Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальность работы, цель и задачи исследования 12
1.1. Общая характеристика современного электровозного транспорта 12
1.2. Обзор существующих систем линейного привода . 19
1.3. Перспективы применения линейных двигателей на рудничном электровозном транспорте в качестве дополнительного привода 26
1.4. Цель и задачи исследования 30
2. Концепция построения автоматизированного комбинированного привода рудничного электровоза 32
2.1. Функциональная схема комбинированного привода 32
2.2. Методика и алгоритм определение оптимальной величины силы тяги дополнительного привода на основе технико-экономической модели 44
2.3. Алгоритм расчета рациональных параметров комбинированного привода 49
2.4. Исследование влияния эксплуатационных факторов на рациональные параметры комбинированного привода .57
Выводы ...64
3. Статический режим работы автоматизированного комбинированного привода 66
3.1. Структурная схема и алгоритм работы комбинированного привода в статическом режиме . 66
3.2. Установление взаимосвязи электромеханических характеристик основного и дополнительного в статическом режиме... 72
3.3. Алгоритм расчета параметров системы согласования режимов работы основного и дополнительного приводов в статическом режиме . 83
3.4. Исследование области рациональных значений настраиваемых параметров комбинированного привода 91
Выводы 92
4. Динамический режим работы автоматизированного комбинированного привода рудничного электровоза ... 100
4.1. Математическая модель динамического режима работы комбинированного привода 100
4.2. Исследование динамических режимов работы комбинированного привода при реализации основным приводом силы тяги в зоне упругого скольжения 114
4.3. Исследование динамических режимов работы комбинированного привода при реализации основным приводом силы тяги в зоне избыточного скольжения 120
4.4. Имитационное моделирование автоматизированного комбинированного привода в динамических режимах работы 124
Выводы 131
5. Экспериментальные исследования и рекомендации по технической реализации автоматизированного комбинированного привода рудничного электровоза 133
5.1. Моделирование эксперимента с совместным применением компьютерных технологий и технических средств 133
5.2. Исследование экспериментальной модели 139
5.3. Методика тягового расчета для электровозов с автоматизированным комбинированным приводом 146
5.4. Рекомендации по технической реализации автоматизированного комбинированного привода рудничного электровоза 148
Выводы 151
Заключение 152
Список литературы 154
- Перспективы применения линейных двигателей на рудничном электровозном транспорте в качестве дополнительного привода
- Исследование влияния эксплуатационных факторов на рациональные параметры комбинированного привода
- Алгоритм расчета параметров системы согласования режимов работы основного и дополнительного приводов в статическом режиме
- Исследование динамических режимов работы комбинированного привода при реализации основным приводом силы тяги в зоне упругого скольжения
Введение к работе
Среди транспортных систем горных предприятий рудничный электровозный транспорт занимает доминирующее положение. На шахтах с его помощью осуществляется до 85% от всего объема перевозок, на рудниках - до 95% [14, 63]. Типажный ряд отечественных электровозов изменяется в пределах от 4-х до 14 т для контактных и от 2 до 14 для аккумуляторных ([14, 77]).
Основоположником рудничной электровозной откатки является проф, Шклярский Ф. Н., в работах [107, 108] которого приведено описание конструкций рудничных электровозов, представлены основы методов тяговых расчетов и основные принципы эксплуатации рудничных электровозов.
Значительный вклад в дальнейшее развитие науки в данной области внесли такие ученые как; С.А. Волотковский, Н.С. Поляков, А.В. Рысьев, В.Г. Шорин, Е.Е. Новиков, В.А. Бунько, Н.Г. Штокман, П.С. Шахтарь, А.Д. Спицин, Г.Г. Пивняк, В.Н. Кордаков, Н.А. Малевич, Г.Я. Пейсахович, А.А. Западинский и др. Результаты их работ, представленные в литературе [14, 40, 41, 58, 72, 77, 95, 111, 112] позволили создать стройную теорию, более совершенные методы тяговых расчетов, развить новые направления систем энергоснабжения рудничных электровозов.
