Дослідження роботи тягової електропередачі дизель- поїзда ДЕЛ-02 при збуреннях в електричних колах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

8. Ярымбаш, Д. С. Особенности электротепловых режимов главных шинных пакетов секций печей гра-фитации переменного тока / Д. С. Ярымбаш, С. Т. Ярымбаш, И. М. Килимник // Электротехника и электроэнергетика. - 2011. - № 1. - С. 64-69.

9. Ярымбаш, Д. С. Повышение энергоэффективности бокового шинопакета печей графитации переменного тока / Д. С. Ярымбаш, С. Т. Ярымбаш // Техтчна

електродинамта. Тематичний вип. Силова електро-тка i енергоефективтстъ. - 2011. - С. 229-233.

10. Гимоян, Г. Г. Электромагнитные переходные процессы в системах электроснабжения промышленных предприятий / Г. Г. Гимоян, Л. В. Егизарян, В. И. Саакаян. - Ер. : ГИУА. - 2000. - 393 с.

Стаття надтшла до редакцп 20.12.2011.

Пiсля доробки 12.01.2012.

Д. С. Яримбаш

Особливост розрахунюв струмiв короткого замикання потужних електротехшчних комплекмв гра-вггацп змшного струму

Запропоновано методику ¡дентиф1каци електричних параметр1в коротког мереж1 електротехтчного комплексу графтацп змтного струму, що враховуе особливост1 конструктивного виконання г температурн режими. Виконано розрахунки г анал1з ударних струмгв короткого замикання електротехшчного комплексу з урахуванням параметр1в системи електропостачання, технолог1чних режим1в графтацп г компенсацп реактивно,I потужност1.

Ключов1 слова: струм короткого замикання, система електропостачання, режим графтацп, компесую-чий пристрш, шиний пакет.

D. S. Yarymbash

Features of the short-circuit current calculations of the ac graphitization power electrical complex

Method of identification of short circuit electrical parameters of AC graphitization complex, taking into account the application design features and temperature regimes is proposed. The calculation and analysis of the short-circuit peak currents, taking into account the power system characteristics, graphitization technological regimes and reactive power compensation are presented.

Key words: short-circuit current, electrical power system, graphitization mode, compensating device, bus package.

УДК 629.423.24

Д. О. Кулапн1, П. Д. Ан^енко2

1Канд. техн. наук, старший викладач Запор'зького национального технчного унверситету 2 Д-р техн. наук, професор Запорзького национального технчного унверситету

ДОСЛ1ДЖЕННЯ РОБОТИ ТЯГОВО1 ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ1 ДИЗЕЛЬ-ПО1ЗДА ДЕЛ-02 ПРИ ЗБУРЕННЯХ В ЕЛЕКТРИЧНИХ КОЛАХ

Проведено досл1дження роботи тяговог електропередач1 дизель-погзда ДЕЛ-02 при появ1 збурень в електричних колах тягового твертора. Показано, що вмикання системи опалення, кондицюнування, компресор1в г т. т. збурююч1 чинники не призводять до значних в1дхилень в колах тяговог електропередач1 дизель-погзда.

Ключов1 слова: динамжа, збурення, система автоматичного керування, тяговий твертор, потужтсть опалення, тягова електропередача.

ВСТУП

Накопичений досвщ експлуатацп дослщних дизель-по!здав ДЕЛ-02 та HOBi потреби у парпях сершних зразюв дано! розробки вказали на необхщшсть удосконалення системи тягово! електропередач^ тдвищення ефектив-носп роботи (збшьшення прискорення руху дизель-по-!зда, отримання нормованих перехшних характеристик роботи тягово! електропередачi в умовах зовшшшх та параметричних збурень, тощо). Для тдвищення ефек-тивносп роботи необхвдно використовувати методи про-ектування та синтезу систем керування тяговою елект-ропередачею, що дозволяють отримати збшьшення прискорення руху дизель-по!зда, стшшсть системи керування до збурень та варiацi! параметрiв Icонтурiв тягово! елек-тропередачi в процеа роботи [1-3].

