📄Работа №200838
Тема: ДВУХДВИГАТЕЛЬНЫЙ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОДЗЕМНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА С ЭФФЕКТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Электротехника
Объем:
180 листов
Год:
2018
Просмотров:
71
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 5
1. Краткий анализ состояния рудничной электровозной тяги 14
1.1. Общая характеристика условий работы тяговых электроприводов
рудничных электровозов 14
1.2. Особенности применения асинхронного привода 20
2. Разработка математической и имитационной модели тягового
асинхронного двигателя для частотно-регулируемого электропривода 30
2.1. Принципы построения асинхронного тягового электропривода
шахтного рудничного электровоза 30
2.1.1 Режимы работы тягового электропривода 30
2.1.2. Обоснование выбора мощности тягового асинхронного привода...32
2.2. Обоснование выбора и проверка адекватности расчетных параметров
двигателя 36
2.3. Анализ свойств электродвигателей для подземной тяги 38
2.4. Теоретическое обоснование обеспечения предельно достижимого
момента ТАД 43
2.5. Разработка имитационной модели ТАД 46
2.6. Исследования свойств ТАД на имитационной модели 50
2.7. Результаты исследований 55
3. Математическая модель электромеханической системы подвижного
состава рудничного электровоза 60
3.1. Принцип формирования тягового усилия частотно-регулируемым асинхронным электроприводом рудничного электровоза 60
3.1.1. Взаимодействие ведущей колесной пары электровоза с рельсами..60
3.1.2. Метод определения явления буксования подземного электровоза .63
3.1.3. Результаты моделирования 65
3.1.4. Коэффициент сцепления колёс с рельсами рудничных электровозов 72
3.1.5. Разработка способа управления тяговым электроприводом
рудничных электровозов 81
3.2. Модель электромеханической системы подвижного состава рудничного
электровоза 84
3.3. Разработка структуры системы управления двухдвигательным тяговым
электроприводом 91
3.4. Имитационная модель электромеханической системы подвижного
состава рудничного электровоза 96
4. Исследование режимов работы тягового электропривода рудничного электровоза и экспериментальная проверка алгоритма управления 107
4.1. Моделирование работы алгоритма управления тяговым
электроприводом постоянного и переменного тока для предотвращения
буксования и юза электровоза 107
4.1.1. Тяговый электропривод постоянного тока 107
4.1.2. Тяговый электропривод переменного тока 120
4.1.3. Имитационная модель подвижного состава с реализацией первой колесной пары на постоянном токе и второй колесной пары на переменном токе 124
4.2. Моделирование работы алгоритма управления тяговым электроприводом переменного тока для предотвращения буксования и юза
электровоза с составом 128
4.2.1. Движение состава на подъем 128
4.2.2. Движение на спуск 135
4.3. Опытная экспериментальная установка 140
4.3.1. Описание экспериментального стенда 140
4.3.2. Система управления 143
4.3.3. Экспериментальные исследования 144
Заключение 151
Список использованной литературы 153
ПРИЛОЖЕНИЕ А 164
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 166
1. Краткий анализ состояния рудничной электровозной тяги 14
1.1. Общая характеристика условий работы тяговых электроприводов
рудничных электровозов 14
1.2. Особенности применения асинхронного привода 20
2. Разработка математической и имитационной модели тягового
асинхронного двигателя для частотно-регулируемого электропривода 30
2.1. Принципы построения асинхронного тягового электропривода
шахтного рудничного электровоза 30
2.1.1 Режимы работы тягового электропривода 30
2.1.2. Обоснование выбора мощности тягового асинхронного привода...32
2.2. Обоснование выбора и проверка адекватности расчетных параметров
двигателя 36
2.3. Анализ свойств электродвигателей для подземной тяги 38
2.4. Теоретическое обоснование обеспечения предельно достижимого
момента ТАД 43
2.5. Разработка имитационной модели ТАД 46
2.6. Исследования свойств ТАД на имитационной модели 50
2.7. Результаты исследований 55
3. Математическая модель электромеханической системы подвижного
состава рудничного электровоза 60
3.1. Принцип формирования тягового усилия частотно-регулируемым асинхронным электроприводом рудничного электровоза 60
