CC BY
100
I. ЕЛЕКТРОТЕХНІКА
УДК 629.424.2
И. А. Орловский канд. техн. наук Запорожский национальный технический университет
Измерение параметров режима дизель-поезда ДЕЛ-02 во время эксплуатации и сравнение их с математической моделью
Приведена методика и результаты измерений параметров режима дизель-поезда ДЕЛ-02 для различных случаев в процессе эксплуатации. Выполнен анализ результатов и их сравнение с результатами моделирования, разработанной ранее математической модели асинхронного тягового электропривода дизель-поезда. Показаны изменения в математической модели физических величин, не измеряемых в процессе эксплуатации.
асинхронный тяговый электропривод, дизель-поезд, математическая модель, моделирование
Растет число мировых компаний операторов пассажирских перевозок, которые в проектах не электрифицированных участков железных дорог с небольшим пассажиропотоком [1] отдают предпочтение дизель-поездам (ДП). Во всех развитых странах разработаны концепции наполнения парка дизель-моторного вагонного подвижного состава, отвечающего современным требованиям. Для повышения технико-экономических показателей (скорости движения, экономичности, простоты обслуживания) в ДП серии ДЕЛ производства ХК «Лугансктепловоз» применен асинхронный тяговый электропривод (АТЭП), что стало возможным благодаря созданию мощных полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов [1, 2]. В настоящее время четыре ДП находятся в эксплуатации и два в разработке. АТЭП обладает лучшими технико-экономическими показателями по сравнению с приводом постоянного тока. Однако, широкое внедрение на железных дорогах Украины АТЭП сдерживается трудностями создания его надежной и экономичной системы управления [3]. Проблемы создания такой системы вызваны 1) изменяющимися условиями работы ДП (изменяются профиль пути, условия сцепления колеса с рельсом, загруженность поезда, климатические условия, износом деталей ДП), 2) сложностью математического описания совместной работы дизеля, генератора, механического движения ДП и его частей, процессов в электрических цепях, 3) особенностями распределенной тяги, 4) невозможностью получения оптимальных алгоритмов управления из-за нелинейностей параметров АТЭП ДП [3]. В связи с этим, перспективной является разработка самонастраивающихся систем оптимального управления тяговым приводом,
обеспечивающих оптимальное согласование режимов работы силовых тяговых агрегатов АТЭП с учетом распределенной тяги, упругости механизмов и изменяющегося коэффициента сцепления колеса с рельсом. Представляет интерес использование в таких системах средств искусственного интеллекта [4-7].
Важным этапом проектирования оптимальных систем управления, обеспечивающих качественные характеристики АТЭП ДП в переходных и установившихся режимах работы, является разработка его математической модели, это позволяет формировать и исследовать динамические процессы в АТЭП ДП на стадии проектирования (аналитический синтез, анализ и компьютерное моделирование) и уменьшает трудоемкость и себестоимость исследований. Для этого с участием автора создана единая математическая модель электромеханической системы, включающая силовую электрическую схему, тяговым приводом, его систему управления и механическую часть ДП [8-10]. Предложено усовершенствование системы управления ДП, которое заключается в следующем: 1) применена векторная системы управления ТАД, 2) задающим воздействием от контроллера машиниста принята скорость ДП (вместо мощности дизеля в существующей системе [1, 3]), 3) обороты дизеля поддерживаются автоматически по экономичной характеристике дизеля, 4) в системе управления распределенным приводом осуществлены дополнительные меры по обеспечению равенства моментов двигателей и снижению амплитуды колебаний между вагонами. Использование этой модели позволяет выявить основные факторы, определяющие движение ДП (колебания скоростей вагонов, тележек, колес, режимы буксования и юза, расход электрической энер-
© И. А. Орловский 2GW р.
гии), выполнить поиск настроек, обеспечивающих максимальное использование установленных мощностей, уточнить физические процессы, протекающие в АТЭП ДП. Было проведено исследование математической модели методом моделирования, однако отсутствовало сравнение результатов моделирования с данными режима реального оборудования.
Исследование параметров режима АТЭП тепловоза на математической модели рассмотрено в [11]. Модель состоит из синхронного генератора, трехфазного управляемого мостового выпрямителя, индуктивного фильтра, автономного инвертора тока, двух параллельно соединенных ТАД. В механической части привода рассматриваются два колесно-моторных блока тележки. Модель учитывает угловые колебания системы в продольно-вертикальной плоскости по отношению к оси пути и нелинейные характеристики сцепления колес с рельсами. Выполнен анализ динамики нештатных режимов, вызываемых отказами вентилей инвертора тока при отсутствии срабатывания защиты по управляющему электроду. Однако, в системе не моделируется работа дизеля, не учитываются упругости между тепловозом и вагонами и не выполнена проверка модели с реальным оборудованием.
