CC BY
3
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Бакланов, А. А. Энергетическая эффективность рекуперативного торможения грузовых электровозов / А. А. Бакланов, А. П. Шиляков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 4 (48). -С. 11 - 22.
УДК 629.1.027
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Baklanov A. A., Shilyakov A. P. Energy efficiency regenerative braking freight electric locomotives. The Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 4 (48), pp. 11 - 22 (In Russian).
С. Т. Ахатов, В. Г. Солоненко, Н. М. Махметова
Академия логистики и транспорта (АЛТ), г. Алматы, Республика Казахстан
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ СКОРОСТНОГО НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА
Аннотация. Предметом исследования является проблема управления экипажем в пространстве с помощью автоматической системы регулирования зазора между полюсами электромагнита и феррорельсами в системе скоростного наземного транспорта, основанного на эффекте левитации. Одним из основных условий комфортного левитационного режима движения экипажа является отсутствие вертикальных деформаций экипажа при многоточечном подвесе в связи с неоднородным распределением подъемных и направляющих сил. С целью обеспечения устойчивости электромагнитного подвеса экипажа предложены различные комбинации обратных связей системы управления. Приведены результаты исследования системы управления электромагнитным подвесом с использованием обратной связи по току электромагнита в режиме левитации наземного скоростного транспорта. Основным требованием к системе управления электромагнитным подвесом в режиме левитации является максимально допустимое отклонение допустимого воздушного зазора ± 5 мм при воздействии импульса аэродинамической силы в горизонтальной плоскости и скорости ее приложения. Предложен принцип подчиненного регулирования параметров системы управления с применением регуляторов в соответствии с функциональной двухконтурной системой автоматического регулирования с обратной связью по току. Применение двухконтурной системы автоматического управления при колебаниях напряжения питания корректирует ток электромагнита и исключает отклонение максимально допустимого зазора между электромагнитом и феррорельсом. Выполненные расчеты доказывают, что введение обратной связи по току электромагнита уменьшает коэффициенты передачи по скорости и тем самым увеличивает быстродействие сигнала.
Ключевые слова: электромагнитный подвес, феррорельс, левитация, магнитный поток, экипаж, система управления.
Semyat T. Akhatov, Vladimir G. Solonenko, Narzankul M. Makhmetova
Academy of logistics and transport (ALT), Almaty, Republic of Kazakhstan
CONTROL SYSTEM OF ELECTROMAGNETIC SUSPENSION WITH FEEDBACK
OF HIGH-SPEED LAND TRANSPORT
Abstract. The subjects of the study are the problem of controlling the crew in space by means ofan automatic system for controlling the gap between the electromagnet poles andferro-rails in the system of high-speed land transport based on the levitation effect. One of the main conditions for comfortable levitation mode of the crew is the absence of vertical deformations of the crew during multipoint suspension due to non-uniform distribution of lifting and guiding forces. In order to ensure the stability of the crew's electromagnetic suspension, various combinations of control system feedbacks are proposed. The results of the study of the electromagnetic suspension control system using the electromagnet current feedback in the land speed vehicle levitation mode are presented. The main requirement to the control system of an electromagnetic suspension in the levitation mode is the maximum permissible deviation of the permissible air gap ±5 mm under the action of the impulse of the aerodynamic force in the horizontal plane and the speed of its application. The principle of subordinate regulation of the control system parameters with the use of regulators in accordance with the functional two-loop system of automatic regulation with current feedback has been proposed. The application of the double-loop automatic control system at supply voltage fluctuations corrects the electromagnet current and excludes the deviation of the maximum permissible gap between the electromagnet and the ferro-rail. The performed calculations prove that the introduction of the electromagnet current feedback decreases the velocity transfer coefficients and thus increases the signal speed.
Keywords: electromagnetic suspension, ferro-rail, levitation, magnetic flux, crew, control system.
