Підвищення ефективності роботи тягової електропередачі дизель-поїздів ДЕЛ-02

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство інфраструктури України

Державне підприємство

«Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України»

УДК 629.423.24

підвищення ефективності роботи тягової електропередачі дизель-поїздів ДЕЛ-02

05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кулагін Дмитро Олександрович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Електропостачання промислових підприємств» Запорізького національного технічного університету Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Андрієнко Петро Дмитрович, Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, професор кафедри «Електропостачання промислових підприємств»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Павленко Альберт Прокопович, Харківська філія Державного підприємства «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» Міністерства інфраструктури України, головний науковий співробітник док

кандидат технічних наук, доцентЯцько Сергій Іванович, Українська державна академія залізничного транспорту Міністерства інфраструктури України, доцент кафедри «Системи електричної тяги»тор технічних наук, професор, академік Транспортної академії Україниолоді та спорту України, доцент кафедри електричного транспортуЗахист відбудеться «14» жовтня 2011 року о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.885.01 в Державному підприємстві «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» за адресою: 03038, м. Київ-038, вул. Федорова, 39.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного підприємства «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» за адресою: 03038, м. Київ-038, вул. Федорова, 39.

Автореферат розісланий «08» вересня 2011 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 26.885.01,

к.т.н., доцент С. Г. Грищенко



АНОТАЦІЯ

Кулагін Д. О. Підвищення ефективності роботи тягової електропередачі дизель-поїздів ДЕЛ-02 - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів. - Державне підприємство «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України», Київ, 2011.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності роботи дизель-поїздів ДЕЛ-02 шляхом модернізації системи керування тяговою електропередачею. дизель поїзд тяговий електропередача

Дістала подальшого розвитку теорія систем керування тяговими електропередачами на основі нової модернізованої структурної схеми керування тяговою електропередачею, врахування варіації параметрів механічних та електричних частин, врахування пружних зв'язків між елементами тягової електропередачі, нормування динамічних характеристик руху дизель-поїзда, що дозволило підвищити ефективність роботи тягової електропередачі дизель-поїзда.

В роботі удосконалено подвійний регулятор струму врахуванням в його передаточній функції варіації параметрів контурів тягової електропередачі, що дозволило зменшити вплив температурних коливань на якість перехідних характеристик керування дизель-поїздом.

Вперше синтезовано регулятор частоти для системи керування автономним інвертором напруги, побудованої на основі подвійного регулятора струму, який враховує наявні пружні зв'язки між елементами тягової електропередачі дизель-поїзда.

Розроблено новий задатчик руху поїзда, що дозволяє нормувати значення прискорення, ривка та швидкості руху дизель-поїзда в звичайних та аварійних режимах, з одночасним керуванням перехідними процесами електричних контурів тягової електропередачі.

Ключові слова: дизель-поїзд, тягова електропередача, система керування, тяговий перетворювач частоти, метод поліномів, підвищення ефективності.



АННОТАЦИЯ

Кулагин Д. А. Повышение эффективности работы тяговой электропередачи дизель-поездов ДЕЛ-02 - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Государственное предприятие «Государственный научно-исследовательский центр железнодорожного транспорта Украины», Киев, 2011.

Диссертация посвящена повышению эффективности работы дизель-поездов ДЕЛ-02 путем модернизации системы управления тяговой электропередачей.

Получила дальнейшее развитие теория систем управления тяговыми электропередачами на основе новой модернизованной структурной схемы управления тяговой электропередачей, учета вариации параметров механических и электрических частей, учета упругих связей между элементами тяговой электропередачи, нормирования динамических характеристик движения дизель-поезда, что позволило повысить эффективность работы тяговой электропередачи дизель-поезда.

В работе усовершенствован двойной регулятор тока учетом в его передаточной функции вариации параметров контуров тяговой электропередачи, что дало возможность уменьшить влияние температурных колебаний на качество переходных характеристик управления дизель-поездом.

Впервые синтезирован регулятор частоты для системы управления автономным инвертором напряжения, построенной на основе двойного регулятора тока, который учитывает имеющиеся упругие связи между элементами тяговой электропередачи дизель-поезда.

Разработан новый задатчик движения поезда, который позволяет нормировать значение ускорения, рывка и скорости движения дизель-поезда в обычных и аварийных режимах, с одновременным управлением переходными процессами электрических контуров тяговой электропередачи.

Приведенные данные в общем виде позволяют использовать результаты синтеза и разработки системы автоматического управления тяговой электропередачей для типичных транспортных и грузоподъемных, а также общепромышленных систем электроприводов, которые можно свести к двухмассовой схеме замещения с упругими связями.

Приведенные выводы об исследовании модернизованной тяговой электропередачи свидетельствуют о том, что в сравнении с существующей системой разработанная позволила повысить эксплуатационную эффективность тяговой электропередачи за счет:

- получения ускорений во всех режимах работы на уровне не менее 0,4 м/с² при значении рывка до 20 м/с³;

- уменьшения колебаний энергетических переходных процессов контуров тяговой электропередачи;

- уменьшения зависимости качества регулирования от изменения параметров контуров тяговой электропередачи;

- дополнительного учета модернизованной системы автоматического управления действия упругих связей между элементами тяговой электропередачи.

