Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих систем управления тяговым электроприводом 12
1.1. Анализ применяемых систем тягового электропривода 16
1.1.1. Анализ характеристик и условий работы тяговых электродвигателей 16
1.2. Анализ систем управления тяговым электроприводом электронодвижного состава городского электрического транспорта 24
1.2.1. Анализ режимов движения городского электрического транспорта 35
1.2.2. Анализ математических моделей подвижного состава 39
2. Разработка системы оптимального управления процессом разгона подвижного состава городского электрического транспорта 42
2.1. Разработка математической модели подвижного состава с реостатно- контакторной системой управления 45
2.2. Постановка задачи оптимизации, выбор и обоснование целевой функции и формулировка ограничений 72
2.3. Синтез закона оптимального управления электроподвижным составом 74
3. Аппаратно-программная реализация системы оптимального управления электроподвижным составом 82
3.1. Аппаратная реализация системы оптимального управления электроподвижным составом 82
3.1.1. Система датчиков 82
3.1.2. Микропроцессорная система управления 94
3.2. Программное обеспечение микропроцессорной системы 115
4. Планирование и обработка результатов эксперимента 118
4.1. Программа эксперимента 118
4.2. Обработка результатов эксперимента 123
Заключение 126
Библиографический список 128
Приложение 141
- Анализ систем управления тяговым электроприводом электронодвижного состава городского электрического транспорта
- Постановка задачи оптимизации, выбор и обоснование целевой функции и формулировка ограничений
- Синтез закона оптимального управления электроподвижным составом
- Программное обеспечение микропроцессорной системы
Введение к работе
Актуальность:
Одним из основных видов энергоресурсов, потребляемых в населенных пунктах, является электроэнергия. Особенно велика ее доля, по сравнению с другими энергетическими ресурсами, в крупных городах. С ростом масштабов больших центров отмечается еще больший рост их электропотребления. Связано это, прежде всего с появлением качественно новых и более мощных электропотребителей, таких как: промышленные предприятия тяжелого машиностроения и городской электрический транспорт (ГЭТ). Последние составляют основную часть электропотребления не только крупных городов, но и целых регионов. При этом, если промышленные предприятия сегодня в основном акционированы и самостоятельно несут расходы как по затратам на энергопотребление так и по энергосберегающим мероприятиям, то предприятия ГЭТ относятся к ведению муниципалитетов и их расходы на электроэнергию составляют заметную часть городских бюджетов [80, 87, 103]. В связи с этим, особый интерес вызывает ГЭТ, поскольку он является естественной монополией и затрагивает практически все сферы деятельности города. Эта связь настолько сильна, что «жизнь» крупного центра напрямую зависит от электропотребления транспортом. От того насколько эффективно будет эксплуатироваться электрический транспорт, зависят объемы перевозок, себестоимость предоставляемых услуг и затраты на потребленную электроэнергию [9].
В условиях роста объемов пассажироперевозок и постоянно растущих тарифов на электроэнергию, оптимизация ГЭТ по электропотреблению становится особенно актуальной.
Проблема:
Проблема снижения электропотребления ГЭТ заключается, в том числе, и в неэффективности систем управления эксплуатируемого ныне электроподвижного состава (ЭПС) [12, 69, 72, 73, 74].
В настоящее время в России и за рубежом существует ЭПС ГЭТ следую-
5 щих типов: с тяговыми двигателями (ТД) постоянного тока (в последнее время стали применяться вентильные ТД, что не меняет характеристик привода по сути), использующий реостатно-контакторную (РКСУ) либо тиристорно-импульсную (ТИСУ) системы управления тяговым приводом; с бесколлекторными (в подавляющем большинстве случаев - асинхронными) ТД с амплитудно-частотной системой управления. Относительное количество ЭПС различных типов в мире и в России, их относительное удельное электропотребление и стоимость отечественного подвижного состава (в ценах 2004-2005 годов) каждого типа приведены на рис. 1.
