автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электропривод вентилятора охлаждения локомотивных автоматических систем регулирования температуры

На правах рукописи

А1

Самотканов Александр Васильевич

ЭЛЕКТРОПРИВОД ВЕНТИЛЯТОРА ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОКОМОТИВНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з МАЙ 2015

005568736

Москва-2015

005568736

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ))

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Воробьев Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

Геча Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор, открытое акционерное общество «Корпорация «ВНИИЭМ», заместитель генерального директора по научной работе, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», заведующий кафедрой «Электромеханика»;

Кашников Геннадий Филиппович кандидат технических наук, открытое акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ОАО «ВНИКТИ»), заведующий отделом «Электрических машин и аппаратов».

Ведущее предприятие: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Защита состоится «25» июня 2015г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9, аудитория 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), \\\\ \\.miit.ru.

Автореферат разослан апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

м

Сидорова Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В общих энергозатратах на тягу поездов существенную часть составляют расходы на функционирование вспомогательных агрегатов и систем локомотивов. При этом энергозатраты на вспомогательные нужды электроподвижного состава составляют до 10% от общих энергозатрат на тягу поездов, а у автономных локомотивов (включая системы охлаждения дизель-генераторов) до 13% и выше.

Одним из основных потребителей электроэнергии в системе вспомогательного оборудования тягового подвижного состава (ТПС) является оборудование, предназначенное для охлаждения (вентиляции) основных элементов тягового оборудования - тяговых электродвигателей, трансформаторов, реакторов, дизель-генераторов (для автономного подвижного состава). Поэтому задача совершенствования вспомогательного оборудования, заключающаяся прежде всего, в повышении его технико — экономических показателей и эксплуатационной надежности является одной из актуальных.

В различных отраслях техники в последние годы стали успешно применятся регулируемые электроприводы с исполнительными асинхронными двигателями и статическими преобразователями электроэнергии. Вместе с тем на ТПС уже несколько десятков лет используют и различные регулируемые электроприводы с исполнительными асинхронными двигателями специальных конструкций и электромашинными преобразователями электроэнергии, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации.

Электромашинные преобразователи характеризуются простотой конструкции, высокой эксплуатационной надежностью и относительно невысокой стоимостью. При этом применение в системах управления электромашипными преобразователями микропроцессорных устройств позволяет существенно повысить быстродействие таких преобразователей. Поэтому применение электромашинных преобразователей электроэнергии вместо статических обоснованно, тем более, если речь идет не только о вновь создаваемом ТПС.

Учитывая, что в настоящее время на железных дорогах России эксплуатируется большое количество единиц ТПС, выработавшего свой ресурс, а

экономическая ситуация в стране не позволяет осуществить закупки нового подвижного состава в требуемом объеме, важной составляющей надежной эксплуатации существующего подвижного состава является его модернизация, например, при капитальных ремонтах с продлением срока службы. При выполнении этой модернизации могут быть реализованы предлагаемые автоматические системы регулирования температуры на основе электромашинных преобразователей энергии.

В настоящей работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного регулируемого

электропривода вентилятора (РЭПВ) локомотивных автоматических систем регулирования температуры (АСРТ), содержащего два асинхронных двигателя, один из которых выполнен с поворотным статором (АДПС).

Степень разработанности темы. В создание и развитие теории систем электропривода переменного тока и преобразовательной техники большой вклад внесли отечественные и зарубежные учёные: И .Я. Браславский, A.B. Виноградов, М.Д. Глущенко, Ю.М. Иньков, В.И. Ключев, А.Е. Козярук, В.А. Кучумов, В.В. Литовченко, O.A. Некрасов, В.В. Рудаков, Ю.А. Сарбатов, A.C. Серебряков, О.В. Слежановский, В.П. Феоктистов, И.М. Чиженко, Р.Т. Шрейнер, В.А. Шубенко, И.И. Эпштейн, F. Blaschke, J. Hoitz, W. Leonard, D.W. Novotny, R. Schönfeld и др.

Разработкой и исследованиями регулируемых электроприводов с асинхронными двигателями специальных конструкций занимались учёные и специалисты: В.Я. Геча, В.И. Загрядцкий, В.Ю. Карандей, Г.Б. Онищенко, A.A. Пугачёв, A.C. Сандлер, В.Г. Титов, C.B. Хватов, J. Corda, W. Hofmann, A. Hughes, Т. Lipo, M. Yamamoto и др.

Теоретические и экспериментальные исследования систем охлаждения силовых энергетических установок и тягового электрооборудования локомотивов, автоматических регуляторов и АСРТ выполнили ученые: A.B. Грищенко, A.C. Захарчук, Г.Ф. Кашников, А.Н. Коняев, A.C. Космодамианский, В.Д. Кузьмич, Ю.А. Куликов, Н.М. Луков, Е.Ю. Логинова, Ю.И. Миловидов, В.М. Новиков, В.А. Петраков, A.A. Петрожицкий, В.И. Рахманинов, А.Н. Савоськин, В.Л. Сергеев,

В.В. Стрекопытов, C.B. Торба, Л.Л Чернышов, Е.Б. Черток, О.В. Цурган и др.

