автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение устойчивости асинхронных машин на основе микропроцессорной системы управления электроприводом

На правах рукописи

0? -

АСТАШКОВ Николай Павлович

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ АСИНХРОННЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ОКТ 2014

Иркутск - 2014

005553095

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) Федерального агентства железнодорожного транспорта

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Астраханцев Леонид Алексеевич

Официальные оппоненты:

Шаманов Виктор Иннокентьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте»

Благодарный Николай Семенович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия», заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Защита диссертации состоится «13» ноября 2014 г. в 13-00 часов на заседании Диссертационного совета Д 218.004.01 на базе ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803; тел. (8-3952) 63-83-11, (8-3952) 38-76-07; факс: (8-3952) 38-76-72; e-mail: maknv@irgups.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Иркутского государственного университета путей сообщения http://www.irgups.ru

Автореферат разослан «29» сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ' ^ А.В. Данеев

-

У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с научной основой стратегии устойчивого развития Российской Федерации и стратегией развития железнодорожного транспорта до 2030 года, утверждённой распоряжением Правительства от 17.06.2008 года №877-р, на первый план выдвигаются задачи по снижению затрат на эксплуатацию и ремонт технологического оборудования. Для реализации поставленных задач необходима разработка технических средств, совместимых с системами электроснабжения и учитывающих условия эксплуатации электрооборудования.

Анализ надёжности тягового электрооборудования и асинхронных вспомогательных машин (АВМ) электровозов переменного тока Восточного региона на основании отчётов и статистических материалов локомотивных данных депо показывает, что большая доля отказов приходится на тяговые и вспомогательные электрические машины. Из-за неисправностей АВМ выполняется 7... 14% неплановых ремонтов электровозов. Повреждения электрической части тяговых электродвигателей составляют 69% и АВМ - 56% от общего количества неисправностей электрических машин. Чаще всего повреждаются обмотки якоря и статора двигателей: межвитковые замыкания, пробой изоляции, короткие замыкания. Из анализа характера повреждений следует, что в среднем 70% неисправностей электрической части машин возникают из-за нарушения температурно-влажностного состояния изоляции электрооборудования и неудовлетворительных показателей качества электроэнергии.

Впервые задача сохранения близких к номинальным показателей функционирования электродвигателей была решена в основополагающих работах академика М.П. Костенко в 1925 году. Большой вклад в решение задач оптимизации режимов работы электроприводов внесли учёные: М.М. Ботвинник, ИЛ. Браславский, В.Н. Бродовский, A.A. Булгаков, Л.Х. Дацковский, Н.Ф. Ильинский, В.И. Ключев, В.А. Мищенко, Г.Б. Онищенко, В.В. Рудаков, IO.A. Сабинин, О .В. Слежановский, Р.Т. Шрейнер, В.А. Шубенко и другие.

Научными исследованиями и разработкой автоматических систем управления электроприводом занимались О.Г. Арискин, A.C. Живечков, В.Ф. Исаев, Б.Я. Кожевников, А.Ю. Конашииский, JI.M. Лорман, В.Н. Михайловский, O.A. Некрасов, A.M. Рутштейн, А.Н. Савоськин, Л.Н. Сорин, В.Е. Чернохлебов, Г.Н. Шестоперов, В.П. Янов и другие.

Безусловно, разработанные технические решения выполняют поставленные перед ними задачи, которые ориентированы на экономию электрической энергии. Однако, алгоритм работы современных систем автоматического управления (САУ) электроприводом не учитывает отклонение напряжения в питающей сети, которое вызывает отклонение напряжения и несимметрию напряжения в обмотках электродвигателей, что в конечном итоге оказывает непосредственное влияние на устойчивость исполнительного элемента САУ. Электромагнитный момент асинхронного двигателя (АД) снижается из-за отклонения напряжения в обмотке собственных нужд тягового трансформатора и неудовлетворительной работы системы преобразования числа фаз электровоза. Из-за снижения электромаг-

нитного момента исполнительного элемента САУ происходит снижение жёсткости его механической характеристики и возможное опрокидывание, поэтому нарушается устойчивость исполнительного элемента, а САУ оказывается неработоспособной, что не учитывалось в известных работах. Алгоритм работы современных САУ в зимний период времени при проследовании тоннелей или постановке холодных электровозов в ремонтные цехи депо вызывает образование на изоляции тягового электрооборудования конденсата, что приводит к отказам оборудования и сокращает долговечность изоляционных материалов тяговых электрических машин электровоза.

