автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение экономичности вспомогательных электроприводов с асинхронными двигателями на локомотивах

3 ой

МПС РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

На правах рукописи

Цыкунов Ерий Ерьевич

УДК 621.313.33 : 621.314.632

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ НА ЛОКОМОТИВАХ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте тепловозов и путевых машин (ВНИТИ) и Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Феоктистов В.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ерофеев Е.В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Козаченко Е.В.

Ведущая организация - Служба локомотивного хозяйства Московской ж. д.

Защита диссертации состоится "25т 1998г. в К часов

на заседании диссертационного совета Д 114. 05. ОТ в Московском государственном университете путей сообщения по. адресу. 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд. Ч'-гО-Э

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета. _ <г~

Автореферат разослан "20" 1998г. Отзывы на авторе-

ферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь ртационного совет д.т.к. профессор Власов С.П.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется ростом мощности вспомогательных электроприводов на электровозах и тепловозах (компрессоры, вентиляторы, насосы, генераторы), причем единичная мощность двигателей достигает 100-150 кВт. Суммарное энергопотребление вспомогательных электроприводов локомотива достигает при движении с поездом до 12-18% от общего расхода энергии. Ранее предложено и внедрено значительное количество систем регулирования вспомогательных электроприводов, в которых использованы принципы ступенчатого, а в отдельных случаях -плавного регулирования скорости и ,соответственно, производительности вспомогательных машин. Например, для мотор-вентиляторов и мотор-насосов такое регулирование необходимо реализовать в функции электрической загрузки охлаждаемого силового оборудования. Для мотор-компрессоров необходимо регулирование пусковых режимов. Средствами управления и регулирования можно снизить энергопотребление на вспомогательные нужды локомотива в 2-3 раза. Технические возможности современной полупроводниковой техники, в частности, серийное производство тиристоров СТО и транзисторов 1СВТ (биполярных ЬТИ силовых транзисторов Дарлингтона с условием отсутствия малых р-^ктивных токов), а также наличие микропроцессорных блоков управления и регулирования, позволят решить задачу регулирования вспомогательных машин средствами современной теории автоматического управления. Особенно актуальна эта задача для вспомогательных электроприводов с асинхронными трехфазными двигателями при использовании частотного регулирования, поскольку такой привод наиболее перспективен для новых электровозов и тепловозов.

Цель работы состоит в повышении экономичности вспомогательных электроприводов с асинхронными двигателями на локомотивах при питании этих двигателей через полупроводниковые преобразователи напряжения и частоты. Эта цель достигается использованием экстремального минимаксимального регулятора (ЭММР), реализующего принцип минимаксимума Вейерштрасса.

Научная новизна состоит в следующем:

- обосновано понятие критерия полной управляемости для асинхронного электродвигателя. Критерий выведен как в общем виде, так и для конкретного электродвигателя в системе вспомогательного электропривода на локомотиве;

- разработана структура вспомогательного электропривода для локомотива с использованием экстремального регулятора и силоеого полупроводникового преобразователя, обеспечивающая оптимизацию по критерию полной управляемости асинхронного двигателя с реализацией алгоритмов регулирования по минимуму тока статора и максимуму момента с компенсацией неадекватности принятой модели реальному двигателю;

- уточнена математическая модель привода с асинхронным двигателем, содержащая линейные дифференциальные неоднородные уравнения второго порядка, на основе чего обоснованы критерий полной управляемости для асинхронной машины, а также развита методика оптимизации системы регулирования.

Методика исследования сводится к оптимизации вспомогательного электропривода и базируется на анализе уравнения Вейерштрасса. При дифференцировании данного уравнения по обобщенным координатам получаются дифференциальные линейные неоднородные уравнения второго порядка. Для асинхронной машины получены линейные неоднородные дифференциальные уравнения (10), (11) и их

решения представлены в виде интегрируеыах функционалов (1), (2).

Неоднородные коэффициенты и коэффициенты данных оптимальных решений определяют параметры асинхронной машины АМВ-75 с переменными значениями ротора. Критерий полной управляемости данной асинхронной машины, как нелинейного обьекта, обосновывается в работе в виде постоянства величин коэффициентов Z H^/Z^ Dig W3, Hir/Dir Wr, Gi3/Di3, Gir/Dir, Dir/Ij.r, Dis/Iis линейных дифференциальных неоднородных уравнений второго порядка при всех частотах f3 и отношениях U3/f3, при постоянных Rr и Lr.

