автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Регулятор скорости для электровоза ЧС2К с индивидуальными электропневматическими контакторами реостатного пуска

На правах рукописи

003053Б34

АНТОНЮК МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

РЕГУЛЯТОР СКОРОСТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС2К С ИНДИВИДУАЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИМИ КОНТАКТОРАМИ РЕОСТАТНОГО ПУСКА

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003053634

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения» (МИИТ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Савоськин Анатолий Николаевич (МИИТ)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Бадёр Михаил Петрович (МИИТ) - кандидат технических наук, Шафрыгин Александр Владимирович (ВНИИЖТ)

Ведущее предприятие - Российский государственный открытый

технический университет путей сообщения (РГОТУПС)

Защита состоится «_£<£_» 2007 г. в ауд. в

на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, й.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «» ¡рх-^еугл. С-ОО г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.01, доктор технических наук, профессор

Петров Г. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время электровозы постоянного тока ЧС2 практически выработали свой ресурс, при этом пополнение парка подвижного состава новыми локомотивами не происходит. Поэтому с целью снижения затрат на обновление парка, выполняют капитальный ремонт с продлением срока службы (КРП). При проведении подобного ремонта на новых локомотивах все оборудование заменяется на отечественное: групповой переключатель заменяется на индивидуальные электропневматические контакторы; устанавливается микропроцессорная система управления (МПСУ), которая осуществляет полное управление локомотивом.

Система автоведения, входящая в состав МПСУ, осуществляет выбор ходовых позиций электровоза с учетом профиля пути, характеристик локомотива, графика движения поезда, экономии электроэнергии и т. д. В работе решается задача создания новой структуры регулятора скорости, входящего в состав системы автоведения, для пассажирскогоэлектровоза постоянного тока с релейно-контакторной системой управления с целью снижения расхода электроэнергии на тягу поезда. При этом система автоведения будет определять максимальную и минимальную скорости движения поезда с учетом вышеизложенных факторов, и передавать их как задающее воздействие на регулятор скорости, который будет реализовывать данный скоростной интервал, автоматически выполняя переход на выбег, выбор и реализацию тяговой позиции, что обеспечивает снижение расхода электроэнергии.

Электропневматические контакторы (ЭПК), устанавливаемые на электровозе, отличаются большим диапазоном времен срабатывания, превышающим нормативные величины почти в два раза, что приводит к быстрому выходу из строя, как самих контакторов, так и электровоза в целом. Поэтому в работе решалась задача оценки влияния времен включения и выключения контакторов на электромагнитные процессы, протекающие в силовой цепи

электровоза, и определения допустимого диапазона разброса этих времен срабатывания.

Таким образом, задача разработка новой структуры регулятора скорости, входящего в состав системы автоведения, для пассажирского электровоза постоянного тока с релейно-контакторной системой управления и определение допустимого разброса времен срабатывания электропневматических контакторов являются актуальными.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока с индивидуальными электропневматическими реостатными контакторами, с учетом особенностей ступенчатого пуска, а также требований к изменению ускорения движения в переходных режимах.

Методика исследований. В работе использовался метод имитационного моделирования электромагнитных.процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К с помощью программного пакета МаИлЬ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель электровоза постоянного тока ЧС2К, учитывающая процессы, протекающие в силовой части электровоза и позволяющая имитировать выведение пусковых сопротивлений и переключение ходовых позиций;

- выполнена проверка адекватности модели и существующего локомотива на основе реальных данных, полученных при испытаниях электровоза ЧС2К;

- на основе сравнительного теплового расчета установлено, что предлагаемый новый вариант компоновки пускового реостата обеспечивает ббльшую равномерность температур нагревания элементов секций по сравнению с существующим вариантом и снижение максимальной температуры нагрева;

- разработана модель силовой схемы с учетом разброса времен срабатывания электропневматических контакторов, выполнено статистическое

моделирование этого параметра, определены характеристики случайных величин токов и напряжений и их длительностей;

- разработана новая структура регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением, обеспечивающая необходимую последовательность действий при переключениях реостатов и ходовых позиций для поддержания заданного интервала скорости движения.

Практическая ценность. Проведенные исследования позволили:

- разработать программный комплекс дня расчета переходных электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К;

- установить, что разброс температур нагрева секций нового пускового реостата снижается, и уменьшаются максимальные температуры нагрева по сравнению с существующим пусковым реостатом;

- установить допустимый диапазон разброса времен срабатывания электропневматических контакторов;

- разработать структуру и выбрать параметры регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 печатные работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 60 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 188 страниц, в том числе 112 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 6 страниц списка литературы, 63 страниц приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, её практическая значимость и приведен краткий анализ состояния исследуемого вопроса. Здесь же сформулированы основные научные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ работ по капитальному ремонту с продлением срока службы электровозов постоянного тока. В частности были рассмотрены грузовой электровоз постоянного тока ВЛ10 и пассажирский электровоз постоянного тока ЧС2.

Проведен анализ по регуляторам скорости электрического подвижного состава. Были рассмотрены системы автоматического регулирования для электроподвижного состава как постоянного тока, так и переменного тока.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что к настоящему времени выполнен значительный объем работ по автоматизации управления электроподвижным составом железных дорог. Разработаны системы автоматического управления как для грузовых и пассажирских электровозов, так и для пригородных электропоездов, включая и междугородние высокоскоростные с полупроводниковыми преобразователями.

