Введение к работе
Актуальность темы
Во многих промышленно развитых странах железнодорожный транспорт занимает ведущее место. В России общая протяженность железных дорог находится на втором месте в мире и составляет около 87 тысяч километров. Более 80% пассажирских перевозок в стране осуществляется железной дорогой. По данным на первый квартал 2010 г. пассажиропоток РЖД составил 24,6 миллиарда пассажиро-километров.
Для обеспечения комфорта пассажиров в пассажирских железнодорожных вагонах устанавливают специальное электрооборудование: кондиционер, электрокалорифер, кипятильник и др. Питание данного электрооборудования осуществляется системой электроснабжения собственных нужд вагона.
Исторически сложилось, что наиболее распространенными системами электроснабжения в России являются автономная или смешанная системы электроснабжения. Это означает, что для питания вагонных потребителей электрическая энергия вырабатывается непосредственно в вагоне подвагонным генератором, приводимым во вращение колесной парой. Распространение автономной системы электроснабжения объясняется наличием в России огромной длины неэлектрифицированных железных дорог и отсутствием тепловозов, имеющих возможность выдавать необходимое высокое напряжение в вагонную магистраль.
Автономная система электроснабжения, применяемая в современности (в частности, на вагонах постройки ОАО «Тверской Вагоностроительный Завод») имеет ряд недостатков, обусловленных электрической схемой. В данной системе выпрямленное напряжение генератора напрямую поступает на нагрузку и аккумуляторные батареи (АКБ), а регулируется лишь током возбуждения генератора.
Основным недостатком данной системы является следующее: для начала питания потребителей и заряда АКБ требуется, чтобы вагон разогнался до скорости около 35 км/ч (напряжение генератора к этой скорости достигнет необходимой величины). Данный недостаток является наиболее критичным с точки зрения обеспечения комфорта пассажиров, так как он означает, что во время стоянок и при движении поезда на низких скоростях вагонные электропотребители вынуждены получать питание от АКБ, при этом мощные потребители должны быть отключены.
Из-за большой инерционности цепи возбуждения генератора и наличия в нем гистерезиса, возникают сложности при поддержании выходного напряжения на желаемом уровне и обеспечении оптимального тока заряда АКБ.
В настоящий момент в РЖД поставлена задача повышения уровня комфортности пассажирских перевозок. В то же время и частные перевозчики стараются привлечь пассажиров повышенным уровнем комфорта в своих вагонах.
Создавшиеся условия побудили ряд организаций к созданию «интеллектуального» вагона локомотивной тяги путем модернизации эксплуатирующихся вагонов и усовершенствования ныне строящихся вагонов. Оборудование данного пассажирского вагона, в том числе и система электроснабжения, должны обеспечить новые характеристики, позволяющие повысить уровень комфорта для пассажиров.
С учетом вышесказанного можно сделать вывод, что разработка системы электроснабжения железнодорожного вагона, обеспечивающая повышение комфортности для пассажиров, является актуальной.
Цель диссертационной работы
Создание системы электроснабжения железнодорожного вагона, обеспечивающей повышенный уровень комфорта для пассажиров.
Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
разработка системы электроснабжения железнодорожного вагона и алгоритмов ее работы, обеспечивающих эффективный отбор мощности от генератора и заряд АКБ в расширенном диапазоне скоростей движения вагона;
-
синтез САУ статических преобразователей системы электроснабжения вагона для обеспечения устойчивой работы и получения необходимой точности регулирования;
-
разработка математической модели преобразователей системы с целью исследования их температурных режимов при различных скоростях движения поезда и широком диапазоне изменения температур окружающей среды (от -50 С до +50 С);
-
разработка методики проектирования силовых преобразователей для подобных систем электроснабжения.
Методы исследования
Математические модели создавались на основе теорий цепей, электропривода, силовой электроники, тепломассообмена. Для реализации и исследования математических моделей использовалась система компьютерной алгебры Mathcad и конечно-элементный программный комплекс Ansys Icepak, ориентированный на проектирование электротехнических устройств.
Синтез регуляторов, наблюдателей, цепей коррекции системы автоматического регулирования проведен методами теории автоматического управления.
Адекватность полученных моделей была проверена экспериментально, в том числе на опытном образце преобразователя для разработанной системы электроснабжения.
Новые научные результаты
-
На основании выполненного анализа и разработанных требований предложена структура системы электроснабжения железнодорожного вагона локомотивной тяги, содержащая импульсный преобразователь напряжения.
-
Разработан алгоритм трехзонного управления преобразованием энергии в функции скорости поезда, обеспечивающий стабилизацию напряжения на пониженной скорости движения.
-
Синтезирована структура замкнутой САУ, обеспечивающая устойчивость системы и требования точности регулирования (требуемая точность поддержания выходного напряжения +/- 1,5 В). Выполнена линеаризация САУ, определены параметры регуляторов тока и напряжения.
-
Разработана математическая модель для расчета потерь и тепловых режимов преобразователя, позволяющая определить допустимый диапазон нагрузок, температур окружающей среды и скоростей поезда, при которых возможно использование разработанной системы электроснабжения.
Практическая ценность работы
-
На основе проведенных исследований составлена методика проектирования преобразователей для подобных систем электроснабжения.
-
Создан блок БРН-32, являющийся статическим преобразователем разработанной системы электроснабжения для пассажирских вагонов повышенной комфортности. Блок вошел в состав комплекта электрооборудования КВИНТ-ЭВ, разработки предприятия «АВП Технология». На блоке выполнен комплекс исследований и испытаний, отлажено программное обеспечение, проверена адекватность моделей. Блок БРН-32 запущен в производство и установлен в эксплуатацию на 24 вагонах, курсирующих по ряду направлений на территории России.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета), а также на следующих конференциях: Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, март 2008 г.); Конференция «Силовая Электроника» (Москва, Международный информационно-выставочный центр «ИнфоПространство», июнь 2009 г.).
Публикации
По результатам проведенных исследований, а также по теме диссертационной работы опубликованы четыре печатные работы.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 51 пунктов. Содержание работы изложено на 190 страницах машинописного текста, включает 62 рисунка, 19 таблиц и 6 приложений.