Необходимым условием использования разработанных математических моделей является их точность, которую можно определить сравнением результатов моделирования с реальными данными режима работы оборудования. В [12] выполнена разработка системы управления, обеспечивающей движение тепловоза с тяговыми двигателями постоянного тока последовательного возбуждения без проскальзывания и максимальным использованием мощности дизеля, показана эффективность использования системы поосного регулирования касательной силы тяги. Исследования выполнялись на математической модели с последующей проверкой результатов на реальном тепловозе. При этом не рассматривался распределенный привод (такой как в ДП) и ТАД с силовыми преобразователями.
Исходя из проведенного анализа, в существующей научно-технической литературе отсутствуют данные
динамических режимов работы АТЭП ДП ДЕЛ-02 во время эксплуатации и не выполнено сравнение этих результатов с данными моделирования его математической модели.
Цель статьи. Описание методики и представление результатов измерения параметров режимов работы АТЭП ДП ДЕЛ-02 во время эксплуатации, их анализ и сравнение с данными, полученными методом моделирования его математической модели.
Общее устройство АТЭП ДП
Упрощенная схема ДП ДЭЛ-02, состоящего из трех вагонов: двух моторных (М1 и М2) и одного пассажирского, показана на (рис. 1). В каждом моторном вагоне установлено по два ТАД (обозначенных на рис. 1, как Д1, Д2, Д3, Д4), каждый из которых через редуктор приводит во вращение одну колесную пару. Связь между вагонами представляется упругим звеном без зазора и гасителей колебаний.
На рис. 1 для пояснения измеряемых далее величин сделаны следующие обозначения: щ, т2, т3, т4- электромагнитные моменты, развиваемые двигателями Д1, Д2, Д3, Д4 соответственно; ЕС1, Ес 2, Ес 3 - силы сопротивления движению первого, второго и третьего вагонов соответственно; С12, С 23 - коэффициенты упругости между первым и вторым, и вторым и третьим вагонами; тм - масса моторного вагона, тр - масса пассажирского вагона; Я2, Я3, Я4 - радиусы колес
первой, второй, третьей и четвертой моторной пары соответственно; У1, У2, У3 - скорости первого, второго и третьего вагонов соответственно; ^12, ¥23 - силы, действующие через сцепки между первым и вторым, вторым и третьим вагонами поезда соответственно.
Функциональная схема тягового привода одного моторного вагона ДП ДЕЛ-02(04) приведена на рис. 2. Тяговые двигатели каждого моторного вагона питаются от синхронного генератора через неуправляемые выпрямители (В1 и В2) и автономные инверторы напряжения (АИН1 и АИН2). Генератор приводится во вращение дизелем, который оснащен электронным ре-
Рис. 1. Упрощенная схема ДП
Рис. 2. Функциональная схема силовой электропередачи одного моторного вагона ДП ДЕЛ-02(04)
гулятором [1, 3, 13]. Для питания системы управления и вспомогательных механизмов (компрессоров, кондиционеров, отопительной системы и др.) установлен преобразователь частоты собственных нужд ПЧСН. АИН обеспечивают изменение амплитуды и частоты основных гармоник трехфазных напряжений, питающих ТАД [2]. В тяговом режиме мощность передается от источника питания к ТАД, а в режиме торможения - от ТАД к тормозным резисторам. На рис. 2 обозначены величины, измеряемые в процессе исследований.
Для управления движением поезда машинист задает частоту вращения дизеля (уровень мощности), изменяя позицию контроллера машиниста. Заданный уровень мощности, отработанный дизелем, сравнивается с используемой мощностью АТЭП и оборудования собственных нужд и по запасу свободной мощности изменяется ток в обмотке возбуждения синхронного генератора и, следовательно, выходное напряжение на его статорных обмотках. Характер движения ДП определяется свободной мощностью дизельной установки [1, 3]. Управление оборудованием осуществляет ком -плектное устройство автоматики. На вход его приходят сигналы от машиниста, сигналы управления мощностью от электронного регулятора дизеля и сигналы электрических и механических величин электропередачи.
Система управления напряжением ТАД выполнена двухконтурной. Внешний контур регулирует возбуждение тягового синхронного генератора и задает величину напряжения, подводимого ко входу инверторов напряжения. Внутренний контур осуществляет регулирование частоты напряжения ТАД. Управление тяговыми инверторами выполняется по скалярному принципу: изменением частоты и амплитуды напряжения, которое подается на ТАД. При пуске регулирование
происходит по закону U/f = const, а в установившемся режиме - по экономичному закону М. П. Костенко [І, З, ІЗ].
При возникновении буксования колес система управления вырабатывает сигнал на уменьшение магнитного потока синхронного генератора, благодаря чему уменьшается напряжение на выходе генератора, падают моменты ТАД, уменьшается их угловая скорость и буксование исчезает. Далее система управления восстанавливает значение магнитного потока синхронного генератора. В режиме электрического торможения (до скоростей ДП, не превышающих 5 км/час) энергия от двигателя через автономный инвертор, работающий в данном режиме как выпрямитель, поступает в звено постоянного тока, где рассеивается в тормозном резисторе [1, З].