Опыт эксплуатации электровозов ЧС2К, прошедших капитальный ремонт с продлением срока службы, показывает, что установленная на электровозе система автоматического управления допускает длительное движение на реостатных позициях, что ведет к дополнительному нагреву элементов секций пусковых сопротивлений и перерасходу электроэнергии. В данной работе предлагается дополнить существующую МСУЛ регулятором скорости, который брал бы на себя функции трогания и разгона подвижным составом, а также поддержания скорости в заданных системой автоведения скоростных интервалах движения с реализацией выбега.

Поэтому в данной работе проводится разработка новой структуры регулятора скорости на основе математической модели электровоза, позволяющей имитировать выведение пусковых сопротивлений и переключение ходовых позиций. На основе этого сформулирована цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К. Приведены особенности силовой схемы и схемы управления электровоза ЧС2К в сравнении с электровозом ЧС2. При модернизации электровозов ЧС2 главный переключатель заменяется индивидуальными электропневматическими контакторами с управлением от бортовой микропроцессорной системы управления локомотива. Практически все оборудование на электровозе заменяется на отечественное и по электрической части электровоз ЧС2К надо рассматривать не как модернизацию электровоза, а как совершенно новый проект.

При разработке математической модели не учитывались вихревые токи в обмотках возбуждения ТЭД, разброс характеристик ТЭД и разброс диаметров бандажей колесных пар.

Тяговый двигатель был рассмотрен как нелинейная электромагнитная цепь, в которой нелинейность кривой намагничивания обмотки возбуждения учитывалась при помощи динамической индуктивности Ьти. На рис. 1. представлена схема замещения тягового электродвигателя, содержащая только сосредоточенные элементы (активные сопротивления, индуктивности и источник э.д.с.).

Рис. 1. Схема замещения тягового двигателя последовательного возбуждения

•о

В уравнении движения поезда помимо основных сил (сила тяги электровоза Fksum и сила основного сопротивлению движению W„) и потерь в механической части тягового электропривода Т/ учитывалась сила сопротивлению движения от подвагонных генераторов.

На рис. 2. изображен общий вид модели силовой цепи электровоза в пакете MatLab. Основными элементами данной схемы являются: TED1-TED6 - блоки тяговых электродвигателей; ОР1-ОР6 - блоки элементов ослабления возбуждения двигателей; BV, К20...К50 - соответственно блок быстродействующего выключателя и блоки силовых электропневматических контакторов; Avtonabor - блок автоматического набора позиций; Puskovoi reostat - блок пусковых сопротивлений; UDP - блок вычисления уравнения движения поезда; а также датчики тока и напряжения Id и Ud, измерительные приборы Scope 1 и Scope 2, источник постоянного напряжения Uks и др.

Все соединительные линии на схеме соответствуют соединительным линиям электрической силовой схемы электровоза ЧС2К. Напряжение контактной сети передается на блок пускового реостата, а затем на тяговые двигатели. Величина напряжения на тяговых двигателях зависит от типа группировки тяговых двигателей («С», «СП» или «П»), которое осуществляется силовыми электропневматическими контакторами.

Проверка на тестовых расчетах показала, что полученный вид временных зависимостей тока, напряжения, силы тяги двигателя и скорости движения электровоза соответствует общепринятым представлениям о характере таких процессов на электровозах постоянного тока с релейно-контакторными системами управления.

Разработанная модель силовой цепи электровоза ЧС2К отражает основные особенности релейно-контакторных систем управления, используемых на электровозах постоянного тока.

Рис. 2. Общий вид модели силовой цепи электровоза ЧС2К

В третьей главе приведен анализ электромагнитных процессов в силовой схеме электровоза ЧС2К при проведении проверки адекватности модели существующему локомотиву, сравнительного теплового расчета двух вариантов компоновки пускового реостата, и при моделировании работы силовой схемы с учетом реальных времен включения и отключения контакторов.

Для проверки соответствия электромагнитных процессов, протекающих на реальном электровозе, с такими же процессами, протекающими в компьютерной модели силовой схемы локомотива, был выполнен расчет с использованием реального графика вывода позиций. Исходные данные для такого расчета бьиш приняты по результатам испытаний электровоза, проведенных ВНИИЖТом в 2006 году. Вес поезда на испытаниях с учетом веса электровоза составлял 1000 т. При проведении испытаний локомотива выбирался режим поддержания минимального пускового тока равного /п = 400 А. Разгон осуществлялся на всех реостатных позициях до момента выхода на ходовую позицию соединения «П».

Сравнение экспериментальной и расчетной пусковых диаграмм электровоза (см. рис. 3-4) показывает, что вывод реостатных позиций и смена соединений ТЭД происходит при достижении током двигателя значения минимального пускового тока /п = 400 А. Режим набора скорости осуществляется до момента времени t - 330 с, а затем электровоз переходит в режим выбега. Различие в суммарном времени разгона составляет 23 с. Это связано с небольшими расхождениями на некоторых позициях в компоновке пускового реостата, а также возможными отклонениями величины сопротивления движению и характеристик колесно-моторных блоков от паспортных данных. В целом, вид расчетных электромагнитных процессов соответствует экспериментальным данным, полученным в ходе испытаний, что свидетельствует об адекватности разработанной модели. Скачки тока на реостатных позициях обусловлены несовершенством компоновки пускового реостата и неудовлетворительной плавностью пуска, что свидетельствует о целесообразности разработки нового пускового реостата.

и

Рис. 3. Экспериментальная зависимость тока первого тягового двигателя 1„ А

от времени I, с.