Установлено также, что для критерия полной управляемости

асинхронной машины по дифференциальным уравнениям (10) и (11) в виде равенства ранга матрицы N, полученного из определителей этих уравнений, ранг матрицы управления должен быть не менее ранга матрицы состояния. В этом случае выполняются основные требования к критерию полной управляемости по количеству обратных связей для решения этой системы уравнений, абсолютная величина матриц состояния AM Судет постоянной. Критерий полной управляемости выполняется при любом отношении U3/f3 напряжения и частоты. Критерий полной управляемости выполняется при любом произведении момента и круговой частоты статора M*W3 при данной частоте ротора асинхронного двигателя.

Данная методика относится к обоснованию уравнения Вейергатрасса-2 и алгоритма управления, обеспечивающего компенсацию неадекватности модели конкретной асинхронной машине в системе вспомогательного электропривода локомотива. Регулирование приводов осуществляется экстремальным регулятором, входящим в состав силового полупроводникового преобразователя частоты.

Практическая ценность определяется возможностью реализации предложения по применению экстремальных минимаксимальных

регуляторов для управления вспомогательными электроприводами на локомотивах. Технические решения могут использоваться при проектировании преобразователей, выполненных на тиристорах СТО, на ЬТИ биполярных транзисторах и ЮВТ транзисторах. Основные результаты работы использованы при создании во ВНИТИ

электропривода мощностью 86 кВА с питанием асинхронного двигателя мотор-вентилятора от непосредственного преобразователя частоты типа ПЧ-ТТЕ-125-380-УЗ (МТТПЧ-125-Э90-УТЗ) . Внедрение выполнено также на электроприводах с двигателями ИВ98-Б2 (мощностью 1кВт, нагрузка вентиляторного типа) при питании от транзисторного преобразователя МТПЕ-5-380-УЗ 1Р20.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе одно изобретение.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- 2-ой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", г. Москва, МИИТ, 24-26 сентября 1996 г.;

- 4-ой международной научно-технической конференции, посвященной "100-летию Московского Государственного Университета путей сообщения", г. Москва, МИИТ, 28-31 октября 1996 г.;

- научно-технических семинарах кафедры "Электрическая тяга", МИИТ, 1991-1998 гг.;

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения на 9 листах. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, иллюстрирована 38 рисунками, имеет 9 таблиц. Список литературы включает 78 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность разработки новых алгоритмов регулирования для вспомогательных электроприводов с асинхронными электродвигателями переменного тока и преобразователями частоты на перспективных локомотивах.

В первой главе приведен анализ тенденций развития систем регулирования и путей оптимизации вспомогательных электроприводов на локомотивах. Для сравнительного анализа приводятся дифференциальные уравнения и расчетные структурные схемы асинхронной машины с системой управления и регулирования, описывающие , динамику в системе координат, связанной с модулем вектора пото-косцепления ротора [Ч^!. Обратные связи по току ротора и потокосцеплению данной системы возможно применить только в расчетных моделях и поэтому они подвергаются оптимизации.

В данной главе нашли отражение следующие оптимизирующие зависимости. Сформулирован критерий полной управляемости

асинхронной машины как нелинейного объекта по количеству обратных связей. На основании критерия разработана методика решения дифференциальных уравнений второго порядка, описывающая асинхронный короткозамкнутый электродвигатель в переходных режимах его работы во вспомогательном приводе локомотива. Она позволила найти следующие зависимости для токов статора и ротора асинхронной машины:

-(я',+дутг) ¡И^М 20«, /£*,

I, = е +/о^зтV+(Н^ /г^му.