Для повышения устойчивости исполнительного элемента и САУ электропривода в целом целесообразно при анализе и синтезе обеспечивать контроль работы исполнительного элемента на устойчивой ветви механической характеристики. Так как энергетическая эффективность и электромагнитная совместимость исполнительного элемента САУ зависит от инновационного параметра управления, то при исследовании САУ необходимо учитывать изменение параметров звеньев передаточной функции системы. Эффективность системного подхода при разработке автоматической системы управления основывается на контроле факторов, влияющих на устойчивость САУ с помощью датчиков и контуров обратной связи.

Целью диссертационной работы является повышение устойчивости исполнительного элемента САУ электроприводом подвижного состава.

Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач исследования:

выполнить анализ факторов, снижающих устойчивость асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока;

разработать методику расчёта энергетических характеристик исполнительного элемента с обоснованием выбора параметра управления САУ электроприводом электровозов;

разработать микропроцессорную систему управления электроприводом с полупроводниковым преобразователем входного электрического сопротивления для контроля факторов, влияющих на устойчивость исполнительного элемента и САУ в целом;

исследовать САУ с анализом её устойчивости и показателей качества управления; рассчитать технико-экономическую эффективность применения разработанной системы автоматического управления электроприводом.

Объект исследования. Система автоматического управления асинхронным электроприводом подвижного состава.

Предмет исследования. Метод анализа и синтеза САУ электроприводом с переменными параметрами передаточных функции звеньев.

Методы исследования. Для исследования применялись методы теории автоматического управления технологическими процессами на основе математической статистики, теории устойчивости, анализа и синтеза САУ. Для обоснования выбора параметра управления исполнительного элемента микропроцессорной САУ электроприводом использована фундаментальная теория электрических цепей на основе закона сохранения энергии в

электромагнитном поле. Для расчета и анализа математического моделирования применялись лицензионные программные продукты Microsoft Excel, Matlab в среде Simulink. Результаты теоретических исследований и аналитических расчётов проверены на физических моделях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

предложены аналитические выражения для расчёта электрических величин, оценки энергетической эффективности и передаточной функции исполнительного элемента микропроцессорной САУ для обоснования алгоритма управления;

разработана математическая модель САУ электроприводом с обоснованием параметра управления исполнительным элементом для повышения его устойчивости, электромагнитной совместимости и энергосбережения;

разработан алгоритм автоматического управления электроприводом, обеспечивающий пуск асинхронных двигателей на пониженной частоте вращения. Алгоритмом предусмотрено изменение производительности вентиляторов в зависимости от действующего напряжения, температуры нагрева изоляции и тока в тяговом электрооборудовании;

разработана микропроцессорная САУ, повышающая устойчивость электропривода на подвижном составе железных дорог.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

параметр управления исполнительным элементом САУ на основе новых энергетических характеристик асинхронного электропривода;

передаточные функции звеньев САУ с переменными параметрами; микропроцессорная система управления асинхронным электроприводом с контролем устойчивости исполнительного элемента САУ;

математическая модель и методика расчёта передаточной функции САУ электроприводом;

алгоритм автоматического управления электроприводом. Достоверность научных положений и результатов.

Теоретические исследования САУ выполнены на основании фундаментальных положений теории автоматического управления, корректным применением положений теории электрических цепей и преобразовательной техники, сходимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными результатами исследования. Практическая ценность диссертации заключается в следующем: разработана микропроцессорная система автоматического управления электроприводом с контурами обратной связи по напряжению во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора и температуре изоляции токоведущих частей тягового электрооборудования;

предложено техническое решение для использования нового параметра управления исполнительным элементом САУ электроприводом, позволяющее повысить его энергетическую эффективность и электромагнитную совместимость с элементами энергетической системы;

разработана методика расчета передаточной функции САУ с учётом изменения параметров звеньев системы в процессе управления производительностью мотор-вентиляторов;

обосновано ранжирование управляющих воздействии по контурам обратной связи САУ для обеспечения устойчивой работы электропривода;

предложен алгоритм работы САУ при проследовании тоннелей или постановке холодных электровозов в ремонтные цехи депо, исключающий образование конденсата на изоляции тягового электрооборудования.

