автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Динамика автоматизированного тягового электропривода троллейбуса с комплектами преобразовательного оборудования



-

Со

^ С

На правах рукописи

БАБКОВСКИИ АНДРЕИ ГЕННАДЬЕВИЧ

ДИНАМИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРОЛЛЕЙБУСА С КОМПЛЕКТАМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05.13. 07— Автоматизация технологических '

процессов и производств (по отраслям) 05. 09. 03 — Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел -1998

Работа выполнена в Орловском Государственном Техническом Униве] ситете

Научный руководитель: ■

Научный консультант: —

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Колоколов Ю.В. кандидат технических наук, доцент Жусубалиев Ж.Т. доктор технических наук, профессор Рябцев Г.Г. кандидат технических наук, доцент Хвостов В.А. Орловское отделение Московской железной дороги

Защита состоится"

1998 года на заседании диссертационного

Совета К 064.75.03 при Орловгхом государственном техническом университете по адресу 302020 г. Орел, Наугорское шоссе, 40. В \ 1 ЧЬ^Ь'

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый Секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

I

й-ч А. И. Суздальцев

V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Перспективы развития транспортной инфраструктуры современного города в первую очередь определяются развитием электрического транспорта, обладающего очевидными преимуществами. Технологические процессы электромеханического преобразования энергии, характерные для городского электрического транспорта (ГЭТ), осуществляются посредством тягового электропривода (ТЭП). При этом характеристики механической энергии (тяговое и тормозное усилия) во многом определяются процессами преобразования параметров подводимой к ТЭП электрической энергии с использованием полупроводниковых преобразователей. Развитие современного ГЭТ характеризуется применением тиристорно-импульсных (ТИ) систем автоматического регулирования тока тяговых двигателей (ТД) с использованием, в основном, широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (Суслов Б.Е.,1995, Маркин В.В. и соавт., 1995). Внедрение на ГЭТ последних позволило в значительной мере решить фундаментальные проблемы энергосбережения (за счет безреостатного пуска и рекуперативного торможения) (Ранькис И.Я. и соавт., 1989, Андерс В.И. и соавт., 1990, Тулупов В.Д., 1994, Ильинский Н.Ф.,

1995), экологии (за счет электрического торможения) и комфортности пассажироперевозок.

Однако, импульсное преобразование энергии, помимо явных преимуществ, обуславливает появление проблем надежности и безопасности функционирования как ГЭТ с ТИ ТЭП в целом, так и сложных автоматизированных систем ТИ ТЭП в частности, электромагнитной совместимости процессов преобразования электрической энергии с сопряженными системами и окружающей средой (Дьяков А.Ф. и соавт., 1997).

Между тем, традиционно жесткие требования к системам ГЭТ обуславливают традиционно длительные экспериментальные исследования на опытных объектах и доводку до промышленных образцов, что весьма невыгодно экономически и нецелесообразно практически на современном этапе развития экономики РФ в целом, и ГЭТ РФ в частности. При этом последние теоретические исследования и практический опыт внедрения и эксплуатации показывают, что в сложных нелинейных импульсных динамических системах, к которым относится ТИ ТЭП, могут возникать процессы, отличные от заданных разработчиками (определяемых техническим заданием) - бифуркационные, квазипериодические и хаотические (Баушев B.C. и Жусубалиев Ж. Т 1992,. Паркер Т. С., Чжоа Л. О. 1987, Баушев В.С и соавт.,

1996). Их возникновение является причиной роста амплитуды пульсаций переменных состояния системы, нежелательного воздействия составляющих энергии на сопряженные системы и окружающую среду, в том числе, и различных составляющих рекуперируемой энергии на других потребителей энергии системы

ГЭТ. Последнее, помимо вышеперечисленного, приводит к повышенному износу механического оборудования, ухудшению условий работы тиристорных преобразователей, входных фильтров, тяговых двигателей, созданию внештатных ситуаций.

Одним из основных реальных направлений решения перечисленных проблем представляется создание общей методологии и конкретных методик исследования и проектирования современного ТИ ТЭП с учетом возможности возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП, на основе математических моделей, учитывающих структуру и параметры контактной сети, импульсный характер потребителей рекуперируемой энергии.

Вышеприведенное определяет актуальность разрабатываемых в диссертации методик по исследованию и проектированию современных систем преобразования энергии на ГЭТ на примере ТИ ТЭП троллейбуса ЭИУ-683Б с альтернативными комплектами преобразовательного оборудования, выпускаемого в РФ.

Целью диссертационной работы является создание методики проектирования ТИ ТЭП, учитывающей бифуркационные и хаотические явления в динамике импульсных систем и обеспечивающей высокое качество преобразования и рекуперации энергии при объективно возможных изменениях параметров системы, контактной сети и окружающей среды (на примере ТИ ТЭП троллейбуса ЭИУ-683Б с комплектом преобразовательного оборудования "МЭРА-2"). Основные задачи исследований.

1. Обосновать и сформировать математические модели системы для различных режимов ее работы с учетом параметров контактной сети, питающей подстанции и потребителя рекуперируемой энергии (в случае рекуперативного торможения).

2. Определить закономерности в динамике систем ТИ ТЭП, выявить в пространстве параметров системы области устойчивого функционирования в заданных режимах при объективно возможных отклонениях параметров системы от номинальных, определить характеристики этих режимов и выявить направления их улучшения.

