Энергосбережение на городском электрическом транспорте

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

1.1 Анализ применяемых систем тягового электропривода

1.2 Анализ систем управления тяговым электроприводом электроподвижного состава городского электрического транспорта

1.2.1 Анализ режимов движения городского электрического транспорта

1.2.2 Анализ математических моделей подвижного состава

1.3. Выводы по первому разделу и постановка задач исследования

2. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РАЗГОНА И ДВИЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

2.1 Концепция построения системы оптимального управления тяговым электроприводом

2.2 Разработка математической модели подвижного состава с реостатно-контакторной системой управления

2.3 Постановка задачи оптимизации, выбор и обоснование целевой функции и формулировка ограничений

2.4 Синтез закона оптимального управления электроподвижным подвижным составом

2.5 Выводы по второму разделу

3. АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ

3.1 Аппаратная реализация системы оптимального управления электроподвижным составом

3.1.1 Система датчиков

3.1.2 Микропроцессорная система управления

3.2 Программное обеспечение микропроцессорной системы

3.3 Выводы по третьему разделу

4. ПЛАНИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

4.1 Программа эксперимента

4.2 Обработка результатов эксперимента

4.3 Выводы по четвертому разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность:

Одним из основных видов энергоресурсов, потребляемых в населенных пунктах, является электроэнергия. Особенно велика ее доля, по сравнению с другими энергетическими ресурсами, в крупных городах. С ростом масштабов больших центров отмечается еще больший рост их электропотребления. Связано это, прежде всего с появлением качественно новых и более мощных электропотребителей, таких как: промышленные предприятия тяжелого машиностроения и городской электрический транспорт (ГЭТ). Последние составляют основную часть электропотребления не только крупных городов, но и целых регионов. При этом, если промышленные предприятия сегодня в основном акционированы и самостоятельно несут расходы как по затратам на энергопотребление так и по энергосберегающим мероприятиям, то предприятия ГЭТ относятся к ведению муниципалитетов и их расходы на электроэнергию составляют заметную часть городских бюджетов [80, 87, 103]. В связи с этим, особый интерес вызывает ГЭТ, поскольку он является естественной монополией и затрагивает практически все сферы деятельности города. Эта связь настолько сильна, что «жизнь» крупного центра напрямую зависит от электропотребления транспортом. От того насколько эффективно будет эксплуатироваться электрический транспорт, зависят объемы перевозок, себестоимость предоставляемых услуг и затраты на потребленную электроэнергию [9].

В условиях роста объемов пассажироперевозок и постоянно растущих тарифов на электроэнергию, оптимизация ГЭТ по электропотреблению становится особенно актуальной.

Проблема:

Проблема снижения электропотребления ГЭТ заключается, в том числе, и в неэффективности систем управления эксплуатируемого ныне электроподвижного состава (ЭПС) [12, 69, 72, 73, 74].

В настоящее время в России и за рубежом существует ЭПС ГЭТ следующих типов: с тяговыми двигателями (ТД) постоянного тока (в последнее время стали применяться вентильные ТД, что не меняет характеристик привода по сути), использующий реостатно-контакторную (РКСУ) либо тиристорно-импульсную (ТИСУ) системы управления тяговым приводом; с бесколлекторными (в подавляющем большинстве случаев - асинхронными) ТД с амплитудно-частотной системой управления. Относительное количество ЭПС различных типов в мире и в России, их относительное удельное электропотребление и стоимость отечественного подвижного состава (в ценах 2006-2011 годов) каждого типа приведены на рис. 1.

Обладая низкой стоимостью, высокой надежностью и не требуя постоянного обслуживания асинхронный ТД, тем не менее, является одной из самых неудачных тяговых машин [47-50]. В отличие от общепромышленного асинхронного двигателя тяговый должен иметь увеличенный зазор между ротором и статором для прохождения охлаждающего воздуха, что приводит к росту сопротивления магнитной цепи двигателя, и повышенное скольжение, вызванное необходимостью регулирования скорости в широких пределах, что снижает к. п. д. машины [1,16, 20, 28, 31-34, 44, 54, 58, 61-64, 67, 71, 75-78, 82, 85, 86, 104, 106]. Массогабаритные показатели асинхронного ТД примерно в 1,5 раза хуже, чем у ТД постоянного тока. Необходимость регулирования скорости в широких пределах, потребность в дополнительной преобразующей аппаратуре, ограничения на пульсации момента на низких скоростях делают применение асинхронных двигателей в тяговом электроприводе (ТЭП) не эффективным.

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения по праву называется «тяговым» [128], хотя имеет ряд недостатков, таких как сложность конструкции, высокая стоимость, наличие коллекторно-щеточного узла, который требует периодического обслуживания. Обе системы управления ТД постоянного тока предполагают регулирование напряжения на зажимах двигателя, от которого и зависит скорость машины [51].

тяговый электропривод электропотребление электрический транспорт

Рис. 1

ТИСУ основана на периодическом подключении и отключении ТД к (от) контактной сети. Среднее значение напряжения на двигателе определяется коэффициентом заполнения управляющих импульсов силового ключа. Такой способ регулирования вызывает пульсацию тягового тока, что приводит к дополнительным потерям в стали двигателя и загружает систему тягового электроснабжения и контактную сеть реактивной мощностью. Высококачественный фильтр, рассчитанный на тяговый ток изготовить достаточно сложно. Кроме того он имеет высокие массогабаритные показатели [51].

РКСУ основана на последовательном выведении секций реостата из цепи тягового двигателя под контролем реле ускорения (РУ). Однако при таком способе пуска за время от начала разгона ЭПС до выхода его на безреостатную (естественную) характеристику до 50 % энергии, взятой из контактной сети, расходуется в виде тепла на пусковом реостате [51].