Реализация результатов работы. Полученные автором результаты работы приняты для внедрения службой локомотивного хозяйства ВСЖД. Разработан и изготовлен лабораторный стенд «Управление вспомогательными машинами ЭПС». Методика математического моделирования энергетических процессов с учётом изменения параметров передаточной функции исполнительного элемента для анализа и синтеза САУ используется в учебном процессе Иркутского государственного университета путей сообщения при подготовке инженеров по специальности 190300 - «Подвижной состав железных дорог» и повышении квалификации специалистов при изучении автоматизированных систем ЭПС.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях: межвузовской научно-практической конференции «Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте» (Иркутск, 2010); научно-практической конференции «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации» (Иркутск, 2010); международной выставке высокотехнологической техники и вооружения (Омск, 2011); международной научно-практической конференции «Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт» (Чита, 2011); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); Третьей международной научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (Иркутск, 2012), Пятой международной научно-практической конференции «Транспортная инфрастуктура Сибирского региона» (Иркутск, 2014).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 17 научных работ, в том числе три статьи из списка изданий, определенных ВАК Минобрнауки России, получено два свидетельства регистрации программ для ЭВМ.

Структура н объем работы. Общий объём работы составляет 172 страницы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из 161 наименования, 2 приложений и содержит 163 страницы основного текста, 21 таблицу и 49 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе диссертационного исследования выполнен анализ условий работы объекта регулирования САУ и неплановых ремонтов электровозов переменного тока на основании отчётов и статистических данных о выходе из строя электропривода вспомогательных машин. Выполнена оценка электромеханической устойчивости исполнительного элемента в зависимости от отклонения напряжения во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора электровоза. Определены уровни коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора и коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности в системе преобразования числа фаз и их влияние на уровень напряжения прямой последовательности в трёхфазной цепи для оценки электромагнитного момента исполнительного элемента в САУ электропривода.

Из обзора результатов исследований известных САУ электроприводом вспомогательных машин электровозов следует, что факторы, влияющие на устойчивость исполнительных: элементов, в алгоритме управления их работой в основном не учитываются. Изменение параметров передаточных функций звеньев целесообразно рассчитывать при анализе и синтезе САУ электроприводом. На основании проведённого анализа результатов исследований и технических решений определена цель работы и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе разработаны энергетические характеристики исполнительного элемента САУ на основании закона сохранения энергии в электромагнитном поле с применением спектрального анализа для обоснования параметра управления. Получен баланс мощностей для электропривода с полупроводниковым преобразователем:

VS¿X-AS2=VP2+Q2, w

где SBX = UBX I - полная мощность на входе исполнительного элемента; UBX- действующее напряжение на входе исполнительного элемента; I - действующий ток на входе исполнительного элемента.

Активная мощность на входе исполнительного элемента, которая характеризует электрическую энергию, затраченную на механическую работу мотор-вентиляторов и на потери в электроприводе:

п

P=U0-I0 + 2UHk-Ik-cos<»k> (2)

k=l

где U0,UHk - соответственно постоянная составляющая напряжения ряда Фурье и действующее значение напряжения к-ой гармонию! на входе преобразователя; 10, 1к - соответственно постоянная составляющая тока и действующее значение тока k-ой гармоники на входе преобразователя; - угол сдвига по фазе k-ой гармоники тока относительно одноименной гармоники напряжения на входе преобразователя; л - номер последней из учитываемых гармоник.

Реактивная мощность, которая характеризует электрическую энергию, расходуемую на изменение электромагнитной энергии:

п

Q = £uHk-Vsini>k. (3)

k=l

Мощность AS, характеризующая часть электрической энергии на входе преобразователя, возникающая из-за непроводящего состояния силовых полупроводниковых приборов (СПП), которую можно было бы использовать для выполнения работы исполнительным элементом САУ:

AS=iunk-Ik=Un-I, (4)

k=0

где Unk - действующее значение напряжения k-ой составляющей ряда Фурье на входе преобразователя во время непроводящего состояния СПП; 1к - действующее значение одноименной к-ой гармоники тока на входе преобразователя; Un - действующее напряжение на

входе преобразователя во время непроводящего состояния СПП; I - действующее значение тока на входе преобразователя.

