CC BY
20
Cloud of Science. 2019. T. 6. № 4 http:/ / cloudofscience.ru
Алгоритм оптимального управления ресурсом электропривода специального назначения
Е. Ю. Логинова*, Д. А. Корнев**
Российский университет транспорта (МИИТ) 127994, Москва, ул Образцова, 9, стр. 9 АО Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте 109029, Москва, Нижегородская ул., 27 стр. 1
e-mail: [email protected]
Аннотация. Предложен алгоритм прогнозирования надежности работы электропривода специального назначения по тепловому фактору. Обосновано, что в качестве критериев оптимизации управления электродвигателем привода целесообразно принять относительный износ изоляции и относительные затраты мощности на охлаждение. Методами математического моделирования рассчитаны нестационарные тепловые поля в электродвигателе постоянного тока при случайном характере распределения эксплуатационных нагрузок. Показано, что в любых условиях эксплуатации наиболее напряженной в тепловом отношении является лобовая часть обмотки якоря со стороны передаточного механизма. На примере электродвигателя ЭД118 выявлены функциональные зависимости между критериями оптимизации для различных элементарных узлов электродвигателя, в том числе при работе электропривода в различных климатических зонах. Получены численные значения снижения ресурса электродвигателя привода специального назначения с учетом фактора эксплуатации.
Ключевые слова: тяговый привод, алгоритм прогнозирования надежности работы электропривода специального назначения по тепловому фактору, критерии оптимизации управления, динамическое распределение тепловых полей в обмотках электродвигателя.
Электрический привод специального назначения, как правило, использует электродвигатель (ЭД) предельного использования по значениям нагрузок на конструктивные элементы. Электродвигатель, являясь основным элементом энергетической системы, подвергается в эксплуатации наибольшим нагрузкам, в результате чего усредненное значение его фактического ресурса оказывается меньше расчетного. Основной причиной отказа ЭД в эксплуатации является пробой изоляции силовых обмоток, который наступает в результате ускоренного старения изоляции. В соответствии с общей теорией старения изоляции используются общие законы кинетики химических реакций от температуры Я. Вант Гоффа и С. Аррениуса [1]:
Г>
1п К = - + А, 0
где К — постоянная скорости реакции; 0 — абсолютная температура; А и В — постоянные коэффициенты.
Экспериментально доказано, что окислительные процессы, происходящие в изоляции, относятся к классу мономолекулярных реакций, для которых
^ = -К ■ С
&
или
1 С
К = - ■ 1п С0,
t С (1)
где С0 — начальная концентрация непрореагировавших молекул; С — их концентрация в текущий момент; ^ — время.
Коэффициенты А и В характеризуются химическим составом и структурой вещества, участвующего в реакции:
Е
А = 1п(Р • 7); — = - , К
м
где Р = еК — фактор вероятности надлежащей ориентации молекул при столкновении; ДО — энтропия активации — величина, характеризующая долю общего числа столкновений, при которых молекулы ориентированы надлежащим образом; Z — число столкновений между молекулами, вступившими в реакцию, в единицу времени; Я = 8,317Дж/(градмоль) — универсальная газовая постоянная; Еа — энергия активации, т. е. избыточное (по сравнению со средней величиной) количество энергии, которым должна обладать молекула, чтобы преодолеть энергетической барьер и оказаться способной к химическому взаимодействию. Таким образом, постоянная скорости реакции выразится как
Е,
К = А ■ е
К0
или
—
К = А ■ е0. (2)
Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет определить зависимость времени от температуры, в течении которого изоляция вследствие старения достигает своего предельного состояния:
Е
1п / = —а— - О, К 0
где О = 1п А - 1п(1п С/С).
Значения постоянных Еа и О для различных изоляционных материалов определяются экспериментально (табл. 1) [1].
Таблица 1. Значения постоянных старения изоляционных материалов
Класс нагревостойкости изоляции О В 10-4, °С Еа, Дж/моль
А 15.3 0,950 7.90
Е 15.1 0.985 8.19
В 15.5 1.020 8.48
^ 19.7 1.270 10.55
н 24.2 1.550 12.89
с 21.8 1.550 12.89
В результате соотношение между сроками службы изоляции одного класса нагревостойкости и температурами ее старения принимает вид:
К (1___I
^ = ^ ■ 01
В эксплуатации ЭД электропривода может работать в широких диапазонах изменения климатических условий и нагрузок. При этом обмотки ЭД нагреваются крайне неравномерно, что создает лимитирующие по нагреву узлы, изоляция которых в наибольшей степени подвержена пробою.