В настоящее время в России подавляющее большинство единиц ЭПС ГЭТ снабжены РКСУ. Срок службы трамвайного вагона, например, составляет 14 лет (троллейбуса 10 лет), а предприятия-изготовители по сей день продолжают выпускать ЭПС ГЭТ с РКСУ. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о необходимости оптимизации по электропотреблению в том числе и этого типа ЭПС.

ЭПС ГЭТ с РКСУ слабо ориентирован на энергосбережение прежде всего в силу самой специфики системы управления, состоящей из контакторов и реле, которые имеют два устойчивых положения и не поддаются какому либо плавному регулированию. Кроме того, в закон управления не заложен алгоритм энергосбережения. Существует лишь ряд рекомендаций водителю (режимные карты) связанных со стилем ведения транспортного средства. Однако: во-первых, этого не достаточно для качественной минимизации энергопотребления, во-вторых, сложная дорожная обстановка и наличие огромного количества помех движению навязывают водителю свой ? жесткий и зачастую далекий от оптимального стиль ведения транспортной единицы.

Из всей потребленной ГЭТ из первичной энергосистемы сети электроэнергии 91 % расходуется на тягу, 5,5 % составляют потери на тяговых подстанциях и 3,5 % ? потери в контактной сети.

Следовательно, проблема разработки и внедрения на эксплуатируемый ныне ЭПС системы управления, которая позволит не зависимо от действий водителя и режима движения сократить до минимума электропотребление транспортного средства на тягу, также является актуальной.

Объектом исследования в данной монографии является реостатно-контакторная система управления ТЭП ЭПС ГЭТ.

Предметом исследования является процесс электропотребления при разгоне и движении ЭПС ГЭТ с РКСУ.

Целью исследований является синтез и реализация оптимального по электропотреблению закона управления ЭПС ГЭТ с РКСУ и его аппаратно-программная реализация.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать концепцию построения системы оптимального управления ТЭП ЭПС ГЭТ с РКСУ.

2. Разработать математическую модель процесса разгона и движения ЭПС ГЭТ с ТД постоянного тока последовательного возбуждения и РКСУ.

3. Сформулировать и решить задачу минимизации по электропотреблению ЭПС ГЭТ с РКСУ.

4. Синтезировать закон оптимального (по электропотреблению) управления ТЭП ЭПС ГЭТ с РКСУ.

5. Разработать систему датчиков мгновенных значений скорости ТД, тока ТД, напряжения контактной сети и положения контроллера водителя.

6. Разработать специализированную микропроцессорную систему, в функции которой входит сбор информации с датчиков, математические вычисления и синтез сигнала управления подмагничивающей катушкой реле ускорения.

7. Разработать программное обеспечение микропроцессорной системы, реализующее полученный закон оптимального управления тяговым двигателем.

Методы исследований:

В ходе решения задач, представленной в монографии работы, использовались методы математического анализа, дифференциальное исчисление, интегральное исчисление, методы оптимизации, методы теории автоматического управления.

Научная новизна работы заключается в получении нового способа пуска тягового двигателя последовательного возбуждения, в котором последовательно выводят ступени пускового реостата в зависимости от тока тягового двигателя под контролем реле ускорения, отличающегося тем, что поддерживается оптимальный ток тягового двигателя в зависимости от мгновенных значений скорости тягового двигателя, напряжения контактной сети и заданной скорости электроподвижного состава за счет плавного регулирования порогов срабатывания и отпускания реле ускорения. В отличие от ранее известных способов пуска тягового двигателя постоянного тока, полученный способ позволяет учитывать напряжение в контактной сети. Применение полученного способа пуска ТД позволяет оптимизировать электропотребление ЭПС ГЭТ с РКСУ, что ранее было принципиально не возможно.

Значение для теории:

1. Способ пуска тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

2. Полученная математическая модель процесса разгона и движения ЭПС ГЭТ с ТД постоянного тока последовательного возбуждения и РКСУ.

3. Синтезированный закон квазиоптимального управления ТД.

Значение для практики:

Система датчиков мгновенных значений скорости ТД, тока ТД, напряжения контактной сети и положения контроллера водителя.

Специализированная микропроцессорная система, выполняющая функции сбора информации с датчиков, математические вычисления и синтез сигнала управления подмагничивающей катушкой РУ.

Программное обеспечение микропроцессорной системы, позволяющее реализовывать полученный закон оптимального управления тяговым двигателем в реальном времени.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

Совпадением экспериментальных и расчетных данных.

Корректным использованием математических методов.

Апробация результатов:

Основные идеи работы докладывалась:

? на ежегодной Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, Иркутский государственный технический университет;

? на Международной выставке-конгрессе «Энегросбережение-2002», г. Томск;

? на Всероссийском совещании «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» г. Томск;

? на Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» г. Томск, Томский университет систем управления и радиоэлектроники.

Основные идеи работы публиковались в центральной печати (журналы «Электрика», «Вестник городского электрического транспорта») и в различных сборниках научных трудов регионального, Всероссийского, и международного уровней.

Концепция построения системы оптимального (по электропотреблению) управления процессом разгона и движения ЭПС ГЭТ с РКСУ защищена патентом РФ № 2231454 «Способ пуска тягового двигателя последовательного возбуждения» [Колбасинский, Д. В. Патент № 2231454 РФ, МПK⁷ B 60 L 9/04. Способ пуска тягового двигателя последовательного возбуждения; Заявлено 23.10.2002, Опубл. 27.06.2004, Бюл: № 18. - 4 с.].