Ключевые слова: дизель-поезд, тяговая электропередача, система управления, тяговый преобразователь частоты, метод полиномов, повышение эффективности.



ABSTRACT

Kulagin D. О. Increase of efficiency working of hauling electricity transmission of diesel-locomotives DEL-02 - Manuscript.

The dissertation on completion of a scientific degree of cand. tech. science on a speciality 05.22.07 - The rolling stock of railways and traction of trains. - State company «State research center of railway transport of Ukraine», Kyiv, 2011.

Dissertation is sanctified to the increase of efficiency working of hauling electricity transmission of diesel-locomotives DEL-02 by modernization of control system by a hauling electricity transmission.

Got further development theory of control system by hauling electricity transmissions on the basis of taking into account of variation of parameters mechanical and electric parts, taking into account of resilient connections between the elements of carriage part, setting of norms of dynamic descriptions of motion of diesel-locomotive, new modernized structural chart of management a hauling electricity transmission, that allowed to promote efficiency works of hauling electricity transmission of diesel-locomotive.

The double regulator of current is in-process improved taking into account in his of function of variation of parameters of contours of hauling electricity transmission, that allowed to decrease influence of temperature vibrations on quality of transitional descriptions of management diesel-locomotives.

The regulator of frequency is first synthesized for control system of the tension, built on the basis of double regulator of current, that takes into account present resilient copulas between the elements of carriage part of diesel-locomotive, by an autonomous negator.

It is worked out to new sensor motion of train, that allows to ration the value of acceleration, jerk and rate of movement of diesel-locomotive in the ordinary and emergency modes, with the simultaneous management of electric contours of hauling electricity transmission transients.

Keywords: diesel-locomotive, hauling electricity transmission, control system, hauling transformer of frequency, method of polynomials, increase of efficiency.



ЗАГАЛЬНА характеристика рОботИ

Актуальність теми. Оновлення та модернізація залізничного парку є основою виконання завдань «Державної цільової програми реформування залізничного транспорту на 2010-2015 роки» (Постанова Кабінету Міністрів України від 16 грудня 2009 р. № 1390). Особливу увагу в даній програмі відведено неелектрифікованим коліям, що складають в процентному відношенні до всієї довжини головних колій 55,9 %. Завдання оновлення та модернізації рухомого складу для таких колій доцільно вирішувати на основі вітчизняних виробничих потужностей з використанням українських тягових агрегатів.

Більша частина дизель-поїздів, що експлуатуються на залізницях України, потребує списання та термінової заміни як таких, що відпрацювали свій термін експлуатації. Утримання даних тягових одиниць призводить до перевищення нормативних ремонтних витрат і негативно позначається на рентабельності залізничних перевезень.

Закупівля та подальше обслуговування імпортних дизель-поїздів потребує вкладання значних коштів. Тому для комплексного оновлення парку дизель-поїздів ВАТ ХК «Луганськтепловоз» разом з ВАТ «НДІ«Перетворювач», НТУ «ХПІ», ДП «Завод «Електротяжмаш» та УкрДАЗТ було розроблено та випущено партію дослідних дизель-поїздів ДЕЛ-02 відповідно до Державної програми «Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства», що введена в дію Постановою Кабінету Міністрів України від 2 червня 1998 р. № 769 та Постанови Кабінету міністрів України від 27 грудня 2006 р. № 651-р «Про схвалення Концепції Державної програми реформування залізничного транспорту». Дизель-поїзда ДЕЛ-02 показали ефективну експлуатацію на залізничних магістралях України.

Накопичений досвід експлуатації дослідних дизель-поїздів ДЕЛ-02 та потреба у нових партіях серійних зразків даної продукції вимагають проведення удосконалення системи тягової електропередачі, підвищення ефективності її роботи.

Все перераховане і визначає актуальність теми досліджень дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором при виконанні досліджень:

- на базі ВАТ «НДІ«Перетворювач» відповідно до госпдоговірної роботи з ВАТ ХК «Луганськтепловоз» у рамках «Державної програми реформування залізничного транспорту на 2008-2015 роки» (Концепція Програми схвалена розпорядженням Кабінету Міністрів України від 27 грудня 2006 р. № 651-р.), програми «Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства», що введена в дію Постановою Кабінету Міністрів України від 2 червня 1998 р. № 769, «Державної цільової програми реформування залізничного транспорту на 2010-2015 роки» (Постанова Кабінету Міністрів України від 16 грудня 2009 р. № 1390) та «Комплексної програми оновлення залізничного рухомого складу України на 2008-2020 роки», затвердженої наказом Міністерства транспорту та зв'язку України № 1259 від 14.10.2008;

- на базі Запорізького національного технічного університету у відповідності до тематичного плану наукових досліджень за темою ДБ № 01719 від 01 вересня 2009 р. «Розробка методів оптимізації систем електропостачання з напівпровідниковими перетворювачами і ЕТУ» (номер держреєстрації 0109U007668).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності роботи дизель-поїздів ДЕЛ-02 шляхом модернізації системи керування тяговою електропередачею.