Очевидным решением задачи снижения температурных нагрузок на энергетическое оборудование является увеличение расхода воздуха на его охлаждение. Однако, как и по другим нагрузкам, ЭД предельного использования работает на режиме «насыщения» по охлаждению, т. е. снижение температуры обмотки на 1°С требует значительного увеличения затрат мощности на привод вентилятора.
Поэтому управление тепловым состоянием ЭД является задачей векторной оптимизации в простейшем случае по двум противоречивым критериям: износу изоляции обмоток по тепловому фактору и затратам энергии на охлаждение.
Расчет надежности изоляции ЭД удобно выполнять по величине его относительного износа за базовое время эксплуатации т на эталонном режиме работы, который можно рассматривать как кумулятивную функцию элементарных износов на элементарных интервалах временем — ёт. Для этого вводится понятие «степень износа», которое определяется как величина, обратная ресурсу Ь:
1 = [ Я (тУТ
Ч = ^ = ) Ч Ъ 0
или в конечных величинах для каждого к-го элементарного узла обмотки, работающего в текущий момент времени при температуре Т,
Чк -!—• (3)
1=1 х
Для оценки эффективности системы охлаждения электрической машины предложен целый комплекс критериев, характеризующих частные особенности проектирования машины и ее системы охлаждения. Наиболее общим критерием, учитывающим, в том числе, и конструктивные характеристики машины является величина отношения затрат мощности на ее охлаждение и мощность на валу:
Кэк =1 Рх^ т/| Р^ х,
или применительно к определению износа как кумулятивной функции для элементарных интервалов времени
Кэк ={£ Рохл^ДЕ Р2АТ^ • (4)
Состояние ЭД как теплового объекта в текущий момент времени определяется значениями температур всех его элементарных узлов
Т = ТО(х), и(х), х), где 1 < к < т, где у(х), и(х) — соответственно возмущающие и управляющие воздействия на ЭД как тепловой объект.
С учетом различных факторов, определяющих значения температур элементарных узлов, ЭД можно записать:
Т = Т(Р(х), I(х), и(х), /нв(х), С(х), х), где Р(х), I(х), и(х), (х) — соответственно текущие значения мощности, тока, частоты вращения якоря и температуры наружного воздуха, которые являются возмущениями, действующими на электродвигатель как тепловой объект; О(х) — текущее значение расхода охлаждающего воздуха, которое является управляющим воздействием на ЭД как тепловой объект.
Как известно, если в твердом теле имеются внутренние источники тепла Ч, то связь пространственного и временного изменений температуры в нем описывается уравнением Фурье [3-5], которое для условий неодинаковой теплопроводности в направлении координатных осей (Xх Ф ку Ф кг) имеет вид:
дТ . д 2Т . д Т . д 2Т
с ■ р--= ч(х) + К—г + К,—т + К—т,
Р дх Ч ( ) Х дх2 у ду2 ' д22
где с — удельная теплоемкость тела, Дж/(кгград); р — плотность тела, кг/м3.
Для численного решения задачи неоднородной теплопроводности используется метод конечных разностей, который при переходе от шага сетки к линейным размерам элементарных узлов ЭД, соизмеримых с характерными размерами основ-
ных элементов машины, преобразуется в метод эквивалентных тепловых схем (ЭТС) для решения трехмерных задач теплопроводности.
Для тех узлов схемы, приведенная теплоемкость которых незначительна по сравнению с другими узлами, а именно, для узлов воздушных потоков в каналах машины, на основании теории теплообмена в термически связанных телах дифференциальные уравнения, описывающие тепловое состояние узлов, заменяются алгебраическими уравнениями, что позволяет такие системы уравнений решать стандартными численными методами [3].