Обладая низкой стоимостью, высокой надежностью и не требуя постоянного обслуживания асинхронный ТД, тем не менее, является одной из самых неудачных тяговых машин [47-50]. В отличие от общепромышленного асинхронного двигателя тяговый должен иметь увеличенный зазор между ротором и статором для прохождения охлаждающего воздуха, что приводит к. росту сопротивления магнитной цепи двигателя, и повышенное скольжение, вызванное необходимостью регулирования скорости в широких пределах, что снижает к. п. д. машины [1,16, 20, 28, 31-34, 44, 54, 58, 61-64, 67, 71, 75-78, 82, 85, 86, 104, 106]. Массогабаритные показатели асинхронного ТД примерно в 1,5 раза хуже, чем у ТД постоянного тока. Необходимость регулирования скорости в широких пределах, потребность в дополнительной преобразующей аппаратуре, ограничения на пульсации момента на низких скоростях делают применение асинхронных двигателей в тяговом электроприводе (ТЭП) не эффективным.
Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения по праву называется «тяговым» [128], хотя имеет ряд недостатков, таких как сложность конструкции, высокая стоимость, наличие коллекторно-щеточного узла, который требует периодического обслуживания. Обе системы управления ТД постоянного тока предполагают регулирование напряжения на зажимах двигателя, от которого и зависит скорость машины [51].
Относительное количество [ %]
Типы
ТДПТ с РКСУ
ТДПТ с ТИСУ
АТД с АЧУ
Относительное количество [ %]
ТДПТ с РКСУ
ТДПТ с ТИСУ
АТД с АЧУ
Относительное удельное электропотребление [ %]
Типы
ТДПТ с РКСУ
ТДПТ с ТИСУ
АТД с АЧУ
Средняя стоимость [ руб.]
4,5 МЛН. РУБЛЕЙ
6 млн.
РУБЛЕЙ
ТДПТ с РКСУ
ТДПТ с ТИСУ
АТД с АЧУ
Рис. 1 — Результаты анализа ЭПС: а) Относительное количество ЭПС различных типов в мире; б) относительное количество ЭПС различных типов в России; в) относительное удельное элек-тропотребление ЭПС различных типов; г) средняя стоимость отечественного ЭПС различных типов.
ТИСУ основана на периодическом подключении и отключении ТД к (от) контактной сети. Среднее значение напряжения на двигателе определяется коэффициентом заполнения управляющих импульсов силового ключа. Таком способ регулирования вызывает пульсацию тягового тока, что приводит к дополнительным потерям в стали двигателя и загружает систему тягового электроснабжения и контактную сеть реактивной мощностью. Высококачественный фильтр, рассчитанный на тяговый ток изготовить достаточно сложно. Кроме того он имеет неудовлетворительные массо-габаритные показатели [51].
РКСУ основана на последовательном выведении секций реостата из пени тягового двигателя под контролем реле ускорения (РУ). Однако при таком способе пуска за время от начала разгона ЭПС до выхода его на безреостатную (естественную) характеристику до 50 % энергии, взятой из контактной сети, расходуется в виде тепла на пусковом реостате [51].
В настоящее время в России подавляющее большинство единиц ЭПС ГОТ снабжены РКСУ. Срок службы трамвайного вагона, например, составляем 14 леї (троллейбуса 10 лет), а российские предприятия по сей день продолжают выпускать ЭПС ГЭТ с РКСУ. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о необходимости оптимизации по электропотреблению в том числе и этого типа 011С.
ЭПС ГЭТ с РКСУ слабо ориентирован на энергосбережение прежде всего в силу самой специфики системы управления, состоящей из контакторов и реле. которые имеют два устойчивых положения и не поддаются какому либо плавному регулированию. Кроме того, в закон управления не заложен алгоритм энергосбережения. Существует лишь ряд рекомендаций водителю (режимные карты) связанных со стилем ведения транспортного средства. Однако: во-первых, этого не достаточно для качественной минимизации энергопотребления, во-вторых, сложная дорожная обстановка и наличие огромного количества помех движению навязывают водителю свой — жесткий и зачастую далекий от оптимального стиль ведения транспортной единицы.
