Автореферат (Автоматическая система управления температурой тягового асинхронного двигателя тепловоза)

На правах рукописиБОНДАРЕНКОДенис АндреевичАВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА05.09.03 – Электротехнические комплексы и системыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукБрянск20182Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Брянский государственный технический университет» на кафедре «Подвижной состав железных дорог»Научныеруководители:Михальченко Георгий Сергеевич,доктор технических наук, профессор.Воробьев Владимир Иванович,кандидат технических наук, доцент.Официальныеоппоненты:Щербаков Виктор Гаврилович, доктор технических наук,профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Российскийгосударственный политехнический университет (НПИ) имениМ.И.

Платова», кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», профессорХазов Максим Сергеевич, кандидат технических наук, акционерное общество «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта», ведущий научный сотрудникВедущаяорганизацияФедеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»Защита состоится «12» сентября 2018 г.

в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02, созданного на базе федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российскийуниверситет транспорта (МИИТ)» (РУТ(МИИТ))по адресу: 127994, г. Москва,ул. Образцова, д. 9, стр.9, ауд. 2505.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РУТ (МИИТ) и на сайте:www.miit.ruАвтореферат разослан «» июля 2018 г.Учёный секретарь диссертационногосовета Д 218.005.02Гречишников Виктор Александрович3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Железнодорожный транспорт представляет собой основной вид транспорта России, его технический уровень и состояние определяют экономическую эффективность и безопасность перевозок.

Внастоящее время при создании современных тепловозов с электрической передачей наметилась тенденция использовать тяговый асинхронный двигатель (ТАД).Применение ТАД с короткозамкнутым ротором, обладающих рядом известныхпреимуществ по сравнению с тяговыми двигателями постоянного тока, способствует повышению надежности и экономичности тепловозов, улучшает их тяговые качества. Вместе с тем неисправная работа, либо выход из строя ТАД приводит не только к его ремонту или замене, но и к значительным финансовым расходам в связи с неопределенным временем простоя тепловоза. Анализ данныхразличных исследований, позволил сделать вывод, что существенное число неисправностей двигателей прямым или косвенным образом связано с повышенным нагревом его элементов.Рост температуры в узлах двигателя приводит к увеличению его потерь, темсамым снижая КПД до 89÷77% при изменении температуры в диапазоне0÷160°С.

Кроме того изменяется жесткость механической характеристики ТАД,что делает возможным возникновение процессов боксования, что приводит к изменению тяговых свойств тепловоза. Таким образом возникает необходимостьучета влияния температуры ТАД в передачах мощности тепловозов. Кроме тогоодним из резервов повышения экономичности тепловоза и увеличения его силытяги является сокращение затрат мощности на вспомогательные нужды (насосы,компрессор, вентиляторы охлаждения и т.

д.), которые составляют 8÷17% и болееот общей мощности тепловоза. В настоящее время проблема плавного (непрерывного) управления температурой тяговых электродвигателей подвижного состава,эксплуатируемого в России недостаточно проработана. Таким образом, возникает необходимость решения актуальной задачи – разработки автоматическойсистемы управления температурой (АСУТ) ТАД.4В диссертации рассмотрены теоретические и экспериментальные исследования по созданию АСУТ тепловоза с исполнительным устройством в виде частотно-управляемого электропривода вентилятора охлаждения.Степень разработанности темы. Исследованиями систем охлаждения (СО)тягового электрооборудования, автоматических регуляторов и АСУТ в электрических передачах локомотивов занимались: А.

В. Грищенко, Е. С. Дорохина, А.А. Зарифьян, А. С. Захарчук, А. Н. Качанов, Г. Ф. Кашников, И. Г. Киселев, А. С.Космодамианский, В. Д. Кузьмич, Ю. А. Куликов, А. С. Курбасов, Н. М. Луков,Е. Ю. Логинова, Ю. И. Миловидов, В. А.Петраков, А. А. Петрожицкий, О. Л. Рапопорт, В. И. Рахманинов, А.

