CC BY
30
щеточного узла в различных условиях работы электрической машины постоянного тока за счет однородности материала контакта пары «щетка - коллектор» и повысит надежность работы электрической машины в целом.
Углерод
20 рт С К
Рисунок 5 - Глубина внедрения углерода в медную коллекторную пластину
Список литературы
1. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2009 год [Текст] - М.: Желдориздат, 2009. - 77 с.
2. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 3 (7). - С. 52 - 57.
3. Авилов, В. Д. К вопросу о повышении коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов, П. Г. Петров, Е. М. Моисеенок // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2 (2). - С. 2 - 6.
4. Авилов, В. Д. Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах [Текст] / В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 2 (10). - С. 2 - 7.
2. Белан, Д. Ю. Повышение надежности работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей [Текст] / Д. Ю. Белан, В. М. Лузин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 4 (4). - С. 6 - 11.
5. Дубинин, Г. Н. О перспективах развития химико-термической обработки металлов [Текст] / Г. Н. Дубинин // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2004. - № 7. - С. 5, 6.
6. Новиков, И. И. Металловедение, термообработка и рентгенография [Текст] / И. И. Новиков, Г. Б. Строганов, А. И. Новиков / Московский ин-т стали и сплавов. - 1994. - 480 с.
7. Влияние смазочного материала и термической обработки на формирование припо-верхностных слоев и износостойкость стали 40Х при трении скольжения [Текст] / В. Г. Новицкий, В. П. Гаврилюк и др. // Трение и износ / Национальная академия наук Беларуси. -2002. - Т. 23. - № 2. - С. 201 - 206.
УДК 621.333-83: 629.424.1
А. И. Володин, С. В. Сергеев, М. Н. Кирьяков
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ
В данной статье описано применение микропроцессорных систем управления электропередачей тепловозов для реализации оптимальной тепловозной характеристики, обеспечивающей минимальный расход топлива тепловозами в эксплуатации.
№ 3(11) 2012
Экономичность тепловозных дизель-генераторных установок во многом зависит от уровня мощности, потребляемой на тягу. В работе [1] приведен расчет нагрузки, потребляемой на тягу в виде оптимальных тепловозных характеристик для дизелей 10Д100, Д49, ПД1М. Расчет произведен с целью оптимизации тепловозных характеристик по удельному расходу топлива.
Полученные зависимости мощности от частоты вращения коленчатого вала дизеля можно реализовать на базе микропроцессорной системы управления электропередачей тепловозов, которая позволит автоматизировать процесс управления мощностью дизель-генераторной установки и повысить качество управления технологическими процессами.
Для реализации расчетных характеристик предлагается использовать микропроцессорную систему управления электропередачей тепловозов, структурная схема которой приведена на рисунке 1.
Структура микропроцессорной системы управления электропередачей тепловозов (МСУ) включает в себя три составные части: вычислительную, интерфейсную и подсистему электропитания.
Вычислительная часть МСУ представляет собой модуль, в котором располагается микроЭВМ, она предназначена для обработки числовой информации о состоянии объекта регулирования и определения необходимых управляющих воздействий на объект. Вычислительное устройство МСУ оперирует не физическими величинами, характеризующими состояние объекта, а их числовыми представлениями.
(Л й о
я ^
а> %
О
К к
си
о Кс о К
й ¡4
¡а о
О <<
Вычислительная часть МСУ
О
о
Вывод дискретных сигналов
>
О
1=1
Вывод аналоговых сигналов
ч
Ьо
Ввод частотных сигналов
О
о> ы
о
43
з
о
и
р
я
О
о а
о\ >3 ^ р
П> 03
2 ^
Ч ИЗ
о в
л ц
к тз
а>
к
и>
Р От м У.
® Й 2 "
к з Е
* 3 I
р сс
Органы управления объекта регулирования
Узлы и агрегаты объекта регулирования
Рисунок 1 - Структурная схема микропроцессорной системы управления
Интерфейсная часть системы включает в себя средства ввода аналоговых, дискретных и частотных сигналов, средства вывода дискретных и аналоговых управляющих сигналов и предназначена для обеспечения связи вычислительной части системы с объектом управле-
ния. К интерфейсной части системы относятся также датчики, обеспечивающие первичное преобразование аналоговых сигналов, характеризующих режим работы дизель-генераторной установки тепловоза.
