автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка алгоритмов эффективного управления тяговым вентильно-индукторным электроприводом электропоезда

На правах рукописи

КИРЕЕВ Александр Владимирович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2004

Работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ВЭлНИИ), г. Новочеркасск

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Пахомин С. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Петрушин А.Д.

кандидат технических наук, доцент Птах Г.К.

Ведущая организация: филиал Федерального Государственного Унитарного Предприятия «Производственно-конструкторское предприятие «ИРИС» (ФГУП «ПКП «ИРИС»)

Защита состоится 28 мая 2004 г. в 10 -час. 00 мин в 107 ауд. главного корпуса на заседании диссертационного Совета Д 212.304.01 в Южно- Российском государственном техническом университете (НПИ) по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ГСП-1, ул. Просвещения, 132

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для улучшения качества пригородных пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте необходимо повышать тягово-энергетические и эксплуатационные показатели электропоездов. Это может быть обеспечено применением бесколлекторных тяговых двигателей и совершенствованием методов управления электроприводами на основе новой силовой и управляющей элементной базы.

Поставленная задача может быть решена при использовании на электропоездах тяговых вентильно-индукторных электроприводов (ВИЭП) с реактивными индукторными двигателями (РИД). РИД выгодно отличаются от других электродвигателей более простой конструкцией (сосредоточенная обмотка на статоре, безобмоточный ротор), имеют повышенную надежность, просты в изготовлении и ремонте. По сравнению с асинхронными двигателями РИД имеют более высокий коэффициент полезного действия и близкие показатели по удельной мощности. Поэтому ВИЭП является новым перспективным направлением улучшения тягово-энергетических, эксплуатационных и экономических показателей электропоездов.

К основным недостаткам ВИЭП следует отнести высокие пульсации момента РИД. Кроме того, внедрение ВИЭП в области тяговых приводов в значительной мере сдерживается весьма сложной и не до конца отработанной процедурой их проектирования. Вместе с тем, высокие энергетические показатели этого привода, его надежность и возможность обеспечить снижение затрат электроэнергии обуславливают актуальность применения ВИЭП на электропоездах.

ВИЭП электропоезда представляет собой сложную электромеханическую систему, в которой благодаря использованию выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИЛ) типа 4q-S возможна работа привода в режиме торможения с рекуперацией энергии в контактную сеть. Повышение уровня проектирования таких систем, возможность прогнозирования их поведения в сложных динамических условиях могут быть обеспечены на основе компьютерных моделей, позволяющих осуществлять комплексный анализ процессов в электроприводе и вести расчеты во всех составных частях электропривода, в том числе и в трансмиссии тяговой передачи.

Для полноценного использования возможностей ВИЭП на электроподвижном составе необходимо разработать алгоритмы управления, которые позволят улучшить тягово-энергетические показатели привода и электропоезда в целом и уменьшить пульсации вращающего момента двигателя.

Целью работы является улучшение тягово-энергетических, эксплутаци-онных и технико-экономических характеристик тягового вентильно-индукторного привода электропоезда на основе разработки эффективных алгоритмов управления приводом.

Достижение этой цели потребовало решения следующих задач: - создание компьютерной модели ВИЭП электропоезда, позволяющей вести расчеты электрических процессов в системе «ВИП (4<?-5) - ИН - РИД» по мгновенным значениям величин с

темы двигателя в режиме тяги и торможения с рекуперацией энергии в контактную сеть;

- разработать экспериментальные методы определения электромагнитных связей потокосцеплений обмоток с фазными токами;

- исследовать влияние алгоритмов управления на пульсации вращающего момента трехфазного РИД;

- выполнить анализ динамических нагрузок в тяговой передаче электропоезда;

- разработать стратегию поиска алгоритмов управления, обеспечивающих минимизацию потребления электроэнергии, и исследовать влияние параметров управления на тягово-энергетические характеристики ВИЭП электропоезда в режиме тяги и рекуперации;

- экспериментально проверить работу РИД с подмагничиванием магнитной системы;

- разработать алгоритмы управления ВИЭП, обеспечивающие работу в режиме постоянства мощности на валу двигателя с низкими значениями пульсаций момента.

Методы исследований. Методологической основой исследования являются:

• метод конечных элементов — для расчета магнитного поля в РИД;

• метод Рунге-Кутта - для решения системы дифференциальных уравнений;

• уравнение Лагранжа 2-го рода - для анализа динамических нагрузок в тяговой передаче.

Моделирование выполнено с использованием стандартной математической программы Mathcad.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными, полученными на полномасштабном макетном образце ВИЭП для электропоезда.

Основные научные результаты диссертационной работы:

1. Компьютерная модель, позволяющая комплексно выполнять расчеты и проводить исследования тягового вентильно-индукторного привода электропоезда с учётом электрических, электромагнитных и механических процессов в системе «выпрямительно-инверторный преобразователь — инвертор напряжения - реактивный индукторный двигатель» по мгновенным значениям величин, а также с учетом насыщения магнитной системы двигателя.

2. Способы формирования «траектории» сигнала уставки фазного тока в околостоповых режимах, позволяющие уменьшить пульсации вращающего момента РИД и повысить эксплуатационную надежность вентильно-индукторного привода благодаря снижению динамических нагрузок в механической части колесно-моторного блока.

3. Алгоритм управления ВИЭП электропоезда, обеспечивающий работу привода с повышенными значениями момента и КПД системы при наименьших пульсациях момента на вату РИД.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Компьютерная модель вентильно-индукторного электропривода, учитывающая совместную работу ИН с фильтром и РИД, а также насыщение маг-

нитной системы двигателя, дополнена моделью выпрямительно-инверторного преобразователя типа Aq-S. Это позволяет вести расчеты электромагнитных процессов в двигателе и электрических процессов в силовой схеме электропоезда «ВИП (4^-5) - ИН - РИД».

2. Для повышения адекватности компьютерной модели ВИЭП предложены экспериментальные методы определения электромагнитных связей потокос-цеплений с токами обмоток РИД, основанные на численном интегрировании приложенного к фазной обмотке напряжения.

3. На основе сравнительного анализа предложенных алгоритмов формирования «траектории» сигнала уставки фазного тока в околостоповом режиме сформулированы рекомендации по снижению пульсаций вращающего момента ВИЭП электропоезда.

4. Исследовано влияние углов управления на пульсации электромагнитного момента в трехфазном тяговом РИД в основных режимах работы с учетом влияния подмагничивания магнитной системы двигателя.

5. Выбор эффективных алгоритмов управления, обеспечивающих минимальное потребление электроэнергии, предлагается вести по двум условиям: обеспечение максимального вращающего момента и минимальных значений пульсаций момента.

Практическая ценность работы

1. Разработанная компьютерная модель системы «ВИП - ИН — РИД» позволяет проводить комплексные исследования работы тягового привода электропоезда, определять параметры силовых элементов ВИП и ИН, а также динамические нагрузки в трансмиссии тяговой передачи при различных алгоритмах управления.

2. Предложены рекомендации по снижению пульсаций электромагнитного момента тягового трехфазного двигателя, позволяющие уменьшить динамические нагрузки в трансмиссии электропоезда.

3. Предложенные методы экспериментального определения электромагнитных связей в РИД позволяют оперативно уточнять расчетные характеристики ВИЭП.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании систем тяговых ВИЭП, питающихся от сети переменного и постоянного тока.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при создании полномасштабного макетного тягового ВИЭП электропоезда (350 кВт), изготовленного ООО ПК «НЭВЗ» и испытанного в ОАО «ВЭлНИИ».

Апробация работы. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на:

• II Международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», г. Ростов-на-Дону, ноябрь 2000 г.

• III Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 21-24 ноября 2000 г.

• Научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт - 2002», г. Ростов-на-Дону, апрель 2002 г.

• V Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 18-20 декабря 2002 г.

• IV Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г.

• XIII Международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта ", 22-26 сентября 2003 г., Крым.

На заседаниях секций «Электрическая тяга» и «Электрические машины» НТС ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск, 2002-2004гг., а также на расширенном заседании кафедры «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) в 2004 г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 научных статьях и 11 материалах докладов на научных конференциях. Получен 1 патент на способ управления РИД и 1 патент на полезную модель по схемному решению инвертора напряжения.

Объем работы. Диссертация общим объемом 187 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 152 наименований и 4 приложений. Работа также содержит 2 таблицы и 110 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и сформулированы задачи исследований.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопросов, связанных с проектированием ВИЭП, построением силовых преобразователей частоты (ПЧ), алгоритмов и схем их управления. Тяговый ВИЭП для электропоезда на базе РИД при питании привода от сети переменного тока (рис. 1) включает в себя входной выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) (четы-рехквадрантный) с входным дросселем, преобразователь частоты (инвертор напряжения (ИН)) и двигатель с датчиком положения ротора (ДПР).

Проведен обзор научно-технической литературы, связанной с вопросами компьютерного моделирования ВИЭП и выбора параметров управления электроприводом, снижения уровня пульсаций вращающего момента, экспериментального определения электромагнитных связей потокосцеплений с токами обмоток РИД, а также уменьшения затрат электроэнергии на электрическом транспорте средствами электропривода.

Показано, что для наиболее полного использования возможностей вен-тильно-индукторного электропривода на ЭПС необходимо разработать эффективные алгоритмы управления с использованием компьютерного моделирования работы привода по мгновенным значениям электромагнитных величин с учетом насыщения магнитной системы двигателя.

Рис. 1.

Вторая глава посвящена созданию компьютерной модели ВИЭП, включающей в себя выпрямительно-инверторный преобразователь (4^-5), инвертор напряжения и РИД (3 фазы, 12/8, 23 витка) (рис.1), ориентированной на разработку эффективных алгоритмов управления и на решение задач исследования влияния параметров управления на характеристики ВИЭП электропоезда.

При построении математической модели электропривода приняты следующие основные допущения: влияние высших гармоник тока на потери в обмотках дросселя и тягового трансформатора не учитывается; вихревые токи и гистерезис в магнитопроводе РИД не учитываются; магнитная система двигателя симметричная; взаимная индуктивность между фазами отсутствует; коммутация ключей в ИН и преобразователе происходит мгновенно; потери в двигателе и в силовых полупроводниковых приборах (СПП) учитываются на этапе расчета КПД привода.

