Вагон метрополитена с независимым возбуждением тяговых двигателей для союза Мьянмы

В современных условиях транспорт играет большую роль в, инфраструктуре развитых стран. Важным фактором в жизни каждого города, удобного для проживания, является развитая транспортная система. Быстро-строящиеся городские районы переросли существующие средства общественного транспорта. Недостаточная провозная способность вызывает рост числа частных автомашин. Это, в свою очередь, приводит к различным проблемам: пробки, несчастные случаи, шум, загрязнение воздуха и чрезмерная эмиссия СС>2. Наиболее эффективным средством решения транспортной проблемы городов является метрополитен. Каждый новый город, где начинается строительство метрополитена, каждая-новая линия на действующем метрополитене — это новая страница в проектировании и строительстве, непременный творческий поиск и обогащение ранее приобретенного опыта.

Можно с уверенностью сказать, что метровагоностроение вступает в качественно новый этап своего развития. Современный этап технического прогресса характерен не только разработкой и внедрением новых более совершенных силовых схем, автоматизированных систем управления, но также и повышением качества, надежности и эксплуатационных характеристик вагонов метрополитена с целью получения наиболее высоких технико-экономических показателей их использования.

Одним из наиболее эффективных путей совершенствования электропривода электроподвижного состава (ЭПС) является, как показывает опыт, использование тяговых двигателей с жесткими характеристиками. История электромашиностроения свидетельствует о том, что первые попытки создания таких электровозов относятся к 20-м годам нашего столетия. Использование в наши дни полупроводниковой техники позволило эффективно решать эти задачи, опираясь на новые принципы преобразования энергии и построения электрических схем.

Средства электроники, бурно развивающейсяв последнее время, способствуют созданию принципиально нового поколения электроподвижного состава с новыми техническими решениями по тяговому электрическому приводу с широким применением микропроцессорных систем автоматизированного управления. В эксплуатации в разных странах находятся более 500 единиц ЭПС тяговыми двигателями смешанного и независимого возбуждения, а также с асинхронными тяговыми двигателями.

Первые системы автоматического управления применены на ЭПС с ре-лейно-контакторным управлением. Такие системы до сих пор используются на пассажирских электровозах и электропоездах в основном постоянного тока. Широкое развитие силовой полупроводниковой техники позволило осуществить непрерывное управление ЭПС и послужило основой для создания более совершенных систем автоматического управления. Для ЭПС разных типов и разных условий работы, наиболее целесообразным могут быть различные системы возбуждения. Регулирование тока в обмотке независимого возбуждения значительно проще, чем тока якоря и легко может быть автоматизировано в функции от тока, напряжения и других факторов. Важным преимуществом независимого’возбуждения перед последовательным является лучшее использование сцепной массы, а, следовательно, реализация больших сил тяги и более полное использование мощности тяговых двигателей во всем диапазоне скоростей движения. Эти преимущества вызвали в последнее время повышенный интерес к созданию ЭПС с тяговыми двигателями независимого возбуждения. Поэтому настоящая работа посвященная совершенствованию систем автоматического управления вагона метрополитена с независимым возбуждением тяговых двигателей.

В диссертации для разработок математической модели силовой схемы и системы автоматического управления вагона метрополитена используется программный пакет МАТЪАВ (ЗипиНпк). Программа ЗшшНпк является достаточно самостоятельным инструментом МАТЪАВ и при работе с ним совсем не требуется знать сам МАТЬАВ и остальные его приложения. При моделировании с использованием 81шиНпк реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компьютере, и, естественнознаний той предметной области, в которой он работает.

В нашей стране, в Мьянме, столица Янгон"является наиболее развитым в экономическом и промышленном отношении городом, ее площадь около 350 кв. км и население 6 млн. человек. Территорию города составляют 45 районов. К сожалению, в Янгоне нет не только метрополитена, но также и трамвая. Жители Янгона в основном используют автобусы в качестве городского транспорта. В городе также существует наземный^ городской железнодорожный транспорт и речной для перевозки по рекам.

Для решения проблемы городского транспорта, необходимо дополнить существующие виды транспорта другими возможными видами транспорта в частности, метрополитеном. Это уменьшит использование автобусного сообщения, обеспечит улучшение экологии городской территории, снизит потребление топлива, увеличит темп развития экономии. Для решения проблемы недостатка городского транспорта можно применить трамвайное движение, но такой вариант эффективен для коротких перегонов и малых пассажиропотоков. Поэтому необходимо строить метрополитен. Конечно, в нашей стране (в Мьянме) пока еще не обеспечена возможность использования высоких технологий, необходимых при строительстве метрополитена. Однако наше государство планирует построить метро с помощью России.