Для досягнення мети в дисертаційній роботі були поставлені такі основні задачі:

- розробка модернізованої структурної схеми тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02;

- розробка математичної моделі тягової електропередачі для використання в якості інструмента при дослідженні електромеханічних процесів модернізованої тягової електропередачі дизель-поїзда;

- синтез регулятора струму системи автоматичного керування тяговою електропередачею, який дозволить зменшити вплив варіації параметрів контурів електропередачі на роботу тягової електропередачі та дає змогу отримати перехідні процеси з нормованими характеристиками;

- синтез регулятора частоти системи автоматичного керування тяговою електропередачею, який буде враховувати наявні пружні зв'язки між елементами тягової електропередачі дизель-поїзда;

- розробка комбінованого задатчика руху поїзда, який дозволить нормувати значення прискорення, ривка та швидкості руху дизель-поїзда відповідно до технічного завдання замовника;

- кількісна і якісна оцінка електромеханічних процесів при використанні розроблених елементів системи керування тяговою електропередачею;

- підтвердження достовірності отриманих результатів шляхом експериментальних досліджень та промислового впровадження.

Об'єктом дослідження є електромеханічні перехідні процеси тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02.

Предметом дослідження є система керування тяговою електропередачею дизель-поїзда ДЕЛ-02.

Методи дослідження. Використані наступні методи та підходи до проведення досліджень:

- метод узагальнених векторів;

- операторний метод;

- метод поліномів;

- метод імітаційного моделювання;

- метод експериментального дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Дістала подальшого розвитку теорія систем керування тяговими електропередачами на основі зменшення впливу варіації параметрів механічних та електричних частин, зменшення впливу дії пружних зв'язків між елементами тягової електропередачі на роботу системи, нормування динамічних характеристик руху дизель-поїзда, нової модернізованої структурної схеми тягової електропередачі, що дозволило підвищити ефективність роботи дизель-поїзда.

2. Удосконалено подвійний регулятор струму врахуванням в його передаточній функції варіації параметрів контурів тягової електропередачі, що дозволило зменшити вплив температурних коливань на якість перехідних характеристик керування дизель-поїздом.

3. Вперше синтезовано регулятор частоти для системи керування автономним інвертором напруги, побудованої на основі подвійного регулятора струму, який враховує наявні пружні зв'язки між елементами тягової електропередачі дизель-поїзда.

4. Розроблено новий задатчик руху поїзда, що дозволяє нормувати значення прискорення, ривка та швидкості руху дизель-поїзда в звичайних та аварійних режимах, з одночасним керуванням перехідними процесами електричних контурів тягової електропередачі.

Практичне значення отриманих результатів. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи використані у ВАТ «НДІ«Перетворювач» (м. Запоріжжя) при розробці серійних тягових перетворювачів частоти для дизель-поїздів ДЕЛ-02 у вигляді:

- методики синтезу регуляторів для системи автоматичного керування тяговим перетворювачем;

- методики проектування задатчика руху поїзда;

- математичної моделі тягової електропередачі для розрахунку електромеханічних процесів в різних режимах роботи дизель-поїзда з врахуванням варіації параметрів електричних контурів тягової електропередачі, наявних пружних зв'язків між елементами тягової електропередачі дизель-поїзда.

Практична цінність результатів дисертаційної роботи підтверджена актом впровадження у серійне виробництво модернізованих тягових перетворювачів для дизель-поїздів ДЕЛ-02.

Проведена модернізація та розробка елементів тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02 вносять вклад у реалізацію мети та завдань програм розвитку та реформування залізничного транспорту і, таким чином, дозволяють зменшити імпортну залежність України від постачання тягових агрегатів та дизель-поїздів з країн Європи та СНД, а також створюють перспективи для експорту дизель-поїздів ДЕЛ-02 до інших держав світу.

Особистий внесок автора. Всі основні результати дисертаційного дослідження, що виносяться на захист, отримані автором самостійно.

Роботи [3], [6], [8] та [9] виконані та опубліковані автором одноосібно.

В роботах [5] та [7] автором проаналізовано існуючий стан тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02, розроблено модернізовану схему керування на базі автономного інвертора напруги та проведено дослідження отриманої схеми.

В роботі [4] автору належить формулювання задачі досліджень, розробка математичної моделі системи тягової електропередачі.

В дослідженнях [2, 10] автору належить постановка мети роботи, отримання основних аналітичних співвідношень для системи керування та проведення їх практичної перевірки.

В роботі [1] автором проведено математичне описання та розробку елементів системи керування тяговою електропередачею дизель-поїзда ДЕЛ-02 на базі методу поліномів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

- робочому засіданні науково-технічної конференції «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» в 2008 р. та 2010 р. (м. Миколаївка);

- ХІІ, ХІІІ Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми енергоресурсозбереження в електротехнічних системах. Наука, освіта і практика» Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського 2010, 2011 р.;

- ІV Міжнародній науково-практичній конференції «Электрификация железнодорожного транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2010» 27-30 вересня 2010 р. (м. Місхор);

- робочих засіданнях тижнів науки кафедри «Електропостачання промислових підприємств» Запорізького національного технічного університету в 2008-2011 р.

