Диссертация (Автоматическая система управления температурой тягового асинхронного двигателя тепловоза)

Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего образования«Брянский государственный технический университет»(ФГБОУ ВО БГТУ)На правах рукописиБондаренко Денис АндреевичАВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМАУПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА05.09.03 – Электротехнические комплексы и системыДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучные руководители:доктор технических наук, профессорМихальченко Георгий Сергеевичкандидат технических наук, доцентВоробьев Владимир ИвановичБрянск 20172СодержаниеВведение ................................................................................................................... 51 Анализ технических решений по автоматизации систем охлаждениятяговых двигателей тепловозов ........................................................................... 111.1 Анализ направлений работ по созданию и совершенствованиютепловозов с ТАД ...............................................................................................

111.2 Влияние температурного режима обмоток тягового асинхронногодвигателя на параметры его работы ................................................................. 131.3 Системы охлаждения тяговых двигателей локомотивов и требования,предъявляемые к ним ......................................................................................... 151.4 Классификация и основные характеристики приводов вентиляторовсистем охлаждения ............................................................................................. 221.5Электроприводы вентиляторов систем охлаждения.............................

281.6Постановка задач исследования .............................................................. 332 Разработка математической модели тепловых процессов тяговогоасинхронного двигателя ....................................................................................... 362.1 Анализ математических моделей тепловых процессов тяговогоасинхронного двигателя .................................................................................... 362.2Эквивалентная тепловая схема двигателя ............................................. 412.3Определение мощности потерь в активных узлах двигателя ..............

582.4 Разработка дифференциальных уравнений теплового состояниядвигателя. Определение теплоемкостей элементов двигателя...................... 622.5 Математическая модель теплового состояния двигателя .................... 68Выводы ................................................................................................................ 743 Автоматическая система управления температурой тяговогоасинхронного двигателя тепловоза .....................................................................

763.1 Общие сведения о автоматических системах управлениятемпературой ...................................................................................................... 763.2 Определение передаточных функций АСУТ......................................... 783.2.1 Задающее устройство ............................................................................ 783.2.2 Устройство сравнения ...........................................................................

783.2.3 Блок ограничения .................................................................................. 793.2.4 Устройство управления ........................................................................ 793.2.5 Исполнительное устройство................................................................. 813.2.6 Объект управления ................................................................................ 863.2.7 Измерительное устройство ................................................................... 903.2.8 Регулятор ................................................................................................

9233.3 Синтез автоматического регулятора температуры, определениеустойчивости и показателей качества АСУТ .................................................. 943.3.1 Методика решения задачи синтеза ...................................................... 943.3.2 Решение задачи синтеза для АСУТ тягового асинхронногодвигателя ..........................................................................................................

973.3.3 Определение критериев качества процесса управлениялинеаризованной АСУТ с комбинированным регулятором ..................... 1103.3.4 Определение критериев качества процесса управления в нелинейнойАСУТ с комбинированным регулятором .................................................... 1133.3.5 Синтез регулятора АСУТ, настроенной на технический оптимум,определение критериев качества процесса управления линеаризованнойсистемы ........................................................................................................... 1233.3.6 Определение критериев качества процесса управления нелинейнойАСУТ, настроенной на технический оптимум ........................................... 126Выводы .............................................................................................................. 1354 Экспериментальные исследования электропривода вентилятора спреобразователем частоты как исполнительного устройства и системыохлаждения тягового асинхронного двигателя ................................................

1374.1 Обоснование и структура физической модели тягового привода ..... 1374.2 Оценка возможности использования серийных машинпромышленного назначения в качестве модели тягового асинхронногодвигателя тепловоза ......................................................................................... 1384.3 Комплексный стенд для исследования автоматической системыуправления температурой тягового асинхронного двигателя ..................... 141Выводы .............................................................................................................. 1525 Расчет технико-экономической эффективности разработанной АСУТ ТАД154Заключение .......................................................................................................... 158Список литературы .............................................................................................

160ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................... 1764Список сокращений и условных обозначенийАД – асинхронный двигатель;АДПЧ – асинхронный двигатель с преобразователем частоты;АСУТ – автоматическая система управления температурой;ВО – вентилятор охлаждения;КПД – коэффициент полезного действия;РЭПВ – регулируемый электропривод вентилятора;САУ – система автоматического управления;СО – система охлаждения;ТАД – тяговый асинхронный двигатель.5ВведениеАктуальность темы исследования.

Железнодорожный транспорт представляет собой основной вид транспорта России, его технический уровень исостояние определяют экономическую эффективность и безопасность перевозок. В настоящее время при создании современных тепловозов с электрической передачей наметилась тенденция использовать тяговый асинхронныйдвигатель (ТАД). Применение ТАД с короткозамкнутым ротором, обладающих рядом известных преимуществ в сравнении с тяговыми двигателями постоянного тока, способствует повышению надежности и экономичности тепловозов, улучшает их тяговые качества.

Вместе с этим неисправная работа,либо выход из строя ТАД приводит не только к его ремонту или замене, но ик значительным финансовым расходам в связи с неопределенным временемпростоя тепловоза. Анализ данных различных исследований, позволил сделатьвывод, 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,тем самым снижая КПД.

КПД уменьшается вплоть до 89…77% при изменениитемпературы в диапазоне 0…160°С. Кроме того изменяется жесткость его механической характеристики, что делает возможным возникновение процессовбоксования, что приводит к изменению тяговых свойств тепловоза. Таким образом возникает необходимость учета влияния температуры ТАД в передачахмощности тепловозов. Кроме того одним из резервов повышения экономичности тепловоза и увеличения его силы тяги является сокращение затрат мощности на вспомогательные нужды.

Так затраты мощности на вспомогательныесистемы тепловоза (насосы, компрессор, вентиляторы охлаждения и т. д.) составляют 8–17% и более от общей мощности тепловоза. В настоящее времяпроблема плавного (непрерывного) управления температурой тяговых электродвигателей подвижного состава, эксплуатируемого в России недостаточно6проработана. Таким образом возникает необходимость разработки автоматической системы управления температурой (АСУТ) ТАД.В диссертации рассмотрены теоретические и экспериментальные исследования АСУТ тепловоза, содержащей частотно-управляемый электроприводвентилятора охлаждения как исполнительное устройство.Степень разработанности темы. Исследованиями систем охлаждения(СО) тягового электрооборудования, автоматических регуляторов и АСУТ вэлектрических передачах локомотивов занимались: А.В.