авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Прогнозирование динамических процессов при нестационарных и аварийных режимах тягового электропривода с асинхронными двигателями

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Федяева Галина Анатольевна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Иньков Юрий Моисеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ротанов Николай Алексеевич

доктор технических наук, профессор Пречисский Владимир Антонович

доктор технических наук, профессор Ромен Юрий Семенович

Ведущее предприятие – Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС)

Защита состоится 17 декабря 2008 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 15, ауд. 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Московского государственного университета путей сообщения

Автореферат разослан 12 ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.Н. Сидорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железнодорожный транспорт является главным видом транспорта России, его технический уровень и состояние определяют экономическую эффективность и безопасность перевозок. Одобренная Правительством «Транспортная стратегия Российской Федерации» и «Программа создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г.», утвержденная ОАО «Российские железные дороги», предусматривает разработку и изготовление в 2005-2008 г.г. опытных образцов локомотивов нового поколения с асинхронными тяговыми двигателями (АТД).

Тяговый электропривод (ТЭП) с асинхронными двигателями (АД) принят в качестве основного в типаже перспективных локомотивов. Общепризнано, что применение АТД с короткозамкнутым ротором, обладающих рядом известных преимуществ по сравнению с традиционными тяговыми двигателями постоянного тока (ДПТ), позволяет повысить надежность, экономичность и тяговые качества локомотивов. Но вместе с тем, для реализации этих преимуществ требуется решение целого ряда проблем.

При использовании АТД, питаемых от статических выпрямительно-инверторных преобразователей, не только усложняется система преобразования энергии и система управления приводом, но усиливается взаимосвязь и взаимовлияние всех функциональных частей (подсистем) ТЭП: силовой электрической, управляющей и механической, что требует совершенствования существующих и внедрения новых алгоритмов управления приводом. Кроме того, возможные отказы в автономном инверторе, являющемся новым и наименее отработанным узлом в системе ТЭП, могут приводить к значительным динамическим нагрузкам в электрической и механической подсистемах привода, которые необходимо оценить на стадии проектирования.

Зарубежными производителями ТЭП локомотивов с АД, такими известными, как Bombardier Transportation (Швейцария), Siemens (Германия) и др. в последние годы наиболее интенсивно ведется исследование и внедрение асинхронных электроприводов нового поколения, использующих системы прямого управления моментом (Direct Torque Control, - сокращенно DTC), но они являются интеллектуальной собственностью разработчиков.

Чтобы предотвратить зависимость страны от импорта локомотивов или перспективных тяговых приводов, необходимо совершенствовать отечественное локомотивостроение на новом техническом уровне. Для этого требуется дальнейшее развитие собственной научной базы проектирования надежных и конкурентоспособных локомотивов с АТД. В этом плане очень важно уже на ранних стадиях проектирования обеспечить возможность анализа способов и алгоритмов регулирования АТД в наиболее тяжелых с точки зрения динамической нагруженности режимах.

В отечественной и зарубежной литературе наиболее часто выделяют следующие основные динамические режимы тяговых приводов:

- квазистационарные (выбег, тяга и торможение при наличии определенного запаса по сцеплению колес с рельсами или реализация предельных сцепных свойств в условиях тяги и торможения);

- нестационарные (буксование, юз);

- аварийные (для электроприводов наиболее характерны аварии в системе электропитания).

Максимальные динамические нагрузки возникают в ТЭП при нестационарных и аварийных режимах, поэтому в процессе проектирования необходимо спрогнозировать их заранее и по возможности предотвратить.

Цель диссертационной работы – совершенствование электромеханической системы локомотивов с асинхронными двигателями для улучшения их динамических и тяговых качеств на основе создания прогнозных вариантов нестационарных и аварийных режимов тяговых электроприводов.

Задачи исследования, поставленные и решенные в работе для достижения указанной цели:

1. Разработка концепции и методики создания прогнозных вариантов нестационарных и аварийных режимов ТЭП с АД как единой управляемой электромеханической системы на основе математического и компьютерного моделирования.

