Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, доктор наук Пугачев Александр Анатольевич

• Пугачев Александр Анатольевич
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Пугачев Александр Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5 1 АНАЛИЗ СТРУКТУР И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С

АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

1.1 Постановка задачи

1.2 Регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем вспомогательных механизмов тепловозов

1.3 Влияние температуры обмоток асинхронного двигателя на его режимы работы

1.4 Анализ существующих способов измерения температуры вращающихся частей электрических машин 38 Выводы по разделу

2. СИНТЕЗ СИСТЕМ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 55 2.1. Результаты анализа систем управления электроприводов с асинхронными двигателями

2.2 Анализ математических моделей, описывающих преобразование энергии в асинхронных двигателях

2.3 Синтез системы скалярного управления с минимизацией

потерь мощности

2.4 Сравнительная характеристика систем скалярного управления 86 Выводы по разделу

3 СИНТЕЗ СИСТЕМ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ И ПРЯМОГО

УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 94 3.1 Сравнительная оценка применения в электроприводах двух- и

трехуровневых автономных инверторов напряжения

3.1.1 Общие сведения

3.1.2 Реализация системы прямого управления моментом

3.1.3 Отработка нештатных и аварийных ситуаций

3.1.4 Потери мощности в силовых ключах автономного инвертора напряжения

3.2 Синтез системы векторного управления с минимизацией потерь мощности

Выводы по разделу

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ ТЯГОВЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

4.1 Постановка задачи разработки. Существующие методы решения задачи

4.2 Разработка эквивалентной тепловой схемы замещения двигателя

4.3 Метод определения тепловых сопротивлений на лабораторной установке

4.4 Разработка метода определения температуры на базе идентификатора сопротивления ротора

4.5 Разработка метода определения температуры за счет введения дополнительных составляющих напряжения статора 152 Выводы по разделу

5. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ТЯГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

5.1 Общие сведения

5.2 Автоматическая система регулирования температуры тягового асинхронного двигателя

5.2.1 Система охлаждения тяговых двигателей как объект регулирования температуры

5.2.2 Вентилятор охлаждения как регулирующее устройство

5.2.3 Результаты применения электропривода в автоматической системе регулирования температуры тягового двигателя

5.3 Автоматическая система регулирования температуры силовых полупроводниковых приборов

5.3.1 Система охлаждения силовых полупроводниковых приборов как объект регулирования температуры

5.3.2 Результаты применения электропривода в автоматической системе регулирования температуры силовых полупроводниковых приборов

5.3 Синтез системы контроля температуры силовых полупроводниковых приборов для системы векторного управления электропривода 194 Выводы по разделу 5 197 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Описание изобретения к патенту RU 2541491 240 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты о внедрении результатов диссертации

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов»

Актуальность темы исследования.

Создание энергоэффективных электротехнических комплексов и систем является одним из приоритетных направлений развития экономики России в ближайшем будущем и на дальнейшую перспективу. Железнодорожный транспорт -крупнейший потребитель топливно-энергетических ресурсов. На фактор потребления энергии в значительной степени оказывает технический уровень и состояние электрических передач автономных локомотивов и тяговых электроприводов электроподвижного состава.

Стратегией научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2020 года и перспективу до 2025 года поставлена задача минимизации доли топливно-энергетической составляющей в себестоимости транспортно-логистических услуг. Одним из основных средств решения этой задачи является проектирование и строительство локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями, которые обладают рядом известных преимуществ по сравнению с традиционными тяговыми двигателями постоянного или пульсирующего тока и позволяют улучшить показатели надежности, повысить их экономичность и тяговые качества. Дополнительным резервом повышения энергетической эффективности является уменьшение энергозатрат на работу вспомогательных агрегатов и систем локомотивов (систем охлаждения силовых энергетических установок и тягового электрооборудования).

Реализация этих целей на тяговом подвижном составе требует решения целого ряда научно-технических задач по выбору рациональной структуры электроприводов, уменьшению потерь мощности в тяговом и вспомогательном электроприводах, организации точного определения (измерения) локальной и средней температуры обмоток двигателей и силовых полупроводниковых приборов и её плавного регулирования и др.

