Система керування тяговим електроприводом трамвая при зміні умов зчеплення

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Враховуючи режим роботи тягового електропривода рухомого складу міських трамваїв, який характеризується частими пусками, можливе виникнення буксування коліс відносно рейок , що зумовлено погіршенням зчеплення ведучих коліс з рейками, яке виникає при забрудненні робочої поверхні рейок, несприятливих погодних умовах, також на характеристики зчеплення впливає технічний стан механічної частини рухомого складу та технічний стан рейкового полотна. Буксування призводить до погіршення тягово-зчіпних властивостей трамваїв, підвищеного зносу бандажів і рейок та додаткових втрат електроенергії. Наявність системи виявлення буксування дозволяє попередити розвиток буксування за рахунок впливу на систему керування тяговим електричним двигуном (ТЕД), або штучного збільшення коефіцієнта зчеплення чи зчіпної маси. Тому в забезпеченні надійної та економічної роботи тягового електропривода та безпеки руху міських трамваїв, важливу роль відіграють системи, що завчасно виявляють та усувають буксування коліс відносно рейкового полотна.

Відомі системи виявлення та припинення буксування, що знайшли застосування в міському електротранспорті дозволяють виявляти буксування через зміну опосередкованих параметрів, які виникають при розвитку буксування, при цьому виявлення буксування відбувається на стадії значного надлишкового ковзання коліс. Крім того припинення буксування досягається вимкненням тягових електродвигунів на час буксування та повторним його пуском з початкової пускової позиції. Такий режим повторюється до тих пір поки не відновиться зчеплення коліс з рейковим полотном. Таким чином, припинення буксування супроводжується аварійними комутаціями силового кола, які зумовлені повторними пусками тягового електропривода, а це в свою чергу знижує ресурс силового електрообладнання та підвищує втрати електроенергії. Відомі методи та засоби контролю основного опору одиниць рухомого складу міського електротранспорту, потребують на проведення контролю значного часу, наявності протяжної контрольної ділянки, чи спеціально обладнаної дільниці, мають незадовільну точність, що унеможливлює проведення контролю всіх одиниць електротранспорту, що виходять на маршрут.

Отже питання розробки засобів виявлення та припинення буксування, які дозволяють виявляти буксування колісних пар (КП) на початковій стадії розвитку, та попереджувати буксування за рахунок впливу на систему керування тяговим електродвигуном та засобів контролю основного опору руху, які дозволяють проводити контроль при виїзді на лінію в режимі вибігу та тяги, з врахуванням зовнішніх умов, є актуальними, так як це дозволить забезпечити збереження технічного ресурсу та покращення надійності функціонування міського електротранспорту.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення надійності роботи тягового електропривода трамвая за рахунок вдосконалення системи виявлення і припинення буксування та контролю технічного стану механічного тракту трамвая.

Відповідно до вказаної мети необхідно вирішити такі основні завдання:

провести аналіз існуючих методів і засобів виявлення буксування коліс, способів попередження та припинення явища надмірного ковзання коліс відносно рейкового полотна;

провести аналіз існуючих методів і засобів контролю основного опору руху одиниць рухомого складу міського електротранспорту;

розробити математичну модель виявлення та попередження виникнення буксування колісних пар трамвая на початковій стадії його розвитку;

розробити математичну модель контролю основного опору руху одиниць рухомого складу міських трамваїв;

синтезувати за розробленою математичною моделлю виявлення та попередження виникнення буксування колісних пар трамвая структурну схему регулюючого пристрою;

на основі математичної моделі контролю основного опору руху одиниць рухомого складу міських трамваїв, синтезувати структурну схему пристрою контролю;

шляхом комп'ютерного моделювання дослідити роботу розробленої системи виявлення та припинення буксування та системи контролю основного опору руху;

розробити структурну схему системи попередження буксування колісних пар та контролю основного опору руху трамвая в мікропроцесорному виконанні;

оцінити імовірність прийняття помилкових рішень розроблених систем.