2. Разработка математической модели ТЭП с АД, универсальной с точки зрения возможности исследования аварийных режимов в автономных инверторах и нестационарных процессов в электромеханической системе привода при использовании различных типов инверторов и способов управления.

3. Разработка структуры и алгоритма работы ТЭП с системой прямого управления моментом АТД и стабилизацией скольжения колес.

4. Создание электромеханических компьютерных моделей перспективных грузовых и маневровых локомотивов с DTC на базе совмещения программных комплексов (ПК) MatLab и «Универсальный механизм» (УМ или UM), позволяющих исследовать динамические и тяговые качества локомотивов в квазистационарных, нестационарных и аварийных режимах.

5. Исследование на основе численных экспериментов динамических и тяговых свойств грузовых и маневровых локомотивов с АТД при реализации предельных тяговых усилий в процессе разгона.

6. Определение динамических нагрузок в электрической и механической подсистемах ТЭП с АД при аварийных и нестационарных режимах и оценка взаимовлияния электрической и механической подсистем привода; выработка рекомендаций по снижению динамических нагрузок.

Методы исследований. Для решения сформулированных задач использованы современные методы математического моделирования электромеханических систем и их элементов, - топологический метод анализа электрических цепей, метод проводимостей зубцовых контуров электрической машины, методы моделирования динамики систем связанных твердых тел, положения теории электрических машин, теории электропривода, теории автоматического управления, теории электрической тяги. Электромеханические модели перспективных локомотивов созданы на базе хорошо зарекомендовавших себя ПК с использованием нового методологического подхода: электрическая силовая и управляющая подсистемы ТЭП локомотивов с АД моделируется в ПК MatLab/Simulink; механическая часть в ПК УM. Для получения единых электромеханических моделей модели MatLab интегрируются в модели ПК УM с помощью специального программного модуля, разработанного на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета (БГТУ).

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается:

- применением фундаментальных законов и принципов соответствующих научных дисциплин и корректностью принятых допущений;

- сопоставлением результатов, полученных в различных программных комплексах на уточненных и упрощенных электромеханических моделях ТЭП с АД;

- удовлетворительным совпадением результатов расчетов с осциллограммами экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «Локомотивы» БГТУ, а также с данными испытаний опытных образцов тепловозов, полученными Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Концепция и методика создания прогнозных вариантов аварийных и нестационарных режимов ТЭП с АД, основанные на математическом и компьютерном моделировании управляемой электромеханической системы ТЭП.

2. Два различных методологических подхода к моделированию ТЭП с АД:

- математическая модель электромеханических процессов в приводе, разработанная с использованием контурных топологических уравнений в матричной форме для электрической части и уравнений Лагранжа или уравнений, составленных на основе принципа Даламбера, для механической подсистемы;

- математическая модель электромеханической системы локомотива, разработанная на основе совмещения программных комплексов MatLab и УМ.

3. Компьютерные модели электромеханической системы ТЭП локомотива как объекта исследования, созданные с использованием двух оговоренных подходов.

4. Функциональная схема и алгоритмы работы ТЭП локомотива с DTC в квазистационарных и нестационарных режимах.

5. Результаты анализа процесса разгона шестиосных и четырехосных локомотивов с индивидуальным регулированием осей при работе каждой оси на пределе по сцеплению под контролем регулятора скольжения колес.

6. Алгоритмы функционирования и результаты моделирования динамики системы защиты от буксования перспективных локомотивов с DTC.

7. Результаты анализа динамических процессов в электромеханической системе ТЭП локомотивов с АД при аварийных и нестационарных режимах и рекомендации по снижению динамических нагрузок и повышению тяговых свойств электроприводов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

1. Разработаны и обоснованы концепция и методика прогнозирования динамических процессов при аварийных и нестационарных режимах в ТЭП с АД как в единой управляемой электромеханической системе на базе математического и компьютерного моделирования.

