Регулятор скорости для электровоза ЧС2К с индивидуальными электропневматическими контакторами реостатного пуска тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Антонюк, Максим Сергеевич

• Антонюк, Максим Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Антонюк, Максим Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ работ по капитальному ремонту с продлением срока службы электровозов постоянного тока.

1.2. Анализ работ по регуляторам скорости электрического подвижного состава.

1.3. Постановка цели и задач диссертации.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА ЧС2К.

2.1. Выбор методики исследования и описание пакета Ма^аЬ.

2.2. Особенности силовой схемы и схемы управления электровоза ЧС2К.

2.3. Разработка математической модели силовой цепи электровоза.

2.4. Результаты тестовых расчетов математической модели силовой цепи электровоза ЧС2К.

2.5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИЛОВОЙ СХЕМЕ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС2К.

3.1. Анализ результатов расчета электромагнитных процессов в силовой схеме электровоза ЧС2К и сравнение их с результатами испытаний.

3.2. Исследование процессов нагрева пусковых реостатов.

3.3. Исследование влияния разброса времен включения и выключения контакторов на электромагнитные процессы в цепи тяговых двигателей.

3.4. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ЧС2К.

4Л. Разработка функциональной схемы.

4.2. Выбор структуры регулятора скорости.

4.3. Исследование результатов работы регулятора скорости электровоза с существующей и предлагаемой схемами компоновки пускового реостата.

4.4. Исследование результатов работы регулятора скорости электровоза с предлагаемой схемой компоновки пускового реостата на различных соединениях тяговых электродвигателей.

4.5. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Регулятор скорости для электровоза ЧС2К с индивидуальными электропневматическими контакторами реостатного пуска»

Железные дороги являются одними из основных транспортных артерий нашей страны, ими выполняется более половины общего грузооборота и треть пассажирских перевозок в стране [1,2, 3]. Однако, крайне недостаточные объемы поставок локомотивов, вагонов и другой новой техники, низкие качественные и экономические показатели еще используемого, но не выработавшего свой ресурс оборудования вызывают серьезные затруднения в нормальном функционировании железнодорожного транспорта. В условиях дефицита финансовых средств Российское Агентство Железнодорожного Транспорта разработало и осуществляет специальную программу повышения эффективности работы железнодорожного транспорта, одной из главных мер которой является снижение эксплуатационных расходов железных дорог, оснащение их более мощными и надежными локомотивами.

Особенно остро стоит вопрос с пассажирскими электровозами постоянного тока, которые в России не строятся вообще. На сегодняшний день инвентарный парк таких электровозов состоит из электровозов серии ЧС2. На железных дорогах России их парк составляет 613 единиц со средним возрастом эксплуатации 28 лет. Исходя из установленного нормативного срока службы электровоза 30 лет, к 2004 году выработают его все электровозы серии ЧС2. Все это свидетельствует о том, что без принятия в ближайшие годы радикальных мер по восстановлению эксплуатационных свойств пассажирских электровозов постоянного тока при отсутствии поставок новых электровозов могут возникнуть серьёзные проблемы по обеспечению пассажирских перевозок.

Наиболее экономичным способом решения проблемы переоснащения парка электровозов является программа производства нового вида ремонта -КРП. После проведения капитально-восстановительного ремонта с продлением срока службы магистральных пассажирских электровозов серии ЧС2 должно быть обеспечено: продление срока службы на 20 лет; эксплуатация со скоростями движения до 160 км/ч; восстановление прочностных свойств кузова и тележек; снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения трудоемкости технического обслуживания и ремонта, повышение эксплуатационной надежности; замена импортных комплектующих и усовершенствование узлов электровоза; максимальное обновление деталей и оборудования. В частности в ходе проведения работ в силовую схему электровоза ЧС2 были внесены существенные изменения, а именно применение в схеме переключения тяговых двигателей электропневматических контакторов и разделительных диодов, также полностью был переукомплектован пусковой реостат.

Наряду со сменой электрического и механического оборудования при КРП устанавливают микропроцессорную систему управления (МПСУ) с новыми алгоритмами и программами управления. В этих системах применяют элементы высокой степени интеграции. Поэтому в состав МПСУ входит небольшое число элементов, благодаря чему снижается не только потребляемая мощность всей системы, но и повышается уровень надежности, что приводит к уменьшению затрат на обслуживание и ремонты. МПСУ электровоза выполняет автоматическое управление электроприводом и электрическими аппаратами в режиме тяги, предусматривает защиту по боксованию, повышенному или пониженному напряжению, перегрузке тяговых двигателей. При этом система автоведения, входящая в состав МПСУ, осуществляет пуск и разгон поезда с учетом экономии электроэнергии, что нередко приводит к длительному движению на реостатных позициях, что недопустимо. Поэтому разработка новой системы автоматического регулирования скорости является актуальной задачей.