Цель работы - разработка регулируемого электропривода вентилятора охлаждения тяговых двигателей локомотива, обеспечивающего наиболее рациональный температурный режим их работы за счет снижения уровня температурных перегрузок посредством реализации плавного охлаждения тяговых двигателей и уменьшение энергозатрат на охлаждение тяговых двигателей благодаря исключению зон перегрева, в которых вентилятор работает с повышенным потреблением энергии.

Задачи исследования:

- анализ известных решений по автоматизации систем охлаждения тягового электрооборудования локомотивов;

- разработка структуры регулируемою электропривода;

- разработка математической модели для исследования электромеханических и энергетических процессов в РЭПВ с АДПС при питании от синхронного генератора;

- разработка и исследование АСРТ обмоток тягового двигателя, в которой применен РЭПВ с АДПС в качестве исполнительно-регулирующего устройства;

- разработка и изготовление физической модели РЭПВ с АДПС и проведение экспериментальных исследований, подтверждающих адекватность математической модели электромеханических процессов в РЭПВ с АДПС и предлагаемого принципа работы АСРТ;

- технико-экономическая оценка эффективности применения РЭПВ с АДПС в локомотивных АСРТ.

Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использованы общепринятые методы теории автоматического управления и теории электромеханического преобразования энергии. Теоретические исследования проведены с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических и дифференциальных уравнений и систем. Моделирование работы электропривода выполнено в среде MatLab. Разработана и изготовлена физическая модель, на которой осуществлены экспериментальные исследования.

Научная новизна работы:

- разработана структура АСРТ тягового двигателя, в которой в качестве исполнительно-регулирующего устройства применён РЭПВ с АДПС, осуществляющий функции регулирования частоты вращения вала вентилятора, а следовательно, расширение диапазона эффективной вентиляции и минимизацию потерь мощности;

- разработана математическая модель для исследования электромеханических и энергетических процессов в РЭПВ с АДПС, учитывающая эффект вытеснения тока в проводниках обмотки ротора, насыщение магнитопровода и потери в стали статора, адекватность которой подтверждается экспериментальными данными;

- разработана и изготовлена физическая модель РЭПВ с АДПС для проведения экспериментальных исследований, подтверждающих адекватность математической модели электромеханических процессов в РЭПВ с АДПС и предлагаемого принципа работы АСРТ;

- исследованы динамические свойства АСРТ обмоток тягового асинхронного двигателя, в которой в качестве исполнительно-регулирующего устройства применен РЭПВ с АДПС;

- определены значения угла поворота статора асинхронного двигателя, при которых потери мощности в РЭПВ имеют минимальные значения при различных соотношениях напряжение/частота синхронного генератора

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов анализа и синтеза сложных технических систем и подтверждается удовлетворительным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными на физической модели электропривода.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработана АСРТ тягового асинхронного двигателя, применение которой позволит обеспечить минимизацию потерь мощности в РЭПВ и повышение диапазона изменения частоты вращения вала вентилятора, а следовательно, повышение диапазона регулируемой температуры;

- технико-экономическая оценка применения в качестве исполнительно-регулирующего устройства в локомотивных АСРТ тяговего электрооборудования РЭПВ с АДПС показала, что для тепловоза мощностью 2200 кВт экономия дизельного топлива может составить до 3370 кг в год;

- разработана и изготовлена физическая модель РЭПВ с АДПС как исполнительно-регулирующего устройства АСРТ, применение которой позволяет исследовать динамические свойства как всей АСРТ обмоток физической модели тягового двигателя, так и отдельных ее элементов;

- результаты работы могут быть использовзны при проведении модернизации СО электрооборудования локомотивов во время их капитально-восстановительных ремонтов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- способ регулирования температуры тягового асинхронного двигателя и устройство для его реализации, обеспечивающие исключение отклонений от заданных значений температуры за счет повышение диапазона частоты вращения вала вентилятора охлаждения и минимизацию потерь мощности РЭПВ с АДПС;

- структура и принцип работы АСРТ тягового двигателя, обеспечивающей минимизацию потерь мощности в РЭПВ и повышение диапазона частоты вращения вала вентилятора;

- динамические свойства АСРТ обмоток тягового двигателя, в которой в качестве исполнительно-регулирующего устройства применен РЭПВ с АДПС;

- экстремальная зависимость потерь мощности в РЭПВ с АДПС от угла поворота статора;

- математическая модель электромеханических процессов в РЭПВ с АДПС, учитывающая эффект вытеснения тока в проводниках обмотки ротора, насыщение магнитопровода и потери в стали статора.

Реализация и внедрение результатов работы. Исследования выполнялись в рамках госбюджетной НИР (№01 2013 05587) кафедры «Подвижной состав железных дорог» Брянского государственного технического университета (БГТУ) «Оптимизация динамических и прочностных характеристик транспортных машин» в 2013 - 2014 гг. Результаты работы внедрены и используются в учебном

процессе на кафедрах: МГУПС (МИИТ) «Тяговый подвижной состав» и БГТУ «Подвижной состав железных дорог» при подготовке студентов по специальности 190301 - «Локомотивы».

