автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Усовершенствование алгоритмов управления тяговыми электродвигателями электропоезда переменного тока с зонно-фазовым регулированием

На гф^^^^цщписи

ВИКУЛОВ Илья Павлович

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЗОННО-ФАЗОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

1 о ДЕК 2009

003487293

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС).

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Якушев Алексей Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Грищенко Александр Васильевич

кандидат технических наук, доцент Пудовиков Олег Евгеньевич

Ведущее предприятие - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «25» декабря 2009 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

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

Автореферат разослан «25» ноября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н, профессор

В.А.Кручек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с целями и ориентирами инновационного развития ОАО «РЖД» к 2015 году достижение высоких параметров экономической эффективности является основным требованием при формировании заказа на производство пригородного подвижного состава. Полная замена подвижного состава и технических средств с истекшими сроками службы на новую технику с высокой производительностью и низкой ремонтоемкостью является одной из приоритетных задач ОАО «РЖД».

Дня реализации концепции производства современного энергосберегающего подвижного состава необходимо применение новых принципов построения систем автоматического управления (САУ) на базе микроконтроллерных технологий, позволяющих значительно расширить функции регулирования электромеханических систем и повысить их технико-экономические показатели.

Поэтому тема диссертации, посвященная вопросам обеспечения работоспособности силового оборудования электропоезда переменного тока с микропроцессорным управлением в эксплуатационных и нестационарных режимов работы, является актуальной.

Целью диссертационной работы является обоснование выбора режимов работы тягового электропривода электропоезда для расчета параметров настройки регуляторов САУ, а также выработка рекомендаций по усовершенствованию алгоритмов, позволяющих повысить качество регулирования в переходных режимах работы силового электрооборудования электропоезда.

Основными задачами исследования являются:

1. Разработка способа расчета параметров настройки регуляторов с учетом изменения динамических параметров элементов силовых цепей в

зависимости от режимов работы силового электрооборудования.

2. Разработка компьютерной многофункциональной модели системы автоматического управления тяговым электроприводом с бесконтактным зонно-фазовьм регулированием, учитывающей взаимное влияние контактной сети, тягового электрооборудования электропоезда, механической системы колесо-рельс,

3.Выработка рекомендаций по усовершенствованию алгоритмов управления на основе результатов компьютерного моделирования переходных процессов в силовых цепях электропоезда и системе автоматического управления.

Методы исследования. Исследования выполнены на основе применения методов теории линейных систем автоматического управления, теоретических основ электротехники, теории электрических машин, теории электрической тяги, а также методов имитационного математического моделирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации подтверждается аналитическими расчетами, моделированием и сопоставлением результатов моделирования с результатами полученных при государственных испытаниях сотрудниками ВНИИЖТ электросекции опытного электропоезда по токам короткого замыкания тягового трансформатора, углам коммутации тиристорных плеч ВЙП, пульсациям тока цепи ТЭД, пусковым ускорениям и тормозным замедлениям электропоезда. Максимальная относительная погрешность расчетов составляет 11%.

На защиту выносятся:

1.Обоснование расчетных режимов и расчетных соотношений для выбора параметров настройки регуляторов.

2.Рекомендации по адаптивным программным регулировкам

параметров настройки регуляторов и по усовершенствованию алгоритмов управления тяговым электроприводом.

3.Рекомендации по выбору параметров элементов силовых цепей электропоезда.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Обоснованы расчетные соотношения для выбора параметров настройки регуляторов с учетом изменения постоянных времени и коэффициентов усиления динамических звеньев силового электрооборудования в зависимости от режимов работы электропоезда.

2.Разработаны рекомендации по усовершенствованию алгоритмов управления выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП), включающие в себя адаптивное регулирование настроек регуляторов в зависимости от изменения эксплуатационных нагрузок тягового электропривода, при отрывах токоприемника, ступенчатых изменениях напряжения тяговой сети, возникновении боксования и юза.

Практической ценность работы. Результаты аналитических исследований, расчетов параметров настройки регуляторов, компьютерного моделирования и сформулированные на их основании рекомендации использованы для усовершенствования алгоритмов МПСУ при производстве опытной партии электропоездов с целью уменьшения длительности протекания нестационарных процессов, снижения перегрузок преобразователя и тягового электропривода.

Реализация работы. Предложения по адаптивным программным регулировкам параметров настройки регуляторов и по выбору величин стабилизирующих и балластных сопротивлений силовых цепей реализованы при создании комплекта электрооборудования ОАО «Силовые машины» «Электросила» для опытного электропоезда с зонно-фазовым регулированием.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международных конференциях и симпозиумах: «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте (Красноярск, 2005), «Современные технологии транспорту» (СПб 2009), «Е1йгапз'2005», «Е1ц-апз'2007», «Е1[гаш'2009» (СПб, 2005,2007,2009).

. Личный вклад:

1.Обоснованы расчетные режимы работы электропривода электропоезда и расчетные соотношения для выбора параметров настройки регуляторов.

2.Разработаны рекомендации по усовершенствованию алгоритмов управления тяговым электроприводом.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,

четырех глав, общих выводов и списка литературы из 96 наименований,

]

содержит 150 страниц основного текста, 14 таблиц, 87 рисунков, 11 страниц списка литературы, 19 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность темы, сформулированы цели аналитического и экспериментального исследования процессов управления тяговым приводом электропоезда.

В первой главе проведен анализ технических решений по теме диссертации. Рассмотрена возможность модернизации эксплуатируемых серийных электропоездов переменного тока, а также создания новых электропоездов переменного тока с использованием микропроцессорных технологий в управлении тяговым приводом. Приведен краткий анализ зарубежного и отечественного опыта разработки силовых электрических схем и микропроцессорных САУ подвижного состава переменного тока с

зонно-фазовым регулированием напряжения.