Вышеизложенное обеспечивает актуальность выбранной темы диссертации и проведенных теоретических исследований.

Степень разработанности темы исследования.

В своей работе автор опирался на труды ученых в области теории электроприводов переменного тока и преобразовательной техники - В.И. Аносова, А.С. Анучина, В.Я. Беспалова, И.Я. Браславского, А.Т. Буркова, А.М. Вейнгера, А.Б. Виноградова, А.М. Зюзева, Н.Ф. Ильинского, Ю.М. Инькова, В.И. Ключева, А.Е. Козярука, М.П. Костенко, И.П. Копылова, В.А. Кучумова, В.Н. Мещерякова, В.А. Мищенко, О.А. Некрасова, В.В. Панкратова, В.В. Рудакова, Г.Б. Онищенко, А.С. Сандлера, А.С. Сарбатова, О.В. Слежановского, С.А. Харитонова, Р.Т. Шрейнера, В.А. Шубенко, F. Blaschke, M. Depenbrock, J. Holtz, W. Leonard, T.A. Lipo, D.W. Novotny, R. Schönfeld, I. Takahahi и других ученых.

Автор учитывал результаты исследований электрических передач автономных локомотивов и тяговых электроприводов электроподвижного состава и автоматизации управления тяговыми агрегатами, которые изложены в трудах В.И. Ан-дерса, Х.-П. Бауэра, С.В. Власьевского, А.В. Грищенко, А.М. Евстафьева, А.А. За-рифьяна, Д.Л. Киржнера, П.Г. Колпахчьяна, А.С. Космодамианского, Е.Е. Кос-сова, В.А. Кучумова, В.В. Литовченко, Е.Ю. Логиновой, Н.М. Лукова, П.Ю. Петрова, Н.А. Ротанова, А.Н. Савоськина, Л.Н. Сорина, А.Д. Степанова, В.В. Стреко-пытова, Б.Н. Тихменева, В.Д. Тулупова, Г.А. Федяевой, В.П. Феоктистова и других ученых.

Цель диссертационного исследования - совершенствование режимов работы электроприводов с асинхронными двигателями, применяемых на тяговом подвижном составе, посредством регулирования температуры обмоток тяговых двигателей.

Задачи исследования, поставленные и решенные в работе для достижения указанной цели:

- проведение сравнительного анализа характеристик тяговых электроприводов и электроприводов вспомогательных агрегатов, применяемых на тяговом подвижном составе;

- синтез системы управления электропривода вспомогательных агрегатов с асинхронным двигателем, осуществляющей минимизацию потерь мощности в

асинхронном двигателе;

- синтез системы векторного управления тягового электропривода с асинхронными двигателями, осуществляющей минимизацию потерь мощности в асинхронном двигателе;

- разработка упрощенной эквивалентной тепловой схемы замещения для определения температуры обмотки и магнитопровода статора асинхронного двигателя;

- разработка бесконтактных методов определения средних значений температуры обмоток статора и ротора в процессе работы электропривода;

- разработка автоматических систем регулирования температуры для магистральных локомотивов с применением в качестве исполнительно-регулирующего устройства энергоэффективного электропривода вентилятора охлаждения.

Объект исследования - тяговые и вспомогательные электроприводы с асинхронными двигателями, применяемые на магистральных локомотивах.