Общий вид уравнения, описывающего тепловое состояние /-го узла (1 < I < к) системы, состоящего из к элементов и имеющего I конвективных связей (1 < I < п) и ] связей путем теплопроводности со смежными узлами (1 < . < г), принимает вид [2]:
где ап(Т)= Л(Т ,Т)/Сг (Т), (Т1 ,Т}.)= р(Т1 ,Т}.)/С1 (Т1) — параметры адиабатиче-
ского нагрева /-ого узла, за счет теплопередачи к теплоносителю и теплообмена со смежными узлами машины; Лй (Т ,Т) — коэффициенты матрицы теплопередач от /-го узла к теплоносителю и тепловых излучений; С (Т) — приведенная теплоемкость /-го узла.
В разработанной тепловой модели в соответствии с решаемой задачи прогнозирования надежности ЭД, двигатель представлен в виде нелинейного замкнутого теплового объекта, в котором тепловые потоки через пассивные (теплопроводящие) элементы — станина, вал и т.д. — могут перераспределяться между активными (тепловыделяющими) узлами машины, потери в которых зависят от их температур. Теплоноситель (охлаждающий воздух) при этом является общим для всей машины, но имеет переменные значения температур в различных каналах и сечениях машины, т. к. нагревается от каждого узла по длине потока. Теплообмен станины с внешней средой определяется условиями свободной конвекции и теплового излучения. Условия охлаждения на поверхностях узлов задаются с использованием критериальных уравнений вынужденной конвекции, свободной конвекции и теплового излучения.
Вследствие того, что однозначно нельзя определить какой узел ЭД будет лимитирующим по нагреванию при эксплуатации в широком диапазоне изменения нагрузки и режима охлаждения, первоначально составлена его ЭТС, состоящая из 60 элементарных узлов: верхняя и нижняя полусекции обмотки якоря были разбиты по длине на шесть элементарных узлов, сердечник якоря — зубцовая и подпазовая части — на три элементарных узла по длине; верхняя и нижняя катушки главного
полюса — на пять элементарных узлов — по одному узлу в лобовых частях и по три узла в области межполюсного окна по его длине; сердечник и полюсный наконечник главного полюса — по три узла по длине; верхняя (с покровной изоляцией), средняя (без покровной изоляции) и нижняя катушки добавочного полюса — на пять элементарных узлов — по одному узлу в лобовых частях и по три узла в области межполюсного окна по его длине, сердечник и полюсный наконечник добавочного полюса — по три узла по длине.
Средняя температура обмоток рассчитывалась по значениям температур всех ее узлов.
Например, для обмотки якоря средняя температура определялась как
С =(ес* • т ■ ТГ У(ЕС • т), (5)
где к — число локальных узлов обмотки; ек, шк и ТЯК — теплоемкость, масса и температура каждого узла.
С использованием разработанной модели был выполнен расчет нестационарных тепловых полей двигателя постоянного тока ЭД118 мощностью 300 кВт напряжением 800 В при нормальных условиях (температура воздуха 25 0С) и случайном характере распределения нагрузок в допустимом диапазоне изменения (рис. 1).
Рисунок 1. Результаты моделирования нагревания обмоток электродвигателя ЭД118А при
случайном характере распределения нагрузки и температуре охлаждающего воздуха на входе в двигатель 25 °С: 1 — частота вращения якоря; 2 — ток нагрузки; 3 — среднее значение температуры обмотки якоря; 4 — среднее значение температуры обмотки главных полюсов; 5 — среднее значение температуры обмотки добавочных полюсов; 6 — температура коллектора; 7 — расход воздуха на охлаждение
Расход воздуха на охлаждение электродвигателя в алгоритме управления задавался в соответствии с паспортом двигателя на условия его эксплуатации.
Коэффициенты теплоотдачи от узлов ЭД задавались критерием Нуссельта [3]:
Ыи = а ■ // X ^,
который, с учетом того, что теплоотдача от поверхностей охлаждения определяется вынужденной конвекцией, свободной конвекцией и тепловым излучением, сам является производным ряда других критериев подобия гидродинамики:
Ыи = /(Де, РК, Ог, Бо),
где а — коэффициент теплоотдачи от поверхности узла к охлаждающему воздуху; Re — критерий Рейнольдса; Pr — критерий Прандтля; Gr — критерий Грасгофа; Fo — критерий Фурье; I — характерный линейный размер; Хохл — коэффициент теплопроводности теплоносителя.
