Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы адаптивного оптимального управления тяговыми двигателями постоянного тока электроподвижного состава, обоснование и выбор объекта исследования 11
1.1. Состояние и важность проблемы управления тяговыми двигателями постоянного тока электроподвижного состава 11
1.2. Анализ факторов, влияющих на расход электрической энергии тяговыми двигателями электроподвижного состава 18
1.3. Анализ и классификация методов, систем оптимального управления 26
1.4. Адаптивные ситсемы управления электроподвижного состава 34
1.5. Постановка задачи исследования. выбор критерия систем оптимального управления тяговыми двигателями. 36
1.6. Выводы 38
2. Выбор и обоснование эффективных алгоритмов управления тяговыми двигателями 39
2.1. Оптимизация управления тяговым подвижным составом по критерию минимума механической работы, совершенной тяговыми двигателями 39
2.1.1. Постановка задачи оптимального управления 39
2.1.2. Оптимальные режимы управления движением эпс 43
2.1.3. Необходимые условия оптимальности 48
2.1.4. Расчет оптимальной траектории движения поезда на участках с легким уклоном пути 52
2.2. Оптимизация управления тяговыми двигателями при движении электроподвижного состава в режиме стабилизации 58
2.3. Выводы '. 64
3. Анализ возможностей использования тяговых двигателей постоянного тока и разработка способов управления для повышения эффективности эксплуатации электроподвижного состава 65
3.1 Существующие схемы управления тяговыми двигателями эпс постоянного тока 65
3.2. Усовершенствование схемы управления тяговыми двигателями эпс постоянного тока 72
3.3. Выводы 85
4. Экспериментальная оценка и оптимизация параметров макросистем методами математического моделирования matlab 86
4.1. Об эффективности и достоверости моделирования электромеханических макросистем 86
4.2. Моделирование режимов эксплуатации и управления тяговых двигателей постоянного тока тл-2к1 89
4.3. Поиск оптимальных параметров управления тяговыми двигателями постоянного тока методами matlab 105
4.4. Выводы по
Заключение '. 111
Литература 113
Приложения 122
- Состояние и важность проблемы управления тяговыми двигателями постоянного тока электроподвижного состава
- Анализ факторов, влияющих на расход электрической энергии тяговыми двигателями электроподвижного состава
- Существующие схемы управления тяговыми двигателями эпс постоянного тока
- Об эффективности и достоверости моделирования электромеханических макросистем
Введение к работе
Актуальность
Железнодорожный транспорт России является достаточно энергоемким и, тем не менее, по удельным расходам топливно-энергетических ресурсов на единицу производимой работы — это наиболее экономичный вид транспорта, на долю которого приходится подавляющее большинство перевозок грузов и до половины пассажирооборота страны.
На рис.1,а представлен удельный расход энергоресурсов, а на рис. 1,6 распределение грузооборота по видам транспорта в процентах.
Рис. 1. Сравнительные соотношения (а) расхода энергоресурсов на единицу транспортной продукции (на 1 т-км) и распределение грузооборота по видам транспорта (б) в 2003 г.
В целом по сети железных дорог ежегодно расходуется 5 - 6 % вырабатываемой в стране электроэнергии и до 6 % дизельного топлива или в натуральных показателях: свыше 40 млрд. кВт-ч электроэнергии, 3 млн. т дизельного топлива, 4,5 млн. т угля, до 1 млн. т мазута, почти 1 млрд. м3 природного газа, 170 тыс. т бензина и до 250 млн. м3 воды. На тягу поездов во всех видах движения приходится около 82 % электроэнергии и 85 % дизельного топлива [38].
Поэтому так важно применение в данной области энергосберегающих технических средств, технологий и мероприятий, которые позволят повысить ресурс тяговых двигателей и улучшить эффективность использования энергоресурсов.
Одним из способов снижения потребления электроэнергии на движение является оптимальное управление тяговыми двигателями электроподвижного состава (ЭПС) с адаптацией к внешним условиям и режимам движения.
