Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Тугарев Алексей Святославович. Исследование динамики многорежимных систем тяговых электроприводов постоянного тока с широтно-импульсным управлением : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.06 : Орел, 2005 145 c. РГБ ОД, 61:05-5/1136

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

м Основные обозначения и сокращения 6

ВВЕДЕНИЕ 7

1 ПРОБЛЕМЫ ДИНАМИКИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 14
ПОСТОЯННОГО ТОКА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

  1. Особенности тягового электропривода 14

  2. Тенденции развития тягового электропривода постоянного тока 22

  3. Бифуркационные явления в динамике электропривода постоян- 30 ного тока с импульсным управлением

  4. Требования к системам управления ТЭП постоянного тока 35 Результаты главы 1 38 Выводы по главе 1 39

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТО- 40

ЯННОГО ТОКА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

-*

2.1 Принципы формирования математических моделей импульсного 40 электропривода постоянного тока

  1. Особенности математического описания импульсных систем 40 преобразования энергии

  2. Математические модели энергетической подсистемы электро- 43 привода постоянного тока с импульсным управлением

  1. Математические модели двигателей постоянного тока 43

  2. Математические модели ключевых элементов 47 4 импульсных преобразователей постоянного тока

  3. Математические модели LC фильтров 50

2.1.2.4 Математические модели.контактной сети постоянного тока 51

2.1.2 Математические модели информационной подсистемы элек- 54 тропривода постоянного тока с импульсным управлением

  1. Математические модели ШИМ 1 и2рода 54

  2. Математические модели корректирующих устройств регуля- 57 торов тока

  3. Математические модели корректирующих устройств регуля- 59 тора напряжения

  1. Математическая модель взаимодействия ТЭП постоянного тока 61 на участке контактной сети

  2. Методы исследования математических моделей ТЭП 67 постоянного тока с импульсным управлением

  1. Метод точечных отображений и бифуркационный анализ 67

  2. Численные методы интегрирования систем ОДУ 70

  3. Переходные процессы и начальные условия 73

  4. Методы идентификации динамических процессов 74 Результаты главы 2: 76 Выводы по главе 2: 77

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 78

ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

  1. Выбор пространства оптимизируемых параметров и критериев 78 качества для регулятора тока двигателя

  2. Сравнительный анализ динамики тягового электропривода по- 81 стоянного тока в различных режимах

«

3.2.1 Определение положения бифуркационных границ Awt(0

*.*

  1. Определение положения бифуркационных границ kmi„(f) 84

  2. Квазипериодические колебания в динамике электропривода 87 постоянного тока

3.3 Исследование рекуперативно-реостатного торможения и взаимо- 91
действия тяговых электроприводов через контактную сеть

  1. Общие подходы к исследованию взаимодействия тяговых элек- 91 троприводов через контактную сеть

  2. Механизм передачи недетерминированной динамики через кон- 92 тактную сеть

  3. Оптимизация параметров регулятора напряжения 94

3.4 Методика параметрической оптимизации тягового электроприво- 99
да постоянного тока с ШИМ

Результаты главы 3 101

Выводы по главе 3 102

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МО- 103
ДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА С
ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

  1. Экспериментальный стенд для исследования адекватности моде- 103 лирования динамики электропривода постоянного тока

  2. Экспериментальные зависимости и характеристики 108

  3. Математическое моделирование электропривода стенда 112

  4. Оценка адекватности моделирования 114

  5. Исследование динамики торможения электропривода постоянно- 117 го тока на стационарном экспериментальном стенде

Результаты главы 4: 119

Выводы по главе 4: 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 123

СПИСОК РАБОТ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 135

Приложение А Экспериментальный стенд. Схемы электрические 136

принципиальные.

Приложение В Экспериментальный стенд. Внешний вид. 143

Приложение В Экспериментальная оценка точности установки іде

коэффициента усиления П-звена

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ АТЭП ПТ - автоматизированный тяговый электропривод постоянного тока; ГЭТ - городской электрический транспорт; ДН - датчик напряжения; ДПТ - двигатель постоянного тока; ДТ - датчик тока;

ЕПС - единица подвижного состава; ИПП - импульсный преобразователь в режиме пуска; ИПТ - импульсный преобразователь в режиме торможения; ИСПЭ - импульсные системы преобразования энергии; ИСУ - импульсная система управления; ИУЧ - информационно управляющая часть; ИЭППТ - импульсный электропривод постоянного тока; КБД - квазибифуркационная диаграмма; КПД - коэффициент полезного действия; КУ - корректирующее устройство; ОСД - область синхронной динамики; ПИ - пропорционально-интегральный; ППН - понижающий преобразователь напряжения; РН - регулятор напряжения; РРТ - реостатно-рекуперативное торможение; РТ - регулятор тока; ТЭП - тяговый электропривод;

УИТВГ - управляемый источник тока возбуждения генератора; ЧИМ -широтно-импульсная модуляция; ШИМ - широтно-импульсная модуляция; ЭДС - электродвижущая сила; ЭМС - электромагнитная совместимость; ЭП - электропривод

Введение к работе:

Актуальность темы

С самого начала промышленного производства электрической энергии (с 70-х годов XIX века) и по сей день одним из основных её потребителей является электропривод, осуществляющий технологический процесс преобразования электрической энергии в механическую. В настоящее время на долю электропривода приходится около 65 % потребления всей производимой электроэнергии [46, 58, 91]. Сфера применения электропривода весьма обширна и включает в себя оборудование практически всех отраслей промышленности, строительства, коммунального хозяйства, а также электрический транспорт, на долю которого приходится около 5% общего потребления электрической энергии [100]. Таким образом, снижение потерь электрической энергии на электротранспорте является одной из важнейших составляющих глобальной стратегии энергосбережения.