© Д. О. Кулагш, П. Д. Андр1енко, 2012

Однieю з характерних особливостей тягових електро-передач з автономними джерелами живлення [4], в яких з'являютъся специфiчнi, властивi лише даному класу систем вимоги, е обмеженiстъ потужностi джерела живлення. Дана особлив^ь вимагае спйко! роботи синтезо-вано! системи при появi збурень в електричних колах тягово! електропередач^ що живиться ввд автономного джерела живлення. Тому дослщження, присвяченi по-ведiнцi електричних тягових передач, що живляться вiд автономних генераторiв, е актуальними.

Досвiд використання тягових привод1в з опорно-рам-ною тдаскою [6] показав, що наявтсть в таких приводах спецiалъних передавальних механiзмiв та муфт з елас-тичними ланками зменшуе власнi частоти кутових коли-вань привода, яш перекривають дiапазон частот верти-

кальних коливань ек1пажу на пружному шляху 1 безпосе-редньо наближуються до частоти кутових коливань парщ-ально! системи привода, зумовлених електромагттним зв'язком ротора та статора асинхронного двигуна (АД). Тому динам!чт властивосп тягових привод1в, що мютять еластичт елементи, можна надшно прогнозувати, лише розглядаючи динашчт процеси в единш електромехатчнш систем екшаж-тягова електропередача-шлях, що знаходить-ся пд впливом детермшованих та випадкових вплив1в [6, 7].

1снуе багато тдходав до описания та нал1зу систем з пружними зв'язками [8-12]. Проте, в бшьшосп дослвджень отр електричних к1л електродвигуна, жорсткосп з' едну-вальних елеменив, моменти шерци, модель та параметри тертя вважаються ввдомими та закладаються в алгоритми керування. Роботи, спрямоват на досягнення робасносп алгоритму керування по ввдношенню до вказаних пара-метр1в [13-14] показали, що використання спостер1гач1в стану, навггь за в1дсутност1 вщомостей про модель та параметри тертя дозволяе отримати яшсш результата

Мета роботи - кшькюна 1 яюсна ощнка електромехан-!чних процеав при використанш розроблених з участю автор1в елеменпв системи керування тяговою електро-передачею при появ1 збурень в електричних колах.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ

Система автоматичного керування (САК) дизель-по-!зда повинна враховувати особливосп деформацш та пружш зв'язки в тяговш електропередачг деформацш кручення вал1в, пружну деформацш зубщв колю редуктора, з'еднувальних муфт, ф1зичний знос колюних пар та ш. Окр1м того, мехашчна частина тягово! електропере-дач м1стить, зумовлений неточтстю виготовлення вузл1в передач!, зазор, що юнуе м1ж муфтами та зубчастим зчеп-ленням в редуктора На систему дшть зовтшт моменти: момент опору, дисипативш сили, як1 дшть на в1зок та вагон (сили тертя в тдшипниках, сили тертя в зубчастих зчепленнях, рухомих елементах вагону, моменти в1д де-формацл кручення вал1в).

При дослщженш динашчних процеав в тяговш елек-тропередач1 е припустимим представлення АД та меха-шчних частин тягово! електропередач у вигляд1 системи з зосередженими параметрами [11]. Тод1 систему тягово! електропередач1, що м1стить АД та певну мехашчну частину з пружними зв'язками, при дослщженш пере-хвдних процеав можна представити у вигляд двомасово! електромехашчно! системи (ДЕМС) [11] рис. 1.

На рис. 1 позначено М - електромагнггний момент АД; J1 - момент шерци ротора АД; J2 - приведений сумарний

момент шерци мехашчних частин тягово1 електропере-дачц С12 - приведений до вала ротора сумарний коефщеш' жорсткост1 зв'язку м1ж елементами тягово! електропере-дачц РС1 - значення модуля жорсткосп мехаиiчно1' характеристики АД; Рс2 - коефщент в'язкого тертя; ю 2 - частота обертання ротора АД; Ю3 - кутова частота обертання колю вагона; М - статичний момент опору.