В нашей стране на всех типах магистрального ЭПС постоянного тока реально используется только тяговый электропривод с коллекторными тяговыми машинами и дискретным контакторно - реостатным управлением. Поэтому на ближайшие годы в нашей стране тяговые двигатели постоянного тока будут оставаться основным тяговым элементом на ЭПС. Продолжаются разработки и освоение промышленностью новых электровозов, моторных вагонов с этим типом тяговых машин, т.е. возможности улучшения показателей их работы ещё не исчерпаны.
В связи с этим разработка энергосберегающих схем и алгоритмов управления тяговыми двигателями постоянного тока ЭПС несомненно является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка методики выбора оптимальных управляющих параметров и энергосберегающих структур управления тяговым электроприводом постоянного тока.
Основные задачи исследования
- изучение влияния внешних факторов (массы состава, профиля пути, состояния окружающей среды), схем, алгоритмов и параметров управления на расход энергии тяговыми двигателями при движении ЭПС;
8 исследование расширения эксплутационных возможностей тяговых двигателей постоянного тока для повышения эффективности использования ЭПС;
- разработка схем и алгоритмов управления тяговым электроприводом,
учитывающие условия движения ЭПС (масса состава, профиль пути, состояние
окружающей среды), с целью достижения минимума расхода электроэнергии
на тягу;
- разработка имитационной модели схем подключения и управления тяговым
электроприводом в среде Matlab-Simulink, которая позволит оценить
потребление энергии тяговыми двигателями при различных условиях
эксплуатации и определить оптимальные управляющие параметры: количество-
тяговых двигателей, ток якоря, ток возбуждения.
Методы исследований
Методы.исследования определялись характером каждой из поставленных задач и опирались на положения теории электрической тяги и теории методов оптимизации.
Технические исследования выполнялись на ПЭВМ с использованием программы Matlab-Simulink. Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов подтверждается проведенными расчетами и сопоставлением известных, опубликованных в научно- технической литературе достижений.
Научная новизна
- разработана методика выбора оптимальных управляющих параметров, для
регулирования скорости и силы тяги (торможения) в различных режимах;
- определена структура энергосбережения локомотива и на её основе
разработана принципиальная упрощенная схема управления тяговыми
двигателями ЭПС, основанная на совместном применении регулирования тока
9 якоря, тока возбуждения и изменения количества используемых тяговых двигателей, позволяющая расширить возможности оптимального управления тяговыми двигателями постоянного тока, по сравнению с существующими принципами управления ЭПС постоянного тока.
Практическая ценность
предложена принципиальная схема управления тяговыми двигателями постоянного тока ЭПС, обеспечивающая экономию электроэнергии до 3-10% за счет улучшения динамики в режиме пуска, плавного регулирования тока возбуждения, оперативного управления группами тяговых двигателей;
разработанная схема относительно проста в реализации и может быть внедрена на действующих электровозах;
- разработана имитационная модель управления тяговыми двигателями, которая
позволяет на стадии проектирования проверить достоверность теоретических
положений, сформулировать требования к отдельным блокам и оценить
возможности их физической реализации.
Достоверность результатов
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием при решении поставленных задач корректных математических методов, обоснованностью применяемых допущений, а также сравнительным анализом экспериментальных данных, полученных на опытном полигоне ВНИИЖТ и данных имитационного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту
разработанная методика выбора оптимальных управляющих параметров при движении ЭПС в различных режимах;
выбор и обоснование структуры энергосберегающей схемы управления.
Апробация работы
По диссертационной работе опубликовано 6 статей и 5 тезисов, результаты работы докладывались на 4 Международных и на 1 Всероссийской конференциях.
Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих
конференциях и семинарах: XI Международная научно-техническая
конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика» (г. Москва, 2005 г.), XII Международная научно-техническая
конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика» (г. Москва, 2006 г.), III Всероссийская научно-практическая
конференция «Системы управления электротехническими объектами» (г.Тула,
2005 г.), V Международный симпозиум «Ресурсоэффективность и
энергосбережение» (г. Казань, 2004 г.), VI Международный симпозиум
«Ресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань, 2005 г.),
Международная научно-практическая Интернет-конференция
«Электрооборудование и электрохозяйство: процессы и системы управления-ЭЭПС-2005» (г. Казань, 2005 г.), а также регулярно обсуждались на аспирантско - магистерских семинарах КГЭУ.