Измерения параметров режимов работы АТЭП ДП в условиях эксплуатации
Для анализа работы ДП и сравнения измеренных параметров режима с математической моделью использовалась карта сокращенного продольного профиля пути Вапнярка-Христиновка, разработанная Одесжел-дорпроектом. Участки этой карты, при прохождении которых выполнялись измерения, приведены на рис. З и рис. 4, руководящий подъем составлял 11 тысячных, цифрами в кружках показаны участки пути для соответствующих случаев.
Исследования работы ДП в условиях эксплуатации выполнялись для четырех случаев.
Первый случай. Режим разгона при создании моментов всеми четырьмя двигателями. Запись значений величин осуществлялась каждые G,2 с, что объясняется имеющимися возможностями существующей на ДП
Рис. 3. Карта сокращенного профиля пути на первых километрах от Христиновки до Вапнярки
Рис. 4. Карта сокращенного профиля пути на спуске и определяющем подъеме участка Христиновка-Вапнярка
Поездка от 04,11,09, лист 1 из 1 листов, № (тип) 4 (ДЕЛ02)
а)
машинист Нагожук. маршрут: Христиновка-Вапнярка поезд N0 6421 вес 228 к-во осей 12
б)
Рис. 5. Фрагменты результатов записи пройденного пути и времени, регистрируемые флеш-картой машиниста; а) - начало движения, б) прохождения спуска и определяющего подъема
системы хранения и отображения информации. Так как зафиксированные в многофункциональном дисплее машиниста данные необходимо переписывать вручную, результаты представлены для 30 секунд (что превышает 1000 измерений).
Второй случай. Режим разгона при создании тяговых моментов двумя двигателями одного моторного вагона в течение 200 секунд.
Третий случай. Режимы разгона, движения с разными установившимися скоростями и торможения на прямолинейном участке в течение 34 минут.
Четвертый случай. Режимы движения ДП на уклонах с применением электрического торможения в течение 25 минут.
Для третьего и четвертого случаев данные снимались один раз в минуту непосредственно во время дви-
жения ДП. Программа исследований включала в себя измерения для всех рассмотренных случаев частот вращения дизелей и ТАД, токов, напряжений и мощностей в силовом оборудовании АТЭП ДП; определение режимов, когда возникают буксование и юз колес ДП.
Измерения проводились совместно со специалистами моторвагонного депо Христиновка Одесской железной дороги на участке ст. Христиновка - ст. Вапнярка в ноябре 2009 года в дневное время суток во время поездки ДП с пассажирами согласно расписанию. Погодные условия при выполнении испытаний следующие: температура - 0 оС, влажность - 90 %, осадков и ветра нет.
Для выполнения измерений использовались датчики, устройства измерения, измерительные блоки тока, напряжения частоты вращения, скорости, пути, вычис-
І60
140
120
100
30
:ер
40
20
И,12,!3,14(А)Л/*10кт/1г 10*Рог
°30
11
13 0* '"Ч Л
“““•1 #
. рог ,.±' А [Г / -
Г Vу Ш ] V/ " ■
£Г_„.
35
40
45
.50
й® | сек ОД
а)
45 в)
200
180
160
140
120
100
во
60
40
20
РОЇ, РС2 (к\Л), 0.1*пС1,
°30
0.1 V 52(оЬ/ гип), 10*\/ кт/Ь,10*Рог
РЄ1
П'31 ....
пбз
Рог ' Т у у
Г —“ __ ^Л /***^ : ¥
35
40
45 б)
50
551,сек 60
г)
Рис. 6. Результаты измерений параметров режима ДП для первого случая; а) диаграммы токов ТАД; б) диаграммы мощностей и числа оборотов синхронных генераторов; в) диаграммы напряжений синхронных генераторов; г) диаграммы напряжений постоянного тока силовых преобразователей; на всех рисунках показаны скорость поезда и значение позиции контроллера
машиниста
б)
100
*)
Рис. 7. Результаты измерений параметров режима ДП для второго случая; а) диаграммы токов ТАД; б) диаграммы мощностей и числа оборотов синхронных генераторов; в) диаграммы напряжений синхронных генераторов и напряжений постоянного тока силовых преобразователей; на всех рисунках показаны скорость поезда и значение позиции контроллера машиниста
ленные значения мощностей, выносные индикаторы, многофункциональный дисплей машиниста, установленные в АТЭП и системе управления ДП.
Кроме данных, фиксирующихся в многофункциональном дисплее машиниста, использовалась запись пройденного пути и времени на флеш-карте машиниста, фрагменты которой для участков, где выполнялись измерения, представлены на рис. 5.
Результаты измерений параметров режима ДП для первого случая показаны на рис. 6. Данные снимались при разгоне ДП от платформы Казачий хутор от 5,5 км до 6 км от ст. Христиновка (или от 113,5 км до 113 км от ст. Вапнярка, рис. 3) с 8 ч. 18 мин. 32 с до 8 ч. 18 мин. 60 с через каждые 0,2 секунды. Движение ДП, согласно карте профиля пути рис. 3, выполнялось на ровном участ -ке (без уклонов и поворотов).
