автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности работы комбинированной системы левитации и тяги ВСНТ на переменном токе

СТРЕПЕТОВ Владимир Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЛЕВИТАЦИИ И ТЯГИ ВСНТ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Специальность 05. 09. 03. - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2003 г.

Работа выполнена на кафедре «Электротехника» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургского государственного университета путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ

ХОЖАИНОВ Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КУЗНЕЦОВ Сергей Емельянович кандидат технических наук ВОЕВОДСКИЙ Константин Эмманунлович

Ведущее предприятие - Инженерно-научный центр по транспорту на электромагнитном подвесе с линейным электроприводом «ТЭМП», г.Москва.

Защита состоится «15» мая 2003 г. в 4$. час.3б. мин. на заседании диссертационного совета Д.218.008.05 в Петербургском государственном университете путей сообщения МПС РФ по адресу: 190031, г. С.Петербург, Московский пр.,9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения МПС РФ.

Автореферат разослан «....»...........2003 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 218.008.05, доктор технических наук, профессор

Н.П. Семёнов

О^оЗ-Я

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Для большинства промышленно развитых стран мира характерен неуклонный рост перевозок пассажиров, который может быть обеспечен за счёт повышения провозной и пропускной способности транспортных систем (ТС).

В большинстве стран мира основная доля пассажирских перевозок выполняется железнодорожным транспортом.

Задача повышения эффективности работы железнодорожного транспорта решается путём увеличения скорости перевозок.

В рамках традиционной транспортной системы «колесо-рельс» при решении этой задачи достигнуты определённые успехи, однако данной системе присущ ряд недостатков, среди которых следует отметить зависимость её тяговых характеристик от сил сцепления, что обуславливает поиск принципиально иных решений данной проблемы.

Одним из вариантов решения рассматриваемой задачи является создание систем высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) с использованием магнитного подвешивания (МП) транспортной установки.

Исследования по созданию систем ВСНТ с МП ведутся по двум основным направлениям, предусматривающим использование электромагнитного подвеса (ЭМП) или электродинамического подвеса (ЭДП). При I этом для обеспечения тяги предусматривается применение линейных

асинхронных или синхронных электродвигателей.

Стремление к уменьшению совокупной массы электрооборудования транспортной установки (ТУ) привело к необходимости создания систем ВСНТ с магнитным подвесом, отличающихся универсальностью использования бортовых электромагнитов.

Предложение по применению для электропитания обмото*? возбуж-

I * 1

5 '

дения экипажа ВСНТ однофазного переменного тока было выдвинуто в 1983 году авторским коллективом сотрудников ЛИИЖТа: A.B. Байко, К.И. Кимом, В.М. Кочетковым. Данную систему ВСНТ принято называть комбинированной системой левитации и тяги (КСЛТ) на однофазном переменном токе (ОПТ). Комплект бортовых электромагнитов (БЭ) в данной транспортной установке обеспечивает одновременно создание как левита-ционного, так и тягового усилия. При этом требуемая высота подвешивания подвижного состава в данной ТС обеспечивается даже на стоянках.

Разработка теории КСЛТ на сегодняшний день ограничена рассмотрением силовых и энергетических показателей системы применительно к её двухпеременно-полюсному варианту исполнения при двух фиксированных значениях угла регулирования и отсутствии ферроэлементов на борту экипажа. Известный способ создания пускового (тормозного) усилия в системе за счёт использования активно-емкостных элементов отличается значительными пусковыми потерями и относительно большой массой пуско-тормозных элементов.

В связи, с вышеизложенными фактами представляется актуальной задача повышения эффективности работы КСЛТ на ОПТ.

Цель работы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке теоретических и технических решений, позволяющих повысить эффективность работы КСЛТ на ОПТ.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Обобщение элементов теории КСЛТ применительно к случаю произвольного закона (правила) изменения н.с. обмоток возбуждения установки.

■2-.1 Совершенствование способов управления КСЛТ в различных режимах работы.

3. Разработка методики расчёта кинематических характеристик ТУ при движении по маршруту заданной протяжённости.

■, 4. Разработка технических решений, направленных на повышение энергетичёских и тяговых показателей транспортной системы.

5. Экспериментальная проверка достоверности теоретических исследований. ;

Методы исследования. В работе использовались методы теории электромагнитного поля, преобразование Фурье, аналитические и численные методы определения квадратур и решения трансцендентных уравнений. Программа для ПЭВМ разрабатывалась на языке Фортран. Проверка результатов теоретических исследований выполнялась на экспериментальной установке дискового типа.

Научная новизна.

1.Разработаны элементы теории КСЛТ с путевым полотном сплошного типа применительно к случаю произвольного закона (правила) изменения н.с. обмоток возбуждения установки, включая случай наличия фер-роэлементов на борту экипажа.

2. Разработана математическая модель, описывающая движение экипажа КСЛТ по участку заданной протяжённости.

3. Предложена и официально зарегистрирована как полезная модель структурная схема организации внутреннего электроснабжения бортовых электромагнитов экипажа КСЛТ, повышающая энергетические и тяговые показатели установки.

4. Разработана методика минимизации совокупной массы проводникового материала и хладагента катушек возбуждения.

Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в рабо-

те основные положения, выводы и рекомендации подтверждены строгостью теоретического обоснования и удовлетворительным совпадением результатов теоретических,и экспериментальных исследований. .'

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшем развитии теории КСЛТ, а также при проектировании основных элементов данной транспортной установки. Разработана и официально зарегистрирована программа для расчёта удельных"показателей качества КСЛТ для ВСНТ. н •

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 4-th international conference on unconventional electromechanical and electrical systems UEES-01, 9 -14 September 2001 (Szeczin, Poland); научно - практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего востока», 18-21 октября 2001 г., ДВГУПС (Хабаровск-Владивосток 2001); международном симпозиуме Eltrans 2001. «Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность и перспективы», 23-26 октября 2001 г., ПГУПС (г. Санкт-Петербург 2001); Всероссийской конференции Ассоциации технических университетов России по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах», 6-7 июня 2002 года (г. Санкт-Петербург 2002г.); 61 и 62 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Неделя науки-2001, 2002» (ПГУПС 2001,2002).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано одиннадцать работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 155 страниц в том числе: 45 рисунков, 4 таблицы, библио-

графию 110 источников и 1 приложение на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность проблемы, даётся краткий анализ работ по тематике КСЛТ и определены основные направления исследований.

Первая глава посвящена теоретическому исследованию элементов общей теории КСЛТ на ОПТ.

Используя известные приёмы векторного анализа, для случая постоянства вектора скорости движения V ТУ, система уравнений Максвелла в квазистационарном приближении для области электропроводящего полотна сводится к уравнению диффузии магнитного поля:

дВ дВ

ЛВ = -МоМ^ — + МоИСГ~. (1)

Для областей, не содержащих проводящих элементов, уравнение (1) принимает вид уравнения" Лапласа:

ДВ = 0 . (2)

Принимая во внимание относительно малую изученность КСЛТ, при решении уравнений (1) и (2) на данном этапе исследования предпочтение следует отдать методам решения, позволяющим получить аналитические выражения искомых характеристик ТС.

Для достижения этой цели принята математическая модель задачи, в которой путевое полотно представляет собой проводящий слой некоторой

I > < ^ =

толщины Т, заключённый между параллельными плоскостями, - т.н. приближение «бесконечно широкого» полотна. Расчётная схема задачи ' представлена на рис. 1.

В рамках принятых допущений, решение уравнений (1) и (2) для соответствующих областей (I, II, III) осуществляется на основе использова-

ния преобразования Фурье. Преобразование выполняется по пространст-, венным координатам (х, у) и времени (I). При этом Фурье-образ вектора магнитного поля в каждой из областей определяется через свою г-компоненту.

к 2

К

В И

В

»

Г; ст; ц=1

ш

Рис.1.

Расчетная схема КСЛТ на переменном токе.

Условия сопряжения величины В сводятся к следующим равенст-

вам:

дг

в,

дг

дг

-В,

2=-т

(3)

здесь В- г-компонента магнитного поля вихревых токов путевого полотна; В0-2-компонента магнитного поля самого источника.

В частности магнитное поле вихревых токов путевого полотна определяется выражением:

у

В(к,2,(о)=-^я{к,ш)В0Лк,а))ехр(- кг), (4)

к

где £ = 1к + егк; я(к,а)=(к2 -Я2)/(к2 + Л2 +2кХс&ХТ); * = |*[;

Я2 = к2 + г//0 а со - щ а V кх; В°0 (к, со) - г-компонента магнитного поля

источника при 2 = 0; символ (*) отвечает комплексно-сопряжённой величине.

