WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Тогда необходимые условия оптимальности минимума целевой функции запишутся следующим образом:

, (7)

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

, (13)

, (13)

, (14)

,

где L – функция Лагранжа, - ослабляющие переменные, - множители Лагранжа.

Найденные условия позволяют определить оптимальные управляющие параметры, для чего в работе использован пакет оптимизации системы MATLAB. Для решения данных уравнений в пакете оптимизации использован алгоритм последовательного квадратичного программирования, который заключается в применении квадратичной аппроксимации функции Лагранжа.

Таким образом, разработан теоретический способ выбора оптимальных управляющих параметров при движении ЭПС в режиме стабилизации, который дает возможность оптимизировать потребление электроэнергии тяговыми двигателями за счет регулирования количества тяговых двигателей, схем их подключения, тока якоря, тока возбуждения.

Третья глава посвящена разработке энергосберегающих схем управления тяговыми двигателями. Более половины грузоперевозок по Российской Федерации и странам ближнего зарубежья осуществляется магистральными электровозами следующих основных серий, оборудованных коллекторными тяговыми двигателями: восьмиосные – переменного тока, напряжением 25 кВ ВЛ–80 различных модификаций, и постоянного тока, напряжением 3 кВ ВЛ–10 и ВЛ–8; шестиосные – переменного тока 25 кВ ВЛ–60 и ЧС4, постоянного тока 3 кВ ВЛ–23, ВЛ-22 и ЧС2.

На основе анализа опыта эксплуатации ЭПС обоснованы некоторые преимущества тяговых двигателей постоянного тока и возможности улучшения показателей их работы.

Рассмотрены существующие принципы управления ЭПС постоянного тока на основе схем электровоза ВЛ-10. Отмечено, что на электровозе ВЛ-10, где регулирование скорости осуществляется переключением ступеней пускового реостата, схем соединений тяговых двигателей и шунтирующих сопротивлений обмотки возбуждения, задача оптимального, адаптивного управления превращается в задачу комбинаторную, задачу о выборе наилучшей последовательности переключений коммутирующей аппаратуры. Однако с появлением современных силовых управляемых полупроводниковых ключей (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT) появилась возможность обеспечить регулирование тока якоря электродвигателя и тока возбуждения. Для этого предлагается упрощенная принципиальная схема управления тяговыми двигателями электровоза ВЛ-10 (рис.1), которая позволит наиболее эффективно поддерживать оптимальные режимы управления ЭПС. Схема обеспечивает, во-первых, дополнительную экономию до 10% электроэнергии, во-вторых, протекание переходных режимов без выбросов тока и, тем самым, повышает надежность работы тяговых двигателей.

Рис. 1 Схема управления тяговыми двигателями (для одной секции)

ОВ – обмотки возбуждения, Lн – нагрузочный реактор

Рис.2 Схема управления тяговыми двигателями (независимое возбуждение)

Импульсное управление осуществляется до достижения скорости пуска. Далее Г- образный фильтр и транзисторы VT 1 шунтируются контакторами К1 для снижения электрических потерь.

Непрерывное управление током возбуждения возможно, если изменение сопротивления цепи ослабления возбуждения осуществлять при помощи полупроводникового элемента (рис.3).

Рис. 3 Ослабления возбуждения тяговых двигателей

Разработки последних лет связаны с прогрессом в области создания биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Так, применявшиеся ранее тиристоры с фазным регулированием, запираемые тиристоры, а также обычные биполярные транзисторы за короткое время были вытеснены IGBT. Эти процессы обусловлены известными достоинствами транзисторов IGBT:

  • простотой схем управления;
  • отсутствием вспомогательных коммутационных цепей;
  • хорошей защитной способностью, например при коротких замыканиях;
  • низкими коммутационными потерями.

Важным также является высокий уровень стойкости к термоциклическим нагрузкам, который достаточен для удовлетворения даже самых жестких требований, предъявляемых к тяговым устройствам.

Таким образом, предложена схема подключения и алгоритм программы управления параметрами тяговых двигателей постоянного тока, позволяющие расширить возможности оптимального управления по сравнению с существующими принципами управления ЭПС постоянного тока. Это позволит адаптировать тяговые свойства ЭПС к изменениям условий движения (масса состава, профиль пути, состояние окружающей среды) с целью достижения энергооптимальных режимов на всем пути следования состава.

Доказана возможность совместного использования в процессе движения ЭПС как дискретных управляющих параметров (количество тяговых двигателей, способ возбуждения), так и непрерывных (ток якоря, магнитный поток), что позволяет поддерживать КПД тяговых двигателей на оптимальном уровне, а также учитывать изменения коэффициента сцепления между колесом и рельсом.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки имитационной модели для оценки потребления электрической энергии тяговыми двигателями постоянного тока на основе разработанного математического обеспечения и предложенной схемы управления.