Измеряемые величины показаны на рис. 6-рис. 9 линиями разного типа и разной толщины. Для них сделаны следующие обозначения: 11-14 действующие значения токов, соответственно, первого - четвертого ТАД; V - скорость поезда; Рог - позиция контроллера машиниста (со знаком «минус» показаны позиции при электрическом торможении); иС1 и иС2 - напряжения синхронных генераторов; РС1 и РС 2 - мощности нагрузки синхронных генераторов; пС1 и пС2
- число оборотов дизелей, следовательно, и синхронных генераторов, первого и второго моторного вагонов, соответственно; Цр1 и ир 2 - напряжения постоянного тока силовых преобразователей. Например, толстой сплошной линией на рис. 6 дана скорость поезда V.
Результаты измерений параметров режима ДП для второго случая показаны на рис. 7. Данные снимались при разгоне ДП на 32 км от ст. Христиновки (или 87 км от ст. Вапнярка) с 8 ч. 47 мин. 05 с до 8 ч. 51 мин. 50 с через 0,2-10 с при снятом возбуждении синхронного генератора второго моторного вагона, следовательно, при создании тяговых моментов двумя ТАД первого моторного вагона. Движение ДП, согласно рис. 4, также выполнялось на ровном участке (без уклонов и поворотов).
Для третьего случая результаты измерений даны на рис. 8. Измерения выполнялись, примерно, через 1 минуту, в течение более длительного времени с 8 ч 32 мин до 8 ч 53 мин на участке с 5 по 35 км от ст. Христиновка. Рассматривались разгон, торможение и движение ДП с постоянной скоростью на участке, не имеющем практически поворотов и уклонов.
Графики измеряемых величин для четвертого случая приведены на рис. 9. Измерения выполнялись при спуске и подъеме ДП с 59 км (58) по 77 км (42) от ст. Христиновка (Вапнярка) (рис. 4) в течение времени с 9 ч 25 мин до 9 ч 51 мин. Выполнялись также измерения при электрическом торможении поезда на 1-3 позициях торможения контроллера машиниста.
а)
б)
в)
г)
Рис. 8. Результаты измерений параметров режима ДП для третьего случая; а) диаграммы токов ТАД; б) диаграммы мощностей синхронных генераторов; в) диаграммы напряжений синхронных генераторов и значение позиции контроллера машиниста; г) диаграммы напряжений постоянного тока силовых преобразователей; на всех рисунках показана скорость поезда
Анализ полученных экспериментальных результатов
Из рис. 6 видно, что при переключении контроллера машиниста в позицию 1 на 33 с начинается движение поезда, вызванное увеличением токов и, следовательно, моментов ТАД. В интервале времени от 38 с до
47 с создаются разные токи ТАД (например, на 41 с максимальные и минимальные значения токов ТАД равны 72 А и 102 А). При этом отличия токов достигает 30 А, что для тока 72 А составляет 41,5 %. Мощности развиваемые генераторами первого и второго моторных вагонов составляют 10 и 30 кВт соответственно.
При переключении на 47 с позиции контроллера машиниста в положение 2 одинаково увеличиваются обороты обоих дизелей с 800 об/мин до 1000 об/мин. Мощности генераторов возрастают до 180 кВт и 80 кВт соответственно. Токи ТАД находятся в ограничении,
отличаются незначительно и составляют 150-160 А, ускорение разгона ДП при этом максимальное и составляет 0,33 м/сек2. Напряжения обоих генераторов (рис. 6, в) сразу при возрастании оборотов дизелей на
48 с увеличивается и после нескольких секунд поддерживается на первоначальном уровне 490-500 В. Выпрямленные напряжения преобразователей (рис. 6, г), соответственно, составляют 670 и 610 В (отличие около 10 %), эти напряжения возрастают при увеличении напряжений генераторов и далее (при максимальных токах ТАД) поддерживается на уровне 660 и 610 В соответственно.
В режиме максимальных токов мощность, потребляемая от второго генератора, значительно ниже мощности, потребляемой от первого генератора, при этом отсутствуют броски токов ТАД, питающихся от напряжения второго генератора, и присутствуют броски токов ТАД, питающихся от напряжения первого генера-
1200
1000
-.300
дао
400
200
Up1, Up2 (V)
б)
V km/h,
10*Poz
-200
/S. \
' \A A
^ — v
и " и m
їй
p 62
1111
30
.35
40
45 t, min 50
в)
г)
Рис. 9. Результаты измерений параметров режима ДП для четвертого случая; а) диаграммы токов ТАД; б) диаграммы мощностей синхронных генераторов; в) диаграммы напряжений синхронных генераторов; г) диаграммы напряжений постоянного тока силовых преобразователей; на всех рисунках показаны скорость поезда и значение позиции контроллера машиниста
тора, до 15 А. Период колебаний токов на 37-42 с всех тяговых двигателей и на 56-58 с тяговых двигателей первого моторного вагона составляет около 1,2 с.
