CC BY
17
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 621.33
Рябчёнок Наталья Леонидовна,
к. т. н., доцент кафедры «Математика», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-914-009-90-19
Алексеева Татьяна Леонидовна, к. т. н., доцент кафедры «Математика», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-902-516-78-43
Асташков Николай Павлович, аспирант кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-950-115-50-66
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МОТОР-ВЕНТИЛЯТОРАМИ, АДАПТИВНАЯ К УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ
N.L. Ryabchenok, T.L. Alekseeva, N.P. Astashkov
ADAPTIVE TO SERVICE CONDITIONS ON ELECTRIC LOCOMOTIVES MOTOR-FANS AUTOMATIC CONTROL SYSTEM
Аннотация. Рассмотрены факторы, влияющие на устойчивость работы асинхронных вспомогательных машин электровозов, которые учтены при разработке структурной схемы автоматического управления мотор-вентиляторами. Расчёт передаточной функции изоляции тягового электрооборудования в структурной схеме микропроцессорной системы автоматического управления расходом охлаждающего воздуха в зависимости от нагрузки и климатических факторов выполнен на основании уравнения теплового баланса.
Ключевые слова: устойчивость, асинхронный электродвигатель, изоляция тягового электрооборудования, температура, система охлаждения.
Abstract. In this work we consider factors influencing operation stabilityof asynchronous auxiliary cars of electric locomotives influencing stability. These factors are considered when developing the block diagram of the motor ventilating fan automatic control. The calculation of traction electric equipment isolation transfer function is executed on the basis of the thermal balance equation. This calculation is executed in the block diagram of microprocessor system of automatic control and describes dependence of cooling air consumption on loading of the equipment and climatic factors.
Keywords: stability, asynchronous electric motor, isolation of traction electric equipment, temperature, cooling system.
Основные принципы и методология проектирования микропроцессорной системы автомати-
ческого управления асинхронными двигателями привода мотор-вентиляторов должны базироваться на системном подходе и определяться с учётом специфики их работы в составе электропривода как в установившихся, так и в динамических режимах, должны учитывать положительные стороны разработанных систем, исключать их недостатки. Системный подход предусматривает анализ работы асинхронного двигателя во взаимодействии с другими элементами электропривода: силовой частью полупроводникового преобразователя, микропроцессорной системой управления и вентилятором системы охлаждения. Эффективность системного подхода при проектировании автоматической системы управления основывается на учёте особенностей отдельных элементов электропривода, характера отношений и связей между этими элементами. Благодаря этому значительно повышается адекватность математической модели автоматической системы реальным физическим процессам и, соответственно, качество проектного синтеза регулируемого асинхронного двигателя.
При анализе причин отказов вспомогательных машин электровозов в структурной схеме системы автоматического управления (САУ) учтены воздействия различных видов энергии: электрической, электромагнитной, тепловой, механической, - возникающие при работе локомотива на линии. Совместное действие этих видов энергии и внутренней энергии элементов оборудования как системы, не подверженной действию внешних сил, в конечном итоге определяет работоспособность оборудования [1]. Кроме того, изменение состоя-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ния электрооборудования и возникновение его отказов могут быть вызваны причинами, не зависящими ни от режимов его работы, ни от их длительности. К таким факторам относятся температура окружающей среды, загрязнения, иней, снег и тому подобное.
Анализом условий работы вспомогательных машин электровозов установлено, что основными выходными функциями математической модели напряжений в однофазно-трёхфазной цепи являются действующее напряжение прямой и обратной последовательностей основной частоты трёхфазной цепи вспомогательных машин, уровни которых определяют электромеханическую устойчивость привода, ресурс электродвигателей, надёжность, энергоэкономию в процессе эксплуатации [2].