Рис. 4. Расчетная зависимость тока первого тягового двигателя /д„ А от времени Г, с

Устанавливаемая в ходе капитального ремонта новая схема компоновки пускового реостата имеет существенные недостатки: неравномерное токораспределение по секциям пускового реостата; сильный перегрев отдельных секций, которые дольше других участвуют в работе; высокий коэффициент неравномерности пуска по току; неоправданно высокое полное сопротивление пускового реостата (более чем в полтора раза). Возникает необходимость доработки пускового реостата с целью выполнения требований по максимальной температуре нагрева элементов сопротивлений, находящихся в секциях пускового реостата.

В связи с этим на кафедре был предложен новый вариант компоновки пускового реостата. Полное сопротивление стало практически таким же, как и на электровозе ЧС2 (7?п = 12,771 Ом.). Величина тока на первой позиции также стала почти как у ЧС2 (/п = 230 А). Количество реостатных позиций уменьшилось до 42. Новая компоновка предусматривает уменьшение количества реостатных элементов, а также более плотную загрузку каждого элемента.

В связи с этим в данном разделе был произведен сравнительный расчет нагревания элементов секций пусковых сопротивлений для существующей и предлагаемой схем компоновки пусковых реостатов. При этом не учитывалось расположение элементов секций пускового реостата в шахтах и их вентиляция. Это обусловлено сложностью расчетов, а также отсутствием исходных параметров, необходимых для выполнения таких расчетов.

Для примера на рис. 5 приведены графики нагрева секций пусковых сопротивлений, на которых наглядно видна степень загруженности отдельных секций первой группы для обоих вариантов пускового реостата.

По результатам расчетов было установлено следующее:

- максимальная температура по группам секций нового пускового реостата составляет соответственно: = 123°С, = 172°С, /3 = 144°С, что ниже по сравнению с существующим пусковым реостатом, где: ^ = 172°С, /2 = 179°С, = 176°С: очевидно, что в первой и третьей группах нового пускового реостата температура значительно меньше по сравнению с этими же группами существующего реостата;

- среднее значение температуры одного элемента у нового реостата немного больше по сравнению с существующим реостатом. Это обусловлено более высоким средним током в группах секций, а также лучшей загруженностью элементов. Однако максимальная температура, определяемая наибольшей температурой отдельной секции, в шахте будет меньше чем при существующем варианте.

Сравнивая результаты расчетов, можно сделать следующие выводы:

1. Величины температур в группах во втором случае практически везде существенно уменьшились.

2. Загрузка элементов при новой схеме стала равномернее.

3. Величина средней температуры у новой схемы немного выше, чем у старой, но не превышает допустимой величины.

а)

б) /,"с

Рис. 5. Графики нагрева секций пусковых сопротивлений первой группы для: а) пускового реостата с существующей схемой компоновки; б) пускового реостата с предлагаемой схемой компоновки

Опыт эксплуатации электровозов ЧС2К показал, что времена включения и выключения электропневматических контакторов имеют существенный разброс от 0,050 до 0,250 секунды. Такой разброс может быть объяснен несовершенством технологии их изготовления или несоблюдением этой технологии. Это приводит к дополнительному нагреву сопротивлений и ухудшению коммутации контакторов. Как следствие возникает перегрев контактных групп и, даже, их расплавление.

В настоящем разделе было выполнено моделирование работы силовой схемы с учетом реальных времен включения и отключения контакторов. В результате таких расчетов были определены характеристики случайных величин токов и напряжений и определены длительности этих величин. Для этого было выполнено статистическое моделирование разброса времен включения и выключения в предположении о том, что эти времена распределены по закону Гаусса.

При сравнении результатов расчетов, выполненных для разбросов времен срабатывания контакторов в диапазонах от 0,050 до 0,250 с и от 0,050 до 0,150 с Орегламентируется технической документацией) , было установлено, что при ограничении времен срабатывания диапазоном 0,050-0,150 с величины импульсов тока на соединениях «С» и «СП» значительно уменьшились (в среднем на 30%); длительности импульсов тока во втором варианте уменьшились практически в 2 раза; а длительности импульсов тока и напряжения уменьшились почти в 2 раза.

Вычисленные значения критерия мощности для рассмотренных статистических распределений оказались меньше допустимого значения этого критерия, равного \пс£\ = 0,347. Следовательно, исследованные статистические распределения не противоречат гипотезе о возможности их сглаживания гауссовским законом.

Таким образом, при условии строгого выполнения требований технической документации по временам включения электропневматических контакторов снижаются величины и длительности импульсов тока, что повышает работоспособность этих контакторов.

Четвертая глава посвящена разработке новой структуры регулятора скорости, входящей в состав системы автоматического регулирования скорости электровоза ЧС2К.

В настоящей работе предлагается дополнить установленную на электровозе систему автоведения регулятором скорости движения. В этом случае САВП будет устанавливать для каждого элемента профиля заданные интервалы скорости движения (большую и меньшую), а регулятор скорости должен будет выполнять следующие функции:

- осуществлять набор реостатных позиций через интервал времени, который выбирается по допустимой величине производной от ускорения в пределах [Л] < 0,5 м/с3, до момента достижения током электровоза величины минимального пускового тока и далее производить набор позиций по минимальному пусковому току;

- переводить электровоз в режим выбега при достижении максимальной скорости движения;

- обеспечивать, при достижении минимальной скорости движения, включение ходовой позиции и позиций ослабления поля до тех пор, пока снова не будет достигнута максимальная скорость движения по участку;

- изменять временной интервал при выводе реостатных позиций в зависимости от скорости движения электровоза;

- обеспечивать допустимый уровень продольных динамических сил в поезде при переходных процессах.