Большой вклад в развитие средств автоматизации электровозного транспорта и совершенствование электромеханических систем рудничных электровозов внесли В.И. Серов, Г.А. Китель, В.Д. Фурсов, А.Л. Западинский, Е.С. Гапчинский, А.А. Ренгевич, А.Б. Иванов, В.П. Степаненко, В.Д. Трифонов, В.Х. Пироженко, СМ. Ломакин, О.Н. Синчук, Б.Г. Анискин, М.У. Энеев А.В. Рысьев, К.В. Кордаков, А.Д. Школьников, Л.П. Стрельников, В.А. Конюх, В.Н. Кордаков, А.В. Иванов, Э.С Гузов и др.
Известно, что затраты на транспорт горной массы составляют до 70% всех трудозатрат на добычу полезного ископаемого [31]. Работа электровозов осуществляется при различных коэффициентах сцепления колес электровоза с рельсами и уклонах пути, так на угольных шахтах коэффициент сцепления в местах погрузки и разгрузки составляет 0,07; при движении на прямолинейных участках он увеличивается. В зависимости от условий сцепления коле электровоза с рельсами коэффициент сцепления изменяется в пределах 0,07-0,42 [47]. Расчет парка подвижного состава для заданных условий для заданных условий трогания на откаточном горизонте горного предприятия производится для низкого коэффициента сцепления колес электровоза с рельсами [77, 95, 111]. Этот факт определяет ограничение на увеличение технико-экономических показателей.
Одним из направлений увеличения тяговых свойств рудничных электровозов является создание комбинированного привода, включающего существующий и дополнительный привод. Основу дополнительного привода составляет линейный электродвигатель (ЛД), у которого в качестве вторичного тела (аналог ротора во вращающемся электродвигателя), в зависимости от условий эксплуатации, может быть использован рельсовый путь или дополнительный магнитопровод, расположенный в местах с низким коэффициентом сцепления или на повышенных уклонах пути. Достоинствами привода на основе ЛД являются: независимость силы тяги последнего от преодолеваемых уклонов пути и условий сцепления колес электровоза с рельсами; простота конструкции, и, как следствие, высокая надежность; отсутствие механического износа (так как реализация силы тяги осуществляется только за счет электромагнитного взаимодействия поля индуктора и вторичного тела); возможность регулирования силы тяги в широком диапазоне (при питании от автономного инвертора); большое значение пусковой силы тяги (для асинхронных линейных двигателей); наличие притяжения между индуктором и вторичным элементом (при ферромагнитном вторичном теле и установке ЛД непосредственно на электровозе), что увеличивает сцепную массу электровоза. К недостаткам ЛД относятся низкие, по сравнению с приводом традиционной конструкции, энергетические показатели.
Наиболее фундаментальной работой положившей основы теории линейных двигателей были работы Вольдека А.И. [15, 16] в которых впервые были математически описаны сложные процессы, протекающие в линейной электрической машине. Основы линейных электродвигателей, и методики их расчета приведены работах В.И. Дьякова, А.Н. Фролова, А.Н. Штурмана, О.Н. Веселовского, Н.П. Ряшенцева, А.В. Епифанова, Т.М. Голенкова, Г.И. Ижеля, А.Т. Горелова, А. Ю. Конева, Ф.Н. Сарапулова, М.М. Соколова, С.А. Апухтина, Е.Ф. Беляева, С. А. Беглова, С. А. Карася, А.Ф. Борознеца и др. [2, 6,7,15, 17, 18, 21,22,24,28,34,37,38, 65,80,82,99, 113,114].
В настоящее время существуют предприятия изготовители ЛД в нашей стране и за рубежом (Киевский завод электротранспорта, НПФ «Электропривод», ОАО «Энергоцветмет», НЭВЗ, ОАО «ММД», HSST, Siemens AG, VDM Systems, Sodick, Rushrservomotor JV, Westighouse Elektrik, PMC Elertonics Inc. и др.) которые выпускают ЛД различной конструкции с диапазоном изменения мощности от долей ватт до сотен кВт. Теоретические и экспериментальные исследования, а также опыт эксплуатации ЛД на городском и железнодорожном транспорте показал эффективность их применения ([6, 12, 13, 18, 24, 28, 34, 64, 73, 90, 97, 104, 112, 115]), не смотря на их низкие технико-экономические показатели.