Предмет исследования - энергетические характеристики электроприводов с асинхронными двигателями, методы и средства определения температуры теп-лонагруженных элементов электроприводов и обеспечения требуемого теплового состояния электроприводов на магистральных локомотивах.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработана система скалярного управления электропривода с асинхронным двигателем, осуществляющая минимизацию тока статора в установившихся режимах работы;

- разработан алгоритм формирования задания на токи статора асинхронного двигателя при использовании системы векторного управления, обеспечивающий минимум потерь мощности;

- разработан метод определения сопротивления и температуры обмоток статора и ротора, основанный на периодическом добавлении к напряжению статора напряжения высокой частоты и/или постоянной составляющей напряжения и предложен вариант модификации контуров тока для применения синтезированной методики в электроприводе с системой векторного управления;

- разработан метод идентификации активного сопротивления и температуры обмотки ротора асинхронного двигателя по сигналам от датчиков тока и напряжения статора и датчика частоты вращения вала ротора;

- разработаны автоматические системы регулирования температуры тяговых двигателей и преобразователей частоты с применением электропривода вентилятора охлаждения как исполнительно-регулирующего устройства.

Теоретическая и практическая значимость работы.

- разработана система скалярного управления электропривода с асинхронным двигателем, обеспечивающая уменьшение потерь мощности в установившемся режиме работы;

- разработана упрощенная эквивалентная тепловая схема замещения статора асинхронного двигателя и метод определения в лабораторных условиях значений ее тепловых сопротивлений;

- разработаны методы определения сопротивления и температуры обмоток статора и ротора с помощью датчиков тока и напряжения и периодическим добавлением к напряжению статора напряжения высокой частоты и/или постоянной составляющей напряжения;

- разработаны алгоритм формирования задания на токи статора асинхронного двигателя при использовании системы векторного управления, обеспечивающий минимум потерь мощности и система управления, осуществляющая минимизацию потерь и контроль температуры силовых полупроводниковых приборов тягового преобразователя частоты;

- разработаны автоматические системы регулирования температуры тяговых двигателей, тяговых преобразователей частоты и энергетической установки автономного локомотива с применением электропривода вентилятора охлаждения как исполнительно-регулирующего устройства, обеспечивающие расширение диапазона изменения частоты вращения вала вентилятора, а, следовательно, снижение диапазона изменения регулируемой температуры.

Методология и методы исследования.

Для решения сформулированных задач использованы современные методы научного исследования, основанные на теоретической электротехнике, теории электромеханического преобразования энергии, теории автоматического управления. Теоретические исследования проведены с использованием аналитических и численных методов решения алгебраических и дифференциальных уравнений и систем, применялось моделирование на базе компьютерных имитационных моделей. Экспериментальные исследования проведены на разработанных с участием автора лабораторных установках.

Положения, выносимые на защиту:

- структура и принцип работы энергосберегающей системы скалярного управления электропривода с асинхронным двигателем;

- алгоритм формирования задания на токи статора асинхронного двигателя при использовании системы векторного управления, обеспечивающий минимум потерь мощности;

- упрощенная эквивалентная тепловая схема замещения статора асинхронного двигателя и метод определения значений ее тепловых сопротивлений при помощи лабораторной установки

- метод идентификации активного сопротивления и температуры обмотки ротора асинхронного двигателя по сигналам от датчиков тока и напряжения статора и датчика частоты вращения вала ротора;

- метод определения сопротивления и температуры обмоток статора и ротора, основанный на периодическом добавлении к напряжению статора напряжения высокой частоты и/или постоянной составляющей напряжения и модификация контуров тока для применения синтезированной методики в электроприводе с системой векторного управления;

- автоматические системы регулирования температуры тяговых двигателей и преобразователей частоты с применением энергоэффективного электропривода вентилятора охлаждения как исполнительно-регулирующего устройства.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений при анализе электромагнитных и электромеханических процессов, применением известных математических методов; подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Апробация результатов.

Результаты работы обсуждались и получили одобрение на VI - VIII Международных (XVII - XIX Всероссийских) конференциях по автоматизированному электроприводу, Тула, 2010 г., Иваново, 2012 г., Саранск, 2014 г.; XI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», Москва, 2010 г.; пятнадцатой международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока», Екатеринбург, 2012 г.; Международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», Ульяновск, 2012 г.; IV Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2012 г.; I - VI Международных научно-технических конференциях «Локомотивы XXI век», Санкт-Петербург, 2013 - 2018 гг.; XI международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век», Орел, 2013 г., 2017 г.; международной научно-практической конференции «Эксплуатационная надежность подвижного состава», Омск, 2013 г.; I Международной научной конференции молодых ученых «Электротехника. Энергетика. Машиностроение», Новосибирск, 2014 г.; Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника», Новокузнецк, 2014 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и автоматика», Липецк, 2014 г.; VIII международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу, Саранск, 2014 г.; VII Международной научной конференции молодых ученых «Электротехника. Электротехнология. Энергетика», Новосибирск, 2015 г.; II Международной

