Введение к работе
Актуальность темы. Железнодорожный транспорт является главным видом транспорта России, его технический уровень и состояние определяют экономическую эффективность и безопасность перевозок. Одобренная Правительством «Транспортная стратегия Российской Федерации» и «Программа создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г.», утвержденная ОАО «Российские железные дороги», предусматривает разработку и изготовление в 2005-2008 г.г. опытных образцов локомотивов нового поколения с асинхронными тяговыми двигателями (АТД).
Тяговый электропривод (ТЭП) с асинхронными двигателями (АД) принят в качестве основного в типаже перспективных локомотивов. Общепризнано, что применение АТД с короткозамкнутым ротором, обладающих рядом известных преимуществ по сравнению с традиционными тяговыми двигателями постоянного тока (ДПТ), позволяет повысить надежность, экономичность и тяговые качества локомотивов. Но вместе с тем, для реализации этих преимуществ требуется решение целого ряда проблем.
При использовании АТД, питаемых от статических выпрямительно-инверторных преобразователей, не только усложняется система преобразования энергии и система управления приводом, но усиливается взаимосвязь и взаимовлияние всех функциональных частей (подсистем) ТЭП: силовой электрической, управляющей и механической, что требует совершенствования существующих и внедрения новых алгоритмов управления приводом. Кроме того, возможные отказы в автономном инверторе, являющемся новым и наименее отработанным узлом в системе ТЭП, могут приводить к значительным динамическим нагрузкам в электрической и механической подсистемах привода, которые необходимо оценить на стадии проектирования.
Зарубежными производителями ТЭП локомотивов с АД, такими известными, как Bombardier Transportation (Швейцария), Siemens (Германия) и др. в последние годы наиболее интенсивно ведется исследование и внедрение асинхронных электроприводов нового поколения, использующих системы прямого управления моментом (Direct Torque Control, - сокращенно DTC), но они являются интеллектуальной собственностью разработчиков.
Чтобы предотвратить зависимость страны от импорта локомотивов или перспективных тяговых приводов, необходимо совершенствовать отечественное локомотивостроение на новом техническом уровне. Для этого требуется дальнейшее развитие собственной научной базы проектирования надежных и конкурентоспособных локомотивов с АТД. В этом плане очень важно уже на ранних стадиях проектирования обеспечить возможность анализа способов и алгоритмов регулирования АТД в наиболее тяжелых с точки зрения динамической нагруженности режимах.
В отечественной и зарубежной литературе наиболее часто выделяют следующие основные динамические режимы тяговых приводов:
- квазистационарные (выбег, тяга и торможение при наличии определенного запаса по сцеплению колес с рельсами или реализация предельных сцепных свойств в условиях тяги и торможения);
- нестационарные (буксование, юз);
- аварийные (для электроприводов наиболее характерны аварии в системе электропитания).
Максимальные динамические нагрузки возникают в ТЭП при нестационарных и аварийных режимах, поэтому в процессе проектирования необходимо спрогнозировать их заранее и по возможности предотвратить.
Цель диссертационной работы – совершенствование электромеханической системы локомотивов с асинхронными двигателями для улучшения их динамических и тяговых качеств на основе создания прогнозных вариантов нестационарных и аварийных режимов тяговых электроприводов.
Задачи исследования, поставленные и решенные в работе для достижения указанной цели:
1. Разработка концепции и методики создания прогнозных вариантов нестационарных и аварийных режимов ТЭП с АД как единой управляемой электромеханической системы на основе математического и компьютерного моделирования.
2. Разработка математической модели ТЭП с АД, универсальной с точки зрения возможности исследования аварийных режимов в автономных инверторах и нестационарных процессов в электромеханической системе привода при использовании различных типов инверторов и способов управления.
3. Разработка структуры и алгоритма работы ТЭП с системой прямого управления моментом АТД и стабилизацией скольжения колес.
4. Создание электромеханических компьютерных моделей перспективных грузовых и маневровых локомотивов с DTC на базе совмещения программных комплексов (ПК) MatLab и «Универсальный механизм» (УМ или UM), позволяющих исследовать динамические и тяговые качества локомотивов в квазистационарных, нестационарных и аварийных режимах.
5. Исследование на основе численных экспериментов динамических и тяговых свойств грузовых и маневровых локомотивов с АТД при реализации предельных тяговых усилий в процессе разгона.
6. Определение динамических нагрузок в электрической и механической подсистемах ТЭП с АД при аварийных и нестационарных режимах и оценка взаимовлияния электрической и механической подсистем привода; выработка рекомендаций по снижению динамических нагрузок.
Методы исследований. Для решения сформулированных задач использованы современные методы математического моделирования электромеханических систем и их элементов, - топологический метод анализа электрических цепей, метод проводимостей зубцовых контуров электрической машины, методы моделирования динамики систем связанных твердых тел, положения теории электрических машин, теории электропривода, теории автоматического управления, теории электрической тяги. Электромеханические модели перспективных локомотивов созданы на базе хорошо зарекомендовавших себя ПК с использованием нового методологического подхода: электрическая силовая и управляющая подсистемы ТЭП локомотивов с АД моделируется в ПК MatLab/Simulink; механическая часть - в ПК УM. Для получения единых электромеханических моделей модели MatLab интегрируются в модели ПК УM с помощью специального программного модуля, разработанного на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета (БГТУ).
Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается:
- применением фундаментальных законов и принципов соответствующих научных дисциплин и корректностью принятых допущений;
- сопоставлением результатов, полученных в различных программных комплексах на уточненных и упрощенных электромеханических моделях ТЭП с АД;
- удовлетворительным совпадением результатов расчетов с осциллограммами экспериментальных исследований, выполненных на кафедре «Локомотивы» БГТУ, а также с данными испытаний опытных образцов тепловозов, полученными Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Концепция и методика создания прогнозных вариантов аварийных и нестационарных режимов ТЭП с АД, основанные на математическом и компьютерном моделировании управляемой электромеханической системы ТЭП.
2. Два различных методологических подхода к моделированию ТЭП с АД:
- математическая модель электромеханических процессов в приводе, разработанная с использованием контурных топологических уравнений в матричной форме для электрической части и уравнений Лагранжа или уравнений, составленных на основе принципа Даламбера, для механической подсистемы;
- математическая модель электромеханической системы локомотива, разработанная на основе совмещения программных комплексов MatLab и УМ.
3. Компьютерные модели электромеханической системы ТЭП локомотива как объекта исследования, созданные с использованием двух оговоренных подходов.
4. Функциональная схема и алгоритмы работы ТЭП локомотива с DTC в квазистационарных и нестационарных режимах.
5. Результаты анализа процесса разгона шестиосных и четырехосных локомотивов с индивидуальным регулированием осей при работе каждой оси на пределе по сцеплению под контролем регулятора скольжения колес.
6. Алгоритмы функционирования и результаты моделирования динамики системы защиты от буксования перспективных локомотивов с DTC.
7. Результаты анализа динамических процессов в электромеханической системе ТЭП локомотивов с АД при аварийных и нестационарных режимах и рекомендации по снижению динамических нагрузок и повышению тяговых свойств электроприводов.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
1. Разработаны и обоснованы концепция и методика прогнозирования динамических процессов при аварийных и нестационарных режимах в ТЭП с АД как в единой управляемой электромеханической системе на базе математического и компьютерного моделирования.
2. Обоснован и применен новый методологический подход к моделированию ТЭП перспективных локомотивов с АД, основанный на совмещении двух программных комплексов: MatLab и УМ.
3. Разработана функциональная схема и алгоритм работы ТЭП локомотива с DTC, являющейся системой управления нового поколения.
4. Созданы электромеханические модели шестиосных и четырехосных локомотивов с DTC, позволяющие исследовать динамические и тяговые качества новых локомотивов с АТД в квазистационарных, нестационарных и аварийных режимах при различных конструкциях ходовой части.
5. Выполнен анализ процесса разгона шестиосных и четырехосных локомотивов с индивидуальным регулированием АТД осей при работе каждой оси на пределе по сцеплению под контролем регулятора скольжения колес.
6. Произведен анализ работы системы защиты от буксования перспективных локомотивов, основанной на введении внешнего контура стабилизации скорости скольжения колес, формирующего задание для внутреннего контура прямого управления моментом АТД.
7. Выявлены закономерности динамического перераспределения вертикальных нагрузок по осям шестиосного и четырехосного локомотивов с АТД в режиме реализации максимальных тяговых усилий.
8. Определен качественный и количественный характер динамических нагрузок в механической и электрической подсистемах ТЭП локомотивов с опорно-осевым подвешиванием АД при аварийных режимах в инверторах.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Созданные в работе модели и методики моделирования позволяют на стадии проектирования проанализировать наиболее тяжелые динамические режимы работы ТЭП с АД и выработать рекомендации для рационального конструирования нового дорогостоящего оборудования.
На основе созданных моделей проработан ряд практических вопросов: произведена качественная и количественная оценка динамических нагрузок в электрической и механической подсистемах четырехосных и шестиосных локомотивов с двигателями ДАТ305 и ДТА470 при аварийных и нестационарных режимах ТЭП; разработаны алгоритмы работы ТЭП с АД перспективных локомотивов в квазистационарных и нестационарных режимах; выработаны рекомендации по улучшению тяговых свойств и снижению динамических нагрузок в тяговой передаче локомотивов с АД.
Результаты работы приняты Брянским машиностроительным заводом (БМЗ) для использования при разработке тепловозов нового поколения. Отдельные элементы разработанных моделей и реализующие их программы внедрены в учебный процесс МИИТ по специальности «Электрический транспорт железных дорог», а также в учебный процесс БГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях и съездах, в числе которых: IV Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (Новочеркасск, 2003 г.), IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006 г.), 66 и 67 Международные научно-практические конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, ДИИТ, 2006, 2007 г.г.), 4, 5, 7, 8 Научно-практические конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2003, 2004, 2006, 2007 г.г.), IV и V Международные научно-технические конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (Санкт-Петербург, 2005, 2007 г.г.), IV международный симпозиум «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2007 г.) и другие.
Работа в полном объеме докладывалась на научных семинарах кафедр «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» и «Прикладная механика» БГТУ (Брянск, 2007 г.), на научном семинаре кафедры «Электрическая тяга» МИИТ (Москва, 2007 г.), на заседании кафедры «Электрическая тяга» МИИТ (Москва, 2008 г.), на заседании научно-технического совета ВНИКТИ (Коломна, 2008 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 46 научных работах и двух патентах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы, включающего 280 наименований, и приложения. Содержит 341 страницу основного текста, проиллюстрированного 151 рис. и 8 табл.