Наиболее сложной задачей, которую необходимо решить при создании систем скоростного наземного транспорта, основанного на эффекте левитации, является проблема управления экипажем в пространстве с помощью автоматической системы управления зазора между полюсами электромагнита и феррорельсами. В работе [1] разработаны предварительные технические требования к структуре и основным параметрам систем скоростного наземного транспорта. Исходя из этих требований система управления электромагнитного подвеса должна выполнять следующие основные функции:
обеспечивать поддержание зазора 5ном = 15 мм между полюсами электромагнита и ферро-рельса в вертикальной плоскости с максимально допустимым отклонением 15 мм, при воздействии центробежных сил сопряжений профиля и местных неровностей порядка ± 80 кН, сил непогашенных ускорений при прохождении кривых 80 кН и вертикальных аэродинамических сил с постоянным временем нарастания 0,1 ^ 0,2 с [2, 3];
обеспечивать поддержание 8ном = 15 мм в горизонтальной плоскости при максимально допустимом отклонении ± 5 мм при воздействии импульса аэродинамической силы в горизонтальной плоскости 100 кН и скорости его приложения до 10000 кН/с. Система должна компенсировать также возмущающие силы, как постоянную, так и знакопеременную со стороны устройства токосъемника, и обеспечивать минимальные энергетические затраты на поддержание воздушного зазора;
состав должен следовать по траектории путевой структуры, обусловленной переходными кривыми в горизонтальной и вертикальной плоскостях, низкочастотными неровностями с максимальной частотой 15 Гц, и не вызывать деформации экипажа при многоточечном подвесе из-за неравномерного распределения подъемных и направляющих сил.
Из результатов зарубежных разработок систем управления электромагнитным подвесом известно, что движение может осуществляться со скоростью до 600 км/ч, однако технические характеристики этих разработок конфиденциальны.
Для обеспечения устойчивости электромагнитного подвеса скоростного наземного транспорта использует различные комбинации сигналов обратной связей: по зазору, скорости и ускорению изменения зазора и т. д.
В таблице приведены алгоритмы управления электромагнитным подвесом, используемые в зарубежных разработках устройств управления подвесом.
Алгоритмы управления электромагнитным подвесом с обратной связью
№ п/п Алгоритм управления Обратная связь по
зазору, 8 скорости изменения зазора 8 скорости электро-магнита V уско-рению электро-магнита а уско-рению изменения зазора 8
1 ^упр = [( 5 - 83)К1 + К2а + К3ё]К3 + - - + +
2 ^упр = ^ - 83) + К2ё + К3ё]К4 + + - - +
3 Цупр = [К38 + М + Кга - К3 ё3]к4 + + - + -
4 "упр= ё3-ё) + К2--+К3] (ё3 - ё)аг к4 + + - - -
5 ^упр=К±( ё3- ё)+К2у + К3а + - + + -
В формулах таблицы приняты следующие обозначения: 6 - истинное значение зазора; а - ускорение электромагнита; З3 - заданное значение зазора; 3, 3 - скорость и ускорение изменения зазора соответственно; К±, К2, К3, КА - коэффициенты усиления регуляторов.
Для определения оптимального варианта функциональных связей системы управления электромагнитным подвесом необходимы дальнейшие теоретические исследования по выбору оптимальных структурных связей и разработка специальных функциональных электронных узлов.
Однако для обеспечения поддержания оптимального зазора 8ном = 15 мм в горизонтальной плоскости целесообразно применить принцип подчиненного регулирования параметров для облегчения синтеза систем управления и применения унифицированных регуляторов [4, 5].
Структурная схема управления электромагнитным подвесом, разработанная по принципу подчиненного регулирования, имеет два контура (рисунок 1): регулирования зазора - звено 1 - и регулирования тока - звено 2 и электромагнит, который является внутренним по отношению к контуру регулирования зазора.
Рисунок 1 - Функциональная схема двухконтурной системы автоматического регулирования зазора: 8 - зазор; 8з - величина зазора; Zэ - координата электромагнита; Zп - координата пути по отношению к горизонтали; ^ — левитационная сила; ^ — подъемная сила электромагнита; ^ — левитационная сила по току; ^ — левитационная сила по зазору; а1,а2 - параметры регулятора зазора; т - передаточная функция регулятора тока; Ктп - коэффициент усиления преобразователя; Кт - коэффициент отрицательной обратной связи по току электромагнита; К1, К5 - коэффициенты передачи от тока и зазора к силе; т - масса экипажа;
К - коэффициент передачи от скорости изменения зазора к ЭДС индукции [6, 7]; Тэ. р — постоянная во времени электромагнита регулятора; ¿/р.з — сигнал выхода регулятора зазора; ¿/рт — сигнал входа регулятора зазора; Аи — сигнал колебания напряжения питания; I — ток электромагнита
Заданный ток электромагнита в каждый момент времени определяется значением сигнала с выхода регулятора зазора £/р. з. Ограничением сигнала ир з достигается ограничение максимального тока. Если бы не было обратной связи по току, то зазор, например, при колебаниях напряжения питания электромагнита, изменяется под действием либо силы тяжести, либо силы притяжения. В случае использования обратной связи по току изменению силы за счет колебаний напряжения питания противодействует корректировка тока электромагнита, исключающая изменение зазора.
