автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Тяговый транспортный модуль с линейным асинхронным электроприводом

На правах рукописи

Епифанов Григорий Алексеевич

Тяговый транспортный модуль с линейным асинхронным электроприводом

Специальность 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005542518

005542518

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Электрическая тяга»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мазнев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Никитин Виктор Валерьевич, заведующий кафедрой «Электромеханические комплексы и системы» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей

сообщения»

кандидат технических наук, доцент Литовченко Виктор Васильевич, доцент кафедры «Электрическая тяга» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д218.008.05 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу. 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

иктор Александрович Кручек

Актуальность работы

Реализация задач, стоящих перед современными предприятиями транспортного машиностроения, требует решения вопроса транспортировки обрабатываемых объектов в пределах цеха или по территории предприятия. На сегодняшний день широко используется перевозка на автомобилях или в вагонах, электрокарах, крановые установки. На вновь построенных или прошедших модернизацию предприятиях применяются современные средства транспортировки: технологические трансбордеры, конвейерные поезда, малогабаритные тягачи с пневматическим, гидравлическим и электрическим приводом.

Поставляемые российскими и зарубежными машиностроительными компаниями (ОАО «НПК «УралВагонЗавод», Neuero, Mercedes-Benz) образцы систем для перемещения подвижного состава (тяговые модули вагонов ТМВ, аккумуляторные локомотивы серии RRM, универсальные тягачи Unimog) имеют различное конструктивное исполнение и способ передачи усилия, но большинство из них имеют в своей основе либо тросо-лебедочный механизм, либо привод вращательного движения с передачей тягового усилия посредством пары «колесо-поверхность». Такое исполнение имеет ряд практически неустранимых недостатков, ужесточающих требования к условиям эксплуатации и определяющих значительные капитальные и эксплуатационные затраты на строительство и техническое обслуживание.

В последние годы возрос интерес к линейному электроприводу, который в настоящее время успешно применяется при испытаниях моделей судов в опытовых бассейнах, в разгонных устройствах при динамических испытаниях автомобилей и их отдельных узлов, в инерционных конвейерах.

С учетом сказанного перспективным представляется использование низкоскоростного линейного частотно-управляемого асинхронного электропривода в условиях современных промышленных предприятий транспортного машиностроения и ремонтного комплекса для перемещения компонентов подвижного состава при его изготовлении, техническом обслуживании и ремонте.

В работе решается комплексная задача по обоснованию исполнения транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом для перемещения и позиционирования подвижного состава в технологическом процессе ремонтного предприятия. Такой привод, вследствие отсутствия механических передач, может быть более дешевым, надежным и безопасным в эксплуатации.

Целью работы является создание новых технических средств для перемещения и позиционирования подвижного состава при его обслуживании и ремонте.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ используемого технологического оборудования при ремонте и обслуживании подвижного состава с позиций капитальных затрат, энергоэффективности, безопасности, экологии.

2. Разработать требования к электроприводу и обосновать схему тягового транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом.

3. Обосновать выбор методики расчета характеристик и выполнить анализ влияния конструктивных параметров ЛАД на тягово-энергетичёские показатели.

4. Выполнить расчетно-теоретические исследования показателей ЛАД и сформулировать последовательность определения рациональных значений конструктивных параметров.

5. Разработать компьютерную модель электропривода и выбрать наиболее энергоэффективный принцип управления режимами его работы.

6. Выполнить экспериментальные исследования электропривода с ЛАД на физической модели.

7. Оценить технико-экономические показатели разработки. Объект исследования

Линейный асинхронный электропривод. Предмет исследования

Характеристики электропривода в зависимости от конструктивных параметров ЛАД, режимов работы и принципов управления.

Методика исследования

Для решения поставленных в работе задач использовались теории электрической тяги, линейных асинхронных машин, планирования эксперимента; методика и программа расчета характеристик ЛАД, базирующаяся на рассмотрении трехмерного электромагнитного поля в зазоре и реактивной шине; компьютерный эксперимент в системе БтиПпкМаиаЬ, экспериментальные исследования на физической модели. Научная новизна работы

1. Разработана последовательность выбора рациональных значений параметров ЛАД тягового транспортного модуля на основе результатов выполненных расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей в зависимости от немагнитного зазора, полюсного деления и электрической проводимости шины.

2. Создана компьютерная модель электропривода, учитывающая возможность реализации режимов усиления поля и дискретного питания.

3. Обоснованы параметры режимов усиления поля при пуске и торможении, дискретного питания при установившейся скорости, повышающие энергоэффективность электропривода.

4. Экспериментально подтверждены на физической модели линейного электропривода функционирование системы на низких скоростях, высокая степень адекватности принятой расчетной модели.

На защиту выносится:

1. Компоновочная схема транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом с обоснованием требований по силе тяги в режимах разгона, установившегося движения и торможения.

2. Результаты анализа и расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей ЛАД и алгоритм выбора рациональных значений конструктивных параметров.

3. Компьютерная модель электропривода и результаты анализа принципов управления в установившихся и динамических режимах.

4. Обоснование энергоэффективных режимов работы при разгоне (усиление

поля), установившемся движении (дискретное питание) и торможении.

3

5. Результаты экспериментальных исследований физической модели ЛАД. Практическая значимость

1. Разработана компоновочная схема тягово-транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом с обоснованием исполнения индуктора ЛАД и реактивной шины (РШ).