Результаты моделирования тепловых процессов в обмотках ЭД, работающего с полной мощностью при переменной нагрузке, показали, что средние температуры обмоток выходят на квазиустановившееся значение за 250 мин, т. е. за это время текущие значения температур обмоток принимают максимальные и минимальные значения более одного раза. Наибольшие значения температуры на протяжении всего режима движения имеет обмотка якоря, что определяется условиями ее охлаждения, а штатная система вентиляции с запасом обеспечивает работу двигателя при допустимом уровне средних температур обмоток (160 оС).
Однако фактические температуры узлов обмоток значительно отличаются от средних значений (рис. 2).
Как показали расчеты, уже при температуре наружного воздуха 25 °С температура обмотки якоря со стороны передаточного устройства достигает 160 °С, что указывает на снижение ресурса изоляции, определенного по средней температуре более, чем в два раза. Очевидно, что при температуре охлаждающего воздуха 40 °С фактический ресурс изоляции будет вчетверо ниже расчетного. Это негативно влияет на надежность тягового привода всей энергетической системы, в которой он используется.
Известно, что задачи многокритериальной оценки эффективности имеют не единственное решение, а окончательный выбор принятого варианта управления объектом должен быть экономически оправданным на конкретный момент времени [7].
В соответствии с (3) и (4) были рассчитаны значения критериев оценки износа изоляции ЭД и эффективности работы его системы охлаждения при работе электропривода с полной мощностью (рис. 3).
Рисунок 2. Изменение температур элементарных узлов ЭД118А, работающего с полной мощностью при температуре наружного воздуха 25 °С: 1, 2 — лобовой части обмотки якоря со стороны коллектора (верхняя и нижняя секции); 3 — пазовой части обмотки якоря (верхняя секция); 4, 5 — лобовых частей обмотки якоря со стороны передаточного устройства (верхняя и нижняя секции); 7 — коллектора; 8, 9 — катушки главных полюсов; 10, 11 — катушки добавочных полюсов (в сечениях паза и лобовых частей со стороны передаточного устройства)
Для моделирования ресурсных испытаний ЭД по тепловому фактору модель исследования динамических температурных полей достраивалась модулем расчета износов изоляции узлов его обмоток в зависимости от их температуры, а также модулем расчета затрат энергии на охлаждение электродвигателя при различных законах управления. Таким образом, разработанная модель оптимизации управления ЭД по фактору эксплуатационной надежности представляла собой систему отдельных программных модулей, в которых синхронно велся расчет характеристик режима работы электродвигателя с определением всех потерь в его элементарных узлах, аэродинамических характеристик с учетом принятого закона управления, тепловой расчет его узлов и обмоток в целом, расчет характеристик износа как функций температур соответствующих узлов и экономичности системы охлаждения [4].
Результаты моделирования динамического распределения температурных полей в элементарных узлах ЭД118 при работе с полным использованием мощности показали, что за 50 мин изменение температур по длине обмотки якоря достигает 48 °С, а с учетом длины коллектора — 68 °С (рис. 3).
Наибольшее значение температуры на протяжении всего режима движения имеет лобовая часть нижней полусекции обмотки якоря со стороны передаточного устройства: при средней температуре обмотки якоря ТЯ = 120 оС значение темпе-
ратуры этого узла — ТШ2 = 158 оС, превышая значение, обеспечивающее гарантированный ресурс изоляции класса нагревостойкости ^ в 20 тыс. час. Наиболее интенсивное накопление износа изоляции имеет этот узел обмотки при Т —140 °С. Уменьшение температуры обмотки в эксплуатации на 10...11оС приводит почти к двукратному снижению износа, что подтверждается законом Вант Гоффа — Арре-ниуса.