В соответствии со схемой замещения силовых цепей ВИЭП составлена система уравнений, приведенная к форме Коши, с учетом коммутационных функций. При записи последнего уравнения системы использован подход, основанный на понятии дифференциальной индуктивности, которая равна производной потокосцепления по току при разных угловых положениях ротора

(рис. 2) и характеризует влияние насыщения магнитопровода на

индуктивность.

где Гц, L/j — суммарные сопротивление и индуктивность дросселя и тяговой обмотки трансформатора; Uj - напряжение на конденсаторе фильтра; и; — напряжение на конденсаторе Сг; г2 — сопротивление резонансного фильтра; fx (t), f СО- переключающие функции 4q-S и ИН по напряжению, к - номер фазы.

Электромагнитный момент М определяется через изменение магнитной коэнергии W системы при малом угловом перемещении ротора 9:

dWkCh.Q)

¡к = const '

Mk(ik,Q) = -

09

W

I

0

Решение системы дифференциальных уравнений осуществлялось универсальной математической системой ИаШСЛВ.

Электромагнитные связи УкАь®) определяются в ходе решения полевой задачи методом конечных элементов для различных угловых положений ротора. Однако расчетные данные ^ЛьФ» которые являются основной исходной информацией для математической модели, могут не соответствовать эксплуатационным данным Среди причин погрешностей расчетного определения зависимостей УкОь®) следует назвать неточности в изготовлении магнитной системы РИД, несоответствие расчетной и экспериментальной кривых намагничивания, не-

учёт индуктивностей подводящих силовых кабелей и др. В связи с этим в диссертации предлагаются экспериментальные методы (при неподвижном роторе -метод 1 и при вращении ротора в штатном режиме - метод 2) определения зависимостей путём измерения мгновенных значений тока и напряжения фазы с последующим нахождением соответствующих значений потокосцепле-ния На основе сравнительного анализа рекомендовано применение метода при вращении ротора в штатном режиме. Метод основан на компьютерной обработке серии экспериментальных осциллограмм напряжения и тока фазной обмотки, полученных на разных частотах вращения при различных комбинациях угла опережения а (опережающее включение фазы по отношению к положению ротора относительно статора «зубец - паз») и длительности положительного импульса напряжения на обмотке р. Экспериментальные годографы, необходимые для определения электромагнитных связей рассчитывались с использованием соотношения

(

V* = ¡("¿/к(0-1к(0гк)Ж-'о

Полученное семейство зависимостей приведенное на рис. 3 вместе с экспериментальными годографами, использовано в последующих исследованиях макетного образца тягового РИД (НТИ-350) часовой мощностью 350 кВт (и=1440 мин1,7=215 А, М=2320 Н*м) для электропоезда.

Расчетные и экспериментальные осциллограммы фазного тока для двигательного режима НТИ-350 при частоте коммутаций ^=1кГц, 11*=725 В, Р=180° показаны на рис. 4. Механические характеристики НТИ-350 приведены на рис. 5. Погрешность при расчетах мгновенных значений токов и моментов не превышает 2..5%. На рис. 6 показаны экспериментальный и расчетный фазный момент в стоповом режиме.

Для улучшения технических характеристик ВИЭП электропоезда представляет интерес использование режима подмагничивания магнитной системы РИД, который, как правило, не рассматривается в качестве полноценного режима. Подмагничивание начинается с определенной частоты вращения, когда с ростом длительности положительного импульса напряжения происхо-

дит исчезновение безтокового промежутка между токовыми волнами соседних циклов работы. Появление тока подмагничивания вызывает повышение момента на валу и амплитуды тока в фазной обмотке до тех пор, пока ток не достигнет уставки максимального тока. Следует отметить, что естественная зависи-

Рис.3.

мость момента на валу РИД от частоты вращения носит обратноквадратичный характер. Использование подмагничивания позволяет увеличить момент НТИ-350 в области высоких частот вращения на 58% и обеспечить, за счет этого, необходимую для электротранспорта гиперболическую зависимость момента от частоты вращения, т.е. режим постоянства мощности.

На рис.7 представлены осциллограммы токов с подмагничиванием-ЛоАк=150 А, (3=193° при п=1800 мин'1 (жирные линии — расчет, тонкие — эксперимент).

Сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей позволяют сделать вывод о том, что компьютерная модель с достаточно высокой точностью отображает электромагнитные процессы в электроприводе с РИД. Это позволяет использовать компьютерную модель для исследования влияния параметров и алгоритмов управления на характеристики ВИЭП электропоезда и их синтеза.

Применение ВИП (4^-5) позволяет поддерживать коэффициент мощности X в пределах 0,95+0,99 от 0,3Рн до номинальной мощности, обеспечивает независимость момента РИД от величины входного напряжения и выполнение тре-

бований к ВИЭП по электромагнитной совместимости с контактной сетью. Моделирование ВИП (4q-5^) совместно с ИН и РИД позволяет _учесть их влияние друг на друга и произвести выбор параметров фильтра Ьц и Сф.

Результаты моделирования процессов в ВИЭП с ВИП (4^-5) для часового режима РИД (350 кВт, и=1440мин"1) представлены на рис.8: напряжение и ток вторичной обмотки тягового трансформатора (е« 'л) (а), напряжение и ток звена постоянного тока (и& ¡¿) (а), фазные напряжение и ток РИД (и, /) (б).

Рис. 8.

Разработанная компьютерная модель ВИЭП позволила определить рациональные параметры элементов ВИП: индуктивность £¿/=0,0025 Гн, позволяющую поддерживать для ВИП % = 0,95-Ю,997 и КПД - Г)П=97,5-98,6% при мощности 0,3 Р„ и выше, а также величину емкости конденсатора фильтра Сф;=3500-10^ Ф и параметры резонансного фильтра Сг и Ьг, настроенного на частоту 100 Гц.

Третья глава посвящена исследованию пульсаций вращающего момента в тяговом РИД и разработке мер по их снижению с использованием компьютерной модели ВИЭП.

Рассмотрено влияние на пульсации момента формы фазного тока, угла опережения а и длительности положительного импульса напряжения р. Для сравнительной оценки полученных расчетных результатов использовался коэффициент пульсаций (Лп), который определялся как отношение амплитуды основной гармоники результирующего момента к его среднему значению.

В пусковом режиме работа РИД осуществляется непосредственно по сигналам ДПР в режиме ограничения тока с параметрами управления Р=180°, а= 0°. При таких значениях аир двигатель развивает предельное значение момента на валу. Кроме того, практическая реализация сдвига углов а и р в области околостоповых скоростей затруднена. Поэтому при пуске снижение пульсаций момента предлагается осуществлять за счет согласованного изменения формы сигнала токоограничивающей уставки, т.е. алгоритмом «микропроцессорного» ведения тока по заданной «траектории», формирующей особую форму момента.

На рис. 9,а представлены расчетные осциллограммы фазного тока (при J та ** 675 А - const - предельный режим по действующему значению фазного тока), напряжения фазы и моментов (результирующего и фазы А) при а=0°, (3=180°, л=10мин*' («базовый» режим).

Рассмотрены три способа формирования средствами управления «траектории» сигнала уставки тока в пусковом режиме. На рис. 9,6, виг представлены соответствующие расчетные осциллограммы фазных значений тока z, момента Л/ф, напряжения и и результирующего момента Мр (а=0°, (3=180°):

- ток фазы нарастает в зоне провала моментаЛ^, (способ 1, рис. 9,6);

- ток фазы уменьшается в зоне возрастания моментаМр (способ 2, рис. 9,в);

- ток фазы уменьшается в зоне возрастания момента Мр и увеличивается в окрестности его провала (способ 3, рис. 9,г).

Рис. 9.

Наиболее важные параметры двигателя для перечисленных способов формирования уставки приведены в табл. 1, из которой видно, что их использование позволяет снизить Кп с 13,3 % (базовый) до 2,8+4,2 %, а наиболее эффективным алгоритмом, реализующим минимум Кц при наименьшем значении тока I, является первый способ (рис.9,б). Для этого способа «траектория» сигнала уставки тока получена в результате «наложения» синусоидального модулирующего сигнала с двойной частотой, определяющего желаемый вид токовой уставки, на сигнал, соответствующему минимальному значению этой уставки.

Полученный сигнал уставки смещен относительно фронта ДПР и поднят относительно оси абсцисс. Аналогично происходит формирование сигналов уставок тока других способов.

Таблица 1

Способ регулирования М, Н м I, А КП, %

1кт=сот1 (рис. 9,а) (базовый) 4699 455,9 13,3

Способ 1 (рис. 9,6) 4244 385 2,8

Способ 2 (рис. 9,в) 4452 422,9 4,2

Способ 3 (рис. 9,г) 4261 400,5 3,9

При уменьшении периода сигнала ДПР до 75 мс (частота вращения 100 мин" ) автоматически вводится управление углами аир. Поэтому появляется возможность использовать фазовое регулирование моментом путем изменения углов а и р.

Расчетные зависимости коэффициента пульсаций Кп и результирующего (среднего значения) момента Мот длительности импульса р при различных углах а для частоты вращения 400 мин-1 и = 675 А приведены на рис. 10.

Рис.10.

Зависимости Кп =У(Р) носят экстремальный характер. Все экстремумы кривых для различных значений а находятся в узком диапазоне изменения Р= 152-г-162°, а наименьшее значение Кп для рассматриваемой частоты вращения составляет 5,3 % при а=12-!-16°, Р=152-;-1620.

С целью обобщения проведены вычислительные эксперименты для ряда частот вращения при различных алгоритмах управления в предельном режиме работы РИД. На рис. 11 показаны зависимости коэффициента пульсаций Кц и среднего значения вращающего момента М от частоты вращения при Дки=675А, а=уаг для следующих вариантов:

1 вариант ("базовый") — без изменения формы сигнала уставки тока

р=180°;

2 вариант - с изменением формы сигнала уставки тока по заданной "траектории" 1уст2=^аг, ¡3=180° (способ 2);

3 вариант (фазовое регулирование) - без изменения формы сигнала уставки тока 1уал=согаи Р =\аг. В пусковом режиме до 100 мин-1 расчеты велись по

базовому варианту, для п>100 мин"1 определялись углы управления, обеспечивающие минимальное значение Кд.