Найденные значения магнитного поля в соответствующих областях

Т

0

позволяют определить значение электродинамической силы, действующей на подвижную часть ТУ и величину тепловыделений в путевом полотне для произвольного закона регулирования н.с. бортовых электромагнитов обмотки возбуждения ТУ.

Так, например, среднее значение электродинамической силы определяется выражением: - '4

2 тг/а 2 2 2

\dkk\xik\ $ехр{-2к}г)^КК\2, (5) о я1 "=±'

где /0и»- действующее значение н.с.; х{к)~ характеристическая функция токового контура в ^-представлении; = Л(А,к£?); функция Я{к,<а) определена в (4); = :.(т - 1)кхт + 1у<рт) ; <рт- начальная фаза н.с.

- — т

т-то бортового элеКтромагнита.

1 Соответственно среднее значение тепловыделений в полотне:

+ \kdk\xik} ехр{-2кИ)^КК1 (6)

я'

При наличии ферроэлементов на борту экипажа КСЛТ расчётная схема задачи электродинамической левитации имеет вид, представленный на рис. 2.

Уравнение магнитной диффузии, записанное для каждой из областей, после преобразования Фурье позволяет получить решение, в которое входят восемь независимых постоянных, определяемых на основе использования традиционных условий «сшивки».

Так в частности Фурье-образ внешнего по отношению к неподвижному полотну магнитного поля (магнитное поле источника и вихревых то-

ков в бортовой ферропроводящей полосе) имеет вид:

Ве(к,2,со)^^Вег{к,2,а). (7)

к

Здесь Ве2 = В°е ехр(Ь)- В0е{к,о)= В00{к,ю)л{к,а>\,

■ ц2тк2 + Л2т + 2/1ткак{ХтТт)'

Л1 = И2тк2 -щ0цт сгькх + г/л0/лтаа, т = 1,2.

1Ж

ш и

ТУ Й2>1

Е!

Г,; а,; ц,=1

Рис.2.

Расчетная схема КСЛТ на переменном токе.

Среднее значение электродинамического усилия определяется в данном случае выражением:

(*) = и^щ^^шУ^кК]2^2, (8)

здесь /?„ = Я(к, уф); \ = Л(к, ут).

Соответственно выражение для тепловыделений в путевом полотне имеет вид:

т

О

+ \kdk\X{k} expi-lkh^vKK^■ (9)

R' v=±!

Во второй главе рассматриваются вопросы, направленные на совершенствования способов управления режимами работы КСЛТ.

Анализ показывает,"что для обеспечения потребного графика движения ТС практически важными являются два способа организации электропитания бортовых электромагнитов. Первый способ характерен для т.н. двухперемено-полтосной системы, а второй соответствует электропитанию катушек возбуждения по т.н. закону «кратного угла». Формулы, определяющие изменение н.с. катушек электромагнитов в вышеназванных случаях, соответственно имеют вид:

[ a2cos{£2t + g2)m = 2l

где a¡ 2 = ±1 знак данной величины задаёт направление н.с. в первых катушках каждой из ППС; g¡2 - начальная фаза.

Jm(t)w = I0w^Í2cos(í2t+g(m-l)), g = ns, 0<sül, m = l,...N; (11) где g -угол регулирования.

Теоретические рассмотрения, выполненные в главе 1, позволяют получить выражения для определения основных энергетических показателей КСЛТ при указанных способах электроснабжения БЭ. Так, в частности, для двухпеременно-полюсной системы при произвольном значении угла регулирования эти показатели имеют вид:

(Fm) = -Mfíiy Uk\Z(kUexp{-2kh)\WN Щ2^К Ж' + "ti. (12) здесь /(*)= cos2 х/2, при а,а2 =1; f (*)=sin2 х/ 2, при а, а2 ==-/.

(Р2») = \kdk\xH ехр{-+ щ\ (13)

К'

Соответственно в случае наличия ферроэлементов на борту экипажа:

^^{к^М^^Ы^кЛКг+у<р)л{к,со). (14)

к> г=±1

Поскольку, реальное количество катушек возбуждения на экипаже КСЛТ N »10 , то целесообразно ввести в рассмотрение удельные энергетические показатели (приходящиеся на один электромагнит), определяемые из предельных переходов:

/ = Р=Пт>(ры)/М, (15)

где ) и {рц) соответственно вектор средней силы и мощность тепловыделений в путевом полотне при ТУ электромагнитах на экипаже ТУ.

Этот приём позволяет существенно упростить процесс численного расчёта показателей качества системы при сохранении приемлемой точности получаемых результатов.

Для случая изменения н.с. бортовых электромагнитов по правилу

«кратного угла» удельная электродинамическая сила, в частности, равна:

00

/=л + £(/■;+/;> /* = /»и,, (16)

Я-/

' 1т Л

здесь 222/

О

{дЯе)

ГМ^М*.] кАва^=Чзт2{авапг1)ехр{-2кдапЧ)1т,2;

02„=Я2+21Лп; ЯеРп*0; д2=1 + Г)2; Л„ = {у-уан/у0)/(/в)2/а2; Щ = со!в; Г = {2/Ио<™)"2; в = »/«■! /в = Ш-

Выполненные теоретические исследования позволяют провести численный анализ зависимости энергетических показателей от основных параметров KCJIT, а также провести исследование поведения ТУ в различных режимах работы. Некоторые параметры,установки целесообразно зафиксировать в качестве определённого базового набора:/0w = 5-104 А, 1/а = 3.2-10"8 (Ом-м)*1, Т= 0.02 м, а/г = 0.6. Наибольший интерес представляет анализ пусковых режимов. Для двух рассматриваемых принципов электропитания БЭ зависимость удельных пусковых сил (тяги и левитации) от угла регулирования представлена на рис. 3 (сплошная линия отвечает случаю изменения н.с. электромагнитов по правилу «кратного угла»; пунктирная - двухпеременно-полюсной системе).

Анализ полученных результатов показывает, что рассмотренные законы регулирования н.с. бортовых электромагнитов обеспечивают примерно равные значения электродинамических усилий.

По результатам выполненных расчётов получены графические зависимости силовых характеристик ТУ от скольжения (см. рис.4). Данные зависимости иллюстрируют эффективность использования ферроэлементов на экипаже ТУ для повышения значения силы тяги и левитации.

Третья глава посвящена разработке методики определения кинематических характеристик КСЛТ в различных режимах работы.

На основе анализа сил, действующих на экипаж КСЛТ для случая его разгона (торможения) принята математическая модель исследования, характеризующаяся постоянством силы тяги (торможения) и пропорциональностью силы сопротивления движению квадрату скорости.

Режим пуска (торможения) ТУ в этом случае описывается следующими дифференциальными уравнениями в относительных единицах (o.e.):

du 2 ■ г а2 2 dL sdu

— = а signf -ß и , —-уи, w-8—, (17)

Рис.3.

Зависимость удельной пусковой силы тяги /х и левитации Д от частоты тока сети /с и угла регулирования £ при Ъ/т =0.6.

/,> 0.У,

\

1 N У ч к1 Ч 0,1/.

- \ ч

' "" " V 1 1 5

0 0,05 0,1 0,15 0,2

Рис. 4.

Зависимость удельной пусковой силы тяги /х и левитации /г от скольжения « для случая ^=180° при отсутствии (штриховые линии) и наличии (сплошные линии) ферроэлементов на борту экипажа.

где а = ——/], р =-, / = -—, д = —-.

mv, т 5. а,;.

Переменные, обозначенные (*) отвечают некоторому базовому набору, задающему нормировку. Величины, обозначенные т,и,Ь,м> и /-безразмерные аналоги соответствующих переменных величин: времени, скорости, расстояния, ускорения и силы.

Для нормировки, отвечающей условию: а = /? = у = 5 = 1, ХфО имеем:

в 1Н |Й , И „ И 1*1

/Ч=Н. а.= и. (,8)

Кинематические характеристики установки на участке разгона (0<т <тп) имеют вид:

и = 1Нт = 41 - ехр(~ 2Ь), Ь = \nchx = --1п(} - и2),

у/-11скгт = 1-и2.

Соответственно для участка торможения:

и = tg{arctgu2 - L = ln(Acos{т - ?>))=

W =----- = -\1 + иг J, здесь u-thxm .

cos \arctgu2 —т)

Графики кинематических характеристик ТУ в o.e. от времени в пуско-тормозных режимах работы ТУ представлены на рис.5 и 6.