0 Ю 100 1Ю 20: 1:0 300 Т1ШН
Рисунок 3. Изменение температур узлов обмоток ЭД118А, износов их изоляции и затрат
энергии на охлаждение двигателя при работе с полной мощностью при температуре наружного воздуха 25°С: 1-4 — обмотки якоря (среднее значение, пазовой части, лобовой части со стороны передаточного устройства); 5, 6 — обмоток главных и добавочных полюсов (средние значения); 7, 8 — обмоток главных и добавочных полюсов в пазу; 9-12 — износы изоляции обмотки якоря, рассчитанные по средней температуре обмотки, температуре пазовой и лобовой частях; 12-15 — износы изоляции обмоток главных и добавочных полюсов, рассчитанные по средней температуре обмотки и температуре пазовой части;
16 — затраты энергии на охлаждение
При температуре охлаждающего воздуха 40 °С температуры лобовых частей обмотки якоря со стороны передаточного устройства достигают 180 °С, что сопровождается резким увеличением износов изоляции этих узлов обмотки. Несмотря на то что лимитирующие по нагреву узлы обмотки якоря достигают предельно допустимых значений, определяемых ГОСТом, средняя температура обмотки якоря не превышает 150 °С, т. е. разница между средней температурой обмотки якоря и фактическими значениями температуры ее элементарных узлов в эксплуатации может достигать 30...35 °С, а это при общем высоком уровне температур снижает ресурс изоляции обмотки якоря по тепловому фактору более чем в четыре раза.
Общие закономерности влияния эффективности охлаждения ЭД на его надежность определялись по относительным значениям износов изоляции лимитирующих по нагреву к-х узлов обмоток:
а =:т
а
ШТАТ к
ТА ■ <
•Ах
V >=1
■
■ Ат
V >=1
Аналогично и значения энергетического коэффициента экономичности приводились к его значениям, полученным при параметрах штатной системы охлаждения ЭД118А:
кэд = I Т(РОП1Т), • Ат I / I £(РШтлат) • Ат I.
. '=1 Л V 1=1
Из зависимостей = f (кЭд) следует, что электродвигатель предельного использования работает практически в режиме «насыщения» по охлаждению: увеличение затрат энергии на охлаждение на 100% по сравнению с затратами штатной системы охлаждения увеличивает ресурс изоляции обмотки якоря на 50%, в то время как весо-габаритные параметры самой системы охлаждения при этом должны быть также увеличены не менее, чем в два раза (рис. 4).
1
г / 6
1.2 / 3
/ , 5
1
\
с с; 1 :
Рисунок 4. Изменение относительных износов изоляции по тепловому фактору лимитирующих узлов ЭД118А и относительных износов обмоток, определенных по их средней температуре, в зависимости от относительного коэффициента экономичности системы охлаждения при работе в эксплуатации и температуре охлаждающего воздуха 25 С: 1, 2 — лобовой части обмотки якоря со стороны передаточного устройства; 3 — обмотки якоря. определенной по средней температуре; 4, 5 — обмотки главных полюсов, определенной по температурам пазовой части и среднему значению; 6, 7 — обмотки добавочных полюсов, определенной по температурам пазовой части и среднему значению
Учет вероятности распределения значений температуры охлаждающего воздуха ?нв в различных климатических зонах России позволяет получить более объективною информацию о ресурсе изоляции обмоток ЭД в условиях эксплуатации.
Расчеты вероятностных значений относительных износов (ресурсов) изоляции обмоток ЭД118А проводились для трех климатических зон России: северной (Красноярская область), средней (Ростов) и южной (Термез). Данные о вероятности распределения значений ¿нв в этих областях принимались на основании [5].
1 / ^
/1 У
А // 3 /
г / - /
Л-—--
О 0.5 1 1.5 : ктэд
Рисунок 5. Изменение относительных ресурсов изоляции лобовой части обмотки якоря со стороны передаточного устройства ЭД118А при работе в различных климатических областях в зависимости от относительного энер-гетического коэффициента экономичности охлаждения: 1 — средняя климатическая зона (Ростов); 2 — северная климатическая зона (Красноярск); 3 — южная климатическая зона (Термез)
В условиях неопределенности, когда выбор значения управляющего воздействия неоднозначно определяет ход процесса, наиболее перспективным является позиционное управление, которое формирует управляющий сигнал в зависимости от состояния объекта (значения фазовых координат объекта).