Анализируя полученные зависимости (см. рис. 11), можно отметить, что путем формирования специальной формы сигнала уставки фазного тока в околостоповом режиме и выбором соответствующих углов управления, изменяющихся с ростом частоты вращения, удается снизить пульсации момента с 13,3+97% до 3-з-38% в широком диапазоне частот вращения.

Для оценки

динамических нагрузок в тяговой передаче электропоезда, вызванных пульсациями вращающего момента РИД, проведены исследования механических процессов в колесно-моторном блоке (КМБ) для рассмотренных выше алгоритмов управ- Рис.П.

ления варианта 1 и варианта 2. Для проведения корректного сопоставления в варианте 2 вращающий момент был повышен до вращающего момента в варианте 1 путем увеличения уставки тока.

В связи с этим была рассмотрена математическая модель КМБ с тяговым двигателем. Динамическая модель КМБ представляет собой систему с дискретными, инерционными, упругими и диссипативными связями. Возмущение со стороны пути и колебания подрессоренных масс моторного вагона — не рассматриваются.

Динамика процессов в КМБ описана системой дифференциальных уравнений при действии на ротор РИД постоянной и динамической составляющих момента. При выводе дифференциальных уравнений колебаний тягового привода использовано уравнение Лагранжа 2-го рода: Г \

£ Л

дТ

5Т ап дЯ

= 2/

Щ]) 6фj Зфу

где Т, П и Я - кинетическая, потенциальная энергии и энергия рассеивания;

- обобщенные координаты поворота и скорости элементов системы; -внешняя сила.

По результатам расчетов для скоростей движения от 0 до 120 км/ч с шагом 0,2 км/ч в диссертации построены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) динамического момента на валу шестерни тягового редуктора (ШТР) Л/т и динамических сил в подвеске редуктора при двух значениях жесткости

резинокордной муфты <^=78480 Н-м/рад и с,=147150 Н-м/рад. На рис. 12 представлены АЧХ динамических моментов на валу ШТР от частоты вынужденных колебаний и скорости движения до 20 км/ч при с,=78480 Н-м/рад.

Выявлено, что в диапазоне скоростей от 15 км/ч и до конструкционной динамические моменты Л/, на валу ШТР и динамические силы в подвеске редуктора совпадают с тяговыми, то есть динамическая составляющая момента практически равна нулю. В резонансной области представленные АЧХ имеют два доминирующих резонансных максимума. При снижении коэффициента пульсаций вращающего момента РИД с 13,3% до 4% в резонансной области наблюдается снижение (в 4 раза) относительных значений динамических моментов на валу ШТР и динамических сил в подвеске редуктора, что способствует повышению эксплуатационной надежности привода.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния параметров управления на характеристики ВИЭП электропоезда, разработке стратегии и выбору эффективных алгоритмов управления приводом.

Поиск зависимостей углов управления от частоты вращения РИД

предлагается проводить при условии обеспечения:

- предельной величины вращающего момента;

- низкого уровня пульсаций вращающего момента;

- низких затрат электроэнергии.

В качестве целевой функции при выборе алгоритмов управления приняты затраты электроэнергии.

Для выявления параметров управления, обеспечивающих максимальное значение момента М или минимальное значение пульсаций момента, проведена серия расчетов в режимах тяги и торможения для следующих алгоритмов управления РИД при_£=1-П,5кГц, Imax-675А, [/¿=1450 В:

- без изменения формы сигнала уставки тока Iyc^const — базовый способ (см. рис. 9а);

-с изменением формы сигнала уставки тока по заданной "траектории" I)vm2=vtV — способ 2 (см. рис. 9в).

В ходе предварительного анализа ограничились рассмотрением вариантов регулирования момента, обеспечивающих максимальные значения момента и минимальные значения коэффициента пульсаций:

1. М (п) —> max при о. =var, ß=var, const;

2. Кп (п) —» min при а =var, ß=var, ly,.m=consf,

I J ^ Вариант 1 !

j вариант 2

\ М

0 42 84 12« /, Гц

1_I_I_I_I

0 5 10 15 Г, км/ч

Рис.12.

3. М (п) —» max при а =var, ß=var, }yc„2=var;

4. (n) —> min при а =var, ß=var, Iycm2=var.

Полученные характеристики ВИЭП с перечисленными алгоритмами управления были сопоставлены между собой и с наиболее известным вариантом управления:

5. М (п) -> max при a =var, ß=co«sf (180°), />ст=const.

Для каждого варианта выбраны координаты (углы управления а(и) и ß(«)), обеспечивающие предельные значения при выбранных ограничениях (Uj, I>vm, fy по вращающему моменту и коэффициенту пульсаций. После этого полученные зависимости а(и) и ß(«) заменяются на плавные и монотонные с помощью линейной регрессии. На рис. 13 показаны зависимости момента М, коэффициента пульсаций Ал. а на рис. 14 - КПД системы г[с и действующие значения фазного тока 1 для режима тяги в зависимости от частоты вращения для указанных вариантов. Аналогичные зависимости получены для режима торможения.

Рис. 13. Рис.14.

Анализ полученных результатов показал, что наиболее привлекательным является алгоритм управления но варианту 2, обеспечивающий наибольшие значения момента М и КПД системы при наименьшем коэффициенте пульсаций (за исключением пускового режима).

Для выявления эффективного режима ведения электропоезда определена фазовая траектория (у - скорость, 5 - путь), соответствующая минимуму затрат электроэнергии (А) при ограничении максимальной мощности на валу РИД - 420 кВт. Выполнены расчеты траекторий движения электропоезда с рассмотренными выше алгоритмами управления при обеспечении ограничений на фазовые координаты и сравнены между собой по расходу

электроэнергии. Для сравнения в табл. 2 приведены основные результаты рас-

четов (среднее ускорение до 60 км/ч

среднее замедление с 80 км/ч - bq

отношение затрат электроэнергии на перегоне постоянного профиля (3,5 км) по варианту 5 ко всем вариантам

ЬА = (—1)-100%

среднеквадратичное

значение фазного тока тягового двигателя на перегоне постоянного профиля -/ср. к в. и время выбега - /ВЬ1бега).

_Таблица 2

Вариант аст м/с"* Ьсв, м/с/ ДА,% /сс КМ А ^выбега» С

1 0,771 0,727 5,45 227 98

2 0,77 0,721 6,96 221 98

3 0,767 0,704 451 234 95

4 0,719 0,7 -3,11 230 94

5 0,73 0,68 0 220 90

Из таблицы следует, что наиболее эффективным алгоритмом управления электропоезда с точки зрения экономии электроэнергии на перегоне постоянного профиля является вариант 2: при меньшем среднеквадратичном значении тока двигателя вариант характеризуется большим временем выбега. Он обеспечивает также низкое значение пульсаций момента во всем рассматриваемом диапазоне частот вращения, с учетом алгоритма управления в пусковом режиме по специальной «траектории» сигнала уставки тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана компьютерная модель системы «ВИП (4у-5) - ИН - РИД», позволяющая путем совместного решения системы дифференциальных уравнений с учетом насыщения магнитопровода двигателя рассчитывать мгновенные значения токов, напряжений, магнитных потоков, вращающего момента, потери в силовых элементах. Разработанная компьютерная модель ВИЛ электропоезда позволяет осуществлять выбор параметров индуктивности дросселя и емкости конденсаторов фильтра, определять динамические нагрузки в механической части привода.

2. Предложены методы экспериментального определения электромагнитных .связей потокосцеплений с токами, позволяющие повысить адекватность компьютерной модели ВИЭП. Погрешность расчета мгновенных значений токов и момента РИД не превышает 5%.

3. Для снижения пульсаций момента в трехфазном тяговом двигателе в околостоповом режиме предложены и исследованы алгоритмы формирования специальной формы сигнала уставки фазного тока по заданным «траекториям», позволяющие снизить пульсации с 13,3% до 2,8-1-4,2%.

4. Для снижения пульсаций момента в диапазоне работы тягового РИД от пускового режима до максимальной частоты вращения предлагается формировать интервалы перекрытия фазных токов (моментов) путем варьирования углов управления и использования режима подмагничивания. Это позволяет снизить пульсации момента с

5. Выявлено, что снижение уровня пульсаций вращающего момента в резонансной зоне с 13,3% до 4% путем формирования специальной «траектории» сигнала уставки фазного тока в пусковом режиме способствует подавлению резонансных динамических составляющих момента в 4 раза, что позволяет повысить эксплуатационную надежность привода.

6 Проведен анализ влияния углов управления на тягово-энергетические показатели ВИЭП электропоезда. Выявлено, что использование режима подмаг-ничивания магнитной системы позволяет увеличить момент РИД электропоезда в области максимальной частоты вращения на 58% и обеспечить работу привода в режиме постоянства мощности.

7. Выявлено, что при управлении приводом по условию минимума пульсаций момента можно улучшить энергетические показатели тягового ВИЭП электропоезда на 6,96%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Киреев А.В., Крамсков С.А. Моделирование электромагнитных процессов в вентильно-индукторном электроприводе в математической системе Math-CAD// Изв. вузов. Электромеханика. - 2003. - №1. - С.42 - 46.

2. Киреев А.В., Пахомин С.А Исследование пульсаций момента в тяговом реактивном индукторном двигателе в режиме токоограничения // Вкник СХдноукр. нацюн. ун-ту 1м. В. Даля. - Луганськ, 2003. - №9. - С. 72-77.

3. Пахомин СА, Киреев А.В. Пульсации момента тягового реактивного индукторного двигателя в режиме ограничения тока // Изв. вузов. Электромеханика. - 2004. - №1. - С. 25 -28.

4. Схема питания двух многофазных реактивных индукторных двигателей/ Колпахчьян Г.И., Крамсков СА, Кононов Г.Н., Киреев А.В. и др. // Патент РФ на полезную модель №35581. Опубл. 20.01.2004. Бюл. №2.