3.1.1. Взаимодействие ведущей колесной пары электровоза с рельсами..60
3.1.2. Метод определения явления буксования подземного электровоза .63
3.1.3. Результаты моделирования 65
3.1.4. Коэффициент сцепления колёс с рельсами рудничных электровозов 72
3.1.5. Разработка способа управления тяговым электроприводом
рудничных электровозов 81
3.2. Модель электромеханической системы подвижного состава рудничного
электровоза 84
3.3. Разработка структуры системы управления двухдвигательным тяговым
электроприводом 91
3.4. Имитационная модель электромеханической системы подвижного
состава рудничного электровоза 96
4. Исследование режимов работы тягового электропривода рудничного электровоза и экспериментальная проверка алгоритма управления 107
4.1. Моделирование работы алгоритма управления тяговым
электроприводом постоянного и переменного тока для предотвращения
буксования и юза электровоза 107
4.1.1. Тяговый электропривод постоянного тока 107
4.1.2. Тяговый электропривод переменного тока 120
4.1.3. Имитационная модель подвижного состава с реализацией первой колесной пары на постоянном токе и второй колесной пары на переменном токе 124
4.2. Моделирование работы алгоритма управления тяговым электроприводом переменного тока для предотвращения буксования и юза
электровоза с составом 128
4.2.1. Движение состава на подъем 128
4.2.2. Движение на спуск 135
4.3. Опытная экспериментальная установка 140
4.3.1. Описание экспериментального стенда 140
4.3.2. Система управления 143
4.3.3. Экспериментальные исследования 144
Заключение 151
Список использованной литературы 153
ПРИЛОЖЕНИЕ А 164
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 166
📖 Аннотация
В данной работе представлено исследование и разработка двухдвигательного частотно-управляемого тягового электропривода для подземного электровоза с системой эффективного управления. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения производительности и безопасности подземного рельсового транспорта в горнодобывающей отрасли, где ключевыми проблемами являются неуправляемое буксование и юз колесных пар, ведущее к потерям энергии, снижению скорости откатки и повышенному износу. Основные результаты включают разработку уточненной имитационной модели системы управления, объединяющей модель частотно-управляемого асинхронного двигателя со специфическими параметрами, механическую модель подвижного состава и универсальную систему управления. Также предложен оригинальный алгоритм и устройство для косвенного определения скорости скольжения на основе цифровой фильтрации токов статора, что направлено на оптимизацию сцепления. Научная значимость работы заключается в развитии теоретических основ автоматического управления движением рудничного электровоза, а практическая – в создании технических решений, повышающих энергоэффективность и надежность подземного транспорта. Проведенный анализ литературы, включая работы Волотковского С.А. по рудничной тяге, Синчука О.Н. по системам управления, Щербакова В.Г. по анализу эксплуатации и Пармаса Я.Ю. по асинхронному приводу, позволил обосновать направления разработки.
📖 Введение
Актуальность темы
Использование электрифицированного транспорта при добыче полезных ископаемых в условиях подземных шахтных разработок всегда имело важное технологическое значение. Наряду с использованием различных транспортеров, подъемных устройств широкое применение в шахтах и рудниках находит рельсовый подземный транспорт. Главное преимущество рельсового подземного электротранспорта является высокая эффективность транспортировки полезных ископаемых на большие расстояния, что особенно актуально для рудных и угольных месторождений, добыча в которых невозможна открытым способом из-за большой глубины залегания.
Производительность откатки грузов, безопасность эксплуатации, надежность оборудования определяется, прежде всего, свойствами подвижного состава, состоящего из локомотива и вагонеток различных конструкций с донной выгрузкой и выгрузкой методом опрокидывания.
Электрическими приводами оснащены электровозы с питанием от аккумуляторных батарей или подземной контактной сети. В угольных шахтах из- за угрозы взрыва метана используются аккумуляторные электровозы, а рудных шахтах используются электровозы с контактной тягой.