Будем рассматривать наиболее эффективное управление объектом 0(т, Т (т), Т (т),. ., Т (т)) как функцию разрывную по Тк (т) [6, 7]. При дискретном измерении состояния объекта (фазовых координат, которые приняты за лимитирующие), изменение управления в такой системе производится также в дискретные времени т,., задаваемые тактовым генератором Ат = т — т^ [13]. Для возможности приблизить принятый алгоритм позиционного управления охлаждением ЭД к непрерывному, при моделировании тепловых процессов в его элементарных узлах, величина тактового времени была принята Ат = 0.5 с. Управление охлаждением в любой момент времени т осуществляется по фазовой координате объекта, лежащей на границе области допустимых значений Тк ^ ^дОП- При отклонении значения фазовой координаты от допустимого значения происходит изменение таким образом, чтобы независимо от значений возмущений (Р, I и п) обеспечить выполнение условия Т ^ ^доп • При этом на изменение управления также накладывалось ограничение
G0 < Gi < GMAX '
где G — рассматривалась как уставка на управление, определяемая климатическими условиями работы ЭД, т. е. в принятом законе управления использовался принцип компенсации возмущения.
Сформированное в момент х; управляющее воздействие G сохраняется постоянным вплоть до следующего момента измерения фазовых координат объекта T (X,):
G(t) = G(x,., T(Ti)) при Ti < x < Xi+1.
Подстановка такого закона управления G(x,T(x),T(т),..., T(т)) вместе с принятой экстремальной реализацией возмущений в модели, описывающей тепловое состояние ЭД, дает решение Тк (х,) = [Тк (т), 0 < х < хкон ] в виде ломаных Эйлера, позволяющих свести результат к некоторым непрерывным функциям [14]
Tk (т) = lim Tk (т),
дг^о
С учетом принятой позиционной стратегии задача оптимизации надежности ЭД по тепловому фактору решалась методом динамического программирования.
На основании анализа выполненных расчетов нагревания обмоток ЭД118А при синтезировании управления расходом охлаждающего воздуха в качестве основных фазовых координат, определяющих тепловое состояние объекта, были приняты температура лобовой части обмотки якоря со стороны передаточного устройства T12 и температура коллектора TKCUI. Ограничения на значения фазовых координат принимались в соответствии с рекомендациями ГОСТ 2582-81 для изоляции класса нагревосп°йк°сти F (ГЛ2 )доп =150 °С и (ТКОЛ )доп =110 °С.
Вследствие того, что для оценки эффективности принятого закона управления охлаждением ЭД используются методы векторной оптимизации, сканирование области изменения возможных нагрузок выполнялось при их случайном распределении. При этом предполагалось, что область допустимых значений управления определяется параметрами штатной системы охлаждения ЭД118А и ограничена диапазоном Go < G < GijmM .
Анализ зависимостей износа изоляции обмотки якоря со стороны привода qm = f (кЭД ) показывает, что для всех значениях температуры охлаждающего воздуха они имеют экстремальное значение по величине ктэд (рис. 6). При гш = 40 oC оптимальные по экономичности системы Gq0 = 0,5GHMM. С уменьшением г опти-
мальное значения G0 понижается; так при гш = (-30)oC G,-40 = 0,3GHMM, а при
-40 J0
= (-40) oC G040 = (0.2... 0,3)GmM. Как и следует из зависимости
Ь = ехр{(В / (©опыт),) — экстремального значения функция дЛ2 = /(&Эд ) не имеет, т. к. с увеличением расхода воздуха на охлаждение уменьшается температура обмоток машины и ее износ по тепловому фактору.
Моделирование тепловых процессов в обмотках ЭД118А при = 40° С, позиционном управлении охлаждением с оптимальным значением уставки показало, что существующее ограничение на управление Сном не позволяет поддерживать значения температур лимитирующих по нагреванию узлов обмоток в заданном диапазоне < 150 оС и Тол -115 оС, т. е. оптимальное значение уставки по величине не обеспечивает заданного теплового состояния объекта (рис. 6 ). Это приводит к тому, что износ обмотки якоря по тепловому фактору составляет дЛ2 = 8• 105 1/ч, т. е. ресурс работы изоляции обмотки якоря ЭД при таких режимах его работы составил бы 12,5 тыс. час., что ниже значения заданного в ТУ почти в два раза. При меньших значениях принятый закон управления охлаждением ЭД обеспечивает меньшие износы изоляции обмотки якоря по тепловому фактору.
