автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы управления электроснабжением пассажирских вагонов

Принятые сокращения и обозначения

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Анализ существующих систем электроснабжения. 13 Выявление вопросов, требующих изучения и решения.

1.1. Краткий исторический обзор развития систем элек- 13 троснабжения пассажирских вагонов

1.2. Общая постановка задачи исследования

1.3. Общие сведения об объекте управления.

1.4 Предварительный выбор структуры системы управления электроснабжением вагона

1.5. Вопросы, требующие изучения и решения.

1.5.1. Влияние статических преобразователей на качество напряжения в низковольтной вагонной сети

1.5.2 Предварительный анализ режимов совместного функционирования генератора и аккумуляторной батареи на вагоне

Результаты и выводы по главе

Глава 2 Теоретический анализ работы устройств системы 49 электроснабжения и определение их параметров и характеристик

2.1. Расчетно-аналитическое и экспериментальное определение параметров генератора

2.1.1. Замена индукторного генератора эквивалентным яв- 50 нополюсным синхронным генератором.

2.1.2. Расчет параметров эквивалентного синхронного гене- 51 ратора.

2.1.3. Сравнение расчетных и экспериментально определенных значений тока возбуждения и корректировка расчетных параметров индуктивных сопротивлений, учитывающая расхождение в значениях тока возбуждения

2.2. Определение диапазона изменения тока возбуждения 60 генератора в установившихся режимах.

2.3. Анализ режимов работы аккумуляторной батареи и 65 определение ее основных параметров

2.4. Обоснование и разработка упрощенных математиче- 71 ских выражений для силовой части преобразователей электроэнергии

Результаты и выводы по главе

Глава 3 Разработка математических моделей основных уст- 83 ройств системы электроснабжения и системы электроснабжения в целом.

Математическая модель генераторновыпрямительного блока

Упрощённая модель генераторно-выпрямительного 97 узла

Математическая модель аккумуляторной батареи

Реализация разработанных моделей в программном 108 пакете MatLab и построение модели системы электроснабжения

Результаты и выводы по главе

Разработка алгоритма управления системой электро- 113 снабжения

Основные требования к системе управления электро- 113 снабжением

4.2. Схема с непосредственным подключением аккумуля

Глава торной батареи

4.2.1. Регулирование напряжения возбуждения генератора 4.2.2 Разработка алгоритма управления потребителями 4.3. Схема с подключением аккумуляторной батареи через обратимый конвертор

Результаты и выводы по главе 4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность темы

Протяжённость электрифицированных железных дорог составляет примерно половину от общей протяжённости Российских железных дорог (РЖД). Таким образом, созданы предпосылки для применения централизованного электроснабжения потребителей пассажирских поездов, которое в СССР началось в 60-е годы с внедрения высоковольтного отопления, как наиболее энергоёмкого потребителя вагона. При этом низковольтные потребители (цепи управления, освещение, вентиляция и др.) питались от системы автономного электроснабжения, включающей в себя генератор с приводом от оси колёсной пары и аккумуляторные батареи большой ёмкости.

За последнее пятилетие были созданы первые отечественные образцы системы централизованного электроснабжения пассажирских вагонов, которые сейчас проходят проверку временем в реальных условиях эксплуатации. Система централизованного электроснабжения является перспективным направлением и заслуженно пользуется повышенным вниманием со стороны предприятий и организаций РЖД.

Вместе с тем остается реальностью, что подавляющее большинство (более 98%) как эксплуатирующихся, так и вновь изготавливаемых вагонов оборудованы системой автономного электроснабжения и что половина железных дорог РФ не электрифицирована, а, значит, эксплуатация пассажирских вагонов в этих условиях возможна лишь с системой автономного электроснабжения.

Повышение уровня комфорта пассажиров потребовало увеличения количества и мощности электропотребителей (установка кондиционирования воздуха, вентиляторы, насосы, бытовые устройства и т.д.), что вызвало необходимость увеличения мощности источников питания системы электроснабжения вагона. За последние десятилетия мощность генератора пассажирского вагона возросла с 8 до 32 кВт.

