CC BY
8
Electrical facilmes and systems
Аухадеев А. Э. Auhadeev Л. Б.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электротехнические
комплексы и системы», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация
Литвиненко Р. С. Litvinenko R. S.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электротехнические
комплексы и системы», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация
Киснеева Л. Н. Kisneeva L. N.
старший преподаватель кафедры «Электротехнические комплексы и системы», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация
УДК 621.313
Тухбатуллина Д. И. ТиШЬаШШпа D. I.
студент кафедры «Электротехнические
комплексы и системы», ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», г. Казань, Российская Федерация
DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-4-12-18
К ВОПРОСУ О РАЗВИТИИ ТЕОРИИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
На современном городском электрическом транспорте (ГЭТ) для реализации управляемого механического движения широко применяется автоматизированный тяговый электропривод, повышение энергетической эффективности работы которого является актуальной научной проблемой, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Реализация режимов работы входящего в состав электропривода тягового электрооборудования (ТЭО) происходит автоматизированно, посредством косвенной системы управления. При этом режимы работы ТЭО, обеспечивающие реализацию электрической тяги (ЭТ), взаимосвязаны с режимами движения электроподвижного состава (ЭПС), которые формируются водителем посредством реализации предписанных режимной картой алгоритмов переключения позиций контроллера управления. Практика показывает, что опытные водители способны реализовать рациональные режимы работы ТЭО, обеспечивающие режимы движения ЭПС, позволяющие экономить свыше 10 % электроэнергии по сравнению с полученными в результате расчетов и рекомендованными к исполнению
режимной картой. Это доказывает, что существующие теория и методы расчета рациональных режимов работы ТЭО не обеспечивают достаточный уровень адекватности при реальных условиях эксплуатации ГЭТ, что связано с высокой сложностью происходящих процессов и отсутствием достаточно проработанной методологии их интерпретации в отраслевой теории. Цель исследования - изучение процесса преобразования электрической энергии в целенаправленное механическое перемещение ЭПС при реализации всех технологических условий производственно-технической системы ГЭТ для подтверждения научной гипотезы о том, что режимы работы ТЭО формируются под воздействием сложноорганизованного технологического процесса ЭТ и являются топологической основой его структуры. Результатом теоретического исследования, выполненного на основе методологического анализа теории ТЭО, теории автоматического управления и автоматизированного электропривода, теории ЭТ, теории построения движения, системного подхода и синергетической парадигмы, является сформулированная научная концепция (теоретическая система), идентифицирующая процесс ЭТ как систему, состоящую из пяти уровней, находящихся в иерархических отношениях и решающих каждый отдельную специфическую задачу построения движения электрического транспорта. Полученная теоретическая система позволит развить общую теорию тягового электрооборудования ГЭТ путем совершенствования ее методологических основ и может найти практическое применение при разработке методов расчета рациональных режимов работы ТЭО ГЭТ.
Ключевые слова: тяговое электрооборудование, городской электрический транспорт, электрическая тяга, построение движения, системный подход, синергетическая естественнонаучная парадигма.