Подвижной состав из локомотива и грузовых тележек подвержен неуправляемому буксованию при разгоне и юзу при торможении из-за случайного характера изменения коэффициента сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, что приводит к неэффективному использованию энергии при движении состава, снижает среднюю скорость откатки грузов, значительному износу контактирующих поверхностей обечайки колёс и рельсов. Электроприводом, который обеспечивает управляемый режим разгона и торможения состава, оснащен только электровоз. Тележки, в отличие от вагонов наземного рельсового транспорта, не имеют тормозных устройств.
Поэтому дальнейшее развитие систем управления тяговых электроприводов подземных электровозов и достижение энергоэффективных режимов работы, является актуальной технической задачей.
Степень разработанности проблемы
Исследования принципов работы различных типов тягового электропривода, методов управления скоростью двухдвигательных электроприводов колесных пар, режимов работы подвижного состава в зависимости от сложных горно-геологических условий и изменения нагрузки, нашли отражение во многих научных трудах. Значительный вклад в данную область исследований внесли известные российские и зарубежные ученые Власьевский С.В., Волот- ковский С.А., Волков Д.В., Жеребкин Б.В., Кордаков В.Н., Куто-вой Ю.Н., Оатт Г.П., Пивняк Г.Г., Рапопорт О.Л., Ренгевич А.А., Рысьев А.В., Спиваковский А.О., В.Д. Тулупов, Цукублин А.Б., В.Г. Шорин, П.С. Шахтарь и др. Работы в области тягового электропривода выполнялись и продолжают вестись в Южно-Российском государственном техническом университете (ЮРГТУ (НПИ)), Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск), ООО «Производственной компании «Новочеркасский электровозостроительный завод»» (НЭВЗ), Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ), Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» (Горный университет г. Санкт-Петербург), Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ), Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС), Донецком национальном техническом университете, ПАО «Электромашина» (г. Харьков), ООО «ПАПАЛЕО» (г. Санкт-Петербург), ЧАО ПКФ «Амплитуда» (г. Донецк), концерне «Титан» (г. Самара), ООО «Шахтные электрические системы» (г. Пермь) и в других организациях.
Однако к настоящему времени не решен ряд вопросов, связанных с применением двухдвигательного частотно-регулируемого тягового электро-привода подземного рудничного электровоза, позволяющего обеспечить эффективный расход энергии для создания необходимых тяговых усилий в динамических режимах разгона и торможения подвижного состава (электро-воза и груженых вагонов) с большой механической инерционностью, а также с поддержание постоянства скорости движения состава при внешних возмущениях (изменении профиля пути и коэффициента сцепления контактных поверхностей «колесо - рельс»). Решению задач разработки эффективного управления движения электровоза, инвариантного к внешним возмущениям с учётом большой механической инерции подвижного состава и поддержания необходимого уровня тяги при откатке грузов в руднике, посвящена эта работа.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является двухдвигательный тяговый асинхронный электропривод подземного рельсового транспорта.
Предмет исследования - структура, элементы силовой цепи и алгоритмы эффективного управления двухдвигательным ТАЭП.
Цель и задачи диссертационного исследования
Цель диссертационной работы является повышение тяговых характеристик двухдвигательного электропривода путём формирования и распределения тяговых усилий его колёсных пар в динамических и статических режимах работы по величине скорости скольжения контактной поверхности ведущего колеса относительно рельсового пути.
Идея работы заключается в разработке алгоритма управления двухдвигательным частотно-регулируемым тяговым электроприводом подземного электровоза, позволяющего автоматически перераспределять и выравнивать усилия между приводами передней и задней колёсных пар, что практически исключает буксование и юз ведущих колёс относительно рельсового пути и повышает энергоэффективность тяговых электроприводов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить литературно-патентный обзор тягового электропривода в области современного подземного рельсового электротранспорта для анализа наиболее прогрессивных технических достижений, основных проблем функционирования и способов их решения.
2. Обосновать теоретически применение для частотно-регулируемого тягового электропривода специального асинхронного двигателя с повышенным моментом и обмоткой статора по схеме треугольник, рассчитанной на пониженное фазное напряжение питания 178 В.
3. Разработать имитационную модель расчёта параметров схемы замещения тягового асинхронного двигателя на пониженное напряжение питания.
4. Разработать обобщённую математическую модель электромеханической системы подвижного состава с подземным электровозом и принцип формирования тягового усилия двухдвигательного частотно-регулируемого асинхронного электропривода.