Отмечен вклад в теорию и практику применения средств автоматического управления на электроподвижном составе Алексеева А. Е., Исаева И. П., Баранова Л. А., Феоктистова В. П., Тулупова В. Д., Савоськина А. Н., Инькова Ю. М., Тихменева Б. Н., Плакса А. В., Лисунова В. Н., Кучумова В. А., Грищенко А.В., Захарченко Д. Д., Назарова Н. С. Лозановского А. Л., Литовченко В. В., Малютина В.А. , Плиса В.И., Гоголева Г.А., Чернова С.С. и др.

Показана актуальность разработки алгоритмов управления МПСУ опытного электропоезда переменного тока с зонно-фазовым регулированием, совместная работа по проектированию которого была начата в 2001г Отделом тягового электропривода ОАО «Силовые машины» «Электросила» и кафедрой «Электрическая тяга» ПГУПС. Сформулированы задачи, решаемые в рамках диссертационной работы.

Во второй главе произведено обоснование способа расчета параметров настройки регуляторов и выбора расчетных режимов работы тягового электропривода.

Методы расчета и выбора параметров настройки регуляторов подвижного состава переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения в настоящее время не получили достаточного отражения в научно-технической литературе. Поэтому при совместной разработке проектно-конструкторской документации для нового электропоезда переменного тока ОАО «Силовые машины» «Электросила» и кафедрой «Электрическая тяга» ПГУПС была поставлена задача обоснованного выбора параметров настройки регуляторов с учетом изменения режимов работы силового в тяговом и тормозном режимах.

Предлагаемый способ расчета параметров настройки регуляторов основан на анализе принципиальных схем силовых электрических цепей,

режимов работы силового электрооборудования, структурных схем САУ, логарифмических амплитудно-частотных характеристик (ЛАЧХ) с учетом интервальных задержек формирования и передачи сигналов МПСУ.

На основании составленных структурных схем силовых цепей и САУ получены операторные передаточные функции для разомкнутых контуров регуляторов тока якорей (РТЯ), тока рекуперации (РТР), тока возбуждения (РТВ) с приведенными к табличному виду передаточными функциями ТЭ Д в режимах тяги и рекуперативного торможения:

w Г у_ Ков(1 + рТурв)(^рТ2рв)(1 + рТпр)е~рт

р(1+рти)(1+рт2в)(1+ртя) ' [2)

= Л + М - (3)

В приведенных выражениях (1-3) приняты обозначения: К0, Ki, КВв, К0рр, -коэффициенты усиления контуров тока якорей, ЭДС вращения ТЗД при последовательном возбуждении, тока возбуждения и тока рекуперации; 7/, Т2 , Тя, Ты, Т2а, Т„р, Т!вх - приведенные постоянные времени цепи якорей ТЭД в режиме тяги, цепи якорей и цепи возбуждения ТЭД в режиме рекуперации, контура вихревых токов; г - суммарная постоянная звеньев запаздывания контура регулирования; Тря, Трф Тир — постоянные времени рехуляторов РТЯ, РТВ и РТР.

Выбор параметров настройки регуляторов произведен на основе анализа ЛАЧХ, соответствующих приведенным передаточным функциям.

На рис. 1 приведены для примера ЛАЧХ контура регулирования тока возбуждения в режиме рекуперации с варьированием параметров регуляторов, откуда следует, что реализация наибольших коэффициентов

усиления возможна при первом варианте настройке регулятора.

6

Уравнение ординаты при частоте среза для приведенной ЛАЧХ при Т[рв~Т2Э и Т2рв=Тя:

201д*м1 - 2018^- - - 20\ш<осрТпр = 0. (4)

1 1« 1 пр

............ 1)Т1ря= Т2в; Т^рц— Тя,'

2)Т]рд- Тпрг^2ра~ Т2в;

3) Т]в> Т,рв> Тпр,- Т?рв= Т2в; ' 4) Т<ра= Г;»; Т2рв- Г,;

-20

/я^Г- Ir-ZT (Ig-TjT- =l-~r) lg~ZT Igco,

¿le j-lpe ¿пр *2рв *2в in

Рис. 1. ЛАЧХ режима рекуперации

Из решения уравнений ординат ЛАЧХ выведены расчетные соотношения коэффициентов усиления системы, на основании которых определены расчетные формулы параметров настройки регуляторов, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Коэффициенты усиления системы. _

Контур регулирования Общий коэффициент усиления Коэффициент усиления регулятора

1. Пускового тока lex к _ Ко Тря ^ К ЯК ¿тК випК фр

2.Тока рекуперации ТяаСП it _ л СР лоРР ~ т "Р ^ _ КоррТир РР КяКвипКфрКдт

3. Тока возбуждения Ти ■ со V 1в СР ^ _ Тире

0«1 ~ _ пр Рв К ЯК у К фр КувКвКфКдт

В приведенных в табл. 1 выражениях приняты обозначения коэффициентов усиления элементов силовой цепи и САУ: Кй - цепи якоря по току, Ку - якоря по скорости, Ке - цепи возбуждения, Кф - цепи намагничивания ТЭД, Квип - ВИП, Кув - управляемого выпрямителя возбуждения, Кдт - датчика тока, Кфр - фазорегулятора.

Из анализа формы ЛАЧХ следует, что возможность реализации достаточно высоких коэффициентов усиления системы ограничена существующими в МПСУ интервалами задержки на цифровую обработку сигналов и фазовыми задержками управления ВИП, которые вносят ограничения выбираемой частоты среза в пределах 30-50 рад/с.