1. аналіз існуючих методів і засобів попередження та припинення явища надмірного ковзання колісних пар відносно рейкового полотна, контролю основного опору руху одиниць рухомого складу міського електротранспорту

Відзначено, що існуючі засоби виявлення та припинення буксування коліс трамвая не дозволяють виявити та припинити буксування на початковому етапі його розвитку і водночас забезпечити максимальне використання сили тяги при зміні умов зчеплення. Аналіз методів та засобів контролю основного опору руху показав необхідність створення системи, яка дозволить проводити контроль опору руху в різних режимах роботи тягового електроприводу, за одне проходження контрольної ділянки, і з мінімальними затратами часу на його проведення, без додаткового обладнання технічними засобами контрольних ділянок.

На підставі проведеного аналізу сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи.

2. Математичні моделі: виявлення буксування колісних пар трамвая з розрахунком фактичного значення опору руху трамвая за методом різниці швидкостей в режимі вибігу; визначення опору руху системи виявлення буксування трамвая в режимі тяги з використанням машини нечіткого висновку та проведена настройка розробленої моделі з використанням апарату генетичних алгоритмів; попередження буксування колісних пар трамвайного вагона; контролю основного питомого опору руху трамвайного вагона, яка є інваріантною до зміни температури трансмісійного мастила та режиму роботи тягового електропривода

Введемо такі позначення: - динамічне зусилля n - ної колісної пари; - тягове зусилля n - ної колісної пари; - сила опору руху n - ної колісної пари; - передаточне число редуктора; - діаметр колеса; - постійна тягового двигуна; - магнітний потік двигуна; - струм якоря тягового двигуна; - основний опір руху; - додаткова складова опору руху; - сила опору руху колісної пари визначена в режимі вибігу; m1 - маса вагона; n1 - кількість колісних пар; kr - коефіцієнт приведення лінійної швидкості на ободі колеса до лінійної швидкості поступального руху вагона; (1+г) - коефіцієнт інерції обертових мас; dVn - різниця швидкостей руху, що досягається за час dt; Vsn - швидкість ковзання КП; Vn - виміряна швидкість КП; Van - значення лінійної швидкості руху колеса яка перетворюється в поступальний руху вагона; V0 - початкова швидкість при переході електропривода трамвая з режиму вибігу до режиму тяги; К - логічна змінна, що характеризує виявлення буксування КП; - порогове значення різниці швидкостей; _ мінімальна швидкість ковзання КП; t1, t2 - початковий та кінцевий час роботи електропривода в тяговому режимі.

Запропонована математична модель (1), виявлення буксування колісних пар трамвая з розрахунком динамічного зусилля підвищує достовірність визначення буксуючої колісної пари, завдяки розрахунку фактичного значення опору руху трамвая за методом різниці швидкостей в режимі вибігу:

(1)

Найбільш проблематичним є визначення опору руху в режимі тяги згідно третього рівняння системи (1), так як його значення залежить від багатьох факторів: технічного стану рухомого складу, температури навколишнього середовища, наявності схилів та підйомів шляху, стану рейкового полотна та інше. Тому в роботі запропоновано математичну модель нечіткого логічного висновку для визначення коригувального коефіцієнта, який характеризує зміну опору руху в режимі тяги. Вхідними змінними нечіткої моделі є струм тягового двигуна, різниця ЕРС двигунів візка, частота обертання КП, опір руху на вибігу, що передував режиму тяги, кутове прискорення обертання колісної пари.

Нечітка база знань представляється системою нечітких логічних рівнянь знаходження корегувального коефіцієнта d. Нечітке логічне рівняння для одного з варіантів виходу має вигляд:

(2)

де d7 - показник, який відповідає терму «негативний високий», а м(xi), - терми лінгвістичних змінних.

Для оптимізації роботи даної моделі необхідно здійснити її тонку настройку. Для цього застосовано генетичний алгоритм, який при наявності вибірки дозволяє налагодити раніше розроблену нечітку модель.

