Повышение эффективности использования электровоза с микропроцессорной системой управления за счет оперативного уточнения тепловых параметров тягового электродвигателя и сопротивления движению поезда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Худорожко, Максим Викторович

• Худорожко, Максим Викторович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Худорожко, Максим Викторович

Введение.

1. Микропроцессорные системы управления электроподвижным составом.

1.1. Тенденции развития систем управления тяговым электроподвижным составом.

1.2. Возможность использования микропроцессорных систем для уточнения характеристик подвижного состава.

1.3. Характеристика сопротивления движению ПС.

1.4. Характеристика перегрева обмотки ТЭД.

1.5. Постановка задач исследования.

1.6. Выводы по главе

2. Разработка методики уточнения основного сопротивления движению ПС в пути следования. ^з

2.1. Существующие методы опытного определения основного сопротивления движению ПС.

2.2. Обоснование выбора метода решения задачи.

2.3. Математическая модель определения основного удельного сопротивления движению ПС.

2.4. Методика уточнения основного удельного сопротивления движению ПС.

2.5. Выводы по главе.

3. Разработка алгоритма определения перегрева обмотки ТЭД постоянного тока.

3.1. Обоснование выбора метода решения задачи.

3.2. Математическая модель определения перегрева обмотки ТЭД.

3.3. Алгоритм определения перегрева обмотки ТЭД.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Экспериментальное исследование полученных результатов на электровозе постоянного тока 2ЭС6.ол

4.1. Экспериментальное исследование методики определения основного удельного сопротивления ПС.

4.2. Экспериментальная проверка алгоритма определения перегрева ТЭД.

4.3. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности использования электровоза с микропроцессорной системой управления за счет оперативного уточнения тепловых параметров тягового электродвигателя и сопротивления движению поезда»

Современной тенденцией развития тягового подвижного состава (ТПС), направленной на повышение его эксплуатационных свойств, является широкое применение цифровых информационных систем. На вновь разрабатываемых и модернизируемых электровозах, таких как 2ЭС6, ВЛ11К, 2ЭС5К, 2ЭС4К и т.д., управление силовым и вспомогательным оборудованием осуществляет микропроцессорная система управления (МСУ). Поэтому, практически вся используемая МСУ информация, которая характеризует работу оборудования и управление им, представлена в цифровом виде и в существенно большем объеме, чем на электровозах предыдущего поколения.

Наличие высокопроизводительных вычислительных средств и возможность получения необходимой информации на борту электровоза позволяет решать на новом уровне задачи снижения энергозатрат и диагностирования электровозов, без увеличения количества аппаратных средств.

В настоящее время наблюдаются изменения условий разработки информационных систем, поскольку практически снято ограничение на объем используемой информации. Следовательно, решение задачи повышения эффективности информационных систем, должно основываться на новой методологии. Применяемые методы должны позволять оптимально обрабатывать большие объемы информации с учетом погрешностей модели процессов управления, контроля и неравноточности измерений, а также оценивать неизмеряемые параметры и процессы, в том числе динамические.

Знание действительных величин основного удельного сопротивления движению может позволить рационально использовать ТПС и пропускную способность железных дорог, правильно планировать и экономно расходовать топливо и электрическую энергию для движения поездов. Все это, в свою очередь, будет способствовать повышению эффективности ТПС, улучшению качественных показателей работы железных дорог, а также снижению себестоимости перевозок.

На новых и модернизируемых локомотивах, оборудованных МСУ, часто применяется регулирование скорости вращения мотор-вентилятора. Тяговые электродвигатели (ТЭД), используемые на большинстве отечественных магистральных локомотивах, не имеют защиты от превышения (больше допустимого значения) температуры обмоток ТЭД над температурой окружающей среды, т.е. перегрева. Некорректное регулирование количества охлаждающего воздуха может еще больше усилить негативное влияние перегрева. Соответственно, весь положительный экономический эффект от экономии электроэнергии и увеличения срока службы мотор-вентилятора может быть снижен из-за увеличения затрат на устранение повреждений, вызванных перегревом.

Основным последствием перегрева является ускоренное старение изоляции, которое, с одной стороны, не мешает функционированию тягового электропривода при движении электровоза по руководящему подъему, но с другой стороны, приводит к существенному сокращению срока службы ТЭД.

Цель и задачи исследования. Целью работы является увеличение срока службы ТЭД за счет предупреждения о его перегревах и снижение затрат электроэнергии.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи.

1. Уточнение основного удельного сопротивления движению подвижного состава (ПС) в пути следования:

• сформулирована задача оперативного уточнения фактического основного удельного сопротивления движению ПС в пути следования;

• разработана модель зависимости измеряемых и оцениваемых параметров;

• сформулирована методика и создано устройство для уточнения основного удельного сопротивления движению ПС в пути следования.