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Система городского электрического транспорта.

Классификация электрического транспорта, и место в ней городского представлена на рис. 2.

К. П. Д. электрической тяги.

Для того чтобы оценить к. п. д. электрической тяги, необходимо проследить всю систему тягового электроснабжения (рис. 3.). Как известно, электрическая энергия вырабатывается на электростанциях. С целью снижения потери мощности в проводах линий электропередач (ЛЭП) необходимо снизить ток и повысить напряжение в ЛЭП. Для этих целей используются повышающие трансформаторные подстанции, преобразующие генераторное напряжение электростанции в напряжение высоковольтной линии электропередач. Далее электроэнергия преобразуется рядом понижающих подстанций разного уровня. Затем, тяговая подстанция преобразует входное напряжение в напряжение необходимой величины, при необходимости, выпрямляет его и подает в контактную сеть. Непосредственно от контактной сети питается подвижной состав, преобразуя электрическую энергию в механическую (движения поезда). На всех этапах преобразования энергии имеют место потери, обусловленные не единичным к. п. д. устройств системы электроснабжения. Проследив все устройства преобразования энергии на пути от электростанции до подвижного состава можно записать выражение для к. п. д. электрического транспорта:

зэт = а1 *а2 *а3 *а4 *а5 *q; (1)

где: а1 - к. п. д. электрических станций; а2 - к. п. д. линий электропередач; а3 - к. п. д. трансформаторных и тяговых подстанций; а4- к. п. д. контактной сети; а5 - к. п. д. подвижного состава; q - коэффициент, учитывающий потери при добыче и транспортировке топлива для тепловых электростанций.

В настоящее время, к. п. д. электрической тяги составляет примерно 30?34 %. Совершенно очевидна необходимость его сравнения с к. п. д. других видов тяги. Так, например, к. п. д. дизельной тяги составляет 6?8 %, паровой тяги ? 3-4 % (на некоторых видах паровых машин - до 6 %).

Несмотря на то, что к. п. д. электрической тяги существенно выше, чем у других видов, необходимо его неуклонное повышение, с целью снижения себестоимости перевозок и, следовательно, возможности снижения цен на предоставляемые услуги. Повышение к. п. д. электрической тяги возможно за счет совершенствования всех звеньев преобразования энергии и, в частности, самого подвижного состава.

В данной книге объектом исследования является реостатно-контакторная система управления ТЭП ЭПС ГЭТ, к которому относятся трамвай, троллейбус и моторные вагоны метрополитена. Все типы подвижного состава ГЭТ питаются от контактной сети постоянного тока, однако имеют разные типы тяговых двигателей и, соответственно, свои особенности систем управления этими двигателями.

Подвижной состав метрополитена, чаще всего, снабжен тяговыми двигателями постоянного тока с реостатно-контакторной системой управления. Троллейбус и трамвай могут иметь двигатели постоянного тока с реостатно-контакторной, либо тиристорно-импульсной системами управления. В последнее время начато внедрение ЭПС ГЭТ с асинхронными тяговыми двигателями с амплитудно-частотным управлением (ФГУП «Вектор» - г. Екатеринбург, АО «Троллейбусный завод» - г. Энгельс, «Санкт-Петербуржский трамвайный завод» - г. Санкт-Петербург.). За рубежом, на ЭПС ГЭТ применяют, в том числе и вентильные двигатели (некоторые модели трамвайных вагонов «Tatra», «Siemens» и пр.). Как говорилось выше - это не меняет по сути характеристик ТЭП и протекающих в нем процессов, при разгоне и движении.

1.1. Анализ применяемых систем тягового электропривода

Характеристики и условия работы тяговых электродвигателей ЭПС ГЭТ накладывают отпечатки на системы управления ими. По этому, анализ существующих систем управления ТЭП ЭПС ГЭТ необходимо начать именно с особенностей конструкции и условий работы тяговых электрических машин.

Характеристики различных типов электродвигателей хорошо рассмотрены в научно-технической литературе [20, 30, 31-34, 39, 44, 50, 51, 53, 82, 98, 102, 107, 113, 120, 132]. Следовательно, достаточно рассмотреть особенности тяговых машин различных типов и сравнить их характеристики.

Условия и номинальные режимы работы тяговых двигателей. ТД во время работы подвергаются воздействию динамических сил, возникающих при движении колес по неровностям пути, и вибрациям, которые особенно велики в зимних условиях, когда верхнее строение пути обладает повышенной жесткостью. Инерционные динамические ускорения достигают 3g при рамном и 15g при опорно-осевом подвешивании ТД. При опорно-осевом подвешивании и жесткой передаче динамические ускорения на поверхности якоря достигают 25g.

Конструкция ТД, его подвешивание и передача должны обеспечивать наименьшее динамическое воздействие ЭПС на путь и пути на двигатель, что особенно важно при высоких скоростях движения.

В общем случае, при трогании с места, ток ТД может достигать тройного номинального значения, в то время как процесс пуска занимает достаточно большое время. При пробуксовке колес (для рельсового транспорта называется «боксование») частота вращения ТД может превышать номинальную более чем в четыре раза. В диапазоне нагрузок 70-130 % от номинальной, недопустимо расхождение частот вращения отдельных двигателей при полном возбуждении более чем на 3 % (а в случае ослабленного возбуждения - более чем на 4%). Поэтому, магнитные материалы ТД должны иметь стабильные характеристики, а узлы - высокую прочность и точность сборки.

ТД подвержены атмосферным воздействиям - в них попадает влажный воздух и пыль. На зажимах тяговых двигателей возникают перенапряжения, вызванные атмосферными разрядами, а так же резкими изменениями тока.