5. Беляев А.В., Киреев А.В. Способ управления индукторным двигателем // Заявка №2002117539/09 с решением о выдачи патента от 11.12.2003. Опубл. 10.01.2004. Бюл. № 1.

6. Киреев А.В. Динамические нагрузки в тяговой передаче электропоезда, вызванные пульсациями вращающего момента реактивного индукторного двигателя // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проскт-но-констр. ин-т электровозостроения - 2004. - Т.46. - С. 145-155.

7. Киреев А.В., Пахомин С.А., Кононов Г.Н. Пульсации момента в тяговом реактивном индукторном двигателе и меры по их снижению // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения - 2004. - Т.46. - С. 87-96.

8. Крамсков С. А., Киреев А.В. Компьютерное моделирование процессов в вен-тильно-индукторном электроприводе с использованием пакета Mathcad И Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения - 2003.-Т.45.-С.239-257.

9. Логинов И.Я., Кононов Г.Н., Киреев А.В. Управление реактивным индукторным тяговым двигателем в режиме «токового коридора» // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения - 2000. -Т.42.- С. 185-190.

10.Влияние углов управления на характеристики тягового реактивного индукторного двигателя электропоезда / Логинов И.Я., Кононов Г.Н., Киреев А.В., и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проект-но-констр. ин-т электровозостроения - 2000.-Т.42.-С. 190-195.

11. Логинов ИЛ., Киреев А.В., Мигулев А.В. Методика расчета потерь мощности в силовых полупроводниковых приборах преобразователя на IGBT транзисторах индукторного электропривода // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения - 2000.-Т.42.-С. 196-203.

12. Беляев А.В., Киреев А.В. Определение магнитных характеристик реактивного индукторного двигателя для анализа и оптимизации алгоритмов управления // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проект-но-констр. ин-т электровозостроения - 2002. - Т.44.- С.48-55.

13. Регулировочные свойства и возможности оптимизации режимов работы реактивного индукторного двигателя / Колпахчьян Г.И., Кононов Г.Н., Киреев А.В., и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения - 2002,- Т.44.- С.39-48.

14. Испытания тягового индукторного двигателя в генераторном режиме/ Кононов Г.Н., Колпахчьян Г.И, Киреев А.В., и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения,- 2002. -Т.44.- С. 109-115.

15. Испытание автономного инвертора напряжения на IGBT транзисторах для питания реактивно-индукторного двигателя вспомогательных механизмов электровоза / Колпахчьян Г.И., Логинов И.Я., Кононов Г.Н., Федорин В.Г., Киреев А.В. // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всероссийский, н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения - 1999. - Т.41.- С. 173-179.

16. Об оптимизации режимов работы приводов с индукторными двигателями / Колпахчьян Г.И., Кононов Г.Н., Киреев А.В., и др. // 3-я Междунар. науч.-техн. конф., «Новые технологии управления движением технических объектов», 21-24 ноября 2000 г., г. Новочеркасск, - С. 35.

17. Киреев А.В., Федорин В.Г., Кулишов А.А. К вопросу оптимизации режимов работы приводов с индукторными двигателями // Труды Второй междунар. отраслевой науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», ноябрь 2000 г. Ростовский государственный университет путей сообщения.. Ростов-на-Дону, - 2000 г. - С. 52.

18. Оценка способов ограничения токов в индукторном двигателе/ Логинов И.Я., Кононов Г.Н., Киреев А.В., и др. // Труды Второй междунар. отраслевой науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», ноябрь 2000 г. Ростовский государственный университет путей сообщения. Ростов-на-Дону, -2000 г., С. 61.

19. Колпахчьян Г.И., Кононов Г.Н., Киреев А.В. Регулировочные возможности и оптимизация режимов работы реактивного индукторного двигателя // Труды науч.-теорет. конф. проф .-преподавательского состава «Транспорт -2002», апрель 2002 г., часть 3, г. Ростов-на-Дону. - 2002, - С. 46-48.

20. Кононов Г.Н., Колпахчьян ГЛ., Киреев А.В. Тяговый реактивный индукторный двигатель в генераторном режиме // Труды научно-теорет. конф.

№ - 9 1 S ©

профессорско-преподавательского состава «Транспорт-2002», апрель 2002 г. часть 3 г. Ростов-на-Дону. 2002, - С. 50.

21. Киреев А.В., Крамсков С.А. Математическая модель в среде MathCAD для расчета электромагнитных процессов в вентильно-индукторном электроприводе // «Новые технологии управления движением технических объектов»: Сб. статей по матер. 5-й Междунар. науч.-техн. конф., 18-20 декабря 2002 г., г. Новочеркасск. - Ростов-н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ,-2002.-Вып. 3, ч .2.-С 19-21.

22. Колпахчьян Г.И., Кононов Г.Н., Киреев А.В. Реактивный индукторный двигатель в режиме реостатного торможения // «Новые технологии управления движением технических объектов»: Сб. статей по матер. 5-й Междунар. на-уч.-техн. конф., 18-20 декабря 2002 г., г. Новочеркасск. - Ростов-н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, - 2002. - Вып. 3, ч .2. - С. 24-26.

23. Электропоезд переменного тока с индукторным тяговым и вспомогательным приводами / Колпахчьян Г. И., Кононов Г.Н., Киреев А.В., и др. // IV Междунар. науч.-техн. конф. "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г.,- С. 96-97.

24. Киреев А.В., Кононов Г.Н. Влияние параметров управления на энергетиче-, ские показатели электропоезда с тяговым вентильно-индукторным электроприводом // IV Междунар. науч.-техн. конф. "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава",г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003г., - С. 97-99.

25. Входной четырехквадрантный преобразователь в системе индукторного тягового электропривода / Кононов Г.Н., Киреев А.В., Кулишов А.А., и др. // IV Междунар. науч.-техн. конф. "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003г.,- С. 99-100.

26. Пульсации момента индукторного двигателя и их влияние на механическую часть электропоезда / Колпахчьян Г.И., Сергиенко П.Е., Кононов Г.Н., Киреев А.В. и др. // IV Междунар. науч.-техн. конф. "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г., -С. 229-230.

Всего печатных листов приходящихся на автора - 3,7 из 7,1. [1,4,8,11,21,26] - построение компьютерной модели, моделирование вен-тильно-индукторного электропривода и алгоритмов управления; [2,3,5,7,9,10,16,17,23,24] - разработка и построение алгоритмов, разработка стратегии управления, формирование рекомендаций; [13-15,18-20,22,25] -разработка алгоритмов управления и их реализация, экспериментальная проверка; [12] - разработка метода экспериментального определения электромагнитных связей потокосцеплений с токами в двигателе.

Подписано в печать 22.04.2004 г.

Бумага офсетная Печать оперативная Печ. л. 1,00 Тираж 100 экз. Заказ №47-0550 Адрес ун-та и типографии: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

ВВЕДЕНИЕ

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Тяговый вентильно - индукторный электропривод. Устройство и принцип действия.

1.2. Зарубежный и отечественный опыт разработок ВИЭП.

1.3. Обзор научных работ по управлению ВИЭП. Актуальность задач исследования.

2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ В СИСТЕМЕ MathCAD

2.1. Система отсчета для параметров управления ВИЭП

2.2. Допущения. Расчетная схема замещения. Дифференциальные уравнения.

2.3. Моделирование входного преобразователя.

2.4. Моделирование инвертора напряжения.

2.5. Моделирование реактивного индукторного двигателя.

2.6. Расчетный алгоритм, реализующий математическую модель ВИЭП.

2.6.1. Расчет токов в обмотках двигателя.

2.6.2. Расчет электромагнитного момента.

2.6.3. Результаты моделирования процессов в ВИЭП

2.7. Идентификация математической модели ВИЭП.

2.8. Расчетно-экспериментальные методы определения электромагнитных связей ц/=Д/,0).

2.8.1. Измерение напряжения и тока в фазной обмотке при заторможенном роторе и построение матрицы потоко-сцепления.

2.8.2. Измерение напряжения и тока в фазной обмотке при постоянной частоте вращения и построение матрицы потокосцепления

2.8.3. Сравнение расчетных и экспериментальных характеристик НТИ

Выводы.

3. ПУЛЬСАЦИИ МОМЕНТА В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С РИД

3.1. Условия работы и требования, предъявляемые к тяговым передачам.

3.2. Причины, вызывающие пульсации момента, и пути их сни -жения.

3.3. Условия устранения пульсаций момента средствами управ -ления.

3.4. Снижение пульсаций момента в режиме токового ограни -чения.

3.4.1. Пусковой режим.

3.4.2. Работа двигателя на «низких» частотах вращения

3.5. Снижение пульсаций момента в одноимпульсном режиме

3.5.1. Режим работы РИД в области «средних» частот вра -щения.

3.5.2. Режим работы РИД в области «высоких» частот вра -щения.

3.6. Сравнение вариантов регулирования фазных токов.

3.7. Динамические нагрузки в тяговой передаче электропоезда, вызванные пульсациями момента.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ t НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИЭП

4.1. Подход к поиску эффективных параметров управления

4.2. Выбор алгоритма формирования фазных токов РИД.

4.3. Регулирование электромагнитного момента в режиме тяги

4.3.1. Алгоритм поиска углов управления.

4.3.2. Классификация и анализ стратегий управления ВИЭП

4.4. Регулирование электромагнитного момента в режиме рекуперации.

4.4.1 Использование ВИЭП для систем электрического торможения.

4.4.2 Анализ стратегий управления ВИЭП.

4.5 Алгоритм формирования постоянства выходной мощности ВИЭП.

4.6 Синтез законов управления электроприводом с РИД применительно к электропоезду.

Выводы.

В развитых странах главным потребителем электрической энергии является электропривод (ЭП). Во многом глобальное энергопотребление определяют электромеханические системы с неуправляемыми или управляемыми простейшим образом асинхронными и коллекторными электродвигателями, широко применяемыми в промышленности, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве, в быту.