В связи с тем, что в режиме независимого возбуждения коллекторный тяговый двигатель может развивать большую мощность, то такая система возбуждения, и принята к разработке. Независимое возбуждение позволит более интенсивно выполнить разгон поезда, что особенно важно в условиях метрополитена. Поэтому, в настоящей диссертации исследуется вагон метрополитена для Союза Мьянмы с независимым возбуждением тяговых двигателей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью данной диссертационной работы является повышение работоспособности вагона метрополитена с тяговыми двигателями независимого возбуждения путем автоматической компенсации отклонений их характеристик.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— выполнить выбор ступеней пусковых реостатов для вагона метрополитена с независимым возбуждением тяговых двигателей;

— разработать математическую модель силовой схемы и системы автоматического управления вагона метрополитена постоянного тока в программном пакете МАТЬАВ;

— выполнить расчеты электромагнитных процессов и показать влияние отклонении в характеристиках ТЭД на процессы трогания и разгона вагона метрополитена;

— на основе индивидуального управления обмотками возбуждениями ТЭД, разработать систему автоматической компенсации отклонений в характеристиках ТЭД, обеспечивающую выравнивание токов в обмотках якорей параллельно включенных тяговых электродвигателей.

ОБЪЕКТ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

Объектом диссертационного исследования является вагон метрополитена с независимым возбуждением тяговых двигателей.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Предметом исследования является система автоматической компенсации отклонений в характеристиках параллельно включенных тяговых двигателей независимого возбуждения.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Выбор ступеней пусковых сопротивлений выполняется по типовой методике расчета с использованием характеристик тяговых двигателей, пересчитанных на обод колеса вагона;

2. Исследование электромагнитных, электромеханических и механических процессов, возникающих при трогании и разгоне вагона, выполнялось на основе пакета программирования МАТЬАВ и среды визуального программирования 81шиИпк.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

1. Разработана математическая модель для расчета электромагнитных, электромеханических и механических процессов, возникающих при трогании и разгоне вагона метрополитена с независимым возбуждением тяговых электродвигателей, учитывающая основные особенности силовой схемы и схемы управления вагона.

2. По результатам расчета процессов, возникающих при трогании и разгоне вагона метрополитена, построена реализованная пусковая диаграм8 ма, отличающаяся от расчетной-в связи с учетом* инерционности электрических и механических процессов.

3. Показано, что учет возможного разброса характеристик тяговых электродвигателей независимого возбуждения включенных в параллельные цепи, может вызвать снижение тока якоря практически до нуля в цепи с ТЭД, имеющим скоростную характеристику, лежащую ниже типовой.

4. Для компенсации отклонений в характеристиках тяговых электродвигателей независимого возбуждения разработана система автоматики, использующая принцип индивидуального управления выпрямителями, питающими обмотки возбуждения.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены корректностью применяемых автором математических методов и удовлетворительной сходимостью результатов расчета с экспериментальными данными.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

1. Разработанные в пакете МАТЬАВ программы расчетных электромагнитных, электромеханических и механических процессов, возникающих при трогании и разгоне вагона метрополитена, могут быть использованы при разработке электровозов и электропоездов с независимым возбуждением.

2. Разработанная система автоматической компенсации отклонений в характеристиках тяговых электродвигателей независимого возбуждения может быть использована при проектировании других типов электроподвижного состава.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные этапы и результаты диссертационной работы докладывались на: научном семинаре и заседании кафедры «Электрическая тяга» в 2010 г.- Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТА, ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ОБРАЗОВАНИЯ», 21−22 апреля 2010 года, ХабаровскVII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «ТКА№-МЕСН-АЯТ-СНЕМу>, 18−19 мая 2010 года, Москва.

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы, из них одна в издании, рекомендованной ВАК по специальности 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы».

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, четырех главы, списка литературы из 44 наименования, заключения и приложений. Работа содержит 110 страницы, в том числе 95 страниц машинописного текста, 5 страниц списка литературы, 10 страница приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.

1. Для моделирования’электромагнитных, электромеханических и механических процессов, возникающих при трогании и разгоне э. п. с. целесообразно использовать пакет МАТЬАВ, обладающий удобным графическим интерфейсом и развитой библиотекой подпрограмм. При’этом учет нелинейности кривой намагничивания тягового электродвигателя и вихревых токов в нем, следует выполнять с помощью специальной системы дифференциаль—ных уравнений.

2. При моделировании процесса автоматического пуска вагона-метрополитена необходимо учитывать запаздывание замыкания^ силовых контактов группового переключателя, составляющее 0,16 с для каждой его позиции.

3. Применение поката МАТЬАВ для исследования электромагнитных, электромеханических и механических процессов, возникающих при трогании и разгоне вагона метрополитена позволило получить расчеты процесс изменения токов, напряжения, скорости и ускорения, имеющие удовлетворительную сходимость с результатами испытании, что свидетельствует от адекватности разработанной модели.

4. Реализованная при моделировании пусковая диаграмма вагона имеет определенные отличия от расчетной из-за учета инерционности электрической и механической подсистем.

5. При учете отклонений в магнитных характеристиках ТЭД включение типовой системы автоматической стабилизации тока якорей приводит к тому, что ток в параллельной ветви, где находится тяговой двигатель с более низкой характеристикой намагничивания, уменьшается до нуля, что недопустимо.

6. Для выравнивания токов в параллельно включенных якорях ТЭД следует выполнять индивидуальное управление током возбуждения от каждого выпрямителя возбуждения.

7. Предложенная структурная схема автоматической компенсации разброса характеристик ТЭД позволила обеспечить стабилизацию токов в параллельны включенных якорях ТЭД независимо от разброса их характеристик.