Повышение эффективности работы подвижного состава с асинхронными тяговыми электроприводами в переходных режимах

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение эффективности работы подвижного состава с асинхронными тяговыми электроприводами в переходных режимах

Общая характеристика работы

Актуальность темы

На железнодорожном транспорте на современном подвижном составе асинхронный тяговый привод (АТП) получил наибольшее распространение. Применение современных изоляционных, проводниковых и ферромагнитных материалов позволило создать посредством автоматизированного проектирования асинхронные тяговые двигатели (АТД) с высокими технико-экономическими показателями, отвечающими современным требованиям железнодорожного транспорта.

Применение АТД на электрическом подвижном составе (ЭПС), позволяет максимально использовать сцепной вес поезда и реализовать требуемые значения силы тяги. Использование микропроцессорных средств контроля и управления АТД дает возможность разрабатывать новые высокоэффективные алгоритмы управления.

Дальнейшее повышение эффективности использования АТД на ЭПС в значительной степени лежит в плоскости совершенствования их алгоритмов управления. Эта задача достаточно сложная, поскольку требуется объединить в одном техническом решении лучшее, что создано из аппаратной части системы управления с новейшими достижениями теории оптимального управления и учета при этом большого числа внутренних взаимосвязей и внешних факторов. К внутренним взаимосвязям относятся: электромагнитный, электромеханический, механический и тепловой переходные процессы в АТД. К внешним факторам следует отнести физические процессы сцепления колес с рельсами, сопротивление движению от встречного воздушного потока и др. Эти факторы, в свою очередь, являются функциями многих переменных и не имеют определенных и однозначных аналитических зависимостей с тем, чтобы свести эту задачу к типовой при решении методами оптимизации.

В данной работе приведено решение задачи оптимального управления движением ЭПС по критерию минимума температуры нагрева АТД, особенностью которой является учет типа используемой электрической машины и реальных внешних условий движения на формирование оптимальной траектории, таких как: направление и скорость ветра; температуры окружающей среды; уклона траектории движения; типа подвижного состава и др.

Целью диссертационного исследования является повышение эффективности работы подвижного состава с асинхронными тяговыми электроприводами в переходных режимах путем совершенствования алгоритмов их управления, разработанных с применением численных методов оптимизации.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

- дать обоснование применению оптимальных алгоритмов управления АТД ЭПС железных дорог;

- разработать математическую модель электромеханических и тепловых переходных процессов АТД;

- определить и проанализировать энергетические показатели при управлении АТД от преобразователя частоты;

- разработать алгоритм оптимального управления АТП с учетом изменяющегося во времени момента сопротивления движению ЭПС;

- провести исследования оптимальных режимов работы при пуске и торможении ЭПС;

- создать систему регулирования, обеспечивающую заданные параметры управления.

Методы исследования.

Использованы методы теории электрических цепей, теории поля, метод математического моделирования, метод Рунге-Кутта для решения систем дифференциальных уравнений, принцип максимума академика Л.С. Понтрягина в сочетании с методом Ньютона-Рафсона.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель электромеханических и тепловых переходных процессов АТД с учетом особенностей реального пути следования подвижного состава.

2. Разработан алгоритм оптимального управления пуском и электрическим торможением АТД с учетом изменяющегося во времени момента сопротивления движению подвижного состава.

3. Предложена замкнутая система автоматического регулирования, обеспечивающая заданные параметры оптимального управления движением подвижного состава.

Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности работы локомотивов с асинхронным тяговым приводом, а именно: достигается экономия электроэнергии; облегчается тепловой режим работы асинхронных тяговых двигателей и, как следствие, повышается их надежность.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2006»; на Второй республиканской научно-технической конференции «Шелковый путь» (2001 г.); на Четвертом международном конгрессе по мехатронике (Турция-Анкара, 1999 г.); на ежегодных научных конференциях преподавателей и аспирантов АзТУ (1998-2002 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и приложений. Общий объем 109 стр., иллюстраций 21.