На ЭПС двигатель расположен в пространстве, ограниченном габаритными приближениями подвижного состава к пути, расстоянием между колесными центрами и, самими размерами экипажа. Поэтому двигатель должен иметь наименьшие, согласующиеся с общей конструкцией экипажа габаритные размеры и быть доступным для обслуживания. Резкое изменение температуры (?50... +50 єС) и влажности воздуха способствуют отсыреванию изоляции и конденсации влаги на коллекторе, щеткодержателях и поверхности изоляции. Иногда это сопровождается обледенением коллектора и сильным искрением при работе двигателя. Пыль, поднимающаяся с пути, угольная пыль истирающихся щеток, влажный воздух и снег приводят к загрязнению изоляции и снижению ее диэлектрической прочности. Изоляция обмоток относительно корпуса испытывается на напряжение (при частоте 50 Гц) [60, 79]:

Uисп = 2,25 Uкс + 2000 [В], (2)

где Uкс - номинальное напряжение контактной сети.

ТД должны устойчиво работать при понижении напряжения контактной сети на 40 % и повышении на 30 % относительно номинального значения.

ТД ЭПС постоянного тока характеризуются двумя номинальными напряжениями: на зажимах двигателя и на токоприемнике ЭПС (на ЭПС переменного тока, вместо напряжения контактной сети берется в расчет напряжение вторичной обмотки тягового трансформатора). ЭПС постоянного тока чаще всего использует следующие напряжения контактной сети: 600 В, 825 В, 1500 В и 3000 В. Соответственно, напряжение на зажимах двигателей (в зависимости от типа их соединения) может быть 300 В, 600 В, 412 В и 1500 В. ТД напряжением выше 1,5 кВ не изготавливаются, т. к. это требует значительного увеличения слоя изоляции и, как следствие, снижает удельную мощность электрической машины (резкий рост массы и габаритов при той же электрической мощности).

ТД в процессе эксплуатации работают с резко переменной нагрузкой. Для сравнительной оценки их работы установлены два номинальных режима: продолжительный и часовой.

Соотношение продолжительной и часовой мощностей определяет эффективность вентиляции ТД. Часовой режим характеризует теплоемкость двигателей и используется для их сравнительной оценки и проведения контрольных испытаний.

Для большинства современных ТД удельный расход воздуха (отношение полного расхода воздуха к потерям мощности в двигателе) равен 2,1-2,7 м3/мин на 1 кВт потерь мощности в двигателе.

Повышение теплопроводности изоляционных материалов, совершенствование конструкции и технологии изготовления обмоток, рациональное конструктивное выполнение воздуховодов и распределение воздушных потоков в двигателе позволяют уменьшить габариты двигателя и снизить разницу между значениями продолжительного и часового тока.

Следует учитывать, что любая тяговая электрическая машина работает с некоторой перегрузкой, вследствие стремления получить большую мощность в меньших габаритах. А это накладывает отпечаток на ее характеристики.

Все ТД выполняются закрытого типа с независимой или самовентиляцией. Размеры каждого ТД, его масса, эксплуатационные и экономические показатели при заданных мощности двигателя в часовом режиме, напряжении на зажимах, напряжении изоляции и др. зависят в основном от диаметра якоря Dя и длины его сердечника lя. Эти размеры определяются механическими, магнитными и токовыми нагрузками, которые обусловлены соответственно частотой вращения якоря, индукцией в воздушном зазоре Bд, и линейной нагрузкой якоря A, связанными уравнением:

Pэм = E Iя 10-3 = A Bд бд vя р Dя lя 10-3 , (3)

где PЭМ - электромагнитная мощность двигателя, кВт; E - э. д. с., В; IЯ - ток якоря; A - линейная нагрузка якоря; Bд - индукция в воздушном зазоре; бд ? расчетное полюсное перекрытие; vЯ - окружная скорость якоря, м/с.; DЯ - диаметр якоря; lЯ - длина якоря.

Требуемая номинальная расчетная мощность (обычно часовая), развиваемая одной движущей колесной парой при индивидуальном приводе, кВт,

Рном = Fном vном 102/(367 зп), (4)

где FНОМ ? номинальная расчетная сила тяги колесной пары, кН; vНОМ - номинальная расчетная скорость, км/ч; зП - к. п. д. тяговой передачи.

Сила тяги Fном = шР₀ зависит от заданной нагрузки движущей колесной пары на путь Р₀ и от коэффициента сцепления ш. Скорость зависит от назначения ЭПС.

Асинхронные тяговые двигатели. Максимальный вращающий момент двигателя

М_мах ? m₁U₁²/[2щ₁(X₁+X₂^/)], (5)

где m₁ - число фаз обмотки статора; U₁ - напряжение сети; щ₁ - скорость вращения поля статора; X₁ - индуктивное сопротивление статора; X₂^/ - приведенное индуктивное сопротивление ротора.

Асинхронный двигатель чувствителен к понижению напряжения (например, при понижении напряжения на 10 % вращающий момент уменьшается на 19 %).

В отличие от асинхронного двигателя общепромышленного исполнения тяговый асинхронный двигатель имеет ряд особенностей, вытекающих из условий его работы на ЭПС (питание от преобразователя частоты и фаз, вписывание значительной мощности в заданные, весьма сжатые габариты, обусловленные размерами ходовой части локомотива и пр.).