Для исполнительного элемента САУ с полупроводниковым преобразователем получены аналитические зависимости для оценки эффективности преобразования электрической энергии в иной вид энергии. Действующий ток на входе исполнительного элемента САУ с полупроводниковым преобразователем можно найти по формуле:

т_ VP2+Q2

u'-Ziik (б)

k=0

Для устранения недостатков исполнительных элементов САУ, в процессе работы коп

торых часть напряжения ^ U nk не используется, для выполнения работы мотор-вентиля-к=0

торами в работе предложено изменить параметр управления исполнительным элементом.

В качестве параметра управления исполнительным элементом САУ предложено изменять не только частоту напряжения, но и входное электрическое сопротивления электропривода. Полное входное электрическое сопротивление мотор-вентиляторов, соединенных к источнику энергии одновременно во времени:

z»<»-»'>=^|fí(П

где к - номер гармоники; cof - основная угловая частота напряжения источника энергии; m - количество мотор-вентиляторов; RBX - входное активное сопротивление одной группы исполнительных элементов САУ; LBX - входная индуктивность одной группы исполнительного элемента САУ.

С подключением к источнику энергии с напряжением произвольной формы кривой uBX(k-cof) последовательно во времени мотор-вентиляторов их входное электрическое сопротивление равно:

п

Zbx f (u. ®f ) = Z (rbx + jk • t ■ <üf • LBX), (8)

k=l

где l = co/oof - относительная частота напряжения на выходе полупроводникового преобразователя электрического сопротивления.

Кратность изменения входного электрического сопротивления группы мотор-вентиляторов по закону частотного управления академика М.П. Костенко с учётом выражений (7), (8) равна:

' ZBX(u,cof) ¿J (RBX+jk-<of-LBX)

Из выражения (9) следует, что входное электрическое сопротивление исполнительного элемента САУ электроприводом при частотном регулировании можно изменять не только за счёт частоты, но и изменения способа соединения мотор-вентиляторов во времени полупроводниковыми приборами преобразователя. При регулировании мощности электропривода за счёт одновременного изменения частоты напряжения и его входного электрического сопротивления максимально используется электрический потенциал источника энергии, а действующий ток на входе исполнительного элемента САУ (6) минимален. Эффективность преобразования электрической энергии для выполнения работы исполнительным элементом САУ повышается. Кроме того, новым техническим решением повышается эффективность использования электрической энергии для поддержания температурного режима изоляции электрооборудования на заданном уровне и обеспечивается электромагнитная совместимость исполнительного элемента с другими элементами системы.

При анализе и синтезе САУ с новым параметром управления исполнительным элементом в работе предложено учитывать переменные параметры его передаточной функции из-за изменения входного активного и индуктивного сопротивления.

Третья глава диссертационного исследования посвящена разработке математической модели, учитывающей статистические характеристики случайных факторов, воздействие которых на САУ непосредственно оказывает влияние на устойчивость исполнительного элемента и отражается на качестве работы системы вентиляции электровоза. Функциональная схема САУ электроприводом (рис. 1) разработана для исключения работы АД с повышенным скольжением и обеспечения электромеханической устойчивости исполнительного элемента, поддержания выходной величины системы с учётом возмущающих воздействий. Предложены аппаратные средства для практической реализации разработанной САУ.

Повышение устойчивости электропривода и стабилизация температурного режима тягового электрооборудования электровоза достигается изменением частоты напряжения

на обмотках статора асинхронных электродвигателей вентиляторов с 50 до 25 Гц и наоборот. При отклонении напряжения во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора до значения 0,7 • Uhom и ниже с Целью обеспечения работы электродвигателей на устойчивой ветви механической характеристики с мальм скольжением по сигналу датчика напряжения на обмотки статора привода вентилятора подаётся напряжение частотой 25 Гц. Одновременно обмотки статора электродвигателей соединяются к источнику энергии последовательно во времени.

Обоснованы уставки по току в токоведущих частях тягового электрооборудования и таймеров микроконтроллера с учётом допустимого превышения температуры изоляции. В САУ предусмотрен контур обратной связи по температуре изоляции тягового электрооборудования для поддержания температурного режима в заданных пределах с целью исключения образования инея и конденсата на её поверхности.

