Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих систем электроснабжения. Выявление вопросов, требующих изучения и решения .
1.1. Краткий исторический обзор развития систем электроснабжения пассажирских вагонов 13
1.2. Общая постановка задачи исследования 15
1.3. Общие сведения об объекте управления. 18
1.4 Предварительный выбор структуры системы управления электроснабжением вагона
1.5. Вопросы, требующие изучения и решения. 29
1.5.1. Влияние статических преобразователей на качество напряжения в низковольтной вагонной сети
1.5.2 Предварительный анализ режимов совместного функционирования генератора и аккумуляторной батареи на вагоне 38
Результаты и выводы по главе 1 47
Глава 2 Теоретический анализ работы устройств системы электроснабжения и определение их параметров и характеристик 49
2.1. Расчетно-аналитическое и экспериментальное определение параметров генератора 49
2.1.1. Замена индукторного генератора эквивалентным явнополюсным синхронным генератором. 50
2.1.2. Расчет параметров эквивалентного синхронного генератора . 51
2.1.3. Сравнение расчетных и экспериментально определенных значений тока возбуждения и корректировка расчетных параметров индуктивных сопротивлений, учитывающая расхождение в значениях тока возбуждения
2.2. Определение диапазона изменения тока возбуждения генератора в установившихся режимах. 60
2.3. Анализ режимов работы аккумуляторной батареи и определение ее основных параметров 65
2.4. Обоснование и разработка упрощенных математичских выражений для силовой части преобразователей электроэнергии 71
Результаты и выводы по главе 2 81
Глава 3 Разработка математических моделей основных устройств системы электроснабжения и системы электро снабжения в целом . 83
3.1. Математическая модель генераторно выпрямительного блока 83
3.2 Упрощённая модель генераторно-выпрямительного узла 97
3.3. Математическая модель аккумуляторной батареи 102
3.4 Реализация разработанных моделей в программном пакете MatLab и построение модели системы электроснабжения 108
Результаты и выводы по главе 3 112
Глава 4 Разработка алгоритма управления системой электроснабжени 113
4.1. Основные требования к системе управления электроснабжением 113
4.2. Схема с непосредственным подключением аккумуляторной батареи 115
1. Регулирование напряжения возбуждения генератора 117
2 Разработка алгоритма управления потребителями 130
Схема с подключением аккумуляторной батареи через обратимый конвертор
Результаты и выводы по главе 4 154
Заключение 155
- Краткий исторический обзор развития систем электроснабжения пассажирских вагонов
- Расчет параметров эквивалентного синхронного генератора
- Математическая модель генераторно выпрямительного блока
- Регулирование напряжения возбуждения генератора
Введение к работе
Актуальность темы
Протяжённость электрифицированных железных дорог составляет примерно половину от общей протяжённости Российских железных дорог (РЖД). Таким образом, созданы предпосылки для применения централизованного электроснабжения потребителей пассажирских поездов, которое в СССР началось в 60-е годы с внедрения высоковольтного отопления, как наиболее энергоёмкого потребителя вагона. При этом низковольтные потребители (цепи управления, освещение, вентиляция и др.) питались от системы автономного электроснабжения, включающей в себя генератор с приводом от оси колёсной пары и аккумуляторные батареи большой ёмкости.
За последнее пятилетие были созданы первые отечественные образцы системы централизованного электроснабжения пассажирских вагонов, которые сейчас проходят проверку временем в реальных условиях эксплуатации. Система централизованного электроснабжения является перспективным направлением и заслуженно пользуется повышенным вниманием со стороны предприятий и организаций РЖД.
Вместе с тем остается реальностью, что подавляющее большинство (более 98%) как эксплуатирующихся, так и вновь изготавливаемых вагонов оборудованы системой автономного электроснабжения и что половина железных дорог РФ не электрифицирована, а, значит, эксплуатация пассажирских вагонов в этих условиях возможна лишь с системой автономного электроснабжения.
Повышение уровня комфорта пассажиров потребовало увеличения количества и мощности электропотребителей (установка кондиционирования воздуха, вентиляторы, насосы, бытовые устройства и т.д.), что вызвало необходимость увеличения мощности источников питания системы электроснабжения вагона. За последние десятилетия мощность генератора пассажирского вагона возросла с 8 до 32 кВт.