Разработка САУ вспомогательными машинами электровозов переменного тока с адаптацией к условиям эксплуатации направлено на повышение устойчивости, энергетических показателей и электромагнитной совместимости электропривода. Работа асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе на электровозе характеризуется существенными особенностями, которые и определяют предъявляемые к ним специфические требования. Эти особенности связаны с изменяющимися значениями действующего напряжения и потребляемого двигателем тока. В силу этого специфическими являются математические модели электромагнитных, электромеханических, энергетических процессов в установившихся и переходных режимах работы двигателей. Применение микропроцессорной системы автоматического управления мотор-вентиляторами, разработанной с учётом специфики их работы, даст возможность повысить устойчивость асинхронных машин, улучшить функциональные и энергетические показатели.
В последние годы при создании частотно-регулируемых асинхронных электроприводов (ЭП) явно прослеживается тенденция к их построению с использованием векторного принципа управления, позволяющего рассматривать асинхронный двигатель как двухканальный объект в координатной системе, ориентированной по одному из векторов потокосцеплений, и независимо воздействовать на намагничивающую (продольную) и моментообразующую (поперечную) составляющие векторов токов статора для управления магнитным состоянием машины и электромагнитным моментом соответственно. Существенные достоинства САУ с векторным принципом управления состоят в возможности формирования ими нормированного качества переходных электромеханических процессов асинхронного
электропривода и обеспечении его устойчивой работы в установившемся режиме. Наряду с данными достоинствами векторным САУ присущ следующий важный недостаток: заметно повышенная сложность их технической реализации, обусловленная наличием таких сложных вычислительных устройств, как: координатные преобразователи, векторные анализаторы, блоки идентификации потокосцеплений двигателя, блоки компенсации внутренних перекрестных связей объекта управления и так далее.
Оптимизация режимов работы асинхронного двигателя (АД) по технико-энергетическим критериям, самым распространенным среди которых является критерий минимума тока статора, обеспечивающий максимальную перегрузочную способность электропривода и наименьшую мощность потерь в активных сопротивлениях обмотки статора и преобразователе частоты (ПЧ), а также критерий минимума суммарных потерь системы «ПЧ - АД», связана с необходимостью изменений магнитного состояния двигателя в зависимости от текущего значения момента сопротивления нагрузки. Питающийся от полупроводникового преобразователя частоты АД, магнитное состояние которого изменяется в соответствии с законами экстремального регулирования, является существенно нелинейным динамическим объектом, что, в свою очередь, требует обеспечения малой чувствительности динамических и статистических характеристик системы ЭП к изменениям работы САУ и параметрическим возмущениям. Данная задача решена с помощью разработанного алгоритма управления и представлена в структурной схеме (рис. 1).
В настоящее время отсутствуют практически реализуемые алгоритмы, обеспечивающие энергооптимальные режимы ЭП в условиях малой априорной информации о параметрах силовой части. Известные алгоритмы управления требуют знания параметров электрической машины и не учитывают их возможных изменений. Всё это препятствует внедрению экстремальных законов в практику управления установившимися режимами ЭП переменного тока, что при сравнительно малых затратах на реализацию указанных алгоритмов с помощью современной микропроцессорной техники может дать дополнительный экономический эффект, заключающийся в повышении устойчивости асинхронных вспомогательных машин электровозов, а также экономии электроэнергии.
В связи с продолжающимися периодическими сбоями в работе локомотивов серии ЭП1П на участке Замзор - Камышет - Ук произведены три
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Тов(р)
\Уов(р)
М(р) АМ(р)
\Упр(р)
►(2)-► \Умч(р)
Wcy(p)
Мст(р)
Wиз(p)
\¥дн(р)
ис
из
Тов(р)
Q(p) ХизКр) Тиз2(р)
\Уиззт(р)
\*/дт(р)
<ЗЬ"— Ь
1тэ
Wдt(p)
Рис. 1. Структурная схема САУ устойчивостью асинхронных вспомогательных машин
кВ
2Т 26 25 ^ И
22 21 2» 19
Тиз(р)
Л А
ГУ
ТА к
УЛ
V VI
Ы Ы р| «ч г! г! Ы Ю Ю Т — -г — т т т т
Рис. 2. Замер уровня напряжения в контактной сети на участке Тайшет - Нижнеудинск
поездки с замерами уровней действующего напряжения в контактной сети и осциллографиро-ванием формы напряжения в контактной сети на участке Тайшет - Нижнеудинск, вагоном лабораторией № 72186 (рис. 2).