Для анал1зу загальних властивостей системи тягово! електропередач1 запишемо рiвияния АД в обертовш з1 швидк1стю Юуг ортогональнш систем! координат (х, у), що ор!ентовано в!ссю х за вектором потокозчеплення ротора АД. Р!вняння АД приймають наступний вигляд:

^у

= Я,',у + стХ,^,у + Юуг (стХ,^,Х + кгЦг );

Цг

0 = уг + ТгБ\цг - кгЯгТг1Х;

0 = -кгК;Тг1у + (юуг -Ю2)уг

М = кг у г1,,у; М = Мс + J1Dю2.

(1)

При цьому використано наступну систему позначень:

- !ндекси «я» та «г» вказують приналежшсть величи-ни до статора чи ротора;

- !ндекси «х», «у» вказують на приналежшсть величи-ни проекцл вектора певн!й ос! в систем! координат (х, у);

- Ьм - екв!валентна взаемна !ндуктившсть ротора та статора;

- X' - реактивний отр статорно! обмотки АД;

- и, /, у, Я, Ь - напруга, струм, потокозчеплення, активний оп!р ! власна !ндуктившсть;

- г - к1льк1сть пар полюав АД;

- Мс - момент опору АД;

- Т - постшна часу;

- D - символ диференц!ювання за часом.

В (1) прийняп наступн! формули для визначення кое-ф!ц!ента розаювання ст та пост!йно! часу ротора Тг:

ст = 1 --

Ь

м

Ь,Ьг

Тг = Ь-=■

Яг

Ь

м

кгЯг

(2)

де к - коефщент приведення обмоток ротора АД.

В дизель-по!зд! ДЕЛ-02 на кол!сних парах встановлено тахогенератор ТМГ-30, що мае максимальну частоту обертання 4000 об/хв.

На рис. 2 наведено вщповщну р!внянням (1) струк-турну схему АД при змшному значенн! намагн!чуючо! складово! статорного струму АД I , а вщповщно й зм!н-ному значенн! потокозчеплення ротора.

На рис. 2 позначено

Рис. 1. Структурна схема ДЕМС

- блок множення;

- блок дшення.

и

Рис. 2. Структурна схема АД

Розглянемо динашку САК тяговою електропередачею дизель-по!зда ДЕЛ-02 [5] при збурент за навантаженням. Величина усталеного значения вщхилення частоти обер-тання АД Дю визначаеться як [15]

Дю = M с2

Rr у 2

Враховуючи, що

M = kr у ri

rTr'sy

(3)

(4)

де iSy - активна складова статорного струму АД; та в усталеному режимi роботи тягово! електропередачi

M = MC2, можна представити (3) як

krRr

Дю=--isy = sy.

у r

(5)

(6)

Тобто при використанш регулятора частоти точнiстъ пiдгримаиня частоти обертання тягового АД при збурент за навантаженням визначаеться величиною ковзання АД.

Тодi статичнi мехатчт характеристики тягово! елект-ропередачi представляються родиною вiдрiзкiв паралель-них прямих, з кутом нахилу, що визначаеться коефщен-Кг

том 2 виразу (3).

У г

При тдтримщ задатчиком руху по!зда сталого номь нального значення модуля вектора потокозчеплення жорстк1стъ статичних механiчних характеристик тягово! електропередачi на дiлянцi змiни момента навантаження до значения, рiвного номшальному моменту тягового АД практично рiвна жорсткостi лшшно! частини при-

родно! характеристики АД. В дiапазонi понад номшаль-ного момента наваитаження АД жорстшсть характеристик тягово! електропередачi значно перевишуе жорстк1сть природно! характеристики тягового АД.

Розглянемо роботу тягово! електропередачi при rnrni характерного збурення для системи - вмиканнi системи опалення та вимиканнi ïï в процеа руху дизель-по!зда. Потужиiсть, що споживаеться системою опалення, скла-дае 40 кВт i споживаеться перетворювачем власних потреб, який пiдключено до шин некерованого випрямля-ча, ввд яких також живиться тяговий iнвертор, ввдповвдно до схеми роботи дизель-по!зда ДЕЛ-02 [5].