Таким образом, система автономного электроснабжения электропотребителей пассажирского вагона, включающая в себя источники электроэнергии (генератор и аккумуляторная батарея), а также преобразователи рода и величины напряжения, к настоящему времени стала весьма разветвленной и сложной системой. Режимы работы, как самой системы электроснабжения пассажирского вагона (СЭПВ), так и входящих в нее устройств отличаются большим многообразием и сильным взаимным влиянием устройств, многие из которых имеют свои системы управления или стабилизации. В этих условиях резко возрастают требования к надежности системы электроснабжения. Так, например, при аварийном отключении установки кондиционирования воздуха в летний период, особенно в южных районах, в вагоне в течение короткого времени создаются настолько тяжелые температурные условия, что это вынуждает принимать в пути экстренные меры, вплоть до освобождения вагона от пассажиров [8].
Исторически так сложилось, что системы электроснабжения развивались, в основном, за рубежом. До конца 1980-х годов пассажирские вагоны для СССР выпускали в ГДР (завод Ammendorf). Тем не менее, вопросам электроснабжения пассажирских вагонов уделялось и уделяется внимание со стороны отечественных ученых и специалистов. Особенно большой вклад в решение проблем электроснабжения пассажирских вагонов внесли работы Г.Г. Гомолы, С.Н. Моделя., З.М. Рубчинского, Б.Н. Ребрика, А.А. Шустера, О.Н. Назарова, В.А. Королькова и других.
Однако до настоящего времени система автономного электроснабжения пассажирских вагонов, во многом развивается по пути «навешивания» электропотребителей на бортовую сеть, без достаточной комплексной проработки, касающейся взаимодействия и взаимовлияния источников, преобразователей и потребителей электроэнергии. Например, эксплуатируются вагоны с напряжениями бортовой сети 50 В и 110 В, с преобразователями для климатических установок, имеющими выходное напряжение 3 х 220 В и 3 х 380 В
при частотах до 70 Гц и до 400 Гц. Уровень мощности и режимы работы электропотребителей зачастую определяются тем, что предлагают фирмы -поставщики. Условия работы устройств автономной СЭПВ и их взаимное влияние при эксплуатации вагона остаются во многом не изученными, есть данные о наличии негативных факторов. К таким факторам, в частности, относятся перенапряжения, а также колебания токов и напряжений в силовых цепях СЭПВ и мешающее влияние устройств на информационном уровне.
Вышеизложенное свидетельствует об актуальности работ, направленных на решение проблемы совершенствования системы автономного электроснабжения в целом и совершенствования системы управления электроснабжением пассажирского вагона, как части общей проблемы.
Предприятие ЗАО «Кросна-Электра», производит комплекты электрооборудования ЭВА-110.01, предназначенные для электроснабжения пассажирских вагонов с автономным электроснабжением низковольтных потребителей электроэнергии, кондиционированием воздуха и комбинированным отоплением. ЗАО «Кросна-Электра» совместно с Московским энергетическим институтом (техническим университетом) - МЭИ (ТУ) - при участии автора проводит работы, направленные на расширение номенклатуры выпускаемой продукции, а также совершенствование устройств, входящих в комплект и методов и средств испытаний комплекта. Данная диссертация систематизирует и обобщает некоторые результаты работы, проделанной автором в вышеуказанном направлении.
Цель диссертационной работы - разработка системы управления электроснабжением пассажирских вагонов, обеспечивающей улучшение технико-экономических показателей системы автономного электроснабжения пассажирских вагонов.
Исходя из указанной цели, поставлены и решены следующие задачи:
- проведен анализ ряда существующих систем электроснабжения, выявлены вопросы, требующие изучения и решения,
с помощью программно-вычислительного моделирования, а также экспериментальным путем проведено определение параметров устройств системы электроснабжения,
разработаны математические модели основных устройств системы электроснабжения и системы электроснабжения в целом,
выполнено математическое и «квазианалоговое» моделирование, адекватное решаемым задачам,
проведены аналитические, модельные и стендовые исследования и испытания,
предложены рекомендации к проектированию и проведено опытно -промышленное освоение в новых перспективных комплексах систем электроснабжения.
Методы исследования. При решении вышеуказанных задач использованы общепринятые в электротехнике аналитические методы, включая классический и операторный методы расчета переходных процессов, метод переменных состояний, методы линеаризации, методы обобщенной теории электрических машин, методы компьютерного моделирования. Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов моделирования подтверждена данными экспериментальных исследований и испытаний, проведенных на стендах, а также путем анализа работы системы электроснабжения в условиях эксплуатации.