2. Определение перегрева лимитирующей по нагреву обмотки ТЭД:

• разработан и предложен алгоритм, позволяющий непрерывно рассчитывать превышение температуры лимитирующей по нагреву обмотки ТЭД при изменяющемся количестве воздуха охлаждающего ТЭД.

Методы исследования. В работе использованы алгоритмы и методы математической статистики, теории вероятностей, теории нагрева, теории фильтрации и идентификации. Для исследования основного удельного сопротивления движению ПС и перегрева лимитирующей по нагреву обмотки ТЭД применялось математическое моделирование, проводились эксперименты на электровозе 2ЭС6 при движении одиночным локомотивом и с составом. Рабочие программы разрабатывались на языке программирования Visual С++. Научная новизна работы:

• получено новое решение задачи оперативного уточнения фактического основного удельного сопротивления движению ПС исходя из текущих условий движения;

• проведено определение перегрева лимитирующей по нагреву обмотки ТЭД в процессе поездной работы при изменяющихся режимах работы локомотива и регулировании количества воздуха охлаждающего ТЭД. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена строгостью теоретического обоснования, корректностью применения математического аппарата и результатами экспериментальных исследований на участке Войновка-Свердловск-сортировочный - Войновка, Свердловской железной дороги.

Практическая ценность:

• разработано и внедрено на магистральных электровозах 2ЭС6 устройство для получения фактического основного удельного сопротивления движению в пути следования;

• использование разработанного устройства позволило реализовать более эффективные алгоритмы автоматизированного ведения (автоведения) электровозов постоянного тока;

• применение разработанного алгоритма позволило определять перегрев лимитирующей по нагреву обмотки ТЭД при изменяющейся подаче охлаждающего воздуха с целью максимального использования мощности электровоза без существенного ухудшения состояния изоляции ТЭД.

Апробация работы. Основной материал диссертации представлен в научных докладах, которые обсуждались на:

• научных конференциях молодых учёных и аспирантов ВНИИЖТ в 2006, 2007, 2008 годах, г. Щербинка;

• VII международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» 2006 год, г. Воронеж;

• научно-технических советах отделений ВНИИЖТ в 2005 - 2008 годах, г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК - 2.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников. Работа изложена на 127 страницах, в том числе 103 страницы основного текста, 35 рисунков, 11 таблиц и 6 страниц приложения.

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

Основные результаты и выводы по работе

1. В современных условиях применение бортовых микропроцессорных систем управления позволяет решать задачи повышения эффективности эксплуатации тягового подвижного состава путем непрерывного отслеживания в пути следования характеристик подвижного состава и обработки значительных объемов информации с учетом ошибок и неравноточности измерений, а также оценки косвенных параметров.

2. В работе сформулированы и решены задачи:

• получения достоверной оценки основного удельного сопротивления движению в пути следования;

• непрерывного определения перегрева лимитирующей по нагреву обмотки ТЭД при изменяющемся количестве воздуха подаваемого на охлаждение.

3. Для получения достоверной оценки основного удельного сопротивления движению подвижного состава предложено использовать фильтр байесовского типа, позволяющий получать основное удельное сопротивление движению с минимальной дисперсией. Разработана методика для уточнения основного удельного сопротивления движению подвижного состава (как одиночного локомотива, так и поезда в целом) во всем диапазоне скоростей при фактических условиях движения непосредственно во время поездки.

4. На основании предложенной автором методики разработано и реализовано устройство на базе существующей микропроцессорной системы управления электровоза 2ЭС6, осуществляющее определение основного удельного сопротивления движению подвижного состава. Устройство используется при оценке характеристик подвижного состава, в частности, для автоведения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Худорожко, Максим Викторович, 2009 год

1. A.C. 943969 (СССР). Устройство для контроля температуры электроустановки постоянного тока/ Башук И,Б. и др. Опубл. в БИ, 1982. №26.

2. Автоматизация электроподвижного состава/ А.Н. Савоськин, JI.A. Баранов, А.В .Плакс и др. Под ред. А.Н. Савоськина. М.: Транспорт, 1990.-311 с.

3. Азаренко В. А. Тягово-теплотехнические испытания модернизированного тепловоза 2ТЭ10ВК/ В.А. Азаренко // Локомотив. 1999г. №7. С. 36-38.

4. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. JL: Энергия. - 1967. - 432 с.

5. Астахов П.Н. Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава. Труды всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта.Выпуск 311. М. : Транспорт, 1966. 180 с.