Величина скоростного интервала меняется системой автоведения в зависимости от особенностей профиля пути, характеристик электровоза, графика движения, учета экономии электроэнергии и минимизации переключений в силовой схеме электровоза. Переход в режим выбега также может осуществляться и системой автоведения в зависимости от профиля пути (например, при затяжном спуске).

Применение такого регулятора скорости позволит более эффективно использовать мощность электровоза, так как при разгоне практически постоянно поддерживается средний пусковой ток. При этом достигается увеличение среднего тока электровоза и реализуются более высокие значения ускорения при разгоне поезда.

Плавность хода при трогании с места, определяемая по третьей производной от перемещения, обеспечивается величиной временного интервала при выводе реостатных позиций. Изменяя временной промежуток, мы влияем на величину ускорения и, следовательно, на величину плавности хода.

Также при таком режиме ведения поезда за счет реализации выбега все элементы силовой схемы электровоза будут меньше времени находиться под током, что снижает их нагрев в процессе работы, а также обеспечивает снижение расхода электроэнергии.

На рис. 6. представлена функциональная схема системы автоматического регулирования скорости электровоза. Эта схема соответствует замкнутой САР, работающей в режиме стабилизации скорости движения поезда. Она содержит следующие элементы:

- задающий элемент ЗЭ1 вводит в систему сигнал /змин, соответствующий значению минимального пускового тока;

- задающий элемент ОП позволяет машинисту поезда включать или выключать режим ослабления возбуждения в процессе движения (сигнал 0,1);

Рис. 6. Функциональная схема системы автоматического регулирования скорости электровоза

- задающие элементы ЗЭ2 и ЗЭЗ и вводят в систему, соответственно, величину максимальной v3MaKC и минимальной v3M1IH скорости движения;

- задающий элемент Power осуществляет включение и выключение регулятора скорости по вводимому из САВП сигналу On (Off);

- логические элементы ЛЭ1 и ЛЭ2 выполняют функции генератора импульсов о переходе на следующую позицию (сигнал +/ поз);

- логические элементы ЛЭ4 и ЛЭ5 выдают, соответственно, номера реостатных позиций N''рп и позиций ослабления поля N'on;

- чувствительные элементы ЧЭ1 и ЧЭ2 вводят в систему, соответственно, сигнал / д, соответствующий току тягового двигателя /д, и сигнал V'дв, соответствующий скорости движения поезда гдв;

- управляющие элементы УЭ1 и УЭ2 предназначены для реализации алгоритма управления работой контакторов;

- исполнительные элементы ИЭ1 и ИЭ2 представляют из себя ряд электропневматических контакторов, осуществляющих переключения в силовой цепи электровоза;

- объект регулирования ОР1 представляет собой цепь тока электровоза тягового двигателя электровоза;

- объект регулирования ОР2 выполняет преобразование тока /д в силу тяги Fm, а также соответствует механическим процессам в тяговой передаче электровоза;

- объект регулирования ОРЗ представляет собой поезд, на который действуют сила тяги электровоза F3Jl и силы основного W0 и дополнительного Wa сопротивлений движения.

На рис. 7 представлены результаты расчетов при движении на соединении «С» без применения ступеней ослабления возбуждения.

Для существующего пускового реостата Для предлагаемого пускового реостата

Зависимости скорости движения поезда км/ч от времени и с

Зависимости производной от ускорения й, м/с3 от времени Г, с

Рис. 7. Результаты расчетов при движении в диапазоне скоростей 35 < < 40 км/ч на соединении «С» без применения ступеней ослабления возбуждения

Набор скорости до максимальной заданной величины v3„aKC = 40 км/ч при существующем варианте компоновки происходит за 140 с (см. рис. 7,а), а при предлагаемом варианте - за 121 с (см. рис. 7,6), что быстрее на 19 секунд. Различие во времени объясняется тем, что пусковой ток предлагаемого пускового реостата больше существующего на 100 А (см. рис. 7, г), а ток первой позиции составляет 227 А, почти как у электровоза ЧС2. Эти различия объясняются тем, что максимальная величина сопротивления пускового реостата у электровоза ЧС2 составляет R„ = 12,072 Ом, а у предлагаемого варианта - R„ = 12,771 Ом. При существующей же схеме компоновки (R„ = 19,485 Ом) ток первой позиции составляет 150 А (см. рис. 7, в). Следует отметить, что кривая тока тягового двигателя (см. рис. 7, в) свидетельствуют о несовершенстве схемы первого варианта компоновки пускового реостата. Это особенно заметно на позициях 3, 5,6,10, 13. Различие в приращении тока на этих позициях по сравнению с остальными достигает 50 А. Также при втором варианте броски тока практически отсутствуют. Небольшой всплеск возникает только на 11 позиции и не превышает величины 20 А.

При переходе на выбег и снижении скорости до заданной минимальной V3MHH = 35 км/ч происходит повторное подключение тяговых двигателей. Набор начинается с первой позиции и продолжается до выхода на ходовую позицию. При достижении максимальной скорости происходит отключение тяговых двигателей и процесс повторяется.

При разгоне в заданном скоростном интервале, основной функцией регулятора скорости является поддержание минимального пускового тока. Реализация такого режима ведения поезда обеспечивает наибольшую мощность тягового электродвигателя и номинальную загруженность пускового реостата.