Для компенсации постоянной времени электромагнита Тэ передаточная функция регулятора тока И^,. т с учетом требований помехозащищенности [8]:
1 +т р
Ж т = 1+ТэР , (1)
рТ0КтпКтК
где Тэ = 1/ш - постоянная времени, определяющая помехозащищенность контура тока; Ш -максимально допустимая частота пропускания контура тока; Ктп - коэффициент усиления преобразователя; Кт - коэффициент передачи звена обратной связи по току; Я - сопротивление электромагнита; р — удельное сопротивление проводникового материала электромагнита.
Структурная схема системы автоматического регулирования зазора без использования регулятора тока при включении элементов, изображенных на рисунке 1 штриховыми линиями, позволяет определить для системы без обратной связи по току передаточные функции: замкнутой системы по задающему воздействию -
ШР) =
8(Р) КтКтп(а1+а2Р)
*э(Р)
К8Па(Р)
(2)
замкнутой системы по возмущению со стороны питающего напряжения на входе тирис-торного преобразователя -
Wд и(Р) =
8(Р) 5и(Р)
Кт
к5РА(РУ
(3)
замкнутой системы по возмущению в виде изменения массы экипажа или изменения второй производной координаты путевой структуры -
№Рс(Р) =
5(Р) _ 1+ТэР РС(Р) " К8А(Р)
(4)
В формулах (2) - (4) А (Р) - характеристический полином системы без регулятора тока;
А(Р) = ТэТ2Р3 + Т2Р2 + (а2Ктп "¿- + *± — Тэ)р + ^^ — 1, (5)
4 у э ^ тп кк„ к у к„к V ;
Т2 _ т . Т7 _ К1К
где I = —; Кл =-.
к3 1 к6
Для системы с отрицательной обратной связью по току электромагнита аналогичные передаточные функции имеют вид:
замкнутой системы по задающему воздействию -
^ (р) = = К1(а1+а2Р)(1+ТэР);
ЫР)
К8К1В(Р)
(6)
замкнутой системы по изменению напряжения на входе -
8(Р) К1Т8Р
Ю'ди(Р) =
5и(Р)
К8ЯВ(Р)'
замкнутой системы по изменению внешней силы -
8(Р) (1+Г0Р)(1+ГэР)
Ю' Рс(Р) =
Рс(Р)
К5В(Р)
(7)
В выражениях (5) - (8) В(Р) характеристический полином системы с обратной связью по
току ■
^ ч о „ что Т0ККт \
В(Р) = ТэТ0Т2Р4 + (Тэ + Т0)Т2Р3 + + + Т2 - ТэТ0) Р2 +
+
(а±Тэ + а2)
«I
К8К1
- -То - Т
К8КТ К6Я
Р + ~г~~г— 1.
(9)
К]К6
Используем выражения (5) и (9) для построения областей устойчивости обеих систем [9, 10].
В данном случае варьируются коэффициенты передачи а± и а2 пропорционально диффе-ренциальнму регулятору зазора, остальные параметры взяты для систем с электромагнитным подвесом с подъемной силой до 2500 Н.
На рисунке 2 приведены области устойчивости на плоскости коэффициентов передачи аъ а2. Из графика на рисунке 2 видно, что введение обратной связи по току позволяет уменьшить коэффициент передачи по скорости изменения зазора и тем самым увеличить быстродействие системы. На рисунке 3 показана зависимость времени регулирования от коэффициента передачи по зазору % для системы с обратной связью по току электромагнита и без нее.