В рамках практической реализации предложенного способа расчета параметров выполнен анализ зависимости постоянных времени, коэффициентов усиления элементов силовых цепей и параметров настройки регуляторов от режимов работы силового оборудования.

Исходя из достаточного широкого диапазона изменения возможных параметров регуляторов сформулированы рекомендации по адаптивным регулировкам параметров настройки регуляторов в зависимости от режимов работы при пуске и торможении. Численные значения параметров настройки регуляторов систематизированы в табл. 2.

Произведен анализ электрической устойчивости контура тока якорей ТЭД в режиме рекуперативного торможения. Для обеспечения устойчивости этого контура традиционно применяют стабилизирующие резисторы, посредством которых компенсируется вносимое фиктивное отрицательное сопротивление, обусловленное потерей напряжения на интервалах углов коммутации инвертирующих плеч ВИП.

Величина сопротивления стабилизирующего резистора выбрана по условиям обеспечения электрической устойчивости и приемлемого значения постоянной времени приведенного апериодического звена

первого порядка контура тока рекуперации, а также по условиям ограничения массы и габарита блока стабилизирующих резисторов моторного вагона. Рекомендованная производителю электрооборудования электропоезда величина сопротивления стабилизирующего резистора составляет 0,4 Ом.

Таблица 2

Рекомендуемые параметры настройки регуляторов.

Регуляторы Варианты настройки регуляторов

1 2 3 4 5

Зона per. I IV IV* - -

1.РТЯ Кт, мкс/А 80 40 100 - -

Кт, мкс/А 20 И 26 - -

0,05 0,04 0,04 - -

Зона per. IV П1 п I -

2. РТР Ко,,, мкс/А 12,5 16,5 25 50,5 -

Кио, мкс/А 3 4 8 16 -

Тго, с 0,04 0,04 0,03 0,03 -

Л, А 70 100 150 200 250

Квв, мкс/А 4 5.5 7,2 8,8 10

З.РТВ Кт, мкс/А 0,17 0,22 0,3 0,37 0,45

0,25 0,25 0,24 0,24 0,23

Кде, мкс/А 24,5 33 42 50,5 58

С 0,06 0,06 0,058 0,058 0,056

* - первая ступень ослабления возбуждения ТЭД.

В третьей главе рассмотрены особенности, разработанной автором

многофункциональной компьютерной модели тягового электропривода и

САУ с элементами дискретной обработки сигналов, а также выполнена

оценка адекватности разработанной модели.

Компьютерная модель предназначена для исследования возможных

эксплуатационных, нестационарных, а также аварийных процессов в

силовых цепях электропоезда и усовершенствования существующих

алгоритмов управления с целью ускорения локализации переходных

9

процессов режимов тяги и рекуперативного торможения.

Компьютерная модель разработана в приложении Simulink системы Matlab на основе принципиальных схем силовых электрических цепей, функциональных схем САУ, дифференциальных уравнений, характеризующих протекание переходных процессов в силовых цепях, тяговом приводе, в механической системе колесо-рельс, а также дифференциальных уравнений обработки сигналов цепей обратных связей и регуляторов МПСУ.

Система тягового электроснабжения представлена математической моделью контактной сети, разработанной на кафедре «Электрическая тяга» МИИТ. В модели тягового трансформатора учтены параметры короткого замыкания и характеристика намагничивания тягового трансформатора ОДЦЭ-2000. Тяговые электродвигатели смоделированы с учетом динамической индуктивности, кривых намагничивания, вихревых токов, реакции якоря тягового электродвигателя ТЭДЗУ1. САУ с дискретной обработкой сигналов воспроизводит цифровую обработку сигналов обратных связей и сигналов управления.

Оценка адекватности компьютерной модели произведена путем сопоставления расчетных параметров и переменных, воспроизведенных на компьютерной модели, с физическими переменными преобразователя и тягового электропривода, полученными при государственных испытаниях секции опытного электропоезда переменного тока сотрудниками ВНИИЖТ. Сопоставление произведено по токам короткого замыкания тягового трансформатора, углам коммутации тиристорных плеч ВИП, пульсациям тока цепи ТЭД, пусковым ускорениям (рис. 2) и тормозным замедлениям электропоезда.

I,A; Uc/100, В U,В; V/10, км/ч

Произведена оценка погрешностей измерений и расчетов.

Результаты сопоставлений сведены в табл. 3.

Таблица. 3

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных_

Параметр сравнения Эпытные данные Расчетные данные Относит, погрешность

расч. изм.

1. Углы коммутации тиристоров -буферного контура - нерегулируемого контура - инвертирования (при и =900 А) 18 зл.гр. бэл.гр. 13,7 эл.гр 16 эл.гр. 6,2 эл.гр. 12,7эл.гр. 11% <5% 7% 5% 14% 6,5%

2. Амплитуда пульсации тока ТЭД (при 1д=450 А): - в режиме тяги - в режиме рекуперации 175 А 196 А 189 А 200 А 7,4% <5% <5% <5%

3. Пусковое ускорение в режиме тяги до 60 км/ч 0,81м/с2 0,82 м/с2 <5% <5%

4. Тормозное замедление -100 км/ч до 60 км/ч - 60 км/ч до 10 км/час 0,4 м/с2 0,8 м/с2 0,4 м/с2 0,8 м/с2 <5% <5%

В четвертой главе приведены результаты исследований на компьютерной модели нестационарных режимов, возникающих при пуске электропоезда, повторных включениях, входе в режим рекуперативного торможения, ступенчатых изменениях напряжения контактной сети, отрывах токоприемника, возникновении боксования и юза, а также при коротких замыканиях в силовых цепях и опрокидывании инвертора.