До настоящего времени отсутствовали концепция построения и методика расчета комбинированного привода рудничного электровоза, а также методика расчета тягового состава и подвижного состава горных предприятий при использовании электровозов с комбинированным приводом. Следовательно, разработка концепции построения, методики расчета параметров комбинированного привода и согласования режимов работы основного и дополнительного приводов, учитывающих специфические условия работы рудничных электровозов, является актуальной задачей.
Целью работы является повышение тяговых свойств рудничного электровоза за счет применения комбинированного элекгричесгого привода.
Идея работы заключается в выборе рациональных параметров комбинированного привода, структуры и алгоритма функционирования блока согласования работы основного и дополнительного приводов, обеспечивающих минимизацию затрат на транспортирование горной массы.
Дня достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка функциональной схемы и выбор состава оборудования комбинированного привода.
2. Определение рациональных соотношений между параметрами основного и дополнительного приводов.
3. Синтез структуры и алгоритма функционирования блока согласования.
Разработка методики расчета параметров комбинированного привода и блока согласования, учитывающей влияние эксплуатационных факторов.
Исследование динамических свойств комбинированного привода и разработка рекомендации по его технической реализации.
Защищаемые научные положения
1. Для отечественных контактных электровозов рациональное по критерию минимизации приведенных затрат соотношение часовых сил тяги дополнительного и основного приводов находится в пределах (0,25-0,35) при плавном и (0,4-0,55) при ступенчатом изменении сипы тяги основного привода; соотношение длительных мощностей основного и дополнительного приводов изменяется в пределах (0,6-1 Д), увеличиваясь с ростом уклона пути и уменьшаясь с увеличением расчетного значения коэффициента сцепления колес электровоза с рельсами.
2. Стабилизация нагрузки основного привода при переменных массе поезда и коэффициенте сцепления его колес с рельсами требует корректировки управляющего воздействия на дополнительный привод пропорционально изменению эффективного тока основного привода и средней скорости пробуксовки, рациональные значения передаточных коэффициентов ссчлветствующих корректирующих связей находятся в гфеделах (0,45-0,65) и (0,33-0,43).
3. При реализации основным приводом силы тяга в зоне избыточного буксования колес электровоза необходимо автоматически увеличить ток дополнительного привода обратно пропорционально изменению тока основного, при этом величина отсечки задержанной обратной связи по току дополнительного привода находится в пределах (0,75-0,85) от его максимальной величины и определяется заданным ограничением по изменению скорости поезда.
Методы исследования
Для решения поставленных задач применялся комплексный подход, включающий анализ информационных источников, известные методы теории тяги, электропривода, автомагического управления, методы аналитического и численного решения систем линейных и нелинейных ишщх)-дифференциальньгх и алгебраических уравнений, существующие методы математического и имитационного моделирования, обработки экспериментальных данных,
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработана структурная схема комбинированного привода рудничного электровоза, которая реализует управление дополнительным приводом в функции нагрузки основного с помощью блока согласования их работы; последний формирует сигнал задания для системы частотно-токового управления линейным электродвигателем, питающимся от низкочастотного инвертора тока.
2. Получены математические выражения для определения величин часовой силы тяги и длительной мощности дополнительного привода, обеспечивающих минимизацию приведенных затрат на электровозный транспорт откаточного горизонта.
3. Установлено соотношение потребляемых токов дополнительного и основного приводов при реализации последним силы тяги в зоне упругого скольжения, поддерживаемое блоком согласования постоянным, путем изменения частоты и амплитуды переменного тока на выходе инвертора
4. Опредглены математические зависимости между изменением скорости буксования колес электровоза и соотношением потребляемых токов дополнительного и основного приводов, необходимые для эффективной реализации силы тяги дополнительным приводом при работе основного привода в зоне избыточного буксования.
5. Разработана математическая модель динамического режима работы комбинированного привода, состоящая из уравнений движения основного привода с учетом буксования колес электровоза, уравнений движения линейного тягового двигателя и уравнений, характеризующих работу блока согласования.
Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, близкой сходимостью расчетных и опытных данных. Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 8-12%.