СУ - система управления полупроводниковым преобразователем (ГШ); МЧ - механическая часть привода; ОС — обратная связь по статическому моменту Мс; В -вентилятор; Q - количество охлаждающего воздуха; Тс - ток в тяговом электрооборудовании; ИТЭ -изоляция тягового электрооборудования; Д1 - датчик тока; ДТ -датчик температуры; У - уставка микроконтроллера (МК); Ди -датчик напряжения; Тов - температура окружающего воздуха.

Рис.1. Функциональная схема САУ мотор-

вентиляторами электровозов При расчёте передаточной функции исполнительного элемента САУ предложено учитывать изменение входного электрического сопротивления электропривода вспомогательных машин электровоза. Анализ и синтез САУ выполнен с помощью структурной схемы (рис. 2) и получены передаточные функции системы при возмущающих воздействиях по каналам обратной связи.

Передаточная функция САУ электроприводом при воздействии на систему сигналом по каналу обратной связи действующего напряжения во вторичной обмотке тягового трансформатора:

кдиксукпч Е°ьРЬ

Wu(p) =--

IfbPb

Ь=1

w,

су

T,

ов

Тов

Wqb

Мд ДМ МВР со Q "ím3 2

W

пр

Ur

W

ад

(2)—► W

М,

ст

мч

WqcH

JTJTiT w Ди

U3

W

иззт

w

дт

WB- W

из

Тиз РЕЗ

ТИ31

Wi

W

Д1

Рис. 2. Структурная схема микропроцессорной САУ мотор-вентиляторами электровозов

Передаточная функция САУ электроприводом при возмущающем воздействии на систему тока в тяговом электрооборудовании электровоза:

W,(p) =

I(K,fb)pb b=5 + Z(Kifb +кД1Ксукпче"т'рсь)рь _b=l + кд,кСУкпче c0

T,fnP'2 + ¿(T,fb,+fb)pb _b=2 + f,P

(П)

Передаточная функция САУ электроприводом при возмущающем воздействии на систему температуры окружающего воздуха:

W0B(P):

Í> oBfb)pb b=6 + (KOBf5 +g4TOB)p5 + 4 Z(KOBfb+gb-lToB+gb)pb _b=l + go

f,,T0BP'2 + S(fb-JoB + fb)pb _b=2 +f,p

(12)

Проверка САУ на устойчивость и оценка качества управления в работе выполнено с помощью прикладной программы MATLAB в среде Simulink. Новизна разработанного метода анализа и синтеза САУ заключается в промежуточном контроле устойчивости исполнительного элемента при воздействии на систему управляющих и возмущающих сигналов. Кроме того, разработанная методика расчёта позволяет учитывать изменение параметров звеньев в передаточных функциях (10, 11, 12) в процессе работы САУ.

Математическая модель САУ (рис. 3) содержит многовходной микроконтроллер МК, который обеспечивает изменение параметров передаточной функции САУ в зависимости от сигнала управления. С помощью математического моделирования выполнен рас-

чёт по критериям устойчивости Найквиста и логарифмическим частотным характеристикам. В математической модели и в разработанной микропроцессорной системе управления электроприводом контроль за электромеханической устойчивостью исполнительного элемента САУ выполняется с помощью канала обратной связи по напряжению в обмотке собственных нужд тягового трансформатора.

Рис. 4. Годограф Найквиста и логарифмиче- Рис. 5. Годограф Найквиста и логарифмические частотные характеристики САУ для ча- ские частотные характеристики САУ для частоты напряжения на обмотке статора 25 Гц стоты напряжения на обмотке статора 50 Гц

На основании полученных результатов расчёта определены запасы устойчивости по амплитуде (9,59 дБ, 6,51 дБ), запасы устойчивости по фазе (57,7°, 35,9°) в зависимости от изменения параметров передаточной функции САУ. Как известно, для достаточно демпфированных САУ границы запаса устойчивости по фазе должны находиться в пределах от 30 до 80 градусов, поэтому запасы устойчивости по фазе разработанной САУ находится в

допустимых пределах на всем интервале управления.

Разработанной методикой расчёта с учётом изменения параметров передаточной функции САУ в процессе работы можно определять показатели качества управления. Характер переходных процессов рассчитан при различных возмущающих воздействиях и в зависимости от начальных условий (рис. 6).

По результатам расчёта определена постоянная времени нагрева Т изоляции обмоток якоря ТЭД электровоза и установившееся значение температуры изоляции тягового электрооборудования, сопоставление которых с результатами экспериментальных исследований и исследований других авторов позволило сделать вывод об адекватности разработанной математической модели реальным физическим процессам и оценить точность расчёта параметров передаточной функции исполнительного элемента САУ для различных режимов работы.