'(2 Оц т^Ш^-^ов!^ 1[[2 /А,)2 + Л!) )

, (1)

-(Wr + HJVr) ¡HirWrt 2 Gjrt ¡Dir

!r = l VsH + IrOGir /»,r"»V + ("/r lWrD,rV

*{2 Gr /D^inlbt-ItrUMlbty, Д(2 G». /D+f + /¿j j , (2)

где Z, Zjt - приведенные сопротивления . фазы;

2 Gir = Ri Л-r+Rs A* (3)

2 Gis = (ws + Wr)«*© , (4)

Iir = ^RaRr АчЦ-_ WBWr ai^©j( 1 - a) , (5)

Ii8 = ^WsWr(ct»2©-l /(l-a)J . (6)

Неоднородные члены дифференциальных уравнений асинхронной машины (10) и (11) записаны в виде:

Hjr = Wt(l-a)»n© corf До , (7)

Hjs = Wrn»f /Lj(l-o) (8)

На рис. 1 приводятся графики расчетных значений токов статора мотор-вентилятора ДМВ-75.

ио-'с

20

40

60

80

100

120

Рис.1 График тока статора мотор-вентилятора ДМВ-Т5.

Во второй главе исследованы характеристики электропривода с электродвигателем АМВ-7 5 при регулировании по опорному вектору потокосцепления ротора. Обосновывается приведенное в расчетах

для асинхронных приводов в общем виде уравнение Вейерштрасса-2

...

8Д=1

где функция Гамильтона;

дг - координаты системы управления объектом;

qs - внешние (соординаты объекта;

Ч? з - производная внешних координат (измеряемой силы

тока);

qr) - функция Лагранжа. Данное уравнение было получено автором путем алгебраической подстановки уравнения полной энергии колебательной системы в известное уравнение Вейерштрасса. Так как принятая в работе функция управления П£)=> 0 стремится к нулю (малой величине), то мощности управления и регулирования малы. Поэтому никаких нарушений принципа сохранения полной энергии исследуемого объекта - системы АД-П-САУР - не происходит. Дифференцируя в общем виде уравнение Вейерштрасса-2 , с!Е2/с!дз и с1Е2/с!дН+з, по обобщенны;.: координатам (яэ) и силе ^Ы+э), получаем в первом уравнении связь микро и макрокоординат. А второе уравнение - это неоднородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка, и с ним связаны основные оптимизирующие зависимости.

К виду последнего уравнения преобразованы также и уравнения асинхронного двигателя по известной монографии К. П. Ковача и И. Рана

в переходных и установившихся режимах работы, а именно:

.VиО*

Ёг. а I

/

(1 -<т)1г

Ш,

а I

где

Л

1-ст.

1,=

и/Гг{1 -£г)вш© сое/ (Д/ + /) (Л/ + г)

(10) <И>

Тз , Ч^ - потокосцепление статора и ротора;

, - активное сопротивление статора и ротора; с - коэффициент рассеяния; © -угол между 1г и 13;

1<д <ЬГ - индуктивность фазы статора и ротора; Ьо - индуктивность намагничивающего контура;

#ИГ - круговая частоты статора и ротора АМ; Ц3 - напряжение на схеме замещения АМ.

Таким образом, проведенные вычисления для исследуемой

системы по модулю потокосцепления ротора по сравнению с предложенными зависимостями позволяют сделать вывод, что значение тока фаз по ! Ч^! составляет в номинальном режиме 144А, что меньше, чем в реальной машине на НА или на 7.1%.

Для построения методики расчета тока и напряжения по минимуму тока статора и максимуму момента от скольжения использованы полученные зависимости по формулам (12,; 13) в статических режимах работы асинхронной машины АМВ-75 (ки, ке -обмоточный коэффициент, распределения):

I, = 1,73к,иф

, (12)

к„Ъс Ь,

2

1

графиях К.П.Ковача, И.Раца., А.С.Сандлера, Р.С.СарСатова, В.В. Домбровского, Г.М. Хуторецкого, М.Г. Чиликина, В.И. Кпючева.

Наличие двух экстремумов характеристик асинхронного двигателя справедливо ставит вопрос о совпадении минимума тока статора и максимума момента двигателя. Совпадение их возможно в частном случае. А отождествление их не происходит по причине сложности выполнения условия совпадения минимума для зависимости тока от напряжения и максимума зависимости момента от скольжения. Эти характеристики более удобны для реализации систем управления и регулирования, но для сравнительного анализа должна быть принята одна и та же система координат.