Из всей потребленной из контактной сети электроэнергии 91 % расходуется на тягу, 5,5 % составляют потери на тяговых подстанциях и 3,5 % - потери
8 в контактной сети.
Следовательно, проблема разработки и внедрения на эксплуатируемый ныне ЭПС системы управления, которая позволит, не зависимо от действий водителя и режима движения, сократить до минимума электропотребление транспортного средства на тягу, также является актуальной.
Объектом исследования в данной диссертации является реостатно-контакторная система управления ТЭП ЭПС ГЭТ.
Предметом исследования является процесс электропотребления при разгоне и движении ЭПС ГЭТ с РКСУ.
Целью работы является синтез оптимального по электропотреблению закона управления ЭПС ГЭТ с РКСУ и его аппаратно-программная реализация.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать математическую модель процесса разгона и движения ЭПС ГЭТ с ТД последовательного возбуждения и РКСУ.
Синтезировать закон оптимального (по электропотреблению) управления ЭПС ГЭТ с РКСУ.
Разработать систему датчиков мгновенных значений скорости, тока ТД, напряжения контактной сети и положения контроллера водителя.
Разработать специализированную микропроцессорную систему, в чьи функции входит сбор информации с датчиков, математические вычисления и синтез сигнала управления подмагничивающей катушкой реле ускорения.
Разработать программное обеспечение микропроцессорной системы, реализующее полученный закон оптимального управления ТД.
Новизна работы заключается в аппаратно-программной реализации синтезированного оптимального по энергопотреблению закона управления процессом разгона и движения транспортного средства на основе нового способа пуска тягового двигателя последовательного возбуждения, реализующего плавное регулирование порогов срабатывания и отпускания реле ускорения.
Значение для теории:
1. Способ пуска ТД последовательного возбуждения, позволяющий по-
9 строить систему управления, учитывающую напряжение в контактной сети, и минимизирующую потребление энергии на разгон и движение, не зависимо от действий водителя.
Алгоритм управления ЭПС ГЭТ с РКСУ на основе математической модели процесса разгона и движения транспортного средства с ТД последовательного возбуждения и РКСУ, позволяющий обеспечить оптимальные по энергопотреблению законы управления для ЭПС с ТД постоянного тока различных типов.
Закон оптимального (по энергопотреблению) управления ЭПС ГЭТ с ТД последовательного возбуждения с РКСУ.
Значение для практики:
Система датчиков мгновенных значений скорости, тока ТД, напряжения контактной сети и положения контроллера водителя.
Специализированная микропроцессорная система, выполняющая функции сбора информации с датчиков, математические вычисления и синтез сигнала управления подмагничивающей катушкой РУ.
Программное обеспечение микропроцессорной системы, позволяющее реализовывать полученный закон оптимального управления ТД.
Проведенные испытания, опытная эксплуатация и внедрение оптимальной системы управления на серийных моделях ЭПС.
Перечисленные результаты позволяют получить систему управления, минимизирующую электропотребление ЭПС ГЭТ, в кратчайшие сроки внедрять ее на эксплуатируемых ЭПС, без вмешательства в силовую цепь а, следовательно, без согласования с заводом-изготовителем. Предложенные решения могут быть применены не только к системам управления ЭПС ГЭТ, но и к релейным системам управления другими объектами с ТД последовательного возбуждения.
Методы исследований:
В ходе решения поставленных задач использовались методы математического анализа, дифференциальное исчисление, интегральное исчисление, мето-
10 ды оптимизации, методы теории автоматического управления.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением математических методов и пакетов стандартных и зарегистрированных автором программ; совпадением расчетных и экспериментальных данных, а также проверкой допустимых погрешностей вычислений и сходимости алгоритмов.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы путем внедрения специализированной микропроцессорной системы управления тяговым электроприводом (ТЭП) ЭПС ГЭТ и программного обеспечения на следующих предприятиях: Муниципальное предприятие «Горэ-лектротранс», «Троллейбусное депо» № 1, № 2, «Трамвайное депо» и ООО «НПО Элкомтранс» г. Красноярска.