2. Полученные результаты расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей ЛАД в виде линейных полиномов позволяют выполнить анализ характеристик машины по значениям основных конструктивных параметров.

3. Рекомендована последовательность выбора рациональных значений параметров ЛАД по заданному тяговому усилию.

4. Предложены энергоэффективные режимы работы электропривода: усиление поля при разгоне и дискретное (импульсное) питание при установившейся скорости.

Достоверность полученных результатов обеспечена корректной постановкой задач исследований, использованием проверенной методики расчета характеристик ЛАД, элементов теории планирования эксперимента, современных методов компьютерного моделирования и соответствующих программных пакетов, проведением экспериментальных исследований на физической модели ЛАД (сравнение их с данными расчетов по принятой методике показали расхождение по силе тяги не более 7%). Реализация результатов исследований

Разработанные алгоритм выбора конструктивных параметров ЛАД и режимы работы электропривода по системе ПЧ-ЛАД приняты к внедрению на предприятиях ремонтного комплекса ОАО «РЖД». Апробация работы

Основные положения диссертации, результаты исследований, выводы и

рекомендации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры

«Электрическая тяга» ПГУПС в 2010-2013 годах, на заседании кафедры

«Электрическая тяга» УрГУПС в феврале 2012 года, на семинаре

«Электрические машины и преобразователи» кафедры «Электрическая тяга»

МГУПС (МИИТ) в январе 2013 года, на VI Международном симпозиуме

4

БиПШ^Б (Санкт-Петербург, 2011), на Второй международной научно-практической конференции «ИнтеллектТранс» (Санкт-Петербург, 2012), на Специализированной конференции «Транспортная инфраструктура: модернизация железной дороги и портов» (Москва, 2012).

Публикации

Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 4 опубликованных печатных работах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 189 страниц машинописного текста, содержит 59 рисунков, 32 таблицы. Список литературы содержит 130 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работы

Во введении рассмотрены сферы применения ЛАД в промышленности, обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, дается краткая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены характеристики используемого технологического оборудования для транспортировки и позиционирования подвижного состава при обслуживании и ремонте: тросовой системы; маневровых локомотивов; аккумуляторного локомотива, способного перемещаться как по рельсам, так и по безрельсовым путям.

Наибольшее распространение на предприятиях в настоящее время получил тросовый механизм. Он обеспечивает тяговое усилие до 90 кН при длине рабочего хода до 90 м и массе системы около 6000 кг, имеет различное конструктивное исполнение в зависимости от типа подвижного состава и места установки привода. Редукторный электропривод выполнен на основе двух асинхронных двигателей мощностью по 19 кВт.

На некоторых предприятиях используется специальный аккумуляторный локомотив, конструктивно и функционально приспособленный для работ по обслуживанию и ремонту ПС в закрытых помещениях. Электровоз М1М-3000

массой 9500 кг, мощностью тягового привода 32 кВт развивает силу тяги до 30 кН при скоростях (2,5-4) км/ч.

К недостаткам указанных систем, выявленным в процессе эксплуатации, следует отнести их громоздкость, высокую трудоемкость технического обслуживания, а применительно к тросовой системе - недостаточный уровень безопасности обслуживающего персонала.

С учетом имеющегося положительного

г~---*---------1

опыта эксплуатации ЛАД в опытовых бассейнах для буксировки моделей судов, в некоторых транспортных системах, приводах инерционных конвейеров предлагается использование транспортных модулей (рисунок 1) с линейным асинхронным электроприводом по системе

«преобразователь частоты - линейный асинхронный двигатель» (ПЧ-ЛАД).

К достоинствам таких систем можно отнести отсутствие ограничений по сцеплению, отказ от сложных тросовых механизмов, компактность, меньшая масса, лучшая управляемость, более высокий

Рис.1. Компоновочная схема тягового модуля: 1 — рельсовая колея 1520 мм, 2 -вспомогательная рельсовая колея, 3 - несущая рама, 4 -индукторы, 5 - реактивная шина, 6 - стабилизирующие ролики, 7-механизм зацепа за уровень безопасности.

экипажную часть подвижного В области исследований ЛАД с 60* годов состава, 8 - колесная пара, 9 - XX века работали многие известные ученые: токоведущие шины, 10 - опора. С. Ямамура, К. Оберретль, С.А. Насар, А.И. Вольдек, В.Е. Скобелев, Г.Л. Болдырев, Ф.Н. Сарапулов, А.П. Епифанов, И.И. Талья, A.M. Лебедев, В.Н. Тимофеев, C.B. Карась, P.C. Аипов, А.Ю. Коняев, П. Шымчак и другие. Эти исследования, как теоретические, так и экспериментальные, показали, что наилучшими тягово-энергетическими показателями обладает плоский двухсторонний ЛАД (ДЛАД), который и принят в работе.

Требования к электроприводу по силе тяги обоснованы расчетом сил сопротивления движению в режимах разгона, движения с установившейся скоростью и торможения. При этом для сцепа из 10 вагонов электропоезда массой 480 т при ускорении ар=0,02 м/с2 должна быть реализована сила тяги /^=16,5 кН; движении с установившейся скоростью (4^7) км/ч - ^=6,3 кН; торможении с замедлением а„=-0,04 м/с2 - ^т=-14 кН.