Обосновано понятие критерия полной управляемости [1] для асинхронного электродвигателя в системе вспомогательного электропривода на локомотиве и критерия минимума тока статора в переходных режимах по алгоритму экстремального регулятора. Для полной управляемости нелинейного объекта [4], необходимо и достаточно, чтобы для уравнений (10,11,14) ранг матрицы (15) 02 N

= О з - 0,1,2, ...,М (14)

!5=1

Р 2 = | (и2 -ф^П)2 - 1)Н;0,(02 - ф^2.....(ц2 - 1)н;0К_1| (15)

был равен N. 1 = 0,1,2, ... ,Ы

где Б -дискриминант уравнений (10, 11, 14) [4] в общем виде, для асинхронной короткозамкнутой машины (1/0м).

В третьей главе представлены результаты проведенных при участии автора испытаний преобразователей частоты и обоснованы схемотехнические решения в системе вспомогательного электропривода. При всем многообразии известных преобразовательных устройств, в работе рассмотрены только системы управления статическими преобразователями частоты с плавным управлением ШИР, сигналом с синусоидальной (и близкой к ней) формой выходного тока (напряжения) во всем частотном диапазоне.

На рис.2 представлена осциллограмма ШИР управления силовыми приборами.

^-1ллтл_пли

—П И —

1_у^зЩ—т г. £П

1—ПЛ_—

пп п у^п т п

_ап ш_ушт—т_

Рис.2 Осциллограмма импульсов управления силовыми тиристорами УЭ1,. ...УБб автономного инвертора тока.

В алгоритмы управления трапецеидального ШИР, разработанные автором, была заложена близкая к синусоидальной форма ШИР и возможность управления ими по нескольким законам

регулирования АИТ,

как и лучшая форма ЕИР для инверторов напряжения АИН. Из всех преобразователей частоты АИН, АИТ, НПЧ с кваэичастотным фазовым регулированием напряжения (ТРКЧ), статические преобразователи напряжения АИН с плавным регулированием частоты вращения являются самыми перспективными и имеют наилучшие энергетические показатели приводов за счет улучшения Т) асинхронной мапшш.

В настоящей работе (S3.2) рассмотрены также и вопросы связанные с применением в инверторах напряжения мощных силовых транзисторов Дарлингтона [6] . Известно, что в настоящее время Российской промышленностью освоено производство биполярных LTR-транзисторов (на токи до 250-400А). За рубежом в настоящее время улучшается технология изготовления полупроводниковых IGBT, GTO и MOS-FET новейших приборов, а производство X.TR транзисторов освоено на токи 0ООА. В данной работе предлагаются схемотехнические решения, исключакдие прохождение через структуру LTR-биполярного транзистора малого реактивного тока и даювце возможность использовать в схемах АИН как мощные транзисторы Дарлингтона, так и схемотехнические решения (рис.2), позволяющие применять IGBT и MOS-FET - новейшие приборы.

В §3.3 настоящей работы приводятся результаты испытаний НПЧ преобразователя с экстремальньм миниыаксиыальным регулятором [5]. Несмотря на оптимальные законы регулирования, закладываемые в экстремальный минимаксиыаль ный регулятор, вспомогательные электроприводы с автономными инверторами напряжения АИН будут иметь лучшие энергетические характеристики, чем с НПЧ преобразователями. В работе представлены коэффициенты мощности Км, сдвига трехфазной нагрузки - Кс, коэффициенты искажения Ки и несимметрии Кн трехфазной нагрузки, а также -Кт/п- отношения периода фазного напряжения нагрузки ко времени прово-

Лихости тиристора, при законе регулирования минимума тока управления НПЧ с частотой сети синхронного генератора деленной пополам £с/2. Значения коэффициентов являются более низкими для данного НПЧ преобразователя, чем инверторов напряжения и тока.

Приводятся характеристики (рис.3) минимума тока асинхронного двигателя 4АХ225М602 для вспомогательного электропривода НПЧ преобразователя.

Рис.3 минимум тока асинхронного двигателя 4АЖ225М602 для вспомогательного электропривода НПЧ преобразователя.

В четвертой главе приводятся структурные схемы для приводов ЛИТ с вентиляторной и компрессорной нагрузкой, в основу которых положен экстремальный минимаксимальный регулятор (ЭММР).