Состояние и важность проблемы управления тяговыми двигателями постоянного тока электроподвижного состава
В связи с постоянной увеличивающейся загрузкой железных дорог все большее значение будут приобретать методы и системы управления, которые позволят оптимизировать потребление энергии ЭПС на его тягу.
Созданное в 2003 г. ОАО «Российские железные дороги» планомерно проводит политику, направленную на снижение расхода топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте, основным энергоносителем которого является электроэнергия (50 - 55%) [41].
Согласно этой политике, первостепенное значение в энергосбережении отводится тяговой энергетике. В формировании удельных расходов энергоресурсов на тягу поездов участвуют практически все основные хозяйства железных дорог. На электрифицированных участках в этом отношении велика роль организации перевозочного процесса и применения энергоэкономных режимов вождения поездов.
В области тяги поездов - это, прежде всего, внедрение ресурсосберегающих технических средств и технологий.
Следует отметить, что только 1% экономии энергоресурсов в целом по отрасли обеспечивает снижение годовых эксплуатационных расходов примерно на 700 млн. руб. (в ценах 2003 г.) [38].
Анализ основных каналов формирования потерь энергоресурсов по всем техническим средствам и технологиям железнодорожного транспорта позволил выбрать основные технические решения по повышению энергетической эффективности и энергосбережению как на ближайший период (табл. 1.1), так и на перспективу до 2020 г.
Вождение ЭПС по графику с наименьшим удельным расходом электроэнергии возможно лишь при учете многих факторов. В зависимости от веса и типа состава, погодных условий, наличия ограничений по скорости движения каждый рейс по одному и тому же участку ЭПС может пройти по -разному.
Многие мероприятия в разной мере уже применяют на сети дорог в рамках реализации ежегодных программ ресурсосбережения, что дает определенный эффект по снижению расходов энергоресурсов и затрат на них (500 - 800 млн. руб. в год, срок окупаемости 2-3 года). Оценка возможностей реализации энергосберегающих технических решений и технологий показывает, что в отрасли стратегически достижимыми ориентирами по энергосбережению (с учетом финансовых аспектов) к 2020 г. являются следующие значения интегрального снижения показателей: - удельных расходов энергии на тягу поездов — на 10 — 12 % (электрическая тяга) и 12 - 15 % (тепловозная); - удельного расхода электроэнергии на эксплуатационные нужды — на 20 — 25 %; - общего расхода энергетических ресурсов в стационарной теплоэнергетике — на 30 - 40 %.
По заданию руководства отрасли в кооперации с ВНИИЖТом разработан и внедряется в рамках Программы ресурсосбережения серийный ряд изделий интеллектуальных систем автоматизированного управления движением поезда. Основой таких систем стала бортовая унифицированная микропроцессорная система автоведения поезда («Автомашинист»). Она представляет собой программно-аппаратный комплекс, построенный по модульному принципу, обеспечивающий автоматизированное управление движением локомотива на основе расчета оптимальных режимов движения при наборе скорости и торможении. Автомашинист позволяет с высокой точностью выполнить график движения, соблюдение которого может дать большой экономический эффект, обеспечить оптимальный расход электроэнергии и значительно, согласно исследованиям ученых Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожной гигиены облегчить труд машиниста.
В настоящее время системами автоведения полностью оборудован парк электропоездов России и депо Минск. Регистраторы параметров движения и автоведения установлены практически на всех электропоездах постоянного тока. На Горьковской дороге начато внедрение регистратором параметров движения и автоведения на электропоездах переменного тока. Системами автоведения и регистраторами параметров движения оборудованы все пассажирские электровозы ЧС7, более 374 электровозов серий ЧС2 на пяти дорогах и 224 электровоза ВЛ10 на шести дорогах. Электровозы дополнительно оснащаются устройствами коррекции координат, позволяющими своевременно корректировать координату местонахождения поезда после боксования или юза колесных пар локомотива. Разработаны системы автоведения и регистраторы параметров движения электровозов переменного тока пассажирского движения ЧС4Т и грузового ВЛ80С, а также для скоростного движения ЧС6 и ЧС200 [38].