Значения производной от ускорения h для обоих вариантов компоновки соответствуют допустимой величине [Л] = 0,5 м/с3. Но, необходимо отметить, что при серийном варианте компоновки эта величина равна А = 0,028 м/с3 (см. рис. 7, д), а при втором варианте - h = 0,015 м/с3 (см. рис. 7, е), что почти в два раза

меньше, по сравнению с серийным. Причем наибольшие величины производной от ускорения проявляются с момента трогания поезда до выхода на пусковой ток. В остальном диапазоне набора скорости величина /г для второго варианта компоновки немного ниже по сравнению с первым. Это свидетельствует о том, что, с точки зрения комфортности пассажиров, более плавным пуском поезда обладает второй вариант компоновки пускового реостата.

Более высокие значения пускового тока, и, как следствие, ускорения и силы тяги при предлагаемом варианте, позволяют регулятору скорости производить разгон поезда за меньший промежуток времени. Из приведенных рисунков видно, что за один и тот же промежуток времени / = 30 с при первом варианте электровоз успевает достичь максимально заданной скорости движения два раза и не успевает перейти в режим выбега в третий раз. А при втором варианте компоновки - три раза, причем помимо этого реализуется режим выбега длительностью * = 10 с.

Таким образом, при сравнительных расчетах применительно к двум вариантам компоновки пускового реостата выявлены преимущества предлагаемой схемы компоновки: реализация более высоких величин пускового тока, силы тяги и ускорения; снижение величины производной от ускорения А, т. е. осуществление более плавного пуска; снижение времени на разгон поезда до максимальной заданной величины скорости движения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработанная модель силовой цепи электровоза ЧС2К отражает основные особенности релейно-контакторных систем управления, реализуемых на электровозах постоянного тока.

2. Вид расчетных электромагнитных процессов, полученных при моделировании, соответствует экспериментальным данным, что свидетельствует об адекватности разработанной модели.

3. Результаты сравнительных расчетов по нагреву секций пускового реостата, выполненных для существующей и предлагаемой схем компоновок, свидетельствуют о целесообразности применения предлагаемой схемы компоновки на электровозе ЧС2К.

4. Результаты расчетов по влиянию разброса времен включения электропневматических контакторов показывают, что при диапазоне такого разброса от 0,050 до 0,150 с, значительно уменьшаются импульсы тока и их длительности практически на всех соединениях тяговых электродвигателей, что повышает работоспособность этих контакторов.

5. Регулятор скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением целесообразно реализовать программно в виде пяти логических элементов, обеспечивающих набор позиций на всех соединениях тяговых электродвигателей, переход с одного соединения на другое, и вывод ступеней ослабления возбуждения на ходовых позициях.

6. При сравнительных расчетах трогания и разгона электровоза ЧС2К с регулятором скорости применительно к двум вариантам компоновки пускового реостата выявлены преимущества предлагаемой схемы компоновки: реализация более высоких величин пускового тока, силы тяги и ускорения; снижение величины производной от ускорения, т. е. осуществление более плавного пуска; снижение времени на разгон поезда до максимальной заданной величины.

7. В результате работы предложена новая структура системы автоматического управления электровозом ЧС2К, содержащая автоматический регулятор скорости, выполняющий вывод пусковых сопротивлений и переход на ходовые позиции для реализации заданного диапазона скорости движения, поступающего от системы автоведения.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах автора

1. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк. «Регулятор скорости для электровоза ЧС2К с индивидуальными электропневматическими контакторами». Журнал «Электроника и электрооборудование транспорта» № 6, 2006 г.

2. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк. «Регулятор скорости для пассажирского электровоза постоянного тока ЧС2К». Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: Тезисы ЬХУ1 Международной научно-практической конференции.-Д.:ДИИТ, 2006.-442с.

3. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк, И. В. Корзина. «Исследования времен срабатывания электропневматических контакторов электровоза постоянного тока ЧС2К». «Вестник МИИТа» №14,2006 г.

4. А. Н. Савоськин, М. С. Антонюк. «Модель силовых цепей электровоза ЧС2К». Компьютерное моделирование 2004: Труды 5-й Международной научно-технической конференции. Часть 1. СПб.: Изд-во «Нестор», 2004,365 с.

АНТОНЮК МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

Регулятор скорости для электровоза ЧС2К с индивидуальными электропневматическими контакторами реостатного пуска

Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Подп. к печати - .Об.

Объем » А*?- Формат бумаги 60x90 1/16

Заказ № ¿84. Тираж 80 экз.

127994, г. Москва, ул. Образцова, 15. Типография МИИТа

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ работ по капитальному ремонту с продлением срока службы электровозов постоянного тока.

1.2. Анализ работ по регуляторам скорости электрического подвижного состава.

1.3. Постановка цели и задач диссертации.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА ЧС2К.

2.1. Выбор методики исследования и описание пакета Ма^аЬ.

2.2. Особенности силовой схемы и схемы управления электровоза ЧС2К.

2.3. Разработка математической модели силовой цепи электровоза.

2.4. Результаты тестовых расчетов математической модели силовой цепи электровоза ЧС2К.

2.5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИЛОВОЙ СХЕМЕ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС2К.

3.1. Анализ результатов расчета электромагнитных процессов в силовой схеме электровоза ЧС2К и сравнение их с результатами испытаний.

3.2. Исследование процессов нагрева пусковых реостатов.

3.3. Исследование влияния разброса времен включения и выключения контакторов на электромагнитные процессы в цепи тяговых двигателей.