Отличие токов двигателей и, следовательно, их моментов на 37-42 с можно объяснить разницей диаметров моторных колес. При обточке бандажей колесных пар выставляется требование обеспечения одинакового диаметра колес в колесной паре, при этом диаметры бандажей разных моторных колесых пар могут отличаться друг от друга. Это приводит к отличию механических характеристик тяговых приводов моторных колесных пар. В нашем случае диаметры моторных колес первого моторного вагона меньше, чем диаметры моторных колес второго моторного вагона.
Колебания с периодом 1,2 с можно объяснить продольными колебаниями вагонов за счет имеющихся упругостей в тележках и буферах между вагонами. При работе на общий механический вал (т. е. на общую массу поезда и неподвижные рельсы) линейные скорости
колес по кругу катания должны быть одинаковые. При разных диаметрах колес возникают разные угловые скорости двигателей, что, при подаче одинакового задания на скорость ТАД и жестких механических характеристиках тяговых приводов, формирует разные моменты ТАД и, следовательно, разные токи двигателей (рис. 6, а).
Несколько раз в начале движения за всю поездку Христиновка-Вапнярка -Христиновка (количество остановок более 30) на доли секунды возникало буксования, что фиксировалось на дисплее машиниста.
Сравнение экспериментальных результатов с результатами моделирования математической модели
Значения измерений, полученных во время эксплуатации ДП, сравнивались с результатами моделирования математической модели АТЭП ДП, особенности которой отмечены в начале статьи, а достаточно подробное описание дано в работах [8-10].
В установившемся режиме отличия действующих значений токов ТАД (при управлении от векторной и скалярной систем управления) незначительны [14]. Так как разгон ДП осуществляется за десятки или сотни секунд, то отличия процессов в ТАД от процессов, возникающих при работе в установившемся режиме, также незначительны, что позволяет выполнить корректное сравнение действующих значений токов, протекающих в реальном АТЭП ДП со скалярной системой управления, и на модели с векторной системой управления.
В математической модели АТЭП с векторной СУ используются модели идеализированных ТАД и преобразователей частоты с АИН-ШИМ, которые могут задаваться в виде двух возможных вариантов: 1) - на идеальных силовых ключах с учетом дискретности свойств силовых ключей управляемых выпрямителей и автономных инверторов, 2) - в виде линеаризованных передаточных функций замкнутых контуров регулирования намагничивающей и активной проекций статорного тока, скорости двигателя [10].
В [9, 10] выполнено моделирование режимов работы АТЭП ДП с использованием второго варианта. В [8] моделировались режимы работы АТЭП ДП с использованием, как первого, так и второго варианта. Результаты показали, что при создании одинаковых электромагнитных моментов ТАД для разных вариантов возникали разные мгновенные значения токов и моментов ТАД и достаточно близкие результаты (отличия не превышали 10 %) для действующих значений токов ТАД. При развиваемых одинаковых электромагнитных моментах ТАД, действующие значения токов ТАД для первого варианта всегда больше, чем для второго, так как во втором варианте моделируется только первая (основная) гармоника токов ТАД, а в первом варианте в спектре токов присутствуют различные гармоники.
Моделирование для первого варианта даже одного ТАД с дизелем и синхронным генератором без моделирования проскальзывания и распределенной тяги потребовало в десятки раз больше времени и объема оперативной памяти компьютера, чем при моделировании всего распределенного АТЭП ДП с моделированием проскальзывания и распределенной тяги для второго варианта. Поэтому моделирование выполнялось для второго варианта математической модели.
Для приближения этой математической модели условиям реального эксперимента в ней выполнены следующие изменения: обороты дизелей задавались позицией контроллера машиниста; осуществлялось плавное задание скорости вращения ТАД по остаточной мощности дизелей; изменены скорости вращения дизелей в пределах от 800 до 2100 об/мин (как в дизелях ДП ДЕЛ-02(04)). При моделировании приводного модуля 12У183 ДЕ, состоящего из дизеля 183 ТБ 13 и синхронного генератора БКГВ23509-6с, задавались следующие параметры: постоянная времени дизеля по возмущающему воздействию Т =3 с; постоянная времени дизеля
по управляющему воздействию Тх =3 с; активное сопротивление обмотки статора синхронного генератора К =0,216 Ом; постоянная времени обмотки возбуждения генератора Тв =0,5 с. Задавались передаточные числа редукторов і =2,47 и значения внутренних параметров тяговых двигателей АД906У1. К массам моторных вагонов тм = 64 т и пассажирского вагона тр =46 т добавлялись массы пассажиров в этих вагонах, коэффициенты упругости между вагонами С12= С23=938600 Н/м, силы сопротивления движению вагонов Ес 1, Ес 2 и Ес 3 вычислялись по уравнениям удельного сопротивления движению ДП [1, 3].