Приводится структурная схема ТИН транзисторного инвертора напряжения преобразователя МТПЕ-5-380 (рис.4). Структурная схема этого преобразователя включает в себя передаточные

звенья Н1 и Н2, соответствующие фильтрам в звене постоянного напряжения перед ключом К прерывателя и транзисторного инвертора АНН. Апериодические звенья первого, второго порядка датчиков с гальванической развязкой напряжения и тока представлены Н8, Н9 соответственно НЮ, И11. Интегрирующее идеальное звено и регулятор в переходных и установившихся режимах смоделированы полюсами Н5 и И4, где распределитель импульсов И6. Регулятор транзисторного ключа К с ШИМ управлением представлен в виде передаточного звена НЗ. Задание величин напряжения и тока происходит сигналами +Чз и -1у. При превышении уставок напряжения и тока обратная связь N12 уменьшает задание по частоте - канал Н6 и напряжению - канал НЗ, происходит ограничение тока. Ключевые элементы силовой части преобразователя К и АИН моделировались как линейные - сумматоры.

напряжения

В частности, управление преобразователем МТПЕ-5-380 в режиме пуска производится по подчиненному принципу, при котором контур задания по частоте является основным (как контур регулирования по температуре для вспомогательного привода), а контур напряжения - звено НЗ- подчинен им. Момент в функции напряжения асинхронного двигателя выдается подчиненным от частоты и при внешней отрицательной обратной связи по току И10 и НИ соответствует току уставки -1у.

Для непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) вспомогательных электроприводов тепловоза был рассчитан и испытан на стенде ВНИТИ в 1995-9бгг. экстремальный минимаксимальный регулятор с характеристиками минимума тока (рис.3). Приведенная структурная схема рис.5 акстрсмального регулятора (1] содержит два ЗУ (заломинаюцих устройства) с ключами К управления, ЦДЛ (цифро-аналоговый преобразователь) и ОА -аналоговый элемент регулятора. ШИМ модулятор совместно с преобразователем и/{

(напряжение - частота) выполняют роль задатчика спуска к условному экстремуму функционала при поменян постоянно раОотакиого счетчика импульсов.

Условные обозначения: -преобразователь напряжение-

частота, ИМ -преобразователь частота-напряаение, ЯС -активно-емкостной фильтр, 03 -дифференцирующий элемент, Р -регулятор, Р -датчик тока и напряжения, Г-генератор, ОВ -одновиОратор, СТ -счетчик, К -компаратор, ЗУ -запоминающее устройство.

В системе регулирования вспомогательного электропривода локомотива управление экстремальный кинимаксиыальным регулятором строится по подчиненному принципу, когда входным сигналом задания частоты асинхронного электродвигателя является внешний задатчик температуры - дискроткнй канал ступени управления.

регулятора (ЭММР)

Контур регулирования температуры теплоносителей привода начинается с внешнего задатчика температуры преобразователя НПЧ-АД асинхронного двигателя и нагрузки с системой охлаждения привода, а заканчивается на датчике температуры. По рассогласованию заданных и измеренных температур теплоносителей вспомогательного электропривода определяется величина сигнала и£, подчиненная контуру регулирования температуры.

Работа экстремального минимаксимального регулятора, предложенного автором, осуществляется в соответствии с модифицированным методом Флетчера-Ривса [5] и заключается в следующем. По частоте асинхронной машины, вычисленной или измеренной в системе управления, задается сигнал 11£ подаваемый на соответствующий вход регулятора. В системе регулирования, пропорционально поданному на вход значению и£, формируется величина сигнала задания по напряжению изад, в соответствии с законом 11/£-2,32 (возможно использование любого другого закона управления). Числителем этой формулы будет задание по напряжению 1)зад. (аналогом этого сигнала по частоте ШИМ является сигнал £11), а знаменателем является величина частоты вращения асинхронной машины иг. Предпоследний сигнал подается на ЦДЛ и аналоговый элемент. Объединенный регулятор, системы регулирования в виде сумматора (рис.5) и регулятора - Р, задает для асинхронной машины вспомогательного электропривода условия ее разгона по частоте. При этом ЭММР работает по указанной зависимости с постоянным числовьм кодом СТ (счетчика) и величиной аналогового изменяемого сигнала задания по напряжению изад.