Более половины грузоперевозок по Российской Федерации и странам ближнего зарубежья осуществляется магистральными электровозами следующих основных серий: восьмиосные - переменного тока напряжением 25 кВ ВЛ — 80 различных модификаций и постоянного тока напряжением 3 кВ ВЛ - 10 и ВЛ — 8; шестиосные - переменного тока 25 кВ ВЛ - 60 и ЧС4, постоянного тока 3 кВ В Л - 23, В Л- 22 и ЧС2.
На электровозах по состоянию на 01.09.2004 г. эксплуатируется свыше 71 тыс. тяговых двигателей различных типов. Наиболее массовыми являются тяговые двигатели постоянного тока НБ-418К и ТЛ2К1, соответственно 35,9 и 37,9% от общего количества тяговых двигателей [43].
В нашей стране на всех типах магистрального ЭПС постоянного тока реально используется только тяговый электропривод с коллекторными тяговыми машинами и дискретным контакторно - реостатным управлением [19,20,53].
Поэтому на ближайшие годы в нашей стране тяговые двигатели постоянного тока будут оставаться основным тяговым элементом на ЭПС. Продолжаются разработки и освоение промышленностью новых электровозов, моторных вагонов с этим типом тяговых машин, т.е. возможности улучшения показателей их работы ещё не исчерпаны [56].
Во многих государствах, где железнодорожный транспорт является основным средством перевозок грузов, на локомотивах стал широко внедряться асинхронный тяговый привод. Простота конструкции, меньшие по сравнению с тяговым электродвигателем постоянного тока габариты и отсутствие щеточно-коллекторного узла делают тяговый асинхронный электродвигатель (ТАД) привлекательным для энергетических систем.
Руководство ОАО "РЖД", учитывая опыт эксплуатации асинхронного привода за рубежом, приняло решение оборудовать перспективные локомотивы таким приводом. Однако опытные образцы локомотивов, моторвагонных поездов, а также высокоскоростной электропоезд «Сокол» показали не лучшие результаты работы электрической передачи переменного тока. Связано это не только со сложностью системы управления электроприводом такого типа и низкой надежностью статических преобразователей, но и с тем, что не определены области рационального использования ТАД [41].
Анализ факторов, влияющих на расход электрической энергии тяговыми двигателями электроподвижного состава
В работе рассматриваются электрические схемы электровоза постоянного тока ВЛ-10. На двухсекционном электровозе установлено 8 тяговых двигателей ТЛ-2К1, электромеханические характеристики которого представлены на рис. Электромеханические характеристики тягового электродвигателя ТЛ-2К1приС/д=1500В Режим пуска
На электровозах постоянного тока пуск начинают при последовательном соединении 8 тяговых двигателей (С), используя последовательное возбуждение (рис. 3.2), с включенными в их цепь пусковыми резисторами, которые постепенно выводят из цепи. КС + OBI овп
При последовательном соединении двигателей С, когда их токи одинаковы, различие в характеристиках приводит к перераспределению напряжений и сил тяги между ними.
Распределение э.д.с. и электромагнитных сил тяги между последовательно соединенными двигателями [67] E]:E2:...:En=F,:F2:...:Fn= : :... -.
В данном случае различие в развиваемых ими силах тяги зависит не от жесткости характеристик, а только от отклонений скоростных характеристик. Наиболее нагруженными оказываются двигатели с меньшей частотой вращения.
По данным Тбилисского электровозостроительного завода опыт эксплуатации электровозов со статическими преобразователями подтверждает их более высокую надёжность и эффективность по сравнению с электровозами, оснащенными преобразователями НБ-436В. Преимущества достигаются, в основном, за счёт малоинерционности системы, т.е. быстродействия, облегчающего защиту тяговых двигателей при аварийных и переходных режимах, система формирует механически устойчивые тормозные характеристики, которые не склонны к юзу по сравнению с механически неустойчивыми характеристиками, формирующимися системой автоматического управления рекуперативного торможения САУРТ, способствующие развитию юза.
