WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

САФИН Альфред Робертович

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СХЕМ И АЛГОРИТМОВ

УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в ГУО ВПО

«Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Вафин Шамсимухамет Исламович

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор

Белашов Василий Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хошмухамедов Игорь Маджидович

кандидат технических наук, доцент

Cлепцов Михаил Александрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Самарский государственный университет

путей сообщения» (г. Самара)

Защита диссертации состоится 13 марта 2009 г. в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ(ТУ).

Автореферат разослан «___» февраля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

доцент Цырук С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время с постоянно увеличивающейся загрузкой железных дорог все большее значение будут приобретать методы и системы управления, которые позволят оптимизировать потребление энергии электроподвижным составом (ЭПС) на его тягу.

Созданное в 2003 г. ОАО «Российские железные дороги» планомерно проводит политику, направленную на снижение расхода топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте, основным энергоносителем которого является электроэнергия (50-55%). Согласно этой политике, первостепенное значение в энергосбережении отводится тяговой энергетике. В области тяги поездов - это, прежде всего, внедрение ресурсосберегающих технических средств и технологий. В целом по сети железных дорог ежегодно расходуется 5 – 6 % вырабатываемой в стране электроэнергии и до 6 % дизельного топлива. Поэтому так важно применение в данной области энергосберегающих технических средств, технологий и мероприятий, которые позволят улучшить эффективность использования энергоресурсов.

Следует отметить, что только 1% экономии энергоресурсов в целом по отрасли обеспечивает снижение годовых эксплуатационных расходов примерно на 700 млн. руб. (в ценах 2003 г.).

В нашей стране на всех типах магистрального ЭПС постоянного тока реально используется только тяговый электропривод с коллекторными тяговыми машинами и дискретным контакторно – реостатным управлением. Поэтому на ближайшие годы в нашей стране тяговые двигатели постоянного тока будут оставаться основным тяговым элементом на ЭПС. Продолжаются разработки и освоение промышленностью новых электровозов, моторных вагонов с этим типом тяговых машин, т.е. возможности улучшения показателей их работы ещё не исчерпаны.

Анализ способов снижения потерь энергоресурсов магистральных электровозов позволил выбрать основные технические решения по повышению энергосбережения как на ближайший период, так и на перспективу до 2020г. Это снижение пусковых потерь (3–4%), расширение возможностей рекуперативного торможения во всем диапазоне рабочих скоростей (до 5%), применение компенсации реактивной мощности (3–4%), регулирования частоты вращения мотор-вентиляторов (4–7%), оперативного управления посекционной тягой и группами тяговых двигателей (4–5%).

Вождение ЭПС по графику с наименьшим удельным расходом электроэнергии возможно лишь при учете многих факторов. В зависимости от веса и типа состава, погодных условий, наличия ограничений по скорости движения каждый рейс по одному и тому же участку ЭПС может пройти по-разному.

Следовательно, одним из способов снижения потребления электроэнергии на движение является оптимальное управление тяговыми двигателями ЭПС с адаптацией к внешним условиям и режимам движения. В связи с этим разработка энергосберегающих схем и алгоритмов управления тяговыми двигателями постоянного тока ЭПС, несомненно, является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка методики выбора оптимальных управляющих параметров и энергосберегающих структур управления тяговым электроприводом постоянного тока.

Задачи исследования. Разработка адаптируемой схемы управления тяговым электроприводом, ориентированной на обеспечение максимального энергосбережения тяговыми двигателями постоянного тока при данных условиях движения ЭПС.

Достижение поставленной цели требовало рассмотрения следующих вопросов:

  1. Изучение влияния внешних факторов (массы состава, профиля пути, состояния окружающей среды), схем, алгоритмов и параметров управления на расход энергии тяговыми двигателями при движении ЭПС.
  2. Исследование расширения эксплутационных возможностей тяговых двигателей постоянного тока для повышения эффективности использования ЭПС.
  3. Разработка схем и алгоритмов управления тяговым электроприводом, учитывающих условия движения ЭПС (масса состава, профиль пути, состояние окружающей среды), с целью достижения минимума расхода электроэнергии на тягу.
  4. Разработка имитационной модели схем подключения и управления тяговым электроприводом в среде Matlab-Simulink, которая позволит оценить потребление энергии тяговыми двигателями при различных условиях эксплуатации и определить оптимальные управляющие параметры: количество тяговых двигателей, ток якоря, ток возбуждения.

Методы исследований. Методы исследования определялись характером каждой из поставленных задач и опирались на положения теории электрической тяги и теории методов оптимизации.

Технические исследования выполнялись на ПЭВМ с использованием программы Matlab-Simulink. Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов подтверждается проведенными расчетами и сопоставлением известных, опубликованных в научно- технической литературе достижений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Разработана методика выбора оптимальных управляющих параметров, для регулирования скорости и силы тяги (торможения) в различных режимах.
  2. Определена структура энергосбережения локомотива и на её основе разработана принципиальная упрощенная схема управления тяговыми двигателями ЭПС, основанная на совместном применении регулирования тока якоря, тока возбуждения и изменения количества используемых тяговых двигателей, позволяющая расширить возможности оптимального управления тяговыми двигателями постоянного тока, по сравнению с существующими принципами управления ЭПС постоянного тока.

Достоверность результатов работы подтверждается использованием при решении поставленных задач корректных математических методов, обоснованностью применяемых допущений, а также сравнительным анализом экспериментальных данных, полученных на опытном полигоне ВНИИЖТ, и данных имитационного моделирования.