При моделировании первого случая рассматривались три варианта. Для первого варианта задавались небольшие отличия в радиусах тяговых колес: К1 = 0,4700 м, К2 = 0,4704 м, К3 = 0,4741 м, К4 = 0,4750 м при удвоении жесткостей упругостей между вагонами. Для второго варианта задавались большие отличия в радиусах тяговых колес: К1=0,464 м, К2=0,467 м, К3 =0,4735 м, К4=0,475 м. Для третьего варианта задавались радиусы колес такие же, как во втором варианте, и задавались дополнительные обратные связи в системе управления и корректоры разности моментов ТАД и разности скоростей вагонов [9, 10].
Результаты моделирования для первого варианта первого случая представлены на рис. 10.
При моделировании задавались значения позиции контроллера машиниста и задание скорости ДП такие же, как при реальном движении ДП. Сопротивления движению вагонов поезда задавались с использованием уравнения основного удельного сопротивления, так как повороты и уклоны для этого случая отсутствуют, поэтому отличия в оборотах дизелей и скорости ДП в модели и в реальном эксперименте практически отсутствуют. Максимальные отличия мгновенных значений токов ТАД не превышают 25 %. Значения выпрямленного напряжения для обоих моторных вагонов одинаковые, отличия этих напряжений для второго вагона не превышают 16 %.
В АТЭП ДП формирование импульсов управления силовыми ключами выполняется по алгоритмам фирмы «Стромберг», что увеличивает спектр гармоник по сравнению с ШИМ модуляцией, используемой в математической модели, это объясняет возникновение меньших на 10-30 % действующих значений токов ТАД в математической модели по сравнению с реальными значениями.
Преимуществом математической модели является также то, что можно проследить изменения величин, измерения которых сложно или невозможно. Так на рис. 10, б показаны изменения моментов ТАД. На рис. 10, г показаны изменения разностей скоростей вагонов. На рис. 10, д - сил сопротивления движению вагонов ДП и сил, действующих между вагонами через сцеп-
1:5.
. x#
25 e)
F12'F.a3>10*Fc2'10*F#10*FJN)
0.5
.-[15
і— т—1 1 — f23
V : : — > Fc2 : ;лАа— : ;
10
15
20
д)
ЗО
361, сек 40
г)
о;оз 0.02 0 01 о
-001
-0.02
dS^,dS23(m)
-0.03
і —А» 1
.— ■—dS., : Л/Г
2: /
'і \
V :
\\ :
10
20
25
35 t, сек 40
е)
Рис. 10. Результаты моделирования параметров режима ДП для первого случая при разгоне ДП для первого варианта (с малым отличием радиусов колес и повышенной жесткостью упругостей между вагонами): а) токи ТАД, скорость поезда и позиция контроллера машиниста; б) моменты ТАД и скорость поезда; в) число оборотов синхронных генераторов, скорость поезда и позиция контроллера машиниста; г) разности скоростей вагонов; д) силы между вагонами и силы сопротивления движению
каждому вагону; е) изменения расстояний между вагонами
а)
б)
(13,
о.ое
0.04
0.02
-от
-0.04
-0.06.
-ом
-
\
: V : V . ./4
: 1 Л : 4 1 Л А ч/ V/ Л
ю
■20
25
ао
Ш ї, С9к 40
в) г)
Рис. 11. Результаты моделирования параметров режима ДП для первого случая при разгоне ДП для второго варианта (с большим отличием радиусов колес); а) токи ТАД, скорость поезда и позиция контроллера машиниста; б) моменты ТАД и скорость поезда; в) разности скоростей вагонов; г) - изменения расстояний между вагонами
ку. На рис. 10, е - изменения расстояний между вагонами. При этом амплитуда колебаний сил между вагонами превышает 1000 Н. Колебания изменений расстояний между вагонами во время разгона достигают 3 см. Амплитуды колебаний разностей скоростей вагонов достигают 0,04 км/ч. Период колебаний, рассмотренных выше величин, составляет 1,6 с, что превышает период колебаний в эксперименте на 30 %. При увеличении в модели установленных коэффициентов упругостей между вагонами период колебаний уменьшается и может точно соответствовать периоду колебаний в эксперименте.
Из-за разных радиусов колес возникают отличия токов и моментов ТАД, однако эти отличия в модели для первого варианта меньше, чем в эксперименте. Для исследования процессов при большем отличии радиусов колес рассматривается второй вариант моделирования.
На рис. 11 показаны результаты моделирования па-
раметров режима разгона ДП с большим отличием радиусов моторных колес и первоначально заданной жесткостью упругостей между вагонами. В этом случае значительно возрастают разницы между токами тяговых двигателей (рис. 11, а), подобная разница возникает и между моментами этих двигателей (рис. 11, б). Отличия максимальных разностей токов ТАД в эксперименте и на модели также не превышают 25 %. С уменьшением жесткости увеличиваются амплитуды колебаний разностей скоростей между вагонами, амплитуды колебаний расстояний между вагонами, увеличивается период колебаний.