Основное содержание диссертации

подвижной электромеханический торможение тяговый

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, произведен обзор и анализ применяемых в настоящее время на ЭПС алгоритмов управления АТД, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе выбрана структура и рациональные параметры АТП с учетом мирового опыта создания электровозов и на основе результатов анализа совместной работы силового преобразователя, АТД и силового механического привода.

Произведен анализ уравнения движения ЭПС с точки зрения формирования алгоритма оптимального управления. Определены факторы, влияющие на величину сопротивления движению поезда, подлежащие учету: направление и скорость ветра; температура окружающей среды; уклон траектории движения; радиус кривой при изменении направления движения; тип подвижного состава; количество вагонов; масса перевозимого груза; тип пути следования (при бесстыковой укладке пути, в отличие от обычного со стыками, снижение основного сопротивления движению поезда составляет 12-15%).

Аналитических зависимостей, позволяющих точно определить сопротивление движению поезда, не существует. Обычно пользуются эмпирическими соотношениями. Так, согласно Правилам тяговых расчетов для поездной работы, общее сопротивление движению W можно представить в виде суммы:

W = A₀ + A₁V + A₂V² + A₃i + A₄/r,

где А₀, А₁, А₂, А₃, А₄ - экспериментальные коэффициенты; V - скорость поезда; i - уклон пути; r - радиус пути.

Для формирования оптимального алгоритма управления движением требуются более детальные эмпирические соотношения, в которых участвуют параметры внешней среды и состояния подвижного состава, измеряемые датчиками.

, (1)

где f и b - удельные силы тяги и торможения соответственно; - удельные основное и дополнительное сопротивления движению поезда; V - скорость поезда; - коэффициент, учитывающий соотношение размерностей и наличие дополнительной инерции вращающихся масс.

Датчики входят в структуру микропроцессорной системы АТП и выдают оперативную информацию, по которой можно рассчитать результирующую силу сопротивления движению.

Рассчитанное по (1) основное и дополнительное сопротивление движению поезда корректируется через определенные моменты времени по показаниям датчиков направления и скорости ветра, температуры окружающей среды, уклона траектории движения. Результирующее сопротивление движению аппроксимируется и используется в алгоритме оптимального управления.

Во второй главе изложен алгоритм оптимального управления пуском АТП.

Задача оптимального управления поставлена следующим образом. Имеется ЭПС, который оборудован тяговым электроприводом с АТД. Профиль и время пути следования заданы. Требуется минимизировать функционал (2), определяющий среднюю температуру асинхронного тягового электродвигателя за время переходного процесса (t2 - t1), при ограничении в виде дифференциального уравнения движения ЭПС (3).

 (2)

(3)

где - средняя температура двигателя; - температура окружающего воздуха; Р_сум - суммарные потери, выделяемые в виде тепловой энергии; С_д - теплоемкость двигателя; k₁ и k₂ - коэффициенты тепловой связи двигателя с окружающей средой; щ - угловая частота вращения вала двигателя; t - время; р - число пар полюсов; J - момент инерции, приведенный к валу двигателя, учитывающий помимо инерционных масс поступательного движения инерцию вращающихся частей поезда (колесных пар и элементов передачи вращения); Mэ - электромагнитный момент (может быть тяговым и тормозным); Мс - момент сопротивления движению подвижного состава.

При расчетах были сделаны следующие допущения:

отсутствуют электромагнитные переходные процессы в тяговом приводе. Такое допущение обосновано для высокоинерционных АТД, так как электромагнитная постоянная времени переходного процесса значительно меньше электромеханической постоянной;

силовой преобразователь, питающий АТД, способен воспроизводить заданные оптимальные управляющие воздействия. Частота и амплитуда выходного напряжения преобразователя изменяется плавно, без скачков во всем диапазоне управления скоростью движения ЭПС;

параметры силового преобразователя учитывались приведением их к схеме замещения АТД при переменной частоте питающего напряжения;

мощность контактной сети несоизмеримо больше, чем мощность АТД;

за потери, выделяемые в АТД в виде тепловой энергии (Р_сум) за время переходного процесса пуска и торможения, взяты электрические потери в статоре и роторе АТД;

поиск оптимального управления осуществлялся в классе режимов с постоянным магнитным потоком.

