Адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования электровозов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Михальчук, Николай Львович

• Михальчук, Николай Львович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михальчук, Николай Львович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1 Математическое моделирование воздействия внешней среды на электрооборудование.

1.2 Вопросы термодинамики влажного воздуха, воздействующего на объект регулирования.

1.3. Анализ воздействия параметров окружающей среды на состояние изоляции электрооборудования.

2 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ.

2.1 Воздействие влажного воздуха на изоляционный материал электрооборудования.

2.2 Способы сохранения и восстановления изоляции электрооборудования.

2.2.1 Электрокалориферный способ сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин.

2.2.2 Токовый метод повышения сопротивления изоляции тяговых электрических машин.

2.2.3 Анализ режимов вентиляции увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин.

2.2.4 Анализ метода вентиляции увлажненной изоляции при помощи вентиляторов электровоза.

3 АНАЛИЗ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Анализ систем управления и задач адаптивного управления.

3.2 Развитие адаптивных систем управления.

3.3 Методы и задачи синтеза адаптивных систем управления.

3.4 Основные направления решений проблемы адаптации.

3.5 Адаптивные системы управления с наблюдающими устройствами идентификации.

4 РАЗРАБОТКА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 4.1 Обоснование требований к системам регулирования и разработка алгоритма управления температурным режимом.

4.2 Технические решения обеспечивающие рациональные тепловлажностные характеристики изоляции.

4.3 Технические решения по управлению вентиляцией в процессе эксплуатации электрооборудования. Современные способы и технические средства управления производительностью вентиляторов.

4.4 Анализ адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрических машин.

5 ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ.

5.1 Определение сметной стоимости оборудования системы управления температурным режимом.

5.2 Определение дополнительных эксплуатационных расходов.

5.3 Определение экономической эффективности внедрения.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования электровозов»

Актуальность работы обусловлена необходимостью снижения расходов на эксплуатацию электровозов. При этом в условиях, когда повышение надежности и долговечности в сложных электромеханических объектах исчерпываются, дальнейшее повышение их эффективности может быть достигнуто методами адаптивного управления. Для решения подобных задач необходима разработка методов управления технологическими процессами с помощью технических средств, адаптивных к условиям окружающей среды и к системам электроснабжения. Управление технологическими процессами тепловлагообмена в изоляции электрооборудования при быстро изменяющихся параметрах и внешних возмущениях является эффективным способом повышения надежности и долговечности электрооборудования. Внедрение систем управления, повышающих качество и эффективность технологических процессов, снижающих интенсивность отказов электрооборудования и увеличивающих его ресурс, является одним из важнейших направлений дальнейшего развития техники.

Анализ надежности электрооборудования технологических установок показал, что на долю силового электрооборудования приходится более одной пятой отказов. Результатами исследований установлено, что 75. 85% электрооборудования выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное изменение температуры окружающей среды и увлажнение изоляции силового электрооборудования, снижение ее диэлектрической прочности.

Рост количества повреждений изоляции происходит по мере увеличения срока эксплуатации электрооборудования. Средняя стоимость устранения отказа силового электрооборудования на электровозах составляет 148 тыс. рублей и в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов технологического оборудования. Две трети неисправностей силового электрооборудования вызваны пробоями изоляции токоведущих частей. Существующими системами управления не учитывается влияние на качество изоляции таких параметров внешней среды, как перепады температуры окружающего воздуха, влажность и барометрическое давление. В процессе эксплуатации электрооборудования технологических установок с известными системами управления из-за неравномерности нагрузки возрастает количество циклов нагрева и охлаждения изоляционного материала, что вызывает его интенсивное старение.

В связи с этим возникает необходимость разработки и внедрения адаптивной системы управления тепловлагообменом в изоляции силового электрооборудования.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов тепловлагообмена на основе разработки адаптивной системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей, повышение надежности и ресурса электрооборудования.

Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:

-выполнить анализ причин отказов электрооборудования электровозов при эксплуатации их в условиях Восточного региона Российской Федерации;

-провести анализ воздействия параметров окружающей среды на состояние изоляции электрооборудования;

-выполнить обзор методов анализа и синтеза адаптивных систем управления, обосновать структуру адаптивной системы управления температурным режимом электрооборудования;

-разработать адаптивную систему управления температурным режимом изоляции электрических машин электровоза;

-исследовать адаптивную систему управления температурным режимом изоляции электрооборудования и рассчитать ее технико-экономическую эффективность.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:

-закономерности воздействия внешней среды на изоляцию электрооборудования электровозов;

-беспоисковая адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающими устройствами идентификации параметра;

-математическая модель адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающим устройством идентификации и изменяемой структурой управления;

-методика расчета показателей качества управления адаптивной системы с наблюдающим устройством идентификации параметра.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработана адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования технологических установок, предложена методика расчета показателей качества управления системы, с наблюдающим устройством идентификации параметров.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на фундаментальных положениях теории автоматического управления; подтверждена практической реализацией и экспериментальной проверкой результатов исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, внедрены на предприятиях ВосточноСибирской железной дороги филиала ОАО «Российские железные дороги». Опытный образец адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающим устройством идентификации и изменяемой структурой управления, методика математического моделирования адаптивной системы управления внедрены в учебный процесс Иркутского государственного университета путей сообщения при подготовке инженеров по специальности 190303 «Электрический транспорт железных дорог» и повышении квалификации специалистов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях ИрГУПС 2006, 2008 г.; на научно технической конференции «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование»» Международный выставочный комплекс «СибЭкспоЦентр» (г. Иркутск 2008 г.); на региональной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Красноярск, 2005 г.); на Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании» (г. Иркутск, 2005г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 4 работы опубликовано в изданиях, определенных перечнем ВАК Российской Федерации.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Михальчук, Николай Львович

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи — разработана адаптивная система управления тепловлагообменом в изоляции электрооборудования технологических установок, обеспечивающая электромагнитную совместимость устройства с системой электроснабжения и повышающая эффективность, надежность электрооборудования технологических установок.