(V Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», Уфа, 2015 г.; VIII, X, XI, XII Международных конференции «Системы безопасности на транспорте», Белград, 2015 г., Будва, 2017 г., Любляна, 2018 г., 2019 г.; IX и X Международных научно-технических конференциях «Современные проблемы машиностроения» (MEACS), Томск, 2015 г., 2016 г.; Международных научно-технических конференциях «Пром-Инжиниринг» (ICIEAM), Челябинск, 2016 г., Санкт-Петербург, 2017 г., Сочи, 2019 г.; XI Международной IEEE научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), Омск, 2016 г.; Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики», Санкт-Петербург, 2017 г.; международной научно-практической конференции «Перспективы развития локомотиво-, вагоностроения», Ростов-на-Дону, 2018 г.; Международной конференции «Электротехника, электротехнологии, электрические материалы и компоненты», Алушта, 2018г. По материалам диссертационной работы результаты докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедр «Электропоезда и локомотивы» и «Тяговый подвижной состав» ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта» в 2019 г.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении научного проекта РФФИ № 14-08-31274 (2014 -2015 гг.) и НИР по заданию Министерства образования и науки №2 8.1729.2017/ПЧ (2017 - 2019 гг.). Результаты работы внедрены и используются в ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет» на кафедрах «Промышленная электроника и электротехника» и «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» и при подготовке студентов по направлениям бакалавриата 13.03.02 и магистратуры 13.04.02 - Электроэнергетика и электротехника. Результаты работы приняты в обособленном подразделении ООО «ТМХ Инжиниринг» в г. Брянске КБ «Локомотивы» в процессы проектирования и разработки тягового и вспомогательного электроприводов линейки тепловозов 2ТЭ30А для

тяжеловесного движения. Результаты работы использованы в ООО «Центр технического развития СТМ» при проектировании тепловозов нового поколения 2ТЭ35А с асинхронными тяговыми двигателями. Результаты работы использованы в АО «Навлинский завод «Промсвязь» при производстве транспортных средств.

Публикации.

Основное содержание работы отражено в 97 публикациях, из них 30 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК, 18 статей в изданиях, включенных в международные базы цитирования (Web of Science, Scopus), 3 монографии, 3 патента на изобретение и 4 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения с основными результатами и выводами, списка литературы из 259 наименований, двух приложений и содержит 239 страниц основного текста, 81 рисунок и 22 таблицы.

Содержание диссертации соответствует заявленной цели и поставленным задачам.

В первом разделе проведен обзор электроприводов вентиляторов охлаждения, применяемых на тяговом подвижном составе и выполнен анализ существующих способов измерения температуры вращающихся частей электрических машин, который показал, что несмотря на относительно большое количество работ в области исследования теплового состояния асинхронного двигателя, это направление не утратило свое актуальности.

Второй раздел посвящен синтезу системы скалярного управления электропривода с асинхронным двигателем, обеспечивающий работу электропривода с уменьшением потерь мощности за счет минимизации тока статора. Выбрана корректная математическая модель, отражающая электромагнитные и электромеханические процессы преобразования энергии в асинхронном двиагтеле. Проведена сравнительная оценка энергетической эффективности электропривода с разработанной системой управления и с постоянством абсолютного скольжения.

Третий раздел посвящен анализу систем управления тягового электропривода и синтезу системы управления, обеспечивающей уменьшение потерь мощности с учетом действующих ограничений при работе тягового электропривода. Проведена сравнительная характеристика применения двух- и трехуровневого автономного инвертора напряжения в составе тягового преобразователя частоты в отношении реализации системы прямого управления моментом, отработки нештатных и аварийных ситуаций, выполнен расчет потерь мощности для двух типов автономных инверторов.