Рисунок 6. Зависимости износа лобовой части обмотки якоря со стороны передаточного устройства ЭД118А в зависимости от величины кТЭдпри позиционном селективном управлении охлаждением с ограничением ТЛП2=150 С и ТКОЛ=115 С при различных значениях температуры охлаждающего воздуха: 1 — (-40) °С; 2 — (-30) С; 3 — (-20) С; 4 — (-10) С; 5 — 0 С; 6 — 10 С; 7 — 20 С; 8 — 30 С; 9 — 40 С
Таким образом, разработанный метод прогнозирующей оценки надежности электродвигателя привода специального назначения уже на стадии проектирования позволяет рассчитать его ресурс при любом распределении нагрузок и для любых климатических зон эксплуатации. Предложенные критерии оптимизации управления дают возможность спроектировать систему охлаждения электроприводом с минимальными весогабаритными показателями при заданном ресурсе электродвигателя.
Литература
[1] Ермолин Н. П., Жерихин И. П. Надежность электрических машин. — Л. : Энергия, 1976.
[2] Логинова Е. Ю. Выбор рациональных режимов охлаждения тяговых двигателей постоянного тока // Электротехника. 2000. № 1. С. 25-30.
[3] Бахшиева Л. Т. и др. Техническая термодинамика и теплотехника. — 2-е изд. — М. : Академия, 2008.
[4] Nefedov R., Loginova E. Investigation of wear of insulation of traction engines of locomotives in operation // ITM Web Conference. 2018. Vol. 18. P. 01006.
[5] ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей.
[6] Кейн В. М. Оптимизация систем управления по минимаксному критерию. — М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985.
[7] Логинова Е. Ю., Антаненкова И. С. Цифровая система управления тяговым электродвигателем как тепловым объектом // Новое в российской электроэнергетике. 2018. № 1. С. 41-52.
Авторы:
Елена Юрьевна Логинова — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электропоезда и локомотивы», Российский университет транспорта (МИИТ)
Дмитрий Александрович Корнев — кандидат технических наук, ведущий инженер отделения разработки систем управления и обеспечения безопасности движения поездов, АО Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте
Algorithm Optimum Control of Electric Drive Resource of Special Purpose
E. Loginova*, D. Kornev**
*Russian University of Transport (MIIT), 15, Obraztsova Street, Moscow, 127994, Russia
**Research and design institute for information technology, signalling and telecommunications in railway
transportation, 27, bldg. 1 Nizhegorodskaya str., Moscow, 109029, Russia
Abstract. An algorithm is proposed for predicting the reliability of operation of a specialpurpose electric drive by the thermal factor. It is shown that it is advisable to take the relative wear of the insulation and the relative power for cooling as the criteria for optimizing the control of the electric motor of the drive. Using mathematical modeling methods, unsteady thermal fields in a DC motor are calculated with a random distribution of operating loads. It is shown that in any operating conditions the most heat-intensive is the frontal part of the armature winding from the traction gear. Using the ED118 electric motor as an example, functional dependencies between optimization criteria, including when the electric drive was operating in different climatic zones. The numerical values of reducing the resource of a special-purpose drive electric motor are obtained taking into account the operation factor.
Keywords: traction drive, an algorithm for predicting the reliability of operation of a specialpurpose electric drive by the thermal factor, control optimization criteria, dynamic distribution of thermal fields in the electromotor windings.
References
[1] Ermolin N. P., Zherihin I. P. (1976) Nadyozhnost' elektricheskih mashin (Energiya). [In Rus]
[2] Loginova E. Y. (2000) Elektrotekhnika, (1):25-30. [In Rus]
[3] Bahshieva T. L. et al. (2008) Tekhnicheskaya termodinamika i teplotekhnika (Akademiya). [In Rus]
[4] NefedovR., Loginova E. (2018) ITM Web Conference, 18:01006.
[5] GOST 16350-80 Klimat SSSR. Rajonirovanie i statisticheskie parametry klimatiche-skih faktorov dlya tekhnicheskih celej. [In Rus]
[6] Kejn V.M. (1985) Optimizaciya sistem upravleniyapo minimaksnomu kriteriyu. [In Rus]
[7] Loginova E. Y., Antanenkova I. S. (2018) Novoe v rossijskoj elektroenergetike, (1):41—52. [In Rus]