Таким образом, система автономного электроснабжения электропотребителей пассажирского вагона, включающая в себя источники электроэнергии (генератор и аккумуляторная батарея), а также преобразователи рода и величины напряжения, к настоящему времени стала весьма разветвленной и сложной системой. Режимы работы, как самой системы электроснабжения пассажирского вагона (СЭПВ), так и входящих в нее устройств отличаются большим многообразием и сильным взаимным влиянием устройств, многие из которых имеют свои системы управления или стабилизации. В этих условиях резко возрастают требования к надежности системы электроснабжения. Так, например, при аварийном отключении установки кондиционирования воздуха в летний период, особенно в южных районах, в вагоне в течение короткого времени создаются настолько тяжелые температурные условия, что это вынуждает принимать в пути экстренные меры, вплоть до освобождения вагона от пассажиров [8].

Исторически так сложилось, что системы электроснабжения развивались, в основном, за рубежом. До конца 1980-х годов пассажирские вагоны для СССР выпускали в ГДР (завод Ammendorf). Тем не менее, вопросам электроснабжения пассажирских вагонов уделялось и уделяется внимание со стороны отечественных ученых и специалистов. Особенно большой вклад в решение проблем электроснабжения пассажирских вагонов внесли работы Г.Г. Гомолы, С.Н. Моделя., З.М. Рубчинского, Б.Н. Ребрика, A.A. Шустера, О.Н. Назарова, В.А. Королькова и других.

Однако до настоящего времени система автономного электроснабжения пассажирских вагонов, во многом развивается по пути «навешивания» электропотребителей на бортовую сеть, без достаточной комплексной проработки, касающейся взаимодействия и взаимовлияния источников, преобразователей и потребителей электроэнергии. Например, эксплуатируются вагоны с напряжениями бортовой сети 50 В и 110 В, с преобразователями для климатических установок, имеющими выходное напряжение 3 х 220 В и 3 х 380 В при частотах до 70 Гц и до 400 Гц. Уровень мощности и режимы работы электропотребителей зачастую определяются тем, что предлагают фирмы -поставщики. Условия работы устройств автономной СЭПВ и их взаимное влияние при эксплуатации вагона остаются во многом не изученными, есть данные о наличии негативных факторов. К таким факторам, в частности, относятся перенапряжения, а также колебания токов и напряжений в силовых цепях СЭПВ и мешающее влияние устройств на информационном уровне.

Вышеизложенное свидетельствует об актуальности работ, направленных на решение проблемы совершенствования системы автономного электроснабжения в целом и совершенствования системы управления электроснабжением пассажирского вагона, как части общей проблемы.

Предприятие ЗАО «Кросна-Электра», производит комплекты электрооборудования ЭВА-110.01, предназначенные для электроснабжения пассажирских вагонов с автономным электроснабжением низковольтных потребителей электроэнергии, кондиционированием воздуха и комбинированным отоплением. ЗАО «Кросна-Электра» совместно с Московским энергетическим институтом (техническим университетом) - МЭИ (ТУ) - при участии автора проводит работы, направленные на расширение номенклатуры выпускаемой продукции, а также совершенствование устройств, входящих в комплект и методов и средств испытаний комплекта. Данная диссертация систематизирует и обобщает некоторые результаты работы, проделанной автором в вышеуказанном направлении.

Цель диссертационной работы — разработка системы управления электроснабжением пассажирских вагонов, обеспечивающей улучшение технико-экономических показателей системы автономного электроснабжения пассажирских вагонов.

Исходя из указанной цели, поставлены и решены следующие задачи: - проведен анализ ряда существующих систем электроснабжения, выявлены вопросы, требующие изучения и решения,

- с помощью программно-вычислительного моделирования, а также экспериментальным путем проведено определение параметров устройств системы электроснабжения,

- разработаны математические модели основных устройств системы электроснабжения и системы электроснабжения в целом,

- выполнено математическое и «квазианалоговое» моделирование, адекватное решаемым задачам,

- проведены аналитические, модельные и стендовые исследования и испытания,

- предложены рекомендации к проектированию и проведено опытно -промышленное освоение в новых перспективных комплексах систем электроснабжения.