3.4. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС2К.

4Л. Разработка функциональной схемы.

4.2. Выбор структуры регулятора скорости.

4.3. Исследование результатов работы регулятора скорости электровоза с существующей и предлагаемой схемами компоновки пускового реостата.

4.4. Исследование результатов работы регулятора скорости электровоза с предлагаемой схемой компоновки пускового реостата на различных соединениях тяговых электродвигателей.

4.5. Выводы по четвертой главе.

Железные дороги являются одними из основных транспортных артерий нашей страны, ими выполняется более половины общего грузооборота и треть пассажирских перевозок в стране [1,2, 3]. Однако, крайне недостаточные объемы поставок локомотивов, вагонов и другой новой техники, низкие качественные и экономические показатели еще используемого, но не выработавшего свой ресурс оборудования вызывают серьезные затруднения в нормальном функционировании железнодорожного транспорта. В условиях дефицита финансовых средств Российское Агентство Железнодорожного Транспорта разработало и осуществляет специальную программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, одной из главных мер которой является снижение эксплуатационных расходов железных дорог, оснащение их более мощными и надежными локомотивами.

Особенно остро стоит вопрос с пассажирскими электровозами постоянного тока, которые в России не строятся вообще. На сегодняшний день инвентарный парк таких электровозов состоит из электровозов серии ЧС2. На железных дорогах России их парк составляет 613 единиц со средним возрастом эксплуатации 28 лет. Исходя из установленного нормативного срока службы электровоза 30 лет, к 2004 году выработают его все электровозы серии ЧС2. Все это свидетельствует о том, что без принятия в ближайшие годы радикальных мер по восстановлению эксплуатационных свойств пассажирских электровозов постоянного тока при отсутствии поставок новых электровозов могут возникнуть серьёзные проблемы по обеспечению пассажирских перевозок.

Наиболее экономичным способом решения проблемы переоснащения парка электровозов является программа производства нового вида ремонта -КРП. После проведения капитально-восстановительного ремонта с продлением срока службы магистральных пассажирских электровозов серии ЧС2 должно быть обеспечено: продление срока службы на 20 лет; эксплуатация со скоростями движения до 160 км/ч; восстановление прочностных свойств кузова и тележек; снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения трудоемкости технического обслуживания и ремонта, повышение эксплуатационной надежности; замена импортных комплектующих и усовершенствование узлов электровоза; максимальное обновление деталей и оборудования. В частности в ходе проведения работ в силовую схему электровоза ЧС2 были внесены существенные изменения, а именно применение в схеме переключения тяговых двигателей электропневматических контакторов и разделительных диодов, также полностью был переукомплектован пусковой реостат.

Наряду со сменой электрического и механического оборудования при КРП устанавливают микропроцессорную систему управления (МПСУ) с новыми алгоритмами и программами управления. В этих системах применяют элементы высокой степени интеграции. Поэтому в состав МПСУ входит небольшое число элементов, благодаря чему снижается не только потребляемая мощность всей системы, но и повышается уровень надежности, что приводит к уменьшению затрат на обслуживание и ремонты. МПСУ электровоза выполняет автоматическое управление электроприводом и электрическими аппаратами в режиме тяги, предусматривает защиту по боксованию, повышенному или пониженному напряжению, перегрузке тяговых двигателей. При этом система автоведения, входящая в состав МПСУ, осуществляет пуск и разгон поезда с учетом экономии электроэнергии, что нередко приводит к длительному движению на реостатных позициях, что недопустимо. Поэтому разработка новой системы автоматического регулирования скорости является актуальной задачей.

В данной работе предлагается дополнить существующую систему автоведения регулятором скорости, который взял бы на себя все функции, связанные с набором позиций, а система автоведения управляла бы регулятором, задавая интервал скоростей движения (максимальную и минимальную) по участку пути в соответствии с расписанием, профилем пути и рациональным энергопотреблением.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока с индивидуальными электропневматическими реостатными контакторами, с учетом особенностей ступенчатого пуска, а также требований к изменению ускорения движения в переходных режимах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе использовался метод имитационного моделирования электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К с помощью программного пакета Ма^аЬ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

- разработана математическая модель электровоза постоянного тока ЧС2К, учитывающая процессы, протекающие в силовой части электровоза и позволяющая имитировать выведение пусковых сопротивлений и переключение ходовых позиций;

- выполнена проверка адекватности модели и существующего локомотива на основе реальных данных, полученных при испытаниях электровоза ЧС2К;

- на основе сравнительного теплового расчета установлено, что предлагаемый новый вариант компоновки пускового реостата обеспечивает большую равномерность температур нагревания элементов секций по сравнению с существующим вариантом и снижение максимальной температуры нагрева;

- разработана модель силовой схемы с учетом разброса времен срабатывания электропневматических контакторов, выполнено статистическое моделирование этого параметра, определены характеристики случайных величин токов и напряжений и их длительностей;

- разработана новая структура регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением, обеспечивающая необходимую последовательность действий при переключениях реостатов и ходовых позиций для поддержания заданного интервала скорости движения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Проведенные исследования позволили:

- разработать программный комплекс для расчета переходных электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К;

- установить, что разброс температур нагрева секций нового пускового реостата снижается, и уменьшаются максимальные температуры нагрева по сравнению с существующим пусковым реостатом;

- установить допустимый диапазон разброса времен срабатывания электропневматических контакторов;

- разработать структуру и выбрать параметры регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением.