Традиционные методы регулирования скорости вращения двигателей не являются энергетически эффективными и направлены, главным образом, для поддержания требуемых значений технологических параметров. Поэтому современные энергетические и экологические нормы требуют применения автоматизированных электроприводов с управляемыми электрическими машинами (ЭМ).

В мировой практике регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энергосберегающих и ресурсосберегающих экологически чистых технологий. Уже сейчас около 40% выпускаемых за рубежом ЭМ выполняются управляемыми, и эта доля постоянно растет.

Электроприводы потребляют около 50% всей производимой в мире электроэнергии, и соответственно, являются основными ее потребителями. Поэтому в настоящее время достаточно остро стоит задача эффективного управления электроприводами не только с технологической точки зрения, но и с точки зрения экономии электроэнергии, в том числе и на электрифицированном железнодорожном транспорте, являющимся одним из основных потребителей электроэнергии в стране. Стоит упомянуть также о том, что в развитых странах мира введены законы, требующие экономии электроэнергии и выпуска энергосберегающего оборудования. Однако развитие современной техники предъявляет все более жесткие требования к электроприводу. Современные технологии требуют от электропривода повышения точности движения (как в статике, так и в динамике), быстродействия, надежности, эффективности привода, понижения вносимых приводом искажений в сетевое напряжение, а также поддержание определенного уровня напряжения на электроподвижном составе (ЭПС). Это в свою очередь требует применения как «новых» двигателей (бесколлекторных), так и новых, более сложных методов управления электроприводом, что в свою очередь влечет за собой применение новой элементной базы (силовой и управляющей), позволяющей реализовать данные алгоритмы.

В настоящее время наблюдается интенсивное развитие тяговых и промышленных электроприводов с высокими технико-экономическими показателями. Помимо электроприводов традиционного исполнения - асинхронных, синхронных и с двигателями постоянного тока активно развивается направление вентильно-индукторных электроприводов (ВИЭП), известного за рубежом как Switched Reluctance Drive (SRD), основой которого являются реактивный индукторный двигатель (РИД) и полупроводниковый (вентильный) преобразователь.

С 1983 года фирма Task Drives (UK) выпускает регулируемый электропривод на основе SRM (Switched Reluctance Motor). С тех пор в промыш-ленно развитых странах отмечается повышенный интерес к электроприводам этого типа. Разработкой и внедрением их во многие сферы занимаются ведущие зарубежные электротехнические фирмы (Oulton (UK), Emerson Electric, General Electric Co., TRW, DANA (USA) и другие).

Активно ведутся разработки и отечественными организациями. С 60-х годов прошлого века ведутся научно-исследовательские работы в области индукторных электрических машин на кафедре электромеханики ЮжноРоссийского государственного технического университета (НПИ), где эта машина получила название - реактивный индукторный двигатель. С 90-х годов в этой области ведутся работы в ОАО Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ»), в Московском энергетическом институте (техническом университете) (МЭИ), в Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) и ряде других.

В России серийный выпуск вентильно-индукторных приводов осуществляет Научно-производственное предприятие «ЭМЕТРОН» (г. Новочеркасск). С 1996 г. выпущено более 40 тысяч приводов на базе однофазного РИД для бытового сепаратора-сливкоотделителя. С 2001 г. Hi 111 «ЭМЕТРОН» осуществляет серийный выпуск и поставку в Новую Зеландию электроприводов интегрированного исполнения с корректором коэффициента мощности для деревообрабатывающих станков.

Основные отличительные особенности РИД заключаются в простоте конструкции магнитной системы статора, отсутствии обмоток на зубчатом роторе и питании обмоток статора однополярными импульсами тока по сигналам датчика положения ротора (ДПР). По сравнению с двигателями других типов РИД конструктивно проще и технологичнее. Так, например, в сравнении с асинхронным двигателем стоимость изготовления на 25-30% ниже, при увеличении надежности в эксплуатации примерно в два раза [1].

Также следует отметить важную особенность энергетики РИД — пологость характеристики КПД в широком интервале изменения мощности при сохранении практически одинаково высоких значений КПД от пусковых режимов до скоростей, значительно выше номинальных, что особенно важно для электроподвижных единиц с частыми пусками (пригородные поезда, трамваи и т.д.) [2]. По сравнению с асинхронным двигателем КПД РИД минимум на 2-3% выше и, за счет этого, выше КПД привода в целом [3].

К недостаткам ВИЭП следует отнести, прежде всего, высокие пульсации момента РИД. Кроме того, внедрение ВИЭП в области тяговых электроприводов в значительной мере тормозится весьма сложной и не до конца отработанной процедурой проектирования электропривода для достижения высоких энергетических показателей.

Применение ВИЭП на электроподвижном составе является пока еще мало изученной, но перспективной областью потенциальных возможностей улучшения тягово-энергетических, эксплуатационных и экономических показателей электровозов и электропоездов.

Задача снижения энергозатрат наиболее актуальна для тяговых приводов, динамические режимы которых составляют большую часть рабочего цикла. Процессы пуска, торможения, перехода электромеханического преобразователя с одной частоты вращения на другую связаны со значительными затратами электроэнергии.

Для полноценного использования возможностей ВИЭП важно не только сформировать оптимальную геометрию зубцовой зоны РИД, выбрать рациональные электромагнитные нагрузки в активных частях электрической машины, но также разработать эффективные алгоритмы управления, которые бы позволили улучшить тягово-энергетические показатели привода и уменьшить пульсации вращающего момента двигателя.

Однако, поиск эффективных алгоритмов управления в условиях большого числа независимых переменных делают решение этой задачи практически невозможным без проведения серии упорядоченных вычислительных экспериментов, с разработкой алгоритмов поиска эффективных параметров управления на базе усовершенственной компьютерной модели. !

ВИЭП представляет собой достаточно сложную электромеханическую систему. Повышение уровня проектирования таких систем, возможность прогнозирования их поведения в сложных динамических условиях могут быть обеспечены на основе современных компьютерных моделей.

Основными задачами, стоящими при проектировании ВИЭП, являются: расчет мгновенных значений токов, напряжений, магнитных потоков, вращающего момента, потерь в силовых ключах, в стали и обмотках РИД и других компонентах системы. Для их решения необходимо получить возможно более полную и точную информацию об электрических, электромагнитных и электромеханических процессах во всех составных частях ВИЭП при различных режимах работы с учетом алгоритмов управления.

Для повышения точности расчета и учета особенностей совместной работы двигателя, инвертора напряжения (ИН) с системой управления (СУ), входного выпрямительно-инверторного преобразователя (4q-S) с СУ необходим системный подход к моделированию, предполагающий рассмотрение системы как единого целого.

Целью работы является улучшение тягово-энергетических, эксплу-тационных и технико-экономических характеристик тягового вентильно-индукторного привода электропоезда на основе разработки эффективных алгоритмов управления приводом.

Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:

- создание компьютерной модели ВИЭП электропоезда, позволяющей вести расчеты электрических процессов в системе «ВИП (4#-<S) - ИН - РИД» по 1 мгновенным значениям величин с учетом подмагничивания магнитнои системы двигателя в режиме тяги и торможения с рекуперацией энергии в контактную сеть;

-j

- разработать экспериментальные методы определения электромагнитных связей потокосцеплений обмоток с фазными токами;

- исследовать влияние алгоритмов управления на пульсации вращающего момента трехфазного РИД;

- выполнить анализ динамических нагрузок в тяговой передаче электропоезда;

- разработать стратегию поиска алгоритмов управления, обеспечивающих минимизацию потребления электроэнергии, и исследовать влияние параметров управления на тягово-энергетические характеристики ВИЭП электропоезда в режиме тяги и рекуперации;

- экспериментально проверить работу РИД с подмагничиванием магнитной системы;

- разработать алгоритмы управления ВИЭП, обеспечивающие работу в ре- . жиме постоянства мощности на валу двигателя с низкими значениями пульсаций момента.

Методы исследований. Методологической основой исследования являются: метод конечных элементов — для расчета магнитного поля в РИД; метод Рунге-Кутта - для решения системы дифференциальных уравнений; уравнение Лагранжа 2-го рода - для анализа динамических нагрузок в тяговой передаче.

Моделирование выполнено с использованием стандартной математической программы Mathcad.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными, полученными на полномасштабном макетном образце ВИЭП для электропоезда.

Основные научные результаты диссертационной работы:

1. Компьютерная модель, позволяющая комплексно выполнять расчеты и проводить исследования тягового вентильно-индукторного привода электропоезда с учётом электрических, электромагнитных и механических процессов в системе «выпрямительно-инверторный преобразователь — инвертор напряжения - реактивный индукторный двигатель» по мгновенным значениям величин, а также с учетом насыщения магнитной системы двигателя.

2. Способы формирования «траектории» сигнала уставки фазного тока в околостоповых режимах, позволяющие уменьшить пульсации вращающего момента РИД и повысить эксплуатационную надежность вентильно-индукторного привода благодаря снижению динамических нагрузок в механической части колесно-моторного блока.

3. Алгоритм управления ВИЭП электропоезда, обеспечивающий работу привода с повышенными значениями момента и КПД системы при наименьших пульсациях момента на валу РИД.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Компьютерная модель вентильно-индукторного электропривода, учитывающая совместную работу ИН с фильтром и РИД, а также насыщение магнитной системы двигателя, дополнена моделью выпрямительно-инверторного преобразователя типа Aq-S. Это позволяет вести расчеты электромагнитных процессов в двигателе и электрических процессов в силовой схеме электропоезда «ВИП {Aq-S) - ИН - РИД».

2. Для повышения адекватности компьютерной модели ВИЭП предложены экспериментальные методы определения электромагнитных связей пото-косцеплений с токами обмоток РИД, основанные на численном интегрировании приложенного к фазной обмотке напряжения.

3. На основе сравнительного анализа предложенных алгоритмов формирования «траектории» сигнала уставки фазного тока в околостоповом режиме сформулированы рекомендации по снижению пульсаций вращающего момента ВИЭП электропоезда.

4. Исследовано влияние углов управления на пульсации электромагнитного момента в трехфазном тяговом РИД в основных режимах работы с учетом влияния подмагничивания магнитной системы двигателя.