Подтверждены рекомендации по адаптивному программному регулированию параметров регуляторов в зависимости от режимов работы тягового электропривода. Установлено, для ускорения процесса входа в режим рекуперативного торможения целесообразно производить двукратное увеличение коэффициентов усиления интегрального канала регулятора РТВ по отношению к расчетным с после,дующей установкой рекомендуемых настроек при превышении тока рекуперации контрольного порогового уровня 50А (табл. 2).

Для локализации переходных процессов при отрывах токоприемника в режиме тяги рекомендуется вводить фиксацию интегрального канала РТЯ на время отрыва токоприемника. В режиме рекуперации при отрывах токоприемника длительностью не более одной полуволны питающего напряжения работу силового оборудования без опрокидывания инвертора можно обеспечить посредством увеличения углов запаса инвертора на 1015 град, на интервале возникающего перерегулирования тока рекуперации. Более длительные интервалы отрыва токоприемника приводят к опрокидыванию инвертора и срабатыванию защиты.

Для защиты ТЭД и преобразователя при коротких замыканиях в силовых цепях электропоезда и при опрокидывании инвертора использована традиционная схема, применяемая на ЭПС постоянного тока, с введением балластного резистора и созданием контура размагничивания ТЭД посредством быстродействующего контактора защиты.

В результате моделирования процессов короткого замыкания с варьированием величины сопротивления балластного резистора выбрана величина, при которой обеспечивается локализация переходных процессов оптимальная по времени и по амплитуде тока короткого замыкания. Рекомендованная производителю электрооборудования электропоезда величина сопротивления балластного резистора составляет 40м.

На компьютерной модели исследованы нестационарные режимы и алгоритмы локализации процессов боксования и юза. В режиме рекуперативного торможения для локализации процессов юза исследовались способы понижения тормозного тока как воздействием на регулятор РТР, так и на регулятор РТВ. Установлено, что более эффективным способом локализации юза является воздействие на регулятор РТВ цепи возбуждения группы ТЭД с юзующей колесной парой, так как в этом случае локализация процесса юза сопровождается меньшей потерей тормозной силы моторного вагона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Произведен анализ структурных схем силовых цепей САУ, получены соотношения для расчета параметров настройки регуляторов микропроцессорного контроллера с учетом изменения постоянных времени и коэффициентов усиления динамических звеньев силового электрооборудования опытного элекгропоезда с зонно-фазовым регулированием в режимах тяги и рекуперативного торможения.

2. Разработана многофункциональная компьютерная модель силовых цепей электропоезда и САУ, предназначенная для исследования переходных процессов в силовых цепях электропоезда. Подтверждена адекватность компьютерной модели на основании сопоставления результатов моделирования и экспериментальных данных, полученных сотрудниками ВНИИЖТ при испытаниях электросекции опытного

13

электропоезда. Максимальная относительная погрешность расчетов составляет 11%.

З.На основании теоретического анализа и компьютерного моделирования переходных процессов в силовых цепях и САУ электропоезда предложены рекомендации по усовершенствованию алгоритмов микропроцессорной системы управления ВИП, на основании которых применить:

3.1.Трехступенчатое адаптивное регулирование коэффициентов усиления регулятора тока якоря для режимов тяги на I и IV зонах регулирования, а также при включении первой ступени ослабления возбуждения в соответствие с таблицей рекомендуемых настроек.

3.2.Двухступенчатое адаптивное регулирование коэффициентов усиления регулятора тока рекуперации с изменением коэффициентов на второй зоне регулирования и регулятора тока возбуждения с изменением коэффициентов по контрольным уровням тока возбуждения в соответствие с таблицей рекомендуемых настроек.

3.3.Двукратное увеличение коэффициентов усиления интегрального канала регулятора РТВ по отношению к расчетным для ускорения процесса входа в рекуперацию с последующей адаптивной установкой рекомендуемых настроек при превышении тока рекуперации контрольного порогового уровня 50А.

3.4.Фиксирование интегрального канала регулятора тока якоря на время отрыва токоприемника в тяговых режимах с целью локализации переходных процессов после восстановления скользящего контакта.

3.5.Увеличение углов запаса инвертирования на 10-15 градусов на интервале возникающего перерегулирования тока ТЭД при неполных отрывах токоприемника, а также при ступенчатом снижении напряжения контактной сети более 20% в режимах рекуперации.

4.Для силовых цепей опытного электропоезда рекомендованы величины сопротивлений стабилизирующего резистора в цепи якорей 0,4 Ом и балластного резистора размагничивающего контура ТЭД 4 Ом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

публикации в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России:

1.Способы расчета параметров регуляторов тока рекуперации микропроцессорной системы управления опытного электропоезда с зонно-фазовым регулированием напряжения: статья / А. Я. Якушев, И. П. Викулов. - // Транспорт Урала. - 2006. - N1. - С. 57-66.

2.Расчет на компьютерной модели переходных процессов в системе автоматического управления опытного энергосберегающего электропоезда переменного тока: статья / А. Я. Якушев, И. П. Викулов, Г. А, Гоголев, С. С. Чернов. - // Транспорт Урала: научно-техн. журн. - 2007. - № 3. - С. 4045.