При осуществлении коррекции моментов ТАД и скоростей вагонов (см. работы [9, 10]) (моделируется для третьего варианта), осуществляется практическое равенство моментов двигателей и в несколько раз снижается амплитуда и частота колебаний разностей скоростей вагонов (рис. 12).
Сигналы о разности скоростей вагонов могут быть
16.0
І40
'І20
ІОО
■ДО:
40
■20
11,12,13,14 (А), 10* Vkm/h, 10* Р oz
— и - 12 - ІЗ І4
. — Paz
#■■■
ю
15:
■20
25
а)
30
35 t, сек 40
dS
0 06
0.04
0.02
-0.02
-0.04
щ
,aS23(m)
-0.06.
—. dS dS 11
23
\ \ \
4 \ 4
N
10
15
20
25-
ДО
35 t, сек 40
е)
г)
Рис. 12. Результаты моделирования параметров режима ДП для первого случая при разгоне ДП для третьего варианта (с большим отличием радиусов колес и с коррекцией моментов и разностей скоростей вагонов); а) токи двигателей, скорость поезда и позиция контроллера машиниста; б) моменты двигателей и скорость поезда; в) разности скоростей вагонов; г) изменения
расстояний между вагонами
найдены путем измерения расстоянии между вагонами во время движения. На практике визуально во время движения ДП с учетом направления движения можно по изменению расстояний между вагонами определить на сколько отличаются тяговые усилия одного моторного вагона от другого.
Выполнено моделирование разгона ДП для второго случая, когда отключалось возбуждение синхронного генератора второго моторного вагона, осуществлялась тяга ДП двумя ТАД. Результаты изменения токов, моментов двигателей, разности скоростей вагонов, сил сопротивления вагонам ДП, разности расстояний между вагонами приведены на рис. 13. В соответствии с картой профиля пути моделировалось движение ДП под уклон. Согласно графикам, отличия токов ТАД от эксперимента не превышало 25 %. Период колебаний сил сцепления, разности скоростей вагонов и расстояний между вагонами составлял на разных участках 4,4 с и 2 с.
Результаты эксперимента для третьего и четвертого случаев показывают возможные пределы изменения величин во время эксперимента. Так как данные измерялись через одну минуту (в 300 раз реже, чем для первого случая) без фиксации точного момента времени, когда изменяется положение контроллера машиниста, поэтому затруднительно сравнение переходных процессов в ДП и в его математической модели. Пределы измерений величин в эксперименте соответствуют пределам этих величин при моделировании математической модели АТЭП ДП.
После проведения исследований были получены результаты замера диаметров бандажей колесных моторных пар по кругу катания: R1=0,4745 м, R2=0,476 м, ^=0,477 м, R4=0,477 м. Радиусы колес моторных пар первого вагона меньше моторных колес второго на 0,1-
0,25 см, что подтверждает сделанные выводы о наличии разницы в радиусах моторных колес, приводящей
00
а)
100 в)
20000
15000
10000
'5000
-5000
■ — Е» Р
с1 рс2
п
Ж
100
І5П і, сєк
б)
0.14 0.12 0 1
0.06
0.04
0.02:
0
Й312,с1323(пп)
ай - -
п — —■ ^
ш ж
: '■:-.
її — *»«»■«--- .—
і
а
50
100
г)
'Т50'
Ь сек
200
Рис. 13. Результаты моделирования параметров режима ДП для второго случая а) токов двигателей, скорости поезда и позиции контроллера машиниста; б) силы между вагонами и силы сопротивления движению вагонов; в) разности скоростей
вагонов; г) изменения расстояний между вагонами
к разным моментам ТАД.
Выводы
Впервые выполнено сравнение значений параметров режима ДП при его эксплуатации с результатами моделирования математической модели АТЭП ДП, которое показало:
1. Отличия токов ТАД во время разгона не превышало 25 % (отличия объясняются наличием спектра гармоник токов ТАД в реальном оборудовании и моделированием только первой (основной) гармоники токов в математических моделях векторных систем управления ТАД), значения выпрямленного напряжения для преобразователей второго моторного вагона не превышает 16 %, как на модели так и в эксперименте возникали колебания токов ТАД, период колебаний отличался на 30 %.
2. Дополнительные исследования на модели пока-
зали возникновение колебаний скоростей вагонов, колебаний сил между вагонами и расстояний между вагонами. При этом амплитуда колебаний сил между вагонами превышает 1000 Н. Колебания изменений расстояний между вагонами во время разгона достигают 3 см. Амплитуды колебаний разностей скоростей вагонов достигают 0,04 км/ч.
3. Параметры режима механической части ДП (скорость поезда, силы сопротивления движению) в модели и в эксперименте отличаются не более, чем на 10 %.