ABOUT THEORY OF TRACTION ELECTRIC EQUIPMENT OF URBAN ELECTRIC TRANSPORT
Automated traction electric drive is widely used for implementation controlled mechanical movement on the modern urban electric transport (UET), increase energy efficiency which is the actual scientific problem which has important national economic significance. Implementation of operating modes of the traction electrical equipment (TEE) which is a part of the electric drive happens automatically by the indirect control system. Herewith the operating modes of TEE which provide implementation of electrical traction (ET) are interconnected with movement modes of the electric rolling stock (ERS) which are formed by driver by means of the implementation of the prescribed mode map of algorithms switching controller positions. Practice shows that experienced drivers can realize the rational operating modes of TEE which are provide movement modes of ERS which are allowed to save over 10 % electrical energy compared to the result of calculation and recommended for execution by the mode map. It proves that existing theory and calculation methods of rational operating modes of TEE don't provide sufficient level of adequacy under real operating conditions of UET that connected with high complication of ongoing processes and the lack of a sufficiently elaborated methodology of their interpretation in branch theory. The purpose of the study was researching the process of transformation electrical energy in purposeful mechanical movement of ERS with the implementation of all technological conditions of production and technical system of UET for confirmation the scientific hypothesis about that operating modes of TEE are formed under the influence of highly organized process ET and are topological basis of its structure. The result of theoretical research which was made based on methodological analysis of the TEE theory, of the automatic control and automated electric drive theory, of the ET theory, of the motion building theory, systems approach and synergis-tic paradigm is formulated scientific concept (theoretical system), identifying process ET as a system which consist of five levels being in hierarchical relationships and each of which solve the specific problem of motion building of electric transport. The resulting theoretical system will allow the development of the general traction electrical equipment theory of UET by improving its methodological foundations and сan find practical application in the development of calculation methods of the rational operating modes of TEE of UET.
Key words: traction electrical equipment, urban electric transport, electric traction, motion building, systems approach, synergistic science paradigm.
Electrical facilities and systems
Введение
Развитие представлений об особенностях формирования режима работы тягового электрооборудования (ТЭО) электроподвижного состава (ЭПС), об архитектуре взаимодействий с другими техническими, технологическими и производственными процессами, характеризующими реализацию электрической тяги (ЭТ), способствует решению актуальной научной проблемы повышения эффективности работы автоматизированного тягового электропривода в системе городского электрического транспорта (ГЭТ). Вопросы теории ТЭО, связанные с расчетом технологических режимов его работы, лежат в предметной области теории ЭТ. Это позволяет предположить, что совершенствование основополагающих представлений о принципах формирования ЭТ как процесса преобразования электрической энергии в целенаправленное механическое движение ЭПС при реализации всех технологических условий производственно-технической системы ГЭТ может являться методологической основой развития теории и методов расчета рациональных режимов работы ТЭО. Для этого авторами впервые сформулирована основанная на системном подходе и синергетической методологии научная концепция интерпретации ЭТ как открытого сложноорганизован-ного процесса, топологической основой многоуровневой конфигурации которого являются реализации режимов работы ТЭО в составе автоматизированного электропривода [1, 2].
Научная концепция о построении
процесса электрической тяги
Основной идеей предложенной научной концепции (теоретической системы) является интерпретация технологического процесса ЭТ, основной задачей которого является целенаправленное механическое движение ЭПС, реализуемое ТЭО в составе автоматизированного тягового электропривода как совокупности иерархически выстроенных уровней (подпроцессов). Для идентификации этих уровней использовалась теория «построения движения», нашедшей применение в робототехнике и мехатронике [3]. В соответствии с этой теорией реализация управляемого движения объектов или систем различной при-
роды, в том числе и технических, осуществляется посредством его «построения». При этом построение движения происходит в общем случае по 5 уровням («Л», «Б», «О», «О», «Е»), которые называются «уровнями построения движения» [3].
На основании данной теории уровни построения движения ЭПС ГЭТ при реализации ЭТ могут быть идентифицированы следующим образом.
Первый уровень А — особый уровень построения движений, на котором движение как таковое отсутствует, но при этом происходят процессы, связанные с подготовкой к движению, т.е. ресурсное обеспечения процесса движения ЭПС ГЭТ.
Второй уровень В — уровень построения движений в собственных координатах системы (конкретного ЭПС), т.е. пространственная, временная и силовая координации механической работы ТЭО в составе автоматизированного тягового электропривода.
Третий уровень С — уровень построения движений в окружающем предметном пространстве, т.е. пространственная, временная и силовая координации управляемого механического перемещения ЭПС в условиях маршрута движения (план и профиль пути и др.).
Четвертый уровень D — уровень построения движений системы при взаимодействии с предметами окружающего пространства, обусловленном представлениями об их качествах и свойствах взаимных отношений (основанных на объективном мониторинге параметров измерительными инструментальными средствами), т.е. реализация целенаправленного механического перемещения ЭПС в условиях технологии перевозочного процесса (межпоездной интервал, время хода и др.)