Научная новизна
- предложена и реализована методика определения параметров индук
торного подвагонного генератора, базирующаяся на расчетно-аналитических
и экспериментальных методах, позволяющая использовать значения вычис
ленных параметров при разработке математической модели генератора и
системы электроснабжения в целом,
получены упрощенные математические выражения для силовой части преобразователей электроэнергии, используемые при разработке математической модели системы электроснабжения,
с использованием преобразований Парка - Горева разработана математическая модель индукторного генератора с выпрямительной установкой, позволяющая исследовать нестационарные режимы работы системы электроснабжения,
предложена математическая модель аккумуляторной батареи, используемая при разработке математической модели системы электроснабжения,
разработана математическая модель системы электроснабжения, позволяющая проводить работы по совершенствованию системы управления электроснабжением и для проведения исследований режимов работы электрооборудования,
предложен новый вариант системы электроснабжения с обратимым преобразователем в цепи аккумуляторной батареи.
Практическая ценность работы
Обобщенным практическим результатом работы является разработка системно-алгоритмических средств повышения эффективности системы управления электроснабжением.
Более конкретно это заключается в следующем:
Разработаны рекомендации по совершенствованию системы управления комплектом электрооборудования ЭВА-110.01 и осуществлена их практическая реализация в части блока регулирования напряжения генератора и блока управления климатической установкой.
На ЗАО «Кросна-Электра» в сотрудничестве с МЭИ (ТУ) с участием автора разработана математическая модель системы электроснабжения. Модель позволяет:
проводить предварительные исследования условий работы ис-
точников электроэнергии и преобразователей в различных сочетаниях и из-
меняющихся режимах работы без проведения дорогостоящих стендовых испытаний,
уточнять и дополнять программы стендовых и приемосдаточных испытаний,
продолжать работы по совершенствованию системы управления электроснабжением.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы используются:
1. В виде программно-алгоритмических средств:
в блоке управления климатической установкой, реализованном на основе микроконтроллера фирмы Siemens, сертифицированного для применения на железнодорожном транспорте; блок входит в состав пульта управления комплекта электрооборудования ЭВА-110.01 пассажирского вагона,
в составе системы управления испытательного стенда климатической установки, выпускаемой ЗАО «Кросна-Электра.
При выпуске модернизированного блока регулирования напряжения генератора.
В виде расчетных соотношений и методик при проектировании новых перспективных комплексов систем электроснабжения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Шестой научно-технической конференции по теме: «Новые разработки в области электротехники для автомобильного и электрического транспорта», Москва, ВВЦ, выставка «ЭлектроТехноЭкспо-2005», 2005 г.,
Научно-практической конференции «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения» ко второй годовщине образования ОАО
«РЖД» , «Инновации-2005», г. Щербинка, Экспериментальное кольцо ВНИ-ИЖТ, 2005 г.,
на заседании кафедры «Электрический транспорт» Московского энергетического института (технического университета), 26.04.2006 г.
Публикации. Результаты работы отражены в следующих публикациях.
Ильинский Ю.А. Концепция построения системы управления электроснабжением пассажирского вагона с функциями диагностики оборудования // Научно-практическая конференция ОАО «РЖД». «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения»: сборник докладов - М., - 2005. -С.218
Ильинский Ю.А. Концепция построения системы управления электроснабжением пассажирского вагона с функциями диагностики оборудования // 6-я международная техническая конференция «Новые разработки приводов для электрического транспорта»: сборник докладов - М., - 2005. -С.34-35.
Патент №2253180 Электропривод постоянного тока./ Суслов Б.Е., Хоцянов Д.И., Ермаков СВ., Ильинский Ю.А., Эпштейн Г.В. Опубликован 27.05.2005. Бюл. №15.
Ю.А. Ильинский. Система управления электроснабжением железнодорожного вагона // Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл., Том 2, 2002, - С127-128
Ю.А. Ильинский. Система управления электроснабжением пассажирского вагона // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл., Том 2, 2003, - С. 149-150
Ю.А. Ильинский. Особенности управления системой электроснабжения пассажирских вагонов при изменении режима движения поезда и параметров нагрузки // Десятая международная научно-техническая конферен-
*
ция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез. докл., Том 2, 2004, - С. 154-155
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 5 приложений. Основная часть диссертации содержит 159 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 33 наименований, в том числе 2 на иностранных языках. Общий объем диссертационной работы составляет 187 страниц.