На рис. 3, 4 показано осцилограми змши активно! скла-дово! струму при вмикаинi системи опалення в довшьний момент часу 16100 ввдносних одиниць (в.о.) та вимикант системи опалення в довiльний момент часу 19500 в.о.

На рис. 3 до моменту часу 12300 в.о. вщбуваеться рух по!зда з регулюванням тягового iнвертора за методом широтно^мпульсно! модуляцп, а в подальшому вщбу-ваеться перехiд до зони керування з ослабленим пото-козчепленням (12300 в.о. - 14000 в.о.) i робота в данiй зон (14000 в.о. - 21000 в.о.).

Отримат осцилограми показують нечутливiсть системи тягово! електропередачi до появи даного виду збурення в системi живлення тягового АД. Проведет дос-лщи показали, що вмикання та вимикання системи опалення призводить до появи збурюючого чинника в колi активно! складово! струму на рiвнi 0,011-0,019 в.о., що в абсолютних одиницях складае 2,1-3,62 А. Це досягаеться завдяки якiснiй роботi отримано! системи тягово! елект-ропередачi i не призводить до коливань частоти обертан-ня вала ротора тягового АД.

При цьому пульсацп змiни тягового момента склада-ли 0,013-0,015 в.о., що в абсолютних одиницях складае 49,48-57,09 Н-м.

Для порiвняння на рис. 5 наведено осцилограму активно! складово! струму при вмиканш-вимиканш опа-

Рис. 3. Перехщний процес активно! складово! струму при вмикаииi та вимиканш системи опалення дизель-по!зда

Рис. 4. Розширена дiаграма активно! складово! струму при вмиканш та вимиканш системи опалення дизель-по!зда

Рис. 5. Осцилограма активно! складово! струму при вмиканш та вимиканш системи опалення тд час руху дизель-по!зда з

попередньою структурою САК

лення вагошв п1д час руху дизель-по!зда з попередньою структурою САК (була встановлена на дизель-по!здах ДЕЛ-02 №>3-4).

На рис. 5 масштаб за в1ссю часу (вкь абсцис) складае 500 в.о./подшсу, за вюсю струму (вюь ординат) - 0,5 в.о./подшсу.

При пор1внянш рис. 3, 4 та рис. 4 видно, що модерт-зована система, на ввдшну в1д юнуючо!, тдтримуе ста-

б1льне значення активно! складово! струму при появ! збу-рення в електричному кол! тягово! електропередач!.

ВИСНОВКИ

1. Дослвджено динам!ку САК дизель-по!зда ДЕЛ-02 при збуренш за навантаженням. При використанн! регулятора частоти точн!сть тдиримання частоти обертання АД при збуренн! за навантаженням визначаеться величиною ковзання АД.

2. При шдтримщ сталого ном!нального значення модуля вектора потокозчеплення жорстк!сть статичних ме-хатчних характеристик на далянш зм!ни момента наван-таження до ном!нального момента АД практично р!вна жорсткост! лшшно! частини природно! характеристики АД. В д!апазош понад ном!нального момента наванта-ження АД жорстк!сть характеристик електропередач! значно перевищуе жорстк!сть природно! характеристики тягового АД.

3. Досл!джено роботу тягово! електропередач! при появ! характерного збурення для системи - вмиканш системи опалення та вимиканш И в процеа руху дизель-по!зда. Отриман! осцилограми показують нечутлив!сть системи тягово! електропередач! до появи даного виду збурення в систем! живлення тягового АД.

СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ

1. Басов, Г. Г. Прогнозування розвитку дизель-по!зд!в для зал!зниць Укра!ни : Монограф!я. Ч. 1 / Басов Г. Г. -Х. : Апекс+, 2004. - 240 с.

2. Дизель-поезда с механической передачей // Железные дороги мира. - 2006. - № 10. - С. 25-27.

