Математическое описание вентильного индукторного генератора с конденсаторным возбуждением

Abstract

На волне развития транспортных средств на электрической тяге сильный толчок получило и развитие автономных энергетических установок. К новым техническим решениям относится представленная энергетическая установка на базе индукторной машины с новым принципом возбуждения фазных обмоток. В основу его заложена такая особенность подобных электрических машин, как возможность обеспечения трапецеидальной формы фазных ЭДС, что позволяет осуществлять коммутацию и возбуждение фазных обмоток в естественном режиме без необходимости отслеживания и коммутации фазных токов в зависимости от положения ротора, за счет коммутации конденсаторов неработающей фазы. Такое решение позволяет значительно упростить и снизить стоимость электронной аппаратуры управления вентильного индукторного генератора. В силу новизны конструкции рассматриваемое техническое решение не было исследовано ни зарубежными, ни отечественным учеными. В данной статье осуществлено математическое описание работы и разработана математическая модель вентильного индукторного генератора с конденсаторным возбуждением, которая позволяет вычислять токи и ЭДС как в электрической машине, так и во внешней электрической схеме, а также величину крутящего момента. В статье представлены результаты расчетов и экспериментальных исследований разработанного генератора, совпадение которых в достаточной мере подтверждает адекватность модели. Разработанная модель позволяет наглядно исследовать электромагнитные процессы, работоспособность и функционирование системы в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях, отрабатывать алгоритмы управления и оценивать энергетические показатели генератора, а также может служить основой для создания методики проектирования и создания новых установок. Autonomous power plants have been given a boost by the development of electric vehicles. The presented power plant based on a switch reluctance machine with a new principle of phase winding excitation is a new technical solution. The new principle of exciting phase windings is based on the features of such electrical machines’ operation. This feature is the trapezoidal form of the phase voltages. This allows switching and excitation of phase windings in the natural mode. That is, this technical solution eliminates the need for tracking and switching phase currents depending on the position of the rotor. The winding is excited by switching capacitors of the idle phase. This can greatly simplify and reduce the cost of electronic control equipment of the switch reluctance generator. Due to the design novelty, the considered technical solution has not previously been investigated by either foreign or domestic scientists. This article provides a mathematical description of the work and developed a mathematical model of the switch reluctance generator with capacitor excitation. This mathematical model allows computing the current and EMF in the electrical machine, and in the external electric circuit, and the value of the torque. The presented results of calculations and experiments confirm the adequacy of the mathematical model. The developed model allows one to visually examine the electromagnetic processes, the performance and functioning of the system in various modes under various external influences, to develop control algorithms and evaluate the energy performance of the generator. The model can also be the basis for a technique of designing and construction of new facilities.