Краткий исторический обзор развития систем электроснабжения пассажирских вагонов
Электроснабжение пассажирских вагонов возникло в 90-х годах Х1Х-го века и развивалось, главным образом, усилиями немецких и американских специалистов. Позже возникнув, параллельно развивались системы электроснабжения самолетов, автомобилей и судов. На первом этапе своего развития система электроснабжения использовалась почти исключительно для обеспечения питания электроосвещения. Мощности генераторов были небольшие. Достаточно отметить, что даже спустя более чем полвека (в 50-х годах XX в) мощности вагонных генераторов составляли 4...5 кВт [1,2]. Повышение жизненного уровня в послевоенной Европе и Америке, а также повышение уровня развития электротехники и электроники привели ко все более возрастающему применению электротехнических (как специальных, так и бытовых) устройств в составе электрооборудования вагонов. Особенно важным было создание полупроводниковых выпрямителей. Состоялся переход от генераторов постоянного тока к генераторам переменного тока с выпрямителем. Это позволило повысить скорость движения вагонов, ограниченную условиями коммутации на коллекторе, и поднять степень надежности генератора с одновременным снижением затрат на его обслуживание. В качестве генераторов различные фирмы пробовали разные типы электрических машин, но основные из них [2]: когтеобразные (фирмы: Bosh, AEG, ВВС, Siemens, Stone и др.) и индукторные (фирмы: Stone, Statodyne, РЭЗ).
Как уже отмечено во введении, к настоящему времени мощность подвагонного генератора на вагонах РЖД достигла 32 кВт. Эта мощность близка к предельной по условиям размещения генератора в подвагонном пространстве. Мощность генератора ограничена его габаритами в связи с ограничениями по частоте вращения его ротора и по частоте вращения карданного вала, повышать которую свыше 3000 об/мин нежелательно [2]. Кроме того, как показывает опыт, повышение частоты вращения свыше 3000 об/мин требует применения двухступенчатого редуктора для передачи момента от оси колесной пары к генератору, что отрицательно влияет на показатели габаритов и веса, КПД и надежность работы редуктора.
Еще больший суммарный уровень установленной мощности потребителей - до 50 кВт - планируется при применении системы централизованного электроснабжения, т.е. при питании электрооборудования вагона от ВВП -высоковольтного вагонного преобразователя [3, 5]. ВВП преобразует напряжение высоковольтной вагонной магистрали 3 кВ постоянного или переменного тока (на электрифицированных железных дорогах стран СНГ и Балтии) в ряд напряжений постоянного и переменного тока.
Существуют и другие варианты системы централизованного электроснабжения [6, 7]. Первый вариант - вагон-электростанция для поездов с электровозом (т.е. при наличии контактной сети) - единый на весь поезд преобразователь напряжения 3 кВ в напряжение более низкого уровня - 600 В постоянного тока или 3 х 380 В, 50 Гц, которое по общей поездной магистрали разводится по составу. Этот вариант реализован в единичном экземпляре с использованием электромашинных преобразователей производства ОАО «Электросила», что явно не соответствует современному техническому уровню, позволяющему создание более легких и экономичных статических преобразователей. Второй вариант - для поездов с тепловозом. В этом варианте межвагонная поездная магистраль должна получать питание от отдельной обмотки тягового генератора. Этот вариант не вышел за рамки проекта.
Рассмотрению вариантов системы централизованного электроснабжения посвящены работы [2...8]. Система централизованного электроснабжения при эксплуатации поезда на электрифицированных магистралях имеет очевидные преимущества в сравнении с системой автономного электроснабжения, главные из которых: отсутствие отбора тяговой мощности, возможность электроснабжения потребителей вагона на стоянках. В нашей стране работы по созданию системы централизованного электроснабжения ведутся с 70-х годов XX в., но лишь в последние несколько лет созданы первые отечественные образцы вагонных преобразователей, пригодные для целей и условий эксплуатации на РЖД. Как отмечено выше, другие варианты систем централизованного электроснабжения не доведены до уровня, близкого к внедренческому. Таким образом, в РФ созданы предпосылки для внедрения перспективной системы централизованного электроснабжения, но до ее широкого применения еще далеко.
В то же время более 98% как эксплуатирующихся, так и вновь изготавливаемых в РФ вагонов, оборудованы системой автономного электроснабжения. Если еще принять во внимание, что половина Российских железных дорог не электрифицирована, то, очевидно, что система автономного электроснабжения будет применяться в России еще длительное время.