Пятый уровень Е — уровень построения движений системы при взаимодействии с предметами окружающего пространства, основанном на приобретенных знаниях об их качествах и свойствах взаимных отношений, т.е. реализация «идеализированного» движения ЭПС, удовлетворяющего основным прогнозным параметрам задачи производственного процесса ГЭТ, формируемым системой организационного управления.
Уровни построения движения выстраиваются в соответствии с иерархией решаемых специфических задач. При этом задачи решаются параллельно, для каждого уровня непрерывно формируются вышестоящим и управляют нижестоящим уровнем, подчиняются условиям задачи общего процесса механического движения ЭПС.
Рассмотренный выше процесс движения ЭПС можно условно представить как «механическую» составляющую процесса ЭТ. Очевидно, что присутствует и «электротехническая» составляющая, которая определяет процессы преобразования электрической энергии, формирования электрических режимов ТЭО, взаимодействия с энергетической системой, другими ЭПС и т.д. Эти процессы также имеют четкую иерархическую структуру и, в общем случае, могут быть представлены 5-ю уровнями построения системы ЭТ (как на постоянном, так и на переменном токе) [4]. Реальный технологический процесс ЭТ невозможно разделить на составляющие, но проведенный анализ позволяет сделать выводы, что основной процесс также представляет собой систему уровней, связанных иерархической подчиненностью. При этом одним из основных условий реализации процесса ЭТ в открытой сложноорганизованной системе ГЭТ является обмен энергетическими ЯЕ (электрическая, тепловая, механическая энергия и др.), материальными ЯМ (в том числе финансовыми и кадровыми) и информационными Ы ресурсами между уровнями и внешней средой [2]. В синергетической методологии при описании открытых сложноорганизован-ных систем и процессов используется определение «информации» как «меры Порядка», в противовес понятию «энтропии» как «меры Хаоса» [5]. Под обменом Ы будем понимать любые взаимодействия, приводящие к «повышению Порядка» процессов и системы в целом. Это могут быть ограничения, условия и требования («параметры Порядка») к протекающим процессам и явлениям, выражающиеся в регламентах, инструкциях, нормах и др. [5].
Таким образом, сформулируем научную концепцию (теоретическую систему) о
построении процесса ЭТ в виде дидактической (от древнегреческого слова бгбактгко^, что означает «объясняющий») схемы, представленной на рисунке 1.
Основная задача первого уровня энергетического обеспечения (У]) — надежное и стабильное энергообеспечение всего процесса ЭТ. Очевидно, что это обеспечивается посредством системы тягового электроснабжения ГЭТ, связанной с энергосистемой города, являющейся по отношению к процессу ЭТ проявлением влияния внешней среды (ЯЕ). Надежность работы системы тягового электроснабжения обеспечивается эффективным материально-техническим обеспечением (Ям) и регламентируется нормативно-правовыми актами (Я:). Примем, что обмены Ям, проходят на всех уровнях построения ЭТ, и далее рассматривать их не будем.
Второй уровень реализации работы тягового электрооборудования (У2) обеспечивает реализацию ЭТ на этапе формирования характеристик ТЭО (угловая скорость вращения вала ТЭД ю(1), момент ТЭД М(1), коэффициент полезного действия ТЭД Пд(1), мощность Р2(1), постоянная времени нагревания тш(1Д) и др.), однозначно определяемых еще на этапе проектирования и реализуемых в автоматизированном режиме алгоритмами косвенной системы управления.
Если условно подвесить ЭПС на тросах и реализовывать одинаковые алгоритмы управления, то формируемые тяговые и тормозные режимы работы ТЭО будут идентичные, т.е. на уровне У2 решается конкретная специфическая задача, которая в случае отсутствия «задающего» множества {}Я1 с уровня У3 реализует запроектированные режимы ЭТ.