3. Локомотив для Европы без границ // Железные дороги мира. - 2008. - № 4. - С. 35-41.

4. Григораш, О. В. Современное состояние и перспективы применения асинхронных генераторов в автономной энергетике / Григораш О. В. // Промышленная энергетика. - 1995. - № 3. - С. 29-33.

5. Кулагт, Д. О. Двозонне кваавекгоне регулювання швид-косг! обертання тягового двигуна дизель-по!зда ДЕЛ-02 / Кулапн Д. О., Качур О. С., Андр!еню П. Д. // Вюник КДУ ¡м. М. Остроградсьюго. - 2010. - № 4 (63). - С. 15-18.

6. Павленко, А. П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов / А. П. Павленко. - М. : Машиностроение, 1991. -192 с.

7. Демин, Ю. В. Автоколебания и устойчивость движения рельсовых экипажей / Ю. В. Демин, Л. А. Длу-гач, М. Л. Коротенко, О. М. Маркова. - К. : Наукова думка, 1984. - 159 с.

8. Борцов, Ю. А. Тиристорные системы электроприводов с упругими связями / Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. - Л. : Энергия, 1979. - 160 с.

9. Башарин, А. В. Управление электроприводами / А. В. Башарин, В. А. Новиков, Г. Г. Соколовский. -Л. : Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с.

10. Волянский, Р. С. Оптимальное управление двухмас-совым асинхронным электроприводом с люфтом / Р. С. Волянский, А. В. Садовой // Электротехника. -2004. - № 6. - С. 11-14.

11. Акимов, Л. В. Синтез упрощенных структур двухмас-совых электроприводов с нелинейной нагрузкой / Акимов Л. В., Долбня В. Т., Клепиков В. Б., Пирожок А. В. -Х. : НТУ «ХПИ», Запорожье : ЗНТУ 2002. - 160 с.

12. Клепиков, В. Б. О проблеме фрикционных автоколебаний в электроприводах машин и механизмов / Клепиков В. Б. // Электричество. - 1986. - № 4. -С. 59-62.

13. Высокоточное управление скоростью двухмассовой неопределенной электромеханической системой / Е. М. Потапенко, А. Е. Казурова, Е. В. Душинова, Н. В. Ивочка. // Радюелектрошка, шформатика, уп-равлшня. - 2009. - № 1(20). - С. 147-154.

14. Потапенко, Е. М. Высокоточное управление упругой электромеханической системой с нелинейным трением [текст] / Е. М. Потапенко, А. Е. Казурова // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2008. - № 1 (21). - С. 118-125.

15. Андриенко, П. Д. Динамика двухконтурной системы регулирования скорости асинхронного двигателя с обратной связью по частоте / Андриенко П. Д., Шрей-нер Р. Т., Волков А. В. // ЭП. Электропривод. - 1982. -№ 9. - С. 5-8.

Стаття над1йшла до редакцп 12.01.2012.

П1сля доробки 07.02.2012.

Д. А. Кулагин, П. Д. Андриенко

Исследование работы тяговой электропередачи дизель-поезда ДЕЛ-02 при возмущениях в электрических цепях

Проведено исследование работы тяговой электропередачи дизель-поезда ДЕЛ-02 при появлении возмущений в электрических цепях тягового инвертора. Показано, что включение системы отопления, кондиционирования, компрессоров и т.п. возмущающие факторы не приводят к значительным отклонениям в цепях тяговой электропередачи дизель-поезда.

Ключевые слова: динамика, возмущения, система автоматического управления, тяговый инвертор, мощность отопления, тяговая электропередача.

D. Kulagin, P. Andrienko

Study of the traction power of diesel-trains DEL-02 at the disturbances in electric circuits

The study of the traction power of diesel-trains DEL-02 when there are the disturbances in electric circuits of traction inverter is conducted. It is shown that the inclusion of the systems of heating, air conditioning, compressors and the same perturbing factors does not lead to considerable deviations in the circuits of diesel-train's traction power transmission.

Key words: dynamics, perturbation, automatic control system, traction inverter, heating power, the pulling power transmission.