Апробация работы. Результаты работы получили одобрение на международной научно-практической конференции «Эксплуатационная надежность подвижного состава», Омск, 2013 г.; международной научно-технической конференции «Локомотивы. XXI век», Санкт-Петербург, 2013 г.; VIII международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Саранск, 2014 г. Работа докладывалась на научных семинарах кафедр: «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ), Москва, 2014 и 2015 гг.; «Электрооборудование и энергосбережение» Орел ГТУ, Орел, 2015 г.

Публикации. Содержание работы отражено в 14 публикациях, в том числе: два патента на изобретение/полезную модель, одно положительное решение о выдаче патента на изобретение, четыре статьи в издаших, рекомендуемых ВАК: «Наука и техника транспорта» №3 2014 г., «Мир транспорта и технологических машин» №1 2015 г., «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» №3 2014, №1 2015 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 102 наименований, 3 приложений и содержит 156 страниц основного текста, 72 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность совершенствования вспомогательного электрооборудования ТПС, энергозатраты которого в зависимости от Tima локомотива составляют 10-НЗ% от общих энергозатрат на тягу поездов. Показано, что, несмотря на широкое внедрение в системах электроснабжения вспомогательных машин и устройств статических преобразователей электроэнергии, электромашинные преобразователи электроэнергии конкурентоспособны, особенно при модернизации существующих систем вспомогательных устройств и внедряются. Сформулированы цель и задачи, методы исследования, научная новизна, достоверность, практическая значимость полученных результатов, приводятся сведения о реализации и апробации работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.

В первой главе выполнен обзор приводов вентиляторов систем охлаждения (СО) тягового электрооборудования эксплуатируемых локомотивов. Проанализированы преимущества непрерывных систем регулирования в сравнении с системами релейными или позиционными (регулирующее воздействие изменяется ступенями). Основными недостатками релейных и позиционных систем является: более высокие затраты мощности на охлаждение оборудования по сравнению с непрерывными системами регулирования; релейная или позиционная работа вентилятора ухудшает показатели надежности охлаждаемого оборудования, так как обусловливает отклонения температуры от заданных значений и как следствие этого нестабильность термических напряжений в элементах оборудования.

Во второй главе исследованы работы, посвященные разработкам математических моделей асинхронных двигателей и методам их преобразований, а также способам моделирования потерь в стали статора асинхронных двигателей. Разработана математическая модель энергетических и электромеханических процессов в РЭПВ с АДПС при питании от синхронного генератора. Результаты расчетов по разработанной математической модели получены для корректного синтеза АСРТ, обеспечивающей плавное регулирование температуры тягового двигателя и работающей с минимальными потерями мощности.

Упрощенная схема вспомогательного синхронного генератора (ВСГ) тепловоза, питающего электропривод, содержащий АДПС, представлена на рисунке 1. Условно обозначены: В - однофазный мостовой выпрямитель, ОВ -обмотка возбуждения ВСГ, СВ - синхронный возбудитель.

Уравнения электромеханической характеристики для синхронного генератора имеют вид:

- для обмотки статора: us = îsRg +(1)

- для обмотки возбуждения: ив = ieRe + ^jp (2)

Приняты обозначения: и& is— напряжение и ток обмотки статора генератора:

иа /, - напряжение и ток обмотки возбуждения, y/g, у/, - потокосцепление обмоток статора и возбуждения соответственно, Rg, Re - сопротивления обмотки статора и возбуждения соответственно.

св

В

в

1\ 11

Ж 21

ист ~'

Математическое

описание

\ив

электромеханических процессов в

'V- / д 1

(электроприводе с АДПС осуществлено

Я, ' на основе схемы замещения и

^©Т^ТС^ГГт'Т0 двухфазной модели электропривода,

Рисунок 1 - Схема вспомогательного представленных на рисунках 2 и 3. синхронного генератора

I /<"" ,га/ 1|/,,„: Ты

'ь/ш ж Мл. х, I |Й( «о,

Рисунок 2 - Эквивалентная схема замещения электропривода с АДПС

и

■О/ УУУУ-> ОТГУЛ» рОПГУу» рппд» 0

Рисунок 3 - Двухфазная модель электропривода, содержащего АДПС

Базовой моделью принята модель двухфазного обобщенного электромеханического преобразователя на основе дифференциальных уравнений, составленных на основе законов Кирхгофа, в ортогональной системе координат, в которой сопротивление, пропорциональное потерям в стали, включается параллельно контуру намагничивания. Работа электропривода рассматривается в осях жестко связанных: а], /?/с неподвижным статором и а2, ¡12 с поворотным статором.