3. Провести сравнительный анализ характеристик ТЭП с различными комплектами преобразовательного оборудования, разрабатываемого и выпускаемого в РФ, и определить по результатам исследований перспективность внедрения ТЭП троллейбуса с комплектами этого преобразовательного оборудования.

Методы исследований базируются на аппарате теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, теории нелинейных колебаний и теории бифуркаций, матричной алгебры, теории множеств, методов вычислительной математики, метода отображения Пуан-

каре в приложении к исследованиям динамики тиристорно-импульсного тягового электропривода.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. Впервые разработана методика проектирования и исследования тиристорно-импульсного тягового электропривода с учетом явлений хаотической динамики с одной стороны, импульсного характера потребления энергии и параметров контактной сети с другой, позволяющая исследовать и проектировать ТИ ТЭП адекватно современным требованиям, предъявляемым к системам автоматизированного преобразования энергии на ГЭТ

2. Проведенные в рамках методики исследования позволили впервые выявить общий сценарий потери устойчивости заданных периодических движений в режиме безреостатного пуска и рекуперативного торможения. При этом оригинальными являются выявленные закономерности возникновения квазипериодических колебаний.

3. Получены оригинальные данные по моделированию потребителя рекуперируемой энергии, позволившие провести сравнительный анализ вариантов математических моделей импульсного потребителя рекуперируемой энергии для различных режимов работы.

4. В процессе исследований динамики ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-68ЭБ и проведенного сравнительного анализа ТИ ТЭП с различными комплектами преобразовательного оборудования отмечены тенденции развития и предложены рекомендации по совершенствованию регуляторов тягового и тормозного токов, исключающих возникновение квазипериодических и хаотических колебаний.

5. Сравнительный анализ динамики ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-68ЭБ с различными способами регулирования тока выявил перспективность ранее не использованного на ГЭТ релейно-импульсного способа для систем с низким уровнем пульсаций относительно номинального значения (КИ-3001).

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Методика проектирования и исследования тиристорно-импульсного тягового электропривода, основанная на учете хаотической динамики с одной стороны и импульсного характера потребления энергии, параметров контактной сети с другой стороны.

2. Разработанные математические модели системы, учитывающие возможность возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП, а также параметры контактной сети, питающей подстанции и потребителя рекуперируемой энергии (для рекуперативного торможения).

3. Выявленные закономерности динамики ТИ ТЭП на базе комплекта электрооборудования "МЭРА-2" в режимах безреостатного пуска и рекуперативного торможения, определяемые потерей устойчивости заданным периодическим движением в результате возникновения квазипериодических колебаний. Наблюдаемые в режиме рекуперативного торможения при квазипериодических колебаниях области существования периодических движений (окна синхронизации) являются частным случаем квазипериодических колебаний, возникновение которых приводит к резкому увеличению реактивной составляющей в составе рекуперируемого тока, что делает рекуперацию энергетически неэффективной.

4. При моделировании системы в режиме рекуперативного торможения результаты моделирования импульсного потребителя рекуперируемой энергии, представленного моделями различной степени сложности позволяют сделать вывод о допустимости представления в определенном диапазоне скоростей потребителя (ТИ ТЭП) в виде резистора постоянного сопротивления.

5. Закономерностью регулировочных свойств ТИ ТЭП с комплектами сер™ "МЭРА" является статизм электромеханической характеристики в режимах безреостатного пуска и рекуперативного торможения, определяемый особенностями построения регуляторов. Особенности силовой схемы определяют скачок электромеханической характеристики при переходе системы с полного на ослабленное поле.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы состоит в создании методики исследования ТИ ТЭП, позволяющей повысить эффективность преобразования и рекуперации энергии для модернизируемых и вновь разрабатываемых систем, заключающейся в:

- адекватном анализе динамики системы, позволяющем учесть возможность возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП и тем самым спрогнозировать поведение системы при объективно возможных изменениях параметров системы как в штатных, так и в нештатных ситуациях;

- учете импульсного характера потребления энергии и параметров контактной сети;

- возможности выявления закономерностей динамики ТИ ТЭП и определения областей устойчивого функционирования системы в различных режимах работы в пространстве параметров сис-

Э1ИХ

темы, характеристик областей и направлений коррекции параметров с целью исключения недетерминированной динамики и обеспечения заданных характеристик процессов преобразования и рекуперации энергии.

В работе получены объективные доказательства того, что разработанная методика исследования нелинейных динамических систем приемлема для исследования динамики современного

импульсного электропривода и позволяет моделировать реальный тяговый электропривод как в штатных (определяемых техническим заданием), так и в нештатных, ситуациях.

Результаты проведенных в данной работе исследований представляют практическую ценность при внедрении ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-68ЗБ с комплектами преобразовательного оборудования "МЭРА-2" и КИ-3001. Получен акт о внедрении методики по исследованию дейст-

I дая троллейбусов г, АЭК «Динамо» (г Mocrp.nl вующих и проектированию перспективных комплектов преобразовательного оборудования. О

практической ценности результатов работ свидетельствует акт о внедрении методики исследования динамики ТИ ТЭП ГЭТ и возможной модернизации ГЭТ на муниципальном предприятии "Орелэлектротранс" (г. Орел).