публикации в изданиях, не входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России:

3.Математическая модель силовых цепей и системы автоматического управления электропоезда переменного тока: доклад А. Я. Якушев, И. П. Викулов. - // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Материалы Всерос. науч. конф. с междунар. участием (19 - 21 мая 2005, Красноярск): в 2 т. / ИрГУПС и др. - Красноярск: Гротеск, 2005. -Т. 1,-С. 479-484.

4.Моделирование тяговых и тормозных режимов электропоезда переменного тока: тезисы / А. С. Корнев, А. Я. Якушев, И. П. Викулов. - // Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на ж.д.т.: тезисы Межд. симп. (3; 15-17 ноября

2005; СПб.) / ОАО "РЖД", Октябрьская ад, ПГУПС. - СПб, : ПГУПС, 2005.-С.90.

5. Моделирование переходных процессов тормозных режимов опытного электропоезда переменного тока: тезисы / А. С. Корнев, А. Я. Якушев, И. П. Вшсулов. - // Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на ж.д.т: тезисы докл. междунар. симпоз. Eltrans'2007 (4; СПб.; 23-26 окгг. 2007) / ред.: В. В. Сапожников. - СПб. : ПГУПС, 2007. - С. 52.

6.Расчет параметров регуляторов системы автоматического управления опытного электропоезда переменного тока: статья / И. П. Викулов. - //' Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2007. - Вып.4 (13).-С. 56-69.

7.Математическое моделирование режимов электрического рекуперативного торможения электропоезда переменного тока с зонно-фазовым регулированием: доклад / А. С. Корнев, А. Я. Якушев, И. П. Викулов. - // Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на ж.д.т. : Материалы 3-го Межд. симпозиума (3; СПб.; 15-17 нояб. 2005 г.). - СПб.: ПГУПС, 2007. -С. 588-593.

8.Компьютерное моделирование процессов боксования и юза колесных пар опытного электропоезда переменного тока: тезисы / И.П. Викулов, А.Я. Якушев. - // Электрификация, скоростное и высокоскоростное движение на ж.д.т: Материалы 3-го Межд. симпозиума (5; СПб.; 20-23 октября 2009). -СПб.: ПГУПС, 2009. - С. 18-19.

Подписано к печати 23.11.09 г. Печ.л. -1,0 пл.

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

Тираж 100 экз._Заказ Ла 3$$__

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

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1.ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Потребность в электропоездах переменного тока.

1.2. Развитие современного отечественного пригородного подвижного состава.

1.3. Существующий пригородный ЭПС переменного тока.

1.4. ЭПС с зонно-фазовым регулированием напряжения.

1.5. Анализ бортовых систем управления с использованием микропроцессорных средств.

1.6. Разработка опытного электропоезда переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения.

В соответствии с целями и ориентирами инновационного развития ОАО «РЖД» к 2015 году достижение высоких параметров экономической эффективности является основным требованием при формировании заказа на производство пригородного подвижного состава. Полная замена подвижного состава и технических средств с истекшими сроками службы на новую технику с высокой производительностью и низкой ремонтоемкостью является одной из приоритетиых задач ОАО «РЖД» [1-3].

Для реализации концепции производства современного энергосберегающего подвижного состава необходимо применение новых принципов построения САУ на базе микроконтроллерных технологий, позволяющих значительно расширить функции регулирования электромеханических систем и повысить их технико-экономические показатели.

Микропроцессорные системы управления обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционной аппаратурой с жесткой логикой управления, так как позволяют применить эффективные гибкие многофункциональные системы на базе промышленных микроконтроллеров для управления, контроля, настройки и диагностики автоматических систем управления.

Значительный вклад в теорию и практику применения средств автоматического управления на электроподвижном составе и железнодорожном транспорте в целом внесли, работы, выполненные Алексеевым А. Е., Исаевым И. П., Барановым Л. А., Феоктистовым В. П., Тулуповым В. Д., Савоськиным А. Н., Иньковым Ю. М., Тихменевым Б. Н., Плаксом А. В., Лисуновым В. Н., Кучумовым В. А., Грищенко А.В., Захарченко Д. Д., Назаровым Н. С. Лозановским А. Л., Литовченко В. В., Малютиным В.А., Плисом В.И., Гоголевым Г.А., Черновым С.С. и др.

Целью диссертационной работы является: обоснование выбора режимов работы тягового электропривода электропоезда для расчета параметров настройки регуляторов САУ, а также выработка рекомендаций по усовершенствованию 4 алгоритмов, позволяющих повысить качество регулирования в переходных режимах работы силового электрооборудования электропоезда.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Обоснованы расчетные соотношения для выбора параметров настройки регуляторов с учетом изменения постоянных времени и коэффициентов усиления динамических звеньев силового электрооборудования в зависимости от режимов работы электропоезда.

2.Разработаны рекомендации по усовершенствованию алгоритмов управления выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИЛ), включающие в себя адаптивное регулирование настроек регуляторов в зависимости от изменения эксплуатационных нагрузок тягового электропривода, при отрывах токоприемника, ступенчатых изменениях напряжения тяговой сети, возникновении боксования и юза.

Актуальность работы.

Диссертационная работа посвящена вопросам улучшения работоспособности микропроцессорной системы управления электропоездом переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения в широком диапазоне работы силового электрооборудования

В диссертационной работе проведен ряд исследований и получены результаты, достижение которых при испытаниях и практическом исследовании опытных образцов электропоездов сопряжено с большими материальными затратами и длительными сроками исследования

В этой связи работа по усовершенствованию алгоритмов управления являются актуальными.

Практическая значимость.

Результаты аналитических исследований, расчетов параметров настройки регуляторов, компьютерного моделирования и сформулированные на их

МПСУ при производстве опытной партии электропоездов с целью уменьшения длительности протекания нестационарных процессов, снижения перегрузок преобразователя и тягового электропривода.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.