Практическая значимость:

  1. Предложена принципиальная схема управления тяговыми двигателями постоянного тока ЭПС, обеспечивающая экономию электроэнергии до 10% за счет улучшения динамики в режиме пуска, плавного регулирования тока возбуждения, оперативного управления группами тяговых двигателей.
  2. Разработанная схема относительно проста в реализации и может быть внедрена на действующих электровозах.
  3. Разработана имитационная модель управления тяговыми двигателями, которая позволяет на стадии проектирования проверить достоверность теоретических положений, сформулировать требования к отдельным блокам и оценить возможности их физической реализации.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Разработанная методика выбора оптимальных управляющих параметров при движении ЭПС в различных режимах.
  2. Выбор и обоснование структуры энергосберегающей схемы управления.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: XI Международная научно–техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2005 г.), XII Международная научно–техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006 г., награжден дипломом II степени), III Всероссийская научно–практическая конференция «Системы управления электротехническими объектами» (г. Тула, 2005 г.), V Международный симпозиум «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2004 г.), VI Международный симпозиум «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2005 г.), Международная научно–практическая интернет–конференция «Электрооборудование и электрохозяйство: процессы и системы управления–ЭЭПС–2005» (г. Казань, 2005 г.), а также регулярно обсуждались на аспирантско-магистерских семинарах КГЭУ.

Публикации. По диссертационной работе опубликовано 6 статей и 5 тезисов в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 15 таблиц и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы выносимые на защиту положения.

В первой главе подробно рассмотрены внешние факторы, влияющие на расход электроэнергии тяговыми двигателями при движении ЭПС.

Отмечено, что протяженность электрифицированных линий измеряется десятками тысяч километров, и большая их часть характеризуется высокой грузонапряженностью, предельным использованием провозной и пропускной способности. На линиях имеется много участков с тяжелым профилем, проходящих в местности со сложными климатическими условиями и колебаниями температуры от  - 50 до + 40°C, что влияет на состояние рельсового пути и изменение сопротивления движению ЭПС. Показано влияние труднопрогнозируемых факторов, влияющих на процесс движения ЭПС.

Отмечено, что на сегодняшний день тягово-скоростные характеристики электровозов постоянного тока имеют значительные области, для которых отсутствуют соответствующие ходовые позиции контроллера, что связано с использованием дискретного контакторно-реостатного управления. Соответственно, с учетом влияния труднопрогнозируемых факторов на расход электроэнергии при движении ЭПС, это затрудняет поддержание оптимальных режимов управления. В связи с отмеченным, возникает необходимость совершенствования существующих схем управления тяговыми двигателями ЭПС, которое позволит реализовать оптимальные управляющие воздействия и достичь дополнительной экономии электроэнергии до 10%.

Проведен литературный обзор методов, систем оптимального управления тяговым электроприводом. Рассмотрены основные численные и аналитические методы расчета оптимальных режимов управления поездом. Проведенный сравнительный анализ методов расчета оптимальных режимов управления показал перспективность использования аппарата принципа максимума Понтрягина, позволяющего рационально сочетать высокое быстродействие с достаточной адекватностью модели объекта управления.

Вторая глава посвящена решению задачи оптимального управления тяговыми двигателями теоретическим способом. За критерий качества принимается минимум затрат электроэнергии на тягу.

С помощью принципа максимума Понтрягина Л.С. установлены оптимальные режимы управления: торможения с максимальным замедлением, стабилизации (С), стабилизации торможением (на вредных спусках), выбега и тяги с максимальным ускорением. Получены необходимые условия оптимальности, которые совместно с уравнением движения ЭПС (1) и граничными условиями (2) образуют систему соотношений, достаточную для построения оптимальной траектории движения ЭПС и, следовательно, определения координат (путь, скорость) для перехода из одного режима в другой.

, (1)

,,,, (2)

где - координата центра масс ЭПС; - начальная точка участка;-конечная точка участка; - скорость в начале участка; - скорость в конце участка; - скорость ЭПС; - время; - время хода по данному участку; -масса поезда;- коэффициент, учитывающий дополнительную инерцию вращающихся масс; - суммарная сила тяги всех локомотивов; - суммарная тормозная сила ЭПС; - основное и дополнительное сопротивление движению.

Для режима С (v(t)=const) установлено управляющее воздействие силы тяги, которое принадлежит интервалу 01 (в относительных единицах), поэтому, на основе анализа работ Розенфельда В.Е., Исаева И.П., для данного режима разработан теоретический способ выбора оптимальных управляющих параметров. Способ основан на методе множителей Лагранжа.

Имеется целевая функция затрат электроэнергии на тягу (3), на которую, при движении состава в режиме С, накладываются ограничения в виде равенств (4,5) и неравенств(6):

, (3)

, (4)

, (5)

,

- квазиоптимальная область КПД (6)

электровозных двигателей,

,

где m – масса поезда, т; - основное удельное сопротивление движению, Н/кН; - дополнительное сопротивление от уклонов и кривых, Н/кН; - КПД передаточного механизма; nД - количество двигателей, используемых при движении; - передаточное число зубчатой передачи; - диаметр движущих колес локомотива, м; Ф - магнитный поток двигателя, Вб; - ток якоря двигателя, А; - ток часового режима, А; - напряжение на выводах двигателя, В; - путь, пройденный в режиме стабилизации, м; - скорость стабилизации, м/с; - сопротивление обмотки двигателя, Ом; -время движения в режиме стабилизации, с.

Ограничение (4) выражает то, что работа тяговых двигателей в режиме С расходуется на преодоление сопротивления движению, ограничение (5) представляет собой уравнение тока якоря двигателя постоянного тока.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»