а2, ()'см 400
ЗОО 200 100
1 1
I /
12 1 7 У
^—, ■т
500 1000 1500 2000
а б м
Рисунок 2 - Области устойчивости коэффициентов передачи пропорционально дифференциального регулятора зазора: 1 - система без регулятора, 2 - система с регулятором
1,с
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
—1
к
Ч V— -- -
500
1000 1500 2000
-1
а ь 3 Л7
Рисунок 3 - График зависимости времени регулирования от коэффициента передачи по величине зазора: 1 и 1' - система без регулятора, 2 и 2' - система с регулятором
Из приведенных на рисунках 2 и 3 значений следует, что время регулирования при использовании регулятора тока существенно уменьшается для всех значений параметров а1 и а2 и, кроме того, применение обратной связи по току, как показывают выражения (3) и (7), исключает ошибку, вызываемую изменением напряжения питания электромагнита.
Список литературы
1. Высокоскоростной транспорт будущего : сборник статей / под ред. Б. Н. Тихменева. -Москва : Транспорт, 1979. - 78 с. - Текст : непосредственный.
2. Мусаев, Ж. С. Современные технологии в транспортной технике: эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт высокоскоростного подвижного состава : учебное пособие / Ж. С. Мусаев. - Алматы : TechSmith, 2018. - 212 с. - Текст : непосредственный.
3. Мусаев, Ж. С. Современный подвижной состав железных дорог : учебное пособие / Ж. С. Мусаев. - Алматы : КазАТК им. М.Тынышпаева, 2017. - 112 с. - Текст : непосредственный.
4. Мусаев, Ж. С. Современный подвижной состав железных дорог : курс лекций / Ж. С. Мусаев. - Алматы : КазАТК им. М.Тынышпаева, 2017. - 306 с. - Текст : непосредственный.
5. Управление вентильными электроприводами постоянного тока / Е. Д. Лебедев,
B. Е. Неймарк, М. Я. Пистрак, О. В. Слежановский. - Москва : Энергия, 1970. - 199 с. -Текст : непосредственный.
6. Akhatov S. T, Solonenko V. G., Makhmetova N. M., Kosenko S. A., Ivanovtseva N. V., Malik A. A. Application of linear asynchro-nous motors for high-speed ground transport. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, series of geology and technical sciences, 2021, vol. 2, no. 446, pp. 31 - 36, https://doi.org/10.32014/2021.2518-170X.31.
7. Ахатов, С. Т. Исследование системы синхронной тяги с линейными двигателями /
C. Т. Ахатов, В. Г. Солоненко, Н. М. Махметова. - Текст : непосредственный // Вестник КазАТК. - 2021. - № 1 (116). - С. 89-96.
8. Скобелев, В. Е. Анализ путей улучшения характеристик тяговых линейных асинхронных двигателей для высокоскоростного наземного транспорта / В. Е. Скобелев, Г. И. Соловьев, А. П. Епифанов. - Текст : непосредственный // Железные дороги мира. -2012. - № 2. - С. 3-12.
9. Казаченко, Е. В. Экспериментальные взаимодействия между индуктором и реактивной шиной одностороннего линейного асинхронного двигателя / Е. В. Казаченко. - Текст : непосредственный // Высокоскоростной наземный транспорт. - 2016. - С. 144-150.
10. Матин, В. Н. Системы синхронной тяги и направления для высокоскоростного наземного транспорта / В. Н. Матин, К. И. Ким. - Текст : непосредственный // Высокоскоростной наземный транспорт. - 2016. - С. 45-52.
References
1. Tikhmenev B. N. ed. Skorostnoy transport budushchego (High-speed transport of the future). Moscow: Transport Publ., 1979, 78 p.
2. Musaev J. S. Sovremennyye tekhnologii v transportnoy tekhnike: ekspluatatsiya, tekhnich-eskoye obsluzhivaniye i remont vysokoskorostnogopodvizhnogo sostava: uchebnoeposobie (Modern technologies in transport engineering: operation, maintenance and repair of high-speed rolling stock : textbook). Almaty: TechSmith Publ., 2018, 212 p.
3. Musaev Zh. S. Sovremennyy podvizhnoy sostav zheleznykh dorog : uchebnoe posobie (Modern rolling stock of railroads : textbook). Almaty: KazATC named after M. Tynyshpayev Publ., 2017, 112 p.
4. Musayev Zh. S. Sovremennyy podvizhnoy sostav zheleznykh dorog : kurs lektsii (Modern rolling stock of railroads : murse of lectures). Almaty: KazATC named after M. Tynyshpayev Publ., 2017, 306 p.
