Регулируемый электропривод вспомогательных агрегатов подвижного состава с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Регулируемый электропривод вспомогательных агрегатов ПОДВИЖНОГО СОСТАВА с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Пугачев Александр Анатольевич

Москва 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Космодамианский Андрей Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Иньков Юрий Моисеевич

кандидат технических наук Чернов Олег Евгеньевич

Ведущее предприятие ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» (ОрелГТУ)

Защита состоится " 21 " мая 2009 г. в 15⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9, аудитория 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Московского государственного университета путей сообщения

Автореферат разослан "_16_" _апреля_ 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, с.н.с. Н.Н. Сидорова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Асинхронные двигатели, благодаря своим несомненным преимуществам, широко применяются на транспорте для привода вспомогательных агрегатов - вентиляторов, насосов, компрессоров. В автоматических системах регулирования электропривод с асинхронным двигателем вместе с вспомогательными агрегатами выполняет функцию исполнительно-регулирующего устройства. Поэтому кроме общетехнических требований к нему должны предъявляться специфические требования как к элементу автоматики. Известно, что по своим технико-экономическим показателям автоматические системы регулирования непрерывного действия выгодно отличаются от систем релейного действия. Вместе с тем, применяемые в настоящее время на подвижном составе виды электропривода вспомогательных агрегатов не обеспечивают плавного изменения регулирующих воздействий. Широкое использование известных видов регулируемого электропривода с асинхронным двигателем, разработанных в России и за рубежом, в настоящее время сдерживается в силу ряда причин. В связи с этим, задача разработки и исследования регулируемого электропривода вспомогательных агрегатов подвижного состава на базе асинхронного электродвигателя, имеющего поворотный статор, является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование регулируемого электропривода вспомогательных агрегатов с вентиляторным моментом сопротивления на базе асинхронного электродвигателя с поворотным статором для подвижного состава.

Достижение указанной цели определило следующие основные задачи диссертационной работы:

- анализ технических характеристик, схемных и конструктивных решений электроприводов вентиляторов охлаждения тягового электрооборудования и энергоустановок тягового подвижного состава;

- разработка математической модели электропривода с поворотным статором, позволяющей исследовать его электромеханические процессы в переходных режимах;

- исследование динамических свойств электропривода с поворотным статором как объекта регулирования скорости, разработка и техническая реализация системы управления электропривода с поворотным статором;

- разработка и изготовление физической модели электропривода и проведение экспериментальных исследований, подтверждающих адекватность математической модели, работоспособность разработанной системы управления; электропривод вентилятор охлаждение подвижной

- технико-экономическая оценка эффективности применения разработанного электропривода в системах охлаждения.

Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы общепринятые методы теории автоматического управления и теории электромеханического преобразования энергии. Теоретические исследования проведены с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических и дифференциальных уравнений и систем. Моделирование работы электропривода проведено в среде MatLab. Разработана и изготовлена физическая модель (лабораторный макет мощностью 4,4 кВт), на которой проведены экспериментальные исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена математическая модель на основе дифференциальных уравнений в ортогональной системе координат, впервые описывающая электромеханические переходные процессы в электроприводе с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор;

- получены результаты исследований динамических свойств электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, отличающиеся учетом электромагнитных переходных процессов в асинхронных электродвигателях;

- предложена система управления электропривода, позволяющая реализовать разработанные алгоритмы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов; подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Практическая значимость работы заключается в разработке регулируемого электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, применение которого позволит улучшить стоимостные и массогабаритные показатели, снизить затраты на функционирование вспомогательных агрегатов.

Реализация и внедрение результатов работы.

Часть исследований выполнена в рамках госбюджетной НИР (№ 01 2006 05587) кафедры «Локомотивы» Брянского государственного технического университета (БГТУ) «Оптимизация динамических и прочностных характеристик транспортных машин» в 2007 - 2008 гг.

Результаты работы внедрены и используются в БГТУ на кафедре «Локомотивы» (дисциплины «Электрические передачи локомотивов» и «Электрические машины и преобразователи») в процессе подготовки студентов по специальности 190301 - «Локомотивы».

Апробация работы.