На всех коллекторных ТД 30 % охлаждающего воздуха проходит в воздушном зазоре между якорем и статором, осуществляя интенсивный отвод тепла с поверхности якоря и полюсов. У асинхронного же ТД, чтобы уменьшить намагничивающий ток и повысить cos ц, стремятся выполнить воздушный зазор между статором и ротором по возможности минимальным по конструктивным и производственным соображениям. В связи с этим у асинхронных двигателей не удается охладить поверхности ротора и статора, обращенные к воздушному зазору. Чтобы пропускать между статором и ротором достаточное количество охлаждающего воздуха, у тяговой асинхронной машины нарезают надпазовые каналы, через которые и проходит около 30 % всего охлаждающего воздуха.

Высота надпазового канала составляет (1-1,5)b_пс, где b_пс - ширина паза статора. Надпазовые каналы примерно на 40% повышают индуктивное сопротивление рассеяния статора, что приводит к уменьшению вращающего момента.

От числа полюсов асинхронного двигателя зависит не только его скорость вращения, но и потери в преобразователе. Для снижения потерь коэффициент соотношения скоростей кv должен быть принят равным 2,5. Широкий диапазон регулирования скорости заставляет проектировать двигатель с повышенным скольжением. С целью наилучшего использования асинхронного двигателя при его регулировании рекомендуется поддерживать постоянным отношение напряжения двигателя к частоте

U/f = const. (6)

Как известно, скорость асинхронной машины напрямую зависит от частоты. Регулируя скорость ЭПС необходимо пропорционально частоте регулировать напряжение в достаточно широких пределах. Кроме того, скорость двигателя при неизменной частоте меняется с изменением нагрузки из-за наличия скольжения. Система управления асинхронной тяговой машиной должна формировать квазисинусоидальную систему многофазного напряжения с регулируемой частотой и амплитудой. На сегодняшний день такие системы имеют высокую стоимость, и низкую надежность, вследствие сложности схемной реализации. Сам двигатель с энергетической точки зрения не достаточно эффективен. В отличие от двигателей постоянного тока, асинхронная машина потребляет реактивную мощность, которая, протекая по активному сопротивлению системы тягового электроснабжения (рис. 3) вызывает потери электроэнергии. Кроме того, реактивные токи загружают электрооборудование самого ЭПС, вызывая дополнительные потери.

Вентильные тяговые двигатели. Вентильный ТД по конструкции является синхронной машиной, у которой обмотка якоря расположена на статоре, а обмотка возбуждения ? на роторе.

Чаще всего на ЭПС используются шести- или восьмиполюсные вентильные двигатели с неявным ротором. Такое исполнение ротора технологически проще. Однако в тепловом и механическом отношении материалы ротора и изоляции полюсных катушек оказались перегруженными. Это связано с тем, что м. д. с. возбуждения вентильного двигателя с учетом реакции якоря и углов коммутации превышают м. д. с. холостого хода примерно в 1,8 раза, в то время, как в машине постоянного тока - всего лишь в 1,2 раза. Кроме того, из-за полюсных распорок ухудшается отвод тепла от катушек возбуждения.

По мере совершенствования подшипниковых узлов и редукторов тяговых передач, а также увеличения скоростей сообщения ЭПС, частоты вращения двигателей, по-видимому, будут расти. В результате стремления вписать большую мощность в заданные габариты увеличится и теплонапряженность. Поэтому единственно возможной оказалась конструкция ротора с неявно выраженными полюсами.

Надпазовые каналы для охлаждения поверхности ротора и полюсов в вентильной машине неприемлемы, т. к. они примерно на 40 % повышают сопротивление рассеяния статора, что приводит к резкому снижению вращающего момента.

Тяговые двигатели постоянного тока независимого возбуждения. Учитывая тот факт, что ЭПС питается по однопроводной контактной сети, схема включения двигателя с независимым возбуждением вырождается в схему включения с параллельным возбуждением, т. к. отсутствует второй, независимый источник питания. Характеристики двигателя рассчитываются из зависимостей э. д. с. Е и момента М от параметров двигателя:

Е = СФщ; (7)

М = СФIя,

где С - постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы; Ф - магнитный поток; Iя - ток якоря.

Магнитный поток определяется током обмотки возбуждения и, следовательно, не зависит от тока якоря. Ток якоря определяется моментом нагрузки. Двигатели такого типа имеют жесткие характеристики. Резкие изменения момента нагрузки вызывают броски тока в силовой цепи ЭПС и системе тягового электроснабжения.

Обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения рассчитана на сравнительно небольшие токи, поэтому выполнена проводом малого сечения. Это обстоятельство снижает надежность тяговых машин такого типа, вследствие тяжелых условий работы тягового двигателя.

Тяговые двигатели последовательного возбуждения. В настоящее время двигатели такого типа прочно удерживают позиции в магистральном, городском, внутризаводском и других видах электрического транспорта. На ГЭТ отечественного производства наиболее распространены ТД смешанного возбуждения с преобладанием последовательной обмотки. На ГЭТ производства Чехии, например, - последовательного возбуждения. Обмотка возбуждения ТД последовательного возбуждения выполнена проводом большого сечения и с ничтожно малым напряжением между витками. Поэтому двигатели последовательного возбуждения отличаются от других двигателей постоянного тока более высокой надежностью.

Такие двигатели не критичны к чрезмерному понижению напряжения питания, что часто случается в контактной сети. А так же выдерживают кратковременное увеличение момента нагрузки, вплоть до полной остановки двигателя.

Характеристики ТД различного типа приведены на рис. 4.

Двигатели постоянного тока позволяют осуществлять собственное питание от однопроводной сети без применения сложных преобразователей. В отличие от машин переменного тока они не потребляют и не генерируют реактивную мощность.