Четвертый раздел посвящен разработке бездатчиковых методов определения локальных и средних значений температуры обмоток тяговых асинхронных двигателей. Разработаны метод определения тепловых сопротивлений на лабораторной установке и метод определения температуры на базе идентификатора сопротивления ротора. Разработан метод определения температуры при помощи периодического добавления к напряжению статора напряжения высокой частоты и/или постоянной составляющей напряжения и предложен вариант модификации контуров тока для применения синтезированной методики в электроприводе с системой векторного управления.

Пятый раздел посвящен регулированию температуры обмоток тяговых асинхронных двигателей и силовых полупроводниковых приборов тяговых преобразователей частоты. Разработаны автоматические системы регулирования температуры, пригодные для использования на магистральных локомотивах, содержащие электропривод с преобразователем частоты и асинхронным двигателем со скалярной системой управления в качестве регулирующего устройства. Разработана система управления, осуществляющая уменьшение потерь мощности в силовых полупроводниковых приборах автономного инвертора напряжения тягового преобразователя частоты и контроль их температуры тягового электропривода, предназначенная для использования в составе системы управления тягового электропривода.

В шестом разделе проведена оценка экономической эффективности применения электропривода вентилятора охлаждения с минимизацией потерь мощности

в составе автоматической системы регулирования температуры энергетической установки по методике, разработанной во ВНИТИ.

В приложениях приведены описание изобретения к патенту RU 2541491 и акты о внедрении результатов диссертации.

1 АНАЛИЗ СТРУКТУР И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

1.1 Постановка задачи

Железнодорожный транспорт является динамично развивающимся видом транспорта в России и за рубежом, он обеспечивает с каждым годом все более возрастающие объемы грузовых и пассажирских перевозок. Уровень технического оснащения тягового подвижного состава напрямую влияет на безопасность железнодорожных перевозок и экономику этой отрасли.

Учитывая современные тенденции в развитии микропроцессорной техники, силовой электроники и электрических машин, при проектировании современного тягового подвижного состава целесообразно ориентироваться на использование электроприводов с асинхронными двигателями, которые имеют ряд преимуществ перед электроприводами с двигателями постоянного тока в связи с отсутствием щеточно-коллекторного узла, что приводит к повышению их надежности и эффективности. Вместе с этим, отсутствие отдельных каналов для управления потоком и моментом приводит к усложнению алгоритмов управления и технических средств их реализации.

Стремление максимально полно использовать перегрузочные способности двигателей и вместе с этим избежать перегрева элементов силового канала, последующих механических повреждений их конструкций, продлить срок службы требует предусматривать непрерывный контроль температуры теплонагруженных элементов во время эксплуатации электропривода. Для этих целей используются системы охлаждения и автоматические системы регулирования температуры тяговых двигателей и преобразователей, однако единого подхода в вопросах построения схем и принципов работы этих систем до сих пор не существует, поэтому проблема охлаждения тягового электропривода не утратила своей актуальности.

Локомотивы эксплуатируются в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды, для тяговых электроприводов локомотивов характерно изменение частоты вращения и момента сопротивления в большом диапазоне в зависимости от профиля пути, веса состава и т.д.; эти два фактора приводят к сложности анализа теплового состояния элементов силового канала электропривода. Несмотря на жесткие требования к массогабаритным показателям, тяговые электроприводы должны обеспечивать быстродействие регулирования момента, обладать минимально возможными потерями мощности, иметь высокие показатели надежности, быть нечувствительными к изменению параметров во всех режимах работы.

Повышенная температура силовых полупроводниковых приборов тяговых преобразователей частоты может повлечь за собой механические повреждения из-за неравномерного теплового расширения сопряженных узлов. Превышения температуры обмоток двигателя над допустимой температурой класса изоляции могут приводить к повреждениям изоляции и обмоток. Колебания температуры напрямую влияют на показатели качества управления применяемой системы управления электропривода.