Результаты работы обсуждались и получили одобрение на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», Орел, 2007; международной научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», Брянск, 2008; международной научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», Астрахань, 2007; научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава БГТУ, Брянск, 2008; международной научной конференции «Технические, экономические и экологические проблемы транспорта», Брянск, 2008; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского региона», Хабаровск, 2008; международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», Тула, 2008.

Работа докладывалась и получила одобрение на научных семинарах кафедр «Тяговый подвижной состав» РГОТУПС, Москва, 2008, «Электрооборудование и энергосбережение» ОрелГТУ, Орел, 2008, «Электрическая тяга» МИИТ, Москва, 2009; заседании кафедр «Тяговый подвижной состав» и «Электрификация и электроснабжение» МИИТ, Москва, 2009.

Публикации.

Основное содержание работы отражено в 13 публикациях, из них 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение, 1 монография, 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК: «НТТ - наука и техника транспорта», №3 и №4, 2008г.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с изложением основных результатов и выводов, списка использованных источников из 126 наименований, приложений и содержит 153 страницы основного текста, 71 рисунок и 11 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, методы исследования, научная новизна, достоверность, практическая значимость полученных результатов, приводятся сведения о реализации и апробации работы, о публикациях, структуре и объеме диссертации.

в первой главе проведен обзор существующих регулируемых электроприводов с асинхронными электродвигателями вентиляторов охлаждения энергетических установок и тягового электрооборудования отечественного и зарубежного подвижного состава. Показано, что наибольшее применение нашли электроприводы с фазовым (тиристорные преобразователи) и частотным (выпрямительно-инверторные или тиристорные преобразователи) способами регулирования. Приведены технические характеристики, схемные и конструктивные решения электроприводов, применяемых на эксплуатируемых локомотивах.

Недостатками систем с преобразователями частоты являются сложность

управления, низкая надежность, большая стоимость, наличие дополнительных фильтров, тяжелые последствия аварийных режимов. Существенным недостатком систем с фазовым управлением является применение электрических машин со специальными конструкциями роторов, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей.

Отмечено, что в создание и развитие теории систем электропривода переменного тока и преобразовательной техники большой вклад внесли отечественные и зарубежные учёные - М.М. Ботвинник, И.Я. Браславский, А.А. Булгаков, А.Т. Бурков, А.М. Вейнгер, В.А. Винокуров, Д.А. Завалишин, В.И. Загрядцкий, Н.Ф. Ильинский, Ю.М. Иньков, В.И. Ключев, М.П. Костенко, В.А. Кучумов, В.В. Литовченко, О.А. Некрасов, Н.А. Ротанов, В.В. Рудаков, А.С. Сандлер, Ю.А. Сарбатов, О.В. Слежановский, В.П. Феоктистов, И.М. Чиженко, Р.Т. Шрейнер, В.А. Шубенко, И.И. Эпштейн, F. Blaschke, J. Holtz, W. Leonard, T.A. Lipo, D.W. Novotny, R. Schцnfeld и многие другие.

Вторая глава посвящена составлению математической модели, описывающей электромеханические переходные процессы в электроприводе с двумя асинхронными двигателями, один из которых содержит поворотный статор, другой - неподвижный.

Для описания переходных электромеханических процессов в данном электроприводе принят за основу двухполюсный асинхронный двигатель как идеализированная электрическая машина переменного тока. Оси координат обобщенной машины обозначены через б, в и все величины дифференциальных уравнений описаны в терминах этой системы координат.

Пространственная двухфазная модель электропривода приведена на рис. 1. Здесь оси б1, в1 связаны с неподвижным статором, оси б2, в2 связаны с поворотным статором.

Дифференциальные уравнения электрического равновесия обмоток статоров и роторов в соответствии с его пространственной двухфазной моделью (рис. 1), а также вторым законом Кирхгофа и законом Фарадея, имеют следующий вид:

где щ_k, щ_s, щ_r - электрические частоты вращения осей координат, статора и ротора соответственно, причем щ_s,=dц/dt (ц - угол поворота статора); u_{(s1,s2)(б1…в2)}, i_{(s1,s2)(б1…в2)}, i_{r (б1,в1)}, ш_{(s1,s2)(б1…в2)}, ш_{(r1,r2)(б1,в1)} - проекции напряжений, токов и потокосцеплений статоров и роторов на соответствующие оси; - сопротивления обмоток статоров и полное сопротивление цепи роторов соответственно.