Движение ТУ на участке заданной протяженности (0<L<l)c учетом ограничения на максимальную величину ускорения на участке разгона (торможения) описывается дифференциальным уравнением в o.e.:

dL du о2 2

л""' Tr = f*-ßu • К = 12'3: (21)

«(*.)=L{r0)=0; L(r> 1; Цт)<1;т0<т<т3.

1,0

0,5

/ / " / / ■< ^

! 1' /Ч / / / / // / / / и

/. // /у ¿г

/ 1 / т

0,25

0,5 0,75

1,0

Рис. 5.

Зависимость скорости и , расстояния Ь и ускорения и> ТУ от времени г при её разгоне в относительных единицах.

1,0

и; I; 0,5у/

0,5

0,8 0^"--

,0,8 \ а 0;8

Л 0,5 , __— / \ т

0,25

0,5

0,75

Рис. 6.

Зависимость скорости и , расстояния Ь и ускорения от времени т при её торможении в относительных единицах.

В выражениях (5) обозначено: т0- момент начала движения; (г, - г„)- время разгона (пуска); (т2 - т3)~ время движения с крейсерской скоростью; (т3 ~т2)~ время торможения; т3- время движения по участку заданной протяженности; /к- силы, действующие на соответствующих участках (/у и /2>0,/3<0).

Набор базовых параметров для системы (14) имеет вид:

V« = ^Б0а0, и = ^Б0/а0, 5, =80, а*=а0, Е,=та„. (22) Соответственно:

а2 =|/|. р2=Ж0/т, Г=5 = 1. (23)

Решение системы (22) определяет кинематические характеристики движения ТУ на участке заданной протяженности.

Так, например основная кинематическая'характеристика - время в пути следования т3 - определяется следующим выражением:

Л+1 р р

2 1-Р Р v р 1 л/7^7

(24)

где р = 0и2.

Минимум зависимости (24) определяется как корень трансцендентного уравнения:

¿г

А, р2У~ "" д3

= = (25)

где д = ф-р2.

По результатам вьтолненных расчётов кинематических характеристик на рис. 7 представлена зависимость времени в пути следования т3 от крейсерской (установившейся) скорости и2. Из данного рисунка видно, что существует возможность оптимизации режима движения ТУ. Из двух возможных графиков движения по маршруту заданной протяженности,

наименьшие энергозатраты на движение обеспечивает такой режим перемещения, при котором участок движения с установившейся скоростью оказывается наибольшим. В данной главе рассмотрен также процесс движения ТУ при условии постоянства ускорения на участках разгона и торможения.

Рис.7.

Зависимость времени в пути следования т? от скорости иг при различных

значениях параметра р= (ЗоХ/т)"2 (указан числами у кривых). У

Четвертая глава посвящена исследованию технико-экономических

I

характеристик КСЛТ на ОПТ. "

Анализ, имеющихся публикаций показывает, что для получения приемлемых значений энергетического параметра КСЛТ необходимо применение охлаждения проводникового материала бортовых электромагнитов до уровня азотных температур.

Применение высокотемпературных сверхпроводников в обмотках возбуждения экипажа ТУ по сравнению с альтернативными проводнико-

выми материалами позволяют существенно улучшить массо-габаритные и энергетические параметры бортовых электромагнитов.

С целью первичной оптимизации основного/ оборудования КСЛТ получены аналитические выражения, минимизирующие совокупную массу проводникового материала и хладагента (ПМ и ХА) для случая работы системы охлаждения при открытом или закрытом цикле работы.

В частности, при открытом цикле работы рефрижераторной установки совокупная масса ПМ и ХА, приходящаяся на один электромагнит, определяется выражением:

тушки; у- удельная масса проводникового материала; р- удельное электрическое сопротивление проводникового материала; <7- удельная теплота парообразования хладагента; а0- ускорение при пуске (торможении) ТУ; 50- протяженность маршрута.

Зависимость относительной совокупной массы ПМ и ХА экипажа массой 40Т от скорости перемещения при различных расстояниях между пунктами назначения, полученная на основе выполненных в работе расчё-

Окончательный выбор режима функционирования рефрижераторной установки КСЛТ следует делать не только с учётом массо-габаритных показателей сравниваемых вариантов, но и принимать во внимание эксплуатационные условия работы транспортной системы.

С целью получения максимального значения клиренса ТУ при наличии геометрических ограничений, накладываемых параметрами обмотки возбуждения в работе, предложен ряд критериев. В частности ширина поперечного сечения катушки б должна удовлетворять неравенству:

(26)

Здесь 10 н> - н.с. электромагнита; I - длина средней линии периметра ка-

тов, показаны на рис.8.

0<5<80(т,а,Ъ); 0<6<ттт{—,—

[г '2*

2±-1 1

Т 2

здесь а, Ь ~ геометрические размеры БЭ соответственно поперёк и вдоль направления движения экипажа ТУ.

Мг

т

%

16

12

Л

100' \

ъи \| 30

——

40

80

120

160 г>, м/с

Рис.8.

Зависимость относительной совокупной массы М^щ/т от крейсерской скорости иг при различных расстояниях между пунктами назначения (указаны числами у кривых).

Соотношение между высотой А и шириной поперечного сечения 5 катушки электромагнита определяется равенством:

А:3 = 1:]0520/10 К, (28)

здесь j0 - плотность тока, обеспечивающая минимум параметра тЕ.

Ток в обмотке бортового электромагнита не должен превышать величины:

1<-^-тт(1А,1с/к), ¿9)

1рпр

здесь / — количество параллельно соединённых блоков в статическом преобразователе; п - число параллельных соединений в блоке; 1Л - допустимый ток через полупроводниковый прибор; 1е-допустимый ток в токо-съёмном устройстве; к- количество автономных инверторов.

Анализ структурных схем внутреннего электроснабжения бортовых V электромагнитов показывает, что наиболее предпочтительным вариантом

схемы является схема, включающая в, свой состав четырёхквадрантный преобразователь (4^-8 преобразователь), т.к. она позволяет существенно улучшить энергетические и тяговые показатели данной ТУ. ,

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Экспериментальные исследования проводились на установке дискового типа горизонтального исполнения.

Установка состоит из индуктора, выполненного из 16 однотипных катушек и набора дисков. Диски имитируют подвижное проводящее полотно и различаются по своей толщине и удельному электрическому сопротивлению. Диаметр дисков 0,5 метров.

В процессе проведения эксперимента проводились измерения сле-^ дующих электрических и механических параметров: сдвига фаз между то-

' ком и напряжением; сил тяги и левитации; высоты подвеса диска; частоты

вращения диска.

Измерения электрических величин выполнялось приборами класса точности 0,2, силы тяги,-динамометром класса точности 0,5; высоты подвешивания штангельциркулем с ценой деления 0,05 мм.

Исследование влияния ферроэлементов на величину электродинамических параметров транспортной установки осуществлялось посредством установки ферропластины, между неподвижным основанием и внут-

ренним изоляционным диском индуктора установки. На рис.9 приведена зависимость силы левитации от высоты подвешивания диска при отсутствии (пунктирная линия) и наличии ферропластины (сплошная линия). Опытные данные представлены отдельными точками.

Для тех же условий на рис. 10 показана зависимость пусковой силы тяги от угла регулирования.

В результат^, проведённых экспериментальных исследований установлено, что использование ферроэлементов на борту экипажа КСЛТ приводит к заметному возрастанию электродинамической силы (силы тяги и левитации), действующей на экипаж ТУ.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает, что максимальные расхождения составляют: для сил левитации 9% , для сил тяги 11%.

Н 40

30

20

Ю

ч

\ ч ч \1 V N •

4« \ ч. <

А

О

2

4

6

8

Рис. 9.

Зависимость силы левитации от высоты подвешивания для случаев отсутствия или наличия ферроэлементов на борту ТУ.

н

7,5 50

V

О ЯР а? да Ш НР ш

„ . , Рис. 10.

Зависимость пусковой силы тяги от угла регулирования прй наличии и'отсутствии ферроэлементов на борту экипажа ТУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

V" 1. В приближении бесконечно широкого полотна получены анали-

тические выражения для определения электродинамических сил, действующих на подвижную часть КСЛТ, а также тепловыделений в путевом полотне при произвольном законе регулирования н.с. бортовых электромагнитов.

2. Для случаев изменения н.с. по правилу (закону), характерному двухпеременно-полюсной системе или правилу «кратного угла» получены аналитические выражения для определения удельных значений энергетических показателей ТУ.