Н. Савоськин, В. Л. Сергеев, В. В. Стрекопытов, Ф.В. Тихонов, С. В. Торба, В. В. Чащин Л. А. Чернышов, Е. Б. Черток, О. В. Цурган,G. Kylander, M. Mahmoudi, A. A. Melnik, L. Popova, и др.Цель и задачи. Целью данной работы является разработка АСУТ ТАД тепловоза, содержащей частотно-управляемый электропривод вентилятора охлаждения как исполнительное устройство для плавного управления температуройв широком диапазоне.Для достижения поставленной в работе цели решены следующие задачи:– разработана математическая модель теплового состояния тягового асинхронного двигателя в стационарном и нестационарном режимах;– исследованы статические и динамические свойства тягового асинхронногодвигателя как объекта управления температурой и частотно-управляемого электропривода вентилятора охлаждения как исполнительного устройства;– разработана и исследована автоматическая система управления температурой тягового асинхронного двигателя тепловоза, в которой применен электропривод вентилятора охлаждения с преобразователем частоты как исполнительное устройство;– синтезирован регулятор температуры, состоящий из двух изодромных звеньев и звеньев обратной связи, обеспечивающий требуемые значения запасовустойчивости и показателей качества управления, а также ПИ-регулятор, обеспечивающий настройку системы на технический оптимум;5– разработана и изготовлена физическая модель тягового асинхронного двигателя, система охлаждения тягового асинхронного двигателя с возможностьюреализации на ней экспериментальных исследований процессов нагревания иохлаждения;– проведен расчет технико-экономической эффективности применения разработанной автоматической системы управления температурой на тепловозе.Научная новизна работы заключается в следующем:– разработана математическая модель АСУТ ТАД, описывающая работувсех звеньев, входящих в её состав;– решена задача синтеза автоматического регулятора с астатизмом второгопорядка и звеньями обратной связи управления температурой для линеаризованной модели АСУТ ТАД;– разработан ПИ-регулятор с настройкой на технический оптимум;– выполнены расчёты переходных процессов с двумя указанными типамирегуляторов для линеаризованной и нелинейной моделей АСУТ ТАД;– разработан и изготовлен стенд, содержащий физическую модель ТАД исистему его охлаждения.Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:– разработаны математические модели всех звеньев, входящих в АСУТ ТАД,включая модель теплового состояния ТАД позволяющую исследовать распределение температуры в 53 узлах двигателя в различных режимах работы;– разработан регулятор с астатизмом второго порядка и звеньями обратнойсвязи АСУТ ТАД, применение которого позволяет плавно управлять температурой ТАД в широком диапазоне с достаточно стабильными значениями показателей качества управления;– разработан физический стенд, на базе которого возможно проводить широкий спектр экспериментальных исследований температурных режимов двигателя.6Методы исследований.

При решении поставленных задач в диссертациииспользованы методы расчета тепловых полей электродвигателей, теории автоматического управления и электропривода. Выполнено численное интегрирование системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих работусистемы при различных начальных значениях температуры и разных скачках задающего воздействия. Математическое моделирование проведено в программном пакете Matlab – Simulink. Экспериментальные исследования были проведенына разработанном стенде физического моделирования.Положения, выносимые на защиту:– математическая модель теплового состояния ТАД, применение которойпозволяет определить распределение температуры в 53 узлах двигателя при различных режимах его работы;– структура, принцип работы и динамические свойства АСУТ ТАД, обеспечивающие плавное управление температурой ТАД;– структура и принцип работы разработанного стенда, содержащего физическую модель ТАД и систему его охлаждения.Степень достоверности результатов.

Достоверность подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с данными экспериментальных испытаний, проведенных на разработанном стенде физического моделирования. Расхождение результатов между теоретическими и экспериментальнымиисследованиями при определении времени переходного процесса во всех выделенных элементах ТАД не превышает 3%, при определении установившегосязначения температуры в этих узлах – 6 %.Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на научно-технических и научно-практических конференциях: международной научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение ХХI век» (ФГБОУ ВПО«Госуниверситет – УНПК» Госуниверситет – УНПК, 2013 г.), VII Всероссийскойконференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 г.), V и VI международная научно-практическая конференция «Достижения молодых ученых в развитии инновационных7процессов в экономике, науке и образовании» (БГТУ, 2014 г.), заседании учебнометодической комиссии совмещенной с научно-технической конференцией, проводимой совместно с ЗАО «УК БМЗ» (БГТУ, 2014 г.), II Международной (V Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (УГНТУ, 2015 г.), III Международной научно-технической конференции, посвящённой 85-летию со дня рождениядоктора технических наук, профессора В.В.