1. Произведен анализ структурных схем САУ, получены соотношения для расчета параметров настройки регуляторов микропроцессорного контроллера САУ с учетом изменения постоянных времени и коэффициентов усиления динамических звеньев силового электрооборудования опытного электропоезда с зонно-фазовым регулированием напряжения ТЭД в режимах тяги и рекуперативного торможения. Установлено, что при неизменной настройке регуляторов невозможно обеспечить удовлетворительное качество регулирования в необходимом диапазоне изменения нагрузок тягового электропривода.

2. Разработана многофункциональная компьютерная модель силовых цепей электропоезда и САУ с элементами дискретной обработки сигналов управления, предназначенная для исследования переходных процессов в силовых цепях электропоезда. Подтверждена адекватность компьютерной модели на основании сопоставления результатов теоретического анализа, моделирования и экспериментальных данных, полученных сотрудниками ВНИИЖТ при испытаниях опытной электросекции.

3. На основании теоретического анализа и компьютерного моделирования переходных процессов в силовых цепях и САУ электропоезда предложены рекомендации по усовершенствованию алгоритмов микропроцессорной системы управления выпрямительно-ипверюрным преобразователем (ВИП):

1) трехступенчатое регулирование коэффициентов усиления регулятора тока якоря (РТЯ) для режимов тяги на I и IV зонах регулирования, а также при включении первой ступени ослабления возбуждения в соответствие с таблицей рекомендуемых настроек;

2) двухступенчатое регулирование коэффициентов усиления регулятора тока рекуперации (РТР) с изменением коэффициентов на второй зоне регулирования и регулятора тока возбуждения (РТВ) с изменением коэффициентов по контрольным уровням тока возбуждения в соответствие с таблицей рекомендуемых настроек;

3) двукратное увеличение коэффициентов усиления интегрального канала регулятора РТВ по отношению к расчетным для режима входа в рекуперацию с целью сокращения времени входа с последующей установкой рекомендуемых настроек при превышении тока рекуперации контрольного порогового уровня 5OA;

4) фиксирование интегрального канала регулятора РТЯ на время отрыва токоприемника в тяговых режимах с целью локализации переходных процессов после восстановления скользящего контакта;

5) увеличение углов запаса инвертирования на 10 градусов на интервале возникающего перерегулирования тока ТЭД при неполных отрывах токоприемника длительностью до 0,02с, а также при ступенчатом снижении напряжения контактной сети более 20% в режимах рекуперации. 4. Для силовых цепей опытного электропоезда рекомендованы величины сопротивлений стабилизирующего резистора в цепи якорей 0,4 Ом и балластного резистора размагничивающего контура ТЭД 4 Ом.

1. Белая книга ОАО РЖД. URL: http://doc.rzd.ru/isvp/public/doc?STRUCTUREID=5066. Дата обращения: 25.08.09.

2. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года. Утверждена Распоряжением Правительства Российской Федерации № 877-р от 17.06.2008. URL: http://doc.rzd.ru/isvp/public/doc?SrrRUCTUREID=5086. Дата обращения: 25.08.09.

3. Транспортная стратегия РФ на период до 2030 года Утверждена Распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 г. № 1734-р. . URL: http: 7doc.ivd.ru/isvp/public/doc?STRUCTUREID=5102. Дата обращения: 25.08.09.

4. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав жележных дорог Советского Союза (1966-1975 гг.) / Раков В.А.- М.: Транспорт, 1979. 213 с.

5. В.А. Гапанович Перспективы обновления подвижного состава Российских железных дорог / В.А. Гапанович // Транспорт Российской Федерации. № 3. -2006. - С. 52-55.

6. О.Н. Назаров. Перспективный подвижной состав: проблемы и решения / О.Н. Назаров // Локомотив. N5. - 2005. - С. 5-9.

7. А. Давидю. Какой локомотив нужен отрасли? / Гудок. Газета: Ежедневная транспортная газета. - Выходит ежедневно. - 09.07.2002. - С. 2.

8. Назаров О. Электровоз: между прошлым и будущим / / Гудок. Газета: Ежедневная транспортная газета. - Выходит ежедневно. - 26.11. 2004 . - С. 3.11 .Электропоезд ЭР9М. Руководство по эксплуатации.-М.: Транспорт. -1978. -328 с.

9. Руководство по устройству электропоездов серии ЭД9Э, ЭП9Т, ЭР9П.-М.: Центр Коммерческих Разработок. 2005. - 128 е., табл ил.

10. Гриньков Б. Н. Тиристорное регулирование на электроподвижном составе переменного тока за рубежом. // Железные дороги мира. 1979. - N 3. - С. 3-23.

11. Опытный электропоезд ЭР29 / Хомяков Б.И., Меркушев С.И., Назаров О.Н., Савельев А.П., Шилакин А.В., Яголковский А.К. // Электрическая и тепловозная тяга. -1991. -Nol2. С. 12-16.

12. Эксплуатация электропоезда ЭР29: первые результаты / Хомяков Б.И.; Меркушев С.И.; Назаров О.Н.; Белокрылин А.Ю. // Локомотив. 1992, - No5. — С. 17-19.

13. Расход электроэнергии электропоездом ЭР29 / Хомяков Б.И., Назаров О.Н., Меркушев С.Н., Белокрылин А.Ю., Фомин Б.А. // Вестник ВНИИЖТ. 1992. -No5.-С. 38-41.

14. M6ltgen, G. Характеристики преобразователя тока, выполненного по схеме двухпульсового полууправляемого мостового выпрямителя // Elektrishe Bahnen. 1968. - №11. - С. 256-264.