3. Разработана и официально зарегистрирована программа для ПЭВМ по расчёту удельных показателей качества комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе ВСНТ.

4. Теоретически и экспериментально^ обоснована эффективность использования ферроэлементов на борту экипажа с КСЛТ, которые обеспечивают повышение величины электродинамической силы, действующей на активную часть ТУ.

5. Для математической модели, характеризующейся постоянством силы тяги (торможения), получены аналитические выражения для определения кинематических характеристик ТУ в пуско-тормозных режимах работы. Определены диапазоны изменения данных характеристик для экипажа массой 40т.

6. Для случая движения ТУ по маршруту заданной протяженности получены аналитические зависимости, определяющие кинематические характеристики установки. Проведена минимизация совокупного времени движения транспортного устройства.

7. Для случаев работы рефрижераторной установки в открытом или закрытом цикле охлаждения получены аналитические зависимости, позволяющие минимизировать совокупную массу проводникового материала обмотки возбуждения и хладагента. Окончательный выбор режима функционирования рефрижераторной установки экипажа КСЛТ следует делать не только с учётом массо-габаритных показателей сравниваемых вариантов, но и принимать во внимание эксплуатационные условия работы транспортной системы.

8. Получены аналитические выражения, которые позволяют провести первичную оптимизацию обмотки возбуждения транспортной системы по предложенным критериям.

9. Предложена и официально зарегистрирована как полезная модель

структура организации внутреннего энергоснабжения обмотки возбуждения КСЛТ, повышающая энергетические и тяговые показатели установки.

10. Результаты экспериментальных исследований КСЛТ на установке дискового типа указывают на корректность принятой теоретической модели. Максимальные расхождения расчётных и опытных данных составляют: для сил левитации 9%, для сил тяги 11%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Устройство тяги на переменном токе транспортного средства Хожаинов А.И.., Милютин В.А, Середа Г.Е., Стрепетов В.М.- свидетельство на полезную модель-№11513 от 16.10.1999.

2. Стрепетов В.М. Принципы управления транспортной установкой с комбинированной системой левитации и тяги на однофазном переменном токе (КСЛТ); науч. рук. Хожаинов А.И. /ЛГез. докл. 61 науч. - техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. «Неделя науки-2001»,-СПб: ПГУПС,2001.- с. 283-284.

3. A. Bayko, Y. Strepetov High-speed-street transport with the A.C. lévitation and traction combined system // Proc. of the 4-th international conférence on unconventional electromechanical and electrical systems UEES-01, 9-14 September 2001.- Technical University Press.- Szeczin, Poland.- p. 120-123.

4. Хожаинов А.И., Байко A.B., Стрепетов B.M. Двухпеременно-полюсная комбинированная система левитации и тяги на переменном токе //Тез. докл. научно практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего востока», 18-21 октября 2001 г. - Хабаровск-Владивосток: ДВГУПС, 2001- с.33-34.

5. Байко А.В., Стрепетов В.М, Трифонов Б.А. О спектральном составе входного напряжения четырехквадрантного статического преобразователя комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе // Тез. докл. международного симпозиума Eltrans 2001. «Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность и перспективы», 23-26 октября 2001 г.- СПб: ПГУПС, 2001- с. 35.

6. Байко А.В., Стрепетов В.М Влияние динамических характеристик движения экипажа высокоскоростного наземного транспорта на параметры электрооборудования комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе // Тез. докл. международного симпозиума Eltrans 2001. «Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность и перспективы», 23-26 октября 2001 г.- СПб:

ПГУПС, 2001.- с. 35-36.

7. Байко A.B., Середа Г.Е., Стрепетов В.М Ферромагнитные экраны как элементы бортового оборудования комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе// Тез. докл. международного симпозиума Eltrans 2001. «Электрификация и развитие железнодорожного

транспорта России. Традиции, современность и перспективы», 23-26 октября 2001 г.- СПб: ПГУПС, 2001.- с. 36-37.

8. Стрепетов В.М., Филимонов А.Г. Кинематические характеристики пуско-тормозных режимов работы комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе // Материалы международного симпозиума Eltrans 2001. «Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность и перспективы»,- СПб: ПГУПС, 2002,-с. 138-141.

9. Стрепетов В.М. Оценка допустимости предположения о постоянстве скорости движения экипажа комбинированной системы левитации и тяги (КСЛТ) при расчете электродинамических усилий; науч. рук. Хожаинов А.И. //Тез. докл. 62 науч. - техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. «Неделя науки-2002».- СПб: ПГУПС, 2002.-с. 283-284.

10. Байко A.B., Стрепетов В.М. Повышение энергетических и тяговых показателей комбинированной системы левитации и тяги на однофаз-

. ном переменном токе // Труды СПбГПУ. Материалы 6 ой Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» 6-7 июня 2002 г.- СПб: СПбГПУ, 2002.-ТОМ 1, с.207-208.

11. Байко A.B., Стрепетов В.М. Программа расчёта удельных показателей качества комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе для ВСНТ- Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002611552 от 9 09 2002 г.

Подписано к печати 20.03.03г. Печ.л _ ] 5

Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1\16 Тираж 100 экз. Заказ № 333, Р 4 Ш6

Тип. ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9-

!

i

г

2.003-А S755"

Р -5 75 5

»

\\

i

t

i i

i

Введение

Глава 1. Элементы общей теории КСЛТ

1.1 Задача электродинамической левитации. Система основных уравнений.

1.2 Задача электродинамической левитации для путевого полотна сплошного типа

1.3 Фурье-образ источника магнитного поля обмотки возбуждения.

1.4 Силовые и энергетические характеристики системы на переменном токе.

1.5. Задача электродинамической левитации при наличии ферроэлементов на борту экипажа КСЛТ.

Выводы к первой главе

Глава 2. Совершенствование способов управления КСЛТ

2.1 Регулирование н обмотки возбуждения в переменно-полыхстемах

2.2 Регулирование н бортовых электромагнитов по закону «кратного угла»

2.3 Анализ, полученных результатов расчётов

Выводы ко второй главе

Глава 3. Кинематические характеристики КСЛТ при движении установки по маршруту заданной протяжённости

3.1. Характеристика, сил действующих на транспортную установку во время движения экипажа ВСНТ

3.2. Режимы пуска и торможения транспортной установки

3.2.1. Постановка задачи. Обоснование принятых допущений

3.2.2. Пуск (торможение) KCJIT при условии постоянства силы тяги (торможения)

3.3. Динамика движения транспортной установки с KCJ1T между пунктами назначения

3.3.1 Выбор типа нормировки дифференциальных уравнений

3.3.2. Система дифференциальных уравнений, описывающая движение транспортной установки на маршруте заданной протяжённости при постоянстве силы тяги (торможения)

3.3.3. Минимизация времени перемещения по маршруту заданной протяжённости

3.3.4. Процесс движения KCJIT при условии постоянства ускорения на участках разгона и торможения

3.3.5 Кинематические параметры транспортной системы в функции от времени в пути следования

Выводы к третьей главе

Глава 4. Технико-экономические показатели оборудования KCJ1T

4.1 Повышение значения энергетического параметра транспортной установки

4.1.1. Способы уменьшения электрических потерь в бортовых обмотках возбуждения

4.1.2. Краткая характеристика гиперпроводниковых материалов

4.1.3. Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники

4.2. Минимизация совокупной массы крипроводникового материала и хладагента (КП и ХА) бортовых электромагнитов при различных режимах работы рефрижераторной установки

4.2.1. Совокупная масса КП и ХА при открытом цикле работы рефрижераторной установки

4.2.2. Совокупная масса КП и ХА при закрытом цикле работы рефрижераторной установки

4.3 Критерии первичной оптимизации основного электрооборудования ТУ с КСЛТ

4.4 Статический преобразователь как элемент внутренней системы энергоснабжения КСЛТ на переменном токе

4.4.1. Требования, предъявляемые к статическому преобразователю

4.42. Сравнение структурных схем энергоснабжения бортовых электромагнитов

4.43. Описание выбранного варианта структурной схемы статического преобразователя

4.4.4. Определение массо-габаритных параметров силовых элементов статического преобразователя и устройств компенсации реактивной мощности

Выводы к четвёртой главе

Глава 5. Экспериментальные исследования

5.1. Задачи исследования. Обоснование принятой модели экспериментальной установки

5.2. Описание экспериментальной установки

5.3 Методика проведения эксперимента

Выводы к пятой главе

Для большинства промышленно развитых стран мира характерен неуклонный рост перевозок пассажиров, который может быть обеспечен за счёт повышения провозной и пропускной способности транспортных систем. При этом одновременно предполагается и повышение качества транспортного обслуживания: уменьшение затрат времени на поездку «от двери до двери», уменьшение наполняемости подвижного состава в часы «пик», сокращение межпоездных интервалов.

