широкому діапазоні швидкостей екіпажа, який забезпечує зниження швидкісного порога переходу екіпажа з колісної підвіски на безконтактну електродинамічну.
7. Виявлено тенденцію зміни оптимальної форми НПМ у залежності від величини функціональних обмежень щодо зусиль тяги та підйому, а також від величини параметричних обмежень, що зв'язують довжину і ширину НПМ. Менш жорстким вимогам відповідає оптимальна форма НПМ із співвідношенням довжини до ширини приблизно як 2:1. При посиленні вимог до тягового і підйомного зусиль оптимальне співвідношення зменшується до 1,5:1.
1. Лысенко Л. И., Сергеев С. А. Тягово-левитационная система высокоскоростного наземного транспорта на базе комбинированного ЛСД // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Экология. Математика. Электроэнергетика. - 1997. – Вып. 8. - С. 81-87.
2. Lysenko L. I., Omelyanenko V. I., Sergeev S. A. Parallel Genetic Algorithm and its Application to Linear Synchronous Motor Optimization // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. - 1998. - V. 9. - No 3. - P. 303-314.
3. Лысенко Л. И. Уточнение границ поисковой области для выбора оптимальных размеров сверхпроводящей обмотки комбинированного линейного синхронного двигателя // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Экология. Математика. Электроэнергетика. - 1998. – Вып. 21. - С. 99-103.
4. Лысенко Л.И. Область реализуемости тягово-левитационных усилий, развиваемых комбинированным линейным синхронным двигателем // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1998. – Вып. 27. - С. 26-30.
5. Сергеев С.А., Лысенко Л.И. Эволюционная стратегия решения задач многокритериальной оптимизации на базе метода деформируемого многогранника // Труды Междунар. конф. “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование здоровье” (micro CAD’95) - Часть 2. - Харьков: ХГПУ. - 1995. - С. 40.
6. Сергеєв С.О., Лисенко Л.I. Векторна оптимiзация лiнiйного синхронного двигуна для магнето-левiтного транспорту // Тези 1-i Мiжнар. конф. “Математичне моделювання в електротехнiцi й електроенергетицi”. - Львiв: Львівська Політехніка. - 1995. - С. 100-101.
7. Лысенко Л.И. Параллельный генетический алгоритм для решения многокритериальных оптимизационных задач // Труды Междунар. конф. “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование здоровье” (micro CAD’96). - Харьков: ХГПУ. - 1996. - С. 126.
8. Lysenko L. I., Omelyanenko V.I., Sergeev S.A., Severin V.P. Parallel genetic algorithm for multicriteria optimization // Proc. of 4th International Workshop on Optimimization and Inverse Problems in Electromagnetism. - Brno (Czech Republic). - 1996. -P. 46.
9. Лысенко Л. И. Глобальная оптимизация комбинированного ЛСД для привода экипажа ВСНТ // Труды конференции с международным участием “Проблемы автоматизированного электропривода”. - Харьков: Основа. - 1996. - С. 268-272.
10. Лысенко Л. И. Влияние геометрии сверхпроводящих магнитов на эффективность электромеханического преобразования энергии в линейном синхронном двигателе // Труды Международной научно-технической конференции “microCAD'97”. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. - Часть 3. - Харьков: ХГПУ. - 1997. - С. 132-137.
11. Лысенко Л. И., Сергеев С.А. Исследование достижимого множества критериев при различных постановках задачи оптимизации комбинированного ЛСД // Труды конференции с международным участием “Проблемы автоматизированного электропривода”. - Харьков: Основа. - 1997. - С. 377-379.
Лисенко Л.І. Дослідження меж використання лінійного синхронного двигуна для розвантаження системи підвісу магнітолевітного транспорту. — Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 — електричні машини і апарати. — Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.
Дисертація присвячена синтезу тягово-левітної системи (ТЛС) екіпажа високошвидкісного наземного транспорту на магнітному підвісі на основі довгостаторного комбінованого лінійного синхронного двигуна (КЛСД) з плоскими вертикально орієнтованими статорними котушками і плоским надпровідниковим індуктором (НПІ). Особливістю обраного компонування ТЛС є вертикальний зсув подовжніх осей симетрії НПІ відносно подовжніх осей симетрії статорних котушок. Проведено оцінку ефективності виконання КЛСД функцій тяги і підйому за допомогою запропонованої методики, що базується на методології зворотних задач і використовує генетичний алгоритм та метод деформованого багатогранника. Встановлено, що компонування ТЛС на базі КЛСД для тяги і підйому є доцільним, оскільки двигун спроможний на третину розвантажити вузол електродинамічного підвісу без помітного росту повної потужності, споживаної їм із мережі. Це дозволяє досягти значної економії матеріальних ресурсів на виготовлення статорної частини системи підвісу. Результати роботи використано та впроваджено в Харківському державному політехнічному університеті та ПФ “Адаптивні системи” (м. Харків).
Ключові слова: комбінований лінійний синхронний двигун, надпровідниковий магніт, магнітолевітний транспорт, оптимізація, генетичний алгоритм.
Лысенко Л.И. Исследование пределов использования линейного синхронного двигателя для разгрузки системы подвеса магнитолевитирующего транспорта. — Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 — электрические машины и аппараты. — Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена синтезу тягово-левитационной системы (ТЛС) высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) на магнитном подвесе, скомпонованной на базе длинностаторного линейного синхронного двигателя (ЛСД) с плоскими вертикально ориентированными статорными катушками и плоским сверхпроводящим индуктором.