1.2 Анализ систем управления тяговым электроприводом электроподвижного состава городского электрического транспорта

При управлении тяговыми электродвигателями ЭПС выполняются следующие операции:

? присоединение тяговых двигателей к контактной сети и отключение от нее по воле водителя или автоматически, например, при перегрузках, коротких замыканиях, исчезновениях напряжения в контактной сети, превышениях напряжения выше максимально допустимой величины;

? переключение ступеней пуско-тормозных реостатов соответственно при пуске и торможении;

? переключение ступеней шунтов в цепи возбуждения тяговых двигателей для изменения магнитного потока;

? переключение тяговых двигателей с одной группировки на другую;

? переключение тяговых двигателей с режима тяги на режим торможения и обратно;

? включение режима торможения, переключение схемы с одного вида торможения на другой (реостатное, рекуперативное, следящее рекуперативно-реостатное, механическое);

? изменение направления движения ЭПС (реверс тяговых двигателей);

? отключение части тяговых двигателей при аварийном режиме.

Перечисленные операции предусматриваются не на всех типах ЭПС. Например, на троллейбусах и некоторых типах трамвайных вагонов не делают перегруппировку тяговых двигателей при пуске. На вагонах метрополитена не предусматривается отключение части двигателей при аварийном режиме и т. п.

В зависимости от вида пусковых устройств, системы управления разделяются на ступенчатые и плавные. А от способа приведения в действие электрических аппаратов - на системы непосредственного управления и системы косвенного управления (иногда их называют дистанционными).

Классификация систем управления ЭПС ГЭТ. Все системы управления ЭПС ГЭТ, с двигателями постоянного тока, разделяются на следующие группы (рис. 5):

При непосредственном управлении предполагается приведение в действие электрических аппаратов непосредственно усилием машиниста (или водителя) транспортного средства. Для надежной коммутации больших токов требуются значительные контактные нажатия в коммутационных аппаратах (несколько сотен Ньютонов). Такие усилия развивать человеку затруднительно, вследствие чего, водитель быстро утомляется. Работа человека непосредственно с высоковольтными аппаратами ставит под угрозу его жизнь и здоровье. Кроме того, данный подход предполагает разветвленность высоковольтной проводки по кузову ЭПС. Все это снижает безопасность эксплуатации транспортного средства. Задание оптимальных режимов при такой системе управления - невозможно. Поэтому, по мере развития контакторной аппаратуры и исполнительных механизмов с косвенным приводом, на смену непосредственным системам управления пришли косвенные.

Косвенная система управления предполагает наличие в силовой цепи аппаратов с электромагнитным, электродвигательным или пневматическим приводом. Водитель лишь управляет приводом этих аппаратов. Такой подход существенно облегчает труд водителя, сокращает разветвленность высоковольтной проводки по кузову транспортного средства и, от части, дает возможность реализовать квазиоптимальные режимы управления.

Непосредственные и косвенные системы управления, по способу исполнения, могут быть выполнены реостатно-контакторными. Косвенные системы могут быть выполнены реостатно-контакторными, тиристорно-импульсными или цифровыми.

В реостатно-контакторных системах управления могут быть реализованы принципы ручного и автоматизированного управления.

При ручном управлении, лицо принимающее решение (ЛПР), которым в данном случае является водитель, оценивает внешние факторы, воздействующие на объект управления, и задает тот или иной режим работы электрооборудования ЭПС.

При автоматизированном управлении ЛПР запускает те или иные алгоритмы (или по мере необходимости прерывает их выполнение) которые выполняются в автоматическом режиме.

При автоматическом управлении ЛПР отсутствует. Примером такого подхода может явиться система автоматического управления «Автомашинист», которая была испытана в некоторых отечественных и зарубежных метрополитенах.

Любую систему управления необходимо выполнять с учетом следующих требований [18, 21, 29]:

? все операции по управлению тяговыми электродвигателями должны производиться простыми и легко запоминающимися манипуляциями (рукоятками или педалями контроллера водителя), причем одновременно нельзя использовать более одной рукоятки или более одной педали;

? все рукоятки и педали должны быть сблокированы между собой таким образом, чтобы исключать ошибочные действия и обеспечивать осуществление при любых условиях более безопасного режима - торможения;

? отказ в работе любого из электрических аппаратов не должен вызывать не правильного режима (тягового вместо тормозного, движения в обратную сторону, по сравнению с выбранным направлением и пр.);

? аппараты и все цепи, соединяющие их между собой и с тяговыми двигателями должны работать надежно;

? труд водителя должен быть максимально облегчен;

? электрооборудование должно быть доступным и удобным в обслуживании;

? система управления должна, по возможности, реализовывать энергосберегающие алгоритмы управления;

? система управления должна иметь минимальные вес, габариты и стоимость.

Реостатно-контакторные системы управления. Принцип управления тяговыми двигателями при использовании РКСУ основан на последовательном выведении секций реостатов из силовой цепи под контролем реле ускорения (рис. 6). В цепи тягового двигателя установлена катушка реле ускорения (РУ). При полностью введенном пусковом реостате и подключении силовой цепи к контактной сети, путем замыкания линейного контактора (ЛК), ЭПС начинает трогаться с места. Ток ТД при этом превышает порог срабатывания РУ. Нормально замкнутые контакты РУ при этом отключают питание привода группового реостатного контроллера (ГРК), который остается на занимаемой позиции. С ростом скорости подвижного состава растет э.д.с. вращения ТД и, следовательно, падает ток последнего. Как только ток ТД упадет до порога отпускания РУ, оно отключится, замкнет свои нормально разомкнутые контакты и запитает привод ГРК. ГРК начнет вращаться и выведет из силовой цепи первую ступень пускового реостата. Сопротивление в цепи ТД уменьшится скачком, вследствие чего резко возрастет ток ТД. РУ сработает, обесточит привод ГРК и он останется на занимаемой позиции до тех пор, пока ток ТД вследствие роста скорости ЭПС не снизится до значения отпускания РУ. Процесс повторяется до тех пор, пока ГРК не выведет пусковой реостат полностью. При этом двигатель окажется на естественной (без реостатной) характеристике, что соответствует его работе под напряжением контактной сети. Далее следует несколько ступеней (в зависимости от типа ЭПС) ослабления поля возбуждения ТД, шунтированием обмотки возбуждения (ОВ). На этом процесс пуска заканчивается. Диаграмма пуска тягового двигателя последовательного возбуждения, при использовании описанной системы управления, представлена на рис. 7.