Основная доля пассажирских перевозок в мире выполняется железнодорожным транспортом.

Задача повышения эффективности работы железнодорожного транспорта решается путём увеличения скорости перевозок.

При решении этой задачи в рамках традиционной транспортной системы «колесо-рельс» достигнуты определённые успехи [85], однако данной системе присущ ряд недостатков, в частности, зависимость тяговых характеристик системы от сил сцепления, что обуславливает поиск принципиально иных решений данной проблемы.

Одним из альтернативных ответов на данную задачу является создание систем высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) с использованием магнитного подвешивания транспортной установки.

Главной особенностью ВСНТ с магнитным подвесом (МП) является отсутствие механического контакта подвижного состава с путевым полотном.

По сравнению с традиционным железнодорожным транспортом с системой «колесо-рельс» ВСНТ с МП имеет следующие преимущества:

-большие полезные нагрузки подвижного состава;

- более высокие значения эксплутационных скоростей движения (до 500 км /час и выше);

- пониженный уровень шума;

- меньшие расходы на эксплуатацию и ремонт пути;

- значительно меньшее негативное воздействие на окружающую среду (обусловлено снижением землеотвода под строительство трассы);

- более высокая степень безопасности движения транспортной системы (достигается за счёт размещения путевой структуры на эстакаде специальной конструкции).

Названные преимущества ВСНТ на магнитном подвесе позволят ему быть конкурентно способным не только с традиционными железными дорогами, но и с авиационным и автомобильным транспортом. Главным недостатком ВСНТ с МП считается его несовместимость с существующей сетью железных дорог.

Работы по созданию транспортных систем с подвижным составом на магнитном подвесе с линейным электроприводом были начаты в 60-х годах XX века. В настоящее время данные разработки особенно активно ведутся в ФРГ, Японии, США, Великобритании и Канаде. Следует отметить, что возрастание в последнее время интереса к транспортным системам с магнитным подвесом, отчасти обусловлено результатами расследования причин, произошедшей в 1998 году в Германии крупнейшей железнодорожной катастрофы пассажирского экспресса IGE [67].

Эффективность использования этого вида транспорта зависит от расстояния, скорости движения и пассажиропотока.

Создание ВСНТ на магнитном подвесе способствует экономическому росту за счёт внедрения новейших достижений научно-технического прогресса и содействует укреплению престижа России как одной из ведущих стран с высокоразвитыми транспортными системами.

Электромагниты, обеспечивающие подвешивание подвижного состава ВСНТ, как правило, размещаются на экипажах ТУ. Используются преимущественно два типа магнитных подвесов - электромагнитный (ЭМП) и электродинамический (ЭДП).

ЭМП осуществляется с помощью обычных электромагнитов постоянного тока; подвешивание экипажей обеспечивается силами притяжения электромагнитов к неподвижному ферромагнитному рельсу путевой структуры. При этом достигается сравнительно небольшая высота подвешивания (=10мм), что предъявляет высокие требования к точности изготовления и установки путевого полотна. С увеличением скорости движения подвижного состава уменьшается сила притяжения электромагнитов к феррорельсу. Для поддержания требуемой высоты подвешивания в процессе движения необходимо изменять величину тока возбуждения электромагнитов с помощью быстродействующей системы управления.

Действие ЭДП основано на использование сил отталкивания, возникающих между магнитным полем, размещённых на подвижном составе сверхпроводящих электромагнитов постоянного тока и индуктированными ими токами в путевом немагнитном полотне сплошного или дискретного типов. ЭДП по сравнению с ЭМП позволяет получить на порядок большую высоту подвешивания (100-200 мм). ЭДП присуще естественная вертикальная устойчивость. При стоянках и малых скоростях движения подвешивание подвижного состава не обеспечивается.

Для обеспечения продольного перемещения состава в транспортных системах с МП используются тяговые двигатели в виде линейных асинхронных двигателей (ЛАД) или линейных синхронных двигателей (ЛСД) различных модификаций.

ЛАД отличаются простотой конструкции, высокой надёжностью и как следствие низкими эксплутационными расходами.

Транспортные системы с ЛСД характеризуются высоким значением коэффициента мощности при наличии большого воздушного зазора в системе.

При использовании ЛАД и ЛСД изменение скорости движения поезда осуществляется посредством системы управления, обеспечивающей регулирование параметров электроэнергии (напряжения и частоты).

В большинстве действующих линиях и проектах ВСНТ с МП предпочтение отдаётся эстакадному варианту пути. Поскольку подвижной состав создает распределённую нагрузку на путевую структуру, то эстакада может быть выполнена облегчённой конструкции. Эстакадный вариант выполнения путевой структуры исключает проблемы, связанные с пересечением пути с другими транспортными магистралями; снижает трудоёмкость прокладки трассы, а также приводит к существенному уменьшению полосы отчуждения вдоль трассы и не требует установки дорогостоящих ограждений.

Первой страной, создавшей коммерческую линию наземного транспорта с МП, является Великобритания, где в 1984 году введена в эксплуатацию пассажирская линия длиной 600 м, связывающая аэропорт города Бирмингема с железнодорожным вокзалом. Скорость перемещения состава с ЛАД и ЭМП составляет 40 км/час; вместимость - 40 пассажиров.

Опыт эксплуатации данной ТУ показал, что у наземного транспорта с МП затраты на обслуживания и ремонт пути не превышают 15 % от аналогичных затрат для железнодорожного транспорта [98].

Наиболее существенные практические результаты в решении проблемы создания ВСНТ с МП достигнуты в Германии и Японии.

Первоначально исследования по созданию этого вида транспорта в Германии проводились по двум направлениям, предусматривающим использование ЭМП (фирма - «Мессершмит-Белков-Блюм») и ЭДП (фирма - «Телефун-кен», «Браун-Бовери», «Сименс»). Экспериментальные исследования транспортных установок с ЭМП начались в 1971 году на испытательном полигоне под Мюнхеном. Такие установки получили название «Transrapid», которым в зависимости от модификации присваивались соответствующие номера.

Испытания транспортных установок с ЭДП типа ЕЕТ начали проводиться с 1975 года на кольцевом полигоне длиной 900 м в Эрлангене.

К 1980 году из двух вариантов в Германии выбор был сделан в пользу ВСНТ с ЭМП. В Эмсленде был создан специальный полигон в виде двух кольцевых петель, соединённых прямоугольным участком; общая длина пути - 31.5 км, высота эстакады - 5 м. На данном полигоне на протяжении нескольких лет проводились испытания двухсекционного поезда «Transrapid» с ЛСД и

ЭМП различных модификаций при скоростях движения до 500 км/час. Вместимость каждой секции составляет около 100 пассажиров.

Разработан проект использования данной транспортной системы для скоростной линии Гамбург-Берлин (292 км), прорабатываются также проекты применения системы «Transrapid» на маршрутах «мегаполис-аэропорт» в различных странах мира [81,106].

В Германии проводилась также работа по созданию ВСНТ с МП городского типа. Такая транспортная линия длиной 600 м введена в эксплуатацию в Берлине в 1987 году. Движение поезда осуществляется с помощью системы «колесо-рельс» с применением постоянных магнитов для уменьшения нагрузки на путь. Вместимость поезда 150 пассажиров. В качестве тягового привода применён ЛСД. Скорость движения - 100 км/час.

Исследования в области ВСНТ с МП в Японии ведутся с начала 60-х годов XX века. Управление национальных железных дорог (JNR) решает проблему создания транспорта с ЭДП и ЛСД, а Японская авиационная компания (JAL) занимается разработкой транспорта с ЭМП и ЛСД.

Для проведения испытаний транспортных установок с ЭДП и ЛСД был создан полигон длиной 7 км в районе Миядзаки. В 1979 году при испытании установки ML-500 (т = ЮТ) был установлен мировой рекорд скорости движения для ВСНТ с МП - 517 км/час. Левитация экипажа достигалась при скорости движения, превышающей 120 км/час, высота подвеса установки равнялась 100-120 мм.

После модернизации путевой структуры была создана новая трёхвагон-ная установка с вагонами типа MLU (т - ЗОТ), испытания которой проводились на опытном участке длиной 18 км под Токио.