Если ЭПС установить на рельсы, то возникает внешняя сила сцепления FСЦ(yК), которая в теории тяги определяет касательную силу тяги БК. Появление БСц определяет «переход» на следующий уровень У3, характеризующийся взаимодействием ЭПС с окружающим пространством и его элементами. Взаимодействие с внешней средой задает условия (множество {}К:) для уровня У2, (основное сопротивления движению ю0(у), сопротивление от кривых ю^^), сопротивле-
Electrical facilmes and systems
Системы и комплексы города, региона, страны, мира: экономические, экологические, энергетические, социальные, климатические, транспортные, производственные и др.
У1 - У5 — уровни построения процесса электрической тяги; RM,E,I — обмен соответственно материальными,
энергетическими и информационными ресурсами Рисунок 1. Теоретическая система построения процесса электрической тяги
ния от уклонов и др.), являющихся дополнительными «параметрами порядка» [5].
Третий уровень управляемого движения ЭПС (У3) формирует управляемое механическое движения ЭПС, необходимое для перемещения по участку пути (с конкретными характеристиками) при воздействии определенных внешних воздействий (климатические, погодные и др.). На данном уровне формируются алгоритмы построения ЭТ при движении ЭПС по отдельным участкам (прямолинейный участок, с уклоном, при различ-
ном уровне загрузки ЭПС и т.д.) или их комбинаций. При этом очевидно, что для каждого участка движения алгоритмы работы ТЭО ЭПС (уровень У2) реализуются идентично, формируя с учетом «параметров Порядка» ^1) характеристики уровня У3, (тяговая характеристика ЭПС F(v), тормозная характеристика ЭПС В(у), зависимости тока ТЭО от скорости 1(у) и др.). Управляемая ЭТ на уровне У3 еще не является целенаправленной, т.е. реализуемой по условиям технологии поездной работы (с учетом времени хода
Электротехнические комплексы и системы
1Х, межпоездного интервала Д1ИНТ, средней ходовой скорости уХср, количество ЭПС на маршруте пЭПС, ограничения скорости уогр и др.), формируемым множеством {}К: на уровне У4.
Четвертый уровень реализации технологического процесса ГЭТ (У4) обеспечивает формирование целенаправленной ЭТ, соответствующей технологическим условиям поездной работы и выстраиваемой путем реализации задач на уровнях У! — У3. Характеристиками ЭТ на уровне У4 являются кривые движения у(1), у^), кривые потребления тока ^1;), кривые нагревания ТЭДт(1;) и др. для конкретных условий поездной работы.
Пятый уровень реализации производственного процесса ГЭТ (У5) формирует ЭТ в соответствии с задачами производственного процесса ГЭТ, которые определяются набором инструкций, регламентов, правил и норм, определяющих «параметры Порядка» (Я:) уровня У5 (средняя эксплуатационная скорость ЭПС уЭКспЛ, норма на удельный расход электроэнергии Ауц.НОРМ, норма на количество перевезенных пассажиров Wyц.НОРМ, количество дорожно-транспортных происшествий КцТПНОРМ и др.). Такое множество {}Кр формируемое системой организационного управления предприятием, а также системами более высокого по отношению к ГЭТ уровня (экономические, экологические, энергетические, социальные и др. системы города, региона, страны и т.д.), определяет характеристики реализации ЭТ на уровне У5 (величина удельного расхода электроэнергии на тягу Ауц, количество перевезенных пассажиров WУд и др.). Реализуемые характеристики отличаются от значения «параметров Порядка», но стремятся к ним, формируя процесс ЭТ, соответствующий стратегическим задачам производственного процесса ГЭТ.