Кроме токовой, РУ имеет еще и подмагничивающую обмотку (на рис. 6 не обозначена), которая позволяет изменять пороги срабатывания и отпускания реле, а значит и величины ускорения. Как правило, на ЭПС ГЭТ можно задать два значения ускорения: 1,2 м/с² и 1,5 м/с², но не выше 1,5 м/с². Подмагничивание зависит от позиции контроллера водителя (контроллера хода).

При таком подходе ток ТД держится условно постоянным. Фактически - это среднее значение между токами срабатывания и отпускания РУ. Разгон ЭПС с РКСУ происходит не плавно. При выведении очередной ступени пускового реостата имеют место рывки, создающие дискомфорт пассажирам, разрушающие трансмиссию и, само собой вызывающие неоправданный перерасход электроэнергии, т. к. всякое изменение скорости ЭПС связано с потреблением энергии из контактной сети или с преобразованием кинетической энергии поезда в тепловую на тормозных реостатах, либо на тормозных колодках. Описанный способ пуска подробно рассмотрен в [51].

Еще одним недостатком описанного способа регулирования тягового привода постоянного тока является то, что он предполагает постоянство напряжения контактной сети.

Однако, исследования проведенные автором показали, что в ходе движения от одного конечного пункта до другого, напряжение на токоприемнике ЭПС меняется в широких пределах (400-700 В, при номинальном значении 600 В). Этот факт объясняется несколькими причинами. В ходе движения ЭПС по установленному маршруту он проезжает участки контактной сети, питающиеся от тяговых подстанций различной мощности. Менее мощные подстанции хуже выдерживают номинальное напряжение при увеличении нагрузки на их фидерах. Нагрузка тяговых подстанций не равномерная. Она зависит от наличия на данном участке тягового электроснабжения транспортных единиц, работающих в режиме тяги (выбега, рекуперации). Кроме этого, в ходе движения ЭПС оказывается на разном удалении от места присоединения фидера тяговой подстанции к секции контактной сети. Чем больше расстояние от присоединения до токоприемника ЭПС, тем больше падение напряжения в контактном проводе при одном и том же потребляемом токе.

Тиристорно-импульсные системы управления. Принцип действия импульсного пуска ТД основан на периодическом подключении (отключении) тягового двигателя к (от) контактной сети. Система управления представляет собой импульсный регулятор напряжения (управляемый импульсный стабилизатор понижающего типа), нагрузкой которого является тяговый двигатель (рис. 8).

Схема состоит из емкости входного фильтра Сф, тиристорно-импульсного прерывателя ТИП, дополнительной индуктивности Lд, обратного диода До, системы управления тиристорно-импульсным преобразователем СУ, которая подчинена контроллеру водителя КВ, и тягового двигателя ТД с обмоткой возбуждения ОВ. Во время открытого состояния ТИП ток протекает по цепи: «+» контактной сети, ТИП, Lд, ТД, ОВ, «-» контактной сети. Одновременно с этим происходит частичный разряд емкости входного фильтра. Часть энергии, взятой из контактной сети, преобразуется тяговым двигателем в механическую. Другая часть накапливается в индуктивностях Lд и самого двигателя. Ток двигателя при этом растет.

Во время закрытого состояния ТИП, за счет накопленной в индуктивностях энергии, ток протекает по цепи: Lд, ТД, ОВ, До, Lд. Емкость входного фильтра при этом заряжается из контактной сети. Ток двигателя падает.

Изменение коэффициента заполнения импульсов управления силовым ключом, позволяет регулировать среднее значение напряжения на двигателе за период регулирования, а значит и скорость ЭПС. Импульсный способ регулирования подробно рассмотрен в [51].

Диаграммы изменения токов и напряжений, размах пульсаций тягового тока в зависимости от коэффициента заполнения и принцип построения m-фазной схемы представлены на рис. 9 и 10.

Импульсный способ регулирования способствует появлению переменной составляющей тягового тока, которая вызывает дополнительные пульсационные потери в стали двигателя, а так же загружает контактную сеть и систему электроснабжения реактивной мощностью. Следовательно, такая система управления требует дополнительно использовать высококачественные фильтры, рассчитанные на тяговый ток, которые сильно снижают удельную мощность и вместимость ЭПС. Однако, даже высококачественные фильтры снижают коэффициент пульсаций не более чем на 20?25 % [51].

При установке счетчика электрической энергии непосредственно на ЭПС наблюдается примерно тридцати процентная экономя электроэнергии по сравнению с РКСУ. Однако фактически счетчики установлены на высоковольтной стороне тяговых подстанций. Именно эта часть системы тягового электроснабжения является границей раздела с первичной энергосистемой. И, именно там происходит учет потребленной электроэнергии. Используя только активную мощность, предприятие ГЭТ платит за полную [25]. В результате чего применение ТИСУ не дает существенной экономии электроэнергии. Однако при этом тяговые двигатели ЭПС имеют меньшую удельную мощность и К.П.Д.