ВСНТ с ЭДП и ЛСД в Японии предполагается использовать на маршруте Токио-Осака (550 км) со временем движения по маршруту 1 час 40 минут.

Первая установка с ЭМП и ЛСД типа HSST (m = 1.8Т) была испытана в Японии на опытном полигоне Токио-Бэй (Кавасаки) длиной 1.6 км в 1978 году и развила максимальную скорость 308 км/час. Разработан проект 3-х секцион

- 10ного поезда с вагонами типа HSST общей вместимость 340 пассажиров и массой 81 Т. В 2005 году планируется ввести в эксплуатацию коммерческую линию (11 км), оснащённую вагонами типа HSST для связи города Нагайя с международным аэропортом [106].

Исследования по созданию ВСНТ с МП в США проводились под руководством Федерального управления железнодорожного транспорта и были направлены на использования ЭДП для междугородних перевозок, а ЭМП для маршрутов типа «город-аэропорт».

В 1988 году в Лас-Вегасе Вегасе введён в эксплуатацию первый участок внутригородской линии ВСНТ с ЭМП и ЛАД длиной 2 км. Трёхвагонный состав (типа HSST) осуществляет перевозку пассажиров со скоростью 65 км/час.

С начала 70-х годов проводятся исследования ВСНТ с ЭМП и ЭДП в Канаде.

Согласно сообщениям средств массовой информации в декабре 2002 года в Китае введена в действие коммерческая линия ВСНТ с ЭМП и ЛСД, связывающая город Шанхай с аэропортом. Протяжённость линии около 30 км, линия выполнена на основе транспортной системы «Transrapid».

Работы по созданию транспорта на магнитном подвесе с линейным приводом в нашей стране ведутся с 1975 года и направлены в основном на создание новой транспортной системы для скоростных городских и пригородных перевозок. В частности в разработках, выполняемых инженерно-научным центром (ИНЦ) «ТЭМП» (г.Москва) используется принцип электромагнитного подвеса. Испытания экипажа (т=147), разработанного ИНЦ «ТЭМП» проводятся на полигоне длиной 850 м под городом Раменское Московской области с середины 80-х годов при небольших скоростях движения [81].

Стремление к уменьшению совокупной массы электрооборудования экипажа ВСНТ на магнитном подвесе обусловило потребность в разработке транспортных систем, характеризующихся универсальностью использования бортовых электромагнитов.

Предложение по применению для электропитания обмоток возбуждения экипажа ВСНТ однофазного переменного тока было выдвинуто в 1983 году авторским коллективом сотрудников ЛИИЖТа (Байко А.В., Ким К.И., Кочетков В.М.) на международной конференции по магнитным технологиям (Grenoble-France) [104].

Данную систему ВСНТ принято называть комбинированной системой левитации и тяги (KCJ1T) на однофазном переменном токе (ОПТ).

В [9, 10, 96] предложен вариант тягового устройства транспортного средства, в котором сила тяги и левитации создаётся единым набором электромагнитов в результате взаимодействия переменного магнитного поля вихревых токов путевого полотна с токами обмотки возбуждения, при этом реализуется электродинамический принцип подвешивания. По мнению создателей данной ТУ [9,10] её использование наиболее рационально на маршрутах относительно небольшой протяжённости типа «мегаполис - города спутники ».

Отличительной особенностью рассматриваемой ТУ является возможность получения требуемой высоты подвеса экипажа во всём диапазоне изменения скорости движения установки, в том числе и при нулевом её значении, т.е. на стоянках. Данное свойство KCJIT выгодно отличает её как от системы ВСНТ с электродинамическим подвесом постоянного тока, так и от трёхфазного варианта [10,64] данной системы.

По сравнению с трёхфазными вариантами KCJ1T на однофазном переменном токе позволяет также существенно упростить систему подвода электроэнергии к движущему экипажу.

Относительная простота конструкции путевого полотна KCJIT в отличие от путевой структуры ВСНТ с традиционным электродинамическим подвесом и синхронным тяговым линейным двигателем обуславливает заметную экономию проводникового материала на единицу длины трассы и ведёт к уменьшению эксплутационных расходов.

Как отмечено в работе [9,10,16] эффективность KCJIT существенно зависит от величины электрических потерь в обмотках возбуждения экипажа.

- 12

Радикальный способ их уменьшения заключается в использовании крио-проводников при изготовлении активной части бортовых электромагнитов установки.

К недостаткам KCJIT на переменном токе следует отнести отсутствие пускового усилия и относительно небольшое значение коэффициента мощности системы.

Согласно [16, 96] для создания пусковой (тормозной) силы в KCJIT предлагается преобразование исходной одной переменно-полюсной системы на период пуска (торможения) в две переменно-полюсные системы. При одновременном обеспечении фазового сдвига между токами в электромагнитах систем, посредством последовательного включения с катушками одной из систем активных и емкостных сопротивлений.

Потребная величина активно-емкостных элементов при этом способе пуска (торможения) приводит к увеличению массо-габаритных показателей транспортной системы в целом. При этом в пуско-тормозных элементах имеют место относительно большие потери мощности.

Исследования, проведённые в [9,10] показали, что наличие ферроэлемен-тов, расположенных на трассе под электропроводящим полотном способствует существенному увеличению силы тяги установки, при сохранении практически неизменной величину силы левитации.

Для систем постоянного тока применительно к ВСНТ с электродинамическим подвесом было показано, что наличие неподвижных ферроэлементов, установленных над катушками обмотки возбуждения на путевой структуре, также дает положительный эффект - определённое увеличение силы левитации [46].

Как было отмечено выше для KCJ1T на однофазном переменном токе характерно относительно небольшое значение коэффициента мощности. Повышение этого энергетического показателя системы посредством использования только статических конденсаторов как предложено в [ 16,96] представляется не достаточно эффективным способом.

В работах посвященных разработке теории КСЛТ [9,10,11,16] задача определения силовых и энергетических показателей установки, ограничена, в настоящее время рассмотрением двухпеременно-полюсной системы при фиксированном значении угла регулирования {тг/2 и я ).

Следует также отметить вклад, внесенный в разработку отдельных вопросов теории КСЛТ авторским коллективом физико-энергетического института АН Латвийской ССР [79].

С учётом вышеизложенных фактов, целью работы является получение теоретических и технических решений, обеспечивающих повышение эффективности работы КСЛТ на переменном токе ВСНТ.

Для достижения сформулированной цели, задачи исследования, представленного в диссертационной работе могут быть сформулированы следующим образом:

1. Обобщение элементов теории КСЛТ применительно к случаю произвольного закона (правила) изменения н.с. обмоток возбуждения установки.

2. Совершенствование способов управления КСЛТ в различных режимах работы.

3. Разработка методики расчёта кинематических характеристик ТУ при движении по маршруту заданной протяженности.

4. Разработка технических решений направленных на повышения энергетических и тяговых параметров транспортной системы.

5. Экспериментальная проверка достоверности теоретических исследований.

Основные результаты работы изложены в статьях [12-15,17,86- 140

88,97,99,105]

Направление дальнейших исследований КСЛТ может быть сосредоточено на оптимизации параметров бортовых ферроэлементов; на рассмотрение альтернативных законов регулирования н.с. обмотки возбуждения и выработке критериев их сравнения.

Автор выражает глубокую благодарность доценту Андрею Валериановичу Байко за научные консультации по теории комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе.

Заключение

Проведенные исследования ТУ с комбинированной системой левитации и тяги на однофазном переменном токе позволяет сделать следующие выводы:

1. В приближении бесконечно широкого полотна получены аналитические выражения для определения электродинамических сил, действующих на подвижную часть KCJIT, а также тепловыделений в путевом полотне при произвольном законе регулирования н.с. бортовых электромагнитов обмотки возбуждения.

2. Для случаев изменения н.с. по правилу (закону), характерному двух-переменно-полюсной системе и правилу «кратного угла» получены аналитические выражения для определения удельных значений энергетических показателей ТУ.

3. Разработана и официально зарегистрирована программа для ПЭВМ по расчёту удельных показателей качества комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе ВСНТ.

4. Теоретически и экспериментально обоснована эффективность использования ферроэлементов на борту экипажа с КСЛТ, которые обеспечивают повышение величины электродинамической силы, действующих на активную часть ТУ.

5. Для математической модели, характеризующейся постоянством силы тяги (торможения), получены аналитические выражения для определения кинематических характеристик ТУ в пуско-тормозных режимах работы. Определены диапазоны изменения данных характеристик для экипажа массой 40т.