5. Провести синтез алгоритма управления двухдвигательным тяговым электроприводом подземного электровоза, реализующего перераспределение тяговых усилий колёсных пар в зависимости от режима движения подвижного состава по критерию постоянства скорости скольжения.
6. Провести исследования режимов работы двухдвигательного тягового частотно-регулируемого асинхронного электропривода и регулируемого электропривода постоянного тока на имитационной модели в программной среде Sim Power Systems и SimulinkMatLab в различных режимах работы.
Научная новизна работы
1. Разработана уточнённая имитационная модель двухдвигательного тягового асинхронного электропривода рудничного электровоза, отличающаяся от известных тем, что в ней учтены: способ управления его движением на основе контроля скорости скольжения обода ведущего колеса относительно рельсового пути.
2. Верифицированы аналитические зависимости коэффициента сцепления от скорости скольжения, влияющие на общее тяговое усилие; реализованы пересчет параметров схемы замещения тягового частотно-управляемого асинхронного электродвигателя на пониженное напряжение питания и оригинальный блок реактивной и активной нагрузки, как элемент общей системы.
3. Разработана имитационная модель механической системы подвижного состава, отличающаяся от известных тем, что в ней учтены распределение масс локомотива и вагонов по длине состава и параметры сцепных устройств локомотива и вагонов, которая позволяет исследовать воздействия этих распределённых масс на формирование тяговых моментов.
4. Предложен алгоритм управления на базе прямого и косвенного вычисления скорости скольжения, позволяющий формировать тяговые моменты электроприводов обеих колесных пар в зависимости от скорости скольжения.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в том, что автором:
1. Предложены технические решения, позволяющие применить специальный тяговый асинхронный двигатель рудничного электровоза, рассчитанной на пониженное напряжение питания и обеспечения при этом величины электромагнитного момента как у двигателя со стандартным напряжением статорных обмоток.
2. Разработаны программные продукты для исследования тягового электропривода постоянного и переменного тока рудничного электровоза, учитывающие наличие ограничений по коэффициенту сцепления, динамического перераспределения нагрузки между передней и задней осями при реализации тяги, люфты и упругости сцепок состава в системе Simulink MatLab.
3. Предложено для осуществления компенсации отклонения напряжения до 30% в троллейной линии постоянного тока 250В техническое решение по использованию устройства последовательной вольтодобавки.
4. Проведены практические исследования условий возникновения буксования и юза колес относительно рельсового пути и распределения тяговых моментов ведущих колёсных пар за счёт действия усилий в сцепке в зависимости от разгона, торможения состава и от профиля пути.
Практическая ценность подтверждена патентом на полезную модель №141267 РФ.
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, системного анализа, структурного анализа и синтеза систем автоматического управления, исследования на уточнённой имитационной модели.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Основные научные результаты, полученные соискателем, соответствуют пункту 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.03.03 - Электротехнические комплексы и системы.
На защиту выносятся
1. Техническое обоснование применения специального тягового асинхронного двигателя с пониженным напряжением питания статорной обмотки и необходимой величиной электромагнитного момента.
2. Обобщенная математическая модель подвижного состава с двухдвигательным тяговым асинхронным электроприводом с регулятором скорости скольжения, учитывающая режимы работы подвижного состава.
3. Алгоритм определения скорости скольжения ведущих колес электровоза относительно рельсового пути за счет использования цифровой фильтрации сигналов тока статора тяговых асинхронных двигателей ведущих колёсных пар, и способ активного обнаружения и компенсации эффекта буксования при ускорении и замедлении состава.
4. Способ управления двухдвигательным тяговым асинхронным электроприводом рудничного электровоза и структура системы управления для его реализации при различных режимах работы подвижного состава.