В данной работе предлагается дополнить существующую систему автоведения регулятором скорости, который взял бы на себя все функции, связанные с набором позиций, а система автоведения управляла бы регулятором, задавая интервал скоростей движения (максимальную и минимальную) по участку пути в соответствии с расписанием, профилем пути и рациональным энергопотреблением.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы автоматического регулирования скорости электровоза постоянного тока с индивидуальными электропневматическими реостатными контакторами, с учетом особенностей ступенчатого пуска, а также требований к изменению ускорения движения в переходных режимах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе использовался метод имитационного моделирования электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К с помощью программного пакета Ма^аЬ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

- разработана математическая модель электровоза постоянного тока ЧС2К, учитывающая процессы, протекающие в силовой части электровоза и позволяющая имитировать выведение пусковых сопротивлений и переключение ходовых позиций;

- выполнена проверка адекватности модели и существующего локомотива на основе реальных данных, полученных при испытаниях электровоза ЧС2К;

- на основе сравнительного теплового расчета установлено, что предлагаемый новый вариант компоновки пускового реостата обеспечивает большую равномерность температур нагревания элементов секций по сравнению с существующим вариантом и снижение максимальной температуры нагрева;

- разработана модель силовой схемы с учетом разброса времен срабатывания электропневматических контакторов, выполнено статистическое моделирование этого параметра, определены характеристики случайных величин токов и напряжений и их длительностей;

- разработана новая структура регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением, обеспечивающая необходимую последовательность действий при переключениях реостатов и ходовых позиций для поддержания заданного интервала скорости движения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Проведенные исследования позволили:

- разработать программный комплекс для расчета переходных электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока ЧС2К;

- установить, что разброс температур нагрева секций нового пускового реостата снижается, и уменьшаются максимальные температуры нагрева по сравнению с существующим пусковым реостатом;

- установить допустимый диапазон разброса времен срабатывания электропневматических контакторов;

- разработать структуру и выбрать параметры регулятора скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением.

ПУБЛИКАЦИИ

По результатам исследований опубликованы четыре печатные работы.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 60 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 188 страниц, в том числе 112 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 6 страниц списка литературы, 63 страниц приложений.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Антонюк, Максим Сергеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Разработанная модель силовой цепи электровоза ЧС2К отражает основные особенности релейно-контакторных систем управления, реализуемых на электровозах постоянного тока.

2. Вид расчетных кривых электромагнитных процессов соответствует экспериментальным данным, что свидетельствует об адекватности разработанной модели.

3. Результаты сравнительных расчетов по нагреву секций пускового реостата, выполненных для существующей и предлагаемой схем компоновок, свидетельствуют о целесообразности применения предлагаемой схемы компоновки на электровозе ЧС2К.

4. Результаты расчетов по влиянию разброса времен включения электропневматических контакторов показывают, что при диапазоне такого разброса от 0,050 до 0,150 с, значительно уменьшаются импульсы тока и их длительности практически на всех соединениях тяговых электродвигателей, что повышает работоспособность этих контакторов.

5. Регулятор скорости для электровоза с релейно-контакторным управлением целесообразно реализовать программно в виде пяти логических элементов, обеспечивающих набор позиций на всех соединениях тяговых электродвигателей, переход с одного соединения на другое, и вывод ступеней ослабления возбуждения на ходовых позициях.

6. При сравнительных расчетах трогания и разгона электровоза ЧС2К с регулятором скорости применительно к двум вариантам компоновки пускового реостата выявлены преимущества предлагаемой схемы компоновки: реализация более высоких величин пускового тока, силы тяги и ускорения; снижение величины производной от ускорения, т. е. осуществление более плавного пуска; снижение времени на разгон поезда до максимальной заданной величины.

7. В результате работы предложена новая структура системы автоматического управления электровозом ЧС2К, содержащая автоматический регулятор скорости, выполняющий вывод пусковых сопротивлений и переход на ходовые позиции для реализации заданного диапазона скорости движения, поступающего от системы автоведения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Антонюк, Максим Сергеевич, 2007 год

1. Архангельский Ю. Н. Локомотивостроение в новых условиях хозяйственной деятельности предприятий России//Междунар. конф. «Состояние и перспективы развития локомотивостроения», Новочеркасск, 7-9 июня 1994 г.: с. 1-2.