Підсумкові результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

- засіданні кафедри «Електропостачання промислових підприємств» Запорізького національного технічного університету 28 квітня 2011 р;

- розширеному засіданні кафедри «Електропостачання промислових підприємств» Запорізького національного технічного університету 11 травня 2011 р.;

- розширеному науковому семінарі Державного підприємства «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» в м. Харків 22 липня 2011 р.;

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 6 друкованих наукових працях з переліку спеціальних видань ВАК України, в 3 матеріалах конференції та захищені 1 патентом України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку й додатків. Загальний обсяг роботи складає 177 сторінок, у тому числі 138 сторінок основного тексту, 65 рисунків, 5 таблиць, список використаних джерел (155 найменувань на 17 сторінках) і 4 додатки на 6 сторінках. Дисертація містить 4 рисунки, які повністю займають всю площу сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета й основні задачі дослідження, наведена загальна характеристика роботи та основні положення і результати, що виносяться на захист.

У першому розділі на основі вітчизняної й закордонної науково-технічної літератури виконано аналіз існуючого стану розвитку тягових передач дизель-поїздів.

В експлуатації на Одеській залізниці знаходяться дизель-поїзда серії ДЕЛ-02 виробництва ВАТ ХК «Луганськтепловоз». Їх створення на сучасній вітчизняній елементній базі та впровадження у використання Державною адміністрацією залізничного транспорту України «Укрзалізниця» повністю відповідає державним планам та програмам реформування і розвитку залізничної галузі.

Українськими вченими досліджуються питання проведення модернізації дизель-поїздів ДЕЛ-02, зокрема загальнотеоретичні питання побудови інформаційних систем керування на основі нейронних мереж та штучного інтелекту, оптимізації руху та режимів роботи поїзда, побудови математичних моделей складових системи керування тяговою електропередачею. Дані дослідження сприяють значному покращенню якостей руху дизель-поїздів ДЕЛ-02, допомогли вирішити значну кількість технічних задач, що існували на початкових стадіях впровадження у виробництво дослідних екземплярів даних дизель-поїздів.

Проаналізувавши досвід використання дизель-поїздів ДЕЛ-02 та роботи з попередньої модернізації зроблено висновок про високу надійність даної вітчизняної розробки та перспективність використання дизель-поїздів ДЕЛ-02. Проте, цей досвід свідчить і про низку невирішених технічних проблем тягової електропередачі дизель-поїздів ДЕЛ-02:

- незадовільні показники регулювання та підтримки сталого значення струму системи тягової електропередачі, що пояснюється структурою побудови системи керування тяговою електропередачею, відсутністю ефективного регулятора струму і чутливістю до варіації параметрів елементів тягової електропередачі;

- завищені значення робочих та максимальних струмів елементів діючої тягової електропередачі дизель-поїзда через відсутність в системі електропередачі швидкодіючого струмообмеження і нормованих перехідних характеристик струмового контуру;

- необхідність покращення динаміки розгону, усталеного руху та гальмування з контролем зміни швидкості, прискорення та ривка за рахунок створення комбінованого задатчика цих величин;

- низька швидкість передачі даних в системі керування по каналу CAN;

- системою керування не враховується вплив пружних зв'язків тягової електропередачі дизель-поїзда.

Вказані проблеми залишилися нерозв'язаними запропонованими засобами.

Згідно з технічним завданням на виготовлення дизель-поїзда ДЕЛ-02 мінімальне прискорення повинно бути не менше 0,4 м/с², а максимальне прискорення повинно знаходитися в межах 0,8-1 м/с². Існуюча тягова електропередача дозволила отримати прискорення на рівні 0,38 м/с².

Вирішення вказаних технічних проблем шляхом комплексної модернізації на основі досвіду синтезу та використання загальнопромислових та транспортних електроприводів дає змогу підвищити ефективність роботи тягової електропередачі дизель-поїздів ДЕЛ-02.

В тягових електропередачах окремо необхідно вирішувати питання розробки задатчика інтенсивності системи автоматичного керування (САК), який буде враховувати конкретні особливості функціонування даної тягової одиниці.

Наприкінці розділу обрані методи проведення дослідження.

У другому розділі проведено математичне описання елементів тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02.

Тягова електропередача візка, що зараз використовується у дизель-поїзді ДЕЛ-02, представлена функціональною схемою рис. 1 і складається з дизеля Д, двохобмоточного синхронного генератора СГ, некерованих випрямлячів НВ, до кожного з яких підключено гальмівний резистор ГР, блок фільтрів БФ, автономний інвертор напруги АІН, давач швидкості ДШ. Окрім того, в каналі керування АІН міститься комплексний пристрій автоматики КПА, до якого входять сигнали зворотного зв'язку за швидкістю і фазним струмом з асинхронного двигуна АД, сигнал давача завантаження дизеля ДЗД. Керуючий сигнал U_КМ від командоконтролера машиніста КМ діє на рівень подачі палива паливним насосом ПН до дизеля Д. Відповідно до швидкості обертання колінчатого вала дизеля ДЗД, що механічно зв'язаний з дизелем, формує сигнал про завантаженість дизеля на рівні від 0 до 5 В, який подається до КПА.