Достоверность результатов
Подтверждается корректностью применяемого математического аппарата, сходимостью результатов вычислительных экспериментов и теоретического анализа и апробацией разработанных алгоритмов на основе установленных функциональных зависимостей в виде полезных моделей, зарегистрированных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности» (ФТПАЭП-2005), Томск, 2005 г.; XIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ-2007), Томск, 2007 г.; III Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (ЭПЭ-2007), Томск, 2007 г.; XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (СТТ-2008), Томск, 2008 г.; XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (СТТ-2009), Томск, 2009 г.; Юбилейной научно-техническая конференции «Автоматизация и управление в промышленности, науке и образовании», Томск, 2009 г.; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ-2011), Томск, 2011 г.; Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и их пути решения в науке, транспорте, производстве образовании 2011», Украина, Одесса, 2011 г.; VI Международной научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2013 г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 2013 г.; VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, Саранск, 2014 г.; The 2nd IEEE International Youth Forum «Smart Grids» MATEC Web of Conferences (MATEC-2014), Россия, Томск, 2014 г.; научном семинаре кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика» Дальневосточного государственного университета путей сообщения, Россия, Хабаровск, 27.10.2017.
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 19 печатных трудах в том числе: 4 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК России, 2 статьи индексируемая в международных системах цитирования Scopus и 3 патентах РФ на полезную модель.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты экспериментальных исследований и теоретического анализа использованы при проектировании системы управления движением на подземном рельсовом транспорте ООО ПКФ «Мехатроника-Про» и учебном процессе Отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики ТПУ.
Личный вклад автора
В научных работах, написанных лично и в соавторстве, автору принадлежат основные идеи и разработка вопросов по математической модели тягового асинхронного электропривода подземного электровоза; предложена идея способа обнаружения режимов колесных пар подземного электровоза, предложена структура цифровой системы управления двухдвигательных тяговым электроприводом, проведение и анализ экспериментов на лабораторном стенде.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 171 страницах машинописного текста и содержит 78 рисунков и 4 таблицы
Использование электрифицированного транспорта при добыче полезных ископаемых в условиях подземных шахтных разработок всегда имело важное технологическое значение. Наряду с использованием различных транспортеров, подъемных устройств широкое применение в шахтах и рудниках находит рельсовый подземный транспорт. Главное преимущество рельсового подземного электротранспорта является высокая эффективность транспортировки полезных ископаемых на большие расстояния, что особенно актуально для рудных и угольных месторождений, добыча в которых невозможна открытым способом из-за большой глубины залегания.
Производительность откатки грузов, безопасность эксплуатации, надежность оборудования определяется, прежде всего, свойствами подвижного состава, состоящего из локомотива и вагонеток различных конструкций с донной выгрузкой и выгрузкой методом опрокидывания.
Электрическими приводами оснащены электровозы с питанием от аккумуляторных батарей или подземной контактной сети. В угольных шахтах из- за угрозы взрыва метана используются аккумуляторные электровозы, а рудных шахтах используются электровозы с контактной тягой.
Подвижной состав из локомотива и грузовых тележек подвержен неуправляемому буксованию при разгоне и юзу при торможении из-за случайного характера изменения коэффициента сцепления ведущих колес локомотива с рельсами, что приводит к неэффективному использованию энергии при движении состава, снижает среднюю скорость откатки грузов, значительному износу контактирующих поверхностей обечайки колёс и рельсов. Электроприводом, который обеспечивает управляемый режим разгона и торможения состава, оснащен только электровоз. Тележки, в отличие от вагонов наземного рельсового транспорта, не имеют тормозных устройств.
Поэтому дальнейшее развитие систем управления тяговых электроприводов подземных электровозов и достижение энергоэффективных режимов работы, является актуальной технической задачей.
Степень разработанности проблемы
Исследования принципов работы различных типов тягового электропривода, методов управления скоростью двухдвигательных электроприводов колесных пар, режимов работы подвижного состава в зависимости от сложных горно-геологических условий и изменения нагрузки, нашли отражение во многих научных трудах. Значительный вклад в данную область исследований внесли известные российские и зарубежные ученые Власьевский С.В., Волот- ковский С.А., Волков Д.В., Жеребкин Б.В., Кордаков В.Н., Куто-вой Ю.Н., Оатт Г.П., Пивняк Г.Г., Рапопорт О.Л., Ренгевич А.А., Рысьев А.В., Спиваковский А.О., В.Д. Тулупов, Цукублин А.Б., В.Г. Шорин, П.С. Шахтарь и др. Работы в области тягового электропривода выполнялись и продолжают вестись в Южно-Российском государственном техническом университете (ЮРГТУ (НПИ)), Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск), ООО «Производственной компании «Новочеркасский электровозостроительный завод»» (НЭВЗ), Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ), Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» (Горный университет г. Санкт-Петербург), Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ), Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС), Донецком национальном техническом университете, ПАО «Электромашина» (г. Харьков), ООО «ПАПАЛЕО» (г. Санкт-Петербург), ЧАО ПКФ «Амплитуда» (г. Донецк), концерне «Титан» (г. Самара), ООО «Шахтные электрические системы» (г. Пермь) и в других организациях.