6. Бреев А.Г. Оценка и анализ надежности электронной аппаратуры управления (ЭАУ) электровозов/ А.Г. Бреев, Г.Н. Цвиркунова, В.И. Шеремет, В.В. Ширяев, И.К. Юренко// Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов т.36., 1996. С. 234-240.

7. Бруснецов JI.B. Исследование нагрева изоляции тягового электродвигателя в эксплуатации/ A.B. Бруснецов, J1.C. Блудов, В.А. Сорокин // Электровозостроение, т.16. 1976 г. С. 40-46.

8. Вайнштейн Б.З. Устройства для дистанционного контроля и измерения температуры вращающихся частей электрооборудования// Обзор по межотраслевой тематике, ГОСИНТИ, 1972, №3/35, 32 с.

9. Веденисов Б. Н., Комаров А. В., Надежны С. П. Повышение скорости движения, веса составов, мощности и эффективности тяговых средств транспорта, вып. 1. б.м. : изд. АН СССР, 1950.

10. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972. - 552 с.

11. Гамаюнов И. С. Мониторинг и управление качеством эксплуатации тяговых электродвигателей подталкивающих электровозов Восточно-Сибирской железной дороги. Автореф. дис. канд. техн. наук. -Омск. : ОмГУПС, 2008. 16 с.

12. Гаусс К. Ф. Теория движения небесных тел. 1809г.

13. Головичер Я.М. Оптимальное управление тяговым подвижным составом в системах автоведения магистральных железных дорог. Автореферат дисс. на соиск. ученой степени д.т.н. М.: МГУПС, 1994. -48 с.

14. Громов В.И. Исследование возможности определения температур обмоток якорей электрических машин тепловозов по температуре обмоток дополнительных полюсов. Дисс. на соиск. ученой степени к.т.н. М.: ВНИИЖТ, 1955.-202 с.

15. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979,-302с.: ил.

16. Гурский П. А. Характеристики удельных сопротивлений движению различных локомотивов. «Вестник Всесоюзн. Научно-исследов. ин-та ж.д. транспорта» №7, 1958.

17. Гуткин JI.B. Тепловые процессы тепловозов и электровозов. М.: Трансжелдориздат, 1960. 180 с.

18. Европейские электровозы нового поколения// Железные дороги мира. 1997. №10. С. 9-40.

19. Жаров И.А. Влияние радиуса кривой и смазывания на сопротивление движению тележки при квазистатическом движении/ И.А. Жаров, М.А. Марков// Вестник ВНИИЖТ. 2002 г. №3. С. 31-35.

20. Захаров В.И. Универсальные уравнения процесса нагревания обмоток ТЭД при стационарной нагрузке/ В.И. Захаров // Вестник ВЭлНИИ. 2005 г. №2(49). С. 3-18.

21. Захарченко Д.Д., Ротанов H.A. Тяговые электрические машины. -М.: Транспорт, 1991. 343 с.

22. Знакомьтесь: тепловоз ТЭМ21// Локомотив. 2002. №6. с. 35-38.

23. Знать, где башмак подложить// Гудок. 15.01.2009.

24. Исмаилов ILI.K. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических машин электровозов постоянного и переменного тока. Омск: ОмГУПС, 2001.-76 с.

25. Колос М.В., Колос И.В. Методы линейной оптимальной фильтрации. М.: МГУ, 2000.

26. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 832 с.

27. Космодамианский A.C. Теоретические основы и разработка систем регулирования температуры тяговых электрических машин локомотивов: Автореф. дис. докт. техн. наук. М.: РГОТУПС, 2002. - 52 с.

28. Курочка A.JL, Суровиков A.A., Янов В.П. Исследование высоковольтных электрических машин постоянного и пульсирующего тока. -М.: Энергия, 1975.- 192 с.

29. Ллойд Э., Ледерман У. Справочник по прикладной статистике. Финансы и статистика. М : Финансы и статистика, 1990. т. 1,2.

30. Лопушинский В.И. Сопротивление паровозов и вагонов в движении и действие паровой машины паровоза на основании динамометрических и индикаторных опытов, произведенных в 1877—1879 гг. на Моршанско-Сызранской ж. д. "Инженер" тт. III и IV. б.м. : МПС, 1882.

31. Льюнг JI. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. под ред. Я.З.Цыпкина. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. -432 с.

32. Магистральный грузовой электровоз для железных дорог Китая// Железные дороги мира. 2002. №7. С. 36-46.

33. Магистральный электровоз ЭП1. Микропроцессорная система управления//Локомотив, 1999. №8. С. 17-19.

34. Математическая статистика / Под ред. A.M. Длина. М.: Высшая школа, 1975.-400 с.