Рис. 1 Пространственная двухфазная модель электропривода

Анализируя выражения (1) - (3) и рис. 1, можно сделать заключение о том, что обе машины имеют механическую и электрическую по цепи ротора связи, в магнитном же отношении они являются развязанными. Роторные обмотки асинхронных машин соединены между собой последовательно, следовательно, уравнения обобщенного электромеханического преобразователя включают не 2m+2n уравнений, где m и n - число обмоток на статоре и роторе соответственно, а 2m+n уравнений напряжений. В связи с этим решить данную систему относительно потокосцеплений не представляется возможным. Для составления математической модели был осуществлен переход от потокосцеплений к токам, протекающим по обмоткам машин. Потокосцепление каждой обмотки определяется результирующим действием токов всех магнитосвязанных обмоток машины с данной обмоткой. С учетом рис. 1 запишем выражения для потокосцеплений ш_{s1б1…r2в1} обмоток двигателей:

где L_s, L_r - собственные индуктивности обмоток статоров и роторов соответственно, L_ij - взаимные индуктивности, i = s1б1… r2в1, j = s1б1… r2в1. В уравнениях (4) - (11) подстрочным индексом i показано в какой обмотке наводится ЭДС, подстрочным индексом j указывается током какой обмотки она создается.

При работе машины меняется взаимное положение обмоток статоров двух машин. Работа электропривода в двухфазной системе координат построена таким образом, что обмотки роторов обеих машин и обмотка статора первого двигателя (с неподвижным статором) неподвижны друг относительно друга и расположены на осях б1, в1; единственной обмоткой, меняющей свое положение относительно других, является обмотка поворотного статора второго двигателя. Поэтому собственные индуктивности всех обмоток и взаимные индуктивности обмоток первой машины не зависят от положения статора второй машины, а взаимные индуктивности обмоток статора и ротора второго двигателя зависят. Взаимные индуктивности проходят полный цикл изменений при повороте статора второго двигателя на угол ц = 2р эл., поэтому, с учетом выражений (4) - (11) и принятых на рис. 1 направлений токов и знака угла поворота статора, можно записать систему дифференциальных уравнений, описывающих переходные электромеханические процессы в электроприводе:



.

Полученная система уравнений записана в матричном виде в форме Коши:

,

где - матрица токов;

- матрица напряжений;

- матрица, коэффициенты которой зависят от индуктивных параметров и угла поворота статора; - матрица, коэффициенты которой зависят от активных сопротивлений, индуктивных параметров, угла и скорости поворота статора.

Уравнения электромагнитных моментов М₁, М₂, развиваемых каждым двигателем:

Поскольку оба двигателя связаны механически, т.е. работают на общий вал, то результирующий момент М равен сумме моментов каждой машины:

Для исследования электромеханических переходных процессов полученную модель необходимо дополнить уравнением движения:

где - момент инерции валов роторов двигателей и связанных с ними вращающихся частей, приведенный к валам роторов; - момент сопротивления механизма нагрузки (вентилятора), приведенный к валам роторов; щ=щ_r /p_n (p_n - число пар полюсов).

В качестве исполнительного двигателя, осуществляющего операцию поворота статора, применен широко используемый в системах позиционирования двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением. Математическая модель, описывающая данный тип двигателя, при учете общепринятых допущений, имеет следующий вид:

 (17)

где ц_а - угол поворота вала двигателя; щ_а - частота вращения вала; I_а, I_в - токи обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателя соответственно; M_c - момент нагрузки, приведенный к валу двигателя; U_а, U_в - напряжения обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателя соответственно; - момент инерции вала ротора двигателя и вращающихся частей, приведенный к валу ротора; L_а, L_в - индуктивности обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателя соответственно; R_а, R_в - сопротивления обмотки якоря и обмотки возбуждения двигателя соответственно; сФ - коэффициент пропорциональности.