6. Для случая движения ТУ по маршруту заданной протяженности получены аналитические зависимости, определяющие кинематические характеристики установки. Проведена минимизация совокупного времени движения транспортного устройства.

7. Для случаев работы рефрижераторной установки в открытом или за

- 139крытом цикле охлаждения получены аналитические зависимости, позволяющие минимизировать совокупную массу проводникового материала обмотки возбуждения и хладагента. Окончательный выбор режима функционирования рефрижераторной установки экипажа КСЛТ следует делать не только с учётом массо-габаритных показателей сравниваемых вариантов, но и принимать во внимание эксплуатационные условия работы транспортной системы.

8. Получены аналитические выражения, которые позволяют провести первичную оптимизацию обмотки возбуждения транспортной системы по предложенным критериям.

9. Предложена и официально зарегистрирована как полезная модель структура организации внутреннего энергоснабжения обмотки возбуждения КСЛТ, повышающая энергетические и тяговые показатели установки.

10. Результаты экспериментальных исследований КСЛТ на установке дискового типа указывают на корректность принятой теоретической модели. Максимальное расхождение расчётных и опытных данных составляют: для сил левитации 11%, для сил тяги 9% .

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 4-th international conference on unconventional electromechanical and electrical system UEES-01, 9-14 September 2001 (Szeczin, Poland); научно практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего востока», 18-21 октября 2001 г., ДВГУПС (Хабаровск-Владивосток 2001); международном симпозиуме Eltrans 2001. «Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность и перспективы», 23-26 октября 2001 г., ПГУПС (г. Санкт-Петербург 2001); Всероссийской конференции Ассоциации технических университетов России по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах», 6-7 июня 2002 года (г. Санкт-Петербург 2002г.); 61 и 62 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Неделя науки-2001, 2002» (ПГУПС 2001, 2002).

1. Абрамовиц М., Стиган М. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами- М.: Наука, 1979830 с.

2. Автономные инверторы /Под. ред. Чалого Г.В.- Кишинёв.: Штиинца, 1974.-336 с.

3. Алябьев М.И. Математическая теория электрических машин- Л.: ВМАКВ, 1960.-551 с.

4. Анализ соответствия левитационных параметров вращающихся и линейных моделей электродинамического подвеса / Кочетков В.М., Макаров Е.Ф., Череватый А.В., Байков В.В. // Изв. вузов. Электромеханика-1979-№11.-с. 991-998.

5. Астахов В.И. Движение тонких проводников сложного профиля в магнитном поле // Изв. вузов Электромеханика.- 1979.- №11- с. 970-982.

6. Астахов В.И. Движение проводящей полосы в магнитном поле //Изв. вузов Электромеханика.- 1977.-№8-с. 867-870.

7. Бабичков A.M., Гурский П.А., Новиков А.П. Тяга поездов и тяговые расчеты-М.: Транспорт, 1971.-280 с.

8. Байко А.В. Комбинированная система левитации и тяги на переменном токе. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.- Л.: ЛИИЖТ, 1988.- 24 с.

9. Байко А.В., Кочетков В.М. Система левитации и тяги на переменном токе //Изв. вузов Электромеханика.- 1985 №11.- с. 40-47.

10. Байко А.В., Милютин В.А. Инженерная методика расчета сил, действующих на транспортную установку с комбинированной системой левитации и тяги на переменном токе // Изв. вузов Электромеханика.-1994.-№1-2 с.112-114.

11. Байко А.В., Хожаинов А.И. Конденсаторный способ пуска ВСНТ с комбинированной системой левитации и тяги на переменном токе //Электричество-1991- №4 с. 21-25.

12. Байко А.В., Стрепетов В.М. Программа расчёта удельных показателей качества комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе для ВСНТ.- Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002611552 от 9 09 2002 г.

13. Баррон Р.Ф. Криогенные системы-М.: Энергоиздат, 1989.-408 с.

14. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники М.: Высшая школа, 1961.-792 с.

15. Болюх В.Ф. Динамическое возбуждение криорезистивной обмотки от источника постоянного тока при наличии индуктивно связанных контуров //Электричество .- 2001 №3- с. 29-37.

16. Бочаров В.И. Анализ результатов и перспективы совершенствования и развития тяговых электродвигателей // Изв. вузов. Электромеханика-1982-№6.- с. 636-650.

17. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы М.: Мир, 1976704с.

18. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов-М.: Наука, 1976 608 с.

19. Васильев А., Солодкий А., Соколов М. Новый вид пассажирского транспорта для Санкт-Петербурга // Инженер путей сообщения СПб.- 1999-вып. 8- с.22-24.

20. Вассерман А.А., Казавчинский Я.З., Рабинович В.А. Теплофизиче-ские свойства воздуха и его компонентов М.: Наука, 1996 - 375 с.

21. Винокуров В.А. Высокоскоростной наземный транспорт на магнитном подвесе // Электротехника 1997.-№2- с. 13-16.

22. Вершинский С.В., Данилов В.Н., Челноков И.И. Динамика вагонов- М.: Транспорт, 1978-352 с.

23. Воеводский К.Э., Кочетков В.М. О расчете левитационных характеристик устройств электродинамического подвешивания с распределенными токовыми системами // Тр. ин-та инж. ж.-д. трансп.- М., 1981- вып. 683 с.16-20.

24. Воеводский К.Э., Мелик-Бархударян В.К. О расчете магнитного поля заданной системы токов // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт-1989.-№4.-с. 166-169.

25. Возможные варианты преобразователей частоты и напряжения для питания линейного двигателя на подвижном составе /Ротанов Н.А., Антюхин В.М., Назаров О.С., Суслова К.Н. // Изв. вузов. Электромеханика-1977.-№8 с. 895-900.

26. Выбор принципа управления линейными асинхронными двигателями (ЛАД) экипажа ВСНТ / Ротанов Н.А., Сидоров B.C., Назаров О.С., Шаров В. А., Антюхин В.М.// Тр. ин-та инж. ж.-д. трансп М., 1977 - вып. 572-с.88-101.

27. Высокоскоростной наземный транспорт с линейным приводом и магнитным подвесом / Под. ред. Бочарова В.И. и Нагорского В.Д.- М.: Транспорт, 1985.-279 с.

28. Высоцкий B.C. Проблемы создания сверхпроводящих устройств, работающих на промышленной частоте переменного тока (обзор) // Тр. физ. ин-та им. П.Н. Лебедева — «Физические процессы в сверхпроводящих устройствах».-М.: Наука, 1991.-т. 205.-c.3-23.

29. Гельфанд И.М., Шилов Г.Е. Обобщенные функции и действия над ними.-М.: Физматгиз, 1958, вып.1.-439 с.

30. Градштейн И.Н., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений М.: Изд-во физ. мат. литературы, 1963.-1100 с.

31. Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. Тяга поездов М.: Транспорт, 1987.- 264 с.

32. Добшиц И.Г. Выбор оптимальной формы обтекателя головной части высокоскоростного поезда / Тр. ин-та инж. ж.-д. трансп-М., 1981- вып. 683-с. 90-100.

33. Ермуратский В.В., Ермуратский П.В. Конденсаторы переменного тока в тиристорных преобразователях М.: Энергия, 1979 - 224 с.

34. Жемчугов Г.А., Круглин В.А., Самойлов С.Ф. Исследование автономной системы энергопитания космических аппаратов //Электричество .-1999,-№2.-с. 2-7.

35. Зельдович Я.Б, Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики.-М.: Наука, 1972.-592 с.

36. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей Л.: Энер-гоиздат, 1986.-488 с.

37. Калантаров ПЛ., Нейман JI.P. Теоретические основы электротехники.- J1.-M.: Гос. энергетическое издательство, 1951.-464 с.

38. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям.- М.: Наука, 1976.- 575 с.

39. Ким К.И., Микиртичев А.А. Магнитное поле в системе левитации гибридного типа // Изв. вузов. Электромеханика-1977-№8- с. 858-864.

40. Ким К.К. Использование магнитного подвеса на транспорте и в электромашиностроении СПб.: ПГУПС, 2002 64с.

41. Ким К.К. Электродинамика и характеристики систем электродвижения со сверхпроводящими обмотками и магнитным подвесом. // Автореферат на соискания учёной степени доктора тех. наук.- М.: МУИТ, 1998.- 49с.

42. Корн Г, Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров М.: Наука, 1978 - 832 с.