Вторая глава посвящена обоснованию и выбору методики расчета характеристик ЛАД, основными требованиями к которой являются точность расчетов характеристик, возможность анализа ЛАД различного конструктивного исполнения, решение в аналитическом виде и работающая программа для ПК. Наличие в конструкции ЛАД массивных сплошных сред (реактивная шина, обратный магнитопровод в одностороннем ЛАД) предопределяет построение методик расчета на основе решения уравнений электромагнитного поля в зазоре и РШ. Краткий анализ разработанных расчетных моделей (одно-, двух- и трехмерных), опыт проектирования и создания ЛАД показали, что указанным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют трехмерные расчетные модели, в частности, разработанная в ЛПИ под руководством профессора Скобелева В.Е. математическая модель, методика и программа расчета локальных и интегральных характеристик: индукции в зазоре В3, плотности тока У2 в РШ, электромагнитных сил (силы тяги ^ и нормального усилия и мощности 5ЭЛ(, энергетических показателей - КПД ц и соз<р. Эта расчетная модель (рисунок 2) и методика приняты к использованию в диссертационной работе (глава 2).

Модель соответствует двухстороннему ЛАД или одностороннему (ОЛАД) с расслоенным обратным магнитопроводом и сплошной РШ, состоящей из двух слоев: с12 и б/3. Основные допущения, принятые при постановке задачи, в основном, являются общепринятыми для подобных задач: для сердечников индуктора и уРе=0, Д/?л=0, 6 '=5-к}, ^сотг, у2=соп51;

,аз=соп51:, /3=соп51 (модель - линейная). При расчетах заданными являются ток /¡—сопб1 (или линейная токовая нагрузка на индуктор Л=сопв1), конструктивные параметры и физические свойства материалов.

Исходными для области зазора и РШ будут уравнения электромагнитного поля Максвелла, выраженные через векторный магнитный потенциал, решение которых выполнено методом разделения переменных; постоянные интегрирования определены из граничных условий для составляющих напряженностей электрического и магнитного полей в плоскостях у=О, у=сИ2, у=3. Окончательные выражения для В^, Ру и 5ЭЛ) получены в виде двойных рядов Фурье.

Рис.2. Трехмерная расчетно-математическая модель ДЛАД: а - общая схема ДЛАД, б - продольный разрез (по оси х), в - распределение МДС по оси х, г - распределение МДС по поперечной оси г.

Например, для силы тяги:

1

В рамках принятых допущений решение учитывает исполнение индуктора, обмотки и вторичной структуры, влияние концевого эффекта.

Выражения характеристик реализованы в программе для ПК со всеми возможностями полученного решения по исполнению ЛАД.

Для определения общих характеристик (Р\, г], со.^д>, и^/1/)) с учетом параметров первичной обмотки в программе реализован расчет активного, индуктивного и главного сопротивлений по задаваемым геометрии зубцового слоя и обмоточным данным на основе известных соотношений.

Выполненные многочисленные расчеты реальных ЛАД различного исполнения показали высокую степень достоверности методики.

Расчетами обосновано наиболее рациональное исполнение вторичной структуры в виде шлицованной РШ, позволяющее свести к минимуму влияние поперечного краевого эффекта и дающее возможность использовать Т-образную схему замещения АД для компьютерного моделирования ЭП по системе ПЧ-ЛАД при допущении, что Х'а2 = 0.

С учетом принятой методики расчета и имеющегося опыта разработки, создания низкоскоростных (до 7 км/ч) промышленных ЛАД, а также данных вращающихся АД серий 4А, АИР выбраны (предварительно) значения основных конструктивных параметров ЛАД транспортного модуля: <5=(2-4) мм, ¿2=5 мм, материал РШ - алюминий, у2=3,5-107 См/м, 2р=(4Щ, т=(0,2-Ю,3) м, Л=(40-50)-103 А/и, ./=(4-5) А/мм2, 2с ^ 0,4 м, /,=(5-8) Гц; обмотка -

однослойная, я=(2-3), Ь„=0,5Л\, ^=- = (2,5+3,5), где - зубцовое деление.

Ьп

Установлено, что в указанных габаритах возможно реализовать заданное тяговое усилие при разгоне ^=16,5 кН, со^=(0,7-Ю,8), КПД //=(0,45-0,55).

Третья глава посвящена расчетно-теоретическим исследованиям тягово-энергетических показателей ДЛАД транспортного модуля в установившемся режиме при /1=соп51 (/4=40000 А/м).

В качестве исследуемых характеристик приняты: относительное

скольжение ¡т, при котором достигается наибольшая сила тяги тяговое

р

усилие на единицу площади активной поверхности индуктора

электромагнитные и общие КПД и коэффициент мощности - г]эм, у, созсрэм, соз<р.

Цель исследования - установление простых и удобных для практического использования количественных соотношений между основными характеристиками ЛАД и конструктивными параметрами. Полученные результаты должны послужить основой для определения рациональных значений параметров при разработке подобных ЛАД и оперативной оценки характеристик машины.

Указанные выше характеристики ЛАД согласно расчетной модели (рисунок 2) могут быть записаны в виде функциональных зависимостей:

2Р> г>/ь 2с, I, ¿2, уг), (2)

/худт=А&\2р, г,/ь 2с, Ь, d2, у2, А), (3)

С05^ЭЛ=Д<5', 2р, т,/ь 2с, Ь, ¿г, у2\ (4)

ц, со5<р=Лд', 2р, г,/ь 2с, Ь, с1ъ у2, Л, Ии ха[). (5)

В качестве основных параметров (независимых переменных) из указанных в (2-5) выбраны: немагнитный зазор А=-2<5+£/2 или воздушный зазор &' при а^согШ; полюсное деление т; электропроводность РШ, интегральная (¡г—уг^г или удельная у2 при аГ2=сопя1. Возможности выбора величины у2 ограничены материалами (алюминий, его сплавы' или медь). Остальные параметры приняты постоянными или зависимыми. Параметры первичной обмотки задаются по общепринятым для АД соотношениям (д, /ь Ь„, Ь3, к„, У) = 4 А/мм2=сош1).