Очень редко на ЭПС применяются асинхронные тяговые двигатели с амплитудно-частотным управлением. Обобщенная схема силовой цепи такого ЭПС представлена на рис. 11.

При питании от сети постоянного тока, вместо управляемого выпрямителя устанавливается управляемый импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа.

Сложность системы управления, большие массогабаритные показатели, и не подходящие характеристики асинхронных тяговых двигателей ограничивают применение такой системы управления на ЭПС.

Цифровые системы управления используют средства ЭВМ, микропроцессорной и микроконтроллерной техники на стадиях принятия решения, выработки управляющего воздействия, анализа информации с датчиков, и т. п. Они могут сочетаться с реостатно-контакторным и тиристорно-импульсным управлением тяговыми двигателями постоянного тока, а так же с амплитудно-частотным управлением асинхронными двигателями. С помощью цифровых систем управления возможно построение систем автоматического управления «Автомашинист».

Как уже отмечалось в предыдущих разделах, наиболее удачной тяговой машиной является двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Именно этот двигатель нашел наибольшее распространение на ЭПС. По этому в дальнейшем внимание будет уделяться в основном системам управления именно этим двигателем.

1.2.1 Анализ режимов движения городского электрического транспорта

Движение подвижного состава по дорогам имеет сложный характер. Поступательное движение поезда вдоль оси пути неразрывно связано с вращением колесных пар, якорей ТД. На это полезное поступательное перемещение подвижного состава накладывается колебательное движение экипажа, которые возникают из-за внешних воздействий на подвижной состав со стороны пути и окружающей среды.

Изменение тока нагрузки единицы подвижного состава вызывает колебания (или отклонения) напряжения контактной сети. Это в свою очередь вызывает изменение тока других единиц подвижного состава, работающих на данном участке тягового электроснабжения.

Специфическими особенностями наземного ГЭТ являются:

? эксплуатация в общем транспортном потоке города;

? наличие большого количества остановочных пунктов с малыми расстояниями между ними;

? часто меняющийся режим движения, вызванный сменой дорожной обстановки;

? неравномерность нагрузки подвижного состава по часам работы.

Движение троллейбуса и трамвая в общем транспортном потоке вызывает необходимость поддерживать их конструктивные и технические возможности на уровне других видов транспорта, участвующих в движении по городским улицам. Динамические, скоростные, габаритные и другие технико-экономические качественные оценки этого подвижного состава должны соответствовать аналогичным качественным оценкам других транспортных средств, работающих в одном потоке. Особенно это относится к динамическим и скоростным качествам, связанным с режимным регулированием дорожного движения, безопасностью движения и скоростью сообщения.

Различают три основных режима движения подвижного состава [57, 98]: режим тяги (движение под током); выбег (движение без тока); торможение.

Движение подвижного состава по рельсовому и безрельсовому пути характеризуется зависимостями скорости от пройденного пути , скорости от времени , и пути от времени , называемыми кривыми движения.

В режиме тяги ЭПС потребляет из контактной сети энергию. За время пуска до 50-ти % энергии взятой из контактной сети (кроме затрат на собственные нужды) теряется в пусковых реостатах.

В режиме выбега ТД ЭПС отключены от контактной сети. Транспортное средство движется за счет накопленной кинетической энергии. Процесс выбега сопровождается снижением скорости.

В режиме торможения на ЭПС действует тормозная сила. Кинетическая энергия поезда преобразуется тормозной системой в тепловую. Различают следующие типы торможения: реостатное; рекуперативное; следящее рекуперативно-реостатное; механическое; рельсовое (применительно к рельсовому транспорту).

Реостатное торможение реализуется путем перевода ТД в режим генератора постоянного тока независимого возбуждения. При этом обмотка возбуждения питается от низковольтных источников питания (бортовой преобразователь питания цепей управления или аккумуляторная батарея). Энергия генератора выделяется в тепло на тормозных реостатах. Помимо потерь в реостатах имеет место потребление энергии из контактной сети на возбуждение генератора и интенсивный обдув реостатов.

Рекуперативное торможение отличается лишь тем, что энергия генератора рекуперируется в контактную сеть. Такое торможение наиболее эффективно при питании от контактной сети переменного тока и при больших начальных скоростях торможения (например, на магистральных железных дорогах). Рекуперируемая энергия может быть возвращена в первичную систему электроснабжения через трансформатор тяговой подстанции.

При питании от сети постоянного тока энергия рекуперации может быть потреблена только другим поездом находящимся на данном участке электроснабжения и в режиме тяги. Вероятность такого совпадения составляет не более 20 %. В случае отсутствия потребителя энергии в контактной сети растет напряжение. При достижении максимально допустимой величины, система управления ЭПС переключает схему на реостатное торможение.

Следящее рекуперативно-реостатное торможение заключается в автоматической замене рекуперативного торможения реостатным, при отсутствии потребителя энергии и, наоборот, при его появлении. Применение такого вида торможения усложняет электрооборудование ЭПС, при этом не давая существенной экономии электроэнергии. По этому на ЭПС ГЭТ применяется крайне редко.

Механическое торможение применяется для дотормаживания на низких скоростях (ниже 2-3 км/ч), когда электрическое торможение становится не эффективным. Кроме того, механический тормоз является резервом на случай неисправности электрооборудования контура электрического торможения.

Рельсовое торможение реализуется путем притягивания электромагнита тормоза к рельсам. Кинетическая энергия движущегося ЭПС при этом расходуется на трение между электромагнитом тормоза и рельсами.

...