2. Титов В. В. Перспективы развития железных дорог Российской Федерации. Анализ эксплуатации и основные требования к электроподвижному составу .//Сб. науч. Тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и тех-нол. ин-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 8-15.

3. Щербаков В. Г. Разработка новых электровозов и электропоез-дов.//Сб. науч. Тр. Всес. н.-и. проектн.-конструкт. и технол. ин-та электровозостроения. 1995, № 35, с. 3-8.

4. Брексон В. В. «Электровозы ЧС2: новая жизнь в новом веке». Журнал «Локомотив», октябрь 2001 г., № 10 (538), с. 39-41.

5. Электровозы ЧС2 возрождаются «из пепла». Журнал «Локомотив», февраль 2002 г., № 2 (542).6. «Экспериментальные электровозы из Челябинска». Журнал «Локомотив», март 2002 г., № 3 (543), с. 30-32.

6. Никифоров Б. Д., Головин В. И., Кутыев Ю. Г. Автоматизация управления торможением поездов. М.: Транспорт, 1985,263 с.

7. Микропроцессорные системы автоведения подвижного состава. Л. А. Баранов, Я. М. Головичер, Е. В. Ефремов, В. М. Максимов. Под ред. Л. А. Баранова. М.: Транспорт, 1990, 272 с.

8. Автоматизация электроподвижного состава: Учебник для вузов ж.-д. трансп./ А. Н. Савоськин, Л. А. Баранов, В. П. Феоктистов; Под ред. А. Н. Савоськина. М.: Транспорт, 1990. 311с.

9. Коваль П. Е. Система автоматического регулирования скорости движения грузового электровоза.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МНИТ, 1989, 165 с.

10. The electronic railroad emerges. Progressive RailRoading, 1989, May, p.23-30.

11. C3 comes to the railroads. Progressive RailRoading, 1989, September, p.43-48.

12. Detmold P. ATCS Moves railroads toward a total train management system. Modern Railroads, 1988, January, p 34-36.

13. Locomotive 2000 of the Swiss Federal Railways. Special edition out of SCHWEIZER EISENBAHN-REVUE. ABB Transportation Systems Ltd? Zurich? Switzerland. 1991, 48 p.

14. Renfe receives first AVE locos. Railway Gazette International, August 1991, p.p. 523-525.

15. Электровозы для железных дорог Австрии. // Железные дороги мира. 1998.

16. Лосев В. В. Автоматическое микропроцессорное управление пневматическими тормозами грузового поезда. М.: МНИТ, 1996,210 с.

17. Микропроцессорная локомотивная аппаратура систем автоматического управления торможением поездов САУТ-МП. Техническое описание. ВР1.320.001. ТО/ВНИИЖТ, Уральское отделение, 1993.

18. Иноземцев В. Г., Казаринов В. М., Ясенцев В. Ф. Автоматические тормоза. М.: Транспорт, 1981. - 464 с.

19. Баташов С. И. Алгоритмы управления движением грузового поезда с учетом ограничений на продольные динамические силы.: Диссертация на соискание уч. степени канд. техн. наук. М.: 1990, 140 с.

20. Электровоз BJ185: Руководство по эксплуатации // Б. А. Тушканов, Н. Г. Пушкарев, JT. А. Позднякова и др. М.: Транспорт, 1992, 480 с.

21. Особенности конструкции и управления электровоза ВЛ65. Кравчук В.В., Поддавашкин A.C., Кулинич 10.М., Дениско II.П., Бинецкий Ю.Н., 1997.-133 с.

22. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Крамсков С. А. Опыт применения микропроцессорных систем управления на электровозе BJ185// Сб. науч. тр. Всерос. н.-и. и проект, -констр. ин-т электровозостр., Новочеркасск, 1989, Т.ЗО, с. 148,154.

23. Герасенко В. И., Ефимов Л. А., Автоматический регулятор скорости для электропоезда ЭР-200 // Автоматика, телемеханика, связь. -1981.-с. 34-35.

24. Гуткин JI.B., Дымант Ю.Н., Иванов И.А. Электропоезд ЭР200. М.: Транспорт. 1981, 192 с.

25. Пудовиков O.E. Система автоматического регулирования скорости движения перспективного электропоезда. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 2000,134 с.

26. Устройство для автоматического регулирования скорости тягового подвижного состава. Патент РФ №2202481 от 20.04.2003. Опубл. БИ №11 2003 г. А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков.