Третья глава посвящена исследованию динамических свойств электропривода с поворотным статором, синтезу системы управления скоростью электропривода с поворотным статором, синтезу системы управления вспомогательного электропривода поворота статора.

Высокий порядок уравнений не является помехой при использовании численных методов. Вместе с тем при синтезе систем управления асинхронным электродвигателем целесообразно располагать простыми и наглядными динамическими моделями электродвигателя в виде передаточных функций или структурных схем. Вследствие характера своих нелинейностей асинхронный электродвигатель может быть линеаризован только «в малом», когда предполагаются небольшие отклонения переменных величин от установившихся значений.

Считаем, что модуль входной величины (угол поворота статора ц, напряжение питания u_s, частота питающего напряжения f_s, скорость ротора щ) представляет собой сумму основного угла поворота статора ц, напряжения u_s, частоты питающего напряжения f_s, скорости ротора щ, обеспечивающего установившееся значение момента М_у, и приращений Дц, Дu_s, Д f_s, Дщ, создающих переменный момент ДМ, который и определяет динамические свойства электропривода. При такой постановке задачи под передаточной функцией электропривода понимается отношение изображения скорости или момента к вызвавшему их приращению угла поворота статора, напряжения, момента сопротивления, частоты напряжения.

Исходя из вышесказанного, выражение для момента в окрестности точки установившегося равновесия можно представить в виде:

где ?М_щ = W_щ(p)?щ, ?М_ц = W_ц(p)?ц, ?М_u = W_u(p)?u_s, - приращения момента двигателя, вызванные соответственно приращением его скорости, угла поворота статора, напряжения статора, частоты напряжения; W_щ(p), W_ц(p), W_u(p), - передаточные функции по моменту электропривода при изменении соответственно скорости, угла поворота статора, напряжения статора, частоты напряжения.

Если воспользоваться основным уравнением движения электропривода (16) и подставить в него вместо М правую часть уравнения (18), а М_с заменить на М_у (т.к. в установившемся режиме момент двигателя должен быть равен моменту статической нагрузки), то можно применить уравнение статики:

М_у - М_с = 0.

Тогда, заменив в выражении (16) d/dt на оператор Лапласа р, уравнение движения примет следующий вид:

В результате решения уравнения (19) при указанных выше допущениях получены передаточные функции исследуемого электропривода по задающему и возмущающим воздействиям. Знаменатель всех передаточных функций представляет собой полином седьмой степени, в то время как числитель - пятой степени при действии возмущений со стороны напряжения питания и его частоты и шестой - при регулировании скорости углом поворота статора.

Сложная передаточная функция приводит к частотным характеристикам непростого вида. На рис. 2 приведены логарифмические амплитудные и фазочастотные характеристики (ЛАЧХ и ЛФЧХ) электропривода, управляемого углом поворота статора.

ЛФЧХ в пределе стремится к значению фазы -90°. Однако ее особенность при таком управлении состоит в том, что она может иметь ярко выраженные максимумы и минимумы. При определенных соотношениях параметров ЛФЧХ может пересекать линию -180°, и если в этом диапазоне частот ЛАЧХ, имеющая всплеск, становится положительной, система оказывается неустойчивой. Последнее зависит от различных параметров привода, в частности от коэффициента усиления. Анализ ЛАЧХ убеждает, что они состоят из трех характерных участков: низкочастотного, специфичного для инерционного звена с электромеханической постоянной времени; среднечастотного с резонансным всплеском и провалом, определяемыми электромагнитными постоянными времени обмоток двигателей, и высокочастотного. Заметим, что при малых скольжениях (рис. 2, а) всплеск ЛАЧХ практически отсутствует.



1 2 3 4 а)	1 2 3 4 б)

Рис. 2 Логарифмические амплитудно и фазочастотные характеристики при различных скольжениях (а) и соотношениях напряжение / частота (б)

Увеличение электромеханической постоянной времени вследствие снижения жесткости при работе с большими скольжениями (рис. 2, а) приводит к уменьшению первой частоты сопряжения в зоне низких частот, благодаря чему смещается вниз и среднечастотный участок ЛАЧХ, что повышает запасы устойчивости.