Зависимость температуры изоляции тягово- Зависимость температуры изоляции тягового электрооборудования от времени при по- го электрооборудования от времени при вышении производительности мотор- уменьшении производительности мотор-

вентиляторов (а) вентиляторов (б)

Рис. 6. Переходный процесс при переключении мотор-вентиляторов с пониженной частоты вращения вала на повышенную (а) и наоборот (б)

В четвертой главе изложена методика математического моделирования и экспериментальных исследований разработанной микропроцессорной САУ электроприводом. Приведены результаты измерений уровней напряжения и осциллограмм форм кривой напряжения в контактной сети на участке Тайшет - Нижнеудинск, вагоном лабораторией № 72186 (рис. 8).

Для повышения устойчивости исполнительного элемента и САУ в целом в работе предусмотрен контур обратной связи по напряжению во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора и обоснован приоритет сигнала в данном контуре по отношению к сигналам в других контурах.

Передаточная функция элемента, обеспечивающая контроль величины тока в тяговом электрооборудовании W,(p), в структурной схеме САУ (рис. 3), аналитически обоснована с помощью уравнения теплового баланса и представлена апериодическим звеном первого порядка.

В реальной САУ (рис. 9) и в математической модели (рис. 3), когда сигнал, пропорциональный действующему значению тока в тяговом электрооборудовании 1тэ , превыша-

ет заданное значение 13 в течение 30 минут, формируется входной сигнал на микроконтроллер для изменения производительности мотор-вентиляторов.

Рис. 7. Результаты исследования САУ с возмущающим воздействием отклонения напряжения во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора электровоза

С помощью канала обратной связи с датчиком температуры изоляции тягового электрооборудования учитывается воздействие температуры окружающего воздуха на работу САУ. В математической модели датчик температуры реализован с помощью блока Relay, выходной сигнал которого может принимать два логических значения. Переход датчика температуры из одного состояния в другое состояние происходит при достижении входным сигналом порога включения или выключения реле с заданным гистерезисом. Реализация алгоритма управления технологическим процессом разработанной САУ при возмущающем воздействии тока представлена на рис. 9.

Для математического моделирования работы САУ электроприводом при входе железнодорожного состава в тоннель в зимнее время года обоснован и предложен алгоритм управления, позволяющий исключить образование конденсата на изоляции тягового электрооборудования электровоза (рис. 11).

Для доказательства влияния устойчивости исполнительного элемента на работоспособность микропроцессорной САУ электропривода в работе выполнено моделирование аварийного режима системы с превышением температуры изоляции тягового электрооборудования предельно допустимого значения.

Для выполнения экспериментальных исследований микропроцессорной системы

(Ч СЧ СО ГО Tt irT

I-►

Рис. 8. Осциллограмма формы кривой напряжения контактной сети на участке Тайшет - Нижнеудинск

управления электроприводом разработан и изготовлен демонстрационный стенд. Результаты исследования внедрены в локомотивном депо филиала ВСЖД ОАО «РЖД», получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012610393 «Управление производительностью вспомогательных машин ЭПС».

I,-600 ::: > :.....:]................!................ ГГ

|.............Ш и, -15» ¡и, с Ё -б/иш -—-3

........ Т~ ~~ ММ .....•■! ••___.].;..........:.........|

"т:™: г;т~. /т:"/.: Р _____4_______________..........|___________________]_........._.

*

р® ро мвайИ|,с1 ',80 р -..3000 . , ..... .. 4000 . .. . ...... . . . .. 5000 ................... 1, с

Рис. 9. Реализация алгоритма управления САУ электроприводом для поддержания температуры изоляции тягового электрооборудования в заданных пределах

Рис.10. Алгоритм управления САУ электроприводом по температуре изоляции тягового

электрооборудования

Северо-Муйского тоннеля в зимнее время Для оценки погрешности исследований проверено условие однородности ряда дис-

персий по критерию Кохрена. Оценка адекватности результатов теоретических исследований реальным физическим процессам выполнена с использованием Р-критерия Фишера с 5 %-ным уровнем надёжности.