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы общепринятые в электротехнике аналитические методы, включая классический и операторный методы расчета переходных процессов, метод переменных состояний, методы линеаризации, методы обобщенной теории электрических машин, методы компьютерного моделирования. Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов моделирования подтверждена данными экспериментальных исследований и испытаний, проведенных на стендах, а также путем анализа работы системы электроснабжения в условиях эксплуатации.

Научная новизна

- предложена и реализована методика определения параметров индукторного подвагонного генератора, базирующаяся на расчетно-аналитических и экспериментальных методах, позволяющая использовать значения вычисленных параметров при разработке математической модели генератора и системы электроснабжения в целом,

- получены упрощенные математические выражения для силовой части * преобразователей электроэнергии, используемые при разработке математической модели системы электроснабжения,

- с использованием преобразований Парка - Горева разработана математическая модель индукторного генератора с выпрямительной установкой, позволяющая исследовать нестационарные режимы работы системы электроснабжения,

- предложена математическая модель аккумуляторной батареи, используемая при разработке математической модели системы электроснабжения,

- разработана математическая модель системы электроснабжения, по1 зволяющая проводить работы по совершенствованию системы управления электроснабжением и для проведения исследований режимов работы электрооборудования,

- предложен новый вариант системы электроснабжения с обратимым преобразователем в цепи аккумуляторной батареи.

Практическая ценность работы

Обобщенным практическим результатом работы является разработка • системно-алгоритмических средств повышения эффективности системы управления электроснабжением.

Более конкретно это заключается в следующем:

1. Разработаны рекомендации по совершенствованию системы управления комплектом электрооборудования ЭВА-110.01 и осуществлена их практическая реализация в части блока регулирования напряжения генератора и блока управления климатической установкой.

2. На ЗАО «Кросна-Электра» в сотрудничестве с МЭИ (ТУ) с участием автора разработана математическая модель системы электроснабжения. Модель позволяет:

• проводить предварительные исследования условий работы источников электроэнергии и преобразователей в различных сочетаниях и изменяющихся режимах работы без проведения дорогостоящих стендовых испытаний,

• уточнять и дополнять программы стендовых и приемосдаточных испытаний,

• продолжать работы по совершенствованию системы управления электроснабжением.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы используются:

1. В виде программно-алгоритмических средств:

• в блоке управления климатической установкой, реализованном на основе микроконтроллера фирмы Siemens, сертифицированного для применения на железнодорожном транспорте; блок входит в состав пульта управления комплекта электрооборудования ЭВА-110.01 пассажирского вагона,

• в составе системы управления испытательного стенда климатической установки, выпускаемой ЗАО «Кросна-Электра.

2. При выпуске модернизированного блока регулирования напряжения генератора.

3. В виде расчетных соотношений и методик при проектировании новых перспективных комплексов систем электроснабжения.

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

• Шестой научно-технической конференции по теме: «Новые разработки в области электротехники для автомобильного и электрического транспорта», Москва, ВВЦ, выставка «ЭлектроТехноЭкспо-2005», 2005 г.,

• Научно-практической конференции «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения» ко второй годовщине образования ОАО

РЖД» , «Инновации-2005», г. Щербинка, Экспериментальное кольцо ВНИ-ИЖТ, 2005 г.,

• на заседании кафедры «Электрический транспорт» Московского энергетического института (технического университета), 26.04.2006 г.

Публикации. Результаты работы отражены в следующих публикациях.

1. Ильинский Ю.А. Концепция построения системы управления электроснабжением пассажирского вагона с функциями диагностики оборудования // Научно-практическая конференция ОАО «РЖД». «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения»: сборник докладов - М., - 2005. -С.218

2. Ильинский Ю.А. Концепция построения системы управления электроснабжением пассажирского вагона с функциями диагностики оборудования // 6-я международная техническая конференция «Новые разработки приводов для электрического транспорта»: сборник докладов — М., - 2005. -С.34-35.