Пределы изменения исследуемых параметров определены с учетом ограничений: габаритных (по высоте и длине), величине зазора д, материала РШ. Таким образом: 11 мм<Д<15 мм, при с12=5 мм 3 мм<5<5 мм; полюсное

деление 0,25 м<т<0,35 м, при этом отношение —>45;

А

1,75-105 См<С2=у2-й?2<2,8-105 См или при с!2=5 \i\FConst 3,5-107 См/м<у2<5,7-107

См/м.

"™1 При выборе метода исследования

"С!П0■■•• характеристик учитывались их свойства в

" зависимости от исследуемых параметров и конечная цель исследований. Анализ **"' свойств функций показал, что они являются

°„„ „., „.,, „„ ,, „,,°монотонными, близкими к линейным, Рис.3. Влияние полюсного достигают наибольших (экстремальных) деления г на исследуемые значений на границах интервалов задания характеристики. (рисунок 3). Среди методов решения

поставленной задаче в наибольшей степени отвечает аппроксимация исследуемых показателей линейными полиномами, коэффициенты регрессии которых определяются использованием теории планирования эксперимента.

Под «экспериментом» здесь понимается расчет характеристик (/„д, г]эм, г], созср]м, ЛАД по принятой трехмерной методике, а под «планом» -

план проведения расчетов. Используется ортогональный план первого порядка ПФЭ23 (полный факторный эксперимент), когда три фактора (параметра) изменяются на двух уровнях - нижнем и верхнем, то есть принимают граничные значения. Для получения более точных результатов интервал изменения по т разбит на два подынтервала: 0,25 м<т<0,3 м, 0,3 м<т<0,35 м. Следовательно, необходимо выполнить расчеты характеристик для 12 узлов при сочетаниях параметров, определяемых план-матрицей ПФЭ23. При этом результаты расчетов в узлах 5-^8 подынтервала т=(0,25-Ю,3) м будут вариантами К4 для подынтервала г=(0,3-Ю,35) м.

Уравнение регрессии имеет вид:

У = К + ЕЬЛ + Е V-*/ + И ЬЧчх.х,хч ■ С6)

] шк \Sibk 1£(<*

\ilik \Sjik

Коэффициенты ¿>о, Ьь Ъ/,, Ьия определяются по результатам расчета функций в узлах, а сами параметры представлены в кодовых значениях.

После выполнения расчетов в 12 узлах и определения необходимых значений функций (/^а, г}эм, ц, соз(рзм, соз(р=/(я)) для интервала г=(0,30-Ю,35) м получены полиномы:

л„ = 0,30+ 0,0425 - 0,066/7 - 0,028? - 0,0085/7 + 0,0025т + 0,00977? + 0,0025/7? = 12,67 — 1,7935 - 0,000/7 +1 .030? ~ 0,0205/7 ~ 1~ 0,016^7? - 0,0065/7? = 0,54 - 0,0495 + 0,049/7 + °>03 '? + 0,0065/7 " 0,0045г - 0,006/7? - '¿/Г? О сск«^ = 0,76 + 0,0055 + 0,005/7 - 0,007? - 0,0015/7 + 0,0085? + 0,003/7? + 0,0045/; г

= 0,70 - 0,0395 + 0,068/7 + 0,031г + 0,0095/7 + 0,0005т - 0,004/7? -0,0035/, т со 8 ?>„ = 0,70 + 0,0005 - 0,001/7 - 0,004? + 0,0025/7 + 0,0055? + 0,00477? - 0,0025/7г

Величина коэффициентов определяет количественное влияние параметров, а их знак - направление изменения характеристик.

Степень адекватности полученных полиномов исходной расчетной модели проверялась на нулевом уровне (по Ь0), в узловых точках и для

произвольных сочетаний параметров из области их задания. Во всех случаях расхождения результатов не превышают 5%.

Результаты по основным показателям ЛАД в виде таблиц, графиков и полиномов в зависимости от конструктивных параметров являются наглядной, простой, обоснованной, достаточно точной и удобной для практического использования информацией по исследуемому классу машин.

Сформулирована последовательность выбора рациональных значений параметров, обеспечивающих требуемое тяговое усилие с наилучшими энергетическими показателями. Приводится практический пример решения такой задачи для ЛАД транспортного модуля.

Четвертая глава посвящена компьютерному моделированию режимов работы и принципов управления ЭП по системе ПЧ-ЛАД в среде SimulinkMatlab.

Выполнен анализ двух принципов управления ЭП, основанных на различных подходах к электромагнитным процессам в электрической машине: на основе Т-образной схемы замещения AM (скалярное частотно-токовое управление, DCC-система), с использованием системы уравнений Парка-Горева (прямое управление потокосцеплением, моментом и током статора, DSC). Для указанных принципов управления разработаны компьютерные модели ЭП, реализующие технологический цикл подачи сцепа на ремонтную позицию, включающий режимы разгона, установившегося движения и торможения. С помощью компьютерной модели решались следующие задачи:

- определение расхода электроэнергии при пуске, установившемся движении, торможении в зависимости от времени разгона и установившейся скорости движения;

- исследование характеристик электропривода в режиме электродинамического торможения, при высоких скольжениях и в зоне сверхнизких скоростей (<1 км/ч).