Пятая глава посвящена оценке технико-экономической эффективности микропроцессорной системы управления электроприводом. Определены капитальные затраты и рассчитана смета инвестиций на внедрение разработанной САУ.

Эффектообразующим фактором при внедрении САУ электроприводом является сокращение отказов электрооборудования электровоза, возникающих из-за неустойчивой работы исполнительного элемента. Годовой экономический эффект от предложенных технических решений для управления температурным режимом изоляции электрооборудования, в расчете на один электровоз, составляет 137 тыс. рублей, а срок окупаемости капитальных вложений равен 1,3 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Из анализа потока отказов электрических машин тягового и вспомогательного оборудования электровозов по данным отчётов и статистических данных депо сети железных дорог Восточного региона России следует, что общее количество отказов машин современного тягового подвижного состава составляет 49% от числа отказов всего оборудования, из которых приходится на повреждения электрической части тяговых машин 68,8%, вспомогательных машин 56%. На отказы электрооборудования оказывает влияние электромеханическая устойчивость исполнительного элемента систем управления вспомогательными машинами электровозов.

2. Разработанная микропроцессорная система управления мотор-вентиляторами поддерживает температурный режим изоляции тягового электрооборудования, исключает работу АД с повышенным скольжением, обеспечивает электромеханическую устойчивость исполнительного элемента за счёт алгоритма управления. Алгоритмом управления САУ предусмотрен пуск электропривода на пониженной частоте напряжения, изменение входного электрического сопротивления электропривода, приоритет работы каналов обратной связи, контроль за действующим напряжением в обмотке собственных нужд тягового трансформатора и дублирование контроля за температурой нагрева изоляции тягового электрооборудования электровоза.

3. На основании новых энергетических характеристик электропривода предложен параметр управления исполнительным элементом САУ, позволяющий повысить его электромеханическую устойчивость, энергетическую эффективность и электромагнитную совместимость с системой электроснабжения.

4. Разработанной методикой расчёта, основанной на математическом моделировании, учитывается изменение параметров передаточных функций звеньев в структурной схеме в зависимости от режима управления для повышения точности результатов анализа

и синтеза САУ.

5. Для проверки устойчивости разработанной САУ использованы годограф Найкви-ста и логарифмические частотные характеристики, на основании которых определены запасы устойчивости по амплитуде 9,59 дБ, 6,51 дБ и по фазе 57,7 градусов, 35,9 градусов в зависимости от изменения параметров исполнительного элемента. Переходные процессы имеют апериодический затухающий характер, а постоянная времени САУ изменяется в пределах 4,1 - 4,64 минут.

6. Технико-экономическим расчётом доказано, что повышение устойчивости исполнительного элемента САУ электроприводом за счёт разработанных технических решений позволяет сократить затраты на неплановый ремонт одного электровоза в сумме 137 тыс. рублей за один год. Разработанная методика анализа и синтеза САУ микропроцессорной системы управления электроприводом и демонстрационный стенд САУ используется в Иркутском государственном университете путей сообщения для совершенствования учебного процесса.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК

1. Астраханцев JI.A. Обоснование метода построения автоматизированной системы управления производительностью мотор-вентиляторов на электровозах / JI.A. Астраханцев, Н.П. Асташков // Вестник Иркутского государственного технического университета. -Иркутск: ИрГТУ, 2012. - № 3. - С. 90-95.

2. Астраханцев Л.А. Разработка ресурсосберегающих электрифицированных технологических процессов / Л.А. Астраханцев, Н.М. Астраханцева, Н.П. Асташков // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - Красноярск: КрасГАУ, 2012. -№8.-С. 166-169.

3. Рябчёнок Н.Л. Система автоматического управления мотор-вентиляторами, адаптивная к условиям эксплуатации на электровозах / Н.Л. Рябчёнок, Т.Л. Алексеева, Н.П. Асташков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: ИрГУПС, 2013. - №4. - С.95-100.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

4. Свидетельство регистрации программы ЭВМ №2012610393 Российская Федерация. Управление производительностью вспомогательных машин ЭПС / Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков, В.А. Тихомиров, В.А. Шестаков; Заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) (RU). - №2011618537 от 11.11.2011, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 10.01.2012.

5. Свидетельство регистрации программы ЭВМ №2012661249 Российская Федерация. Управление электрокалориферной установкой для сушки крупных электрических машин / А.М. Худоногов, В.В. Сидоров, Н.П. Асташков, В.А. Тихомиров; Заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) (Яи). - №2012619176 от 25.10.2012, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.12.2012.