Это изменение частоты асинхронного вспомогательного привода происходит при работе системы управления и регулирования (САУР) НПЧ до момента равенства внешней величины задатчика температуры

за вычетом произведения сигнала к*и5. При соблюдении этого условия, когда задача регулирования температуры теплоносителей вспомогательного электропривода выполнена, экстремальный минимаксимальный регулятор переходит в квазичастотный режим управления, характеризующийся оптимизацией энергопотребления асинхронного привода, за счет улучшения характеристик к. п. д. асинхронной машины. Происходит включение следующих сигналов 3 и 4. Этот режим поиска зависимости минимума тока от напряжения реальных характеристик асинхронной машины управляется по сигналу 3, вход счетчика СВ и БЕ. При появлении сигнала 4 модулятор ШР включает ключ К, а асинхронные сигналы 1 и 2 управляют запоминакщими устройствами. На выходе второго сумматора вычисляется разность предыдущего и последующих величин токов. Сигнал с последнего - подается на блоки оптимизации алгоритма спуска (рис.5) к экстремуму функционала и на преобразователь (напряжение-частота) а затем на счетчик и ЦДЛ регулятор на

котором и происходит выбор направления спуска к минимуму тока статора АМ. Для регулирования экстремальным минимаксимальным регулятором, в системе вспомогательных электроприводов, автором предложено изменение дискретности шага квантования включением ШИМ сигнала. Он обеспечивает режим максимального спуска к минимуму (максимуму) не квадратичного функционала.

В данной работе представлены также расчетные траектории регулирования экстремального минимаксимального регулятора системы НПЧ-АД-САУР (рис.6). При проведении стендовых испытаний преобразователи ТИН и НПЧ моделировались совместно с САУР и проводился расчет систем на устойчивость амплитудно-частотных и фазовых характеристик. Получено высокое совпадение расчетных характеристик ЛАЧХ, ЛФЧХ, фазных напряжений и токов

преобразователей с данными эксперимента [5].

В §4.3 дается расчет энергетических показателей силовой схемы НПЧ преобразователя, включенного от тягового или вспомогательного синхронных генераторов для вспомогательных приводов тепловозов и расчетные (§4.2) токи и напряжения фаз.

Рис.6 Расчетная траектория регулирования экстремального минимаксимального регулятора системы НПЧ-АД-САУР

- 21В пятой главе изложен пример расчета экономической эффективности внедрения регуляторов с оптимальными законами регулирования по минимуму тока статора на Сазе экстремальных минимаксимальных регуляторов, применяемых в ЛИН для вспомогательных приводов с асинхронными двигателями (с регулированием по частоте вращения) по сравнению с этими же преобразователями, не содержащими ЭММР, на локомотивах ВЛ60К. Проведен экономический расчет от применения ЭММР и специальных законов управления преобразователя НПЧ (с фазовым регулированием частоты) на тепловозе модностью 1200 кВт.

Эффект от этого применения представлен как суммарное уменьшение годовых затрат на электроэнергию экстремальным ми-нимаксимальным регулятором и специальных законов управления преобразователем с отрицательной статической неравномерностью по частоте при регулировании температуры теплоносителей дизеля тепловоза.

Общая годовая экономия от внедрения ЭММР в АИН составляет 32,2 тыс.руб. на один электровоз ВЛ60К. А экономическая эффективность от этого внедрения на преобразователе НПЧ ожидается 18,4 тью.руО. в год на секцию тепловоза. Срок окупаемости преобразователя НПЧ в этом случае равен 2,6 года, а ДИН мощностью 100 кВт - 2,9 года.

ВЫВОДЫ

1. Вспомогательные электроприводы современных электровозов и тепловозов характеризуются значительной установленной мощностью (до 18% от номинальной мощности локомотива), большим энергопотреблением, а также необходимостью регулирования их режимов в зависимости от реализуемой локомотивом мощности, температуры охлаждающей и окружающей сред. Исходя из этого

для минимизации энергопотребления вспомогательных электроприводов необходимо использовать экстремальное регулирование с обеспечением минимума энергозатрат.

2. Экстремальный минимаксимальный регулятор для вспомогательных электроприводов локомотивов должен быть построен по принципу слежения за током статора асинхронного двигателя или за его вращающим моментом в функции скольжения. Регулирование реализуется в соответствии с модифицированным алгоритмом Флетчера-Ривса и критерием полной управляемости асинхронного двигателя как нелинейного объекта, выведенным в общем виде из уравнения Вейерштрасса-2.