2. Обоснован и применен новый методологический подход к моделированию ТЭП перспективных локомотивов с АД, основанный на совмещении двух программных комплексов: MatLab и УМ.

3. Разработана функциональная схема и алгоритм работы ТЭП локомотива с DTC, являющейся системой управления нового поколения.

4. Созданы электромеханические модели шестиосных и четырехосных локомотивов с DTC, позволяющие исследовать динамические и тяговые качества новых локомотивов с АТД в квазистационарных, нестационарных и аварийных режимах при различных конструкциях ходовой части.

5. Выполнен анализ процесса разгона шестиосных и четырехосных локомотивов с индивидуальным регулированием АТД осей при работе каждой оси на пределе по сцеплению под контролем регулятора скольжения колес.

6. Произведен анализ работы системы защиты от буксования перспективных локомотивов, основанной на введении внешнего контура стабилизации скорости скольжения колес, формирующего задание для внутреннего контура прямого управления моментом АТД.

7. Выявлены закономерности динамического перераспределения вертикальных нагрузок по осям шестиосного и четырехосного локомотивов с АТД в режиме реализации максимальных тяговых усилий.

8. Определен качественный и количественный характер динамических нагрузок в механической и электрической подсистемах ТЭП локомотивов с опорно-осевым подвешиванием АД при аварийных режимах в инверторах.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Созданные в работе модели и методики моделирования позволяют на стадии проектирования проанализировать наиболее тяжелые динамические режимы работы ТЭП с АД и выработать рекомендации для рационального конструирования нового дорогостоящего оборудования.

На основе созданных моделей проработан ряд практических вопросов: произведена качественная и количественная оценка динамических нагрузок в электрической и механической подсистемах четырехосных и шестиосных локомотивов с двигателями ДАТ305 и ДТА470 при аварийных и нестационарных режимах ТЭП; разработаны алгоритмы работы ТЭП с АД перспективных локомотивов в квазистационарных и нестационарных режимах; выработаны рекомендации по улучшению тяговых свойств и снижению динамических нагрузок в тяговой передаче локомотивов с АД.

Результаты работы приняты Брянским машиностроительным заводом (БМЗ) для использования при разработке тепловозов нового поколения. Отдельные элементы разработанных моделей и реализующие их программы внедрены в учебный процесс МИИТ по специальности «Электрический транспорт железных дорог», а также в учебный процесс БГТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях и съездах, в числе которых: IV Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (Новочеркасск, 2003 г.), IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006 г.), 66 и 67 Международные научно-практические конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, ДИИТ, 2006, 2007 г.г.), 4, 5, 7, 8 Научно-практические конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2003, 2004, 2006, 2007 г.г.), IV и V Международные научно-технические конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (Санкт-Петербург, 2005, 2007 г.г.), IV международный симпозиум «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2007 г.) и другие.

Работа в полном объеме докладывалась на научных семинарах кафедр «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» и «Прикладная механика» БГТУ (Брянск, 2007 г.), на научном семинаре кафедры «Электрическая тяга» МИИТ (Москва, 2007 г.), на заседании кафедры «Электрическая тяга» МИИТ (Москва, 2008 г.), на заседании научно-технического совета ВНИКТИ (Коломна, 2008 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 46 научных работах и двух патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 280 наименований, и приложения. Содержит 341 страницу основного текста, проиллюстрированного 151 рис. и 8 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту, дано краткое описание структуры работы, обосновывающее логику ее построения.