3. Патент №2253180 Электропривод постоянного тока. / Суслов Б.Е., Хоцянов Д.И., Ермаков C.B., Ильинский Ю.А., Эпштейн Г.В. Опубликован 27.05.2005. Бюл. №15.

4. Ю.А. Ильинский. Система управления электроснабжением железнодорожного вагона // Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл., Том 2, 2002, - С. 127-128

5. Ю.А. Ильинский. Система управления электроснабжением пассажирского вагона // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл., Том 2, 2003, - С.149-150

6. Ю.А. Ильинский. Особенности управления системой электроснабжения пассажирских вагонов при изменении режима движения поезда и параметров нагрузки // Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл., Том 2, 2004, - С. 154-155

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 5 приложений. Основная часть диссертации содержит 159 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 33 наименований, в том числе 2 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 187 страниц.

Выводы.

1. Для исследования различных режимов работы системы электроснабжения пассажирских вагонов, а также выбора параметров системы управления электроснабжением, целесообразно использовать модель системы электроснабжения.

2. Созданная в программном пакете Ма1:ЬаЬ модель системы электроснабжения обладает достаточной гибкостью и позволяет производить замену и усовершенствование моделей отдельных узлов системы.

3. Использование разработанных алгоритмов и рекомендаций позволяет улучшить качество электроэнергии в бортовой сети пассажирских вагонов, а также расширить диапазон скоростей движения поезда, при которых возможна работа потребителей вагона, обеспечивающих комфорт пассажиров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Результаты.

1. Выполнены исследования системы электроснабжения вагона на математических моделях с использованием экспериментальных данных. Выявлены условия возникновения режимов работы, при которых качество электроэнергии в бортовой сети вагона неудовлетворительное.

2. Предложена и реализована методика определения параметров индукторного подвагонного генератора, базирующаяся на расчетно-аналитических и экспериментальных методах. Значения вычисленных параметров использованы при разработке математической модели генератора и системы электроснабжения в целом,

3. С применением преобразований Парка - Горева разработана математическая модель индукторного генератора с выпрямительной установкой, позволяющая исследовать нестационарные режимы работы системы электроснабжения,

4. Предложена математическая модель аккумуляторной батареи, используемая при разработке математической модели системы электроснабжения,

5. Построена математическая модель системы электроснабжения, позволяющая проводить работы по совершенствованию системы управления электроснабжением и для проведения исследований режимов работы электрооборудования,

6. Разработан алгоритм управления возбуждением генератора и алгоритм управления потребителями вагона, обеспечивающие, по сравнению с существующими системами, лучшее качество электроэнергии в бортовой сети вагона и более широкий диапазон скоростей движения поезда, при которых возможна работа потребителей вагона, обеспечивающих комфорт пассажиров.

7. Рассмотрены достоинства и недостатки варианта системы электроснабжения вагона с подключением аккумуляторной батареи к бортовой сети вагона через обратимый конвертор.

1. Ребрик Б.Н., Гомола Г.Г., Модель С.Н. Электрооборудование пассажирских вагонов с кондиционированием воздуха. Под. ред. Б.Н. Ребрика. М., Транспорт, 1986. - .165 с.

2. Бесконтактные электрические машины. IX, «Зинатне», Рига, 1970г.

3. Гомола Г.Г., Корольков В. А. Централизованное электроснабжение пассажирских поездов: современное состояние и перспективы развития // Вестник ВНИИЖТ. 1997. №2., С. 41. .47.

4. Корольков В.А. Методика определения энергетических показателей статических преобразователей пассажирских вагонов / Электрическая тяга на рубеже веков. Труды ВНИИЖТ / Под ред. А.Л. Лисицына. М.: Интекст, 2000. С.231.246.