Однако к настоящему времени не решен ряд вопросов, связанных с применением двухдвигательного частотно-регулируемого тягового электро-привода подземного рудничного электровоза, позволяющего обеспечить эффективный расход энергии для создания необходимых тяговых усилий в динамических режимах разгона и торможения подвижного состава (электро-воза и груженых вагонов) с большой механической инерционностью, а также с поддержание постоянства скорости движения состава при внешних возмущениях (изменении профиля пути и коэффициента сцепления контактных поверхностей «колесо - рельс»). Решению задач разработки эффективного управления движения электровоза, инвариантного к внешним возмущениям с учётом большой механической инерции подвижного состава и поддержания необходимого уровня тяги при откатке грузов в руднике, посвящена эта работа.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является двухдвигательный тяговый асинхронный электропривод подземного рельсового транспорта.
Предмет исследования - структура, элементы силовой цепи и алгоритмы эффективного управления двухдвигательным ТАЭП.
Цель и задачи диссертационного исследования
Цель диссертационной работы является повышение тяговых характеристик двухдвигательного электропривода путём формирования и распределения тяговых усилий его колёсных пар в динамических и статических режимах работы по величине скорости скольжения контактной поверхности ведущего колеса относительно рельсового пути.
Идея работы заключается в разработке алгоритма управления двухдвигательным частотно-регулируемым тяговым электроприводом подземного электровоза, позволяющего автоматически перераспределять и выравнивать усилия между приводами передней и задней колёсных пар, что практически исключает буксование и юз ведущих колёс относительно рельсового пути и повышает энергоэффективность тяговых электроприводов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить литературно-патентный обзор тягового электропривода в области современного подземного рельсового электротранспорта для анализа наиболее прогрессивных технических достижений, основных проблем функционирования и способов их решения.
2. Обосновать теоретически применение для частотно-регулируемого тягового электропривода специального асинхронного двигателя с повышенным моментом и обмоткой статора по схеме треугольник, рассчитанной на пониженное фазное напряжение питания 178 В.
3. Разработать имитационную модель расчёта параметров схемы замещения тягового асинхронного двигателя на пониженное напряжение питания.
4. Разработать обобщённую математическую модель электромеханической системы подвижного состава с подземным электровозом и принцип формирования тягового усилия двухдвигательного частотно-регулируемого асинхронного электропривода.
5. Провести синтез алгоритма управления двухдвигательным тяговым электроприводом подземного электровоза, реализующего перераспределение тяговых усилий колёсных пар в зависимости от режима движения подвижного состава по критерию постоянства скорости скольжения.
6. Провести исследования режимов работы двухдвигательного тягового частотно-регулируемого асинхронного электропривода и регулируемого электропривода постоянного тока на имитационной модели в программной среде Sim Power Systems и SimulinkMatLab в различных режимах работы.
Научная новизна работы
1. Разработана уточнённая имитационная модель двухдвигательного тягового асинхронного электропривода рудничного электровоза, отличающаяся от известных тем, что в ней учтены: способ управления его движением на основе контроля скорости скольжения обода ведущего колеса относительно рельсового пути.
2. Верифицированы аналитические зависимости коэффициента сцепления от скорости скольжения, влияющие на общее тяговое усилие; реализованы пересчет параметров схемы замещения тягового частотно-управляемого асинхронного электродвигателя на пониженное напряжение питания и оригинальный блок реактивной и активной нагрузки, как элемент общей системы.
3. Разработана имитационная модель механической системы подвижного состава, отличающаяся от известных тем, что в ней учтены распределение масс локомотива и вагонов по длине состава и параметры сцепных устройств локомотива и вагонов, которая позволяет исследовать воздействия этих распределённых масс на формирование тяговых моментов.