Перспективы дальнейшего использования результатов диссертации заключается в разработке технической документации по модернизации трамвайно троллейбусного парка, проектированию экономичного ТЭП постоянного тока, а так же в расширении внедрения программного обеспечения оптимальных по электропотреблению систем управления ТЭП последовательного возбуждения.
На защиту выносятся:
Аппаратно-программная реализация системы управления ЭПС с РКСУ, позволяющая реализовать оптимальный по энергопотреблению закон управления процессом разгона и движения транспортного средства.
Способ пуска ТД последовательного возбуждения, позволяющий учитывать напряжение в контактной сети, и минимизирующий потребление энергии на разгон и движение, не зависимо от действий водителя.
Математическая модель процесса разгона и движения транспортного средства с ТД последовательного возбуждения и РКСУ, позволяющая синтезировать оптимальные законы управления для ЭПС с ТД постоянного тока.
Закон оптимального по электропотреблению управления ЭПС ГЭТ с ТД последовательного возбуждения с РКСУ.
Апробация результатов:
Основные идеи работы докладывалась: на ежегодной Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, Иркутский государственный технический университет; на научных семинарах кафедры «Электроснабжение и электрический транспорт» Красноярского государственного технического университета; на научных семинарах кафедры «Системы автоматики, автоматизированного управления и проектирования» Красноярского государственного технического университета; на научных семинарах кафедры «Электропривод и электрический транспорт» Иркутского государственного технического университета; на научных семинарах кафедры «Электрический транспорт» Новосибирского государственного технического университета; на Международной выставке-конгрессе «Энегросбережение-2002», г. Томск; на Всероссийском совещании «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» г. Томск; на Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» г. Томск, Томский университет систем управления и радиоэлектроники.
Основные идеи работы публиковались в центральной печати (журналы «Электрика», «Вестник городского электрического транспорта») и в различных сборниках научных трудов Всероссийского, регионального и межвузовского уровня.
Система оптимального (по электропотреблению) управления процессом разгона и движения ЭПС ГЭТ с РКСУ защищена патентом РФ № 2231454 «Способ пуска тягового двигателя последовательного возбуждения» [68].
Анализ систем управления тяговым электроприводом электронодвижного состава городского электрического транспорта
При управлении тяговыми электродвигателями ЭПС выполняются следующие операции: - присоединение тяговых двигателей к контактной сети и отключение от нее по воле водителя или автоматически, например, при перегрузках, коротких замыканиях, исчезновениях напряжения в контактной сети, превышениях на пряжения выше максимально допустимой величины; — переключение ступеней пуско-тормозных реостатов соответственно при пуске и торможении; - переключение ступеней шунтов в цепи возбуждения тяговых двигате лей для изменения магнитного потока; — переключение тяговых двигателей с одной группировки на другую; - переключение тяговых двигателей с режима тяги на режим торможения и обратно; — включение режима торможения, переключение схемы с одного вида торможения на другой (реостатное, рекуперативное, следящее рекуперативно реостатное, механическое); - изменение направления движения ЭПС (реверс тяговых двигателей); — отключение части тяговых двигателей при аварийном режиме. Перечисленные операции предусматриваются не на всех типах ЭПС. Например, на троллейбусах и некоторых типах трамвайных вагонов не делают перегруппировку тяговых двигателей при пуске. На вагонах метрополитена не предусматривается отключение части двигателей при аварийном режиме и т. п. В зависимости от вида пусковых устройств, системы управления разделяются на ступенчатые и плавные. А от способа приведения в действие электрических аппаратов - на системы непосредственного управления и системы косвенного управления (иногда их называют дистанционными). Классификация систем управления ЭПС ГЭТ. Все системы управления ЭПС ГЭТ, с двигателями постоянного тока, разделяются на следующие группы (рис. 5): При непосредственном управлении предполагается приведение в денсі-вие электрических аппаратов непосредственно усилием машиниста (или водителя) транспортного средства. Для надежной коммутации больших токов требуются значительные контактные нажатия в коммутационных аппаратах (несколько сотен Ньютонов).