5. Lebedev E. D., Neimark V. E., Pistrak M. Ia., Slezhanovskii O. V. Upravleniye ventil'nymi elektroprivodami postoyannogo toka (Management of ventilated DC electric drives). Moscow: Energiia Publ., 1970, 199 p.
6. Akhatov S. T, Solonenko V. G., Makhmetova N. M., Kosenko S. A., Ivanovtseva N. V., Malik A. A. Application of linear asynchro-nous motors for high-speed ground transport. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, series of geology and technical sciences, 2021, vol. 2, no. 446, pp. 31 - 36, https://doi.org/10.32014/2021.2518-170X.31.
7. Akhatov S. T., Solonenko V. G., Makhmetova N. M. Study of synchronous traction system with linear motors [Issledovaniye sistemy sinkhronnoy tyagi s lineynymi dvigatelyami]. Vestnik KazATK- Bulletin of KazATK, 2021, no. 1 (116), pp. 89 - 96.
8. Skobelev V. E., Soloviev G. I., Epifanov A. P. Analysis of ways to improve characteristics of traction linear induction motors for high-speed land transport [Analiz putey uluchsheniya kharakter-istik tyagovykh lineynykh asinkhronnykh dvigateley dlya vysokoskorostnogo nazemnogo transporta]. Zheleznye dorogi mira - Railways of the World, 2012, no. 2, pp. 3 - 12.
9. Kazachenko E. V. Experimental interactions between inductor and reactive bus of a one-way linear induction motor. [Eksperimental'nyye vzaimodeystviya mezhdu induktorom i reaktivnoy shi-noy odnostoronnego lineynogo asinkhronnogo dvigatelya]. Vysokoskorostnoi nazemnyi transport -High-speed ground transport, 2016, pp. 144 - 150.
10. Matin V. N., Kim K. I. Combined synchronous traction and direction systems for high-speed ground transport [Kombinirovannyye sistemy sinkhronnoy tyagi i napravleniya dlya vysokoskorostnogo nazemnogo transporta]. Vysokoskorostnoi nazemnyi transport - High-speed ground transport, 2016, pp.45 - 52.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ахатов Семят Турганжанович
Академия логистики и транспорта (АЛТ).
Шевченко ул., д. 97, г. Алматы, 050012, Республика Казахстан.
Ассистент-преподаватель кафедры «Магистральная инженерия», АЛТ.
Тел.: +7 (705) 575-97-13.
E-mail: semyat@mail.ru
Солоненко Владимир Гельевич
Академия логистики и транспорта (АЛТ).
Шевченко ул., д. 97, г. Алматы, 050012, Республика Казахстан.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Магистральная инженерия», АЛТ.
Тел.: +7 (777) 254-80-37.
E-mail: v.solonenko@mail.ru
Махметова Нарзанкуль Мусаевна
Академия логистики и транспорта (АЛТ).
Шевченко ул., д. 97, г. Алматы, 050012, Республика Казахстан.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Магистральная инженерия», АЛТ.
Тел.: +7 (777) 413-69-33.
E-mail: makhmetova_n1958@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Ахатов, С. Т. Система управления электромагнитным подвесом с обратной связью скоростного наземного транспорта / С. Т. Ахатов, В. Г. Солоненко, Н. М. Махметова. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 4 (48). - С. 22 - 28.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Akhatov Semyat Turganzhanovich
Academy of Logistics and Transport (ALT).
Shevchenko st., 97, Almaty, 050012, Republic of Kazakhstan.
Assistant-teacher of the department «Highway Engineering», ALT.
Phone: +7 (705) 575-97-13.
E-mail: semyat@mail.ru
Solonenko Vladimir Gelievich
Academy of Logistics and Transport (ALT).
Shevchenko st., 97, Almaty, 050012, Republic of Kazakhstan.
Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «Highway Engineering», ALT.
Phone: +7 (777) 254-80-37.
E-mail: v.solonenko@mail.ru
Makhmetova Narzankul Musaevna
Academy of Logistics and Transport (ALT).
Shevchenko st., 97, Almaty, 050012, Republic of Kazakhstan.
Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «Highway Engineering», ALT.
Phone: +7 (777) 413-69-33.
E-mail: makhmetova_n1958@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Akhatov S. T., Solonenko V. G., Makhmetova N. M. Control system of electromagnetic suspension with feedback of high-speed land transport. Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 4 (48), pp. 22 - 28 (In Russian).