Практическая значимость
Разработана структурная схема комбинированного привода рудничного электровоза, обеспечивающая эффективную совместную работу основного и дополнительного приводов, произведен выбор состава оборудования, необходимого для её технической реализации.
Разработана методика определения рациональных, по критерию минимума затрат на транспортирование горной массы, параметров комбинированного привода.
Определен алгоритм работы блока согласования и дана методика расчета значений его настраиваемых параметров.
4. Предложен комплекс программных и аппаратных средств для технической реализации блока согласования работы приводов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на семинарах кафедры автоматизации производственных процессов СШI И(ТУ), конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург 2001 - 2004 гт), на VD3 международной открытой конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2003).
Личный вклад автора 1. Разработана методика определения параметров комбинированного привода рудничного электровоза и его системы управления.
2. Созданы математическая и имитационная модели автоматизированного комбинированного привода рудничного электровоза.
3. Проведены теоретическое и экспериментальное исследования комбинированного привода рудничного электровоза, в ходе которых учитывались возможность применения различных типов систем управления основным приводом и особенности его функционирования при наличии пробуксовки колес его колес.
Перспективы применения линейных двигателей на рудничном электровозном транспорте в качестве дополнительного привода
В результате анализа имеющегося опыта использования линейных двигателей на транспорте, можно сделать вывод, что использование линейного привода в качестве основного и единственного привода транспортных средств с относительно низкой скоростью движения (к которым относятся в том числе и рудничные электровозы) не целесообразно, особенно при больших длинах транспортировки и относительно большой величины воздушного зазора между индуктором и реактивным элементом. Это обусловлено: 1) большой величиной капитальных затрат, пропорционально возрастающих при увеличении длине транспортирования, связанной с необходимостью установки индукторов или вторичного элемента на всем протяжении пути; 2) большими затратами электроэнергии при длительном режиме работы привода от ЛД (КПД линейного двигателя при скоростях ниже 5 м/с и ограниченных размерах индуктора не превышает 0,20-0,40 ([2, 7, 15, 18, 19, 29, 85])) и низкими энергетическими показателями (cos (р 0,60); 3) ограничением мощности линейного привода по критерию нагрева в длительном режиме и необходимостью применения устройств активного охлаждения; 4) необходимостью существенных изменений в путевом хозяйстве, невозможностью использования существующих электровозов и вагонного парка; 5) необходимостью использования сложной системы регулирования, обеспечивающей компенсация падения силы тяги при случайных колебаниях воздушного зазора либо необходимость управления величиной воздушного зазора. С другой стороны, традиционный привод электровозов имеет ряд ограничений и в ряде случаев не обеспечивает требуемых тяговых свойств (см. раздел 1.1 данной работы). Таким образом, представляется разумным использование комбинированной системы привода рудничных электровозов состоящей из основного привода традиционной конструкции и работающего в длительном режиме и дополнительного привода от ЛД, работающего в импульсном режиме, включаясь при снижении тяговых свойств основного привода и отключающегося при их восстановлении. Такая система обладает достоинствами обоих типов привода, используя их в наиболее рациональном режиме. К достоинствам комбинированного привода можно отнести: 1) меньшая зависимость силы тяги электровоза от уклонов пути и колебаний коэффициента сцепления, чем у традиционных электровозов; 2) принципиальная возможность использования ЛД в качестве антипробуксовочного или тормозного устройства; 3) так как ЛД работает в импульсном режиме, то его низкие энергетические показатели и проблемы охлаждения выражены в меньшей степени чем при длительном режиме; 4) в ряде работ [70, 85] показана эффективность именно импульсного режима работы ЛАД; 5) возможно использование ЛД относительно малой мощности, при этом можно использовать в качестве вторичного элемента существующие рельсы [19] (при установки ЛД на экипаже) или относительно дешевый вторичный элемент из ферромагнитного материала; 6) вторичный элемент (или индукторы при их стационарной установке) могут быть установлены не на всей длине пути, а только на отдельных участках (в местах погрузки/ разгрузки, на участках с большим уклоном пути, на поворотах и т.д.), что приводит уменьшению капитальные затрат по сравнению с только линейным приводом; 7) имеется возможность использования ЛД для модернизации существующего парка электровозов без существенных изменений в путевой структуре; 8) использование таких систем позволит расширить ограниченный диапазон электровозов выпускаемых отечественной промышленностью; 9) отсутствуют проблемы, связанные с работой ЛД на стрелочных переводах (за счет использования на этих участках только основного привода).