3. Система автоматики вспомогательных электроприводов локомотива должна содержать статический преобразователь для частотного регулирования асинхронного двигателя. Для этих целей рекомендованы преобразователи следующих видов:

- инверторы напряжения с широтно-импульсным регулированием и силовыми неуправляемыми выпрямителями;

- непосредственные преобразователи частоты для тепловозов.

Для перспективных разработок целесообразно ориентировать-

ся на элементную базу с биполярными силовыми транзисторами ЬТИ, транзисторами с изолированной базой ЮВТ и запираемыми тиристорами СТО. Соответствующие схемо-техиические решения проработаны в данной диссертации.

4. В период 1990-98гг. рекомендации и разработки автора использованы в комплексе работ, выполненных совместно Саранским заводом "Электровыпрямитель" и ВНИТИ по заказу департамента локомотивного хозяйства МПС. Общий экономический эффект по расчетным данным составит 18,4 тыс.руб в год на секцию тепловоза мощностью 1200 кВт при внедрении

специальных и оптимальных законов регулирования минимума тока статора вместо применения регуляторов с параметрическими законами 2

регулирования l¡/f и И/£, со сроком окупаемости непосредственного преобразователя частоты за 2,6 года.

Новые преобразователи, автономные инверторы напряжения с частотным регулированием вспомогательных электроприводов до 100 кВт только за счет экстремальных минимаксимальных регуляторов, работающих по минимуму тока статора, способны окупаться за 2,9 года и давать экономический эффект 32,2 тыс.руб в год на секцию локомотива ВЛ60К, а в других отраслях народного хозяйства экономить до 23% электрической энергии [5].

Основные положения диссертации опубликованы в печати:

1. Цыкунов Ю.Ю. Метод шагающего локально-оптимального регулирования и квазичастотного управления приводов с асинхронном короткозамкнутым электродвигателем. -М. : "Транспорт: наука, техника, управление", ВИНИТИ N 4 стр.28-33., 1996 г.

2. Феоктистов В.П., Цыкунов Ю.Ю. Регулируемый электропривод с полной управляемостью дополнительно экономит электроэнергию / Тезисы докладов "МИИТ, Москва, Россия", 4-Международная научно - техническая конференция, посвященная "100-летию Московского Государственного Университета путей сообщения", Москва, 28-31 октября 1996 г. с.74-75.

3. Цыкунов Ю.Ю. Метод шагающего локально-оптимального регулирования и управления для приводов с асинхронными электродвигателями / Тезисы докладов 2-Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", Москва, 24-26 сентября 1996 г. том.1,с.149.

4. Цыкунов D.D. Уравнение Вейерштрасса и оптимальное управление на границе замкнутого множества, критерий полной управляемости нелинейного объекта. ЦНИИТЭИТЯЯМАШ N 791-тм 91, Библиогр. описание научн. рукописи в ВИНИТИ "Депонир. научи. рукописи" N 12(242), 1991 г., с.67.

5. Феоктистов В.П., Цыкунов D.D. Испытания квазичастотного НПЧ преобразователя с вентиляторной нагрузкой содержащего в САУР экстремальный миниыаксимальный регулятор. Препринт ВИНИТИ РАН, отд. транспорта и машиностроения N 734/15, 1998 г. с.12.

6. Феоктистов В.П., Цыкунов D.D. Особенности работы силовых LTR биполярных транзисторов в индуктивных цепях преобразователей напряжения. Препринт ВИНИТИ РАН, отд. транспорт и машиностроения N 748/15, 1998 г. с.12.

7. Юликов В.М., Строков B.C., Полторак С.Н., Гусевский Ю.И, Цыкунов D.D., "Многоканальное 'устройство для фазового управления тиристорным преобразователем". A.C.1317611 Н02 М7/155/515 29.12.85 г.

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ НА ЛОКОМОТИВАХ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Подп. к печати 2б./0-98, Объем печ. л. /5. Формат бумаги 60*90 1/16

Заказ N755. ' Тираж 90 экз.

Типография МИИТ, 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова,15