В качестве исследуемого был принят ЛАД с параметрами, полученными в

практическом примере (глава 3).

Компьютерным моделированием установлено, что DCC- и DSC-

алгоритмы обеспечивают устойчивую работу привода в диапазоне скоростей до

12

5 км/ч в режиме тяги; при этом ВСС-система способна обеспечить электрическое торможение вплоть до полной остановки, а 08С-алгоритм при снижении скорости ниже 2 км/ч теряет устойчивость.

Установлено, что при усилении поля на ~40% при разгоне (магнитная система остается ненасыщенной) возможно снизить потребление электроэнергии в 1,5 - 2 раза. При движении с установившейся скоростью и усилении поля на =20% КПД ЛАД увеличивается на =4%. Ускорения и замедления выше 0,04 м/с2 нецелесообразны.

При дискретном питании (рисунок 4) снижение потребления электроэнергии составляет =10% при колебаниях скорости Ду=0,1 м/с.

Рис.4. Функционирование электропривода в режиме реализации «скоростного

коридора».

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям физической модели ДЛАД и технико-экономическому обоснованию внедрения предложенного транспортного модуля.

Однослойная обмотка ДЛАД подключена к ПЧ типа Sew-Eurodrive Movitrac В с пропорциональным законом регулирования U/fu а сплошная РШ может перемещаться по направляющим в зазоре. Частота изменялась в пределах (5-КЗО) Гц, величина Utf\ варьировалась в сторону усиления и ослабления поля. Основные параметры модели: 15-=2/;т=280 мм, 2с=50 мм, г=70 мм, 2р=А, A=2S+d2=7 мм, d2=2 мм, у2=2,8-107 См/м, ширина шины'1=150 мм, 2т 2 с

— = 20, — = 0,7, число Рейнольдса £0 = 3,5, сопротивление фазы обмотки Äi=17 0m.

В опытах измерялись: частота/, фазные токи /ь скорость у=ус-(1-.г), тяговое усилие Гх.

Задачи исследований:

- проверить функционирование системы ПЧ-ЛАД при скоростях до 5 км/ч;

- получить зависимости силы тяги от степени усиления поля;

- дополнительно проверить точность расчета по трехмерной методике

(глава 2) при низких значениях отношений — и —.

г Д

Подтверждена эффективность режима усиления поля (5^=0,2^0,3 Тл),

^Х=Ф2. Кроме того, получены зависимости и /,(.?) при /1=12 Гц, £/¡71=4,4 (рисунок 5). Выполненные расчеты по принятой методике (глава 2) показали высокую степень сходимости с опытными данными.

5, о.е

о о/ 0.7 0,1 ВД I

Технико-экономическое

Рис.5. Зависимость тока и силы

обоснование внедрения предложенного

тяги от скольжения при

транспортного модуля позволило

постоянной частоте/,=12 Гц,

установить следующее:

Ц= 53 В: — - расчет, • • - опыт.

1. Капитальные затраты на изготовление и монтаж составят около 4 миллионов рублей, что на 62% ниже, чем электровоза И1М-3000, и на 58% ниже, чем системы АСППВ-У.

2. При равенстве сроков полезного использования эксплуатационные расходы системы, оборудованной транспортным модулем с ЛАД, на 57% ниже, чем системы АСППВ-У, на 61% ниже по сравнению с локомотивом ЮШ-3000.

3. Срок окупаемости системы при замене локомотива 1И1М-3000 составляет 5 лет, при замене системы АСППВ-У - 7 лет.

Заключение

Результаты выполненной работы позволяют сформулировать следующие выводы и предложения:

_... 1 ! 1

1 N

1

; Г -------

1. Предложена компоновочная схема тягово-транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом для перемещения и позиционирования подвижного состава в условиях ремонтного предприятия.

2. Обоснованы исполнение ЛАД и требования к электроприводу по силе тяги в режимах разгона, установившегося движения и торможения.

3. Для обоснования конструктивного исполнения вторичной структуры (реактивной шины), проведения расчетно-теоретических исследований характеристик принята наиболее универсальная методика расчета характеристик ЛАД, базирующаяся на рассмотрении трехмерного электромагнитного поля в зазоре и реактивной шине.

4. Вторичная структура в виде шлицованной реактивной шины (ШРШ), как наиболее рациональной по тягово-энергетическим показателям, позволяет с достаточной точностью использовать Т-образную схему замещения асинхронного двигателя при компьютерном моделировании системы электропривода.

5. Результаты выполненных расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей ЛАД в зависимости от основных конструктивных' параметров с использованием элементов теории планирования эксперимента позволили сформулировать последовательность выбора их рациональных значений по заданным тяговым характеристикам.

6. Обосновано сочетание параметров ДЛАД (г, <5, у2, 2с), при котором обеспечивается необходимое тяговое усилие при наилучших энергетических показателях.

7. Разработана компьютерная модель электропривода по системе ПЧ-ЛАД. Моделированием показано, что в режиме разгона усилением поля возможно уменьшить потребление электроэнергии в 1,5-2 раза.