Запишем величины, входящие в уравнения (2) и (3), через параметры схемы замещения АТД, используя сокращения и обозначения, принятые в литературе.

(4)

(5)

где - параметры схемы замещения АТД; b, с, d, е - коэффициенты, определяемые через параметры схемы замещения:

в - относительный параметр абсолютного скольжения; m₁ - число фаз; Ф - рабочий магнитный поток АТД; f_1н - номинальная частота питающего напряжения; С_к - конструктивная постоянная статора, определяемая из выражения: С_к = 4,44k_обW₁, k_об - обмоточный коэффициент, W₁ - число последовательных витков одной фазы, коэффициенты k₃ и k₄:

Поскольку задача оптимального управления реализуется на ЭПС в реальном времени, то важным параметром является скорость вычисления текущего значения момента сопротивления движению ЭПС. Поэтому расчет момента сопротивления производился по формулам, изложенным в первой главе. Далее, момент сопротивления аппроксимировался полиномом третьей степени с коэффициентами аппроксимации k₅, k₆, k₇ и k₈, приведенными в уравнении движения (5).

Преобразуем уравнения (4), (5) согласно принципу максимума. Составим промежуточную функцию Н:

.

Найдем оптимальное управление в^* путем дифференцирования промежуточной функции Н по в:

Выражения для вспомогательных функций:

.

Начальные условия для вспомогательных функций определялись с помощью метода Ньютона-Рафсона.

В результате решения задачи оптимального управления были получены характеристики оптимального процесса разгона АТД до номинальной частоты вращения (рис. 1). В качестве исходных данных взяты параметры АТД последних лет разработки: НТА-1200 электровоза ЭП10.

Рис. 1. Оптимальный пуск АТД за 120 с при параметрах: - превышение средней температуры нагрева АТД; щ - угловая частота вращения; Мэ - электромагнитный момент; I1 - ток статора; б - относительная частота питающего напряжения; g - относительная амплитуда питающего напряжения

График, представленный на рис. 2, ограничивает область всех допустимых пусковых режимов работы АТД при постоянном магнитном потоке. Границей области являются экстремальные режимы. Крайняя левая точка на границе области характеризует режим работы двигателя при форсированном разгоне (максимальное быстродействие), нижняя точка границы области - это режим минимум-миниморум (абсолютный минимум), когда ищется минимум температуры нагрева, а время разгона определяется в ходе решения задачи оптимизации.

Рис. 2. Граница экстремальных режимов частотного пуска АТД

Анализ зависимости (рис. 2) позволяет сделать вывод о том, что сокращение времени оптимального переходного процесса до точки максимального быстродействия связано с относительным увеличением потерь и нагрева АТД, причем нагрев АТД растет по зависимости, близкой к экспоненциальной. Во всех случаях, когда отсутствуют ограничения на время переходного процесса, следует выбирать режим абсолютного минимума температуры, это позволит сократить потери и нагрев АТД. Так, если среднюю температуру нагрева АТД за время пуска до номинальной скорости вращения в режиме быстродействия принять за 100%, то средняя температура нагрева АТД в режиме абсолютного минимума температуры будет составлять от 20 до 40% (в зависимости от характера пути следования и принятых ограничений).

Для получения более подробной картины распределения температуры в объеме АТД, вместо уравнения (4) следует включить уравнения теплового баланса отдельных его частей: проводников обмотки, изоляции обмотки, магнитопроводов статора и ротора, корпуса, подшипниковых узлов и др. Расчет тепловых переходных процессов электрических машин в настоящее время не вызывает затруднений, так как достаточно хорошо исследован и освещен в литературе.

В третьей главе изложен алгоритм оптимального торможения АТП.

Системы торможения на магистральных электровозах выполняются в виде комплексных действий, реализующих принцип обеспечения безопасности эксплуатации регулируемым ограничением скорости движения.