Использована одна из современных систем моделирования Matlab-Simulink, обеспечивающая высокое качество решения задач применительно к электромеханическим системам. Для моделирования энергетических систем, включая устройства электротехники и промышленной электроники, служит пакет программ расширения Power System Blockset. В работе наибольшее применение получила библиотека Machines, которая содержит модели ряда электрических машин постоянного тока. Для решения оптимизационных задач Matlab располагает пакетом программ оптимизации Optimization Toolbox. Данный пакет поддерживает основные методы оптимизации функций ряда переменных, в том числе и условную минимизацию нелинейных функций. Для решения данной задачи нелинейного программирования была использована функция fmincon. Она обеспечивает поиск минимума скалярной функции многих переменных. Положительной стороной данной функции является то, что она может применяться для поиска решения в задаче минимизации, в которой допустимые значения переменных ограничены некоторыми диапазонами: ( - нижний предел, - верхний предел). В качестве исходных данных исследования рассматривались параметры тягового двигателя постоянного тока ТЛ-2К1, применяемого на электровозе ВЛ-10. Разработана имитационная модель управления группой тяговых двигателей, позволяющая задавать условия эксплуатации, использовать различные схемотехнические решения, контролировать энергетические характеристики.

Проведено моделирование режима тяги с максимальным ускорением (пуск) и режима стабилизации. В результате моделирования предложенной схемы управления в режиме пуска обоснована возможность поддержания тока якоря при последовательном и независимом возбуждении на постоянном уровне без использования пусковых резисторов. Уменьшение тока якоря и скорости пуска при независимом возбуждении ведут к уменьшению потребленной электроэнергии при пуске, так как при той же силе тяги двигатели обтекаются меньшим током за меньшее время. При большей силе тяги также происходит уменьшение потребленной электроэнергии за счет достижения меньшей пусковой скорости за более короткое время. Соответственно, это дает возможность повысить пусковой ток и, тем самым, выбрать оптимальную силу тяги для снижения пусковых потерь в режиме пуска в зависимости от массы состава.

Таблица 1

Масса состава,

тыс.тонн

Посл.возб.(конт-реост. управление)

км/ч,

(на основе тяговых характеристик ВЛ-10)

Нез. возб.

А,

км/ч,

Н

Экономия

электроэнергии,

%

, кВтч, в скобках указано время пуска

1

53,25 (35 с)

52,67 (25 с)

1,1

2

116,5 (74 с)

112,4 (54 с)

3,5

3

192,6 (128 с)

180,9 (88 с)

6,1

4

293,5 (190 с)

260,2 (126 с)

11,3

5

423,6 (269 с)

355,2 (171 с)

16,1

Как видно из табл.1, большая экономия электроэнергии получается при использовании независимого возбуждения с максимальной силой тяги. Необходимо отметить, что потери в преобразователе не должны превышать 2-3 %.

Результаты моделирования при движении ЭПС в режиме стабилизации сравнивались с экспериментальными данными, полученными ВНИИЖТ при измерении расхода энергии на движение электровоза ВЛ-10 с отключением части двигателей. Опытные поездки проводили с составами из 4-oсных груженых вагонов с роликовыми подшипниками и осевой нагрузкой 21 т. Вес составов в четырех поездках был равен 1488 т, в четырех поездках - 3084 т и в одной - 4596 т. Известно, что в условиях реального графика движения поездов не всегда требуется движение с максимальной скоростью. В этом случае за счет отключения части двигателей можно получить значительную экономию электроэнергии на тягу за поездку.

Например, с учетом небольшого, на 1...2 км/ч, уменьшения скорости при переходе с одинаковой токовой нагрузкой электровоза от движения на восьми двигателях при полном поле возбуждения на четыре двигателя и третью ступень ослабления поля (43%), экономия энергии составила 3,2 % (см. табл.2).

Таблица 2

Масса вагонов поезда Q, т

Режим работы электровоза,

ослабления поля

Скорость поезда Vсред, км/ч

Ток ТЭД Iд. сред, А

Отклонение расчетных данных от экспериментальных

%

Экономия электроэнергии

%

ВНИИЖТ

Рсред = UI, кВт

1488

8сп

64,0

105

620

10,5

3,2

4сп3(43%)

63,3

203

600

4сп*-55%

63,3

227

681

8п

100

134

1620

7,2

3,3

4п3(43%)

99

265

1567

4п*-50%

99

246

1476

В таблице 2 представлены результаты моделирования, которые сравнивались с экспериментальными данными, полученными ВНИИЖТом при измерении расхода энергии на движение электровоза ВЛ-10 с отключением части двигателей. Как видно из табл. 2 отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышает 10,5 %, что дает возможность использовать данный метод в практических целях.

Отключение части двигателей смещает рабочую зону по скоростной характеристике электровоза в зону более низких скоростей, увеличивая нагрузку оставшихся в работе. Появляются дополнительные более низкие характеристики за счет применения усовершенствованной схемы. Это дает дополнительную возможность машинисту, если позволяют условия движения, экономить энергию, выбирая пониженную скорость (см. рис. 4, определены количество тяговых двигателей и схемы их подключения, в скобках указано ослабление поля возбуждения).

Рис. 4 Область оперативного переключения групп тяговых двигателей

Таким образом, обосновано применение функциональной и принципиальной структур энергосберегающего адаптивного управления, которые дают возможность более оперативно реагировать на изменение условий движения ЭПС (масса состава, профиль пути, состояние окружающей среды) и за счет этого достигнуть до 10% экономии электрической энергии.

Основные выводы и результаты

1.Проанализировано влияние внешних факторов (массы состава, профиля пути, состояния окружающей среды), схем, алгоритмов и параметров управления на расход электроэнергии тяговыми двигателями при движении ЭПС, и предложена структура энергосбережения.

Pages:     | 1 || 3 |






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