Анализ исследований [2, 3, 17, 30, 34, 57, 58, 61, 66, 75, 103, 115, 118, 123, 125, 129, 132, 187, 198, 204, 228], посвященных синтезу высокодинамичных и энергоэффективных электроприводов показал, что при применении систем векторного управления и систем прямого управления моментом необходимо учитывать среднее значение температуры обмоток статора и ротора, т.к. это значение напрямую влияет на величину активных сопротивлений соответствующих обмоток. Это обусловлено тем, что в указанных системах управления электроприводов значение активного сопротивления обмоток используется при вычислении обратных связей по потокосцеплениям и моменту. При погрешности определения активного сопротивления обмотки статора более 5% показатели качества переходных процессов в системе прямого управления моментом резко ухудшаются. Большие величины погрешности приводят к значительному уменьшению запасов устойчивости.

КПД электроприводов определяется прежде всего КПД двигателей, потери мощности которых зависят не только от момента сопротивления, оказывающего непосредственное влияние на значения токов статора и ротора, но также от параметров схемы замещения двигателя, частоты вращения ротора, параметров источника электроэнергии, мощности двигателя, режимов работы, условий эксплуатации и др.

Повышение температуры обмоток двигателя приводит к соответствующему росту сопротивления обмоток, что влечет за собой увеличение потерь мощности и уменьшение КПД, происходит еще более интенсивный нагрев, что при прежнем уровне теплоотдачи (отсутствии регулирования подачи охлаждающего воздуха) приводит к дальнейшему увеличению температуры.

В работе [126] были проведены исследования изменения КПД асинхронных двигателей при применении системы скалярного управления с компенсацией падения напряжения в активных сопротивлениях обмотки статора (Ж-компенсация), в результате которых установлено, что при снижении частоты вращения ротора происходит значительное снижение КПД двигателей. Например, для двигателя АНЭ225L4УХЛ2 были получены следующие результаты: при частоте тока статора, равной 50 Гц, КПД двигателя равняется 88 %, при частоте - 25 Гц КПД равняется 53 %.

Таким образом, задачи синтеза и исследования энергоэффективных систем управления электропривода, в полной мере учитывающих значения температуры обмоток двигателей, являются актуальными для тягового подвижного состава.

1.2 Регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем вспомогательных механизмов тепловозов

Анализ приводов вентиляторов охлаждения, применяемых на тяговом подвижном составе [11, 39 - 41, 96, 109, 110, 112, 114, 122, 126, 130, 133, 153, 168, 172, 173, 174, 177], показал, что электропривод вентиляторов имеет ряд преимуществ перед другими вариантами приводов, что и определило его наибольшее

применение в современном локомотивостроении. При выборе между электроприводами переменного или постоянного тока предпочтение отдается электроприводам переменного тока, т.к. они дешевле и надежнее [10, 55, 63].

В настоящее время имеется достаточно большое количество научных разработок и практических решений в области электроприводов переменного тока [15, 19, 20, 64, 124, 130, 171, 172, 196, 200, 201], обзор которых позволяет выделить следующие типы электроприводов, пригодных для применения в системах охлаждения на локомотивах:

а) электроприводы с фазовым управлением асинхронным двигателем (в том числе с применением двигателей с массивным ротором, двухслойным ротором или двухпакетным ротором);

б) электроприводы с преобразователем частоты и скалярной системой управления асинхронным двигателем.