В настоящей работе рассматривается автономная система электроснабжения, в основном, применительно к купейному пассажирскому вагону с установкой кондиционирования воздуха (УКВ), имеющему типовой набор электропотребителей (см. далее табл. 1.1.) Как уже отмечено выше, купейные вагоны для СССР изготавливались в ГДР в рамках сотрудничества стран СЭВ. Там же велась разработка систем электроснабжения вагонов. Из исследований отечественных специалистов, затрагивающих вопросы работы системы автономного электроснабжения, можно отметить работы А.А. Шустера (1971 г.) [8], рассматривавшего вопросы выбора мощности источников электроснабжения и В.А. Королькова (2003 г.) [5], который, в основном, рассматривал работу системы централизованного электроснабжения. Как отмечено выше, система автономного электроснабжения купейного пассажирского вагона к настоящему времени стала весьма разветвленной и сложной системой. Режимы работы, как самой системы электроснабжения, так и входящих в нее устройств отличаются большим многообразием и сильным взаимным влиянием устройств. Например, на качество электроэнергии в бортовой сети вагона особенно сильно влияют, как будет показано в дальнейшем, преобразовательные устройства.
Выявление условий работы электрооборудования в эксплуатации сопряжено со значительными организационными и финансовыми трудностями. Еще сложнее определить взаимное влияние устройств. Для этого вагоны необходимо оборудовать информационно-измерительными комплексами. Такая задача решается во ВНИИЖТ, но еще далека от практической реализации. Между тем значительный объем полезной информации может быть получен при заводских приемо-сдаточных испытаниях комплектов электрооборудования, а также при помощи математической модели системы электроснабжения. Эта информация может быть использована при разработке вышеупомянутых вагонных информационно-измерительных комплексов, при подготовке и проведении стендовых исследований и испытаний.
Расчет параметров эквивалентного синхронного генератора
Характеристики получены при использовании в регуляторе напряжения генератора пропорциональной передаточной функции. В качестве основного отслеживаемого параметра был выбран ток генератора и реализован принцип регулирования по отклонению.
Как видно из рис. 1.5.10, при незначительном (2-3 км/час) изменении скорости вагона относительно переходной скорости «генератор - АБ» колебания токов заряда-разряда АБ весьма существенны и достигают (50 - 70) А. Еще более существенно влияние изменения скорости в этой зоне на переходные процессы при разряженной АБ (рис. 1.5.11.). В реальных условиях эксплуатации скорость движения может колебаться около переходной скорости достаточно долго.
Необходимо отметить, что при одной и той же степени заряженности АБ скорости перехода с режима на режим не совпадают. Даже при кратковременном (до 1 минуты в период эксперимента) подзаряде АБ от генератора скорость обратного перехода с питания бортовой сети от генератора на питание от АБ выше скорости прямого перехода.
Учитывая непредсказуемый характер изменения скорости вагона при движении поезда, а также возможность скачкообразного подключения и отключения электропотребителей бортовой сети, можно сделать вывод о сложной функциональной зависимости переходной скорости «генератор - АБ» от ряда факторов, а также о необходимости введении в регулятор напряжения генератора интегральной составляющей для демпфирования колебательных процессов в зоне переходной скорости «генератор - АБ».
Рассмотрим алгоритмы заряда АБ после превышения вагоном переходной скорости «генератор - АБ».
Существуют два основных способа заряда АБ: напряжением постоянной величины и током постоянной величины [10, 12]. Все алгоритмы заряда АБ сводятся к применению этих способов по отдельности или в сочетании. При этом для АБ, не относящихся к стартерным или тяговым, нормальным током заряда (а также разряда) считается ток, численно равный С/5, где С -емкость АБ в А-часах, (т.е. ток пятичасового разряда) [12]. Для АБ емкостью 350 А ч, применяемых на серийных пассажирских вагонах, эта величина составляет 70 А.
Первый способ технически проще осуществим, т.к. в этом случае в качестве зарядного устройства может быть использован источник питания с нерегулируемым напряжением, или со ступенчатым ручным регулированием напряжения, подключённый, например, к промышленной сети. При этом в начале процесса происходит быстрый заряд АБ, а в конце процесса заряда ток автоматически снижается, благодаря чему исключается выкипание электролита, и батарея переходит в режим медленного подзаряда. Чем выше напряжение, тем быстрее проходит заряд АБ. Однако при включении на заряд полностью разряженной АБ могут возникать значительные броски тока. Так при напряжении 1,7 В на элемент аккумулятора ток в начале заряда более чем в 4 раза превышает нормальное значение и в 20 раз больше тока в конце заряда [10]. Такой способ заряда часто требует введения средств токограни-чения.
Для обеспечения заряда током постоянной величины требуется более сложное зарядное устройство, обеспечивающее стабилизацию тока путём плавного регулирования напряжения заряда. При данном способе уменьшается время, требуемое для полного заряда АБ.