5. Выбор эффективных алгоритмов управления, обеспечивающих минимальное потребление электроэнергии, предлагается вести по двум условиям: обеспечение максимального вращающего момента и минимальных значений пульсаций момента.

Практическая ценность работы

1. Разработанная компьютерная модель системы «ВИП {Aq-S) — ИН — РИД» позволяет проводить комплексные исследования работы тягового привода электропоезда, определять параметры силовых элементов ВИП и ИН, а также динамические нагрузки в трансмиссии тяговой передачи при различных алгоритмах управления.

2. Предложены рекомендации по снижению пульсаций электромагнитного момента тягового трехфазного двигателя, позволяющие уменьшить динамические нагрузки в трансмиссии электропоезда.

3. Предложенные методы экспериментального определения электромагнитных связей в РИД позволяют оперативно уточнять расчетные характеристики ВИЭП.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании систем тяговых ВИЭП, питающихся от сети переменного и постоянного тока.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при создании полномасштабного макетного тягового ВИЭП электропоезда (350 кВт), изготовленного ООО ПК «НЭВЗ» и испытанного в ОАО «ВЭлНИИ».

Апробация работы. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на:

• II Международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», г. Ростов-на-Дону , ноябрь 2000 г.

• III Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 21-24 ноября 2000 г.

• Научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт - 2002», г. Ростов-на-Дону, апрель 2002 г.

• V Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 18-20 декабря 2002 г.

• IV Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г.

• XIII Международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта 22-26 сентября 2003 г., Крым.

Ф На заседаниях секций «Электрическая тяга» и «Электрические машины»

НТС ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск, 2002-2004гг., а также на расширенном заседании кафедры «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) в 2004 г.

Работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском и про-ектно- конструкторском институте электровозостроения (ВЭлНИИ).

Основное содержание работы отражено в 13 научных статьях и 11 материалах докладов на научных конференциях. Получен 1 патент на способ управления РИД и 1 патент на полезную модель по схемному решению инвертора напряжения.

Выводы

1. Подход к выбору эффективных параметров управления основан на выборе границ допустимой области изменений варьируемых переменных и разбиении этапов, в каждом из которых часть переменных, определяющих режим работы, фиксируются, что приводит к понижению размерности многокритериальной задачи на каждом из этапов. На основе данного подхода разработан алгоритм поиска углов управления, обеспечивающих максимальные значения вращающего момента и минимум пульсаций вращающего момента.

Выявлено, что использование режима подмагничивания магнитной системы позволяет увеличить момент РИД электропоезда в области максимальной частоты вращения на 58% и обеспечить работу привода в режиме постоянства мощности.

Выбор эффективных алгоритмов управления позволяет существенно улучшить энергетические показатели тягового ВИЭП электропоезда. Наиболее экономичным по отношению ко всем рассмотренным вариантам управления является алгоритм управления по варианту 2 (/fn (ос; Р)-> min при Iycm=const). Экономия электроэнергии составляет 6,96%. Определено влияние частоты коммутации транзисторов инвертора напряжения на вращающий момент, коэффициент пульсаций момента и КПД системы, при пуске, на «низких» и «средних» частотах вращения в режиме рекуперации.

Произведена классификация способов ограничения мощности на валу РИД в режиме тяги и рекуперации, выявлено их влияние на пульсации момента. Предложенный в работе алгоритм ограничения мощности двигателя путем воздействия на уставку максимального тока обеспечивает лучшие показатели по пульсациям момента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана компьютерная модель системы «ВИП (4q-S) — ИН — РИД», позволяющая путем совместного решения системы дифференциальных уравнений с учетом насыщения магнитопровода двигателя рассчитывать мгновенные значения токов, напряжений, магнитных потоков, вращающего момента, потери в силовых элементах. Разработанная компьютерная модель ВИП электропоезда позволяет осуществлять выбор параметров индуктивности дросселя и емкости конденсаторов фильтра, определять динамические нагрузки в механической части привода.

0 2. Предложены методы экспериментального определения электромагнитных связей потокосцеплений с токами, позволяющие повысить адекватность компьютерной модели ВИЭП. Погрешность расчета мгновенных значений токов и момента РИД не превышает 5%.

3. Для снижения пульсаций момента в трехфазном тяговом двигателе в околостоповом режиме предложены и исследованы алгоритмы формирования специальной формы сигнала уставки фазного тока по заданным «траекториям», позволяющие снизить пульсации с 13,3% до 2,8+4,2%.

4. Для снижения пульсаций момента в диапазоне работы тягового РИД от пускового режима до максимальной частоты вращения предлагается формировать интервалы перекрытия фазных токов (моментов) путем варьирования углов управления и использования режима подмагничи-вания. Это позволяет снизить пульсации момента с 13,3+97% до 3+38%.

5. Выявлено, что снижение уровня пульсаций вращающего момента в резонансной зоне с 13,3% до 4% путем формирования специальной «траектории» сигнала уставки фазного тока в пусковом режиме способствует подавлению резонансных динамических составляющих момента в

4 раза, что позволяет повысить эксплуатационную надежность привода.

6. Проведен анализ влияния углов управления на тягово-энергетические показатели ВИЭП электропоезда. Выявлено, что использование режима подмагничивания магнитной системы позволяет увеличить момент РИД электропоезда в области максимальной частоты вращения на 58% и обеспечить работу привода в режиме постоянства мощности.

7. Выявлено, что при управлении приводом по условию минимума пульсаций момента можно улучшить энергетические показатели тягового ВИЭП электропоезда на 6,96%. Р

1. В.И. Захаров, JI.H. Сорин, В.Г. Щербаков. Индукторные двигатели для тягового электропривода электроподвижного состава. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения 2002. - Т.44 - с. 24-31.

2. Сорин JT.H. Индукторные тяговые и вспомогательные электроприводы для перспективного ЭПС. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения — 2002. Т.44 — с. 17-24.

3. Byrne J.V., Tangential Forces Overlapped Pole Geometries Incorporating Ideally Saturable Materials // IEEE Trans, on Magnetics, Mag-8, 1972, No. 1 P.2-9.

4. Byrne J.V., О Dwyer J.B. Saturable Variable Reluctance Machine Simulation Using Exponential Functions // Proc. of the International Conference on Stepping Motors and Systems. England. -1976, P.l 1-16.

5. Variable speed switched reluctance motors/ Lawrenson P.J., Stephenson J.M., Blenkinsop P.T., Corda J., Fulton N.N. // IEE Proc. B, Electr. Power Appl., - 1980. - 127(4), - P.253-265.

6. Lawrenson P.J. A brief status review of switched reluctance drives // EPE Journal, October, 1992. Vol.2. - No. 3. - P.133-144.

7. Miller T.J.E. Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drives // Oxford Science Press, 1989.

8. Miller T.J.E. Switched Reluctance Motors and Their Control // Hillsboro, OH: Magna Physics and Oxford: Clarendon Press, 1993.

9. Применение реактивных индукторных двигателей на перспективном ЭПС/ В.Г. Щербаков, Г.И. Колпахчьян, Б.И. Хоменко и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения 1998. - Т.40. - С.45-57.

10. Н.Ф. Ильинский. Перспективы применения вентильно-индукторного электропривода в современных технологиях. // Электротехника. 1997. - №2.-С. 1-3.

11. Перспектива применения вентильно-индукторного привода для автоматизации вращательно-падающей системы бурового станка/ В.Н. Осит-ров, Ю.Т. Бурыкин, К.С. Жаров, А.Г. Курдюмов. // Электротехника. -1997. №2. - С.3-7.

12. Садовский JI.A., Виноградов B.JI. Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением для современного регулируемого электропривода // Электротехника. 2000. - №2. - С.54-59.

13. Колпахчьян Г. И., Захаров В. И. Электроприводы перспективного электроподвижного состава.// Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения 2002. -Т.45.-С.82-92.

14. Особенности расчета индукторных двигателей для вентильного электропривода/ Кузнецов В.А., Садовский JI.A., Виноградов B.JI. и другие. //Электротехника. 1998г. - №6. - С.35-42.

15. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. К вопросу определения числа витков обмотки фазы вентильного индукторного двигателя // Электротехника -2000г.-№3.-С. 10-15.

16. Бычков М.Г. Сусси Риах Самир, Расчетные соотношения для определения главных размеров вентильно-индукторной машины // Электротехника 2000г. - №3 - С. 15-19.

17. Пахомин С.А. Влияние геометрии зубцового слоя и параметров питания на показатели вентильного реактивного индукторного двигателя. // Электромеханика. 2000г. - №1. - С.30-36.

18. Тяговые электродвигатели электровозов/ Бочаров В.И., Захаров В.И., Коломейцев Л.Ф.: под ред. Щербакова В.Г. // Новочеркасск: Агенство Наутилус, 1998. с.672.

19. Щербаков В.Г., Павлюков В.М., Захаров В.И. Индукторный тяговый электродвигатель для электропоезда. Параметры, особенности конструкции // Изв. вузов. Электромеханика. 2000. - №3. - С.57-58.

20. Красовский А.Б., Бычков М.Г. Исследование пульсаций момента в вен-тильно-индукторном электроприводе. // Электричество. 2001г. - №10. - С.33-43.

21. Пахомин С.А. О пульсациях электромагнитного момента в трехфазномреактивном индукторном двигателе. // Электромеханика. 2000г. -№3. - С.34-37.

22. Ghibi В.А., Bent M.F. High Speed Variable Reluctance Motor with Egual Tooth Rations // Patent USA No.4947066, Prior. -Aug.7, -1990.

23. Kolomeitsev S.F. Variable Reluctance Electric Motor // Patent USA No.5719456.

24. Henao H., Capolino G.A., Bassily E., Poloujadoff M. A new control angle strategy for Switched Reluctance Motor. // Proc. EPE Conference *97, Troudheim, 1997.

25. Режимы работы тягового электропривода рудничного электровоза с трехфазным реактивным индукторным двигателем./ Л.Ф. Коломейцев, И.А. Прокопец, С.А. Пахомин, и др. // Изв. вузов. Электромеханика. 2002. №2., - С. 18 - 22.