Відповідні сигнали зворотних та керуючих зв'язків КПА для другого АД візка на схемі для спрощення не показано.

Схема містить блок керування струмом збудження БКСЗ, що задає струм збудження і_зб для СГ.

Перетворювач для забезпечення власних потреб ПВП (навантаження власних потреб НВП включає в себе опалення вагонів, освітлення, підігрів води, системи пожежогасіння та сигналізації, кондиціонування, паливопідігрівачі та ін.) підключено до загальної шини постійного струму візка.

Сигнали, що входять до КПА обробляється за певними законами в залежності від режиму роботи дизель-поїзда і подаються на регулятори швидкості та струму (на основі інерційної ланки), що вбудовані до КПА. Дані регулятори чутливі до температурної зміни параметрів елементів тягової електропередачі, дії пружних зв'язків між елементами тягової електропередачі, що призводить до низької якості перехідних процесів в контурі керування АІН, перевищення максимального значення припустимого струму контурів тягової електропередачі та спрацювання автоматичного струмового захисту, який вимикає тяговий перетворювач.

Вихідний сигнал регулятора струму через існуючий в КПА задатчик інтенсивності (на основі інтегруючої ланки) формує значення завдання на швидкість обертання ротора АД та коефіцієнта модуляції µ₂ для АІН, що подаються в мікропроцесорну систему керування (МПСК). МПСК обробляє ці сигнали та виробляє імпульси керування АІН. Вбудований до КПА задатчик інтенсивності не контролює зміни прискорення, швидкості, ривка та не має можливості обмежувати темп зміни свого вихідного сигналу в залежності від значення струму в контурах тягової електропередачі.

КПА-МПСК являє собою складну інформаційну систему, розроблену колективом авторів та впроваджену до тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02 для комплексного керування та контролю загальною системою механічних та електричних елементів руху дизель-поїзда, вибору оптимальних динамічних режимів руху та роботи окремих елементів електромеханічної частини, контролю роботи давачів, системи власних потреб.

АД підключено через редуктор Р (передаточне число редуктора становить 2,1) до колісної пари КП візка вагона.

Характерною особливістю дизель-поїзда ДЕЛ-02 є наявність в тяговому генераторі двох трифазних обмоток, з'єднаних зіркою зі зміщенням між обмотками на 30 електричних градусів, від яких живляться некеровані трифазні мостові випрямлячі НВ візка, створюючи шину постійного струму зі значеннями напруги від 600 до 1500 В. До даної шини підключено два АІН, що живлять відповідно асинхронні тягові двигуни одного візка. На основі цих конструктивних особливостей вироблено характерні режими та закони керування АІН.

Зв'язок між системами регулювання рухом дизель-поїзда та системою керування перетворювачами частоти здійснюється по каналу CAN.

Функціональна схема розробленої модернізованої тягової електропередачі показана на рис. 2. Тут до існуючої системи КПА-МПСК додано задатчик руху поїзда ЗРП, внутрішній контур регулювання з додатковим внутрішнім зворотнім зв'язком за частотою та внутрішній контур регулювання струму зі зв'язком за активною складовою струму АД.

Схема рис. 2 містить задатчик руху поїзда ЗРП, регулятор частоти РЧ, фільтр каналу зворотного зв'язку за частотою ФЧ, подвійний регулятор струму, який складається з двох ланок РС1 та РС2, блок формування потокозчеплення ротора БФПР, блок аварійного керування БАК, систему керування інвертором СКІ, давач активної складової струму ДАС, давач електрорушійної сили (ЕРС) ДЕРС, та елементи, які перераховано в описанні до рис. 1.

БАК розроблено для ручного аварійного керування рухом дизель-поїзда безпосередньо від командокотролера КМ минаючи КПА в аварійному режимі, коли КПА або його інформаційні підсистеми вийшли з ладу, що призведе до неробочого стану системи керування дизель-поїздом і повної неможливості продовження руху. При цьому БАК формуватиме мінімально припустимий сигнал завдання на швидкість руху дизель-поїзда для того, щоб існувала можливість доїхати до найближчої станції, в залежності від обставин аварійної ситуації.

Розроблена модернізована САК є квазівекторною, оскільки даний підхід до керування тяговими електропередачами змінного струму поєднує в собі більшість переваг скалярних та векторних систем, проте є значно простішим ніж векторне керування. Квазівектоне керування є близьким до векторного керування електромеханічними процесами тягової електропередачі. Воно здійснюється шляхом впливу тільки на частоту та амплітуду основних гармонічних складових статорних напруг та струмів тягового АД. Квазівекторне керування також здійснюється регулюванням амплітуди потокозчеплення (або намагнічуючої складової статорного струму) і середнього значення електромагнітного момента АД (або активної складової статорного струму) впливом на канали керування частотою та напругою АІН, що не потребує безпосереднього керування фазовими кутами вихідних напруг та струмів АІН, тобто не потребує визначення даних кутів, та дозволяє формувати нормовані електромеханічні процеси тягової електропередачі.