Система дифференциальных уравнений электрического равновесия обмоток двигателей в рассматриваемом электроприводе в соответствии с его эквивалентной схемой замещения (рисунок 2) и двухфазной моделью (рисунок 3), дополняется выражением для токов на основании первого закона Кирхгофа:

"si,2 = hRs + % + ^ +MÔ?sl + V-Щг = biRs + % + íf ± +

■ 0 = 2irRr + % + % + % + & + ; (o>fc - с) (0rl + + ^ + ®

ícl,2 + í'nl.2=lsW + lVl,2 ■

В системе уравнений (3) приняты следующие обозначения: Rs, RT -сопротивления обмоток статора и ротора соответственно, Rc — сопротивление, учитывающее потери в стали, R<> - добавочное сопротивление, вводимое в цепь роторов, L^, Lar - собственные индуктивности рассеяния обмоток статоров и роторов, Lf, - главная индуктивность, œk ms œr - частоты вращения системы координат, поворотного статора и валов роторов соответственно, <р - угол поворота статора, us¡¿, i si, 2 - напряжения и токи двух статоров, ir¡2 - токи роторов, ici 2 - токи, протекающие через сопротивление, учитывающее потери в стали, ipij - токи намагничивания, y/sU, Щи» Vpi.2 ~ собственные потокосцепления статора, ротора и главное потокосцепление соответственно.

Обе машины имеют механическую и электрическую по цепи ротора связи, в магнитном отношении они являются развязанными. Решив систему уравнений (3) относительно главных потокосцеплений и токов статора и ротора, осуществим переход от потокосцеплений к токам, протекающим по обмоткам машин. Выражения для собственных потокосцеплений обмоток статора и ротора:

&1,2 = 1.2. (4)

Фг1,2 = í-or'rl.2. (5)

где Lar - собственные индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора соответственно.

При работе электропривода меняется взаимное положение обмоток статоров двух машин. Системы координат выбраны таким образом, что обмотки роторов

обеих машин (индуктивности обмоток ДД обмотка статора (индуктивность обмотки Ьш) и главная индуктивность (¿„) первого двигателя были расположены на неподвижных друг относительно друга осях а], р1; обмотками, меняющими свое положение относительно других (но неподвижными друг относительно ДРУга), являются обмотки второго двигателя, расположенные на осях «2, (12. Проекции токов и потокосцеплений проходят полный цикл изменений при повороте статора второго двигателя на угол <р3„ = 2к, поэтому, с учетом принятых на (рисунке 3) направлений токов и знака угла поворота статора:

Ьа1 = 1тагС05<р - 1гр2$т<р, (6)

= 1га2^1П<р + 1тр2СО$ф, (7)

% 1а1 = -ф/,2а2соэср - Ц/^гвту, (8)

Ф^т = %2а.гПП(р - ФМ2Р2С°*<Р- (9) Подставляя в систему уравнений (3) выражения (4) - (9), получим

дифференциальные уравнения, описывающие динамические электромеханические процессы в электроприводе с АДПС. Дифференциальные уравнения для обмоток статора:

( . „ , ,

- <*1сгА + ^ + —--<ОкС^т +

Чт = 1$тиг + ь„— + + 1й +

. „ , , <«5202 *Ф„2рг {^202 - Ь2Ц2^ + ^ — + + + Ф„2а2)-

Дифференциальные уравнения для обмоток ротора:

(1-7/ В + I 'Кга! , <%1<*1 . , Иуд 1 2<Л ¿%202 . О _ 2,га1Дг + 1„— + __ + I„ —---г^-СОф--¿¿-ЯЩ» -

~(сок - ш){1„1т + 1аг1грх +1Ррт + ф^агьту - ф^2со5<р),

О - 21ГР1ЯГ + 1^ — + + !<„ — + *т<р--сову +

+(<Ок - шХ^отЬип + 1г,г*-гга\+'Фи\а1 ~ %гсаС05<р ~ Дифференциальные уравнения для контура намагничивания и потерь в стали статора:

hialRc = —ШкФм1а1 +

IrtflA = ~ú)kxl'/, 101 +

lc2a2^c = —ЫкФргаг +

ФЛ

Vial

dt '

dt '

<%2a2 dt ' <Щлр2

^ ic2P2Rc - -Шк^ргрг +

Уравнения для токов:

clal + 'pial = | 'cipi + l'nipi =

!c2a2 + '\i2a2 = V'c202 + '[l2/? 2 =

slal + 'ral» S101 + 'r/?l. s2a2 + lra2> s2P2 + 'r/?2*

(13)

Сопротивление обмотки ротора определено с учетом эффекта вытеснения тока, так как он оказывает влияние при работе на низких частотах. При моделировании учтено явление насыщения по главному магнитному пути и нелинейная зависимость потерь в стали статора от частоты тока статора.

На рисунке 4 приведены нелинейности, учитываемые при моделировании двигателя. Все величины представлены в относительных единицах.