Разработанный экспериментальный стенд используется при проведении лабораторных работ по курсу "Основы автоматики и САУ" для студентов кафедры КиПРА ОрелГТУ. Апробация результатов работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены, одобрены на: 9-ой и 10-ой международных школах-семинарах "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (г. Алушта, сентябрь 1996г., сентябрь 1997г.), Межвузовской научно-технической конференции: Микроэлектроника и информатика - 97 (г. Москва, март 1997г.), Молодежной научной конференции "ХХШ Гагарин-ские чтения" (г. Москва, апрель 1997г.), 4-ой международной конференции "Application of computer systems" (Польша, г. Щецин, ноябрь 1997г.), 6-ой Международной Балтийской студенческой Олимпиаде по автоматическому управлению (г, Санкт-Петербург, май 1998г.) и на научно-методических семинарах кафедры КиПРА ОрелГТУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.

23 О

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 22? страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 8 таблиц. Состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка используемых источников, включающего 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и поставлены основные задачи диссертационной работы, дана краткая характеристика работы, включающая новизну, практическую значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ тенденций развития ТЭП ГЭТ. Определены основные характеристики современного ТИ ТЭП и предъявляемые к нему требования. На основании обзора состояния разработок в области проектирования ТИ ТЭП ГЭТ в общем, и троллейбусов в частности, выделены основные типовые структуры силовых схем и регуляторов, применяю-

щиеся в эксплуатирующихся и разрабатываемых в РФ ТИ ТЭП. Отмечена проблема возникновения в существующих и проектируемых системах динамики, отличной от заданной. Обоснована актуальность проблемы исследования ТИ ТЭП с целью выявления и последующего исключения указанной динамики. Сформулирован комплекс необходимых исследований динамики ТИ ТЭП. Таким образом, методика исследования ТИ ТЭП должна базироваться на учете хаотической динамики с одной стороны, и импульсного характера потребления энергии, параметров контактной сети с другой стороны.

Во второй главе разработана математические модели (ММ) ТИ ТЭП в различных режимах работы (безреостатный пуск и рекуперативное торможение). Обоснованы допущения, принимаемые при построении схем замещения и формировании на их основе соответствующих ММ, учитывающих подсистемы входного фильтра, структуру и параметры контактной сети (КС), питающей подстанции, характеристики и структуру потребителя рекуперируемой энергии (в случае рекуперативного торможения). Реостатно-контакторный ТЭП описывается сопротивлением, значение которого описывается исходя из потребляемой мощности. Для математического описания потребителя энергии, которым является ТИ ТЭП, предложены варианты: использование математической модели ТИ ТЭП в режиме безреостатного пуска или моделирование сопротивлением, значение которого определяется исходя из его средней потребляемой мощности. Необходимость рассмотрения последнего вызвана высоким порядком системы (до 14-го) при описании процессов перераспределения энергии на участке контактной сети с несколькими ТИ ТЭП в разных режимах. Отмеченный выше факт значительно затрудняет проведение вычислений и уменьшает точность численных методов. Изложена методика решения математической модели, заключающаяся в получении решения на интервалах постоянства структуры, переходе к точечному отображению и исследованию его свойств, включающему в себя поиск периодических решений и оценку локальной устойчивости. Результатом второй главы являются сформированные математические модели и методы их реализации.

В третьей главе с целью выявления закономерностей в динамике ТИ ТЭП проведено исследование тягового электропривода троллейбуса ЗИУ-68ЭБ в режиме безреостатного пуска. Схема замещения ТИ ТЭП ЗИУ-68ЭБ с комплектом "МЭРА-2" представлена на рисунке 1. Обоснована возможность линеаризации кривой намагничивания ТД, позволяющая получить отображение в аналитическом виде, обусловленная наличием в системе резистора шунтирующего обмотку возбуждения ТД и обеспечивающего сглаживание пульсаций х* до допустимых пределов. Подобная математическая модель вполне адекватна исходной нелинейной модели при анализе установившихся движений в системе, у которых размах пульсаций х4

находится в пределах ±50% от точки линеаризации. Линеаризированная математическая модель, соответствующая схеме замещения, представлена в виде:

= + (1) где Х=(XI. Х2. хз, Х4, X;, Хб) - вектор переменных состояния системы; А(Кр (ф) и В - кусочно-постоянная матрица и вектор, соответственно; - коммутационная функция.

где

Рисунок 1.

Решение системы (1) сведено к отображению:

Хк=МХк-ЬГк)=сМХк-1+УМ> (2)

ск(гк)=с%к}с%к); Ук(п)^%к)АпУАгк);;

1 I

С целью выявления в пространстве параметров системы областей устойчивого функционирования в заданном режиме проведены исследования при вариации параметров ПИ-регулятора (г, р.) и скорости вращения п тягового двигателя (г - постоянная времени ПИ регу-

лятора, ц - коэффициент усиления). На рис 2 представлена область существования заданного периодического движения в трехмерном пространстве параметров (т, ц, п). Необходимо отмстить, что условие максимальной величины области существования заданного периодического движения определяет достаточно узкий диапазон выбора для параметров т и ц: ц < 0,3 и т>0,02. Исследование траниц области существования заданного периодического движения показали, что потеря устойчивости заданным периодическим решением ведет к возникновению устойчивого квазипериодического решения (биений).

Рисунок 2.

В данной главе проведен анализ динамических, пульсационных и статических характеристик системы, выявивший резкое ухудшение характеристик при возникновении квазипериодических колебаний (увеличение пульсаций на рис.3). Исследование статических свойств системы выявили существенный статизм регулировочной характеристики при полном и ослабленном поле (1 и 2 на рис. 4). Предложены меры по его уменьшению (3 и 4 на рис. 4).