43. Костенко М.П.,Пиотровский JI.M. Электрические машины ч.-2-М.-JL: Государственное Энергетическое издательство, 1958.-652 с.

44. Кочетков В.М. О расчете сил, действующих на электродинамический подвес произвольной конфигурации // Электричество-1978 -№9- с. 56-59.

45. Кочетков В.М. Расчет левитационных характеристик при электродинамическом подвешивании высокоскоростных экипажей // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.- 1977 — №6 с. 110-119.

46. Кочетков В.М., Ким К.И., Трещев И.И. Теория электродинамической левитации. Основные результаты и дальнейшие задачи // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.- 1981.-№1- с. 72-91.

47. Криогенные электрические машины /Под. ред. Н.Н Шереметьевского-М.: Энергоиздат, 1985 168 с.

48. Кузнецов С.Е., Филёв B.C. Основы технической эксплуатации судового электрооборудования и автоматики СПб: Судостроение, 1995.-448с.

49. Кузнецов С.Е., Иванов Е.А. Методы контроля изоляции судовых электроэнергетических систем СПб: JIMOP, 1999 - 88 с.

50. Литовченко B.B. Определение энергетических показателей подвижного состава переменного тока с 4q-s преобразователями // Электротехника-1993.-№5.-с. 23-31.

51. Литовченко B.B. 4q-s четырёхквадрантный преобразователь электровозов переменного тока (принцип работы, анализ и экспериментальные исследования) // Изв. вузов. Электромеханика - 2000 - №3- с. 63-73.

52. Макаров Е.Ф., Череватый A.B. Об ошибках в измерении левитационных параметров на модельных установках с вращающимися путевыми структурами // Изв. вузов. Электромеханика.-1980.-№1.- с. 104-111.

53. Мышкис А.Д. Математика: Специальные курсы. М.: Наука, 1971.-632 с.

54. Нагорский В.Д., Девятова Н.О. О влиянии неровностей пути на динамику электромагнитного подвеса // Изв. вузов. Электромеханика-1977-№8.- с. 889-891.

55. Наземный транспорт 80-х годов / Под ред. Р. Торнтона // М.: Мир,1974.-184 с.

56. Насар С.А., Болдеа И. Линейные тяговые электрические машины-М.: Транспорт, 1981.- 176 с.

57. Новицкий Л.А. Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах Справочник М.: Машиностроение, 1975-216 с.

58. Накопители энергии / Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Ва-сюкевич П.В. // М.: Энергоиздат, 1991- 400 с.

59. Петров Г. Экспресс смерти // Секретные материалы 20 века 1999-№7.- с.11-12.

60. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями/ Солудонов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Ли-товченко В.В.; Под ред. А.М.Солодунова Рига: Зинатне, 1991 - 351 с.

61. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы.- М.: Высшая школа, 1976.- 336 с.

62. Проблемы создания высокоскоростного наземного транспорта и пути ее решения /Винокуров В.А., Исаев И.П., Марквард К.Г., Нагорский В.Д. // Тр. ин-та инж. ж.-д. трансп.- М., 1981.- вып. 572.- с.З-17.

63. Проводниковые материалы / Под ред. Л.Ш. Казарновского /.- М.: Энергия, 1970.- 88 с.

64. Розенфельд В.Г., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической ^ тяги М.: Транспорт, 1983 - 328 с.

65. Свалов Г.Г., Белый Д.И. Сверхпроводящие и криорезистивные обмоточные провода-М.: Энергия, 1976 168 с.

66. Сверхпроводящие машины и устройства / Под. ред. С. Фонера и Б. Шварца.-М.: Мир, 1977.- 763 с.

67. Свечарник Д.В. Линейный электропривод- М.: Энергия, 1979.152с.

68. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессиона- лов.- М.: Солон-Р, 2001.- 327 с.

69. Силовые преобразовательные устройства НИИЭФА-ЭНЕРГО //СПб.: "ДиО", 2001.-15 с.

70. Силовые электрические конденсаторы Справочник //М.: Энергия,1975.-167с.

71. Сика К.Н, Куркалов И.И., Петров Б.А. Электродинамическая левитация и линейные синхронные двигатели транспортных систем Рига: Зинатне, 1988.-258 с.

72. Смахтин В.А., Швец Ю.П. Особенности энергообеспечения экипажей ВСНТ различных систем // Изв. вузов. Электромеханика-1979 №11.-с.1041-1044.

73. Соколов Ю.Д., Галенко А.А., Коновалов В.В. Скоростной наземный транспорт с магнитным подвесом и линейным электроприводом // Полёт-1999.- №1.- с. 36-41.

74. Специальные электрические машины /Под. ред. А.И. Бертинова .М.: Энергоиздат, 1982- 552 с.

75. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под. ред. М.П. Малкова.-М.: Энергоатомиздат, 1985 432 с.

76. Сравнение системы на магнитном подвесе с традиционной колесо-рельс // Железные дороги мира 2001.- №4 - с. 33-39 (R. Breimeier Glasers Annalen-2000.-№9.- s. 485-495).

77. Тамм И.Е, Основы электричества- М.: Изд-во технико-теоретической лит-ры, 1954-619 с.

78. Техника низких температур / Под. ред. Е.И. Микулина, И.В. Мар-фениной, A.M. Архарова М.П. /.- М.: Энергия, 1975 512 с.

79. Технико-экономическое обоснование системы токосъема ВСНТ и системы бортового электроснабжения при ЭМП и ЛАД / Грибачев О.В., Швец Ю.П., Смахтин В.А., Розанов B.C., Ерофеева М.М. // Изв. вузов. Электромеханика-1985.-№1- с. 96-100.

80. Транспорт с магнитным подвесом / Под ред. Бочарова В.И., Нагор-ского В.Д. М.: Машиностроение, 1991.- 320 с.

81. Трещев И.И., Кочетков В.М., Юдаков Ю.В. Некоторые вопросы теории электродинамического подвешивания экипажей ВСНТ И Изв. вузов. Электромеханика.-1977.-№8 с.871 -874.

82. Уилсон М. Свехпроводящие магниты М.: Мир, 1985 - 405 с.

83. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика М.: Наука, 1964- 816 с.

84. Устройство тяги на переменном токе транспортного средства Хожаинов А.И., Байко А.В., Зубов В.И., Милютин В.А.- Патент на изобретение №1818260 от 27.06.89.- Бюлл. №20, 1993.

85. Устройство тяги на переменном токе транспортного средства Хо-жаинов А.И., Милютин В.А., Середа Т.Е., Стрепетов В.М.- свидетельство на полезную модель № 11513 от 16.10.1999.

86. Хожаинов А.И., Лупкин Д.М., Середа Г.Е. Сравнительная эффективность транспорта на магнитном подвесе //Железнодорожный транспорт.-1989,-№9.-с. 34-37.

87. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. М.: Энергия, 1971.- 432 с.

88. Чурков Н. Аэродинамика подвижного состава // Инженер путей со-общения-1999 -вып.8.- с.25-27.

89. Шаповаленко А.Г., Гаврилюк В.А., Зукин ПЛ. Анализ систем магнитных опор устройств электрической тяги высокоскоростного наземного транспорта и выбор направлений дальнейших разработок // Изв. вузов. Элек-тромеханика-1977- №8.- с. 879-881.

90. Электрические передачи переменного тока тепловозов и газотурбовозов / Степанов А.Д., Андерс В.И., Пречисский В.А., Гусевский Ю.И. // М.: Транспорт, 1982.-254с.

91. Baiko A.V., Kim K.I., Kochetkov V.M. The combined А.С/ system for levitation and propulsion 8-th International Conference on Magnet Technology. 5-9 Sept. 1983, Grenoble-France.-Abstracts-p. 65.

92. J.F. Gieras HSST electromagnetic levitation system // Proc. of the 3-th international conference on unconventional electromechanical and electrical system UEES-97, 19-21 September 1997 Technical University Press - Szeczin, Poland .p. 93-97.

93. Mehta et. al. Transforming transformers //Proc. of ISEE-95, Thes-salaniki-1995 — p. 323-326.

94. P. Mnich, D. Rogg, M. Mitt Stand und Vergleich der Magnetschnellbahn systeme in Deutschland und Japan // eb. Elektrische Bahnen 97 (1999).-№12-p.410-420.

95. K. Wada, T. Kinugsa, H. Hayafuji An experimental investigation on the aerodynamic characteristics of the model of a presumed high speed levitation vehicle // Repts. Fac. Sei. and Technol. Meijyo Univ.- 1981.- №21-p. 166- 173.