4. Предложен алгоритм управления на базе прямого и косвенного вычисления скорости скольжения, позволяющий формировать тяговые моменты электроприводов обеих колесных пар в зависимости от скорости скольжения.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в том, что автором:
1. Предложены технические решения, позволяющие применить специальный тяговый асинхронный двигатель рудничного электровоза, рассчитанной на пониженное напряжение питания и обеспечения при этом величины электромагнитного момента как у двигателя со стандартным напряжением статорных обмоток.
2. Разработаны программные продукты для исследования тягового электропривода постоянного и переменного тока рудничного электровоза, учитывающие наличие ограничений по коэффициенту сцепления, динамического перераспределения нагрузки между передней и задней осями при реализации тяги, люфты и упругости сцепок состава в системе Simulink MatLab.
3. Предложено для осуществления компенсации отклонения напряжения до 30% в троллейной линии постоянного тока 250В техническое решение по использованию устройства последовательной вольтодобавки.
4. Проведены практические исследования условий возникновения буксования и юза колес относительно рельсового пути и распределения тяговых моментов ведущих колёсных пар за счёт действия усилий в сцепке в зависимости от разгона, торможения состава и от профиля пути.
Практическая ценность подтверждена патентом на полезную модель №141267 РФ.
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, системного анализа, структурного анализа и синтеза систем автоматического управления, исследования на уточнённой имитационной модели.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Основные научные результаты, полученные соискателем, соответствуют пункту 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.03.03 - Электротехнические комплексы и системы.
На защиту выносятся
1. Техническое обоснование применения специального тягового асинхронного двигателя с пониженным напряжением питания статорной обмотки и необходимой величиной электромагнитного момента.
2. Обобщенная математическая модель подвижного состава с двухдвигательным тяговым асинхронным электроприводом с регулятором скорости скольжения, учитывающая режимы работы подвижного состава.
3. Алгоритм определения скорости скольжения ведущих колес электровоза относительно рельсового пути за счет использования цифровой фильтрации сигналов тока статора тяговых асинхронных двигателей ведущих колёсных пар, и способ активного обнаружения и компенсации эффекта буксования при ускорении и замедлении состава.
4. Способ управления двухдвигательным тяговым асинхронным электроприводом рудничного электровоза и структура системы управления для его реализации при различных режимах работы подвижного состава.
Достоверность результатов
Подтверждается корректностью применяемого математического аппарата, сходимостью результатов вычислительных экспериментов и теоретического анализа и апробацией разработанных алгоритмов на основе установленных функциональных зависимостей в виде полезных моделей, зарегистрированных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности» (ФТПАЭП-2005), Томск, 2005 г.; XIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ-2007), Томск, 2007 г.; III Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (ЭПЭ-2007), Томск, 2007 г.; XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (СТТ-2008), Томск, 2008 г.; XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (СТТ-2009), Томск, 2009 г.; Юбилейной научно-техническая конференции «Автоматизация и управление в промышленности, науке и образовании», Томск, 2009 г.; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ-2011), Томск, 2011 г.; Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и их пути решения в науке, транспорте, производстве образовании 2011», Украина, Одесса, 2011 г.; VI Международной научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2013 г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 2013 г.; VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, Саранск, 2014 г.; The 2nd IEEE International Youth Forum «Smart Grids» MATEC Web of Conferences (MATEC-2014), Россия, Томск, 2014 г.; научном семинаре кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика» Дальневосточного государственного университета путей сообщения, Россия, Хабаровск, 27.10.2017.
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 19 печатных трудах в том числе: 4 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК России, 2 статьи индексируемая в международных системах цитирования Scopus и 3 патентах РФ на полезную модель.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты экспериментальных исследований и теоретического анализа использованы при проектировании системы управления движением на подземном рельсовом транспорте ООО ПКФ «Мехатроника-Про» и учебном процессе Отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики ТПУ.