Системы механического торможения достаточно надежны в работе, однако приводят к износу тормозных колодок и, что особенно важно, бандажей колес электровозов. На современных электровозах кроме механических тормозных систем используется электрическое торможение путем перевода ТЭД в генераторный режим работы.

Оптимальное торможение отличается от других видов торможения тем, что при создании тормозного усилия минимизируется некоторый функционал. В данном случае это минимум средней температуры нагрева ТЭД.

.

Определим тормозные режимы тягового двигателя НТА-1200 в рамках решения двухточечной задачи оптимального управления. В отличие от пусковых режимов в качестве начальных условий выберем параметры АТД, работающего в номинальном режиме. Для сравнения энергозатрат пусковых и тормозных режимов время торможения выберем таким же, как и время пуска. Также оставим прежней зависимость момента сопротивления в функции скорости движения подвижного состава.

На рис. 3 представлена область допустимых тормозных режимов работы АТД, границей области служат экстремальные режимы торможения.

Рис. 3. Граница экстремальных режимов частотного торможения АТД

Во всех случаях, когда нет ограничений на время торможения, в отсутствие аварийных ситуаций, связанных с экстренным торможением, следует избегать интенсивного торможения, это позволит существенно сократить потери и нагрев АТД. Если среднюю температуру нагрева АТД за время торможения от номинальной скорости вращения до полной остановки в режиме быстродействия принять за 100%, то средняя температура нагрева АТД в режиме, когда время торможения увеличено в четыре раза, превышение средней температура АТД составит 18% (при выбранных в данном примере параметрах пути следования).

В четвертой главе приведены результаты разработки преобразователя частоты для АТД, способного воспроизвести заданные расчетные управляющие воздействия, и проведены экспериментальные исследования.

Система управления АТД входит в состав тягового электропривода и обеспечивает совместно с силовым преобразовательным устройством такое значение частоты и амплитуды питающего электродвигатель напряжения, при котором электропривод в целом обеспечивает заданное движение железнодорожного подвижного состава при высоком качестве управления. В системе управления использован микропроцессор Siemens SAB 80C166.

На рис. 4 изображена принципиальная электрическая схема силовых цепей тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ).

Отличительной особенностью инверторов с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) является возможность регулирования в них как напряжения, так и частоты практически от нуля до номинального значения и выше с получением формы тока в АТД, близкой к синусоидальной, что обеспечивает в таких системах широкий диапазон регулирования скорости вращения АТД.

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема силовых цепей ТПЧ

Для сглаживания пульсации напряжения генератора на входе трехфазного инвертора напряжения включен силовой фильтр LC. Здесь роль ключей выполняют тиристоры VS1 ч VS6, которые коммутируются с помощью конденсаторов C₁ ч C₆.

Для экспериментальных исследований законов оптимального управления был выбран асинхронный электродвигатель малой мощности 4А90L4У3. Требуемый момент сопротивления на валу двигателя был создан с помощью генератора постоянного тока П22. Стенд для испытаний в сборе изображен на рис. 5. В спинке статора электродвигателя была уложена термопара ДТПL011-0,5/1,5 с диапазоном измеряемых температур -50…+300, классом точности 2.

Рис. 5 Стенд для испытаний асинхронного двигателя

На рис. 6 изображены сравнительные данные расчета и эксперимента для критерия минимум превышения средней температуры двигателя.

Рис. 6. Оптимальные режимы работы асинхронного двигателя 4А90L4У3

Точки 1, 2, 3, 4, 5, 6 - определены расчетным путем, а точки 7, 8, 9 - экспериментально. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составило 12ч18%. Погрешность вызвана следующими причинами: температура точки установки датчика ДТПL011-0,5/1,5 отличается от расчетной средней температуры двигателя, точность определения коэффициента тепловой связи двигателя с окружающей средой достаточно низкая - это основные составляющие погрешности, следует также указать на несинусоидальность питающего напряжения и тока, погрешность датчиков и измерительных приборов, погрешность в силу принятых допущений при расчетах оптимальных управлений, погрешность численного интегрирования.