2 1.5 1

0.5

Яг.= fífr*>

f(fr*>

fr•

/

✓

Á'

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 0

а) б)

V

0.5

е)

1.0

1.5

Рисунок 4 - Зависимости сопротивления Яг* и индуктивности ротора от частоты тока ротора/г*=/#5,тм (а), сопротивления Д.. от частоты тока статора^, (б), зависимость взаимоиндуктивности от тока намагничивания (в)

Уравнения электромагнитного момента каждого двигателя:

3 рп

М1 = [О^Агаг + Ч>„1а1)-фРт - О'сгЬр! + ¡р/лр^трщсл]- (14)

А иаг

з рп

М2 = " Ч>и2агС05(р - 1р^2^1П<р)(фц2а2*1П<Р ~ Фи2в2С05<р) +

ьсг

+ (£<гг<г01 + Фц2а2^П(р - ф1и2р2СОБ(р){-\1)р2а2СОЕЦ) - 1рм2р^т<р)]. (15) Суммарный момент электропривода: М= Мх + М2.

Так как асинхронный двигатель с поворотным статором имеет две вращающиеся части - статор и ротор, для исследования электромеханических переходных процессов полученную модель дополняем двумя уравнениями движения:

JrZd(or

= сг' С")

Jss dws

fn4f = M2~MCS. (17)

гДе Jrz, Jsi ~ моменты инерции ротора и статора и связанных с ними вращающихся масс;

Me-, Mcs - моменты сопротивления, соответственно, ротора и статора.

Математическая модель, разработанная согласно теории электропривода, с учетом потерь в стали статоров асинхронных двигателей, насыщения магнитопровода и эффекта вытеснения тока роторов, позволяет синтезировать на ее основе систему управления АСРТ, обеспечивающую плавное регулирование температуры тягового двигателя и работающую с минимальными потерями мощности РЭПВ с АДПС.

В третьей главе с целью представления электропривода как исполнительно-регулирующего устройства и тягового двигателя как объекта регулирования температуры в составе АСРТ приведены результаты синтезирования передаточных функций и рассмотрены динамические характеристики РЭПВ с АДПС. Синтезирована АСРТ тягового двигателя, в которой применен РЭПВ с АДПС, представленная на рисунке 5.

В схеме (рисунок 5) приняты следующие обозначения: lVpm(p) -передаточная функция регулятора; Wm{p) - передаточная функция датчика температуры; IV3„/p) - передаточная функция электропривода по управляющему воздействию (углу поворота статора); W3nMc(p) и ÎV,„,/p) - передаточная функция электропривода по возмущающим воздействиям (моменту сопротивления и напряжению обмотки статора соответственно); W/p) - передаточная функция объекта регулирования температуры по расходу охлаждающего воздуха; IVjr. x/p) — передаточные функции объекта регулирования температуры по возмущающим воздействиям (тока нагрузки, температуры охлаждающего воздуха и др.).

/Ш,

О

Н'рт(р)

Аиу> II жп (Р) Л1 П',.1(Р)

\

ЛМ,' И'пч.(р) А 11Ш

\-\-

ли,- Щп.</Р) НИР)

Ц" *

л ив,

\Уит(р)

Рисунок 5 - Струетурная схема АСРТ обмоток тягового двигателя В качестве передаточной функции 1У/р) принята функция:

(18)

" 0\р+1)СГ2р + 1)' При применении в качестве исполнительно-регулирующего устройства разомкнутого электропривода вентилятора передаточные функции ¡¥Ж1р(р), №эп,мс(р) и Ю'зпАр) имеют следующий вид:

¡УЗГ,ЛР) =

кпрк-д

{ТпрР+\){тмР+\у

№зп,мЛр)

_ кд ! кд>

(19)

(20)

Т,,Р+1

При применении замкнутого электропривода передаточные функции №эп.р(р), 1УэлМс(р) и \У-зпи(р) примут вид:

крс^пркд

Н'эпАР)-

1УэпМс(Р) = ~

ТпрТ,мР +{Тпр+Тм)р + крскГ1ркдкос +1

_кд(ТпРР + 1)

ПрГм Р + (тпр + тм)р + крскпркдкос +1) _Ккд(Тщ,Р +1)

(21) (22) (23)

+ (Тпр +ТМ)Р + крскпркдкос +1) Коэффициент км и постоянные времени Т1 и Т2 в выражении (18) меняются в широком диапазоне в зависимости от подачи охлаждающего воздуха С„ и тока обмотки статора /. При увеличении тока I уменьшается время переходного

процесса нагрева, но увеличивается коэффициент передачи по регулирующему воздействию к„. При увеличешш подачи охлаждающего воздуха С„ (при неизменном токе 1) происходит уменьшение коэффициента передачи ки и уменьшение времени переходного процесса. Коэффициенты и постоянные времени в выражениях (19) - (25) - функции частоты вращения валов роторов асинхронных двигателей, напряжения питания и тока статора.

Результаты моделирования показывают, что разница между АСРТ с применением разомкнутой и замкнутой систем управления электропривода несущественна (например, при расходе воздуха С„ = 0,91 м3/с, относительных токе статора тягового двигателя 1.=Штм=1, напряжении и5.=и51и5Н0М=1 и частоте тока статоров РЭПВ с АДПС (индексом "ном" обозначены

номинальные значения соответствующих параметров) и пропорциональным регулятором температуры 1Урт=3 для разомкнутой системы управления электропривода получены значения статической ошибки Ъ„=25%, время регулирования 1р=-/б59 с, перерегулирование а=12%, для замкнутой системы управления электропривода - 5ст-22%, 1р=1223 с, <г=12%), что объясняется прежде всего значительным превышением постоянных времени объекта регулирования Т1 и Т2 над постоянными времени электропривода Тм и Тпр. Данный вывод имеет важное практическое значение, позволяя применять РЭПВ с АДПС без обратной связи по частоте вращения.