Целью работы является снижение материалоемкости ТЛС за счет использования комбинированного ЛСД (КЛСД), развивающего, помимо тягового, и нормальное усилие, подвешивающее экипаж. Особенностью предлагаемой компоновочной схемы ТЛС является то, что продольные оси симметрии бортовых сверхпроводящих магнитов (СПМ) смещены в вертикальном направлении относительно продольных осей симметрии статорных катушек.
Для оценки реализуемости рассматриваемой компоновки ТЛС предложена методика, базирующаяся на сравнении нижних границ достижимого множества критериев задачи оптимизации КЛСД и традиционного ЛСД. Для численного экспериментирования с моделью двигателя разработан программно-алгоритмический комплекс, который использует генетический алгоритм и метод деформируемого многогранника. Эффективность и достоверность работы комплекса подтверждена решением тестовых многопараметрических задач векторной оптимизации.
В результате сканирования нижней границы достижимого множества критериев, выполненного путем последовательного решения обратных задач с постепенно ужесточающимися требованиями к величине развиваемых двигателем усилий, определена область реализуемости тягово-левитационных усилий. Установлено, что не повышая удельный объемный расход алюминия статорных катушек и не меняя конструкцию и ресурсы двигателя можно без ущерба для эффективности преобразования энергии значительно расширить функциональные возможности ЛСД. Двигатель может развить подъемное усилие, компенсирующее до трети веса экипажа, при росте полной потребляемой мощности всего лишь на 8%.
Полученные результаты указывают на невозможность компоновки ТЛС ВСНТ на базе только КЛСД рассматриваемой конструкции, без системы электродинамического подвеса (ЭДП).
В работе выполнена оценка технико-экономической эффективности компоновки ТЛС на базе КЛСД и системы ЭДП путем сравнения этой компоновочной схемы с традиционной, представляющей собой комбинацию ЛСД традиционного исполнения с системой ЭДП. Предложена двухэтапная методика последовательного синтеза ТЛС, включающая первоочередную оптимизацию КЛСД и последующую оптимизацию системы ЭДП. В рамках этого подхода синтезирована ТЛС, в которой КЛСД работал в режиме 25%-ой разгрузки системы ЭДП с ортогональным расположением бортовых СПМ и путевых катушек. Показано, что синтез ТЛС на базе КЛСД для тяги и подвеса является целесообразным, поскольку это позволяет почти вдвое сэкономить материал путевых катушек системы подвеса.
Предложен алгоритм перераспределения функции подвеса между подсистемами ТЛС на различных скоростях движения. В диапазоне малых скоростей экипаж опирается на колесную подвеску и КЛСД работает в тяговом режиме. В диапазоне средних скоростей КЛСД используется для частичной разгрузки сначала колесной, а потом электродинамической подвески. При достижении крейсерской скорости КЛСД опять переводят в тяговый режим, а подвес экипажа осуществляется системой ЭДП. Это обеспечивает снижение скоростного порога перехода экипажа с колесной подвески на бесконтактную электродинамическую и позволяет ослабить требования к точности изготовления, установки и сопряжения между собой бетонных секций направляющей эстакады.
Выявлена тенденция изменения оптимальной формы бортового СПМ в зависимости от требований к развиваемым КЛСД усилиям и величины параметрических ограничений, связывающих длину и ширину магнита. Менее жестким требованиям соответствует оптимальная форма СПМ с отношением длины к ширине приблизительно как 2:1. При ужесточении требований к развиваемым тяговому и подъемному усилиям величина отношения уменьшается вплоть до 1,5:1. Определен диапазон равнозначности оптимальных размеров СПМ, которые обеспечивают высокую эффективность электромеханического преобразования энергии с точки зрения удовлетворения требований к энергетическим и силовым характеристикам КЛСД.
Ключевые слова: комбинированный линейный синхронный двигатель, сверхпроводящий магнит, магнитолевитирующий транспорт, оптимизация, генетический алгоритм.
Lysenko L.I. Research into limits of linear synchronous motor feasibility to unload Maglev train suspension system. — Manuscript.
Thesis for a candidate’s degree by speciality 05.09.01 — electrical machines and devices. — Kharkiv State Polytechnical University, Kharkiv, 1999.
The dissertation is devoted to synthesizing a Maglev train propulsion and suspension system (PSS) based on a long-stator combined linear synchronous motor (CLSM) with flat vertical stator coils and superconducting inductor. The distinction of the scheme is that the longitudinal axis of the inductor is vertically shifted with respect to that of the ground coils. The CLSM efficiency to generate propulsion and suspension forces is evaluated via proposed technique which is based on inverse problems methodology and employs genetic algorithm and deformed polyhedron method. The CLSM-based PSS is found effective as the motor unloads electrodynamic suspension (EDS) system up to one-third carriage weight as much without significant increase in VA consumption. It results in considerably economizing on EDS passive coils material. The research results have been utilized and implemented in Kharkiv State Polytechnical University and Adaptive Systems Firm (Kharkiv).
Key words: combined linear synchronous motor, superconducting magnet, magnetically-levitated transport, optimization, genetic algorithm.