Применение такого способа заряда на вагонах для компенсации частичного разряда АБ после кратковременных перерывов питания позволило бы заметно снизить время заряда АБ. Однако при этом наиболее сложной задачей является определение того момента, когда необходимо, снизив ток, перейти в режим подзаряда, поскольку в конце процесса, начинается "выкипание" электролита, обусловленное началом электролитического разложения воды с выделением газообразного кислорода и водорода. Поэтому при таком способе важно правильно определить момент окончания заряда, чтобы вовремя отключить зарядный ток.
В настоящее время на пассажирских вагонах используют двухрежим-ные регуляторы с ограничением на первом этапе предельного тока заряда АБ на уровне 70 А, на втором этапе - предельного зарядного напряжения. Уставка последней величины варьируется в зависимости от времени года. Для никель-кадмиевых АБ летом она составляет 136 В, зимой - 142 В.
Опыт эксплуатации пассажирских вагонов показывает, что даже при таком алгоритме управления зарядом АБ в некоторых случаях, особенно летом, происходит «выкипание» электролита в конце режима заряда.
Режимы разряда аккумуляторной батареи могут быть: Штатными (при следовании со скоростью ниже 40 км/час - это, как правило, следование по станционным путям - подход к станции - отход от станции, а также стоянка поезда на станции) Время стоянки от нескольких минут до получаса. Аварийными (когда время стоянки значительно превосходит максимальное расчетное время стоянки или когда батарея переходит в режим разряда после вынужденно укороченного режима заряда, т.е. в состоянии существенного недозаряда) Авария - нештатная ситуация, при которой работа основных электропотребителей вагона не предусматривается. В этом случае получают питание устройства, поддерживающие вагон в работоспособном состоянии и обеспечивающие безопасность находящихся в нём пассажиров. Система электроснабжения вагона, работающая в автоматическом режиме, не может определить, связано ли это с прибытием на станцию, или с аварией. Поэтому алгоритм работы системы электроснабжения вагона следует построить так, чтобы в первые 30 мин обеспечивалось питание всех потребителей, необходимых для обеспечения минимального комфорта пассажиров, а в последующие 5 часов - питание потребителей, обеспечивающих безопасность пребывания пассажиров в вагоне. Потребная ёмкость аккумуляторной батареи тем больше, чем больше ток и время её разряда, т.е. пропорциональна средней суммарной мощности питаемых от неё потребителей и продолжительности перерывов питания. С целью рационального использования ёмкости аккумуляторной батареи важно правильно определить не только перечень потребителей, получающих питание от аккумуляторной батареи, но и время их работы, необходимое для нормального функционирования вагона. Исходя из этого, потребители делятся на три группы: отключаемые в первую очередь после некоторого времени разряда АБ, отключаемые во вторую очередь и неотключаемые. Задача СУПВ заключается в подаче команд на отключение потребителей в определенные моменты времени.
Математическая модель генераторно выпрямительного блока
Таким образом, электрооборудование, питающееся напрямую от бортовой сети ПО В постоянного тока, а также коммутационная аппаратура, должны быть рассчитаны на работу в диапазоне напряжений 77 - 143 В. А потребители, которые требуют стабилизированного напряжения питания ПО В, должны быть оборудованы собственным преобразователем, либо необходим централизованный стабилизатор напряжения. Причём, при использовании цетрализо-ванного стабилизатора напряжения, необходимо контролировать его выходное напряжение и при выходе стабилизатора из строя, снижать напряжение в бортовой сети до уровня ПО В. Это связано с тем, что стабилизированным напряжением ПО В в основном питаются осветительные нагрузки, в том числе и аварийное освещение вагона и хвостовые сигнальные огни, которые обеспечивают безопасность движения и безопасность пребывания пассажиров в вагоне. А поскольку эти потребители представляют собой лампы накаливания, то превышение номинального напряжения питания может привести к выходу их из строя, чего допускать нельзя.
Регулирование напряжения в бортовой сети может вестись двумя способами - путём изменения напряжения генератора, т.е. тока обмотки его возбуждения и путём управления режимами работы электрооборудования (нагрузок) вагона.
