Введение к работе
Актуальность темы. Перспективы развития транспортной инфраструктуры современного города в первую очередь определяются развитием электрического транспорта, обладающего очевидными преимуществами. Технологические процессы электромеханического преобразования энергии, характерные для городского электрического транспорта (ГЭТ), осуществляются посредством тягового электропривода (ТЭП). При этом характеристики механической энергии (тяговое и тормозное усилия) во многом определяются процессами преобразования параметров подводимой к ТЭП электрической энергии с использованием полупроводниковых преобразователей. Развитие современного ГЭТ характеризуется применением тиристорно-импульсных (ТИ) систем автоматического регулирования тока тяговых двигателей (ТД) с использованием, в основном, широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (Суслов Б.Е.,1995, Маркин В.В. и соавт., 1995). Внедрение на ГЭТ последних позволило в значительной мере решить фундаментальные проблемы энергосбережения (за счет безреостатного пуска и рекуперативного торможения) (Ранькис И.Я. и соавт., 1989, Андерс В.И. и соавт., 1990, Тулупов В.Д., 1994, Ильинский Н.Ф., 1995), экологии (за счет электрического торможения) и комфортности пассажироперевозок.
Однако, импульсное преобразование энергии, помимо явных преимуществ, обуславливает появление проблем надежности и безопасности функционирования как ГЭТ с ТИ ТЭП в целом, так и сложных автоматизированных систем ТИ ТЭП в частности, электромагнитной совместимости процессов преобразования электрической энергии с сопряженными системами и окружающей средой (Дьяков А.Ф. и соавт., 1997).
Между тем, традиционно жесткие требования к системам ГЭТ обуславливают традиционно длительные экспериментальные исследования на опытных объектах и доводку до промьппленных образцов, что весьма невыгодно экономически и нецелесообразно практически на современном этапе развития экономики РФ в целом, и ГЭТ РФ в частности. При этом последние теоретические исследования и практический опыт внедрения и эксплуатации показывают, что в сложных нелинейных импульсных динамических системах, к которым относится ТИ ТЭП, могут возникать процессы, отличные от заданных разработчиками (определяемых техническим заданием) - бифуркационные, квазипериодические и хаотические (Баушев B.C. и Жусубалиев Ж. Т 1992,. Паркер Т. С, Чжоа Л. О. 1987, Баушев В.С и соавт., 1996). Их возникновение является причиной роста амплитуды пульсаций переменных состояния системы, нежелательного воздействия составляющих энергии на сопряженные системы и окружающую среду, в том числе, и различных составляющих рекуперируемой энергии на других потребителей энергии системы
ГЭТ. Последнее, помимо вышеперечисленного, приводит к повышенному износу механического оборудования, ухудшению условий работы тиристорных преобразователей, входных фильтров, тяговых двигателей, созданию внештатных ситуаций.
Одним из основных реальных направлений решения перечисленных проблем представляется создание общей методологии и конкретных методик исследования и проектирования современного ТИ ТЭП с учетом возможности возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП, на основе математических моделей, учитывающих структуру и параметры контактной сети, импульсный характер потребителей рекуперируемой энергии.
Вышеприведенное определяет актуальность разрабатываемых в диссертации методик по исследованию и проектированию современных систем преобразования энергии на ГЭТ на примере ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-683Б с альтернативными комплектами преобразовательного оборудования, выпускаемого в РФ.
Целью диссертационной работы является создание методики проектирования ТИ ТЭП, учитывающей бифуркационные и хаотические явления в динамике импульсных систем и обеспечивающей высокое качество преобразования и рекуперации энергии при объективно возможных изменениях параметров системы, контактной сети и окружающей среды (на примере ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-683Б с комплектом преобразовательного оборудования "МЭРА-2"). Основные задачи исследований.
-
Обосновать и сформировать математические модели системы для различных режимов ее работы с учетом параметров контактной сети, питающей подстанции и потребителя рекуперируемой энергии (в случае рекуперативного торможения).
-
Определить закономерности в динамике систем ТИ ТЭП, выявить в пространстве параметров системы области устойчивого функционирования в заданных режимах при объективно возможных отклонениях параметров системы от номинальных, определить характеристики этих режимов и выявить направления их улучшения.
-
Провести сравнительный анализ характеристик ТЭП с различными комплектами преобразовательного оборудования, разрабатываемого и выпускаемого в РФ, и определить по результатам исследований перспективность внедрения ТЭП троллейбуса с комплектами этого преобразовательного оборудования.
Методы исследований базируются на аппарате теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, теории нелинейных колебаний и теории бифуркаций, матричной алгебры, теории множеств, методов вычислительной математики, метода отображения Пуан-
каре в приложении к исследованиям динамики тиристорно-импульсного тягового электропривода. Научная новизна результатов заключается в следующем:
-
Впервые разработана методика проектирования и исследования тиристорно-импульсного тягового электропривода с учетом явлений хаотической динамики с одной стороны, импульсного характера потребления энергии и параметров контактной сети с другой, позволяющая исследовать и проектировать ТИ ТЭП адекватно современным требованиям, предъявляемым к системам автоматизированного преобразования энергии на ГЭТ
-
Проведенные в рамках методики исследования позволили впервые выявить общий сценарий потери устойчивости заданных периодических движений в режиме безреостатного пуска и рекуперативного торможения. При этом оригинальными являются выявленные закономерности возникновения квазипериодических колебаний.