Энергосбережение в системах электропривода обеспечивается главным образом за счёт внедрения систем импульсного управления и оптимизации алгоритмов их работы. Развитие теории управления электромеханическими системами преобразования энергии, существенные достижения в области силовой электроники и появление в конце XX века быстродействующих силовых полупроводниковых приборов с достаточно простой системой управления (в первую очередь - IGBT) позволяют создавать высококачественные преобразователи электроэнергии для электрических машин различных типов и диапазонов мощности.

Несмотря на то, что при современном уровне развития преобразовательной техники для движения электрического транспорта могут быть использованы различные виды электропривода, в системах электрической тяги остаётся значительной доля электропривода постоянного тока, несмотря на его вытеснение из других отраслей промышленности [46].

Системы автоматизированного тягового электропривода постоянного тока (АТЭП ПТ), как правило, используют двигатели с последовательным возбуждением и системы управления с широтно-импульсным регулированием тока. Комплекты преобразовательного оборудования для тягового электропривода выпускаются как предприятиями, специализирующимися на силовой электронике (Siemens, ABB, ОАО «Завод Радиоприбор» и т.д.), так и самими производителями транспортных средств [114, 115, 139] Постоянно идёт совершенствование и модернизация существующих систем электропривода и внедрение новых регуляторов и алгоритмов управления, возрастают требования к надёжности, экономичности, статическим и динамическим характеристикам электроприводов.

С точки зрения теории регулирования ТЭП постоянного тока с импульсным управлением представляют собой сложные нелинейные многорежимные системы, в которых могут возникать субгармонические, квазипериодические, хаотические движения, следствием которых является;

- существенное ухудшение качества преобразуемой энергии;

- нарушение электромагнитной совместимости, в частности, между
единицами подвижного состава (ЕПС), находящимися на одном участке кон
тактной сети;

- снижение КПД электромеханического преобразования энергии.

С точки зрения теории регулирования ТЭП постоянного тока с импульсным управлением представляют собой сложные нелинейные многорежимные системы, в которых могут возникать субгармонические, квазипериодические, хаотические движения, следствием которых являются снижение КПД электромеханического преобразования энергии и нарушение ЭМС на участке контактной сети. Важнейшим требованием к системам управления автоматизированных тяговых электроприводов постоянного тока (АТЭП ПТ) является обеспечение во всех штатных режимах синхронной динамики, при которой частота колебаний в системе равна частоте синхронизации. Если ис-

ключить из рассмотрения выбег и останов, при которых импульсный преобразователь не задействован, то можно выделить четыре основных режима: пуск, реостатное, рекуперативное и реостатно-рекуперативное торможение. Кроме того, для каждого из этих режимов на высоких скоростях, как правило, предусмотрены субрежимы, отличающиеся от основных ослаблением магнитного поля тяговых двигателей.

Проблема синтеза регуляторов многорежимных систем, имеющих различные области синхронной динамики (ОСД) в различных режимах, может решаться двумя путями: либо гибкая перенастройка параметров управления, либо такой их выбор, при котором во всех режимах и при любых возможных внешних воздействиях будет гарантирована синхронная динамика и приемлемые (близкие к оптимальным) статические, динамические и энергетические характеристики. Такой выбор не может быть произведён в рамках традиционного подхода к проектированию регуляторов, основанного на использовании теории линейных систем и не способного учесть возможность возникновения сложных типов движений, но возможен при использовании бифуркационного анализа, позволяющего выявлять в пространстве параметров моделируемой системы границы областей существования различных типов движений, в первую очередь - синхронной динамики. При этом особую важность имеет требование адекватности моделирования исследуемой системы.

Исследования систем силовой электроники, учитывающие возможность субгармонической, квазипериодической и хаотической динамики ведутся на протяжении последних 20 лет (ММ Кипнис, Г.А. Белов, Г.П. Охот-кин, Н.И. Щуров, B.C. Баушев, Ю.В. Колоколов, С.Л. Косчинский, Ж.Т. Жу-субалиев, J. Dearie, М. di Bernardo, J.H. Chen, K.T Chau и др.). Важность проблем исследования динамики многорежимных систем большой размерности во всех возможных режимах и взаимовлияния АТЭП ПТ через контактную сеть неоднократно отмечалась, однако подходы к их решению только намечены.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса электромеханического преобразования энергии в системах АТЭП ПТ с широтно-импульсным управлением на основе формирования методики выбора параметров регуляторов с учётом бифуркационных явлений в динамике этих систем, многорежимности и взаимовлияния через контактную сеть.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