15. F6rster. J. Полупроводники в цепях управления и в силовых цепях подвижного состава//Elektrishe Bahnen. 1965. - №12. -С. 282-2291.

16. Winter. Р. Воздействие на питающую сеть электроподвижного состава переменного тока с многозонным фазовым регулированием напряжения по экономичной схеме // Glasers Annalen. 1973. - № 2/3. - С. 87-96.

17. Дресслер Н.И. MICAS микро-ЭВМ для подвижного состава // Железные дороги мира. - 1983. - N4. - С. 4-19.

18. Х. Кристиансеи, А. Лаыг. Вторая партия электровозов серии Е1-17 с трехфазным тяговым приводом // Железные дороги мира. 1989. - N1. - С.25-32.

19. Gedeon G. The SIB AS 16 micro-computer control system. // Elektrische Bahnen. -1988,-N7. P. 229-235.

20. Roth G. Microprocessor based control for diesel lokomotive with three - phause drive. // Elektrische Bahnen. - 1987. - N6. - P. 197-202 .

21. Новые электровозы большой мощности ФИРМЫ AEG. // Железные ДОРОГИ мира.-1994.-N10.-С. 32-38.

22. Микуляк С.П., Напрасник М.В., Плис В.И. Микропроцессорный контроллер тягового привода магистрального электровоза // Изв. ВУЗОВ. Электромеханика. -1986. N 5. - С.36-68.

23. Вольвич А.Г., Напрасник М.В., Беляев А.В. Базовый набор микропроцессорных средств для использования в системах управления магистральных электровозов // Сб.научн.гр.Всерос.н.и. и проект.констр.ин. Электровозостроен. 1985. - Т.25. - С.45-58.

24. Лебедев А.В., МИКУЛЯК СП-, Плис В.И. Способ повышения быстродействия микропропесорного контроллера тягового привода// Сб. научн.тр. Всерос. н.и. и проект, констр. ин-т электрвозостроения. Новочеркасск. 1985. - Т.26. - С. 39-44.

25. Лебедев А.В.,Плис В.И. Отладка микропроцессорных систем на базе БИС серии 588 // Сб. научн.тр. Всерос. н.и. и проект, констр. ин-т электрвозостроения. Новочеркасск. 1986. -Т.27. - С. 104-110.

26. Всерос. н.и. и проект, констр. ин-т электрвозостроения. Новочеркасск. 1989. -Т.ЗО. - С.148, 154.

27. Беляев А.В.,Ромашка В.В. Микропроцессорная система управления тяговым приводом электровоза постоянного тока с импульсным регулированием // Сб. научн.тр. Всерос. н.и. и проект, констр. ин-т электрвозостроения. Новочеркасск. 1990. - Т.31. - С. 80-88.

28. Бадьян И. Аппаратура микропроцессорной системы управления и диагностики электровоза / Бадьян И. // Современные технологии автоматизации. 2000. -№4. - С. 48-52:

29. Электровоз BJI85: Руководство по эксплуатации / Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, JI. А. Позднякова и др. М.: Транспорт. - 1992. -480 е.: ил., табл.

30. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. — М.: Транспорт. 1986.- 312 с.

31. Власьевский С.В. Процессы коммутации тока вентилей в выпрямительно-инверторных преобразователях электровозов однофазно-постоянного тока: Монография.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. 2000. - 112 е.: ил.

32. Кулинич Ю.М. Устройство и работа выирямительно-инверторного преобразователя. Локомотив. -2001. - №1. - С. 14-18.

33. Электровоз ЭП1: Руководство по эксплуатации: изд. 2-е; Том 1,2 (в четырех книгах) / под ред. А.В.Омельченко Росгов-на-Дону: СХКТБ "БелРусь". -2006. -554 е.: ил.

34. Плис В.И. Комбинированная адаптивная система регулирования тока тягового электродвигателя с воздействием по возмущению и отклонению. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МИИТ. -1997.

35. Савоськин А.Н. Автоматизация электроподвижного состава. / под ред. А.Н. Савоськина. -М.: Транспорт. -1990. 311 с.

36. Системы автоматического и телемеханического управления электроподвижным составом. / Баранов Л.А., Ерофеев Е.В. и др.; Под ред. Л.А.Баранова. — М.: Транспорт. 1984. - 315 с.

37. Проектирование систем управления электроподвижпым сос1авом. / Под ред. Н.Д. Ротанова. М. :Транспорт, 1986. - 327 с.

38. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. Основы теории и элементы: Учебное пособие / В.В. Солодовников, В.Г. Коньков, В.А. Суханов, О.В. Шевяков; Под ред. В.В. Солодовникова. —М.: Высш. Шк. 1991.- 255 с. ил.

39. Ефремов И.С., Калиниченко А .Я., Феокшсгов В.П. Цифровые системы управления электрическим подвижным составом с тиристорными импульсными регуляторами.-М.: Транспорт. 1988.-253 с.

40. Мышкис А.Д. Прикладная математика для инженеров. Специальные курсы. — 3-е изд., доп., М.: ФИЗМАТЛИТ. - 2007. - 688 с.

41. Способы расчета параметров регуляторов тока рекуперации микропроцессорной системы управления опытного электропоезда с зонно-фазовым регулированием напряжения: статья / А. Я. Якушев, И. П. Викулов. // Транспорт Урала. 2006. - N1. - С. 57-66.

42. Расчет параметров регуляторов системы автоматического управления опытного электропоезда переменного тока: статья / И. П. Викулов. // Известия Петербургского университета nyiefi сообщения. - 2007. - Вып.4 (13).- С. 56-69.