Интерфейсная часть системы выполняет следующие основные функции: ввод в вычислительную часть аналоговых (непрерывных) гальванических развязанных сигналов (AI1, AI2, ..., AIn), характеризующих значения параметров состояния объекта управления (таких, например, как ток, напряжение генератора, выход реек топливных насосов высокого давления дизеля и т. д.);
ввод в вычислительную часть частотных сигналов, т. е. сигналов, характеризующих частоту повторения какого-либо процесса в объекте управления (например, частоты вращения коленчатого вала дизеля или колесной пары локомотива);
ввод в вычислительную часть дискретных релейных сигналов (DI1, DI2, ..., Dim), характеризующих состояние объекта управления; дискретные сигналы формируются по принципу «есть - нет» и используются для определения признака включения или невключения какого -либо устройства или аппарата;
передачу от вычислительного устройства к объекту управления гальванически развязан -ных аналоговых управляющих сигналов (AO1, AO2, ..., AOn), используемых для плавного (непрерывного) управления объектом (например, для регулирования тока обмотки возбуждения генератора);
передачу от вычислительного устройства к объекту управления дискретных (релейных) управляющих сигналов (DO1, DO2, DOm), используемых для включения или отключения каких-либо аппаратов или механизмов (например, включение или отключение контакторов и реле электрической схемы объекта).
При работе с высоковольтными аналоговыми электрическими сигналами (например, напряжение и ток тягового генератора тепловоза) масштабирование (пропорциональное понижение уровня) сигнала осуществляется в специальных устройствах, называемых датчиками (Д1, Д2, Дп). При измерении неэлектрических величин (например, выход реек топливных насосов высокого давления дизеля, давление воздуха и т. д.) датчики осуществляют также преобразование физической природы сигнала (например, перемещение реек ТНВД преобразуется с определенным масштабным коэффициентом в электрическое напряжение на соответствующем входе интерфейсной части МСУ и т. д.).
Подсистема электропитания предназначена для формирования напряжения питания, необходимого для работы всех составных частей МСУ. Эта подсистема обязательно присутствует в бортовых системах управления силовых установок транспортных средств, поскольку бортовые сети последних не приспособлены для питания подобных устройств, но она может отсутствовать в стационарных системах, питаемых от внешних источников питания.
Аппаратура МСУ осуществляет прием информации от датчиков или командных устройств, логическую обработку этой информации в заданной последовательности и вывод полученных результатов для управления исполнительными устройствами. Задачи, решаемые каждым конкретным устройством, определяются алгоритмом его работы - упорядоченной последовательностью действий с конечным числом операций, приводящей к получению определенного результата. Последовательность выполнения операций - программа работы -закладывается в структуру электрической схемы и связи между аппаратными и программными средствами - электронными и электромеханическими элементами, входящими в состав системы.
Логика любой МСУ, т. е. порядок ее взаимодействия с объектом управления, полностью определяется управляющей программой вычислительной части системы.
Управляющая программа обеспечивает определенный порядок взаимодействия микропроцессорной системы управления с объектом управления. На рисунке 2 приведена структурная схема управляющей программы, состоящая из основной программы и программ обработки прерываний с циклом 10 мс, от последовательного канала связи и от частотных сигналов 1 и 2.
Основная программа состоит из бесконечного цикла. Перед входом в цикл проходит блок инициализации. В этом блоке производится начальная установка режимов работы самого микроконтроллера и настройка периферийных устройств на плате процессора.
б
Рисунок 2 - Структурная схема управляющей программы: а - основная программа; б - программа обработки прерывания; в - «медленные» регуляторы; г - «быстрые» регуляторы
Бесконечный цикл включает в себя два блока обработки:
1) блок обработки информации с циклом 0,1 с, в котором производится опрос дискрет-
ных входов; выдача команд на выходные ключи (включение/выключение исполнительных аппаратов); "медленные" регуляторы (регуляторы мощности и тормоза):
а) регулятор тяги вычисляет темпы изменения напряжения тягового генератора в зависимости от рассогласования по мощности, наличия боксования, усиления/ослабления поля (работает в режиме тяги);
б) регулятор тормоза вычисляет темпы изменения тока возбуждения тяговых двигателей в зависимости от тормозного тока, наличия юза;
2) блок обработки информации с циклом 1 с, в котором производится выдача информации на светодиоды, расположенные на лицевой стороне блока регулирования, и вычисляется номер позиции контроллера машиниста.
Программа обработки прерываний с циклом 10 мс работает по переполнении внутреннего таймера микроконтроллера и состоит из следующих блоков:
1) блока опроса каналов АЦП;
2) блока временных интервалов, который вырабатывает временные интервалы, необходимые для работы программы в целом;
3) блока "быстрых" регуляторов:
а) регулятор напряжения тягового генератора вычисляет величину, пропорциональную скважности ШИМ-сигнала, в зависимости от рассогласования напряжения уставки и измеренного значения напряжения тягового генератора (работает в режиме тяги);
б) регулятор вспомогательного генератора (стартер-генератора) вычисляет величину, пропорциональную скважности ШИМ-сигнала, в зависимости от рассогласования напряжения уставки и измеренного значения напряжения вспомогательного генератора (стартер-генератора);
в) регулятор тока возбуждения двигателей в тормозном режиме вычисляет величину, пропорциональную скважности ШИМ-сигнала, в зависимости от рассогласования тока уставки и измеренного значения тормозного тока;
4) блока выдачи углов регулирования, в котором формируются ШИМ-сигналы.