Автор выражает благодарность начальнику моторвагонного депо Христиновка Каращуку Ю. В. за всестороннюю поддержку в проведении исследований и особенно благодарит заместителя начальника депо Кучерука О. А. за организацию измерений, непосредственное участие при их проведении, предоставление необходимой документации и создание комфортных условий для исследований.
Список литературы
1. Басов Г. Г. Прогнозування розвитку дизель-поїздів для залізниць України: Монографія / Г Г Басов. -Ч.1. - Харків : Апекс+, 2004. - 240 с.
2. Андриенко П. Д. Преобразователи частоты для электропередачи железнодорожного электротранспорта / П. Д. Андриенко, В. Д. Лобода, А. В. Мищенко // Електротехніка та електроенергетика. -2001. - № 1. - С. 55-58.
3. Носков В. И. Моделирование и оптимизация систем управления и контроля локомотивов / [Носков В. И., Дмитриенко В. Д., Заполовский Н. И., Леонов С. Ю.]. - Харьков : ХФИ «Транспорт Украи -ны», 2003. - 248 с. - (Научное издание).
4. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс / С. Хай-кин. - [2-е изд.]; пер. с англ. - М. : Издательский дом «Вильямс», 2006. - 1104 с.
5. Орловский И. А. Математическая модель на рекуррентной нейронной сети механики движения вагонов дизель-поезда / И. А. Орловский, Ю. В. Го-лянчук // Вісник Кременчуцького політехнічного університету. - Кременчук. - 2009. - Вип. 3/2009 (056), Ч. 2. - С. 116-119 .
6. Орловский И. А. Математические модели дизеля и синхронного генератора тягового электропривода дизель-поезда на нейронной сети / И. А. Орловский // Технічна електродинаміка. - 2010. - № 2. -С. 62-72.
7. Орловский И. А. Настройка системы управления распределенного электропривода дизель-поезда генетическими алгоритмами / И. А. Орловский, Ю. Ю. Туник // Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» науково-технічного журналу «ЕЛЕКТРОІН-ФОРМ». - Львів : - ЕКОінформ, 2009. - С. 443-446.
8. Орловський И. А. Математическая модель частотно-регулируемого асинхронного тягового электропривода дизель-поезда с усовершенствованной си-
стемой управления / И. А. Орловський, Е. В. Страко-лист // Сборник научных трудов Днепродзержинского государственного технического университета. Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. -Днепродзержинск : ДГТУ 2007. - С. 261-264.
9. Орловский И. А. Учет упругих связей и распределенной нагрузки при векторном управлении асинхронным тяговым приводом дизель-поезда / И. А. Орловский, А. Н. Кулешов // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. В. Лазаряна. Вип. 19. - 2007. -С. 209-213.
10. Волков А. В. Математическая модель многодвигательного частотно-регулируемого асинхронного электропривода дизель-поезда с векторной системой управления / А. В. Волков, И. А. Орловский // Технічна електродинаміка - Тематичний випуск «Проблеми сучасної електротехніки», Ч. 6. - 2008.
- С. 31-36.
11. Федяева Г. А. Математическое моделирование электромеханических процессов в асинхронном тяговом приводе тепловоза ТЭМ21 / Г. А. Федя-ева, В. Н. Федяев // Вестник ВНИИЖТ. - 2005. -№ 6. - С. 39-45.
12. Клименко Ю. И. Исследование электропривода с изменяемой жесткостью тяговой характеристики; дисс. кандидата техн. наук: 05.22.07 / Клименко Юрий Иванович. - М. : РГБ, 2004. - 188 с.
13. Дизель поезд ДЕЛ-02. Руководство по эксплуатации. Часть 1. Описание и работа. 1030.00.00.001 РЭ.
- 2005. - 105 с.
14. Пивняк Г. Г. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией / Г. Г. Пивняк, А. В. Волков. -Днепропетровск : Национальный горный университет, 2006. - 470 с.
Поступила в редакцию 24.11.09 г.
Орловський І. А. Вимірювання параметрів режиму дизель-поїзду ДЕЛ-02 під час експлуатації та порівняння їх з математичною моделлю.
Приведена методика та результати вимірювань параметрів режиму дизель-поїзда ДЕЛ-02 для різних випадків під час експлуатації. Виконано аналіз результатів та їх порівняння з результатами моделювання, розробленої раніше математичної моделі асинхронного тягового електропривода дизель-поїзда. Показано змінення у математичній моделі фізичних величин, що не вимірюються під час експлуатації.
асинхронний тяговий електропривод, дизель-поїзд, математична модель, моделювання
Orlovsky I. A. Measurement regime diesel train DEL-02 during the operation and their comparison with the mathematical mode.
The method and results of measurements of the profile, diesel train DEL-02 for various cases during operation. Completed analysis of the results and their comparison with the simulation results, the previously developed mathematical model of asynchronous traction motor diesel trains. Showing the changes in the mathematical model of physical quantities are not measured during the operation. аsynchronous traction electric drive, diesel trains, mathematical model, simulation
