Автореферат (Автоматическая система управления температурой тягового асинхронного двигателя тепловоза), страница 2

Стрекопытова «Локомотивы. XXIвек» (ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2015 г.), заседании кафедры «Подвижной состав железных дорог» (БГТУ, 2015 г.), заседании кафедры «Локомотивы и локомотивноехозяйство» (ФГБОУ ВО ПГУПС, 2017 г.), 7-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные инновации в наукеи технике» (ЮЗГУ, 2017 г.).Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты исследованийиспользовались при выполнении госбюджетной НИР № 1.02.09 (06/47) «Разработка конструкций, математическое моделирование и испытание узлов транспортных машин» в 2014 – 2015 г. на кафедре «Подвижной состав железных дорог» Брянского государственного технического университета (БГТУ). Основныерезультаты работы использовались: в научных проектах РФФИ № 14-08-31274(2014 – 2015 гг.) и Фонда содействия инновациям № 4701ГУ1/2014 (2014 г), атакже внедрены и используются в БГТУ на кафедре «Подвижной состав железных дорог» при подготовке студентов очной и заочной форм обучения по специальности 190300 – «Подвижной состав железных дорог».Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 13научных трудов, в этом числе: два патента на полезную модель №148359 и№156446, пять статей в изданиях, рекомендуемых ВАК: «Наука и техника транспорта», №3 2014 г., «Вестник Брянского государственного университета», №22015 г., №3 2015 г., «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии», №5-2 2015 г.8Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения с основными результатами и выводами, списка использованныхисточников из 143 наименований, шести приложений и содержит 175 страниц основного текста, 87 рисунка и 10 таблиц.Автор благодарит кафедру «Электропоезда и локомотивы» Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский университет транспорта (МИИТ)», научного руководителя В.И.Воробьева и коллектив кафедры «Подвижной состав железных дорог» Брянскогогосударственного технического университета.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении отмечена актуальность совершенствования тягового подвижного состава, и в первую очередь, его вспомогательного электрооборудования.Сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, теоретическая ипрактическая значимость работы, методология и методы исследований, положения, выносимые на защиту, степень достоверности результатов исследований,приводятся сведения о реализации и апробации работы, публикациях, структуреи объеме диссертации.В первой главе выполнен обзор существующих приводов вентиляторов системы охлаждения (СО) тягового электрооборудования эксплуатируемого паркатепловозов.

Отмечено, что большая часть парка не оснащена управляемым приводом вентиляторов таких СО.Установлено, что наилучшими технико-экономическими показателями обладают электроприводы с частотно-управляемыми асинхронными двигателями,которые позволяют плавно управлять частотой вращения вала вентилятора охлаждения и, соответственно, температурой ТАД.Во второй главе на базе эквивалентной тепловой схемы (ЭТС) замещенияразработана математическая модель теплового состояния физической моделиТАД, состоящая из 53 узлов, представленная на рисунке 1.9Схема состоит из 53 узлов, из которых 31 является активным, то есть тепловыделяющим, а оставшиеся 22 – пассивными узлами (рисунок 2).Общий вид дифференциального уравнения, описывающего тепловое состояние для i-го узла двигателя имеет видСin θ θθθj Pi  i   i,tRi ,i j 1 Ri , ji  1...n.(1)На основании (1) были синтезированы 53 дифференциальных уравнения,применительно к ЭТС, приведенной на рисунке 2.Рисунок 1 – Эскиз физической модели ТАДОпределение мощности потерь в активных узлах двигателя осуществлялосьна основе моделирования ТАД с использованием Т-образной схемы замещениядвигателя с приведением параметров ротора к параметрам статорной обмотки изаменой механической нагрузки двигателя переменным активным сопротивлением.

При этом учитывались такие нелинейности как насыщение по главномумагнитному пути, эффект вытеснения тока в обмотке (стержнях) ротора, нелинейная зависимость потери в стали статора от частоты тока статора.На основании конструкции, геометрических размеров ТАД и его элементов,массы и свойств материалов синтезированы формулы для расчета тепловых сопротивлений узлов.Рисунок 2 – ЭТС двигателя1011Для исследования динамических тепловых процессов двигателя в структуруЭТС включены теплоемкости ее элементов.