Отклонение напряжения в контактной сети вызывает отклонение напряжения во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформа-
тора. Электромагнитный момент АД снижается из-за отклонения напряжения в обмотке собственных нужд тягового трансформатора и неудовлетворительной работы системы преобразования числа фаз электропривода в данном режиме. В этом случае механическая характеристика вентилятора пересекает неустойчивую ветвь статической механической характеристики АД, поэтому
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ЭП опрокидывается, а электродвигатель оказывается в режиме короткого замыкания. Приоритетной задачей САУ мотор-вентиляторами является исключение данного явления путём снижения частоты вращения вала АД по сигналу от датчика напряжения.
Проверка тяговых электродвигателей на нагревание выполняется с использованием тепловых параметров ТЭД: установившегося превышения температуры тУСТ и постоянной времени нагрева Т [3]. Превышения температуры обмоток тяговых электрических машин определяют по графикам, показывающим зависимость превышения температуры т от времени ^ при определённых значениях тока и номинальном количестве охлаждающего воздуха. Эти графики получены по результатам тепловых испытаний тяговых электрических машин на стенде [4].
При постоянной нагрузке тягового электрооборудования измерялась температура обмоток через определённые промежутки времени. Подобные зависимости получены при различных токах нагрузки при исследовании сотрудниками ВЭл-НИИ и других научных организаций [2]. В результате испытаний получены кривые нагревания изоляции тягового электрооборудования и его охлаждение во время работы на пульсирующем токе при различном количестве охлаждающего воздуха.
Результаты исследования нагревания и охлаждения изоляции тягового электрооборудования электровоза учтены при разработке САУ устойчивостью асинхронных вспомогательных машин при вождении поездов локомотивами, оборудованными устройствами автоматического управления производительностью вентиляторов с целью предотвращения нагрева обмоток ТЭД свыше предельного значения.
Согласно нормам различных стран, классификация изоляционных материалов производится на основе их нагревостойкости. Для двигателя НБ-514 с классом изоляции Б система автоматического управления должна учитывать особые максимально допустимые граничные значения превышения температуры и значения температур, оказывающих основное влияние на старение изоляционного материала, которые складываются из температуры охлаждающего воздуха и превышений температуры изоляционного материала по отношению к этой охлаждающей среде. Максимальная величина превышения температуры, зависящая от класса изоляции, и максимальная температура охлаждающей среды в сумме определяют «предельную температуру», которую нельзя превышать. При пониженных температурах окружа-
ющей среды целесообразно уменьшать количество охлаждающего воздуха путём регулирования частоты вращения АД.
В зимний период времени при проследовании тоннелей или постановке холодных электровозов в ремонтные цехи депо на их оборудовании конденсируются, а при больших перепадах температур сублимируются пары воды, содержащиеся в воздухе.
Изменение температуры окружающего воздуха влияет на нагрев изоляционных материалов силового электрооборудования и обмоток электрических машин электровоза. Наиболее перспективными методами управления температурными процессами технических систем следует считать такие, которые будут адаптироваться к климатическим условиям эксплуатации, режимам нагрузки и конструктивным особенностям электрооборудования.
При температуре окружающей среды ¿окр= -50 °С, токе 600 А и дальнейшем проследовании составом тоннеля, где температура находится в пределах от +5 до +10 °С, а относительная влажность воздуха 100 %, машинист электровоза может отключить асинхронные вспомогательные машины с целью исключения образования конденсата на изоляции электрооборудования. Система автоматического управления мотор-ветиляторами электровоза с обратной связью по температуре изоляции тягового электрооборудования может реализовать данное действие, если температура изоляции будет составлять значения ниже +60 °С, в противном случае - САУ не позволит машинисту выключить мотор-вентиляторы. Выключение мотор-вентиляторов вызовет рост температуры изоляции тягового электрооборудования, контроль которой выполняется датчиком обратной связи по температуре, и САУ переключит асинхронные вспомогательные машины на минимальную производительность при достижении +60 °С.