Применение электроприводов с фазовым управлением (рисунок 1.1, а) целесообразно на локомотивах, содержащих источник энергии переменного тока, т.к. такой вид тиристорные регуляторы напряжения, используемые в таких электроприводах, осуществляют однократное преобразование электроэнергии, изменяя действующее значение напряжения, не меняя его частоты. Основным недостатком этих электроприводов является то, что при фазовом управлении происходит уменьшение критического момента пропорционально квадрату изменения напряжения, в то время как частота вращения холостого хода и критическое скольжение остаются неизменными, следовательно, диапазон регулирования частоты вращения ограничен величиной критического скольжения. При вентиляторной нагрузке при определенных условиях статической устойчивости возможно увеличение диапазона, но это достигается за счет значительного увеличения тока статора, что приводит к повышению мощности потерь и соответствующему перегреву обмоток статора и ротора.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Пугачев Александр Анатольевич, 2020 год

Список используемой литературы

1. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977,

2. A.C. 206627 (СССР). Система автоматического регулирования температуры охлаждающей среды холодильника тепловоза. Опубликовано 08.12.1967. Бюллетень

Стр.: 6

RU 2 541 491 CI

10

25

3. A.C. 246165 (СССР). Устройство для автоматического регулирования температуры в системе охлаждения. Опубликовано 11.06.1969. Бюллетень №20.

4. Патент RU 2241837. Регулятор т емпературы энергетической установки транспортного средства / Н.М. Луков, A.C. Космодамианский, И.А. Алейников, - Опуб. 10.12.2004.

5. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Г.В. Багров, B.C. Мицкович, A.C. Космодамианский, Н.М. Луков, В.И, Воробьев, Д.В. Воробьев, В.Г. Новиков, А.Д. Хохлов, A.A. Пугачев//Патент 2351776 РФ, MnKGOlN 19/02, заявка №2007129545/06 от 01.08.2007; опубл. 10.04.2009; бюл.Ю (прототип).

Формула изобретения

1. Способ регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, осуществляемый путем анализа температуры энергетической установки и механических характеристик электропривода вентилятора, отличающийся тем, что в блок математической модели подаются сигналы обратной связи по температуре энергетической установки и сигналы задания на температуру, на основании которых формируются задания на частоту вращения вала вентилятора, которые поступают на блок выбора режима, при этом он рассчитывает необходимое значение напряжения и частоты тока, подаваемого на обмотку статора асинхронного двигателя посредством преобразователя частоты для обеспечения минимальной мощности потерь и максимального КПД.

2. Устройство для регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, содержащее источник электроэнергии переменного тока, блок математической модели, блок выбора режима, вентилятор охлаждения, датчик температуры энергетической установки, отличающееся тем, что к источнику электроэнергии подключен полупроводниковый преобразователь частоты, питающий асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, вал которого соединен с валом вентилятора охлаждения.

30

40

45

Стр. 7

RU 2 541491 Cl

со. pari e

Е

-^лу ч

ч4 \

... /

M Им

Фиг. 2

Стр.: 8

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты о внедрении результатов диссертации

«Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов»

Настоящим подтверждаем, что материалы диссертации A.A. Пугачева «Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов» получили практическое применение в ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет».

На кафедрах «Промышленная электроника и электротехника» и «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» факультета энергетики и электроники разработанные математические модели и схемы систем управления электроприводов, структуры и принцип действия автоматических систем регулирования температуры используются при изучении дисциплин «Теория электропривода», «Теория автоматического управления», «Системы управления электроприводов», «Энергосбережение средствами электропривода», а также при прохождении студентами направлений подготовки бакалавриата 13.03.02 и магистратуры 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника производственной практики (научно-исследовательская работа).

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР №06/62 «Прогнозирование динамических процессов в электромехано-тронных системах» (2012 - 2015 гг.), реализованной в рамках государственного задания Минобрнауки РФ; научного проекта РФФИ №14-08-31274 «Разработка научно-технических основ создания тягового и вспомогательного электроприводов тепловоза для повышения его тяговых качеств и энергоэффективности» (2014 - 2015 гг.); НИР по заданию Министерства образования и науки №8.1729.2017/ГТЧ «Разработка методов структурно-параметрической идентификации и автопостроения поведенческих и муль-тифизических моделей интегральных схем и разработка на их базе программно-аппаратного измерительного комплекса» (2017 - 2019 гг.).