На рис. 2, б представлены ЛАЧХ и ЛФЧХ электропривода при различных соотношениях напряжение / частота. Из анализа этих характеристик видно, что при работе на неноминальных значениях питающей системы ЛАЧХ смещаются вниз от номинальной, что свидетельствует о меньшем коэффициенте усиления. В зоне средних частот уменьшается амплитуда всплеска ЛАЧХ, что связано с лучшим демпфированием электромагнитных переходных процессов за счет уменьшения жесткости механической характеристики.

Если пренебречь переходными электромагнитными процессами в асинхронных двигателях, то во всех выражениях передаточных функций по моменту можно приравнять оператор Лапласа р нулю. При этих условиях получены значения следующих коэффициентов:

- коэффициент изменения момента двигателя при отклонении угла поворота статора от установившегося значения

(щ = const, u_s = const, = const);

- коэффициент изменения момента двигателя при отклонении напряжения питания статора от установившегося значения (щ = const, ц = const, = const);

- коэффициент изменения момента двигателя при отклонении частоты напряжения питания статора от установившегося значения (щ = const, ц = const, u_s = const);

- коэффициент изменения момента двигателя при отклонении скорости от установившегося значения

(ц = const, u_s = const, = const),

где - критическое скольжение;

- электрическая угловая скорость вращения магнитного поля.

На основе анализа условий эксплуатации и требований, предъявляемых к электроприводу вентилятора, в качестве регулятора скорости используется пропорциональный регулятор.

Электропривод, осуществляющий поворот статора, преобразует сигнал напряжения задания на угол поворота. В качестве ограничений, учитываемых при решении задачи синтеза электропривода, выбраны ограничение тока якоря (и соответственно, ускорения е), обусловленное конечной перегрузочной способностью двигателя , где - номинальное значение тока якоря, л - отношение допустимого тока якоря к его номинальному значению, и ограничение максимальной частоты вращения вала исполнительного двигателя .

Для исключения статических ошибок по заданию и возмущению (нагрузкой для сервопривода является электромагнитный момент, развиваемый асинхронным двигателем с поворотным статором) применяем систему управления c астатизмом по каналам управления и возмущения не менее первого порядка, чему соответствует структура электропривода с пропорционально-интегральным регулятором скорости и пропорциональным регулятором положения.

На рис. 3 показана скоростная подсистема электропривода поворота статора.

Здесь приняты следующие обозначения: U_зс, U_зт, U_у - сигналы задания скорости, тока и напряжения соответственно; U_ос, U_от - сигналы обратных связей по скорости и току соответственно; W_pc(p), W_pт(p) - передаточные функции регуляторов скорости и тока, выполненных с ограничениями, соответственно; М - электромагнитный момент двигателя; М_с - момент сопротивления - электромагнитный момент, развиваемый асинхронным двигателем с поворотным статором; k_п, Т_п - коэффициент усиления и постоянная времени преобразователя напряжения в цепи якоря соответственно; k_oc, k_oт - коэффициенты обратных связей по скорости и току соответственно; Т_э - электромагнитная постоянная времени цепи якоря, Т_э = L_a /R_a.

Рис. 3 Структурная схема скоростной подсистемы электропривода поворота статора

Контур тока настраивается на технический оптимум, применяется ПИ-регулятор тока с коэффициентом усиления k_рт и постоянной интегрирования Т_рт. Контур скорости настраивается на симметричный оптимум, применяется ПИ-регулятор скорости с коэффициентом усиления k_рс и постоянной интегрирования Т_рс.

На рис. 4 приведена структура контура регулирования положения исполнительного электропривода поворота статора.

Рис. 4 Структурная схема контура регулирования положения сервопривода

Здесь приняты следующие обозначения: U_зп, U_оп - напряжение задания положения и напряжение обратной связи по положению с учетом квантования сигнала импульсного датчика соответственно; ц - угол поворота вала серводвигателя; W_кс.зам(р) - передаточная функция замкнутого контура скорости; W_рп(р) - передаточная функция регулятора положения, выполненного с ограничением. Для получения одинакового характера процессов позиционирования при отработке перемещений разной величины применяется регулятор положения с характеристикой управления параболического вида.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию электромеханических переходных процессов в электроприводе.