Такие усилия развивать человеку затруднительно, вследствие чего, водитель быстро утомляется. Работа человека непосредственно с высоковольтными аппаратами ставит под угрозу его жизнь и здоровье. Кроме того, данный подход предполагает разветвленность высоковольтной проводки по кузову ЭПС. Все это снижает безопасность эксплуатации транс портного средства. Задание оптимальных режимов при такой системе управления - невозможно. Поэтому, по мере развития контакторной аппаратуры и исполнительных механизмов с косвенным приводом, на смену непосредственным системам управления пришли косвенные. Косвенная система управления предполагает наличие в силовой цепи аппаратов с электромагнитным, электродвигательным или пневматическим приводом. Водитель лишь управляет приводом этих аппаратов. Такой подход существенно облегчает труд водителя, сокращает разветвленность высоковольтной проводки по кузову транспортного средства и, от части, дает возможность реализовать квазиоптимальные режимы управления. Непосредственные и косвенные системы управления, по способу исполнения, могут быть выполнены реостатно-контакторными. Косвенные системы могут быть выполнены реостатно-контакторными, тиристорно-импульсными или цифровыми. В реостатно-контакторных системах управления могут быть реализованы принципы ручного и автоматизированного управления. При ручном управлении, лицо принимающее решение (ЛПР), которым в данном случае является водитель, оценивает внешние факторы, воздействующие на объект управления, и задает тот или иной режим работы электрооборудования ЭПС. При автоматизированном управлении ЛПР запускает те или иные алгоритмы (или по мере необходимости прерывает их выполнение) которые выполняются в автоматическом режиме. При автоматическом управлении ЛПР отсутствует.
Примером такого подхода может явиться система автоматического управления «Автомашинист», которая была испытана в некоторых отечественных и зарубежных метрополитенах. Любую систему управления необходимо выполнять с учетом следующих требований [18, 21,29]: - все операции по управлению тяговыми электродвигателями должны производиться простыми и легко запоминающимися манипуляциями (рукоятками или педалями контроллера водителя), причем одновременно нельзя использовать более одной рукоятки или педали; - все рукоятки и педали должны быть сблокированы между собой таким образом, чтобы исключать ошибочные действия и обеспечивать осуществление при любых условиях более безопасного режима - торможения; - отказ в работе любого из электрических аппаратов не должен вызывать не правильного режима (тягового вместо тормозного, движения в обратную сторону, по сравнению с выбранным направлением и пр.); - аппараты и все цепи, соединяющие их между собой и с тяговыми двигателями должны работать надежно; - труд водителя должен быть максимально облегчен; - электрооборудование должно быть доступным и удобным в обслуживании; - система управления должна, по возможности, реализовывать энерго сберегающие алгоритмы управления; - система управления должна иметь минимальные вес, габариты и стоимость. Реостатно-контакторные системы управления.
Принцип управления тяговыми двигателями при использовании РКСУ основан на последовательном выведении секций реостатов из силовой цепи под контролем реле ускорения (рис. 6). В цепи тягового двигателя установлена катушка реле ускорения. При полностью введенном пусковом реостате и подключении силовой цепи к контактной сети, путем замыкания линейного контактора (ЛК), ЭПС начинает трогаться с места. Ток ТД при этом превышает порог срабатывания РУ. Нормально замкнутые контакты РУ при этом отключают питание привода группового реостатного контроллера (ГРК), который остается на занимаемой позиции. С ростом скорости подвижного состава растет э.д.с. вращения ТД и, следовательно, падает ток последнего.