43. Якушев А.Я., Корпев А.С. Методика расчета регулировочных и внешних характеристик однофазного выпрямительно-инвер торного преобразователя электровозов / Вестник ВЭлНИИ вып.1. Новочеркасск. 2006. -С. 246-262.

44. Жиц М.З. Переходные процессы в машинах постоянного тока. М.: Энергия. -1974.-118 с.

45. Плакс А.В., Изварин М.Ю. Параметры коллекторных тяговых электродвигателей при моделировании переходных процессов в цепях электровозов / Вестник ВЭлНИИ вып.1. Новочеркасск. 2004.-240 с.

46. Алексеев, А. Е.Тяговые электрические машины и преобразователи/ А. Е. Алексеев, Н. П. Семенов, И. В. Гурлов. Л.: Энергия. - 1967. - 432 е.: ил.

47. Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин.-М Л : Госэнер-гоиздат. -1958.-426 с.

48. Основы электрической тяги / В.Е. Розенфельд, Е.В. Чеботарев, Н.Н. Сидоров, Н.А. Болдов.-М.: Государственное энергетическое издательство. - 1957. - 311 е.: ил.

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

50. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижный состав электрифицированных железных дорог, М.: Транспорт. 1980. - 471с.

51. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов / Под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина. -М: ДИАЛОГМИФИ. 1999. -287с.

52. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / Под общей ред. к.т.н. В.Г. Потемкина.-М.: ДИАЛОГ-МИФИ. 2003. -496 с.

53. Герман-Галкин, С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0 / С. Г.Герман-Галкин. Спб.: КОРОНА принт. - 2001. - 320 е.: ил + 1 эл. гиб. диск.

54. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН-Пресс. -2003. -576 с.

55. Introduction to Simulink with Engineering Applications. Steven T. Karris. Orchard Publications. 2006. 572p. ISBN 0-9744239-8-X.

56. Dynamic Simulation of Electric Machinery Using Matlab/Simulink / Chee-Mun Ong. PRENTICE HALL PTR. 1997. 627 p. ISBN 0-13-723785-5.

57. Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов: Учеб. Для техникумов. -М.: Энергоатомиздат. 1990.-256 е.: ил.

58. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов, изд. 3-е, перераб. и доп., М., «Энергия». 1968. - 456 с.:пл.

59. Под ред. Герасимова В.Г. Электротехнический справочник. T.l. -М.: МЭИ. -1995.-440 с.

60. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники: электрические цепи. -М.:Высшая школа. 1978. - 528 с.

61. Савоськин A.IT., Кулинич Ю.М., Алексеев А.С. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе контактная сеть-электровоз. Электричество. 2001. - №10 . - С. 29-35.

62. Ю.М. Кулинич. Адаптивная система автоматического управления гибридного компенсатора реактивной мощности электровоза с плавным регулированием напряжения. Диссертация на соискание ученой степени канд.тех.наук. Хабаровск. -2001.

63. Ермоленко Д. В. Повышение электромагнитной совместимости системы тягового электроснабжения с тиристорным электроподвижным составом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.:ВНИИЖТ. 1999.

64. Электромагнитные процессы в тяговой сети с распределенной емкостью при коммутации тока в преобразователе, электроподвижного состава. Вестник ВНИИЖТ. 1984. - №1. - С. 19- 23.

65. Электромагнитные процессы в тяговой сети с распределенной емкостью прикоммутации тока в преобразователе электроподвижного состава. Вестник ВНИИЖТ. 1984. - №8. - С. 23- 27. Кулинич Ю.М., Савоськин A.II.

66. Spectral Methods in Matlab / Tobin A Driscoll , Lloyd N Trefethen. Cambridge University Press. 2000. 128 p. ISBN 10: 0898714656.

67. Основы цифровой обработки сигналов.: Курс лекций / Авторы А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов, Е.Б. Соловьева / Изд 2-е испр. И перераб. — СПб.: БХВ-Петербург. 2005. - 768 е.: пл.

68. Программирование на языке Си: Учебное пособие 2-е. доп. изд. / Подбельский В.В. Фомин С.С. -М.: Финансы и статистика. - 2004. -600 е.: ил.

69. Крамсков С.А. Повышение эффективности работы узлов систем управления тиристорными преобразователями электровозов однофазно-постоянного тока. Автореферат на соискание ученой степени канн.тех.наук. Москва. 1985.

70. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учебное пособие для вузов Б.П. Хромой, А. В. Кандинов, А. Л. Сенявский и др.; Под ред. Б.П. Хромова. — М.: Радио и связь. 1986. - 424 е.: ил.

71. Исаев И. П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М.: Транспорт. -1970.-182 с.

72. Марков Д. П. Взаимосвязь коэффициента трения с проскальзыванием в условиях взаимодействия колеса с рельсом // Вестник ВНИИЖТ. 2003. - № 3. С. 31-33.

73. Вербек Г. Современное представление о сцеплении и его использовании // Железные дороги мира. 1974. - № 4. С. 23-53.

74. A.M. Залесский. Электрическая дуга отключения. -М.: Государственное энергетическое издательство. 1963. - 268 е.: ил.

75. Жютар М. Исследование дугообразовапия при отрывах токоприемника // Железные дороги мира. 1990. -N11.- С.37-41.

76. Эффективность рекуперативного торможения электропоездов постоянного тока Тулупов В.Д., Минаев Д.В. // Железнодорожный транспорт №10 М.: Трансжелдориздат, -1926. 2005. - N 10. - С.47-50.