Кроме того, при переходе с полного на ослабленное поле наблюдается скачок регулировочной характеристики, вызванный изменением структуры силовой части системы. На рис. 5 представлено абсолютное (а) и относительное (б) изменение статической характеристики в зависимости от параметра к, коррекции уставки.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Ц 0 240264 302

<*з>, А

участок КС: 1-500м;2-1000м;3-1500м.

Рисунок 3. Рисунок 4.

Рисунок 5.

В рамках предлагаемой методики выполнен сравнительный анализ ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-683Б с комплектами "МЭРА-2" и КИ-3001 (области существования заданного движения и его характеристики). Анализ показывает, что параметры, выбранные разработчиками, не обеспечивают устойчивой работы системы с заданным периодическим движением во всем диапазоне скоростей ТД в режиме пуска с ослабленным полем. Исследования выявили общий для двух систем сценарий потери устойчивости, связанный с возникновением квазипериодического движения. При сравнении пульсационных характеристик комплектов рассматривались приведенные на рисунках 6 зависимости пульсаций сетевого тока (рис. 6,а), тока якоря (рис. 6,6) и частоты внешней синхронизации (рис. 6,6) от скорости ТД. Установлено, что в области высоких скоростей комплект КИ-3001 обеспечивает лучшие пульсационные характеристики. Однако в начале

диапазона регулирования, вследствие низкои частоты внешней синхронизации, значительно возрастают пульсации сетевого тока и напряжения на конденсаторе.

300 п, об/мин

а)

1100

300 п, об/мин б)

Рисунок 6.

Для сравнения динамических характеристик систем использовались зависимости длительности переходного процесса (рис. 7,а) и величины выброса тока якоря (рис. 7,6) при отработке скачка напряжения КС от скорости вращения тягового двигателя. Рассматривался скачок напряжения КС 550В-»720В. При этом переходный процесс считался закончившимся при уменьшении колебаний среднего значения до 2А. Благодаря вышеотмеченным особенностям, ТЭП с комплектом КК-3001 обладает лучшими динамическими характеристиками. При практически равных характеристиках в области низких скоростей, при увеличении п возрастает длительность переходного процесса для ТЭП с комплектом «МЭРА-2».

0,25

0 300 п, об/мин 1100 0 300 п, об/мин 1100 а) б)

Рисунок 7.

В четвертой главе проведено исследование динамических режимов электропривода ЗИУ-683Б в режиме рекуперативного торможения. Проведенные исследования и сравнительный анализ схем замещения потребителя рекуперируемой энергии. Предложенное представление импульсного потребителя сопротивлением позволяет уменьшить размерность системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс рекуперативного торможения. Однако при

граничных значениях параметров режима рекуперации необходимо представление потребителя полной моделью.

С целью определения качества рекуперируемой энергии (возможности ее повторного использования) приближенно оценено соотношение актвных и реактивных составляющих возвращаемой системой энергии. Исходя из положения, что эффективная рекуперация возможна в случае функционировании системы в заданном динамическом режиме, в пространстве параметров выявлены области функционирования системы в заданном стационарном режиме, определен характер и проведена оценка последствий потери устойчивости заданным режимом. Установлено, что потеря устойчивости заданным периодическим режимом связана с возникновением квазипериодяческих колебаний, ведущих к резкому росту пульсаций тока в контактной сети и в якорной цепи тяговых двигателей, что делает рекуперацию энергетически неэффективной. На рис. 8 представлены зависимости коэффициента пульсаций тока в контактной сети от частоты вращения ТД при различных значениях постоянной времени ПИ-регулятора и фиксированного значения ц ф=0,3). Зависимость, обозначенная на рис. 8 цифрой 1, отражает характер изменения коэффициента пульсаций тока при работе системы на основной частоте регулирования, отвечающей заданному периодическому движению; зависимость 2 - при переходе через границу, разделяющую области существования заданного периодического движения и квазипериодических колебаний; зависимость 3 - в области квазипериодичноега.

50

А1с , 30 <1с> % 20

3

0 300 1250 2100 п, об/мин

Рисунок 8.

С целью изучения качественных характеристик динамических процессов, протекающих в ТИ ТЭП, проведено исследование спектрального состава рекуперируемого тока в условиях существования квазипериодических колебаний. На рис. 9 представлен характер изменения частот гармонических составляющих спектра, амплитуда которых превышает 5% от величины постоянной составляющей тока рекуперации, в зависимости от скорости ТД Из рис. 9 видно, что в области 300<п<946(об/мин) спектр тока рекуперации содержит две гармоники с амплитудами, превышающими уровень 5%.

2 V :

1 Ч 1У X. ;

300 784,69 946 1020,83 1376,54 2100 п, об/мин

Рисунок 9.

Частоты указанных гармоник с изменением п в области 300<п<784,69(об/мин) изменяются от 60 до 80Гц и от 126 до 160Гц соответственно. В диапазоне 946<л<2100(об/мин) спектр содержит только одну компоненту, частота которой меняется от 80 до 100 Гц. На рис. 9 ясно различимы две большие по параметру области периодичности (784,69 < п < 1020,83(об/мин) и 1376,54<и<2100(об/мин)), отвечающие соответственно 5- и 4-цикловым движениям (движениям, период которых кратен периоду внешнего воздействия).