Экспериментальные исследования электромеханических переходных процессов электропривода с асинхронным электродвигателем представляют особый интерес, поскольку теоретические исследования сопряжены с определенными трудностями, требуют принятия ряда допущений.

С целью экспериментального исследования электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, с участием автора разработана и изготовлена экспериментальная установка, функциональная схема которой приведена на рис. 5, а общий вид показан на рис. 6.

В состав установки входят: асинхронные электродвигатели ДМТF 012-06 (М1 и М2), цепи статоров которых подключены к общему источнику электроэнергии u_s, цепи роторов соединены последовательно посредством сопротивлений R_д, валы роторов соединены при помощи упругой втулочно-пальцевой муфты; нагрузочный механизм - центробежный вентилятор ВО; электропривод поворота статора, состоящий из двигателя постоянного тока Д (серводвигатель) и системы управления его выходной координаты. Регулирование скоростью и положением двигателя Д осуществляется за счет применения широтно-импульсного преобразователя ШИП, подключенного к выпрямителю В. Передача момента с вала ротора двигателя Д на поворотный статор асинхронного двигателя М2 происходит через понижающий цилиндрический редуктор ЦР и сегмент червячной передачи ЧР.

Измеряемыми параметрами являются частота вращения вала вентилятора (валов роторов двигателей М1 и М2), информация о которой поступает с датчика скорости ДС2; угол поворота статора машины М2; токи в фазах статоров и роторов асинхронных двигателей.

Для того чтобы автоматизировать испытания, в частности, изменять задающее воздействие, в экспериментальной установке используется ЭВМ. Сигналы с датчиков поступают на многофункциональную плату аналогово-цифрового преобразования ЛА-2USB (MF) производства ЗАО «Руднев - Шиляев» и с нее на персональный компьютер.



Рис. 5 Функциональная схема экспериментальной установки

Рис. 6 Общий вид экспериментальной установки

Для управления драйверами используется цифровой порт платы ЛА-2USB. Для сбора и хранения данных используется поставляемое в комплекте с ЛА-2USB программное приложение Saver2. При разработке программного обеспечения используется язык программирования C++. Все регуляторы реализованы программно.

На рис. 7 показаны статические характеристики, на рис. 8 приведен график переходного процесса по скорости электропривода в режиме пуска при ступенчатом изменении угла поворота статора, полученные экспериментально и теоретически.

,,

Рис. 7 Статические характеристики

Рис. 8 Осциллограмма скорости в режиме пуска

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о незначительном расхождении между результатами имитационного моделирования и данными эксперимента (при хорошем совпадении качественной картины максимальное расхождение амплитудных значений в переходных режимах не превышает 14 %, в установившихся режимах ошибка не превышает 10 %), что свидетельствует об адекватности математической модели; экспериментальные исследования также подтвердили работоспособность разработанной системы управления.

В пятой главе проведена технико-экономическая оценка эффективности применения разработанного электропривода в системах охлаждения. Приведен расчет среднеэксплуатационной мощности, потребляемой электроприводом вентилятора охлаждения с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, в системе охлаждения энергетической установки автономного локомотива мощностью 2200 кВт, который показал, что экономия топлива может составить 11520 кг в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенного анализа технических характеристик, схемных и конструктивных решений электроприводов вентиляторов охлаждения тягового электрооборудования и энергоустановок тягового подвижного состава установлено, что одним из возможных вариантов регулируемого электропривода является электропривод с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор.

2. Для проведения теоретических исследований переходных электромеханических процессов в электроприводе с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, целесообразно использовать разработанную автором математическую модель, составленную на основе дифференциальных уравнений и представленную в ортогональной системе координат.

3. В качестве регулятора скорости в системе управления электропривода целесообразно использовать пропорциональный регулятор. Для привода поворота статора рекомендуется электропривод с двигателем постоянного тока независимого возбуждения, работающий в режиме позиционирования. Для автоматического регулирования может быть применена многофункциональная плата аналогово-цифрового преобразования ЛА-2USB, управление которой может быть осуществлено посредством ЭВМ при помощи разработанной автором программы.