Для регулирования напряжения, приложенного к обмотке возбуждения, используется регулятор с широтно-импульсным модулированием напряжения. В качестве входного напряжения регулятора возможно использовать либо выпрямленное отдельным выпрямителем напряжение генератора, либо напряжение низковольтной сети вагона. В первом случае генератор при разгоне поезда возбуждается за счет самовозбуждения, что возможно при наличий остаточной намагниченности магнитной цепи генератора. При использовании второго варианта, возбуждение генератора возможно даже при раз магничивании его магнитной цепи, однако для экономии энергии аккумуляторной батареи нецелесообразно постоянно питать обмотку возбуждения при низких скоростях движения поезда и на стоянках. Следует либо оснастить генератор датчиком частоты вращения, либо, при косвенном измерении скорости вращения, периодически прикладывать питание к обмотке возбуждения, отслеживая напряжение в фазах генератора. Второй вариант предпочтительней и предлагается использовать его. Поскольку генератор не оснащён датчиком частоты вращения вала, то для измерения частоты вращения использована однофазная однополупериодная схема выпрямления фазного напряжения генератора. Величина выпрямленного напряжения понижается и подаётся на вход системы измерения частоты импульсов. Однако, рекомендуется оборудовать генератор датчиком частоты вращения. Это позволит не тратить энергию аккумуляторной батареи при периодической проверке состояния генератора.
Для выполнения требований к системе электроснабжения, СУЭВ должна получать следующие сигналы: 1. Напряжение бортовой сети вагона. 2. Ток заряда аккумуляторной батареи. 3. Ток генераторно-выпрямительной установки. 4. Ток возбуждения генератора. 5. Напряжение на выходе стабилизатора напряжения (если потребители, требующие стабилизированного напряжения питания ПО В не оборудованы собственным стабилизатором). 6. Температура в подвагонном аккумуляторном отсеке. Автором разработан алгоритм регулирования возбуждения генератора, » который состоит в следующем: 1. Измеряются входные параметры. 2. Проверяется, не превышает ли напряжение на выходе стабилизатора напряжения значения 120 В. Если превышает, то до отключения питания системы управления устанавливается максимально допустимое значение напряжения в бортовой сети ПО В и продолжается выполнение алгоритма с п. 8, если не превышает, продолжается выполнение алгоритма с п. 3. 3. В зависимости от температуры воздуха в батарейном ящике на основании характеристики, приведённой на рис. 4.1.1, задаётся максимально допустимое напряжение в бортовой сети вагона Uc_max 4. Проверяется напряжение в бортовой сети вагона. Если оно не превышает 100 В, то снимается ограничение на максимальное зарядное напряжение АБ. 5. Если напряжение в сети достигло уровня максимального зарядного напряжения АБ, то начинается отсчёт времени. 6. Если с момента достижения максимального зарядного напряжения АБ прошёл 1 час, то устанавливается ограничение (на 4 В мнешее, чем установлено в п. 3) по максимальному зарядному напряжению АБ и таймер обнуляется. 7. Если установлено ограничение по максимальному зарядному напряжению АБ, то величина максимально допустимого напряжения в бортовой сети вагона ис_тах уменьшается на 4 В. 8. Вычисляются отклонения текущих значений измеряемых величин каждого канала регулирования от заданных максимально допустимых значений (ограничений). 9. Отклонения приводятся к одному масштабу. 10.Выбирается наименьшее отклонение (наименьшее отклонение от ограничения) и полученное значение принимается в качестве входного сиг нала регулятора. 11 .Вычисляется величина выходного сигнала, согласно заданному закону регулирования с коэффициентами, выбранными для данного канала регулирования. 12.На основании данных о режиме работы системы электроснабжения выдаются сигналы, разрешающие включение определённых групп потребителей и сигналы о допустимой мощности нагрузок, оборудованных собственными преобразователями (данный пункт подробнее описан в п. 4.2.2). Поскольку регулирование ведётся таким образом, чтобы свести к нулю входную величину (разницу между уставкой и текущим значением), в качестве закона регулирования применён пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования. Однако следует учитывать, что влияние тока возбуждения на ЭДС генератора зависит от частоты вращения ротора генератора. Поэтому в закон регулирования следует включить поправочный коэффициент —, где со - текущая частота вращения вала генератора, со а 0 - частота вращения вала генератора, используемая при выборе коэффициентов регулирования.