Квазипериодические колебания представляют собой движения, в спектре которых присутствуют несколько синусоидальных составляющих с рационально несоизмеримыми частотами. В спектре рекуперируемого тока можно выделить следующие независимые составляющие и их гармоники: частота синхронизации ШИМ - 400Гц, обозначаемая в дальнейшем/шим-, частота основной составляющей /осн (амплитуда которой значительно превышает амплитуды остальных частотных составляющих) и ее гармоники. Очевидно, что наблюдаемые на рисунке 9 области постоянства частоты основной составляющей тока неединственные. Кроме отмеченных ранее областей, при изменении п наблюдаются другие такие же области, именуемые в дальнейшем областями синхронизации. Между отмеченными частотными составляющими (постоянной частотой /шим и эволюционирующей составляющей /оси) можно провести определенные закономерности. Характеристикой квазипериодических колебаний может служить показатель уЬ/Ь^/осн^шим, где Ъ] и Ъг - коэффициенты. Если в ¡-й области (»¡<и<й/), при изменении /осн. для всех частотных компонент - рациональная дробь, то квазиперио-

дические колебания синхронизируются на более низкой частоте }с~/шт^]=/оа/Ь2- Период синхронизировавшихся колебаний в этом случае будет т-Ъ{Г. Для отмеченных на рисунке 9 областей Ь2=1 т. е./с=/оси то колебания синхронизируются на частоти /щц\/5> соот-

ветственно. Выявлено, что колебания в областях синхронизации являются частным случаем квазипериодических колебаний.

Таким образом, полученные в этом разделе результаты дают возможность говорить о том, что общий сценарий потери устойчивости периодического движения с т=1 сохраняется для режима рекуперативного торможения.

В пятой главе с целью проверки на экспериментальном стенде разработанной методики исследования динамики импульсного электропривода проводилось сравнение результатов численного эксперимента, основанных на предлагаемой методике с результатами проведенного эксперимента на экспериментальном стенде. Разработан стенд для экспериментального исследования динамики импульсного электропривода постоянного тока и проведены измерения параметров экспериментального стенда. На основе предлагаемой методики построена ММ стенда и выполнено исследование динамики. Численное моделирование и экспериментальные исследования выявили общие закономерности и совпадение результатов.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о приемлемости предлагаемой методики для исследования ТИ ТЭП ГЭТ в общем, и адекватности конкретных математических моделей поставленным в работе целям в частности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика исследования и проектирования систем автоматизированного электропривода ГЭТ, учитывающая возможность возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике и включающая в себя сформированные математические модели системы ТЭП в пусковых и тормозных режимах с учетом параметров контактной сети, питающей подстанции. Для математической модели системы ТЭП в режиме рекуперативного торможения учитывался потребитель рекуперируемой энергии.

2. Результаты исследования динамики ТИ ТЭП с ШИМ:

- типичным сценарием потери устойчивости заданного периодического движения с т=1 является переход комплексно-сопряженных мультипликаторов основной матрицы через круг единичного радиуса и возникновение квазипериодических колебаний, общий для систем "МЭРА-2"; возникновение квазипериодических колебаний приводит к резкому увеличению реактивной составляющей в составе рекуперируемого тока, что делает рекуперацию энергетически неэффективной;

- в режиме рекуперативного торможения в области существования квазипериодических колебаний наблюдаются области существования периодических движений (окна синхронизации), которые являются частным случаем квазипериодического движения;

- параметры, выбранные разработчиками, не обеспечивают устойчивой работы системы с заданным периодическим движением во всем диапазоне скоростей вращения ТД в режиме пуска с ослабленным полем.

3. Сравнительный анализ способов регулирования потоков энергии для перспективных систем автоматизированного преобразования энергии на ГЭТ показал перспективность использования релейно-импульсной системы управления для комплектов преобразовательного оборудования с низким уровнем пульсаций (КИ-3001).

4. Проведенный в рамках разработанной методики сравнительный анализ комплектов преобразовательного оборудования выявил их достоинства и недостатки и предложены рекомендации по совершенствованию комплектов преобразовательного оборудования, исключающих возникновение квазипериодических и хаотических колебаний.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бабковский А. Г., Кирсанов Д. Ю., Косчинский С. Л., Орлова А. Э., Тугарев А. С. Исследование динамических процессов в дискретных системах преобразования энергии // Межвузовский сборник научных трудов ассоциации молодых ученых и студентов. - Орел: ОрелГТУ, 1996.-Вып. 2.-е. 17-23.

2. Бабковский А.Г., Кирсанов Д.Ю., Косчинский С.Л. Машинные алгоритмы исследования недетерминированной динамики систем преобразования электрической энергии на транспорте // Информационно-управляющие системы на ж.-д. транспорте: Материалы выступлений / МП системы в управлении и связи на ж.-д. транспорте, Международная школа-семинар., Украина, г. Алушта. - 1996. - №3,4. - с. 55.

3. Бабковский А.Г., Кирсанов Д.Ю., Косчинский С.Л., Белоусов С.М. К вопросу об оптимизации параметров тиристорных электроприводов постоянного тока с учетом их электромагнитной совместимости с контактной сетью / Сборник научных трудов ученых Орловской области.

- Орел: ОрелГТУ, 1997. - Вып. 3. - с. 267-275.

4. Бабковский А.Г., Жусубалиев Ж.Т., Кирсанов Д.Ю., Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Некоторые подходы к формированию современной методологии проектирования автомата

знрованных тяговых электроприводов постоянного тока. Часть 1. Исследование электромеханического преобразования энергии на транспорте с использованием отображения Пуанкаре // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 1997. - №1. - с.16-26.

5. Бабковский А.Г., Жусубалиев Ж.Т., Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Некоторые подходы к формированию современной методологии проектирования автоматизированных тяговых электроприводов постоянного тока. Часть 2. Исследование динамики автоматизированных тяговых электроприводов городского электрического транспорта в режиме рекуперативного торможения // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. -1998,-№4. -с. 16-24.