Подобные системы привода не являются новыми на транспорте. В частности в 70-80 годы в нашей стране был проведен ряд исследований линейных электроприводов, предназначенных для использования в горной промышленности [8, 20, 33, 34, 35, 37, 73, 81, 97, 105, 112, 84,]. Имеющийся опыт использования линейных электродвигателей в качестве дополнительного привода на конвейерном электротранспорте [105] показал их эффективность. В ряде работ [12, 19, 24, 28, 73, 90] показана целесообразность использования систем комбинированного привода на железнодорожном транспорте. Однако в то время отсутствовали достаточно надежные, дешевые и экономичные полупроводниковые преобразователи, необходимые для питания ЛД (необходимость использования частотного управления ЛД показана в работах [8, 22, 33, 34, 35, 56, 93]). Также были недостаточно проработаны некоторые теоретические вопросы создания ЛД и управления ими, а также недостатки технических средств автоматизации, не позволявших создать достаточно сложные и быстродействующие системы управления. Это ограничило возможности использования подобных систем. В настоящее время достижения силовой преобразовательной техники [30, 32, 102] привели к созданию достаточно свершенных преобразователей частоты. В значительной мере разработаны теоретические практические вопросы создания системы управления линейными приводами, созданы методики определение оптимальных с точки зрения энергетики основных параметров линейных двигателей. Достижения электроники и микропроцессорной техники позволяют реализовывать достаточно сложные алгоритмы управления и обеспечивают достаточное быстродействие и надежность. Таким образом, создание комбинированной системы привода рудничных электровозов с использованием линейных электродвигателей является актуальной и реализуемой практически задачей.
Исследование влияния эксплуатационных факторов на рациональные параметры комбинированного привода
Это соотношение определено в разделе 2.2 и составляет 0,25-0,35 при непрерывном изменении тягового усилия и 0,35-0,45 при ступенчатом в зависимости от технологических параметров электровозного транспорта. В соответствие с выражением (3.2.3) жесткость механической характеристики дополнительного привода должна быть неизменной, независимо от величины нагрузки, соответственно соотношение сил тяги основного и дополнительного привода должно быть таким же, как и в часовом режиме. Следовательно, при любом значении коэффициента сцепления колес электровоза с рельсами, рациональное значение соотношения силы тяги основного и дополнительного приводов не зависит от нагрузки и определяется из выражений (3.2.20)-(3.2.23) и проверяется по условию (3.2.17). После этого можно построить рациональную искусственную характеристику ЛД и определить зависимости амплитуды U и частоты f питания ЛД от нагрузки (тока) (основного привода по ф. (3.2.12), с учетом того что критическое значение силы тяги ЛД не должно превышать расчетного по условию (3.2.15). Закон управления линейным двигателем а =nTJ,f) определяется согласно методикам [5,22,33,68]
С учетом изложенного последовательность (алгоритм) расчета механических характеристик комбинированного привода имеет вид; 1) Построение семейства механической характеристики основного привода (3.2.7), (3.2.8) при отсутствии дополнительного привода. Определение рациональной величины увеличения массы поезда, согласно методики приведенной в разделе 2.2. 2) Определение рационального соотношения силы тяги основного и дополнительного привода по ф. (3.2.16)-(3.2.19) из условий (3.2.5)-(3.2.6) для расчетного коэффициента сцепления. 3) Корректировка соотношения (3.2.19) с учетом условий (3.2.14), (3.2.15). 4) Построение механической характеристики ЛД с учетом выражений (3.2.2),(3.2.6)- (3.2.8) и (3.2.19). 5) Определение зависимости амплитуды U и частоты f напряжения питания ЛД от нагрузки (тока) основного привода и построение семейства механических характеристик ЛД для различных значений нагрузки LAV. 6) Построение механической характеристики комбинированного привода на основании ф. (3.2.2). 