В главе 1 обоснована концепция прогнозирования динамических процессов при аварийных и нестационарных режимах ТЭП с АД как единой управляемой электромеханической системы на базе компьютерного моделирования. Анализ работ в области ТЭП локомотивов с АД показывает, что одной из наиболее перспективных является структура ТЭП с индивидуальным регулированием осей и питанием АТД от автономных инверторов напряжения на полностью управляемых полупроводниковых элементах – биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). В качестве примера такой системы приведена функциональная схема ТЭП шестиосного локомотива (рис. 1). Тяговый привод локомотива с АТД является сложной динамической системой, включающей для тепловоза источник питания Д-СГ (синхронный генератор СГ, приводимый во вращение дизелем Д), неуправляемый выпрямитель В, промежуточное звено постоянного тока ПЗПТ (содержащее фильтр и цепь сброса энергии на тормозной резистор) и автономные инверторы напряжения АИН1…АИН6 на IGBT, питающие асинхронные тяговые двигатели АТД1…АТД6. Электромагнитный момент двигателей передается механической передаче МП1…МП6 и далее нагрузке Н (локомотиву и поезду) через контакт колесо-рельс. Управление двигателями и дизель-генераторной установкой осуществляет микропроцессорная система управления СУ, обрабатывающая сигналы с датчиков. Для электровоза постоянного тока источником питания ИП (рис. 1) служит контактная сеть, подключаемая через фильтры ПЗПТ. В общем случае систему ТЭП с АД можно при анализе разделить на три основные части (подсистемы): электрическую силовую, в которую входят ИП, ПЗПТ, АИН1…АИН6, АТД1…АТД6, управляющую (СУ) и механическую, включающую МП1…МП6, Н.

При исследовании нестационарных и аварийных режимов необходимо совместное рассмотрение работы силовой электрической, управляющей и механической части с учетом процессов в контакте колесо-рельс, так как в ТЭП современного локомотива с АД они интегрируются в одно целое – мехатронный модуль движения, и переходные процессы в них взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Исследованию динамических процессов в механической части локомотивов, проблем взаимодействия колеса и рельса и улучшения использования потенциальных условий сцепления посвящены работы А.И. Беляева, И.В. Бирюкова, А.Л. Голубенко, И.П. Исаева, Й. Калкера, В.С. Коссова, В.Н. Кашникова, В.Н. Лисунова, Ю.М. Лужнова, Н.Н. Меншутина, Д.К. Минова, Г.С. Михальченко, А. де Патера, Ю.С. Ромена, Е.К. Рыбникова, А.Н. Савоськина, Г.В. Самме и многих других ученых.

Проблемы анализа электрической передачи локомотивов и автоматизации управления тяговыми агрегатами решаются в трудах В.И. Андерса, Х.-П. Бауэра, А.Т. Буркова, В.И. Воробьева, А.В. Грищенко, М. Депенброка, А.И. Ивахина, Ю.М. Инькова, Д.С. Киржнера, А.С. Курбасова, В.А. Кучумова, Е.Ю. Логиновой, П.Ю. Петрова, В.А. Пречисского, Н.А. Ротанова, Л.Н. Сорина,  А.Д. Степанова, В.В. Стрекопытова, Б.Н. Тихменева, В.Д. Тулупова, В.П. Феоктистова и других ученых.

Исследованию ТЭП с АД как единой электромеханической системы посвящены работы А.А. Зарифьяна, П.Г. Колпахчьяна, Х.-П. Котца, В.В. Литовченко, А.П. Павленко, Е.М. Плохова, В.А. Шарова, В. Энгеля и некоторых других ученых, но таких работ немного, и, с учетом наметившихся широких перспектив внедрения ТЭП с АД на отечественных локомотивах, их явно недостаточно.

Выполненный анализ проблемы указывает, что назрела необходимость дальнейшего исследования динамики ТЭП локомотивов с АД на основе новых методологических подходов, разработки электромеханических моделей перспективных локомотивов с применением современных программных комплексов, прогнозирования на их основе работы привода в наиболее тяжелых режимах и отработки новых алгоритмов управления, снижающих динамические нагрузки и повышающих тяговые качества.

Глава 2 посвящена математическому моделированию силовой электрической части ТЭП с АД. При анализе процессов в АТД и механической части при аварийных режимах в инверторах и быстротекущих нестационарных режимах ТЭП с высокодинамичной СУ переходными процессами в элементах ИП, в частности в дизель-генераторной установке тепловоза, в большинстве случаев допустимо пренебречь или учесть их приближенно по методике А.П. Павленко инерционным звеном.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.