6. Бабковский А.Г., Жусубалиев Ж.Т., Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Пинаев C.B., Рудаков В.Н. Недетерминированные режимы в динамике автоматизированных тяговых электроприводов // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 1997. -№4. - с.25-30 (Материалы 10-й международной школы-семинара "Перспективные системы управления на железнодорожном, городском и промышленном транспорте", ХарГАЖТ-УЗ-МАЭН, 10-20 сентября 1997 г., Украина).

7. Бабковский А. Г., Косчинский С. Л. Анализ динамики тягового электропривода троллейбуса ЭИУ-683В // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 1997. -№4. - с. 85 (Материалы 10-й международной школы-семинара "Перспективные системы управления на железнодорожном, городском и промышленном транспорте", ХарГАЖТ-УЗ-МАЭН, 10-20 сентября 1997 г., Украина).

8. Бабковский А.Г., Белоусов С.М., Косчинский С.Л. Стенд для исследования недетерминированных динамических процессов в тяговом электроприводе постоянного тока с тиристорно-импульсной системой управления // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 1997. - №4. - с.76. (Материалы 10-й международной школы-семинара "Перспективные системы управления на железнодорожном, городском и промышленном транспорте", ХарГАЖТ-УЗ-МАЭН, 10-20 сентября 1997 г., Украина).

9. Косчинский С. Л., Бабковский А. Г. К вопросу формирования современной методологии! анализа дискретных систем преобразования электрической энергии на транспорте // ХХШ Гагаринские чтения: Тезисы докладов молодежной научной конференции, Москва, Часть 3. -М.: РГТУ-МАТИ, 1997. - с. 76-77.

Ю.Косчинский С. Л., Бабковский А. Г. Исследование механизма возникновения субгармонических колебаний в импульсных системах автоматического регулирования на транспорте //

Микроэлектроника и информатика - 97: Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции. Часть 2. - М.: МГИЭТ (ТУ), 1997. - с. 23.

11.Babkovsky A.G., Zhusubaliyev Zh.T., Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Pinaev S.V. and Rudakov V. N.. Simulating of electromagnetic effect of urban electric vehicles on environment // Application of computer systems (Proceeding of the Fourth International Conference, Szczecin, Poland, November 13-14,1997, pp. 481-486.).

12.Babkovski A.G., Shchupletsov V.V. Steady regeneration of energy in automated electric motor drive for ZIU-683B trolleybus // Preprint of the 6th International Olympiad on Automatic Control (BOAC'98), Saint-Petersburg, Russia, May 27-29,1998, pp. 145 -150.

13.Бабковский А.Г., Шупдецов B.B. Сравнительный анализ преобразовательного оборудования тягового электропривода троллейбуса ЗИУ-683 / Сборник научных трудов ученых Орловской области. - Орел: ОрелГТУ, 1998. - Т. 1, Вып. 4. - с. 257-274.

ГЭТ - городской электрический транспорт;

КС - контактная сеть;

ММ - математическая модель;

ТД - тяговый двигатель;

ТИ - тиристорно-импульсный;

ТЭП -тяговый электропривод;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

По^П. К печати

-fnp/f* I on 3/Ш*

\2. • <>9-

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Бабковский Андрей Геннадьевич

УДК 681.518.3/5: 621.31

ДИНАМИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРОЛЛЕЙБУСА С КОМПЛЕКТАМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05. 13.07— Автоматизация технологических

процессов и производств (по отраслям) 05. 09. 03 — Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ю.В. Колоколов

Научный консультант кандидат технических наук, доцент Ж. Т. Жусубалиев

Орел - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................................................................5

Глава 1 АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА................................................................................................17

1.1 Тенденции развития тяговых электроприводов для городского электрического транспорта......................................................................................................................................17

1.2 Обзор состояния разработок в области проектирования тиристорно-импульсных систем управления для городского электрического транспорта ......................................................................................................................................................................21

1.3 Обзор разработок тиристорно-импульсных систем управления для троллейбусов................................................................................................................................................................27

1.4 Основные результаты и выводы..........................................................................................................32

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЯГ ОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРОЛЛЕЙБУСА С КОМПЛЕКТАМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ..........................................34

2.1 Схемы замещения и математические модели тяговых электроприводов в пусковых режимах........................................................................................................................40

2.2 Схемы замещения и математические модели в режимах реостатного

и рекуперативного торможения..................................................................................46

: з.

2.3 Математические модели систем автоматического регулирования тока тяговых двигателей........................................................................................................................................56

2.4 Методы и алгоритмы численного анализа динамических моделей

ТЭП.......................................................................................................................................................................................63

2.5. Основные результаты и выводы...........................................................69

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЯГ ОВОГО

%

ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРОЛЛЕЙБУСА ЗИУ-68ЗБ В РЕЖИМЕ БЕЗРЕОСТАТНОГО ПУСКА....................................................................................................70

3.1 Исследование динамики тягового электропривода троллейбуса ЗИУ-683 Б в режиме безреостатного пуска...........................................