Постановка задачи оптимизации, выбор и обоснование целевой функции и формулировка ограничений
Электроподвижной состав ГЭТ условно можно представить в виде следующей системы (рис. 16): На рисунке обозначено: KB - контроллер водителя; УУ - устройство управления; ОУ - объект управления; f(t) - вектор внешних возмущений (не управляемые факторы); x(t) - задающее воздействие; u(t) - управляющее воздействие; z(t) - выходная координата объекта управления. Задающим воздействием является желаемая скорость ЭПС, а выходной координатой - его фактическая скорость. Потребление энергии ЭПС непосредственно связано с влиянием как внешних так и внутренних факторов. Поэтому в качестве целевого функционала необходимо принять во внимание такой, в котором была бы в полной мере отражена суть протекающих процессов: о где Акс - энергия, потребленная из контактной сети за время пуска Т\ Р — мгновенное значение мощности ЭПС; х — мгновенное значение управляющего воздействия; икс — напряжение контактной сети; Ro6 - сопротивление электриче ской цепи; vd — мгновенное значение фактической скорости ЭПС; ід — мгновенное значение фактического тока тягового двигателя; t — время. Компоненты вектора внешних воздействий (икс, Ro6i vd, ід) не являются стационарными во времени величинами. Проанализируем величины, управляющие объектом: Задающее воздействие является дискретной величиной, которая сохраняет некоторые постоянные значения на протяжении отдельных (и не равных друг другу) моментов времени.
Действительно, в ходе движения по маршруту режимы, заданные водителем, меняются не постоянно, а сохраняются неизменными некоторое время и могут повторяться. ЭПС имеет следующие ограничения: 1. Во первых, момент движителей не должен превышать определенной величины, по условиям сцепления колес с дорогой. 2. Во вторых, в тяговой электрической машине не должно возникать режима «круговой огонь по коллектору». 3. В третьих, ускорение ЭПС должно находиться в допустимых пределах. Все три ограничения определяются предельно допустимой величиной тока тягового двигателя. Кроме того, ток двигателя определяет и электропотребление ЭПС. Следовательно, задача оптимизации ЭПС ГЭТ по электропотреблению сводится к нахождению такого закона изменения тока тягового двигателя, который в ходе реализации цели управления доставлял минимум функционалу При ограничениях: 1д 1тах, где 1тах - максимально допустимый ток тягового двигателя по условиям коммутации, максимально допустимых момента и скорости. Полученная постановка попадает в класс экстремальных задач, а именно как «Задача о минимальном расходе топлива» [17,24,47,100,108]. Синтез закона управления следует начать с рассмотрения полученной математической модели объекта управления.
Математическая модель процесса разгона и движения ЭПС ГЭТ с РКСУ представляет собой систему двух дифференциальных уравнений: где d со д I dt - угловое ускорение двигателя, F p - сила тяги на колесе, « ,, - углова скорость двигателя, \д - ток двигателя, Мпр - приведенная масса, RK - радиус колеса, Цр0д - коэффициент передачи редуктора, J - момент инерции, U - напряжение на токоприемнике, Ro6 - общее сопротивление цепи, Ф - магнитный поток, L - магнитная индукция. Так как мы решаем задачу для тягового режима, то F p берем равным: „ с-Ф(/5В справочной литературе приводятся таблицы значений потока Ф от тока I. Однако этого недостаточно для использования в математической модели, ввиду того, что функция задается в небольшом количестве точек. Поэтому необходимо расширить область определения функции
Синтез закона оптимального управления электроподвижным составом
Далее рассмотрим ограничения накладываемые на систему: во-первых ус-корение должно быть не меньше 1.2 м/с" и не больше 1.5 м/с , данное ограничение накладывается в соответствии с требованиями к комфорту и энергоэффективности (см раздел 2.2.). Используя данное ограничение будем выбирать ускорение из данного интервала обеспечивающее минимальное значение выражения Во-вторых, в тяговой электрической машине не должно возникать режима «круговой огонь по коллектору», данное ограничение математически можно записать 1д /„(1.5-2) и в-третьих, момент движителей не должен превышать определенной величины, по условиям сцепления колес с дорогой, т. е. сила сцепления с дорогой должна быть больше силы тяги на колесе Тк Fp. Это неравенство можно представить в виде где Wo6- сопротивление движению от трения. Из неравенства (113) следует, что В результате решения данной задачи с учетом ограничений наложенных на систему получаем желаемую зависимость тока от скорости характеризующую оптимальное управление рис. 17. Далее подставляя в имитационную модель значение нового тока и значение нового сопротивления получаем график характеризирующий энергетические затраты и сравнивая эти затраты с энергетическими затратами реальной системы управления видим, что экономия электроэнергии в результате полученных результатов составляет около 28 % (рис. 18, 19). В описании математической модели нигде специально не оговаривались величины параметров входящих в нее. Это соответствует широкой применимости полученной модели, для различных типов двигателей.