До системи керування АІН (рис. 2) подаються два значення коефіцієнта модуляції µ₁ та µ₂. Перший (µ₁) є коефіцієнтом модуляції, що сформовано модернізованою мікропроцесорною системою керування (ММПСК). Другий (µ₂), сформований КПА, використовувався первинною системою для керування АІН, а в модернізованій системі тягової електропередачі він сприймається як сигнал переходу до зони керування з ослабленим потокозчепленням тягового АД (при досягненні µ₂=1). Також за ним виробляється значення потокозчеплення ротора АД в блоці БФПР.

В початковий момент часу при нерухомому дизель-поїзді колісні пари заблоковано механічними гальмами. При цьому напруга в шині постійного струму підтримується на рівні 600 В за допомогою роботи дизеля на знижених обертах.

Це дозволяє постійно підтримувати роботу перетворювача власних потреб ПВП, на який покладено ряд важливих функціональних завдань навіть при нерухомому дизель-поїзді.

Перетворювач власних потреб містить загальний знижуючий імпульсний стабілізатор і утворює шину 600 В, від якої живляться система обігріву вагонів потужністю до 40 кВт і другорядні споживачі загальною потужністю до 40 кВт (сигналізація, підігрів палива, давачі та ін.).

Вказана силова схема електропередачі і перетворювачів дозволяє поліпшити комфортність дизель-поїзда за рахунок забезпечення постійної напруги в системі опалення та освітлення незалежно від режиму роботи дизеля Д, підвищити ККД.

Підключення перетворювача власних потреб до загальної шини постійного струму дозволяє збільшити міру використання кінетичної енергії при русі дизель-поїзда на вибігу та з уклону, що сприяє зниженню витрат палива.

При появі сигналу завдання від командоконтролера машиніста КМ на рух поїзда формування імпульсів керування ключами АІН відбувається за ШІМ-принципом.

При досягненні вихідної напруги АІН рівня 600 В процес формування сигналу керування ключами АІН відбувається за амплітудним принципом на основі співвідношення

де - ЕРС тягового АД, що розраховується блоком ДЕРС (відповідно до схеми рис. 2) на основі виміряних значень активної складової струму блоком ДАС та напруги в шині постійного струму блоком ДН;

- фактична частота струму АД, яка визначається пропорційно до відомого сигналу модуляції , виробленого КПА.

Розрахунок ЕРС АД в СКІ відбувається за співвідношенням

де - напруга в ланці постійного струму тягового перетворювача частоти;

- значення активної складової статорного струму АД;

- активний опір обмотки статора АД.

В такому режимі відбувається робота тягової електропередачі до моменту досягнення в шині постійного струму напруги 1500 В. Після цього, в залежності від завдання на швидкість руху дизель-поїзда від КМ, відбувається перехід роботи САК до зони керування з ослабленим потокозчепленням. Зменшення модуля вектора потокозчеплення ротора АД досягається за сталого значення вихідної напруги АІН шляхом подальшого збільшення частоти завдання для тягового АД. При цьому зміна завдання модуля вектора потокозчеплення ротора АД відбувається пропорційно в блоці БФПР на основі сигналу модуляції , виробленого КПА.

Активна складова статорного струму тягового АД для систем з АІН рівна повному струму в ланці постійного струму тягового ПЧ і визначається шляхом встановлення давача струму на вході АІН.

Існуюча система керування силовими ПЧ мікропроцесорна, написана програмним шляхом із застосуванням електронної елементної бази для спряження її з давачами та фізичними каналами керування. Тому розроблені блоки модернізованої САК безпосередньо інтегровані до існуючої системи керування: розроблені математичні співвідношення записуються програмним шляхом до мікропроцесорної САК. Окрім того додатково встановлюються необхідні зворотні зв'язки та канали керування.

При аналізі багатьох робіт виявлено якісний універсальний спосіб компенсації ЕРС обертання АД, який разом з цим дозволяє в більшості випадків знехтувати внутрішніми перехресними зв'язками АД, що слідують із математичного описання АД. Він полягає у застосуванні системи регулятор частоти - подвійний регулятор струму, що синтезовано за відомою структурною схемою керування методами підпорядкованого регулювання.

До недоліків методу підпорядкованого регулювання слід віднести нестабільну роботу отриманих регуляторів при варіації фактичних значень величин, по яких розраховувався регулятор.

Для синтезу модернізованих регулятора струму та регулятора частоти використано метод поліномів. Це дозволило отримати САК, якість характеристик якої залишаться стабільною в процесі експлуатації системи незалежно від змін параметрів об'єкта керування, яка враховує пружні зв'язки в структурі тягової електропередачі.

У третьому розділі проведено розробку елементів системи керування тяговою електропередачею.

Відомий подвійний регулятор струму, синтезований методом підпорядкованого регулювання, має наступні передаточні функції:

де - передаточна функція першого регулятора струму, синтезованого методом підпорядкованого регулювання;

- передаточна функція другого регулятора струму, синтезованого методом підпорядкованого регулювання.