3.2 Сравнительный анализ ТЭП троллейбуса ЗИУ-68ЗБ с комплектами преобразовательного оборудования......................... ..................................11С

3.3 Сравнительный анализ ТЭП с "МЭРА-2" и релейно-импульсной системой управления..........................................................................................................................................................134

3.4 Основные результаты и выводы......................... ....................................................146

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРОЛЛЕЙБУСА ЗИУ-68ЗБ В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ............................................................................................149

4.1 Исследования динамических свойств системы в режиме рекуперативного торможения..................................................................................................................................................159

4.2 Анализ спектрального состава тока рекуперации............................................16^

4.3 Влияние параметров фильтра на динамические характеристики 17^

4.4 Статические характеристики в режиме рекуперативного торможения ....................................................................................................................................................................17i

4.5 Исследование динамики тягового электропривода троллейбуса ЗИУ

683Б в режиме реостатного торможения........................................................................17J

4.6 Основные результаты и выводы..........................................................................................................18:

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА.........................................................................1

5.1 Описание экспериментальной установки............................................................................18i

5.2 Измерение параметров электродвигателей стенда................................................189

5.3 Построение математической модели...................... ................................................195

5.4 Исследование динамических свойств и экспериментальные исследования ..........................................................................................................................................................................................201

5.5 Основные результаты и выводы..........................................................................................................21С

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................................................................211

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................................212

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................................22*

\

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Перспективы развития транспортной инфраструктуры современного города в первую очередь определяются развитием электрического транспорта, обладающего очевидными преимуществами. Технологические процессы электромеханического преобразования энергии, характерные для городского электрического транспорта (ГЭТ), осуществляются посредством тягового электропривода (ТЭП). При этом характеристики механической энергии (тяговое и тормозное усилия) во многом определяются процессами преобразования параметров подводимой к ТЭП электрической энергии с использованием полупроводниковых преобразователей. Развитие современного ГЭТ характеризуется применением тиристорно-импульсных (ТИ) систем автоматического регулирования тока двигателей с использованием, в основном, широтно-импульсной модуляции и ее модификаций [61,62,821 Внедрение на ГЭТ последних позволило в значительной мере решить фундаментальные проблемы энергосбережения (за счет безреостатного пуска и рекуперативного торможения) £4,46,77,903, экологии (за счет электрического торможения) и комфортности пассажироперевозок.

Однако, импульсное преобразование энергии, помимо явных преимуществ, обуславливает появление проблем надежности и безопасности функционирования как ГЭТ с ТИ ТЭП в целом, так и сложных автоматизированных систем ТИ ТЭП в частности, электромагнитной совместимости процессов пре-

образования электрической энергии с сопряженными системами и окружающей средой Г371

Между тем, традиционно жесткие требования к системам ГЭТ обуславливают традиционно длительные экспериментальные исследования на опытных объектах и доводку до промышленных образцов, что весьма невыгодно экономически и нецелесообразно практически на современном этапе развития экономики РФ в целом, и ГЭТ РФ в частности. При этом последние теоретические исследования и практический опыт внедрения и эксплуатации показывают, что в сложных нелинейных импульсных динамических системах, к которым относится ТИ ТЭП, могут возникать процессы, отличные от заданных разработчиками (определяемых техническим заданием) - бифуркационные, ква-зииериодические и хаотические 0 6,17,24,25,104,1052 Их возникновение является причиной роста амплитуды пульсаций переменных состояния системы, нежелательного воздействия составляющих энергии на сопряженные системы и окружающую среду, в том числе, и различных составляющих рекуперируемой энергии на других потребителей энергии системы ГЭТ. Последнее, помимо вышеперечисленного, приводит к повышенному износу механического оборудования, ухудшению условий работы тиристорных преобразователей, входных фильтров, тяговых двигателей, созданию внештатных ситуаций.

Одним из основных реальных направлений решения перечисленных проблем представляется создание общей методологии и конкретных методик исследования и проектирования современного ТИ ТЭП с учетом возможности

возникновения бифуркационных, квазииериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭ11, на основе математических моделей, учитывающих структуру и параметры контактной сети, импульсный характер потребителей рекуперируемой энергии.

Вышеприведенное определяет актуальность разрабатываемых в диссертации методик по исследованию и проектированию современных систем преобразования энергии на ГЭТ на примере ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-68ЭБ с альтернативными комплектами преобразовательного оборудования, выпускаемого в РФ.

Целью диссертационной работы является создание методики проектирования ТИ ТЭП, учитывающей бифуркационные и хаотические явления в динамике импульсных систем и обеспечивающей высокое качество преобразования и рекуперации энергии при объективно возможных изменениях параметров системы, контактной сети и окружающей среды (на примере ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-68ЭБ с комплектом преобразовательного оборудования "МЭРА-2").

Основные задачи исследований.

1. Обосновать и сформировать математические модели системы для различных режимов ее работы с учетом параметров контактной сети, питающей подстанции и потребителя рекуперируемой энергии (в случае рекуперативного торможения).

2. Определить закономерности в динамике систем ТИ ТЭП, выявить в пространстве параметров системы области устойчивого функционирования в заданных режимах при объективно возможных отклонениях параметров системы от номинальных, определить динамические, пульсационные и статические характеристики этих режимов и выявить направления их улучшения.

3. Провести сравнительный анализ характеристик ТЭП с различными комплектами преобразовательного оборудования, разрабатываемого и выпускаемого в РФ, и определить по результатам исследований перспективность внедрения ТЭП троллейбуса с комплектами этого преобразовательного оборудования.