Розроблено математичну модель попередження виникнення буксування, за рахунок керування тяговим електроприводом трамвая, через зміну уставки обмежувального реле, при наявності погіршених характеристик зчеплення з максимальною реалізацією сили тяги:

 (3)

де Ia - струм силового кола; Их - положення ходового контролера; n - кількість положень ходового контролера; k - стан обмежувального реле (1 - реле ввімкнене, 0 - реле вимкнене); Iopуст - заводський струм уставки обмежувального реле; Iopmax - максимальний струм уставки обмежувального реле; Iopmin - струм відпускання обмежувального реле; у - корегувальний коефіцієнт.

Побудуємо в одних координатах криву зчеплення для та її другу похідну. Характеристика зчеплення має максимум в точці А2. Точка А3, яка знаходиться на нестійкій ділянці характеристики зчеплення, відповідає спрацюванню системи виявлення буксування по різниці швидкостей обертання різних колісних пар з порогом спрацювання 1 м/с. Запропонований метод попередження розвитку буксування дозволяє виявити буксування ранніх стадіях його розвитку в точці А1 коли значення модуля другої похідної досягає рівня у. При цьому на 98,5% реалізується максимальна сила тяги за умовами зчеплення без надлишкового ковзання, яке характерне на нестійкій ділянці кривої зчеплення. В порівнянні з відомим методом виявлення буксування по різниці швидкостей обертання різних колісних пар, запропонований метод дозволяє покращити використання максимальної сили тяги на 20,8% та знизити надлишкове ковзання в режимі буксування на 45%.

Запропонована математичну модель контролю основного опору руху трамвайного вагона з врахуванням зміни температури трансмісійного мастила та режиму роботи тягового електропривода:

(4)

де Кв - логічний сигнал режиму вибігу; - відносне значення струму ТЕД; - кутове прискорення КП; Kщ0 - логічний сигнал наявності підвищеного рівня опору руху; - опір руху в режимі вибігу; d - корегувальний коефіцієнт зміни опору руху в режимі тяги; _ температура трансмісійного мастила; Fc_norm - нормоване значення сили основного опору руху трамвая.

В математичній моделі (4) значення опору руху Fc знаходиться згідно четвертого рівняння системи (1), доповненого корегувальним коефіцієнтом d, значення якого знаходиться згідно нечіткої моделі. Тому контроль опору руху здійснюється як в режимі вибігу так і в режимі тяги.

Максимальне значення опору руху нормується для теплої та холодної пори року, такий підхід не враховує зміни температури в межах сезону.

Апроксимувавши відому залежність в'язкості мастила від температури та припустивши, що сезонна зміна температур знаходиться в межах діапазону [ tmin; tmax ], яким відповідає діапазон зміни в'язкості мастила [ Vmax ; Vmin ] та діапазон сезонної зміни питомого опору руху [ wtmax ; wtmin ], отримано залежність нормованого значення основного питомого опору руху від температури:

(5)

Отже, математична модель (4) передбачає врахування впливу температури навколишнього середовища на нормоване значення основного опору руху, з метою підвищення достовірності контролю. Для практичного застосування розроблених математичних моделей, виникає необхідність їх реалізації в структурних схемах відповідних пристроїв.

3. Структурна схема пристрою попередження розвитку буксування, який доповнений блоком контролю основного питомого опору руху трамвая

Рис. 1. Структурна схема системи попередження розвитку буксування та контролю основного питомого опору руху трамвая

На схемі (рис. 1): 1 - сенсор струму; 2 - сенсор швидкості КП; 3 - сенсор вибігу; 4 - сенсор різниці ЕРС якорів ТЕД візка; 5, 24 - блоки множення; 6 - блок задання кривої намагнічування; 7, 9, 11 - масштабні підсилювачі; 8, 12 - суматори; 10 - інтегратор; 13, 14, 23 - диференціатори; 15 - блок діленя; 16, 28 - блок задання; 17 - аналоговий компаратор; 18 - пристрій запам'ятовування; 19 - контролер керування; 20 - регулятор; 21 - силова частина електропривода; 22, 32 - елементи І; 25 - елемент НЕ; 26 - fuzzy контролер; 27 - сенсор температури; 29 - блок знаходження нормованого значення опору руху; 30 - компаратор; 31 - сенсор знаходження на контрольній ділянці; 33 - пристрій виведення інформації.