На основании исследований, проведенных в работе, получены следующие результаты и выводы:

1. На основании анализа надежности электрооборудования технологических установок установлено, что 75.85% электрооборудования выходит из строя по пробою изоляции в период времени года, когда происходит интенсивное изменение температуры окружающей среды и увлажнение изоляции токоведущих частей, снижение ее диэлектрической прочности.

2. Полученные аналитические выражения для кинетики процесса переноса тепла и влаги в изоляции электрооборудования позволяют учесть влагосодержание, парциальное давление охлаждающего воздуха, изменение объема изоляционного материала, а также параметры устройств защиты системы вентиляции от снега и пыли для того, чтобы снизить погрешность автоматической системы управления процессом тепловлагообмена.

3. Результатами исследований доказано, что решение задач по поддержанию высокого качества изоляции электрооборудования можно выполнять на основе адаптивных систем управления объектами с предварительно неопределенными параметрами. Благодаря адаптивному методу управления процессом тепловлагообмена становится возможным заранее учитывать закономерности изменения электрического сопротивления, увлажнения, объема и поляризации изоляционного материала электрооборудования.

4. Адаптация к системе электроснабжения разработанной беспоисковой автоматической системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей электрооборудования с наблюдающими устройствами идентификации параметров обеспечивается за счет применения в качестве исполнительного элемента - полупроводникового преобразователя входного электрического сопротивления технологических установок.

5. Установлено, что разработанный алгоритм функционирования адаптивного наблюдателя обеспечивает его асимптотическую устойчивость и способствует выполнению требований по помехоустойчивости системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования.

6. Разработанная методика анализа и синтеза адаптивной системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей электрооборудования технологических установок в среде MATLAB — Simulink на основе имитационного и структурного моделирования реальных физических процессов позволяет с минимальными погрешностями подбирать параметры элементов системы, формировать их алгоритм функционирования и наладку автоматической системы управления.

7. Экономический эффект от внедрения нового поколения адаптивных беспоисковых систем управления температурным режимом изоляции электрооборудования с идентификацией параметров обеспечивается за счет повышения надежности и долговечности электрооборудования технологических установок, снижения эксплуатационных расходов, экономии энергетических ресурсов и составляет 298 тыс. рублей в год. Срок окупаемости инвестиций составляет 1,4 года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михальчук, Николай Львович, 2010 год

1. Абрамович Г.Н., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П Турбулентное смешение газовых струй/. М.: Наука, 1974. - 272 с.

2. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы.: М.: Высш.шк., 1989.-264 с.

3. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. —Л.: Энергия, 1967.-432 с.

4. Аналитические самонастраивающиеся системы автоматического управления // Сб. науч. статей / Под ред. В. В. Солодовникова. — М.: Машиностроение, 1965. — 356 с.

5. Андреев Г.А., Воробьев А.А., Кучин В.Д. Температурная зависимость электрической прочности ионных кристаллов от температуры при электронной форме пробоя Текст. // Изв. Вузов, Физика, 1958. — №2. — С. 114-120.

6. Астраханцев Л.А. Электронные преобразователи Текст. / Рябченок Н.Л., Алексеева Т.Л., Михальчук Н.Л // Железнодорожный транспорт, 2008. -№10.-С. 78-80.

7. Баранов JI.A., Барков В.И., Широков В.Г. Применение тиристорного управления для регулирования мощности электродных водонагревателей / Комплексная механизация процессов сельскохозяйственного производства. Алма-Ата, 1986. - С. 140 - 155.

8. Баранов JI.A., Барков В.И., Широков В.Г. Управление работой электродных водонагревателей с помощью тиристоров // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана, 1985. № 5. - С. 76 - 79.

9. Баркан Я.Д., Маркушевич Н.С. Использование статистической информации о качестве напряжения в электрических сетях. — М.: Энергия, 1972. 120 с.

10. Барков А.С., Лебедев В.В., Лисицын В.П., Сонин B.C. Исследование возможности увеличения долговечности изоляции якорных обмоток тяговых двигателей Текст. Повышение надежности и совершенствование ремонта электровозов. — М.: Транспорт, 1974. — С. 53—58.

11. Басов A.M., Быков В.Г., Лаптев А.В., Файн В.Б. Электротехнология. М.: Агропромиздат, 1985. - 256 с.

12. Блудов Л.С. Методика оценки срока службы электрической изоляции в случае нестационарного температурного режима. Тр. ВЭЛНИИ, 1968. Т. 10.-С. 224-228.

13. Бочаров В.И., Василенко Г.В., Курочка А.Л. и др. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины/Под ред. В.И. Бочарова, В.П. Янова. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 464 с.

14. Бровман Я.С., Каган В.Г., Кочубиевский Ф.Д. Электроприводы с полупроводниковым управлением/ вып. 107. -М. -Л.: Энергия, 1964. 88 с.19