Выводы
Показано, что ЭТ является сложным многоуровневым процессом, в основе которого
Список литературы
1. Рылов Ю.А., Аухадеев А.Э., Муки-мов А.Х., Каримов В.И. Реализация электрической тяги в производственно-технической
лежит преобразование электрической энергии в механическое движения ЭПС согласно технологии перевозочного процесса производственно-технической системы ГЭТ. Реализация процесса ЭТ, или, как предлагают авторы, его построение, происходит по иерархически выстроенным уровням (подпроцессам), каждый из которых решает определенную специфическую задачу. Каждый уровень, находясь в иерархическом подчинении вышестоящего и получая от него и от «внешней среды» условия для решения собственной задачи, формирует условия реализации для нижестоящего уровня. При этом каждый нижестоящий уровень формирует основу реализации подпроцесса вышестоящего уровня. Таким образом, реализуется непрерывное взаимодействие между уровнями и внешней средой, выражающееся в потоках энергетических, материальных и информационных ресурсов, что является, согласно современному синергетическому мировоззрению, обязательным условием существования сложных динамических систем и процессов.
Методологически важным является подтверждение того, что режимы работы ТЭО являются основой процесса ЭТ, т.к. они формируются на уровне У2, реализующем преобразование электрической энергии в механическую, на котором, в соответствии с предложенной теоретической системой (рисунок 1), основывается построение остальных уровней, определяющих технологию производственного процесса ГЭТ.
Представленные в статье теоретические исследования позволят развить общую теорию ТЭО ГЭТ, а также усовершенствовать методы расчета рациональных режимов его работы, что будет способствовать решению важной научной и актуальной практической проблемы повышения эффективности использования электрической энергии в системе ГЭТ.
системе городского электрического транспорта // Современные научные исследования и разработки. 2017. № 8 (16). С. 487-491.
Electrical facilities and systems
2. Аухадеев А.Э. Литвиненко Р.С., Ры-лов Ю.А. Городской электрический транспорт с позиций синергетической методологии // Мир транспорта и технологических машин. 2018. № 1 (60). С. 67-73.
3. Платонов А.К. О построении движений в баллистике и мехатронике // Прикладная механика и управление движением. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2010. С. 127-222.
4. Сопов В.И., Щуров. Н.И. Системы электроснабжения электрического транспорта на постоянном токе. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. 728 с.
5. Хакен Г. Синергетика: Пер. с англ. / Пер. В.И. Емельянова. М.: Мир, 1980. 423 с.
References
1. Rylov Yu.A., Aukhadeev A.E., Muki-mov A.Kh., Karimov V.I. Realizatsiya elektricheskoi tyagi v proizvodstvenno-tekhni-cheskoi sisteme gorodskogo elektricheskogo transporta [Realization of Electric Traction in the Production and Technical System of Urban Electric Transport]. Sovremennye nauchnye issledovaniya i razrabotki — Modern Scientific Research and Development, 2017, No. 8 (16), pp. 487-491. [in Russian].
2. Aukhadeev A.E. Litvinenko R.S., Rylov Yu.A. Gorodskoi elektricheskii transport s pozitsii sinergeticheskoi metodologii [Urban Electric Transport from the Point of View of Synergetic Methodology]. Mir transporta i tekhnologicheskikh mashin — World of Transport and Technological Machines, 2018, No. 1 (60), pp. 67-73. [in Russian].
3. Platonov A.K. O postroenii dvizhenii v ballistike i mekhatronike [On the Construction of Movements in Ballistics and Mechatronics]. Prikladnaya mekhanika i upravlenie dvizhe-niem — Applied Mechanics and Motion Control. Moscow: IPM im. M.V. Keldysha, 2010, pp. 127-222. [in Russian].
4. Sopov V.I., Shchurov. N.I. Sistemy elektrosnabzheniya elektricheskogo transporta na postoyannom toke [Power Supply Systems of Electric Transport on Direct Current]. Novosibirsk, Izd-vo NGTU, 2013. 728 p. [in Russian].
5. Khaken G. Sinergetika: Per. s angl. / Per. V.I. Emel'yanova [Synergetics: Transl. from Engl. / Transl. V.I. Emelyanov]. Moscow, Mir Publ., 1980. 423 p. [in Russian].