26. Yacamini R. Power System Harmonics. Part 3 Problems caused by distorted supplies// Power Engineering Journal, - Oct. 1995,-pp.233-238.

27. Iqbal Husain "Minimization of torque ripple in SRM drives", IEEE Transactions on Industrial Electronics vol. 49, №1, pp. 28-38, February 2002.

28. Голланцев Ю.А. Пульсации пускового момента вентильного индук-торно-реактивного двигателя. // Электричество. 2003. - №6, с. 37-42.

29. Киреев А.В., Пахомин С.А. Исследование пульсаций момента в тяговом реактивном индукторном двигателе в режиме токоограничения./ BicHHK Схщноукр. нацюн. ун-ту iM. В. Даля. Луганськ, -2003. -№9. -С. 72-77.

30. Беляев А.В., Киреев А.В. Способ управления индукторным двигателем // Заявка № 2002117539/09 с решением о выдачи патента от 11.12.2003. Опубл. 10.01.2004. Бюл. № 1.

31. Пахомин С.А., Киреев А.В. Пульсации момента тягового реактивного индукторного двигателя в режиме ограничения тока // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. - №1. - С. 25-28.

32. M.Jufer, Y.Perriard, M.M.Radulescu, R.R.Munteanu. Analysis and design of a doubly salient permanent - magnet small motor with electronic commutation. // EPFL/LEME, -1994, -p.509-511.

33. S.Brisset, P.Brochet. Modele numerique pour la simulation du demarrage d'un moteur a reluctance variable. // EPFL/LEME, -1994, -p.413-418.

34. D.Flieller, J-P.Louis, B.Multoun. Modelisation dynamique d'un moteur a reluctance variable alimente en tension par une source imparfaite. // EPFL/LEME, -1994, -p. 431-436.

35. P.Crnosija, A.Nad. Control of a hybrid step motor drive by using a signal of reconstructed magnetic flux. // EPFL/LEME, -1994, -p. 197-202.

36. Смирнов Ю.В. Определение основных параметров электромагнитного вентильно-индукторного двигателя. // Электротехника. №11. — 2002. - С . 32-36.

37. Бычков М.Г., Кисельникова А.В., Семенчук В.А. Экспериментальные исследования шума и вибраций в вентильно-индукторном электроприводе //Электричество. 1997. -№12. - С.41-46.

38. Шевченко А.Ф., Шевченко Л.Г. Новый электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением воздушного зазора (SD-двигатель) для высокоскоростных электроприводов // Электротехника. 2000. -№11.- С.20-23.

39. A.JI. Антонов, В.М. Остапенко. Динамические нагрузки в тяговом приводе электровоза ЭП10. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения 1998. — т. 39. С.81-94.

40. Колпахчьян Г.И., Крамсков С.А., Кононов Г.Н., Киреев А.В., Кули-шов А.В. Схема питания двух многофазных реактивных индукторных двигателей.// Патент РФ на полезную модель №35581. Опубл. 20.01.2004. Бюл. №2.

41. Пахомин С.А., Звездунов Д.А., Коломейцев Л.Ф. и др. Однофазный электродвигатель индукторного типа // Патент РФ RU 2079950, МКИ НОЧК 19/06,29/06. Заявл. 24.08.93; Опубл. 20.05.97, Бюл. №14.

42. Пахомин С.А., Коломейцев Л.Ф., Сулейманов У.М., и др. Однофазный индукторный электродвигатель со стартовыми полюсами // Свидетельство на полезную модель №874. Заявл. 15.03.94; Опубл. 16.09.95, Бюл. №9.

43. Сулейманов У.М., Пахомин С.А., Коломейцев Л.Ф., и др. Однофазный электродвигатель // Свидетельство на полезную модель №754. -Заявл. 02.06.94; Опубл. 16.08.95, Бюл. №8.

44. Звездунов Д.А., Пахомин С.А., Сулейманов У.М., и др. Однофазный электродвигатель // Свидетельство на полезную модель №4028. Заявл. 10.01.96; Опубл. 16.04.97, Бюл. №4.

45. Compter J.C. Single-Phase Reluctance Motor // Patent USA No.4616165, Prior. Oct.7, 1986.

46. Коломейцев Л.Ф., Сулейманов У.М., Пахомин C.A. Пуск и реверс однофазного реактивного индукторного двигателя // Изв. вузов. Северокавказский регион. Технические науки. 1997. - №3 - С.56-59.

47. Пахомин С.А., Коломейцев Л.Ф., Коломейцев В.Л. Электрическая машина. // Патент РФ RU 2034393, МКИ НОЧК 19/06. Заявл. 14.12.92; Опубл. 30.04.95, Бюл. №12.

48. Коломейцев Л.Ф., Павлюков В.М., Пахомин С.А. // Индукторный двигатель // Патент РФ RU 2068608, МКИ НОЧК 1/12, 19/06. Заявл. 14.12.92 Опубл. 27.10.96, Бюл. №30.

49. Пахомин С.А., Коломейцев Л.Ф., Звездунов Д.А. Ротор индукторного электродвигателя // Патент РФ RU 2076426, МКИ НОЧК 1/26, 1/22. -Заявл. 01.06.93; Опубл. 27.03.97, Бюл. №9.

50. Пахомин С.А., Звездунов Д.А., Коломейцев В.Л. и др. Трехфазный индукторный двигатель // Патент РФ RU 2118034, МКИ НОЧК 19/10,19/02, 1/22,3/18, 1/14. Заявл. 13.06.96; Опубл. 20.08.98, Бюл. №23.

51. Пахомин С.А., Звездунов Д.А., Коломейцев Л.Ф. и др. Мотор-компрессор// Патент RU 2079714, МКИ F04B 35/04. Заявл. 28.01.94; Опубл. 20.05.97, Бюл. №14.

52. Пахомин С.А., Сулейманов У.М., Коломейцев В.Л., и др. Воздуховса-сывающий агрегат // Свидетельство на полезную модель №120. Заявл. 26.11.90; Опубл. 25.11.94, Бюл. №11.

53. Пахомин С.А., Коломейцев Л.Ф., Сулейманов У.М., и др. Двухбако-вая стиральная машина с индукторным электроприводом // Патент РФ RU 2098531 МКИ D02F 33/02. Заявл. 31.03.94; Опубл. 10.12.97, Бюл. №34.

54. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Сулейманов У.М., и др. Сервопривод с малыми пульсациями момента // Патент №2162041, МКИ B64D 5/04. Заявл. 06.01.99; Опубл. 20.01.2001, Бюл. №2.

55. French J.R. Switched reluctance motor drives for rail traction: relative assessment// IEE Proc., Sept., 1984. Vol. 131. - Pt. B. - No.5.

56. Obradovic J. Switched reluctance motor for rail traction // IEE Proc., Januar, 1980. Vol. 133. - Pt. B. - No.5.

57. Тяговый синхронный двигатель индукторного типа. / Л.Ф. Коломейцев, В.М. Павлюков, С.А. Пахомин, И.А. Прокопец // Сб. науч. тр.: Электровозостроение / Всерос. н.-и., проектно-констр. ин-т электровозостроения 1991. - Т.32. - С.64-69.

58. Вольвич А.Г., Плис В.И., Стекольщиков Д.В. Привод мотор-колесо для подвижного состава на базе индукторного двигателя. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения 2002. - Т.44 - с. 115-131.

59. Демченко Г.В. Исследование статических моментов в тяговом реактивном двигателе // Сб. науч. тр. ДонГТУ. Сер. Электротехника итэнергетика. Донецк: ДонГТУ. - 1998. Вып.2 - С.84-87.

60. Дудник М.З., Демченко Г.В., Определение параметров вентильного реактивного тягового двигателя // Електричный журнал. 1999. №1.-С.11-14.

61. Davis R.M. et al. Inverter Drive for Switched Reluctance Motor: Circuits and Component Ratings // IEEE Proc., 1981 Mar. Vol. 128, Pt. B. -P.126-136.

62. Barnes M., Pollock C. Power Electronic Converters for Switched Reluctance Motor Drives // IEEE Trans, on Power Electronics, vol. 13. No 6, November 1998, P.l 100-1111.

63. Barnes M., Pollock C. New Class of Dual Voltage Converters for Switched Reluctance Drives // IEE Proc. Electric Power Applications, vol. 145, no. 3, May 1998, P.164-168.

64. Barnes M., Pollock С. Power Converters for Single Phase Switched Reluctance Motors//Electronics Letters, vol. 31, no. 25, 1995, P.2137-2138.

65. B.G. Hexamer. SRM with the improved characteristics and the power inverter for a drive of electrotransport. // Proc. EPE Conference '97, Troud-heim, 1997.

66. Режимы работы тягового электропривода рудничного электровоза./ Прокопец И.А., Пахомин С.А., Коломуйцев В.Л., и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения 2002. - Т.44 — с.62-71.

67. Система тягового индукторного электропривода для рудничного электровоза./ Реднов Д.А., Карпенко Е.В., Коломейцев В.Л., и др.// Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения — 2002. — Т.44. — с.81-87.

68. Тяговый реактивно-индукторный двигатель для рудничного электровоза К14У./ Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Прокопец И.А., и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения — 2002. — Т.44. — с.87-90.

69. Buja G.S., Valla M.I. Control Characteristics of the SRM Drives: Pt.2. Operation in the saturated region // IEEE Trans. Ind. Electron. 1994. -Vol.41,- No. 3,-P.316-325.

70. Sen P.C. Electric Motor Drives and Control Past, Present, and Future // IEEE Trans, on Indust. Elect. December 1990. Vol.37. - No. 6. - P.562-575.

71. Torrey D.A., Lang J.H. Optimal efficiency excitation of variable-reluctance motor drives // IEE Proc. - B, 1991 January. - Vol. 138. - No. 1. -P.l-14.

72. Filicori F., Lo Bianco C.G., Tonielli A. Modeling and Control Strategies for a Variable Reluctance Direct-Drive Motor // IEEE Trans, on Indust. Elect., Feb. 1993, Vol. 40. No. 1, - P.105-115.