ПУБЛИКАЦИИ

По результатам исследований опубликованы четыре печатные работы.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 60 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 188 страниц, в том числе 112 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 6 страниц списка литературы, 63 страниц приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Разработанная модель силовой цепи электровоза ЧС2К отражает основные особенности релейно-контакторных систем управления, реализуемых на электровозах постоянного тока.

2. Вид расчетных кривых электромагнитных процессов соответствует экспериментальным данным, что свидетельствует об адекватности разработанной модели.

3. Результаты сравнительных расчетов по нагреву секций пускового реостата, выполненных для существующей и предлагаемой схем компоновок, свидетельствуют о целесообразности применения предлагаемой схемы компоновки на электровозе ЧС2К.

4. Результаты расчетов по влиянию разброса времен включения электропневматических контакторов показывают, что при диапазоне такого разброса от 0,050 до 0,150 с, значительно уменьшаются импульсы тока и их длительности практически на всех соединениях тяговых электродвигателей, что повышает работоспособность этих контакторов.

5. Регулятор скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением целесообразно реализовать программно в виде пяти логических элементов, обеспечивающих набор позиций на всех соединениях тяговых электродвигателей, переход с одного соединения на другое, и вывод ступеней ослабления возбуждения на ходовых позициях.

6. При сравнительных расчетах трогания и разгона электровоза ЧС2К с регулятором скорости применительно к двум вариантам компоновки пускового реостата выявлены преимущества предлагаемой схемы компоновки: реализация более высоких величин пускового тока, силы тяги и ускорения; снижение величины производной от ускорения, т. е. осуществление более плавного пуска; снижение времени на разгон поезда до максимальной заданной величины.

7. В результате работы предложена новая структура системы автоматического управления электровозом ЧС2К, содержащая автоматический регулятор скорости, выполняющий вывод пусковых сопротивлений и переход на ходовые позиции для реализации заданного диапазона скорости движения, поступающего от системы автоведения.

1. Архангельский Ю. Н. Локомотивостроение в новых условиях хозяйственной деятельности предприятий России//Междунар. конф. «Состояние и перспективы развития локомотивостроения», Новочеркасск, 7-9 июня 1994 г.: с. 1-2.

2. Титов В. В. Перспективы развития железных дорог Российской Федерации. Анализ эксплуатации и основные требования к электроподвижному составу .//Сб. науч. Тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и тех-нол. ин-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 8-15.

3. Щербаков В. Г. Разработка новых электровозов и электропоез-дов.//Сб. науч. Тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и технол. ин-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 3-8.

4. Брексон В. В. «Электровозы ЧС2: новая жизнь в новом веке». Журнал «Локомотив», октябрь 2001 г., № 10 (538), с. 39-41.

5. Электровозы ЧС2 возрождаются «из пепла». Журнал «Локомотив», февраль 2002 г., № 2 (542).6. «Экспериментальные электровозы из Челябинска». Журнал «Локомотив», март 2002 г., № 3 (543), с. 30-32.

6. Никифоров Б. Д., Головин В. И., Кутыев Ю. Г. Автоматизация управления торможением поездов. М.: Транспорт, 1985,263 с.

7. Микропроцессорные системы автоведения подвижного состава. Л. А. Баранов, Я. М. Головичер, Е. В. Ефремов, В. М. Максимов. Под ред. Л. А. Баранова. М.: Транспорт, 1990, 272 с.

8. Автоматизация электроподвижного состава: Учебник для вузов ж.-д. трансп./ А. Н. Савоськин, Л. А. Баранов, В. П. Феоктистов; Под ред. А. Н. Савоськина. М.: Транспорт, 1990. 311с.

9. Коваль П. Е. Система автоматического регулирования скорости движения грузового электровоза.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МНИТ, 1989, 165 с.

10. The electronic railroad emerges. Progressive RailRoading, 1989, May, p.23-30.

11. C3 comes to the railroads. Progressive RailRoading, 1989, September, p.43-48.

12. Detmold P. ATCS Moves railroads toward a total train management system. Modern Railroads, 1988, January, p 34-36.

13. Locomotive 2000 of the Swiss Federal Railways. Special edition out of SCHWEIZER EISENBAHN-REVUE. ABB Transportation Systems Ltd? Zurich? Switzerland. 1991, 48 p.

14. Renfe receives first AVE locos. Railway Gazette International, August 1991, p.p. 523-525.

15. Электровозы для железных дорог Австрии. // Железные дороги мира. 1998.

16. Лосев В. В. Автоматическое микропроцессорное управление пневматическими тормозами грузового поезда. М.: МНИТ, 1996,210 с.

17. Микропроцессорная локомотивная аппаратура систем автоматического управления торможением поездов САУТ-МП. Техническое описание. ВР1.320.001. ТО/ВНИИЖТ, Уральское отделение, 1993.

18. Иноземцев В. Г., Казаринов В. М., Ясенцев В. Ф. Автоматические тормоза. М.: Транспорт, 1981. - 464 с.

19. Баташов С. И. Алгоритмы управления движением грузового поезда с учетом ограничений на продольные динамические силы.: Диссертация на соискание уч. степени канд. техн. наук. М.: 1990, 140 с.

20. Электровоз BJ185: Руководство по эксплуатации // Б. А. Тушканов, Н. Г. Пушкарев, JT. А. Позднякова и др. М.: Транспорт, 1992, 480 с.

21. Особенности конструкции и управления электровоза ВЛ65. Кравчук В.В., Поддавашкин A.C., Кулинич 10.М., Дениско II.П., Бинецкий Ю.Н., 1997.-133 с.

22. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Крамсков С. А. Опыт применения микропроцессорных систем управления на электровозе BJ185// Сб. науч. тр. Всерос. н.-и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1989, Т.ЗО, с. 148,154.

23. Герасенко В. И., Ефимов Л. А., Автоматический регулятор скорости для электропоезда ЭР-200 // Автоматика, телемеханика, связь. -1981.-с. 34-35.

24. Гуткин JI.B., Дымант Ю.Н., Иванов И.А. Электропоезд ЭР200. М.: Транспорт. 1981, 192 с.

25. Пудовиков O.E. Система автоматического регулирования скорости движения перспективного электропоезда. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 2000,134 с.

26. Устройство для автоматического регулирования скорости тягового подвижного состава. Патент РФ №2202481 от 20.04.2003. Опубл. БИ №11 2003 г. А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков.

27. Matlab. Language of Technical Computing. Version 6. The Math Works. 2002.

28. Ануфриев И. E. Самоучитель MATLAB 5.3/б.х. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 736 е.: ил.

29. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 е., ил.

30. Медведев В. С., Потемкин В. Г. Control System Toolbox, MatLab 5 для студентов. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999.287 е.: ил.

31. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MatLab. СПБ.: Питер, 2000.429 е.: ил.

32. Потемкин В. Г. Инструментальные средства MatLab 5.x. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.332 е.: ил.

33. Simulink 4. Секреты мастерства / Дж. Б. Дебни, Т. Л. Харман; Пер. с англ. М. Л. Симонова М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. - 403 с.:ил.

34. Simulink. Model-Based and System-Based Design. Version 5. The MathWorks. 2003.

35. SimPowerSystem. User's guide. Version 5. The MathWorks. 2003.38. «Модернизация электровоза ЧС2 с изменением схемы»: руководство по эксплуатации; 2003 г., Департамент локомотивного хозяйства, ПКБ ЦТ.

36. Пассажирский электровоз ЧС2. В. А. Раков. Изд-во «Транспорт», 1967. Стр. 1-320.

37. Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, H.H. Сидоров М.: Транспорт, 1983, 328 с.

38. Деев В. В., Ильин Г. А., Афонин Г. С. Тяга поездов: Учебное пособие для вузов / Под. ред. В. В. Деева. М.: Транспорт, 1987, 264 с.

39. Правила тяговых расчётов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. -287 с.

40. Калинин В. К. Электровозы и электропоезда. М.: Транспорт 1991. -480 с.

41. Проектирование тяговых электрических машин. Находкин М. Д., Василенко Г. В., бочаров В. И., Козорезов М. А. Под ред. М. Д. Наход-кина. Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. 2-е изд., гтерераб. и доп. - М.: Транспорт, 1976 - 624 с.

42. Курбасов А. С., Седов В. И., Сорин Л. Н. Проектирование тяговых электродвигателей: Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. А. С. Курбасова М.: Транспорт, 1987 - 536 с.

43. Алексеев А. С. Исследование влияния нелинейности кривой намагничивания тягового электродвигателя на переходные процессы в силовой цепи электровоза. Труды МИИТ, вып. 912 М.: МИИТ, 1997.- 104 с.

44. Корзина Инна Валерьевна. Имитационная модель электровоза для отладки микропроцессорных систем управления. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 2006, 174 с.

45. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам / Под общ. ред. А. И. Тищенко. Т. II. М., Транспорт, 1976, -376 е.; 446 ил., 174 табл.

46. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. П. Сидоров М.: Транспорт, 1983, 328 с.

47. Подвижной состав электрифицированных железных дорог / Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахтман М.: Транспорт, 1980. 470 с.

48. Проектирование систем управления электроподвижным составом / Н. А. Ротанов, Д. Д. Захарченко, А. В. Плакс, В. И. Некрасов, 10. М. Иньков; Под ред. Н. А. Ротанова. М.: Транспорт, 1986. - 327 е.; 178 ил., 22 табл.

49. Тяговые электрические машины и трансформаторы: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков; Под ред. Д. Д. Захарченко. М.: Транспорт, 1979. - 303 е., ил., табл. -Библиогр.: с. 295.

50. Фаронов В. В. Турбо Паскаль 7.0. начальный курс. Учебное пособие. -М.: «Нолидж», 1997.-616 е., ил.

51. Савоськин А. H. Прогнозирование показателей надежности рам тележек электроподвижного состава. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. 1972, 395 с.

52. Таблицы для анализа и контроля надежности». Я. Б. Шор, В. И. Кузьмин. М.: Изд-во «Советское Радио», 1968. -288 с.

53. Электроподвижной состав. Эксплуатация, надежность и ремонт: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. Т. Головатый, И. П. Исаев, П. И. Борцов и др.; под ред. А. Т. Головатого и П. И. Борцова. М.: Транспорт, 1983 - 350 с.

54. Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог. А. Н. Савоськин, Г. П. Бурчак, А. П. Матвеевичев и др.; Под общей ред. А. Н. Савоськина. М.: Машиностроение, 1990. - 298 с.

55. Пудовиков О. Е. Выбор структуры САР скорости электровоза.//Сб. науч. тр. МИИТ. Москва. 1997. Вып. 912. с. 89-92.

56. Пудовиков О. Е. Система автоматического управления скоростью движения электроподвижного состава/Тезисы доклада на научно-практической конференции «Неделя науки 99 ». Москва. 1999. с. IV-19.