Методы исследований базируются на аппарате теории дифференциальных уравнений, теории нелинейных колебаний и теории бифуркаций, матричной алгебры, теории множеств, методов вычислительной математики, метода отображения Пуанкаре в приложении к исследованиям динамики тиристорно-импульсного тягового электропривода. Вычисления производились на компьютере Pentium ММХ/166 с использованием программного обеспечения, разработанного в среде Borland С.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. Впервые разработана методика проектирования и исследования тири-сторно-импульсного тягового электропривода с учетом явлений хаотической динамики с одной стороны, импульсного характера потребления энергии и параметров контактной сети с другой, позволяющая исследовать и проектировать

ТИ ТЭП адекватно современным требованиям, предъявляемым к системам автоматизированного преобразования энергии на ГЭТ

2. Проведенные в рамках методики исследования позволили впервые выявить общий сценарий потери устойчивости заданных периодических движений в режиме безреостатного пуска и рекуперативного торможения. При этом оригинальными являются выявленные закономерности возникновения квазипериодических колебаний.

3. Получены оригинальные данные по моделированию потребителя рекуперируемой энергии, позволившие провести сравнительный анализ вариантов математических моделей импульсного потребителя рекуперируемой энергии для различных режимов работы.

4. В процессе исследований динамики ТИ ТЭП троллейбуса ЭИУ-683Б и проведенного сравнительного анализа ТИ ТЭП с различными комплектами преобразовательного оборудования отмечены тенденции развития и предложены рекомендации по совершенствованию регуляторов тягового и тормозного токов, исключающих возникновение квазипериодических и хаотических колебаний.

5. Сравнительный анализ динамики ТИ ТЭП троллейбуса ЭИУ-683Б с различными способами регулирования тока выявил перспективность ранее не использованного на ГЭТ релейно-импульсного способа для систем с пульсациями не более 10% от номинального значения (КИ-3001).

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Методика проектирования и исследования тиристорно-импульсного тягового электропривода, основанная на учете хаотической динамики с одной стороны и импульсного характера потребления энергии, параметров контактной сети с другой стороны.

2. Разработанные математические модели системы, учитывающие возможность возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП, а также параметры контактной сети, питающей подстанции и потребителя рекуперируемой энергии (в случае рекуперативного торможения). Алгоритмы реализации математических моделей методом точечных отображений, включающие в себя: поиск периодических решений и оценку локальной устойчивости

2. Выявленные закономерности динамики ТИ ТЭП на базе комплекта электрооборудования "МЭРА-2" в режимах безреостатного пуска и рекуперативного торможения, определяемые потерей устойчивости заданным периодическим движением в результате возникновения квазипериодических колебаний. Наблюдаемые в режиме рекуперативного торможения при квазипериодических колебаниях области существования периодических движений (окна синхронизации) являются частным случаем квазипериодических колебаний, возникновение которых приводит к резкому увеличению реактивной составляющей в составе рекуперируемого тока, что делает рекуперацию энергетически неэффективной.

3. Результаты моделирования импульсного потребителя рекуперируемо! энергии (при моделировании системы в режиме рекуперативного торможения) представленного моделями различной степени сложности, позволяющие сделать вывод о допустимости представления в определенном диапазоне скоростеь потребителя (ТИ ТЭП) в виде резистора постоянного сопротивления.

4. Статизм электромеханической характеристики в режимах безреостатного пуска и рекуперативного торможения являющийся закономерностью регу лировочных свойств ТИ ТЭП с комплектами серии "МЭРА", определяемый особенностями построения регуляторов. Особенности силовой схемы определяют скачок электромеханической характеристики при переходе системы с полного на ослабленное поле.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Практическая ценность работы состоит в создании методики исследования ТИ ТЭП, позволяющей повысить эффективность преобразования и рекуперации энергии для модернизируемых и вновь разрабатываемых систем, заключающейся в:

- адекватном анализе динамики системы, позволяющем учесть возможность возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП и тем самым спрогнозировать поведение системы при объективно возможных изменениях параметров системы, как в штатных, так и г, нештатных, ситуациях;

- учете импульсного характера потребления энергии и параметров контактной сети;

- возможности выявления закономерностей динамики ТИ ТЭП и определения областей устойчивого функционирования системы в различных режимах работы в пространстве параметров системы, их характеристик и направлений коррекции параметров, с целью исключения недетерминированной динамики к обеспечения заданных характеристик процессов преобразования и рекупирацш энергии.

В работе получены объективные доказательства того, что разработанная методика исследования нелинейных динамических систем приемлема для исследования динамики современного импульсного электропривода и позволяет моделировать реальный тяговый электропривод как в штатных (определяемы), техническим заданием), так и в нештатных, ситуациях.

Результаты проведенных в данной работе исследований представляю • практическую ценность при внедрении ТИ ТЭП троллейбуса ЭИУ-683Б с комплектами преобразовательного оборудования "МЭРА-2" и КИ-3001.

Получен акт о внедрении методики по исследованию действующих и проектированию перспективных комплектов преобразовательного оборудование трол лейбусов в АЭК "Динамо" (г. Москва).

О практической ценности результатов работ свидетельствует акт о внедрении методики исследования динамики ТИ ТЭП ГЭТ и возможной модернизации ГЭТ на муниципальном предприятии "Орелэлектротранс" (г. Орел).

Разработанный экспериментальный стенд используется при прове дении лабораторных работ по курсу "Основы автоматики и САУ" для студентов кафедры КиПРА ОрелГТУ.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные положения диссерта ции доложены, обсуждены и одобрены на: 9-ой и 10-ой международных шко лах-семинарах "Перспективные системы управления на железнодорожном промышленном и городском транспорте" (г. Алушта, сентябрь 1996 г., сентябрь 1997 г.), Межвузовской научно-технической конференции: Микроэлектроника i информатика -