8. Обоснован режим дискретного питания в установившемся режиме движения, позволяющий снизить расход электроэнергии на (8-И0)% в диапазоне ПВ=(40-70)% и колебаниях скорости А К~0,1 м/с.

9. Результаты экспериментальных исследований физической модели ДЛАД и расчет характеристик подтвердили высокую степень сходимости результатов (расхождение по силе тяги составило не более 7%, по КПД и коэффициенту мощности - не более 5%).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Епифанов Г.А. Возможности использования линейного асинхронного привода в ремонтном оборудовании депо. Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. - Вып. 4 (29). - 283 с. С.43-47.

2. Епифанов Г.А., Мазнев A.C. Расчет характеристик линейного асинхронного двигателя транспортного модуля для перемещения и позиционирования вагонов в условиях депо. Электроника и электрооборудование транспорта. - Изд-во НПП «Томилинский электронный завод», 2012. - №2-3. - 56 с. С.29-32.

3. Епифанов А.П., Епифанов Г.А., Самсонов Ю.А. Экспериментальные исследования физической модели низкоскоростного двухстороннего линейного асинхронного двигателя (ДЛАД).// Известия СПбГАУ. - 2012 -№12. С.235-240.

публикации в изданиях, которые не входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Епифанов Г.А., Мазнев A.C. Расчет характеристик и выбор параметров линейного асинхронного привода транспортного модуля для перемещения подвижного состава при ремонте. Конференция: «Транспортная инфраструктура: модернизация железной дороги и портов». Сборник материалов. - М.:Рестэк, 2012. - 104 с. С.45-46.

Подписано к печати 15.11.13 г. Печ.л. -1,0

Печать - ризография Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз._Заказ № // 5Ъ_

Тип. ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

ПЕТЕРБУРГСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Епифанов Григорий Алексеевич

Тяговый транспортный модуль с линейным асинхронным

электроприводом

Специальность 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.С. Мазнев

На правах рукописи

04201455705

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Основное содержание работы...................................................................................4

Введение.......................................................................................................................5

1. Технологическое оборудование для транспортировки подвижного состава при его обслуживании и ремонте...........................................................................12

1 1 Тросовый механизм транспортировки и позиционирования подвижного состава 12

1 2 Маневровые локомотивы 15

1 3 Линейный электропривод на транспорте и в промышленности 17

1 4 Транспортный модуль с линейным асинхронным электроприводом 21

1 4 1 Разработка варианта модуля с линейным асинхронным электроприводом 21

1 4 2 Конструктивное исполнение ЛАД и особенности физических процессов 25

15 Разработка требований к электроприводу 31

Выводы по главе 37

2. Расчет характеристик линейных асинхронных двигателей..........................38

2 1 Общие положения 38 2 2 Анализ и обоснование принятой расчетной модели ЛАД 40 2 3 Методика расчета характеристик 47 2 4 Электромагнитные силы и мощности 49 2 5 Сопротивления обмотки, общие потери, КПД и коэффициент мощности 51 2 6 Возможности полученного решения Проверка точности расчетов 53 2 7 Расчет характеристик ДЛАД со шлицованной РШ по Т-образной схеме замещения 57

2 8 Предварительный выбор параметров и расчет характеристик ЛАД транспортного модуля

61

Выводы по главе 66

3. Расчетно-теоретические исследования характеристик ЛАД транспортного модуля........................................................................................................................67

3 1 Предварительные замечания 67 3 2 Выбор исследуемых показателей 68 3 3 Обоснование параметров и ограничений 70 3 4 Метод исследований характеристик 74 3 5 Результаты исследований 85 3 6 Последовательность выбора рациональных значений параметров 93

3 7 Практический пример 95 Выводы по главе 102

4. Компьютерное моделирование частотно-регулируемого асинхронного электропривода с ЛАД...........................................................................................103

4 1 Общие положения и решаемые задачи 103 4 2 Алгоритм скалярного частотно-токового управления электроприводом транспортного модуля 104 4 3 Алгоритм прямого управления моментом электропривода транспортного модуля 110 4 4 Компьютерная модель линейного частотно-управляемого электропривода транспортного модуля 115 4 5 Результаты компьютерного эксперимента Обоснование режимов работы электропривода

120

45 1 Результаты компьютерного эксперимента 124

4 5 2 Режим усиления поля 127

4 5 3 Дискретное управление ЛАД 133

Выводы по главе........................................................................................................................ 136

5. Экспериментальные исследования физической модели двухстороннего линейного асинхронного двигателя. Технико-экономическое обоснование. 137

5.1. Физическая модель ЛАД. Задачи исследований............................................................... 137

5.2. Результаты исследований................................................................................................... 139

5.3. Технико-экономическое обоснование............................................................................... 143

5.3.1. Капитальные затраты................................................................................................... 144

5.3.2. Эксплуатационные расходы........................................................................................146

Выводы по главе........................................................................................................................ 155

Заключение..............................................................................................................156

Литература..............................................................................................................158

Приложение 1. Протоколы расчета характеристик ЛАД................................169

Приложение 2. Калькуляция расходов на строительство и эксплуатацию

системы, оборудованной электроприводом с ЛАД............................................180

Приложение 3. Вентиляционный и тепловой расчет ЛАД..............................184

Приложение 4. Апробация работы, справки о внедрении и использовании результатов выполненной работы.......................................................................185

Основное содержание работы

Во введении раскрывается актуальность, цель и основные задачи диссертационной работы.