Программа обработки прерываний от последовательного канала связи работает по
прерываниям, вырабатываемым при обмене информации с внешней ЭВМ.
Данная микропроцессорная система управления электропередачей является унифициро-ванной и подходит для использования на любых сериях тепловозов.
Увеличивая количество дополнительных сигналов, характеризующих состояние и режимы работы объекта регулирования, можно реализовывать достаточно сложные алгоритмы управления, тем самым повышая эксплуатационные технико-экономические показатели тепловозов, от уровня которых зависит топливная экономичность тепловоза.
Использование описанной микропроцессорной системы позволяет не только обеспечить реализацию оптимальных тепловозных характеристик, рассчитанных в работе [1], но и оптимизировать процессы управления мощностью дизель-генераторных установок, повышая тем самым топливную экономичность тепловозов.
Список литературы
1. Володин, А. И. Оптимизация тепловозной характеристики дизеля для микропроцессорных систем управления электропередачей тепловозов [Текст] / А. И. Володин, М. Н. Кирьяков // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. -№ 1. - С. 12 - 19.
2. Микропроцессорные системы автоматического регулирования электропередачи тепловозов [Текст] / А. В. Грищенко, В. В. Грачев и др. - М.: Маршрут, 2004. - 172 с.
3. Грудин, Н. А. Унифицированная система автоматического регулирования электропередачи и электроприводов тепловозов 2ТЭ10М, 2М62УК, ЧМЭЗК и ТЭП70: Учебное по -
собие [Текст] / Н. А. Грудин / Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - М., 2009. - 144 с.
4. Овчаренко, С. М. Моделирование расходных характеристик с учетом технического состояния дизель-генераторной установки тепловоза [Текст] / С. М. Овчаренко, П. С. Кор-неев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 4. -С. 26 - 30.
5. Сидоренко, А. С. Ограничения алгоритмов параллельных вычислений в цифровой обработке сигналов [Текст] / А. С. Сидоренко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 3. - С. 89 - 93.
6. Грицутенко, С. С. Адекватность использования аналогий в цифровой обработке сигналов [Текст] / С. С. Грицутенко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2. - С. 80 - 86.
УДК 629.4.048.3:681.5.017
А. Ю. Громов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВАГОННОГО КОНДИЦИОНЕРА С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ
В статье представлены методика и результаты экспериментальных исследований возможности повышения холодопроизводительности установки кондиционирования воздуха в составе пассажирского вагона без дополнительных затрат электрической энергии на работу компрессора.
В работах [1 - 5] приведены теоретические исследования особенностей функционирования вагонного кондиционера.
В результате численного исследования построенной математической модели, описывающей процессы теплопоступлений в вагон, дана количественная оценка влияния солнечной радиации на тепловую нагрузку, воздействующую на пассажирское помещение.
При рассмотрении процессов, протекающих между крышей вагона и набегающим воздушным потоком, с учетом аэродинамических особенностей его движения при различных режимах, установлено существенное увеличение тепловых потоков, проходящих через поверхность крыши, при переходе на низкие скорости движения поезда. Это увеличение составляет порядка 1,5 кВт [1].
Кроме того, поток от солнечной радиации, проходящий через крышу вагона при низких скоростях движения поезда, оказывает существенное влияние на предварительно охлажденный воздух, движущийся по нагнетательному воздуховоду системы вентиляции.
Определено, что при низких скоростях движения поезда температура воздуха, подаваемого в последнее купе вагона, может превышать допустимый температурный уровень более чем на 4 °С.
С учетом возможности использования термостойких красок и энергосберегающих мембран, позволяющих снизить радиационный поток через ограждения вагона более чем на 15 %, установлено, что необходимое значение холодопроизводительности вагонного кондиционера при наихудших климатических условиях эксплуатации вагона (температура наружного воздуха 32 °С, относительная влажность 40 %, интенсивность прямой солнечной радиа-
3
ции - 900 Вт/м ) должно составлять более 31 кВт [1, 2].
Номинальная холодопроизводительность существующих моноблочных кондиционеров типа УКВ-31 и УКВ ПВ различных модификаций имеет среднее значение около 28 кВт.
С целью совершенствования существующих кондиционеров была разработана принципиальная пневмогидравлическая схема установки кондиционирования воздуха для пассажирского вагона с повышенной термодинамической эффективностью.