Другие научные публикации по теме диссертации

6. Рябченок Н.Л. Повышение устойчивости асинхронных вспомогательных машин электровозов на основе микропроцессорной системы управления электроприводом / Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева, Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы межвузовской научно-практической конференции. -Иркутск: ИрГУПС, 2009. - С. 354-359.

7. Асташков Н.П. Разработка микропроцессорной системы управления асинхронными вспомогательными машинами для повышения их устойчивости / Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации: сборник докладов по результатам конференции. -Иркутск: ИрГУПС, 2010. - С. 14-19.

8. Асташков Н.П. Разработка системы автоматизированного управления асинхронными электродвигателями вспомогательных машин электровозов для повышения их устойчивости / Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов / под ред. Ю.Ф. Мухопада. - Иркутск: ИрГУПС, 2010. - Вып. 17. - С. 183-189.

9. Астраханцев Л.А. Анализ факторов, воздействующих на устойчивость асинхронных вспомогательных машин электровоза переменного тока / Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков // Проблемы транспорта Восточной Сибири: материалы научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов. - Иркутск: ИрГУПС, 2011. - 4.1. -С. 3-6.

10. Асташков НЛ. Микропроцессорная система управления асинхронными вспомогательными машинами / Проблемы транспорта Восточной Сибири: материалы научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов - Иркутск: ИрГУПС, 2011.-Ч.1.-С.7-11.

11. Асташков Н.П. Управление температурным режимом тягового электрооборудования с помощью микропроцессорной системы управления асинхронными вспомогательными машинами / Н.П. Асташков, В.А. Тихомиров, В.А. Шестаков // Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт: Материалы международной научно-практической конференции.- Чита: ЗабИЖТ, 2011. - Т.2. - С. 132140.

12. Асташков Н.П. Автоматическое управление производительностью вспомогатель-

ных асинхронных машин электровозов / Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Омск: ОмГУПС, 2011.-С. 58-62.

13. Астраханцев Л.А. Автоматическая система управления мотор-вентиляторами электровозов для ресурсосберегающих технологий / Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: научные труды республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных учёных. - Ташкент: Та-шИИТ, 2011.-С. 61-62.

14. Астраханцев Л.А. Обоснование выбора элементов микропроцессорной системы автоматического управления мотор-вентиляторами электровозов на основе функциональной схемы / Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы межвузовской научно-практической конференции с международным участием. - Иркутск: ИрГУПС, 2012. - С. 354-359.

15. Астраханцев Л.А. Повышение электромагнитной совместимости подвижного состава / Л.А Астраханцев, Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева, Н.М. Астраханцева, Н.П. Асташков // Безопасность регионов - основа устойчивого развития: Материалы третьей международной научно-практической конференции. - Иркутск: ИрГУПС, 2012. - С. 92-94.

16. Астраханцев Л.А. Функциональная схема микропроцессорной системы автоматического управления мотор-вентиляторами электровозов переменного тока / Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков // Проблемы транспорта Восточной Сибири: сб. трудов Третьей Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. -Иркутск: ИрГУПС, 2013. -Ч.1.-С. 4-8.

17. Асташков Н.П. Повышение устойчивости асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока / Н.П. Асташков, Д.В. Яковлев // Проблемы транспорта Восточной Сибири: Сб. трудов Четвертой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных-Иркутск: ИрГУПС, 2013. -4.1. -С.16-20.

18. Астраханцев Л.А. Математическое обоснование направлений повышения тягово-энергетической эффективности электроподвижного состава / Н.Л. Рябчёнок, Т.Л. Алексеева, Л.А. Астраханцев, Н.П. Асташков // Повышение тягово-энер готической эффективности и надёжности электроподвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. - Омск: ОмГУПС, 2013.-С. 11-16.

19. Лыткина Е.М. Анализ надёжности электрических машин подвижного состава / Е.М. Лыткина, В.А. Тихомиров, Н.П. Асташков // Технико-экономические проблемы развития регионов: Материалы научно-практической конференции. - Иркутск: ИрГТУ, 2013. -Вып. 11.-С. 82-85.

Подписано в печать 12.09.14 г. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,34 Тираж 100 экз. Заказ № 2393

Типография ИрГУПС, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15