Первая глава посвящена обзору и анализу существующих систем перемещения подвижного состава при ремонте, разработке требований к электроприводу, выбору конструктивного исполнения линейного асинхронного двигателя (ЛАД).

Во второй главе выполнен анализ используемых на практике методов расчета и выбор методики определения характеристик ЛАД, предварительный выбор конструктивных параметров ЛАД, обоснована возможность использования Т-образной схемы замещения для построения компьютерной модели электропривода.

В третьей главе приведены результаты анализа и расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей ЛАД, позволяющие выбрать рациональные значения основных конструктивных параметров ЛАД.

В четвертой главе выполнен обзор основных принципов управления асинхронной машиной, построены компьютерные модели электропривода, реализующие рассмотренные принципы. Определено энергопотребление при различных режимах функционирования, предложены режимы дискретного питания и усиления поля, повышающие энергоэффективность системы.

В пятой главе приведены данные по экспериментальным исследованиям физической модели электропривода «преобразователь частоты - ЛАД» и технико-экономическое обоснование его применения.

В заключении приведены основные выводы и результаты выполненной работы.

Введение

Актуальность работы

Промышленное производство экономически развитых стран основано на внедрении последних достижений науки, техники и технологии. Ключевыми факторами повышения экономических показателей промышленности являются освоение наукоемких технологий производства, организация процессов управления предприятиями и отраслями, внедрение современного оборудования, в частности, автоматизированных поточных линий.

Реализация таких проектов на крупных промышленных предприятиях требует решения вопроса транспортировки обрабатываемых объектов (заготовок, готовой продукции, комплектующих) в пределах цеха или территории предприятия. На сегодняшний день широко используется перевозка на автомобилях или в вагонах, электрокарах, крановые установки. На вновь построенных или прошедших модернизацию предприятиях устанавливаются современные средства транспортировки, выпускаемые отечественными и зарубежными фирмами: технологические трансбордеры, конвейерные поезда, малогабаритные тягачи с пневматическим, гидравлическим и электрическим приводом.

Такие устройства имеют различное конструктивное исполнение и способ передачи усилия, но большинство из них имеют в своей основе либо тросо-лебедочный механизм, либо привод вращательного движения с передачей тягового усилия посредством пары «колесо-поверхность». Такое исполнение, с одной стороны, удовлетворительно показало себя на практике, а с другой, имеет ряд практически неустранимых недостатков, ужесточающих требования к условиям эксплуатации и определяющих значительные капитальные и эксплуатационные затраты на строительство и техническое обслуживание.

Начиная с середины XX века в Швейцарии, Германии, Японии, США, СССР и других странах были начаты работы по исследованию линейных двигателей - в первую очередь асинхронных (ЛАД) и синхронных (ЛСД).

Большой вклад в развитие теории и практики использования этих машин внесли многие известные ученые: Г.И. Штурман, А.Е. Алексеев, Г.Л. Болдырев, А.И. Вольдек, Я.Я. Лиелпетер, О.Н. Веселовский, Ф.Н. Сарапулов, А.Ю. Коняев, О.Ю. Сидоров, ВА. Винокуров, Б.И. Петленко, P.C. Аипов, Е.М. Огарков, C.B. Карась, В.Е. Скобелев, A.M. Лебедев, С.Ямамура, S.Nonaka, K.Oberretl, I.Boldea, S.Nasar, H.Bolton и другие.

Предполагалось внедрение их на высокоскоростном наземном транспорте (ВСНТ), горнодобывающей, металлургической промышленности, различных областях машиностроения. В силу ряда причин в 90- годы XX века исследования практически повсеместно были свернуты в пользу совершенствования уже существующих типов приводов. В последние годы наметилось повышение интереса к линейному электроприводу. Современная силовая полупроводниковая база позволяет создать энергоэффективный регулируемый асинхронный и синхронный (вентильный), как вращающийся, так и линейный электроприводы. Накопленный теоретический и практический материал в области исследования ЛАД и ЛСД дает возможность в более полной мере использовать их достоинства (простота конструкции, уход от проблемы сцепления «колесо-поверхность») в широком диапазоне скоростей движения и тягового усилия.

Более дешевый и простой в реализации линейный асинхронный электропривод успешно применяется при испытаниях моделей судов в опытовых бассейнах, в разгонных устройствах при динамических испытаниях автомобилей и их отдельных узлов, в инерционных конвейерах возвратно-поступательного движения.

Линейный управляемый синхронный электропривод, более сложный и дорогой, используется на высокоскоростном наземном транспорте с магнитным подвесом (система Transrapid, разработка Siemens AG и ThyssenKrupp, Германия, реализована в Шанхае, Китай). Электроприводы меньшей мощности применяются в точных сервоприводах станков (модули Siemens Simodrive, Германия, и другие производители).

С учетом сказанного перспективным представляется использование низкоскоростного линейного частотно-управляемого асинхронного электропривода в условиях современных промышленных предприятий транспортного машиностроения и ремонтного комплекса для перемещения компонентов подвижного состава при его изготовлении, техническом обслуживании и ремонте.

Технологический процесс требует перемещения кузова через покрасочную камеру, подачу в другой пролет, выкатки и движения тележек по поточной линии, подачи сцепа на позицию обточки колесных пар или моечный комплекс.