Передаточна функція другого регулятора струму в системі (3) залежить тільки від значення і не має залежності від параметрів, що можуть змінюватися в процесі роботи тягової електропередачі (активні опори, характеристики каналів зворотних зв'язків, моменти інерції махових мас). Тому дану частину подвійного регулятора струму прийнято до роботи в системі тягової електропередачі дизель-поїзда без змін. Тобто:

Після проведеного синтезу РС на основі методу поліномів отримано передаточну функцію першого регулятора струму:



де - коефіцієнти, що отримано на основі синтезу регулятора методом поліномів.

Перевірено якість перехідної характеристики синтезованого регулятора струму при збільшенні та зменшенні опору статорного кола АД в 1,5 рази від номінального значення.

САК регулювання частоти обертання ротора АД з регулятором частоти та зворотнім зв'язком за частотою потокозчеплення статора при рівності постійної часу каналу зворотного зв'язку за частотою електромеханічній постійній часу тягової електропередачі еквівалентна відомим системам зі зворотнім зв'язком за частотою обертання ротора.

КПА містить в собі регулятор ковзання тягового АД, тобто задає тяговий момент електропередачі. Для врахування завдання ковзання САК повинна враховувати змінність в часі ковзання АД, тобто зміну модуля жорсткості механічної характеристики АД.

При дослідженні динамічних процесів в тяговій електропередачі є припустимим представлення механічних частин тягової електропередачі у вигляді системи з зосередженими параметрами. Тоді систему тягової електропередачі, що містить АД та певну механічну частину з пружними зв'язками для дослідження перехідних процесів можна представити у вигляді двомасової електромеханічної системи (ДЕМС)

Передаточна функція регулятора частоти відповідно до проведеного синтезу представляється у вигляді:



де - коефіцієнти, що отримано на основі синтезу регулятора методом поліномів.

Проаналізовано також вплив врахування дії пружних зв'язків на роботу отриманого регулятора частоти. На рис. 7 наведено характеристику роботи отриманого регулятора частоти з урахуванням (1) та без урахування (2) корегуючих каналів за пружними зв'язками.

Неврахування дії корегуючих каналів за пружними зв'язками призводить до появи коливальних процесів, які погіршують якість перехідної характеристики та можуть призвести до неточного відпрацювання сигналу завдання.

Аналіз результатів показує, що метод поліномів дозволяє синтезувати досить прості в реалізації передаточні функції регуляторів повного і зниженого порядків, що забезпечать у системі регулювання тягової електропередачі необхідну якість перехідних процесів при досить широкому діапазоні варіювання параметрів силової частини.

Для формування тахограми процесів розгону, усталеного руху та гальмування з нормуванням значень прискорення та ривка використано комбінований задатчик руху поїзда ЗРП, який містить послідовно з'єднані задатчик ривка ЗР, прискорення ЗП, швидкості ЗШ та частоти ЗЧ.

При подачі на вхід пристрою напруги U_вх. на виході ЗР з'являється незмінна в часі напруга U_з.р.. Тому що U_з.р.>0, то на виході ЗП напруга наростає в додатному напрямку безпосередньо до насичення.

Далі, до момента часу t₂ U_з.п.=const. Вихідна напруга ЗШ змінюється за параболічним законом до момента часу t₁ і лінійно в інтервалі t₁-t₂. На вхід ЗР подається сигнал сумарного зворотного зв'язку U_з.н. за напругами U_з.п. й U_з.ш.. В момент часу t₂ U_з.н.= U_вх. і U_з.р.=0. Подальше зростання U_з.н. приводить до зміни полярності U_з.р..

Задатчик прискорення при цьому виходить із насичення і його вихідна напруга знижується. Зменшується також U_з.н.. У момент часу t₃ знову U_з.н. = U_вх., U_з.р.=0, U_з.п.=0, а напруга U_з.ш.=U_з.ч. досягає максимального значення. Сформований у такий спосіб сигнал надходить на вхід регулятора частоти САК тягової електропередачі. Гальмування проходить відповідно у зворотному порядку до описаного процесу розгону дизель-поїзда.

Синтезований ЗРП реалізовує за максимального значення ривка 20 м/с³ максимальне прискорення не менше 0,43 м/с², що відповідає технічному завданню на виготовлення дизель-поїзда.

У четвертому розділі досліджено роботу модернізованої тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02 для розгону, усталеного руху та гальмування на рівній та похилій ділянках шляху за момента опору, залежного від швидкості руху та при обмеженні за коефіцієнтом зчеплення колісної пари з рейками.

Зусилля тяги та гальмування рухомого складу, що реалізуються тяговими АД дизель-поїзда, обмежені в основному зчепленням коліс з рейками. Тому для моторвагонних поїздів, на яких живлення тягового двигуна відбувається через ПЧ, слід контролювати значення коефіцієнта зчеплення. При наявності швидкодіючих САК необхідно підтримувати значення сили тяги такою, що відповідає максимальному коефіцієнту зчеплення.



ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі на базі проведених досліджень вирішено актуальну науково-технічну задачу підвищення ефективності роботи тягової електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-02, в результаті чого отримано наступні результати:

1. Розроблено та обґрунтовано модернізовану систему керування віссю тягової електропередачі дизель-поїзда на основі систем підпорядкованого регулювання без давача швидкості, яка дозволяє здійснювати рух дизель-поїзда з заданим моментом чи швидкістю, а також забезпечує можливість руху дизель-поїзда при виході з ладу загальної системи керування рухом КПА.