Фрагмент ЭТС с учетом теплоемкостей элементов, приведен на рисунке 3.Рисунок 3 – Фрагмент динамической ЭТСТеплоемкость i-го элемента двигателя вычисляется следующим образомnСi   mi  ci ,j 1(2)где mi – масса элемента, кг,ci – удельная теплоемкость материала, из которого изготовлен элемент двигателя, Дж/кг·К.Теплоемкости элементов рассчитаны, исходя из массы и свойств материалов. Индекс i в выражении 2 указывает на различные материалы, из которых изготовлен элемент двигателя.Результаты компьютерного моделирования в программном пакете MatlabSimulink, представленные на рисунке 4, показали, что наибольший перегрев испытывает пазовая часть обмотки статора на расстоянии 2/3 от входа охлаждающего воздуха, следующим по величине нагрева идет обмотка (стержни) роторана том же расстоянии; разница в температуре между пазовой частью обмотки статора и стержнями ротора составляет 2…10°С при отсутствии охлаждения и1,5…6°С при расходе охлаждающего воздуха Gвз = 0,95м3/с в диапазоне токовстатора 0,5…1,1Iном.12а)б)Рисунок 4 – Кривые охлаждения узлов двигателя в поперечномсечении со стороны охлаждающего воздуха а)и на расстоянии 2/3 длины статорной обмотки б) при 0,5Iнома)б)Рисунок 5 – Распределение температур по длине обмотки статора 1и ротора 2 при Is = 0,7 Iном Is = 1,1 IномНа рисунке 5 представлены графики распределения температуры по длинеобмотки статора и ротора.Время переходного процесса нагревания/охлаждения для всех выделенныхузлов ТАД примерно одинаково и отличается не более чем на 5…10%.Наибольшая температура исследуемого ТАД достигается в пазовой частиобмотки статора на расстоянии 2/3 длины со стороны подачи охлаждающего воздуха, и она быстрее всего достигнет критического значения, поэтому управлениеохлаждением достаточно выполнить по этому узлу, нагрев которого можно представить нелинейным однородным дифференциальным уравнением:Tθdθ θ  f  Gвз  ,dt(3)13где θ – текущая температура ТАД, °С;t – текущее время, с.Зависимость   f  Gвз  , полученная во втором разделе, может быть аппроксимирована выражением:θ  В02Gвз2  В01Gвз  В00 ,(4)где В02  78,125(См6 / с) ; В01  248,75(См3 / с) ; В00  242С .Выполнив линеаризацию зависимости (4) для выбранной рабочей точки иподставив ее в выражение (3) можно получить передаточную функцию ТАД всоставе АСУТ, которая соответствует апериодическому (инерционному) звену Iпорядка.В третьей главе разработана АСУТ, содержащая задающее устройство –пульт управления, устройство управления – микропроцессорная система, реализующая принятый тип регулятора и преобразующая выходную координату регулятора в сигнал управления исполнительным элементом, исполнительноеустройство – преобразователь частоты, асинхронный двигатель (АД) с системойскалярного управления по закону u / f 2 = const, приводящий во вращение вентилятор охлаждения (ВО), объект управления – тепловое состояние ТАД, измерительное устройство – датчик температуры.

Для синтеза АСУТ выполнена линеаризация всех его перечисленных элементов.В результате анализа режимов работы, электромеханических и тепловых характеристик асинхронных двигателей установлено, что асинхронный двигатель,приводящий во вращение вентилятор охлаждения целесообразно представить безинерционным звеном.Все тепловые процессы ТАД при синтезе АСУТ рассмотрены применительно к пазовой части обмотки его статора, как наиболее нагретого элементадвигателя. Используя методику Орманна было определено, что переходные тепловые процессы, протекающие ТАД могут быть удовлетворительно аппроксимированы динамическим звеном первого порядка.Для синтеза систем автоматического управления (САУ), используемых в подвижном составе наиболее предпочтительна комбинированная коррекция, когдачасть звеньев включается последовательно с разомкнутой САУ, а другая часть в14обратную связь.

Наряду с этим в последнее время широкое распространение получили ПИ-регуляторы, которые включаются последовательно с объектом управления и представляют собой параллельное включение усилительного и интегрирующего звеньев. В связи с этим для АСУТ предложены две схемы ее коррекции.Первая схема коррекции подразумевает комбинированное включение корректирующих звеньев. При этом часть корректирующих звеньев включается последовательно с разомкнутой системой – это два изодромных звена обеспечивающие структурную устойчивость АСУТ и нулевые ошибки по положению и поскорости, а другая часть в обратную связь, обеспечивающую необходимый уровень запасов устойчивости и показателей качества управления. Структурнаясхема такой АСУТ представлена на рисунке 6.

Для определения параметров корректирующих звеньев при комбинированной коррекции линеаризованной АСУТв работе используется метод синтеза по логарифмическим амплитудным частотным характеристикам (ЛАЧХ).Применение звеньев обратной связи помимо обеспечения устойчивости икачества управления в переходном режиме снижает влияние нелинейности и нестационарности охваченной части системы.WПЧ , WАДВО , Wθ , WИУ – передаточные функции устройства управления (преобразователя частоты), исполнительного устройства (электропривода вентилятораохлаждения), объекта управления (тепловое состояние ТАД) и измерительногоустройства (датчика температура); Wиз и Wос – передаточные функции регулятора комбинированной коррекции; kиз , kПЧ , , kАД , kВО , kθ , kИУ и kос – коэффициенты усиления функциональных элементов АСУТ; Tиз , Tθ , T1 и T1 – постоянные времени функциональных элементовРисунок 6 – Структурная схема комбинированной коррекции АСУТ15Вторая схема коррекции АСУТ, приведенная на рисунке 7, предполагает использование ПИ-регулятора и включенного последовательно с ним фильтра низких частот.

Параметры ПИ-регулятора были определены методом интегральнойоценки. При таком подходе обеспечивается настройка системы на техническийоптимум.WПИ и WФ – передаточные функции ПИ-регулятора и фильтра; kПИ – коэффициенты усиления ПИ-регулятора; Tи и Tμ – постоянная времени интегрирования инаименьшая некомпенсируемая постоянная времени соответственноРисунок 7 – Структурная схема АСУТ с ПИ-регуляторомU з  U з  U иу ,2d 2U регdU з22  2 d UзUTkТ2ТU,изизизизизз22dtdtdtmaxU рег  U ос , при U рег  U рег,U БО  maxmaxU рег  U ос , при U рег  U рег .f k U , 1 ПЧ БОGвз  kИсУ f1 ,T dθ  θ  156,25G  248,75,вз  dtU ИУ  kИУθ.2dU иуdU иуU ос  T1 1  kос  T2 1 . dtdt(5)Для определения показателей качества управления в разработанной нелинейной АСУТ необходимо выполнить численное интегрирование системы нелинейных дифференциальных уравнений, которая будет учитывать нелинейность16изменения коэффициента усиления ТАД как объекта управления температурой идополнена уравнением, которое учитывает ограничение выходного напряжениярегулятора Uиз.