При варьировании остальных (не паспортных) величин алгоритм устойчив и обладает адекватностью [13, 14,24,26,27,105, 133]. Блок-схема алгоритма поиска закона оптимальной зависимости скорости тягового двигателя от тока приведена на рис. 20. При синтезе закона оптимального управления тяговым двигателем использовались паспортные данные троллейбуса ЗиУ - 682 - Г. Эта модель троллейбуса составляет подавляющее большинство парка троллейбусных депо г. Красноярска и большинства городов России. (На предприятии МП «Горэлектротранс» г. Красноярска эта модель составляет 92% парка, а по России в целом — 75 %.) Анализ процесса эксплуатации существующих систем тягового электропривода показал необходимость снижения эксплуатационных затрат ЭПС ГЭТ, в том числе и за счет решения задачи минимизации оптимизации о энергопортебления. Синтезированный закон оптимального управления тяговым электроприводом постоянного тока пригоден для управления ТЭП ЭПС ГЭТ с РКСУ и другими объектами с двигателями последовательного возбуждения и релейными системами управления. Для технической реализации системы оптимального управления необходимо разработать: систему датчиков мгновенных значений тока, напряжения контактной сети, положения контроллера водителя, и фактической скорости ЭПС; микропроцессорную систему, реализующую функции контроля и управления по оптимальному закону; программное обеспечение микропроцессорной системы.
Программное обеспечение микропроцессорной системы
Микропроцессорная система призвана выполнять две функции: 1. Синтезировать оптимальную зависимость скорости тягового двигателя от тока при изменении параметров подвижного состава (тип, масса, число и модель тяговых двигателей и пр.) 2. Синтезировать управляющее воздействие таким образом, чтобы рабочая точка зависимости скорости от тока тягового двигателя всегда находилась на оптимальной кривой. Первая функция представляет собой синтез оптимального закона управления. Алгоритм программы приведен на рис. 20. Разница заключается лишь в том. что вместо формирования массива выходных данных происходит запись таблицы функции скорости ТД от тока в ПЗУ МПСУ. Приведенный алгоритм реализован на ассемблере используемого микропроцессора. Листинг блока программы приведен в приложении 2. Вторая функция представляет собой синтез управляющего воздействия в реальном времени, в соответствии с таблично заданной функцией оптимальной зависимости скорости тягового двигателя от тока. Алгоритм программы представлен на рис. 51, а листинг блока программы приведен в приложении 2. В микропроцессорной системе одновременно может функционировать только одна из программ. Основной является вторая программа, реализующая закон управления в реальном времени. Вследствие малого времени выполнения одной команды микропроцессорной системой по сравнению с инерцией объекта управления вопрос анализа быстродействия не актуален. Результаты работы программы синтеза закона оптимального управления хранятся в ПЗУ микропроцессорной системы и формируются перед началом эксплуатации предлагаемой системы управления на новом типе подвижного состава.