Одним из определяющих факторов, воздействующих на старение изоляции, является скорость нагревания изоляции тяговых электрических машин ТЭМ, то есть быстрое изменение температуры обмоток до предельно допустимых значений для изоляции соответствующего класса нагрево-стойкости, особенно с переходом через 0 °С, что характерно при эксплуатации локомотивов по «северному ходу» на Восточно-Сибирской железной дороге.
На основании уравнений движения поезда и тягового электропривода необходимо разработать математические модели нагревания и охлаждения изоляции обмоток тяговой машины путем решения дифференциального уравнения энергети-
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
й* ■ (б —— ■т) = С ■ йт ; тУ
С-т
й* = С Туст
"УСТ
йт
= Т ■•
йт
(3)
(4)
б (тУСТ -т) (тУСТ -т) (5)
Интегрирование дифференциального уравнения (5) даёт
* = С - Т ■ 1п(туст -т). (6)
Пусть в момент времени * = 0 ТЭД уже имела некоторый начальный нагрев тН = т , тогда:
С1 = Т ■ !п(тУСТ -тн); (7)
* = Т ■ 1п
(тУСТ тн) (тУСТ - т)
(8)
Искомое выражение зависимости превышения температуры изоляции ТЭД от времени получим из равенства (8), выразив величину т :
(тУСТ '
* = Т ■ 1п-
(тУСТ т)
т = тн + (туст-тн)■ (1 -е Т)
ческого баланса в процессе электромеханического преобразования с непрерывным контролем частоты вращения вала асинхронных вспомогательных машин и их работы на устойчивой механической характеристике.
Уравнение теплового баланса [5]:
б ■ Л = С ■ йт + К т Л, (1)
где б - количество тепловой энергии, выделяемой обмоткой в 1 секунду, Вт;
С - теплоёмкость обмотки машины, то есть количество тепловой энергии, необходимое для того, чтобы повысить температуру обмотки на 1 °С, Вт- с/гр;
К - величина потерь, отводимых от обмотки на каждый градус Цельсия, равная произведению среднего коэффициента теплоотдачи на поверхность теплоотдачи обмотки, Вт/гр; т - изменяющееся во времени превышение температуры обмотки машины над температурой окружающей среды, °С; * - время, с.
После достижения установившейся температуры тягового электрооборудования приращение йт обращается в нуль, следовательно, и тепловая энергия, которая вызывает нагрев машины, становится равной нулю. Равенства при установившемся режиме приобретают следующий вид:
б = К тУСТ; (2)
К =б;
Уравнение (10) является искомым выражением зависимости превышения температуры от времени.
При начальном нагреве тн = 0 :
- б т = тУСТ • (1 - е Т ) = — ■ (1 - е
К
(11)
Полученные зависимости превышения температуры позволяют выполнить расчёт передаточной функции изоляции тягового электрооборудования (12) и оптимизировать алгоритм управления этим процессом САУ с целью исключения увлажнения и перегрева обмоток ТЭД свыше предельного значения.
~( , л ( р ^
т( р) = ту,
Т -Т ■-
1УСТ
_ £
Т - 1
(12)
(10)
В связи с тем, что применяется ступенчатое регулирование производительности мотор-вентиляторов, для выполнения тяговых расчётов в случае проверки возможности вождения поездов локомотивами, оборудованными разработанной САУ мотор-вентиляторов, достаточно знать два значения постоянной времени нагрева Т: при бном и при том значении б, на которое переключаются вентиляторы. В работе [4] получены значения постоянной времени нагрева Т обмоток якоря ТЭД НБ-418К для различных режимов охлаждения, учёт которых осуществлен в передаточной функции (рис. 1) полупроводникового тиристорного преобразователя частоты и входного электрического сопротивления ЭП.