-
Получены оригинальные данные по моделированию потребителя рекуперируемой энергии, позволившие провести сравнительный анализ вариантов математических моделей импульсного потребителя рекуперируемой энергии для различных режимов работы.
-
В процессе исследований динамики ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-683Б и проведенного сравнительного анализа ТИ ТЭП с различными комплектами преобразовательного оборудования отмечены тенденции развития и предложены рекомендации по совершенствованию регуляторов тягового и тормозного токов, исключающих возникновение квазипериодических и хаотических колебаний.
-
Сравнительный анализ динамики ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-683Б с различными способами регулирования тока выявил перспективность ранее не использованного на ГЭТ релейно-импульсного способа для систем с низким уровнем пульсаций относительно номинального значения (КИ-3001).
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
-
Методика проектирования и исследования тиристорно-импульсного тягового электропривода, основанная на учете хаотической динамики с одной стороны и импульсного характера потребления энергии, параметров контактной сети с другой стороны.
-
Разработанные математические модели системы, учитывающие возможность возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП, а также параметры контактной сети, питающей подстанции и потребителя рекуперируемой энергии (для рекуперативного торможения).
-
Выявленные закономерности динамики ТИ ТЭП на базе комплекта электрооборудования "МЭРА-2" в режимах безреостатного пуска и рекуперативного торможения, определяемые потерей устойчивости заданным периодическим движением в результате возникновения квазипериодических колебаний. Наблюдаемые в режиме рекуперативного торможения при квазипериодических колебаниях области существования периодических движений (окна синхронизации) являются частным случаем квазипериодических колебаний, возникновение которых приводит к резкому увеличению реактивной составляющей в составе рекуперируемого тока, что делает рекуперацию энергетически неэффективной.
-
При моделировании системы в режиме рекуперативного торможения результаты моделирования импульсного потребителя рекуперируемой энергии, представленного моделями различной степени сложности позволяют сделать вывод о допустимости представления в определенном диапазоне скоростей потребителя (ТИ ТЭП) в виде резистора постоянного сопротивления.
-
Закономерностью регулировочных свойств ТИ ТЭП с комплектами серии "МЭРА" является етатизм электромеханической характеристики в режимах безреостатного пуска и рекуперативного торможения, определяемый особенностями построения регуляторов. Особенности силовой схемы определяют скачок электромеханической характеристики при переходе системы с полного на ослабленное поле.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Практическая ценность работы состоит в создании методики исследования ТИ ТЭП, позволяющей повысить эффективность преобразования и рекуперации энергии для модернизируемых и вновь разрабатываемых систем, заключающейся в:
- адекватном анализе динамики системы, позволяющем учесть возможность возникновения
бифуркационных, квазидериодических и хаотических процессов в динамике ТИ ТЭП и тем
самым спрогнозировать поведение системы при объективно возможных изменениях параметров
системы как в штатных, так и в нештатных ситуациях;
учете импульсного характера потребления энергии и параметров контактной сети;
возможности выявления закономерностей динамики ТИ ТЭП и определения областей устойчивого функционирования системы в различных режимах работы в пространстве параметров сис-
Э1ИХ
темы, характеристик областей и направлений коррекции параметров с целью исключения недетерминированной динамики и обеспечения заданных характеристик процессов преобразования и рекуперации энергии.
В работе получены объективные доказательства того, что разработанная методика исследования нелинейных динамических систем приемлема для исследования динамики современного
импульсного электропривода и позволяет моделировать реальный тяговый электропривод как в штатных (определяемых техническим заданием), так и в нештатных, ситуациях.
Результаты проведенных в данной работе исследований представляют практическую ценность при внедрении ТИ ТЭП троллейбуса ЗИУ-683Б с комплектами преобразовательного оборудования "МЭРА-2" и КИ-3001. Получен акт о внедрении методики по исследованию дейст-
| для троллейбусов г, АЭК «Линамо» (г Мосгвл! вующих и проектированию перспективных комплектов преобразовательного оборудования. О
практической ценности результатов работ свидетельствует акт о внедрении методики исследования динамики ТИ ТЭП ГЭТ и возможной модернизации ГЭТ на муниципальном т^дприятии "Орелэлектротранс" (г. Орел).
Разработанный экспериментальный стенд используется при проведении лабораторных работ по курсу "Основы автоматики и САУ" для студентов кафедры КиПРА ОрелГТУ. Апробация результатов работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены, одобрены на: 9-ой и 10-ой международных школах-семинарах "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (г. Алушта, сентябрь 1996г., сентябрь 1997г.), Межвузовской научно-технической конференции: Микроэлектроника и информатика - 97 (г. Москва, март 1997г.), Молодежной научной конференции "ХХШ Гагарин-ские чтения" (г. Москва, апрель 1997г.), 4-ой международной конференции "Application of computer systems" (Польша, г. Щецин, ноябрь 1997г.), 6-ой Международной Балтийской студенческой Олимпиаде по автоматическому управлению (г, Санкт-Петербург, май 1998г.) и на научно-методических семинарах кафедры КиПРА ОрелГТУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.
230 Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 22? страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 8 таблиц. Состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка используемых источников, включающего 105 наименований.