Регулирование напряжения возбуждения генератора
Режим питания от аккумуляторной батареи при отключенном генераторе. Самым благоприятным для аккумуляторной батареи является режим разряда током постоянной величины. Однако такой режим невозможен по нескольким причинам: 1. Большинство потребителей энергии не имеют возможности регулирования потребляемой мощности, поэтому при их коммутации потребляемый ток резко изменяется. 2. Работа климатического оборудования (КО) управляется отдельным контроллером по алгоритму, разработчики которого не предусмотрели связь режима работы КО с режимом работы системы электроснабжения. 3. Использование индивидуальных коммутационных аппаратов для каждого из устройств электрооборудования вагона неприемлемо вследствие высокой стоимости и неудовлетворительных массогабаритных показателей. Компромиссным вариантом является разделение электрооборудования вагона на группы, отключаемые при снижении напряжения АБ по мере дос 132 тижения некоторых уровней напряжения. При формировании подобных І групп следует в первую очередь учитывать, что электрооборудование, обес печивающее безопасность движения, должно функционировать как можно дольше, поэтому, например, в случае аварийной остановки поезда, желательно оставлять питание как можно меныпго количества неответственных потребителей. С другой стороны, при штатных стоянках и при движении поезда с низкими скоростями, желательно поддерживать комфортную атмосферу в вагоне. Исходя из этих требований, в режиме питания от АБ, целесообразным является управление, построенное по следующим принципам: 1. Отключение или ограничение мощности мощных потребителей энергии, которые не повлекут за собой существенное снижение комфортности нахождения пассажиров в вагоне. 2. Отключение относительно мощных потребителей при напряжении аккумуляторной батареи ниже определённой уставки UycTi. 3. Отключение менее мощных и более важных для обеспечения комфорта пассажиров потребителей при напряжении аккумуляторной батареи ниже определённой уставки UyCT2. 4. Обеспечение питания потребителей, связанных с безопасностью движения поезда и безопасностью пассажиров, при напряжении АБ достаточном для питания цепей системы управления. Рассмотрим подробнее алгоритм, в соответствии с которым происходит управление потребителями. 1. При переходе системы в режим регулирования нагрузок с питанием от АБ, СУЭВ последовательно производит следующие действия: В холодную погоду: Отключает электронагреватели пассажирских помещений. Поскольку основным источником тепла является водяное отопление и современные вагоны обладают хорошей теплоизоляцией, то отключение электронагревателей не приведёт к сильному снижению температуры в купе во время плановых стоянок. Отключает электрокалориферы. В случае, если температура наружного воздуха отрицательная и низкая температура воды в котле отопления, то при отключении электрокалориферов приточный воздух будет иметь недопустимо низкую температуру. Вследствие этого, при переходе в режим питания от аккумуляторной батареи следует отключить приточный вентилятор на 30 минут (данное время установлено санитарно-эпидемиологическими нормами), По истечении 30 минут приточный вентилятор включается и открываются заслонки УКВ (подробнее состав и назначение УКВ описана в приложении 4). В теплую погоду: Ограничивает мощность компрессора УКВ на уровне 10 кВт (что соответствует частоте питающего напряжения порядка 45 Гц), поскольку при большей мощности ток разряда АБ будет слишком велик, что может привес ти не только к быстрому разряду АБ, но и к перегреву и выкипанию электро лита. Однако полное отключение компрессора крайне нежелательно. По ус ловиям смазки, повторное включение компрессора в работу возможно не ра нее, чем через 10 минут после отключения, а при высокой температуре на 134 ружного воздуха за 10 минут температура в вагоне может значительно повы ситься. 2. Поскольку УКВ питается от бортовой сети вагона через преобразователь, то при снижении напряжения АБ, потребляемый ток возрастает, что крайне нежелательно. Поэтому при снижении напряжения аккумуляторной батареи СУЭВ снижает рабочую частоту компрессора климатической установки прямо пропорционально уменьшению напряжения аккумуляторной батареи. При достижении напряжением аккумуляторной батареи значения Uycri выдаётся команда на отключение компрессора и вентилятора конденсатора климатической установки и, при высокой температуре наружного воздуха, отключается приточный вентилятор и закрываются заслонки наружного воздуха на 30 минут (данное время установлено санитарно-эпидемиологическими нормами). По истечении 30 минут приточный вентилятор включается, и открываются заслонки. Реализация такого алгоритма работы позволяет сохранить в вагоне приемлемую температуру в течение длительных стоянок. Включение УКВ при питании от АБ блокируется, поскольку аккумуляторная батарея не может обеспечить достаточное количество энергии для продолжительной работы УКВ, а включение УКВ на непродолжительное время нецелесообразно. Включение таких мощных потребителей энергии, как кипятильник и водонагреватель душа, разрешается только при отключенном компрессоре УКВ и напряжении аккумуляторной батареи выше иусТ1. Это связано с тем, что при совместной работе данных потребителей и УКВ ток разряда аккумуляторной батареи превышает допустимое значение.