4. Подтверждение адекватности математической модели электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, произведено с использованием экспериментальных данных скорости и мгновенных значений токов, полученных в результате испытаний электропривода на разработанной с участием автора экспериментальной установке на базе двух асинхронных электродвигателей с фазным ротором мощностью 2,2 кВт каждый. Расхождение между данными, полученными с помощью имитационного математического моделирования, и экспериментальными данными не превышает 14 %.

5. Ожидаемая экономия топлива от применения электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, и плавного регулирования температурного режима энергоустановок может составить 11520 кг в год для автономного локомотива мощностью 2200 кВт.

6. Проведенные исследования позволили совместно с ФГУП «192 Центральный завод железнодорожной техники» разработать регулятор температуры энергетической установки транспортного средства с использованием электропривода вентилятора охлаждения с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, в качестве исполнительно-регулирующего устройства, научная новизна которого подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Пугачев, А.А. Дифференциальные уравнения асинхронного электропривода с поворотным статором / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // НТТ - наука и техника транспорта, № 3. 2008. С. 50 - 55

2. Пугачев, А.А. Асинхронный электропривод с поворотным статором для вспомогательных механизмов локомотивов / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев, А.Д. Хохлов // НТТ - наука и техника транспорта, № 4. 2008. С. 82 - 86.

3. Пугачев, А.А. Механизмы и системы управления силовых передач транспортных машин: монография / О.В. Измеров, А.С. Космодамианский, Н.М. Луков, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев, В.Г. Новиков, М.И. Борзенков, Г.П. Жилин, О.В. Дорофеев. Орел: ОрелГТУ, 2008. 253 с.

4. Пугачев, А.А. Динамические процессы в плавно регулируемом асинхронном электроприводе / А.С. Космодамианский, А.А. Пугачев, А.Д. Хохлов // Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения. Материалы международной научно-технической конференции. Орел: ОрелГТУ, 2007. С. 153 - 156.

5. Пугачев, А.А. Установка для исследования плавно регулируемого асинхронного электропривода / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев, А.Д. Хохлов // Вклад ученых и специалистов в национальную экономику: сб. науч. тр.: т. 2. Брянск: БГИТА, 2008, С. 120 - 125.

6. Пугачев, А.А. Энергетические показатели асинхронного электропривода вентилятора охлаждения / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта: межвузовск. сб. научн. тр., т. 1. М.: РГОТУПС, 2008. С. 102 - 104.

7. Пугачев, А.А. Электроприводы вспомогательных механизмов подвижного состава / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев, А.Д. Хохлов // Технические, экономические и экологические проблемы транспорта: материалы международной научной конференции, Брянск: БФ РГОТУПС, 2008. Т. 2. С. 24 - 32.

8. Пугачев, А.А. Автоматическая система регулирования температуры теплоносителей дизеля / А.С. Космодамианский, С.В. Комков, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского региона: сб. тр. международной научно-технической конференции. Хабаровск: ДВГУПС, 2008. С. 258 - 263.

9. Пугачев, А.А. Асинхронный электропривод механизмов с вентиляторной нагрузкой / В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // Материалы 58-й научной конференции профессорско-преподавательского состава - Брянск: БГТУ, 2008. С. 99 - 100.

10. Пугачев, А.А. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Г.В. Багров, В.С. Мицкович, А.С. Космодамианский, Н.М. Луков, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, В.Г. Новиков, А.Д. Хохлов, А.А. Пугачев // Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007129545/06(032177) от 01.08.2007.

11. Пугачев, А.А. Синтез передаточной функции асинхронного электропривода с поворотным статором / А.А. Пугачев // Вестник Брянского государственного технического университета. Брянск: БГТУ, 2008, № 4. С. 25 - 28.

12. Пугачев, А.А. Механическая характеристика асинхронного электропривода с поворотным статором / А.А. Пугачев, А.Д. Хохлов, В.И. Воробьев, А.С. Космодамианский // Материалы международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики». Тула: Гриф и К., 2008. С. 284 - 286.

13. Пугачев, А.А. Математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии в асинхронном электроприводе с поворотным статором / А.А. Пугачев, А.Д. Хохлов, В.И. Воробьев, А.С. Космодамианский // Материалы международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики». Тула: Гриф и К., 2008. С. 286 - 288.

Размещено на Allbest.ru

...