2. За допомогою методу поліномів удосконалено подвійний регулятор струму врахуванням в його передаточній функції варіації параметрів контурів тягової електропередачі, що дозволило зменшити вплив температурних коливань на якість перехідних характеристик керування дизель-поїздом та лінеаризувати структурну схему керування тяговим АД.

3. Синтезовано регулятор частоти для системи керування автономним інвертором напруги, побудованої на основі подвійного регулятора струму, який враховує наявні пружні зв'язки між елементами тягової електропередачі дизель-поїзда.

4. Показано, що метод поліномів дозволяє синтезувати прості в реалізації передаточні функції регуляторів повного і зниженого порядків, що забезпечують у системі регулювання тягової електропередачі меншу залежність показників перехідних процесів при досить широкому діапазоні варіювання параметрів силової частини.

5. Розроблено новий задатчик руху поїзда, що дозволяє нормувати значення прискорення, ривка та швидкості руху дизель-поїзда в звичайних та аварійних режимах, з одночасним керуванням перехідними процесами електричних контурів тягової електропередачі.

6. Проведені дослідження отриманої системи керування тяговою електропередачею показали, що при сталому відборі потужності від дизеля дизель-поїзд розвиває прискорення в усіх режимах роботи на рівні 0,43-0,45 м/с² при значенні ривка до 20 м/с³.

7. Розроблені аналітичні вирази та структурні схеми, що описують елементи системи керування тяговою електропередачею, використовуються в ВАТ «НДІ«Перетворювач» при конструюванні тягових перетворювачів для дизель-поїздів ДЕЛ-02.

8. Отримані дані можливо використовувати при синтезі та розробці САК тягових електропередач для типових транспортних та вантажопідйомних, а також загальнопромислових систем електроприводів, які можна звести до двомасової схеми заміщення з пружними зв'язками.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андрієнко П. Д. Порівняльний аналіз регуляторів системи керування струмом тягового частотно-керованого електропривода дизель-поїзда ДЕЛ-02 / Андрієнко П. Д., Кулагін Д. О., Качур О. С. // Електромашинобудування та електрообладнання. - 2010. - № 75. - С. 32-36.

2. Кулагін Д. О. Двозонне квазівектоне регулювання швидкості обертання тягового двигуна дизель-поїзда ДЕЛ-02 / Кулагін Д. О., Качур О. С., Андрієнко П. Д. // Вісник КДУ ім. М. Остроградського. - 2010. - № 4 (63). - С. 15-18.

3. Кулагін Д. О. Дослідження режиму гальмування дизель-поїзда ДЕЛ-02 / Кулагін Д. О. // Вісник НТУ «ХПІ». - 2010. - № 28. - С. 408-409.

4. Кулагін Д. О. Моделювання квазівекторної системи частотно-регульованого електроприводу асинхронного двигуна без давача швидкості / Кулагін Д. О., Качур О. С., Андрієнко П. Д. // Вісник НТУ «ХПІ». - 2008. - № 30. - С. 168-170.

5. Кулагін Д. О. Моделювання квазівекторної системи частотно-регульованого електроприводу асинхронного двигуна без давача швидкості / Кулагін Д. О., Качур О. С., Андрієнко П. Д. // Матеріали науково-технічної конференції «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». - 2010. - С. 408-409.

6. Кулагін Д. О. Розробка елементів системи керування тяговою електропередачею дизель-поїзда ДЕЛ-02 / Кулагін Д. О. // Матеріали ХІІІ Міжнародної науково-технічної конференції «Проблеми енергоресурсозбереження в електротехнічних системах. Наука, освіта і практика» Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського 18-20 травня 2011 р. - 2011. - С. 142-143.

7. Кулагін Д. О. Розробка моделі модернізованого частотно-керованого тягового електроприводу зі змінним алгоритмом керування дизель-потяга ДЕЛ-02 / Кулагін Д. О., Качур О. С., Андрієнко П. Д. // Електротехніка та електроенергетика. - 2010. - № 1. - С. 30-34.

8. Кулагін Д. О. Синтез керованого задатчика інтенсивності частотно-керованого тягового електроприводу з обмеженням активної складової струму / Кулагін Д. О. // Матеріали ІV Міжнародної науково-практичної конференції «Электрификация железнодорожного транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2010». - 2010. - С. 19.

9. Кулагін Д. О. Синтез цифрового модального регулятора активної складової струму тягового електропривода дизель-поїзда ДЕЛ-02 методом поліноміальних рівнянь / Кулагін Д. О. // Вісник КДУ ім. М. Остроградського. - 2010. - № 5 (64). - С. 34-36.

10. Пат. 55755 Україна, МПК (2009) H02P5. Пристрій для регулювання швидкості електродвигуна змінного струму / Кулагін Д. О., Качур О. С., Андрієнко П. Д.; заявник та патентовласник Запорізький національний технічний університет. - u201006848; заявл. 03.06.2010; опубл. 27.12.2010, Бюл. №24. - 2010 р.

Размещено на Allbest.ru

...