На основании математической модели и баланса мощностей проведен анализ энергетических процессов в РЭПВ с АДПС. Из графиков представленных на рисунке 6, кривые потерь мощности имеют выраженный минимум при углах поворота статора меньших ж, что указывает на возможности снижения потерь мощности в электроприводе по сравнению со схемой прямого включения (с точки зрения электромеханических и энергетических процессов схема прямого включения асинхронного двигателя аналогична РЭПВ с АДПС при постоянном угле поворота статора, равного ж).

Минимум смещается в сторону меньших углов поворота статора при уменьшении текущей позиции контроллера машиниста. Так на верхней позиции минимум потерь мощности наступает при <р = л/1,2 (при этом потери мощности снижаются на 0,005АР/Я„„т„, что соответствует 4% при т.е. когда двигатели

работают аналогично схеме механического вала, развивая одинаковые моменты).

На нижней позиции контроллера машиниста минимум наступает при <р=л/2,5 (потери мощности снижаются на 0,004Л/УРктмом, что соответствует 25% при <р=п на текущей позиции контроллера машиниста).

Соотношение напряжения и частоты тока генератора, принятое для расчета (рисунок 6), соответствует распределению напряжения и частоты тока генератора на различных позициях контроллера машиниста на эксплуатируемых локомотивах в настоящее время.

Система, обеспечивающая реализацию возможности снижения потерь мощности в РЭПВ, представлена на рисунке 7. Указанный эффект достигается за счет совершенствования существующего технического решения включением в схему блоков 10- 12, 14, 15.

При значении регулируемой температуры наиболее нагретого узла !р , формируемой датчиками 10 и 12, меньше минимально заданного в блоке задания температуры 13 значения 1Р ,„,„ выходной сигнал микропроцессорного контроллера 14, подаваемый на механизм поворота статора 9 асинхронного двигателя 8, имеет минимальное значение. Частота вращения вала вентилятора 6 минимальна. При увеличении ^и превышении значения 1ртт выходной сигнал микропроцессорного контроллера 14 увеличивается. Это приводит к увеличению подачи воздуха вентилятором 5. При достижении (р максимального значения 1р тт, заданного в блоке задания температуры 13, выходной сигнал микропроцессорного контроллера 14 максимален, подача воздуха вентилятором будет максимальна.

Минимизация потерь мощности происходит в установившемся режиме. Микропроцессорный контроллер 14 вырабатывает тестовый сигнал отклонения угла поворота статора треугольной формы, вследствие чего позиция текущей рабочей точки относительно минимального значения потерь мощности (рисунок 6)

Л/>//>„,,

0.031

0.025

1 — И,« = 1,

//•= 1,

2 - щ* = 0.54,

//•=0.72,

3 - = 0.352,

/;. = 0.535,

4 - = 0.23,

/,. = 0.35

1.0 2.0 3.0 9>. рад

Рисунок 6 - Зависимость относительной потери мощности АР/Рл1ехнт от угла поворота статора <р

3 - статор тягового асинхронного двигателя, 4 - воздуховод, 5 - вентилятор, 6 -

датчик частоты вращения вала вентилятора, 7 - асинхронный двигатель, 8 -асинхронный двигатель с поворотным статором, 9 - механизм поворота статора асинхронного двигателя, 10 - датчики температуры обмотки ротора тягового асинхронного двигателя, 11 - скользящие контакты, 12 - датчики температуры обмотки статора тягового асинхронного двигателя, 13 - блок задания температуры, 14 - микропроцессорный контроллер, 15 - датчик мощности электропривода вентилятора

Рисунок 7 - Функциональная схема АСРТ тягового двигателя

может быть определена регистрацией изменения потерь мощности датчиком 15 в течение первого полупериода тестового сигнала. В результате регистрации изменений потерь мощности микропроцессорный контроллер 14 выбирает и подает такой сигнал управления, при котором потери мощности минимальны.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию РЭПВ в (СО) тягового двигателя.

При участии автора разработан и изготовлен экспериментальный стенд, который условно разделен на три подсистемы: силовая часть; подсистема

f

[

измерения электрических, механических и тепловых параметров; подсистема сбора данных и управления электроприводом.