УТВЕРЖДАЮ

проректор по научной работе ФГБОУ ВО «Брянский государственный

АКТ о внедрении

результатов диссертационной работы Пугачева Александра Анатольевича

Декан факультета энергетики и электроники

ЦЕНТР

ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ

СИНАРАТРАНСПОРТНЬ1ЕМАШИНЫ

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Пугачева Александра Анатольевича «Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов»

Результаты диссертационной работы Пугачева Александра Анатольевича «Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов» были использованы при проектировании тепловозов нового поколения 2ТЭ35А с асинхронными тяговыми двигателями в виде:

- алгоритма формирования заданий на токи в системе векторного управления асинхронными двигателями и варианта исполнения системы скалярного управления асинхронного двигателя, применение которых обеспечивает уменьшение токов двигателей при тех же реализуемых мощностях;

- методики оценки средних значений сопротивлений обмоток статора и ротора асинхронного двигателя, применение которой позволяет бесконтактно определять температуру обмоток двигателя с высокой точностью;

- структурной схемы и принципа работы автоматической системы регулирования температуры тяговых двигателей, применение которых позволяет плавно регулировать температуру обмоток.

Зам. Главного конструктора -

руководитель проекта

В.С.Говоров

Участник проекта:

9<

8ко1ксж>

620014, г. Екатеринбург, ул. Маршала Жукова, стр. 6, оф. 201 Тел.: [phone]. Факс: [phone].

[e-mail]

Ф 7.5-533

ТМХ ИНЖИНИРИНГ

локомотивы

Общество с ограниченной ответственностью «ТМХ Инжиниринг» (ООО «ТМХ Инжиниринг»)

Озерковская наб., д. 54, стр. 1, Москва, 115054 Обособленное подразделение ООО «ТМХ Ннжнннрпнг» в г. Брянск «Конструкторское бюро «Локомотивы» (КПП 325745001) 241015, Брянская область, город Брянск, улица Ульянова, д. 26 Тел. [phone]; c-mail: opjbrfeg)tmh-eng.ru; ОКПО 95556970; ОГРН 1067746621580; ИНН/КПП 7705732863/770501001

О

На № от

АКТ

о внедрении результатов докторской диссертации

Настоящим подтверждается, что результаты, отраженные в диссертационной работе Пугачева Александра Анатольевича «Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов», представленной для рассмотрения на соискание ученой степени доктора технических наук, приняты в процессе проектирования и разработки тягового и вспомогательного электроприводов линейки тепловозов 2ТЭ30А для тяжеловесного движения.

Предложенный алгоритм определения интегральных значений сопротивления и температуры обмоток статора и ротора асинхронного двигателя используется при создании системы управления тягового электропривода; предложенный алгоритм работы (система управления) энергосберегающего электропривода, реализующего поддержание минимума тока статора асинхронного двигателя, используется при разработке системы управления электропривода вентилятора.

Директор в г. Брянс

В.В. Чернышев

РОМСВЯЗЬ

НАВЛИНСКИЙ ЗАВОД

Акционерное Общество Навлинский завод

"Промсвязь"

Россия, 242130, Брянская обл., пос. Навля,

ул. Комсомольская, 1

Телефон: [phone]

Тел/факс: [phone]

E-mail: [e-mail]

WWW.promsv32.ru

р/с 40702810308130100135

в Отделении № 8605 Сбербанка России г. Брянск к/с 30101810400000000601 БИК 041501601

ИНН 3221002080 КПП 324501001

ОКПО-01132784 ОКОНХ- 14971

ОКВЭД - 29.24.9 ОГРН - 102320253641

№

от «

3D ¿jrA 2019 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Пугачева Александра Анатольевича «Энергоэффективные электроприводы с асинхронными двигателями

для магистральных локомотивов»

Настоящий акт подтверждает практическое использование алгоритма работы системы векторного управления асинхронным двигателем, методики бесконтактного определения температуры обмотки ротора асинхронного двигателя, автоматической системы регулирования температуры асинхронного двигателя.

Данные разработки используются при проектировании электроприводов и систем охлаждения, применяемых на выпускаемых железнодорожных транспортных средствах.