35. Митрохин А.Н. Сопротивление движению поездов/ А.Н. Митрохин, А.Е. Чикинов// Путь и путевое хозяйство. 2008. №7. С. 17-19.

36. Многосистемный электровоз серии ALP 46// Железные дороги мира. 2003. №3. с. 29-36.

37. Мюллер К.-Д., Покровский С. В., Ш. Гай, Штер М. ЭП-10 электровоз нового поколения для Российских железных дорог// Железные дороги мира. 2003. №3. с. 22-29.

38. Находкин М.Д. Тяговые электрические двигатели постоянного тока. Основные размеры, параметры и нагревание. М.: Трансжелдориздат, 1935.

39. Некрасов O.A. Регулирование производительности вентиляторов на электровозах переменного тока//Тр. ВНИИЖТ. вып.514. - 1974. С.33-46.

40. Некрасов O.A., Рахманинов В.И. Контроль нагревания тяговых двигателей в эксплуатации // Вестник ВНИИЖТ. 1975. № 1. С. 11-16.

41. Никифорова Н.Б., Худорожко М.В., Рогожникова О.В. Анализ функциональной безопасности системы управления электровозом// Труды VII Научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века». Воронеж. 2006. т.1. С. 120-125.

42. Плакс A.B. Системы управления электрическим подвижным составом. Учебник для вузов ж.-д. транспорта. М. : Маршрут, 2005. 360 с.

43. Правила тяговых расчетов для поездной работы. -М. : Транспорт, 1985.287 с.

44. Проектирование тяговых электрических машин/ М.Д. Находкин, Г.В. Василенко, В.И. Бочаров и др. М.: Транспорт, 1976. - 624 с.

45. Протокол квалификационных испытаний тягового электродвигателя постоянного тока ЭДП810 У 1 для грузового электровоза 2ЭС4К. Харьков, 2006.

46. Пульт управления машиниста для унифицированной кабины// Локомотив. 2002. №6. С. 30-32.

47. Разработка конкурентоспособного электровоза для пассажирских и грузовых перевозок// Железные дороги мира. 2002. №11. С. 20-24.

48. Рахманинов В.И. Исследование автоматизации и эффективности применения средств экономии электрической энергии на электровозах. Автореферат дисс. на соиск. к.т.н. М.: ВНИИЖТ, 1977. - 18с.

49. Режимы работы магистральных электровозов/ O.A. Некрасов, А.Л. Лисицин, Л.А. Мугинштейн, В.И. Рахманинов; Под ред. O.A. Некрасова. -М.: Транспорт, 1983.-231 с.

50. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H. Теория электрической тяги: Учебник для вузов ж.-д. трансп. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1983 - 328 с.

51. Система УСТА для тепловоза ТЭП70: первые итоги эксплуатации// Локомотив. 2001. №10. С. 25-29.

52. Смирнов В.П. Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза: Монография.- Иркутск:Ирк. Гос. Ун-т, 2003.- 328 с.

53. Техменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. М. : Транспорт, 1988. 312 с.

54. Фаминский Г.В. Э ксплуатационная проверка макетов датчиков температуры нагрева и боксования колесных пар: отчет // ЦНИИЖТ. 1963.

55. Фигурнов Е.П., Самсонов Ю.Я. Измерение температуры вращающегося якоря электрической машины// Вопросы испытания и использования электрических машин и аппаратов: Сб. статей. РИИЖТ, 1964. вып. 45. С. 99-101.

56. Худорожко M.B. Метод оценки переменных с минимальной дисперсией/ М.В. Худорожко, И. А. Елисеев, J1.M. Жебрак. // Мир транспорта. 2009. №1. С. 28-32.

57. Худорожко М.В. Непрерывный контроль температуры якорных обмоток тяговых электродвигателей локомотива // Вестник ВНИИЖТ. 2009. №1. С. 27-29.

58. Чернохлебов В.Е. Тепловой контроль тяговых двигателей/ В.Е. Чернохлебов// Электровозостроение, т.23. 1983. С. 85-90.

59. Чивадзе З.Д. и др. Устройство для непрерывного контроля температуры вращающихся частей электрических машин.//Эл. промышленность, Эл. машины, вып.З, 1970. С.21- 22.

60. Чурков H.A. Воздушная составляющая основного сопротивления движению пассажирского подвижного состава./ H.A. Чурков, Н.Э. Чистосердова // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: Сб. науч. ст./ ПГУПС. Спб, 2001. С. 80-88.

61. Шевалин В.А. Тяговые расчеты электрических железных дорог и трамваев. КУБУЧ. Ленинград, 1931.

62. Anrews H.L. The measurement of train resistance. Journal of the Institution of the locomotive engineers, vol. 44 (part 1), 237, 1954.122