Силовая часть состоит из асинхронных двигателей АО-63-4 мощностью 14 кВт (физическая модель асинхронного тягового электродвигателя локомотива) и МЗВР 160 мощностью 11 кВт (входит в модель механической части тягового привода локомотива); двух одинаковых асинхронных двигателей ДШТ 012-06 мощностью 2,2 кВт, входящих в состав РЭПВ, питаемого от синхронного генератора. Общий вид РЭПВ с АДПС представлен на рисунке 8. В модель механической части привода, кроме асинхронного двигателя МЗВР 160, входит модель колесной пары с установленным на ней зубчатым колесом, два жестко связанных катка, имитирующих связь колесной пары локомотива с рельсами, маховик, нагрузочное устройство. Подсистема сбора данных и управления состоит из многофункциональной платы аналого-цифрового преобразования J1A2-USB-12 и персонального компьютера. Для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей АО-63-4 и МЗВР 160, применяются преобразователи частоты ACSM1 и ACS550, реализующие алгоритмы векторного и скалярного управлений.

Подсистема измерений состоит из датчиков тока ACS712 (производство фирмы Allegro Microsystems) обмоток статоров асинхронных

двигателей АО-63-4 и МЗВР 160, датчиков частоты вращения, датчиков момента асинхронных двигателей АО-63-4 и МЗВР 160, датчиков температуры. В статорной обмотке асинхронного двигателя АО-63-4 установлены 9 хромель-копелевых термопар.

Экспериментальным путём получены статические характеристики объекта регулирования температуры по регулирующему воздействию (XG„) для нескольких значений возмущения по току I при неизменном возмущении по

температуре охлаждающего воздуха. По статическим характеристикам

_

Рисунок 8 - Общий вид экспериментального

стенда

определены значения коэффициента передачи объекта регулирования по регулирующему воздействию к„ , результаты приведены на рисунке 9.

ки. °С/(м3/с) о,"С

(У*!, м3/с От, м-Ус

а) б)

1 -/» = 0,5,2-/* = 0.8,3 -1. = 1.0, /. = Ш„ом

Рисунок 9 - Зависимости коэффициента передачи объекта регулирования температуры по регулирующему воздействию от подачи охлаждающего воздуха (а) и статические характеристики объекта регулирования температуры по регулирующему воздействию (б)

Зависимости использованы при определении параметров передаточной функции (18).

Проведены экспериментальные исследования электромеханических переходных процессов в РЭПВ с АДПС. Системы дифференциальных уравнений (10) - (17) в эксперименте с достаточной точностью описывают статические характеристики и переходные электромеханические процессы.

Максимальная погрешность между результатами теоретических и экспериментальных исследований при определении частоты вращения и тока в установившемся режиме не превышает 7%, при определении тока в переходных режимах не превышает 11%.

В пятой главе выполнена технико-экономическая оценка эффективности применения разработанного РЭПВ с АДПС. Представлены результаты расчета средней эксплуатационной мощности, потребляемой РЭПВ с АДПС, входящего в качестве исполнительно-регулирующего устройства в состав АСРТ автономного локомотива мощностью 2200 кВт., которые показывают экономию дизельного топлива до 3370 кг в год (при общем расходе топлива 495 т в год) за счет работы РЭПВ с АДПС с минимумом потерь мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены способ регулирования температуры тягового асинхронного двигателя и устройство для его реализации, обеспечивающие исключение отклонений от заданных значений температуры за счет повышение диапазона частоты вращения вала вентилятора охлаждения и минимизацию потерь мощности в РЭПВ с АДПС.

2. Синтезирована АСРТ тягового асинхронного двигателя, в которой применен РЭПВ с АДПС. Установлено, что передаточная функция замкнутой по температуре АСРТ представляет динамическое звено четвертого порядка при применении пропорционального регулятора температуры и динамическое звено пятого порядка при применении пропорционально-интегрального регулятора.

3. Разработана математическая модель для анализа энергетических и электромеханических процессов в РЭПВ с АДПС в фазной системе координат при питании от синхронного генератора, учитывающая эффект вытеснения тока в проводниках обмотки ротора, насыщение магнитопровода и потери в стали статора.

4. Выполнен анализ энергетических процессов в РЭПВ с АДПС. Установлено, что на высшей позиции контроллера машиниста минимум потерь мощности наступает при <р=ж/1,2 (при этом потери мощности снижаются на 0,005ЛР//>„„»аи, что соответствует 4% при <р=л, т.е. когда двигатели работают аналогично схеме механического вала, развивая одинаковые моменты). На низшей позиции контроллера машиниста минимум потерь мощности наступает при <р=к/2,5 (потери мощности снижаются на 0,004ЛР/Рна.тт что на 23% меньше при <р=гг на текущей позиции контроллера машиниста).

5. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для проведения исследований, состоящая из двух асинхронных электродвигателей с фазными роторами, один из которых имеет поворотный статор, а также физической модели тягового электропривода мощностью 14 кВт с механической частью, имитирующей сопротивление движению. Проведен комплекс экспериментальных исследований, подтверждающих адекватность разработанной математической модели электропривода. Выполнен сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающий их удовлетворительное согласование.

Установлено, что погрешность результатов не превышает 11 %.

6. Экономия топлива от применения нового способа и оригинальной системы РЭПВ с АДПС, как исполнительно-регулирующего устройства локомотивных АСРТ с поддержанием заданного температурного режима тяговых электродвигателей для автономного локомотива мощностью 2200 кВт составит до 3370 кг в год.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Самотканов, A.B. Математическая модель электропривода с двумя асинхронными двигателями, один из которых содержит поворотный статор [Текст] / A.B. Самотканов, В.И. Воробьев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2014. - № 3 (305) - С. 31 - 37.