На основании выполненного расчёта передаточной функции изоляции тягового электрооборудования и полученных значений постоянной времени нагрева обмоток якоря ТЭД в структурной схеме обосновано автоматическое регулирование расхода охлаждающего воздуха в зависимости от напряжения контактной сети, нагрузки оборудования и климатических факторов.
На основании разработанной структурной схемы САУ с полученными передаточными функциями выполнено решение для оценки качества переходных процессов, определены направления по повышению устойчивости мотор-вентиляторов путём корректировки отдельных звеньев и учёта изменений параметров исполнительного элемента.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алексеева Т.Л., Рябчёнок Н.Л., Астраханцева Н.М., Астраханцев Л.А. Электронные преобразователи для ресурсосберегающих технологий. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2010. 240 с.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
2. Астраханцев Л.А., Асташков Н.П. Обоснование метода построения автоматизированной системы управления производительностью мотор-вентиляторов на электровозах // Вестн. ИрГТУ. 2012. № 3. С. 90-95.
3. Скогорев И.В., Федюков Ю.А., Бобков В.Н. Регулирование расхода охлаждающего воздуха в зависимости от нагрузки оборудования и климатических факторов // Межвуз. сборник научных трудов. Хабаровск, 1987. С. 50-57.
4. Лукьянов А.В., Михальчук Н.Л., Капустин Н.И. Разработка программного комплекса теплови-зионного контроля технического состояния оборудования локомотивов // Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании : тр. Х Байкал. Всерос. конф. Ч. II. Иркутск, 2005. С. 97-103.
5. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. М.,Л. : Госэнергоиздат, 1961. 264 с.
УДК 621.311.016 Закарюкин Василий Пантелеймонович,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университе путей сообщения, e-mail: [email protected]
Крюков Андрей Васильевич, д. т. н., профессор, ИрГУПС, e-mail: [email protected]
МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД
К МОДЕЛИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
V.P. Zakaryukin, A.V. Kryukov
ELECTRICAL POWER SYSTEM MODELING - MULTIFUNCTIONAL APPROACH
Аннотация. В статье представлены основные результаты разработок авторов по методам и компьютерным технологиям, обеспечивающим комплексное моделирование электроэнергетических систем и систем тягового электроснабжения. На основе этих разработок возможно выполнение расчетов нормальных, несимметричных, несинусоидальных и предельных режимов электроэнергетических систем, определение электромагнитных влияний систем тягового электроснабжения на смежные линии электропередачи, а также моделирование электромагнитных полей, создаваемых многопроводными линиями.
Работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего». Договор № 11.G34.31. 0044 от 27.10.2011.
Ключевые слова: электроэнергетические системы, системы тягового электроснабжения железных дорог.
Abstract. Authors' main results on methods and computer technologies providing complex modeling of electrical power systems and the systems of traction power supply are presented in the paper. On the basis of this investigation it is possible to calculate normal, asymmetrical, not sinusoidal and limit modes of electric systems, definition of electromagnetic influences of traction contact nets on adjacent transmission lines, and also modeling of the electro-
magnetic fields created by the multiwire transmission lines.
The work is performed within the plan of scientific researches «Intellectual Networks (Smart Grid) for an Effective Power System of the Future». Contract No. 11.G34.31.0044 of27.10.2011.
Keywords: electrical power systems, systems of traction power supply of the railroads.
Введение
В настоящее время осуществляется переход электроэнергетики РФ на новую технологическую платформу, в основу которой положена концепция интеллектуальных электрических сетей (smart grid) [1]. Проектирование и эксплуатация таких сетей требуют создания новых подходов к решению традиционных электроэнергетических задач, в частности задач моделирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС). Методы моделирования, применимые в задачах проектирования и эксплуатации smart grid, должны удовлетворять следующим требованиям:
• возможности расчета сложнонесимметрич-ных (нормальных и аварийных), несинусоидальных и предельных режимов, поскольку одна из основных задач, решаемых на основе технологий smart grid, состоит в повышении надежности электроснабжения и качества электроэнергии;