Блоки 1-12 та 22-26 реалізують математичну модель (1), блоки 13-21 реалізують математичну модель модель попередження виникнення буксування (3) блоки 27-33 реалізують математичну модель контролю основного опору руху трамвайного вагона (4).

Функції блока 29 знаходження нормованого значення опору руху згідно (5) виконує двошарова нейронна мережа з десятьма сигмоїдальними нейронами першого шару, та одним вихідним нейроном з лінійною функцією активації.

Кожен нейрон першого та другого шарів (рис. 2) мають свої вагові коефіцієнти W1,1, W1,2 … W1,10, W2,1, W2,2 … W2,10 та коефіцієнти зміщення b1,1, b1,2 … b1,10, b2.

Абсолютна похибка визначення нормованого значення питомого опору руху мережею не перевищує значення 0,0008 Н/кН.

Рис. 2. Розширена структурна схема нейронної мережі обчислення нормованого значення основного опору руху

Обґрунтовано вибір математичного апарату секвенцій для синтезу пристрою керування тяговим електроприводом трамвая при зміні умов зчеплення. Створено граф функціонування пристрою керування і в результаті мінімізації секвенціальних виразів, використовуючи властивості секвенцій, отримано мінімізовану систему, на основі якої синтезована структурна схема пристрою керування тяговим електроприводом трамвая.

4. Мікропроцесорна реалізація та алгоритм роботи мікропроцесорного пристрою виявлення та припинення буксування колісних пар трамвая з контролем основного опору руху на контрольній ділянці

Структурна схема мікропроцесорного пристрою виявлення та припинення буксування КП трамвая з контролем основного опору руху приведена на рис. 3.

На рис. 3: СС1-ССj - сенсори струму та швидкості ТЕД, де j - кількість ТЕД та відповідно КП; СШ1-СШj - сенсори швидкості обертання якоря ТЕД; СН - сенсор напруги (вимірює максимальну різницю ЕРС ТЕД); 1 - перетворювачі вхідних сигналів; 2 - мультиплексор; 3 - шифратор; 4 - мікроконтролер; СК1-СКr - контакти ходового контролера, де r - кількість положень ходового контролера; СКД - сенсор проходження контрольної ділянки; СРР - сенсор режиму роботи; СТ - сенсор температури мастила трансмісії; 5 - підсилювачі вихідних сигналів; 6, 7, 8, 9 - вихідні виконавчі елементи, що відповідають режиму роботи силового перетворювача відповідно зростання сили тяги, повернення у вихідне положення, фіксація поточного положення, вмикання в силове коло ТЕД протибуксовочного пристрою; 10 - клавіатура; 11 - рідиннокристалічний індикатор; 12 - перетворювач рівнів сигналів.

Мікроконтролер 4 здійснює почергове підключення кожного вимірювального каналу і відпрацьовує отриманий сигнал згідно закладеного алгоритму

Рис. 3. Структурна схема мікропроцесорного пристрою виявлення та припинення буксування КП трамвая, з контролем основного опору руху

Рідиннокристалічний індикатор 6 та клавіатура 7 дозволяє організувати обмін даними між мікроконтролером 4 та водієм або обслуговуючим персоналом для керування роботою пристрою. Перетворювач рівнів сигналів 12 забезпечує зв'язок мікроконтролера 4 з ЕОМ верхнього рівня.