2. Пугачев, A.A. Энергетические показатели качества электропривода вспомогательных систем тягового подвижного состава [Текст] / A.A. Пугачев, В.И. Воробьев, Г.С. Михальченко, A.C. Космодамианский, A.B. Самотканов // Мир транспорта и технологических машин. - 2015. - №1(48) - С.58 - 65.

3. Космодамианский, A.C. Комплексная физическая модель тягового электропривода с асинхронными двигателями [Текст] / A.C. Космодамианский, В.И.Воробьев, А.А.Пугачев, A.B.Самотканов, Д.А.Бондаренко // Наука и техника транспорта. -2014. - № 3 -С. 31-38.

4. Самотканов, A.B. Снижение мощности потерь электропривода вентилятора охлаждения на тяговом подвижном составе [Текст] / A.B. Самотканов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.-2015,- № 1 (309) -С.81-85.

Научные публикации в других изданиях:

5. Самотканов, A.B. Передаточная функция вспомогательного электропривода тепловоза [Текст] / A.B. Самотканов, В.И. Воробьев, A.A. Пугачев // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Т. 2. - Саранск, 2014. - С. 220 - 223.

6. Самотканов, A.B. Комплексная математическая модель вспомогательного электропривода тепловоза [Текст] / A.B. Самотканов // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по

автоматизированному электроприводу. - Саранск, 2014, Т. 2.— С. 216-219.

7. Самотканов, A.B. КПД электропривода с асинхронным двигателем, содержащим поворотным статор [Текст] / A.B. Самотканов // Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта: межвузовский сборник научных трудов. - М.: МГУПС (МИИТ), 2014. - С. 65 -69.

8. Космодамианский, A.C. Характеристики тягового электропривода со скалярным управлением асинхронным двигателем [Текст] / A.C. Космодамианский, A.B. Самотканов, В.И. Воробьев, A.A. Пугачев // Локомотивы. XXI век: сборник материалов международной научно-технической конференции. - С.-Петербург: ПГУПС, 2013. - С. 53 - 57.

9. Космодамианский, A.C. Повышение надежности тяговых и вспомогательных электроприводов . локомотивов [Текст] / A.C. Космодамианский, В.И. Воробьев, A.A. Пугачев, A.C. Самотканов // Планово-предупредительный вид ремонта тягового подвижного состава с учетом его технического состояния: коллективная монография по материалам международной научно-практической конференции «Эксплуатационная надежность подвижного состава» (18 октября 2013 г). - Омск: НИИТКД, 2013. -С. 105-111.

10. Космодамианский, A.C. Концепция развития энергосберегающих электромеханических систем [Текст]: монография / A.C. Космодамианский, М.И. Борзенков, В.И. Воробьев, С.Ю. Радченко, О.В. Измеров, О.В. Дорофеев, A.A. Пугачев, С.Н. Злобин, A.B. Самотканов. - Орел: Госуниверситет - УНПК, 2014.-244 с.

11. Самотканов, A.B. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства [Текст] / A.B. Самотканов // Совершенствование энергетических машин: сборник научных трудов под ред. В.В. Рогалева. -Брянск: БГТУ, 2015,- С. 198-204.

12. Стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотивов с электропередачей [Текст]: заявка 2013156130/11 Рос. Федерация: МПК G01M 17/00 / Воробьев В.И., Воробьев Д.В., Новиков В.Г., Пугачев A.A., Волохов С.Г., Чвала А.Н., Космодамианский A.C., Самотканов A.B.; заявитель

ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»; патентная груша - №2013156130/11; заявл. 17.12.13; опубл. 18.11.14, Бюл. №7, приоритет 17.12.13, №1346-5с.: ил.

13. Стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей [Текст] : пат. 148359 Рос. Федерация: МПК, G01M 17/00 / Космодамианский A.C., Воробьев В.И., Самотканов A.B., Пугачев A.A., Воробьев Д.В., Бондаренко Д.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет путей сообщения (МГУПС (МИИТ)). - №2014113138/11; заявл. 04.04.2014; опубл. 10.12.2014, Бюл. №34. - Зс.: ил.

14. Способ регулирования температуры энергетической установки транспортного средства и устройство для его реализации [Текст] : пат. 2541491 Рос. Федерация: МПК, F01P 7/00 / Космодамианский A.C., Самотканов A.B., Воробьев В.И., Пугачев A.A.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)). - №2014105319/06; заявл. 14.02.2014; опубл. 20.02.2015, Бюл. №43. -5с.: ил.

Самотканов Александр Васильевич

ЭЛЕКТРОПРИВОД ВЕНТИЛЯТОРА ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОКОМОТИВНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

Подписано в печать НО/5 Формат 60x90/16 Тираж 80 экз.

Усл. печ. л. 1,5_ Заказ №//5С

127994, г. Москва, ГСП-4, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