Экспериментальные исследования асинхронного двигателя при частотном управлении от ТПЧ показали удовлетворительные результаты, главный из которых тот факт, что сохраняется качественная картина частотных пусков от режима быстродействия до режима минимум-миниморум, характерная экспоненциальным снижением температуры двигателя.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Выбрана структура асинхронного тягового привода, определено, что его структура и рациональные параметры определяются при анализе совместной работы силового преобразователя, тягового электродвигателя и силового механического привода. Приняты основные ограничения, определяемые тяговой характеристикой подвижного состава.

2. Дан анализ составляющим уравнения движения. Приведены расчетные формулы для определения основного и дополнительного сопротивления движению поезда. Предложено при формировании текущих значений управляющих воздействий корректировать основное и дополнительное сопротивление движению по показаниям датчиков направления и скорости ветра, температуры окружающей среды и уклона траектории движения.

3. Решена задача оптимального управления движением электроподвижного состава, в которой учтено влияние внешних условий на формирование оптимальной траектории. Это направление и скорость ветра; температура окружающей среды (влияет на вязкость смазки и плотность набегающего потока воздуха); уклон траектории движения; радиус кривой при изменении направления движения; тип подвижного состава (поскольку разные типы вагонов имеют разные аэродинамические характеристики); количество вагонов; масса перевозимого груза.

4. Анализ полученных зависимостей оптимального управления от времени, как в режиме пуска, так и в режиме торможения, позволил сделать вывод о том, что сокращение времени оптимального переходного процесса до точки максимального быстродействия связано с относительным увеличением потерь и нагрева АТД, причем нагрев АТД растет по зависимости, близкой к экспоненциальной.

5. В тех случаях, когда отсутствуют ограничения на время переходного процесса, следует выбирать режим абсолютного минимума температуры, это позволит существенно сократить потери и нагрев АТД. Так, если среднюю температуру нагрева АТД за время пуска до номинальной скорости вращения в режиме быстродействия принять за 100%, то средняя температура нагрева АТД в режиме абсолютного минимума температуры будет составлять от 20 до 40% (в зависимости от характера пути следования и принятых ограничений). Если среднюю температуру нагрева АТД за время торможения от номинальной частоты вращения до полной остановки в режиме быстродействия принять за 100%, то средняя температура нагрева АТД в режиме абсолютного минимума температуры составит 18%.

6. Разработана замкнутая система управления, предназначенная воспроизводить заданные значения оптимальных управляющих воздействий и состоящая из АТД, преобразователя частоты с инвертором с синусоидальной ШИМ, микропроцессора, датчиков тока, напряжения, аппаратуры вторичного преобразования входных сигналов датчиков.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах

1. Мамедов З.А. Оптимальное управление асинхронным тяговым приводом электровоза в режимах пуска и торможения. // Вестник РГУПС. - 2009, №4. - С. 22 - 27.

2. Петрушин А.Д., Мамедов З.А. Алгоритм оптимального управления пуском асинхронного тягового привода локомотива. // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - 2007, №2 (11). - С. 127 - 136.

3. Мамедов З.А. Выбор преобразователя частоты для главного асинхронного двигателя исходя из энергетического показателя. // Вестник РГУПС. - 2005. - №3. - С. 43 - 46.

4. Мамедов З.А. Векторное управление асинхронным тяговым электроприводом // Труды Всероссийской научн.-практ. конф. «Транспорт 2006». Ч. 3. - Ростов н/Д: РГУПС, 2006. - С. 180-182.

5. Мамедов З.А., Багиров С.М. Векторное управление частотно-регулируемым асинхронным тяговым двигателем. // Материалы 2-й респ. научн. - практ. конф. «Шелковый путь». - Баку: 2001. - С. 129-132.

6. Багиров С.М., Мамедов Г.А., Мамедов З.А. Оптимальное управление работой стрелок. - Баку: АзТУ, Научн. труды. - 2000. - Т. 2 - №47. - С. 7-12.

Размещено на Allbest.ru