ОАО «Электровыпрямитель» является ведущим производителем преобразовательной техники для железнодорожного транспорта в России. Сегодня на предприятии ведется разработка и освоение новых типов преобразователей для электроподвижного состава, в частности, для модернизации электровозов постоянного и переменного тока были разработаны и изготовлены многоканальные статические преобразователи М-ПП-200М и М-ОМП-3500. Преобразователи выполнены на современной элементной базе с использованием силовых полупроводниковых приборов собственного производства.
Для модернизации электровозов постоянного тока ВЛ-10 разработан преобразователь М-ПП-200М, предназначенный для преобразования постоянного напряжения 3 кВ контактной сети в многоканальную систему напряжений. Конструктивно М-ПП-200М состоит из шкафа с двухсторонним обслуживанием. Режим тяги
По мере разгона состава переходят с последовательного соединения 8 двигателей на две параллельные группы тяговых двигателей (СП). В каждой группе 4 тяговых двигателя соединяются последовательно (рис 3.4).
На высоких скоростях движения переходят с 2 параллельных групп тяговых двигателей на 4 параллельные группы (П). В каждой группе 2 тяговых двигателя соединяются последовательно (рис 3.5).
Дискретное управление, применяемое на электровозе ВЛ-10, подразумевает применение одну из ступеней ослабления возбуждения тяговых двигателей. Включая один из контакторов 1, 2 или 3, получают уменьшение сопротивления цепи ослабления возбуждения на определенную величину. Соответственно это вызывает увеличение тока в обмотке индуктивного шунта и уменьшении магнитного потока обмотки возбуждения ОВ (рис. 3.3).
Существующие схемы управления тяговыми двигателями эпс постоянного тока
Для электропоездов и электровозов, где регулирование скорости осуществляется переключением ступеней пускового реостата, схем соединений тяговых двигателей и шунтирующих сопротивлений обмотки возбуждения, задача оптимального, адаптивного управления превращается в задачу комбинаторную, задачу о выборе наилучшей последовательности переключений коммутирующей аппаратуры. Однако с появлением современных силовых управляемых полупроводниковых ключей (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT) появилась возможность обеспечить регулирование тока якоря электродвигателя и тока возбуждения.
Для этого предлагается упрощенная принципиальная схема управления тяговыми двигателями электровоза ВЛ-10 (рис. 3.6 - 3.7). Оптимальная диаграмма тока якоря: осуществление пуска с максимально возможным током /яmax с учетом ограничений на условия сцепления и мощность тягового двигателя. Согласно ГОСТу максимальное значение пускового тока выбирается из условия, которое даст наименьшее его значение: \21ч Ятах -\ , У1СЦ max Іч - часовой ток двигателя; 1Сцmax " максимально допустимый ток по сцеплению [56].
Импульсное управление осуществляется до достижения скорости пуска. Далее Г- образный фильтр и транзисторы VT 1 шунтируются контакторами К1 для снижения электрических потерь.
Предлагается в период пуска вместо последовательной применять независимую систему возбуждения, которая позволит лучше использовать сцепную массу, а, следовательно, осуществить более полное использование мощности тяговых двигателей (рис.3.7)
Применение статического преобразователя даст возможность увеличить ток возбуждения в режиме пуска, что приведет к уменьшению тока якоря и скорости пуска при той же силе тяги. И, следовательно, к уменьшению потребленной электроэнергии при пуске, так как при той же силе тяги двигатели обтекаются меньшим током за меньшее время.
Основное сопротивление движению: w0 = а + bv + cv2 . Оптимальные диаграмма тока якоря: 0 .4 / ч I да 1 .2 І ч Наиболее сложным является алгоритм поддержания заданной скорости. Основная сложность поддержания заданной скорости состоит в противоречии между возможной максимальной частотой переключения позиций контроллера и точностью отработки скорости. Как упоминалось выше, большая часть электровозов, используемых на железных дорогах РФ, имеет дискретное управление тягой. Если на электровозах переменного тока начиная с электровоза ВЛ-80р применяются схемы с плавным регулированием напряжения на двигателе, то все электровозы постоянного тока имеют ступенчатое регулирования напряжения на тяговых двигателях. При этом регулирование напряжения на тяговых двигателях при изменении схемы соединения осуществляется с использованием реостатов в цепях тяговых двигателей. Длительная езда возможна только на безреостатных позициях полного или ослабленного полей возбуждения тяговых двигателей. Зона реостатных позиций на графике тяговых характеристик локомотива значительна, что означает отсутствие возможности поддерживать необходимую заданную скорость с помощью точного подбора нужной ходовой позиции (рис. 3.9).