Личный вклад автора
В научных работах, написанных лично и в соавторстве, автору принадлежат основные идеи и разработка вопросов по математической модели тягового асинхронного электропривода подземного электровоза; предложена идея способа обнаружения режимов колесных пар подземного электровоза, предложена структура цифровой системы управления двухдвигательных тяговым электроприводом, проведение и анализ экспериментов на лабораторном стенде.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 171 страницах машинописного текста и содержит 78 рисунков и 4 таблицы
✅ Заключение
Диссертация представляет собой научную квалификационную работу, в которой на основании выполненных исследований разработаны теоретические положения, представляющие собой научные достижения в области разработки систем автоматического управления движением подвижного состава рудничного электровоза. При этом решены научные задачи и обоснованы технические решения, имеющие важное значение для подземного транспорта в горнодобывающей отрасли.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработана уточнённая имитационная модель системы управления движением двухдвигательным тяговым электроприводом рудничного электровоза, включающая:
а) частотно-управляемый тяговый асинхронный двигатель с обмотками статора на пониженное напряжение питания 178 В, повышенным на 50 % моментом и оригинальным блоком реактивной и активной нагрузки;
б) механическую систему подвижного состава, учитывающую распределение масс локомотива и вагонов по длине состава, параметры сцепных устройств и позволяющую исследовать их взаимное влияние на тяговое усилие локомотива, положение вагонов в составе и усилия в сцепных устройствах;
в) систему управления двухдвигательным электроприводом электровоза, применимую как для переменного, так и постоянного тока.
2. Предложены алгоритм и устройство косвенного определения скорости скольжения относительно рельсового пути за счет цифровой фильтрации сигналов тока статора тягового асинхронного двигателя ведущей колесной пары.
3. На основании теоретических и практических исследований выявлен критерий эффективности управления двухдвигательным тяговым электроприводом, а именно точность стабилизации скорости скольжения на уровне 0,1 м/с.
4. Предложены структура и алгоритм системы управления движением, формирующая моменты двухдвигательного тягового электропривода колесных пар в зависимости от скорости их скольжения.
5. Проведены исследования режимов работы двухдвигательного тягового частотно-регулируемого асинхронного электропривода и регулируемого электропривода постоянного тока на имитационной модели в программной среде Sim Power Systems и Simulink MatLab; определены условия возникновения буксования и юза колес относительно рельсового пути и перераспределения тяговых моментов ведущих колёсных пар за счёт действия усилий на сцепке в зависимости от разгона, торможения состава и от профиля пути. Время разгона полностью гружёного состава на подъем сократилось в 2 раза.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработана уточнённая имитационная модель системы управления движением двухдвигательным тяговым электроприводом рудничного электровоза, включающая:
а) частотно-управляемый тяговый асинхронный двигатель с обмотками статора на пониженное напряжение питания 178 В, повышенным на 50 % моментом и оригинальным блоком реактивной и активной нагрузки;
б) механическую систему подвижного состава, учитывающую распределение масс локомотива и вагонов по длине состава, параметры сцепных устройств и позволяющую исследовать их взаимное влияние на тяговое усилие локомотива, положение вагонов в составе и усилия в сцепных устройствах;
в) систему управления двухдвигательным электроприводом электровоза, применимую как для переменного, так и постоянного тока.
2. Предложены алгоритм и устройство косвенного определения скорости скольжения относительно рельсового пути за счет цифровой фильтрации сигналов тока статора тягового асинхронного двигателя ведущей колесной пары.
3. На основании теоретических и практических исследований выявлен критерий эффективности управления двухдвигательным тяговым электроприводом, а именно точность стабилизации скорости скольжения на уровне 0,1 м/с.
4. Предложены структура и алгоритм системы управления движением, формирующая моменты двухдвигательного тягового электропривода колесных пар в зависимости от скорости их скольжения.
5. Проведены исследования режимов работы двухдвигательного тягового частотно-регулируемого асинхронного электропривода и регулируемого электропривода постоянного тока на имитационной модели в программной среде Sim Power Systems и Simulink MatLab; определены условия возникновения буксования и юза колес относительно рельсового пути и перераспределения тяговых моментов ведущих колёсных пар за счёт действия усилий на сцепке в зависимости от разгона, торможения состава и от профиля пути. Время разгона полностью гружёного состава на подъем сократилось в 2 раза.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.