27. Matlab. Language of Technical Computing. Version 6. The Math Works. 2002.

28. Ануфриев И. E. Самоучитель MATLAB 5.3/б.х. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 736 е.: ил.

29. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 е., ил.

30. Медведев В. С., Потемкин В. Г. Control System Toolbox, MatLab 5 для студентов. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999.287 е.: ил.

31. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MatLab. СПБ.: Питер, 2000.429 е.: ил.

32. Потемкин В. Г. Инструментальные средства MatLab 5.x. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.332 е.: ил.

33. Simulink 4. Секреты мастерства / Дж. Б. Дебни, Т. Л. Харман; Пер. с англ. М. Л. Симонова М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. - 403 с.:ил.

34. Simulink. Model-Based and System-Based Design. Version 5. The MathWorks. 2003.

35. SimPowerSystem. User's guide. Version 5. The MathWorks. 2003.38. «Модернизация электровоза ЧС2 с изменением схемы»: руководство по эксплуатации; 2003 г., Департамент локомотивного хозяйства, ПКБ ЦТ.

36. Пассажирский электровоз ЧС2. В. А. Раков. Изд-во «Транспорт», 1967. Стр. 1-320.

37. Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, H.H. Сидоров М.: Транспорт, 1983, 328 с.

38. Деев В. В., Ильин Г. А., Афонин Г. С. Тяга поездов: Учебное пособие для вузов / Под. ред. В. В. Деева. М.: Транспорт, 1987, 264 с.

39. Правила тяговых расчётов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. -287 с.

40. Калинин В. К. Электровозы и электропоезда. М.: Транспорт 1991. -480 с.

41. Проектирование тяговых электрических машин. Находкин М. Д., Василенко Г. В., бочаров В. И., Козорезов М. А. Под ред. М. Д. Наход-кина. Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. 2-е изд., гтерераб. и доп. - М.: Транспорт, 1976 - 624 с.

42. Курбасов А. С., Седов В. И., Сорин Л. Н. Проектирование тяговых электродвигателей: Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. А. С. Курбасова М.: Транспорт, 1987 - 536 с.

43. Алексеев А. С. Исследование влияния нелинейности кривой намагничивания тягового электродвигателя на переходные процессы в силовой цепи электровоза. Труды МИИТ, вып. 912 М.: МИИТ, 1997.- 104 с.

44. Корзина Инна Валерьевна. Имитационная модель электровоза для отладки микропроцессорных систем управления. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 2006, 174 с.

45. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам / Под общ. ред. А. И. Тищенко. Т. II. М., Транспорт, 1976, -376 е.; 446 ил., 174 табл.

46. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. П. Сидоров М.: Транспорт, 1983, 328 с.

47. Подвижной состав электрифицированных железных дорог / Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахтман М.: Транспорт, 1980. 470 с.

48. Проектирование систем управления электроподвижным составом / Н. А. Ротанов, Д. Д. Захарченко, А. В. Плакс, В. И. Некрасов, 10. М. Иньков; Под ред. Н. А. Ротанова. М.: Транспорт, 1986. - 327 е.; 178 ил., 22 табл.

49. Тяговые электрические машины и трансформаторы: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Ротанов, Е. В. Горчаков; Под ред. Д. Д. Захарченко. М.: Транспорт, 1979. - 303 е., ил., табл. -Библиогр.: с. 295.

50. Фаронов В. В. Турбо Паскаль 7.0. начальный курс. Учебное пособие. -М.: «Нолидж», 1997.-616 е., ил.

51. Савоськин А. H. Прогнозирование показателей надежности рам тележек электроподвижного состава. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. 1972, 395 с.

52. Таблицы для анализа и контроля надежности». Я. Б. Шор, В. И. Кузьмин. М.: Изд-во «Советское Радио», 1968. -288 с.

53. Электроподвижной состав. Эксплуатация, надежность и ремонт: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. Т. Головатый, И. П. Исаев, П. И. Борцов и др.; под ред. А. Т. Головатого и П. И. Борцова. М.: Транспорт, 1983 - 350 с.

54. Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог. А. Н. Савоськин, Г. П. Бурчак, А. П. Матвеевичев и др.; Под общей ред. А. Н. Савоськина. М.: Машиностроение, 1990. - 298 с.

55. Пудовиков О. Е. Выбор структуры САР скорости электровоза.//Сб. науч. тр. МИИТ. Москва. 1997. Вып. 912. с. 89-92.

56. Пудовиков О. Е. Система автоматического управления скоростью движения электроподвижного состава/Тезисы доклада на научно-практической конференции «Неделя науки 99 ». Москва. 1999. с. IV-19.