7) Определение зависимости соотношения сил тяги основного и дополнительного привода (ф. (3.2.19)) от коэффициента сцепления и построение механических характеристик комбинированного привода при наибольшем и наименьшем коэффициенте сцепления (аналогично, п. 2-7) На основании результатов можно определить необходимость корректировки закона управления ЛД в зависимости от изменения условий сцепления колес электровоза с рельсами. режиме В соответствии с концепцией комбинированного привода, приведенной в главе 1 данной работы, заданная величина силы тяги линейного двигателя пропорциональна величине сигнала управления Uf где kf - коэффициент пропорциональности, значение которого определяется конструкцией ЛД, инвертора, системы управления ЛД и является постоянной величиной для каждого из типов дополнительного привода. Величина сигнала управления на каждом из участков пути формируется в соответствии с выражением равное Ugup = —F jji, методика определения РДОП.І (Н) приведена в разделе kf второй главы данной работы; Vc -критическое значение скорости проскальзывания колес электровоза, м/с; VCKj(t), V t)- изменение скорости проскальзывания колесных пар во времени, м/с; min{} - функция определения минимального из двух сигналов; ki - коэффициент обратной связи по скорости проскальзывания; 1 ф- допустимое, согласно паспортных данных двигателя, значение эффективного тока тягового двигателя основного привода (или нагрева, при использовании датчика температуры обмоток тяговых двигателей), А; 1 »ффі(0, 1 »фФ2(0 изменение эффективных токов тяговых двигателей, А; тах{} - функция определения минимального из двух сигналов; кг - коэффициент обратной связи по эффективному току тяговых двигателей основного привода; І ф- допустимое, согласно паспортных данных двигателя, значение эффективного тока линейного двигателя(или нагрева, при использовании датчика температуры обмоток тяговых двигателей).
Алгоритм расчета параметров системы согласования режимов работы основного и дополнительного приводов в статическом режиме
Как видно из графиков (3.4.1)-(3.4.3) зависимости, полученные с помощью численных методов, имеют явно выраженный минимум, что соответствует аналитическим выкладкам приведенным в разделе 3.3 настоящей работы. Расчетные значения оптимальных значений настраиваемых параметров kt и к2, представляющих собой коэффициенты передачи задержанных обратных связей, соответственно, равны 0,335 и 0,642.
Полученные значения соответствуют усредненным значениям параметров и могут корректироваться, в зависимости от условий конкретного горного предприятия, методика расчета параметров приведена в разделе 3.3. корректирующих обратных связей С учетом наличия корректирующих обратных связей, методика определения параметров которых приведена выше, функциональная схема комбинированного привода принимает вид представленный на рис. 3.4.4
Функциональная схема блока согласования работы основного и дополнительного приводов приведена на рис. 3.4. Как видно из рисунка, блок согласования содержит четыре подсистемы: блок задания БЗ, формирующий заданное значение потребляемого тока линейного двигателя на каждом из участков диаграммы движения, определяемое из выражений (2), (3); блок коррекции БК, корректирующий это значение при отклонении среднего значения скорости буксования колес электровоза Vdcep от её критического значения VCKKp и при отклонении эффективного тока основного привода от длительного значения; блок управления дополнительным приводом в зоне упругого скольжения БУ и блок управления дополнительным приводом в зоне избыточного буксования ББ, первый обеспечивает стабилизацию соотношения потребляемых токов приводов, контролируемых с помощью датчиков ДТ01, ДТО 2 и ДТД, при скорости пробуксовки меньшей критического значения VCKKp, второй управляет силой тяги дополнительного привода в функции фактического отклонения скорости поезда, контролируемой с помощью датчика ДСП, от заданного значения, с целью ограничения пробуксовки. Выходной сигнал блока согласования поступает на фильтр низкой частоты, предназначенный для исключения колебания задания тока дополнительного привода при незначительных случайных колебаниях сигналов от датчиков. Для ограничения потребляемого тока дополнительного привода при пробуксовке колес электровоза, вводится соответствующая задержанная обратная связь, сигнал которой вычитается из выходного сигнала блока согласования.