Эта программа однократно формирует таблицу зависимости скорости oi тока в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 20, данные которой являются основой для работы управляющей программы. 1. Разработанная система датчиков мгновенных значений тока тягового двигателя, скорости ЭПС, напряжения контактной сети, и положения контроллера водителя в совокупности с согласующим устройством, генерирует цифровой сигнал (соответствующий мгновенным значениям указанных величин) в реальном времени с достаточной степенью точности. 2. Микропроцессорная система управления в реальном времени и с достаточной степенью точности решает оптимизационную задачу синтеза закона управления током тягового двигателя в зависимости от параметров подвижного состава и условий его эксплуатации. 3. Микропроцессорная система управления формирует мгновенный ток тягового двигателя (в зависимости от величин фактической и заданной скорости тягового двигателя, напряжения контактной сети и фактического тока тягового двигателя), воздействуя на подмагничивающую катушку реле ускорения-торможения ЭПС. 4. Программное обеспечение микропроцессорной системы, занимая не большой объем памяти, обеспечивает нормальное функционирование микропроцессорной системы оптимального управления. 5. Вычисленный оптимизирующей системой ток тягового двигателя (от времени) переводит объект управления из фактического состояния в желаемое с минимальными энергозатратами. После окончательного синтеза системы управления необходимо проанализировать характеристики оптимизированного ЭПС и сравнивать их с не оптимизированным ЭПС. Для получения характеристик оптимизированного ЭПС необходимо установить оптимизирующую систему на ЭПС и провести эксперимент [2, 36, 55, 89,97,127,131, 136]. Аппаратно-программная реализация системы оптимального управления ЭПС позволила внедрить опытный образец микропроцессорной системы оптимального управления на эксплуатируемый подвижной состав. Акты внедрения представлены в приложении 3. Суть эксперимента заключается в сравнении электропотребления троллейбуса до- и после внедрения системы оптимального управления при различных режимах работы. Для получения достоверных данных необходимо точно повторить все условия эксперимента с установленной системой управления, и без нее. Такими условиями являются: маршрут следования, время суток, время года, погодные условия, фактическое состояние транспортного средства, степень загрузки, уровень напряжения в контактной сети. Учет электроэнергии можно производить непосредственно на подвижном составе. Однако для этого потребуется разработка высоковольтного счетчика постоянного тока, что не входило в задачи диссертации. Кроме того, измерение количества потребленной энергии непосредственно на транспортном средстве не позволяет учесть влияние оптимизирующей системы в контуре управления ТЭП на систему электроснабжения. Примером тому может явиться сравнение электропотребления ЭПС при использовании ТИСУ либо РКСУ. При измерений электропотребления непосредственно на транспортном средстве ТИСУ показывает явное преимущество (пониженный расход электроэнергии). Однако переменная составляющая тягового тока, которая появляется при использовании ТИСУ, загружает контактную сеть и оборудование тяговой подстанции реактивной мощностью. И, при замере расхода электроэнергии на тягу непосредственно на тяговой подстанции он оказывается практически одинаковым для ТИСУ и РКСУ. Учитывая еще и тот факт, что учет электроэнергии потребленной предприятием ГЭТ производится именно с высокой стороны тяговых подстанций, в ходе проведения эксперимента будем ориентироваться на показания существующих приборов учета. Приборы работают в системе учета энергопотребления предприятия МП «Горэлектротранс» г. Красноярска, находятся в исправном состоянии и подвергаются систематической поверке в соответствии с требованиями органов Энергонадзора. Маршрут следования испытуемых единиц ЭПС должен пролегать по фидерам контактной сети, принадлежащих одной тяговой подстанции. В противном случае пришлось бы суммировать показания приборов различных подстанций. Если распределение энергии потребленной от разных подстанций окажется не равным, то придется учитывать и погрешность измерительных приборов. Этого можно избежать, если транспортное средство будет работать в зоне обслуживания одной подстанции. Приборы учета электроэнергии тяговой подстанции считают всю энергию, потребленную от данной подстанции всеми транспортными средствами. Следовательно, в ходе проведения эксперимента во всей зоне электроснабжения одной подстанции не должно работать других единиц ЭПС. Это означает, что эксперимент необходимо проводить в ночное время, когда работа подвижного состава на линии (согласно расписанию) уже закончена. Проведение эксперимента в ночное время, ни коим образом не мешает имитировать помехи движению (производить частые пуски и торможения), и эксплуатировать ЭПС с различной нагрузкой (загружать салон ЭПС различной массой) имитируя различную интенсивность пассажиропотока.