Алгоритм роботи мікропроцесорного пристрою виявлення та припинення буксування КП трамвая з контролем основного опору руху (рис. 5) містить такі складові: в блоках 3, 4 проводиться зчитування інформації з портів до яких під'єднано сенсори струму, напруги, швидкості обертання ТЕД та сенсори положення ходового контроллера; в блоці 5 проводиться перевірка наявності керувальної дії з боку ходового контролера; блоки 6, 8 забезпечують повернення сервоприводом (СП) силового перетворювача в нульову позицію за умови вимкненого ходового контролера; в блоках 7, 9 відповідають ввімкненню СП на зростання тягового зусилля, за умови ввімкненого ходового контролера, а також проводиться обчислення сили тяги; в блоці 11 проводиться зчитування сенсорів проходження контрольної ділянки та режиму роботи; блок 10 забезпечує роботу системи в режимі вибігу, та переходить в стан очікування при відсутності руху; блоки 12-15 забезпечують розрахунок сили опору руху в режимі вибігу та режимі тяги та запам'ятовування отриманого значення; блоки 16-20 відтворюють роботу системи контролю основного опору руху; в блоці 21 проводиться розрахунок швидкості ковзання КП; в блоках 22-24 здійснюється визначення струму уставки обмежувального реле в залежності від виконання умови початку буксування; блоки 25, 26 здійснюють керування СП в залежності від сигналу обмежувального реле - при досягненні струмом ТЕД величини уставки СП зупиняється, при менших струмах цикл повторюється; в блоках 27-29 реалізується ввімкнення протибуксовочного пристрою в силове коло при виконанні умови буксування після обмеження струму ТЕД.

Рис. 4. Алгоритм роботи мікропроцесорного пристрою виявлення та припинення буксування КП трамвая з контролем основного опору руху

Здійснено комп'ютерне моделювання розробленої системи виявлення і припинення буксування у середовищі Matlab Simulink (рис. 5), яка дозволяє дослідити її роботу в різних режимах та умовах експлуатації, проводити швидке налаштування коефіцієнтів передачі для різних видів тягових електроприводів.

На рис. 5: 1 - блок задання навантаження ТЕД; 2 - модель ТЕД візка; 3 - блок визначення швидкості ковзання першої КП; 4 - блок визначення швидкості ковзання другої КП; 5 - модель задання дій водія; 6 - модель силового перетворювача; 7 - блок спостереження вихідних параметрів системи; 8 - блок порівняння.

Рис. 5. Модель системи виявлення та припинення буксування колісних пар

Висновки

електротранспорт трамвай колісний рухомий

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи є такими.

У галузі теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Проведено аналіз відомих методів та засобів виявлення та припинення буксування колісних пар трамваїв, який показав, що існуючі підходи не дозволяють виявити та припинити буксування на початковому етапі його розвитку і водночас забезпечити максимальне використання сили тяги за умовами зчеплення. Зроблено висновок, що перспективним є створення нових підходів та засобів виявлення та припинення буксування. Аналіз методів та засобів контролю основного опору руху показав необхідність створення системи, яка дозволить проводити контроль опору руху в різних режимах роботи тягового електроприводу, за одне проходження контрольної ділянки.

2. Розроблено математичні моделі виявлення та попередження виникнення буксування колісних пар, застосування яких дозволяє виявляти буксування колісних пар трамвая на початковій стадії та припиняти його розвиток, за рахунок обмеження струму тягового двигуна при переході на нелінійну ділянку кривої зчеплення, при цьому на 98,5% реалізується максимальна сила тяги за умовами зчеплення без надлишкового ковзання. В порівнянні з відомою системою виявлення буксування по різниці швидкостей обертання різних колісних пар, розроблена система дозволяє покращити використання максимальної сили тяги на 20,8% та знизити надлишкове ковзання в режимі буксування на 45%.

3. Запропоновано математичну модель контролю основного опору руху одиниць рухомого складу міських трамваїв, яка працює як в режимі вибігу, так в режимі тяги, і враховує зміну нормованого значення опору руху від температури.