Разработаны функциональная и структурная схемы блока согласования работы основного и дополнительного приводов, обеспечивающего их эффективную совместную работу. Согласно функциональной схеме блок согласования включает в себя: устройство задания соотношения сил тяги и времени работы ЛД на каждом из участков движения; систему коррекции, обеспечивающую изменение указанного соотношения пропорционально отклонению фактической массы груза в вагонетках от расчетного значения вследствие неточности погрузочных устройств и обратно пропорционально отклонению средней величины скорости пробуксовки колес электровоза от её расчетного значения; систему совместного управления приводами, вычисляющей фактическое соотношение сил тяги основного и дополнительного приводов в зависимости от сигналов датчиков соответствующих токов и обеспечивающую стабилизацию указанного соотношения на уровне значения задающего сигнала, формируемого устройством задания; фильтр низкой частоты, включаемый на выход блока согласования для исключения колебаний силы тяги дополнительного привода при незначительных кратковременных колебаниях сигналов от датчиков; задержанные обратные связи по эффективным значениям токов основного и дополнительного приводов, предназначенных, для защиты приводов от перегрузки и вызывающих, соответственно, увеличение и уменьшение силы тяги ЛД. 2. Разработан алгоритм работы блока согласования, обеспечивающий реализацию рациональных режимов работы комбинированного привода, с учетом наличия обратных и корректирующих связей, предусмотренных его функциональной схемой, а так же условий их включения в работу. 3. Разработана методика определения настраиваемых параметров корректирующих связей по эффективному значению току основного привода и среднему значению скорости пробуксовки колес электровоза, обеспечивающих коррекцию заданного значения соотношения сил тяги основного и дополнительного приводов в зависимости от отклонения массы поезда и среднего коэффициента сцепления от расчетных значений, принятых при проектировании. При этом рациональные значения передаточных коэффициентов соответствующих корректирующих связей определяются по критерию минимизации эксплуатационных затрат на движение поезда и находятся, соответственно, в пределах (0,45-0,65) и (0,33-0,43).
Исследование динамических режимов работы комбинированного привода при реализации основным приводом силы тяги в зоне упругого скольжения
Целью экспериментально - опытной апробацией является определение степени достоверности результатов теоретических исследований. Это возможно на основании сравнения данных, полученных в результате расчета по приведенным ранее методиками, и экспериментальных данных.
Так как основным отличием данной системы является наличие блока согласования, обеспечивающего реализацию сформулированных в главе 2 критериев управления, то основной задачей экспериментальных исследований является сравнение результатов работы технически реализованной модели блока управления с теоретическими зависимостями, закладываемыми в алгоритм его работы на стадии концептуального проектирования. Возможное расхождение экспериментальных данных с результатами теоретических выкладок объясняется ограничениями аппаратных средств, на базе которых реализуются алгоритмы функционирования системы согласования; необходимостью перехода от описания блока согласования в виде взаимосвязанной системы интегро-дифференциальных уравнений к алгебраической системе разностных уравнений, решаемой в реальном времени с помощью средств микропроцессорной техники; имеющимися нелинеиностями элементов аналогового тракта и влиянием внешних возмущающих воздействий, носящих стохастический характер.
Блок согласования, был аппаратно реализован на основе микропроцессорного контроллера М161, в основе которого лежит 16-битный однокристальный микроконтроллер Infineon 80С16ІС RISC-архитектурой (см. приложение 4). Выбор аппаратных средств обусловлен тем, что микропроцессорный контроллер М161 обеспечивает выполнение достаточно жестких требований к вычислительной мощности управляющего устройства, при малых габаритах, высокой надежности и низкой себестоимости. 16-битный микропроцессор с высокоэффективной RISC-архитектурой и наличием аппаратных средств для выполнения умножения и деления 8 и 16 разрядных чисел, обеспечивает производительность сопоставимую с производительность цифровых сигнальных процессоров, при существенно меньшей стоимости. Микропроцессорный контроллер, оснащен быстродействующим 12 разрядным 11 канальным аналогово-цифровым преобразователем, 6 высокоточными таймерами, а так же аппаратными средствами для создания высокочастотной ШИМ. Наличие стандартного последовательного интерфейса RS232 позволяет значительно упростить как отладку программ, так и связь его с современными преобразователями частоты по цифровому каналу. Высокая надежность обеспечивается за счет автоматического перехода на резервное питание от батареи при исчезновении напряжения питания цепей управления. Малые габариты (см. приложения) так же играют существенную роль при установке системы непосредственно на электровозе.