73. Kjaer P.C., Nielsen P., Andersen L., Blaabjerg F.A. New Energy Optimizing Control Strategy for Switched Reluctance Motors // IEEE Trans. On Industry Applications, 1995. Vol. 31 - No. 2 - P.345-353.

74. Suriano J.R., Ong.Chee-Mun. Variable Reluctance Motor Structures for Low-Speed Operation // IEEE Trans, on Industry Applications, 1996

75. March / April. Vol. 32 No. 2 - P.345-353.

76. Красовский А.Б. Анализ условий формирования постоянства выходной мощности в вентильно-индукторном электроприводе. Электричество.- 2002. №2. - с.36 - 45.

77. Красовский А.Б. Анализ процесса отключения фазной обмотки вен-тильно-индукторного двигателя при локальном насыщении зубцовой зоны. Электричество.- 2001. №5. - с.41 -47.

78. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С. А., Гребенюк Е. И., и др. Анализ способов регулирования момента в реактивном индукторном двигателе. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения 2002. — Т.44 — с.31 -38.

79. Stiebler М., Ge J. A lov voltage switched reluctance motor with experimentally optimised control // ICEM Proc. 1992 - P.532-536.

80. Orthmann R., Schoener H.P. Turn off angle control of switched reluctance motors for optimum torgue output // EPE Proc. - 1993 - P.20-25.

81. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном управляемом индукторном двигателе/ Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Прокопец

82. И.А. и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения -1997. Т.38. - С.234-245.

83. H.Cailleux, J-C. Mouchoux, B.Multon, E.Hoang, Comparison of measurement methods to determine the electromagnetic characteristics of switched reluctance motors. EPP LEME, -1994. -pp. 639-644.

84. Ferrero A., Raciti A., Urzi C., An indirect test method for the characterization of variable reluctance motors, IEEE Trans, on Ins. And Measurement, Vol.42 6 December 1993, pp.1020-1025.

85. Corda J, Masis S, Stephenson J.M. Computation and experimental determination of running torque waveforms in switched reluctance motors, IEE Proc. В Vol. 140, 6 November 1993.

86. Ferrero A., Raciti A., A digital method for the determination of the magnetic characteristic of variable reluctance motors. IEEE Trans, on Instrumentation and Measurement, Vol. 39, No. 4, August 1990, pp.604-608.

87. Chiba A., Fukao Т. An analysis and an operating method of switched reluctance motors based on a simple inductance representation // Proc. IAS Annual Meeting, 1995. P.419-426.

88. Голланцев Ю.А Уравнения вентильного индукторно-реактивного двигателя при одиночной коммутации фаз // Электричество. — 2003. -№7, с. 45-51.

89. Пахомин С.А. Развитие теории и практика энергосберегающих вен-тильно-индукторных электроприводов. Автореферат на соискание уч. степ. докт. тех. наук. Новочеркасск. 2001. — с. 40.

90. Киреев А.В., Крамсков С.А. Моделирование электромагнитных процессов в вентильно-индукторном электроприводе в математической системе MathCAD// Изв. вузов. Электромеханика. — 2003. №1. - С.42 -46.

91. Р. О. Rasmussen, G. Andersen, L. Helle, J. К. Pedersen, F. Blaabjerg. "Fully automatic characterization system for switched reluctance motors", in Proceedings of ICEM, 1998.

92. Lovatt H.C., Stephenson J.M. Computer optimized current waveforms for switched reluctance motors // IEE Proc.- Electr. Power Appl. - Vol. 141. -No. 2. - 1994 - P.45-51.

93. Бирюков И.В, Беляев А.И., Рыбников E.K. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог.-М.: Транспорт, 1986 -256 с.

94. Orthmann R., Krautstrunk A., Schoener Н.Р. Overload Protection and Maximum Power Operating Point Control of Switched Reluctance Motor Drives // Proc. EPE Conference '97, Troudheim, 1997.

95. Красовский А.Б. Получение максимальной выходной мощности вентильно-индукторного электропривода средствами управления. Электричество. 2002. - №9. - С.29 - 35.

96. Буд Д.А., Чернова Е.Н. Линейные вентильно-индукторные двигатели // Часть 1. Электричество. - 1999. - №12. - С.32 - 41.

97. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. Для вузов по специальности "Электромеханика" 2-е изд. пере-раб. и доп. М.: Высш. шк. 1994. - 318 с.

98. Колмейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Крайнов Д.В. и др. Математическая модель для расчета электромагнитных процессов в многофазном управляемом реактивном индукторном двигателе // Изв. вузов. Электромеханика. 1998. - №1. - С.49-53.

99. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. Дискретная математическая модель вен-тильно-индукторного двигателя // Электричество 2000г. - №8. - С. 22 -27.

100. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями // Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Г. Быков, В.В. Литовченко; Под ред. Н.А. Ротанова. — М.: Транспорт, 1991. 336с.

101. В.В. Литовченко 4q-S — четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока (принцип работы, анализ и экспериментальные исследования). // Изв. вузов. Электромеханика. — 2000. №3. -С.64-73.

102. Беляев А. В., Солтус К. П., Капустин М. Ю. Алгоритмы управления четырехквадрантным преобразователем// Электровозостроение: Сб. науч. тр./ Всерос. н-и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения -2002. —Т.45.- С.341-353.

103. Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. Рига: Зинатие, -1991.-351 с.

104. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. — М., JI.: Энергия, 1964.

105. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы / Под общ. ред. И.Г. Артамонова. 5-е изд. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. литературы, -1984. -831 с.

106. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом / Ю.А. Бахвалов, А.А. Зарифьян, В.Н. Кашников и др.; Под ред. Е.М. Плохова.-М.: Транспорт,-2001-286 с.

107. Фролов М.И. Техническая механика: Детали машин: Учеб. Для ма-шиностр. Спец. Техникумов. — 2-е изд., доп. — М.: Высш. Шк., 1990. — 352 е.: ил.

108. Бирюков И.В. Некоторые методологические особенности моделирования динамики тяговых приводов локомотива // Сб.тр. / Брян. Ин-т трансп. Машиностр. 1974. Вып. 26. - С. 109-119.

109. Маслов Г.С. Расчет колебаний валов : Справочник. — М.: Машиностроение, 1980.— 151 с.

110. Бидерман В.М. Теория механических колебаний. М.: Высш. Школа, 1980.-408 с. ил.

111. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. — М.: «Наука» 1970 г., 432 с.

112. Ахмедов Г. Г. Динамические нагрузки в тяговом приводе электровоза ЭП1 при аварийных режимах работы./ Г. Г. Ахмедов, В. М. Остапенко, П. Е. Сергиенко // В1сник Схщноукр. Нацюнального ун-ту. iM.

113. B.Даля. Луганськ, 2001г. - №7. - С. 135-139.

114. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления. М. Л., издательство «Энергия», 1965.- 220 с.

115. Крайнов В. В. Вентильно-индукторный электропривод. Алгоритмы и микропроцессорные системы управления. Автореферат на соискание уч. степ. канд. техн. наук. Новочеркасск 2001 г. — 20 с.

116. Сулейманов У.М., Коломейцев В.Л., Пахомин С.А. и др. Мостовой инвертор и схема его управления . // Патент РФ RU 2094937. — Опубл.2710.97, Бюл. №30.

117. Правила тяговых расчетов поездной работы. М.: Транспорт. 1985. -287 с.

118. Основы локомотивной тяги. Учебник для техникумов ж.-д. трансп. /

119. C.И. Осипов, К.А. Миронов, В.И. Ревич. 3-е изд., доп. и перераб. — М.: Транспорт, 1979.-440 с.

120. Номинальные данные НТИ-350

121. Режим работы Часовой Продолжительный1. Мощность Ру кВт 350 3001. Напряжение Ш, В 1450 14501. Ток фазный /, А 215 190

122. Частота вращения и, мин"1 1440 1440

123. Частота тока fy Гц 192 1921. Момент My кН'м 2,32 1,99кпд 0,96 0,96число фаз 3число зубцов статора/ротора 12/8внутренний диаметр статора 465 ммдлина пакета по зазору 264 ммвоздушный зазор 1,5 ммвитков в катушке 23

124. Параметры динамической системы тягового ВИЭП электропоезда с РИД НТИ-350

125. Параметр, наименование Обозначение Величина Размерность

126. Момент инерции колеса колесной пары (КП), со стороны редуктора JkI 128,5 кг'м2

127. Момент инерции КП со стороны противоположной редуктору JK2 110,7 КГ'М^

128. Момент инерции шестерни с фланцами РКМ и половиной оболочки РКО Js 2,0 КГ'М2

129. Момент инерции редуктора тягового привода относительно оси КП Jp 60 КГ'М2

130. Момент инерции ротора РИД НТИ-350 с 1/2 РКМ Ja 9,06 КГ'М2

131. Торсионная жесткость РКМ cT 78480 147150 Н'м/рад Н'м/рад

132. Жесткость подвески редуктора C„ 3,2 МНУм

133. Торсионная жесткость оси КП Co 7,774 МН-м/рад

134. Коэффициент сопротивления РКМ bx 66 Н'см/рад

135. Коэффициент сопротивления оси КП b0 100 Н'см/рад

136. Коэффициент сопротивления в подвеске редуктора bp 160 Н-с/м

137. Передаточное отношение редуктора h 3,9473

138. База подвески редуктора lo 0,74 м

139. Давление колеса на рельс P 107900 Н

140. Радиус среднеизношенного ходового колеса r 0,5075 м

141. Инвертор напряжения тягового ВИЭП для РИД НТИ-350

142. Блок системы управления инвертором напряжения для РИД НТИ-350

143. Реактивный индукторный двигатель НТИ-350 для электропоезда

144. Реактивный индукторный двигатель НТИ-350 (слева - ротор, справа - статор)1. ТЕХНИЧЕСКИЙ/

145. УТВЕРЖДАЮ s 5( Ойиэальный директор1. ЩЖ^&У&Ф «ВЭлНИИ» к.т.н.1. UMu, Л.Н. Сорин1. Vsp/, J * Ъ***^ {fry- V

146. В.П. Янов К.Н. Суслова П.И. Гордиенко

147. Председатель комиссии Члены комиссии