4. Синтезовано за розробленою математичною моделлю виявлення та попередження виникнення буксування колісних пар трамвая структурну схему регулюючого пристрою.

5. На основі математичної моделі контролю основного опору руху одиниць рухомого складу міських трамваїв, синтезовано структурну схему пристрою контролю, в якому визначення нормованого значення опору руху здійснює нейронна мережа відповідно до температури навколишнього середовища.

6. Проведене комп'ютерного моделювання роботи розробленої системи виявлення та припинення буксування засвідчило, що її застосування дозволяє виявити початок розвитку буксування без надлишкового ковзання колісних пар.

7. Здійснені експериментальні дослідження роботи розробленої системи показали, що вона дозволяє припинити буксування без надлишкового ковзання, яке через 2 с. для заданого режиму з вимкненою протибуксовочною системою становить 10%. Також, результати експерименту засвідчили адекватність запропонованих моделей та методів, і підтвердили функціональну працездатність розроблених пристроїв виявлення та припинення буксування колісних пар трамвая. При цьому фактичне використання максимальної сили тяги в умовах погіршення зчеплення становить 93,4%. Встановлено, що достовірність роботи системи контролю основного опору руху складає 92,2%.

У галузі практичного застосування:

1. Розроблено пристрій керування тяговим електроприводом трамвая при наявності обмежень по зчепленню, який на відміну від відомих, дозволяє обмежити струм тягового електродвигуна на рівні при якому не виникає буксування і водночас реалізується максимальна сила тяги за умовами зчеплення.

2. Розроблено пристрій контролю основного опору руху одиниць рухомого складу міських трамваїв, який на відміну від існуючих дозволяє проводити контроль в режимі тяги та враховує зміни температури;

3. Запропонована комп'ютерна модель системи виявлення і припинення буксування у середовищі Matlab Simulink, яка дозволяє швидко провести налагодження коефіцієнтів передачі системи на роботу з тяговими електроприводами, що мають різні параметри та дослідити роботу системи в різних режимах.

4. Розроблено структурну схему та алгоритм роботи системи виявлення і припинення буксування та контролю основного опору руху в мікропроцесорному виконанні, що дозволяє підвищити функціональність та спростити налагодження запропонованої системи.

Література

1. Проценко Д.П. Система виявлення буксування колісних пар трамвая / Д.П. Проценко // Коммунальное хозяйство городов. -- 2009. -- Вип 90. -- С. 427 -- 430.

2. Проценко Д.П. Керування тяговим електроприводом трамвая при наявності обмежень по зчепленню / Д.П. Проценко // Вісник Кременчуцького державного університету ім. М. Остроградського -- 2010. -- № 3, частина 2. -- С. 42 -- 44.

3. Проценко Д.П. Математична модель вузла визначення опору руху системи виявлення буксування трамвая в режимі тяги / Д.П. Проценко // Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- 2010. -- № 3. -- С. 34 -- 37.

4. Проценко Д. Синтез структури пристрою керування тяговим електроприводом рухомого складу міського електротранспорту з врахуванням зміни умов зчеплення / Дмитро Проценко, Володимир Грабко // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». -- 2010. -- № 28. -- С. 63 -- 65.

5. Проценко Д. Підвищення ефективності системи виявлення буксування колісних пар трамвая / Дмитро Проценко, Вадим Чуба // Електромеханічні та енергетичні системи, методи моделювання та оптимізації: VIII Всеукраїнська наук.-тех. конф. молодих вчених і спеціалістів, 7--9 квітня. 2010 р.: тези допов. -- Кременчук, 2010. -- С. 281.

6. Проценко Д. Підвищення енергоефективності керування тяговим двигуном рухомого складу міського електротранспорту / Дмитро Проценко, Вадим Чуба // Современные информацирнные технологии на транспорте, в промышлености и образовании: міжнар. наук.-практ. конф, 13-14 травня. 2010 р.: тези допов. -- Дніпропетровськ, 2010. -- С. 18.

Размещено на Allbest.ru