5. Корольков В. А. Выбор параметров статических преобразователей пассажирских вагонов с централизованным электроснабжением с учетом условий эксплуатации. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук, М. 2003 г.

6. Григорьев Ю.П., Иньков Ю.М., Иоспа З.С., Феоктистов В.П. Проблема централизованного электроснабжения пассажирских поездов при электрической и тепловозной тяге. "Электричество", 1971, №6, - С/31-39.

7. Гомола Г.Г., Модель С.Н., Рубчинский З.М., Ребрик Б.Н. Централизованное электроснабжение пассажирского вагона // Железнодорожный транспорт, 1979, №6. С.61.63.

8. Шустер A.A. Расчёт мощности источников электроснабжения пассажирских вагонов с кондиционированием воздуха. Труды ВНИИ вагоностроения, вып. 13, М. 1971 г.

9. Романов В.В., Хашев Ю.М., Химические источники тока. 2-изд., перераб. и доп. - М.: Сов. радио , 1978. - 264 е., ил.

10. Драчев Г. Г., Аккумуляторы подвижного состава. М., «Транспорт», 1970, 160 с.

11. Корнев А.Н., Аникеев И.П. Устройство и обслуживание аккумуляторных батарей // Локомотив. 2003. №1. С. 24.27.

12. Вайлов A.M., Эйгель Ф.И., Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М., "Связь", 1975. — 152 е., ил., библ.

13. Калинкин Е.И. Новое поколение аккумуляторных батарей для пассажирских вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 2002. №1. С.23.25.

14. Щелочные кадмиево-никелевые, железо-никелевые аккумуляторы и батареи. Инструкция по уходу и эксплуатации. 21с.

15. Альпер Н.Я., Терзян A.A. Индукторные генераторы. М. Энергия,1970.

16. Адкинс Б., Общая теория электрических машин. М Л, ГЭИ, 1960.

17. Важнов А.И. Электрические машины. Л. Энергия. 1968.

18. Глебов И.А. Системы возбуждения синхронных генераторов с управляемыми преобразователями, Изд-во АН СССР, М — Л, 1960.

19. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М., Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Учебник для ВУЗов ж.-д. трансп. 4-е изд., перераб. и доп. - М.; Транспорт, 1980. - 471 с.

20. Артемова Л.Р., Болотин З.М., Калымулин Ю.М. Пособие проводнику пассажирских вагонов. М., Транспорт, 2000 г.- 359 с.

21. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханические преобразователи энергии. М. Энергия, 1964. - 527 с.

22. Бочаров В.В., Мизюрин С.Р., Резников С.Б., Сериков В.А. Расчёт синхронных генераторов и трансформаторов при импульсной нагрузке на емкостной накопитель энергии. Учебное пособие. — М. Изд-во МАИ, 1974. -198 с.

23. Бертинов А.И., Мизюрин С.Р., Резников С.Б., Чорба В.Р. Уравнения импульсного электромашинного источника с емкостным накопителем в ортогональных осях. Электротехника, 1971, №4, С. 20-23.

24. Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. JI, Изд. Наука, 1985., 504 с.

25. Попов Е.П., Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М., Наука, 1989. - 426 с.

26. Сен П. Тиристорные электроприводы постоянного тока; пер. с англ. М. Энергоатомиздат, 1985. - 372 с.

27. Важнов А.И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. М. Госэнергоиздат, 1960. - 352 с.

28. Баронский А.В., Дука А.К., Евзикова Э.Г. Универсальные характеристики нагрузки блока синхронный генератор выпрямитель -индуктивная нагрузка. Электротехника, 1971, №4, С. 43-45.

29. Постников И.М. Обобщённая теория и переходные процессы электрических машин. М, Высшая школа, 1975. 320 с.

30. Reduzierung des Energiebedarf durch optimierte Fahrzeugsteuerung. // Elektrische Bahnen 98 (2000) C.l 1 12.

31. Rand D., Woods R., Dell R., Batteries for Electric Vehicles. // Research Studies Press,1998. C. 14-18.