В качестве программных средств разработки использовался стандартный пакет программного обеспечения SFD 1.0, включающий в себя ассемблер для микроконтроллеров 16х-серии и внутрисхемный отладчик позволяющий осуществлять отладку программ и их последующую запись во flash-память контроллера с помощью стандартного RS232C интерфейса IBM PC-совместимых компьютеров без применения какого-либо дополнительного оборудования.
Моделирование управляющих воздействий на блок согласования и получение с его выхода управляющих сигналов обеспечивается с помощью платы сбора данных Advantech PCL-818L, установленной в ISA слот IBM PC-совместимого компьютера в следующей конфигурации. В качестве среды разработки использовалось следующее программное обеспечение: Matlab 5.12 R12, Advantech PCL-818L 32-bit driver, Advantech VisiDAQ ЗЛО (входят в комплект поставки платы сбора данных), DASYLab 5.0 lite (демо-версия). Экспериментальная установка включает в себя: аппаратно реализованный блок согласования на основе микропроцессорного контроллера М161, для ввода в который управляющих сигналов использованы 0...4 каналы установленного на плате АЦП, а для вывода используется ШИМ-сигнал с порта РЗ.З, реализованный с помощью таймеров Т5 и Т6. Для получения аналогового выходного сигнала на выход ШИМ-регулятора подключена RS цепочка; ПК с установленной в него платы PCL-818L для ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов, так же соединенного с микроконтроллером по RS232 интерфейсу для отладки программ; Интерфейсной платы PCL-8515, соединяемой с платой с помощью DIN-47 кабеля. имитационные модели основного и дополнительного приводов, построенные на основе известных соотношений существующих математической моделей [26, 52, 45, 92]. Достоверность имитационного моделирования подтверждается соответствием получаемых с её помощью результатов данным теоретических, экспериментальных исследований (в том числе проведенным в промышленных условиях) существующих привода рудничных электровозов (известные по работам [47, 49, 51, 75]) и приводов на основе тихоходных линейных электродвигателей с частно-токовым управлением от автономных инверторов (известные по работам [3, 15,25,33]). электронно-лучевого С1-137, предназначенного для наблюдения кривых напряжения на входах и выходе микроконтроллера в процессе отладки, стабилизированного блока питания +5 предназначенного для питания микропроцессорного контроллера. экспериментальных исследований имитировалось изменение сигналов обратных связей и сигналов управления, соответствующих реальной работе блока согласования в динамических режимах работы. Текст программы, реализующей алгоритм работы блока согласования на основе указанных выше технических средств приведен приложении 3.
Для определения адекватности проведенных ранее теоретических исследований производилась запись входных и выходных сигналов блока согласование и последующее сравнение полученных кривых построенным ранее и приведенных в главах 3,4 данной работы. Так же фиксировались отклонения параметров основного и дополнительного привода, получаемых на имитационной модели с идеальным блоком согласования (реализованным в программе матлаб с помощью численных методов решения интерго-дифференциалных уравнений его описывающих) от значений тех же параметров при работе имитационной модели с аппаратно реализованным блоком согласованием.
Следует учесть, что имеющееся в данной экспериментальной установке двойное преобразование ЦАП платы сбора данных -АЦП микропроцессорного контроллера - ШИМ-модулятор микроконтроллера - АЦП платы сборы данных приводит к несколько большей ошибке, чем в реальной системе комбинированного привода, где имеется лишь однократное преобразование сигнал с датчика - АЦП контроллера-ЦАП (или ШИМ модулятор, или последовательный интерфейс) - управляющий контроллер инвертора тока питающего ЛД. Однако, так как из-за имеющееся двойное преобразование приводит лишь к увеличению возможного отклонения экспериментальных данных от теоретических, то в данном случае использование такого двойного преобразования является допустимым.