В настоящее время на рынке присутствуют несколько крупных компаний (ProKonzept, ОАО «Ленгипротранс», Deutsche Bahn), выполняющих полный спектр работ от проектирования предприятия, поставки и установки комплекса оборудования до его гарантийного и постгарантийного сопровождения. Поставляемые этими компаниями и их партнерами (Neuero, Mercedes-Benz) образцы систем для перемещения подвижного состава (аккумуляторные локомотивы серии RRM, универсальные тягачи Unimog) хотя и отвечают современным требованиям безопасности, но, как показал опыт эксплуатации, обладают рядом недостатков, ведущих к увеличению расходов на техническое обслуживание подвижного состава и, как следствие, снижению экономической эффективности железнодорожных перевозок в целом.

В работе решается комплексная задача по обоснованию конструктивного исполнения транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом для перемещения и позиционирования подвижного состава в технологическом процессе ремонтного предприятия; предложена компоновочная схема с обоснованием рациональных конструктивных параметров и режимов работы. Такой привод, вследствие отсутствия механических передач, представляется более дешевым, надежным и безопасным в эксплуатации.

Целью работы является создание новых технических средств для перемещения и позиционирования подвижного состава при его обслуживании и ремонте.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ используемого технологического оборудования при ремонте и обслуживании подвижного состава с позиций капитальных затрат, энергоэффективности, безопасности, экологии.

2. Разработать требования к электроприводу и обосновать схему тягового транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом.

3. Обосновать выбор методики расчета характеристик и выполнить анализ влияния конструктивных параметров ЛАД на тягово-энергетические показатели.

4. Выполнить расчетно-теоретические исследования показателей ЛАД и сформулировать последовательность определения рациональных значений конструктивных параметров.

5. Разработать компьютерную модель электропривода и выбрать наиболее энергоэффективный принцип управления режимами его работы.

6. Выполнить экспериментальные исследования электропривода с ЛАД на физической модели.

7. Оценить технико-экономические показатели разработки.

Объект исследования

Линейный асинхронный электропривод.

Предмет исследования

Характеристики электропривода в зависимости от конструктивных параметров ЛАД, режимов работы и принципов управления.

Методика исследования

Для решения поставленных в работе задач использовались теории электрической тяги, линейных асинхронных машин, планирования эксперимента; методика и программа расчета характеристик ЛАД, базирующаяся на рассмотрении трехмерного электромагнитного поля в зазоре и реактивной шине; компьютерный эксперимент в системе БтиНпкМайаЬ, экспериментальные исследования на физической модели.

Научная новизна работы

1. Разработана последовательность выбора рациональных значений параметров ЛАД тягового транспортного модуля на основе результатов выполненных расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей в зависимости от немагнитного зазора, полюсного деления и электрической проводимости шины.

2. Создана компьютерная модель электропривода, учитывающая возможность реализации режимов усиления поля и дискретного питания.

3. Обоснованы параметры режимов усиления поля при пуске и торможении, дискретного питания при установившейся скорости, повышающие энергоэффективность электропривода.

4. Экспериментально подтверждены на физической модели линейного электропривода функционирование системы на низких скоростях, высокая степень адекватности принятой расчетной модели.

На защиту выносится:

1. Компоновочная схема транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом с обоснованием требований по силе тяги в режимах разгона, установившегося движения и торможения;

2. Результаты анализа и расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей ЛАД и алгоритм выбора рациональных значений конструктивных параметров;

3. Компьютерная модель электропривода и результаты анализа принципов управления в установившихся и динамических режимах;

4. Обоснование энергоэффективных режимов работы при разгоне (усиление поля), установившемся движении (дискретное питание) и торможении;

5. Результаты экспериментальных исследований физической модели ЛАД.

Практическая значимость

1. Разработана компоновочная схема тягово-транспортного модуля с линейным асинхронным электроприводом с обоснованием исполнения индуктора ЛАД и РШ.

2. Полученные результаты расчетно-теоретических исследований тягово-энергетических показателей ЛАД в виде линейных полиномов позволяют выполнить анализ характеристик машины по значениям основных конструктивных параметров.

3. Рекомендована последовательность выбора рациональных значений параметров ЛАД по заданному тяговому усилию.

4. Предложены энергоэффективные режимы работы электропривода: усиление поля при разгоне и дискретное (импульсное) питание при установившейся скорости.

Достоверность полученных результатов обеспечена корректной постановкой задач исследований, использованием проверенной методики расчета характеристик ЛАД, элементов теории планирования эксперимента, современных методов компьютерного моделирования и соответствующих программных пакетов, проведением экспериментальных исследований на физической модели ЛАД (сравнение их с данными расчетов по принятой методике показали расхождение по силе тяги не более 7%).

Реализация результатов исследований

Разработанные алгоритм выбора конструктивных параметров ЛАД и режимы работы электропривода по системе ПЧ-ЛАД приняты к внедрению на предприятиях ремонтного комплекса ОАО «РЖД».

Апробация работы

Основные положения диссертации, результаты исследований, выводы и рекомендации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС в 2010-2013 годах, на заседании кафедры «Электрическая тяга» УрГУПС в феврале 2012 года, на семинаре «Электрические машины и преобразователи» кафедры «Электрическая тяга» МГУПС (МИИТ) в

январе 2013 года (приложение 4), на VI Международном симпозиуме ЕЬТЯАМ8 (Санкт-Петербург, 2011), на Второй международной научно-практической конференции «ИнтеллектТранс» (Санкт-Петербург, 2012), на Специализированной конференции «Транспортная инфраструктура: модернизация железной дороги и портов» (Москва, 2012).

Публикации

Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 4 о