Плавное регулирование возбуждения может проводиться при помощи импульсного преобразователя, включенного параллельно с обмоткой возбуждения (рис. 3.8).
Об эффективности и достоверости моделирования электромеханических макросистем
Для расчетов и моделирования отдельных подсистем в течение многих лет используют высокопроизводительные программы и операционные системы, которые постоянно совершенствуются. Современные системы моделирования обеспечивают высокое качество решения задач применительно к отдельным областям. Все большее число имеющихся инструментов безупречно реализует автоматический обмен информацией. Благодаря этому расчеты электромеханических систем может производить не только узкоспециализирующийся персонал, но и рядовые специалисты, выполняющие рутинные операции в процессе разработок [21,25].
Программа Matlab-Simulink используется для непосредственного решения проблем регулирования систем электропривода. Некоторые изготовители подвижного состава применяют хорошо зарекомендовавшие себя программы и одновременно стремятся обеспечивать обмен исходными данными и результатами расчетов между моделями разных систем. Для этого используют интерфейсы, позволяющие реализовать обмен данными между моделями механических и регуляционных процессов уже на первой стадии разработки. Это дает возможность своевременно получать как можно более точную информацию о поведении электромеханической системы как о макросистеме и непосредственно сопоставлять его с поведением физической системы [29,49,50].
Разработка узлов современной техники, как правило, проходит несколько этапов — от идеи до экспериментального образца. Затраты на создание экспериментального образца могут быть значительно снижены, если предварительно по математическому описанию создать виртуальную модель. Чем сложнее физический блок, тем тщательнее должны выполняться базовые этапы виртуальной модели: математическое описание и цифровое моделирование [83].
Matlab - одна из старейших, тщательно проработанных и проверенных временем систем автоматизации математических расчетов, построенная на расширенном представлении матричных операции. Это нашло отражение в названии системы - MATrix LABoratory - матричная лаборатория [28].
Для моделирования энергетических систем, включая устройства электротехники и промышленной электроники, служит пакет расширения Power System Blockset.
В этот пакет входят библиотеки следующего назначения: 1 .Electrical Sources - источники электрической энергии и сигналов; 2. Elements — линейные и нелинейные элементы электротехнических и электронных устройств; 3. Extra Library - специальная расширенная библиотека блоков- масок; 4. Machines - электрические машины; 5. Measurements - измерительные и контрольные устройства; 6. Phasor Element - элемент моделирования трехфазных систем; 7. Power Electronics - блоки устройств энергетической электроники; 8. Powergui — графический интерфейс пользователя пакета моделирования энергетических систем.
Их применение позволяет создавать модели самых разных энергетических устройств и выполнять их моделирование в режиме работы виртуальных устройств.
В работе наибольшее применение получила библиотека Machines, которая содержит модели ряда электрических машин постоянного тока, а также синхронных и асинхронных машин переменного тока [64].
Машины могут моделироваться в режимах двигателя или генератора, что открывает возможности моделирования, как самих машин, так и достаточно сложных систем управления.
Для решения оптимизационных задач Matlab располагает пакетом оптимизации Optimization Toolbox. Данный пакет поддерживает основные методы оптимизации функций ряда переменных: безусловная оптимизация нелинейных функций; метод наименьших квадратов и нелинейная интерполяция; решение нелинейных уравнений; линейное программирование; квадратичное программирование; условная минимизация нелинейных функций; метод минимакса; многокритериальная оптимизация.
При необходимости программный комплекс легко можно дополнить другими моделями адаптивных регуляторов, тем самым, расширив полноту проводимых экспериментов. Следует отметить, что MatLab обладает средствами для работы с устройствами ввода- вывода, такими как АЦП, это даёт возможность подключать внешние (реальные) объекты управления и осуществлять регулирование в режиме реального времени [40].