  1. разработка математических моделей АТЭП ПТ, учитывающих многорежимный характер его функционирования, а также возможность взаимодействия электроприводов через контактную сеть;

  2. исследование динамики автономных (не учитывающих взаимодействие через контактную сеть) моделей АТЭП ПТ с целью выявления областей синхронной динамики в пространстве параметров контура регулирования тока;

  3. математическое моделирование процессов взаимодействия АТЭП ПТ через контактную сеть постоянного тока и выявление параметров контура регулирования напряжения, обеспечивающих синхронную динамику в обеих взаимодействующих системах;

  4. формирование комплекса требований к системе управления и силовым цепям АТЭП ПТ исходя из наилучшего качества регулирования и минимизации потерь электрической энергии;

  5. экспериментальная проверка адекватности сформированных математических моделей;

Методы и средства исследования. Для решения указанных задач в работе использованы методы теории нелинейных динамических систем, теории чувствительности и теории автоматического управления, численные методы решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, итерационные методы решения нелинейных уравнений. Численная реализация ма-

тематических моделей осуществлялась на ЭВМ с помощью разработанного пакета прикладных программ. Экспериментальная часть работы выполнена на экспериментальном стенде, включающем систему «двигатель - генератор» постоянного тока, импульсный преобразователь с программно-аппаратным управлением, систему сбора данных и контрольно-измерительное оборудование.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Математические модели АТЭП ПТ с широтно-импульсной модуля
цией (ШИМ) управляющего сигнала, адекватно описывающие штатные ре
жимы функционирования, в том числе взаимодействие двух электроприводов
через контактную сеть.

2 Результаты моделирования исследования нелинейной динамики
АТЭП ПТ в режимах пуска и торможения, показывающие существенное раз
личие областей синхронной динамики в этих режимах

  1. Механизм взаимовлияния АТЭП ПТ через контактную сеть.

  2. Методика выбора параметров регуляторов тока и напряжения АТЭП ПТ с широтно-импульсным управлением с учётом многорежимности и взаимодействия через контактную сеть.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

предложена математическая модель АТЭП ПТ, позволяющая исследовать все возможные штатные режимы работы, в том числе взаимодействие двух АТЭП ПТ через контактную сеть;

установлено, что границы областей синхронной динамики в пространстве параметров системы управления АТЭП ПТ для пуска и торможения существенно (качественно и количественно) различаются; описан механизм взаимовлияния АТЭП ПТ через контактную сеть постоянного тока;

предложена методика выбора параметров регуляторов тока и напряжения АТЭП ПТ с ШИМ управляющего сигнала, учитывающая многоре-

жимный и нелинейный характер системы и заключающаяся в последовательной оптимизации контуров регулирования тока и напряжения.

Практическая значимость работы состоит в сформированном подходе к исследованию систем электропривода постоянного тока, в частности, тягового, позволяющего повысить эффективность его работы, включающего методику выбора параметров регуляторов тока и напряжения тяговых электроприводов постоянного тока с широтно-импульсным управлением.

Результаты диссертационной работы и экспериментальная установка использовались:

при формировании методологии проектирования импульсных систем электропривода для электрического транспорта на ЗАО «Электротекс» (г. Орёл);

в учебном процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Основы автоматики и системы автоматического управления» и «Динамика электро приводных систем» на кафедре «Проектирование, технология электронных и вычислительных систем» ОрёлГТУ.

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы обсуждались: на научно-технической конференции молодых учёных, проходившей в рамках 7-й Балтийской международной олимпиады по автоматическому управлению (СПб, СПбГИТМО, 1999), на международной школе-семинаре «Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте» (Алушта, 1999); на научно-технических конференциях «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2004), «Энергосбережение - XXI век» и «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» (Орёл, 2004), а также на научных семинарах кафедры ПТЭиВС (ОрёлГТУ).

Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 9 статей в научных журналах и сборниках.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников, включающего 164 наименований, и трёх приложений. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков и 14 таблиц.

Подобные работы
Шафрайчук Алексей Александрович
Повышение эффективности прогнозирования динамических режимов в автоматизированном электроприводе постоянного тока с импульсным управлением
Алтынников Иван Владимирович
Алгоритмизация и исследования процесса прогнозирования аномальной динамики импульсных систем преобразования энергии
Малов Андрей Викторович
Разработка и применение методики модального синтеза цифровых систем управления динамическими объектами с электроприводами постоянного тока
Нгуен Куанг Хынг
Управление двигателем постоянного тока на скользящих режимах
Мозгов Сергей Сергеевич
Управление организацией вычислений в автоматизированных системах научных исследований
Калита Петр Яковлевич
Исследование и разработка автоматизированной технологии многоуровневого анализа информации и формирования решений в управлении производством и качеством продукции
Иванова Елена Николаевна
Анализ и выявление закономерностей хаотической динамики системы управления преобразователем энергии
Шуплецов Антон Валерьевич
Динамика многоканальных систем импульсного преобразования энергии в автоматизированных системах аналитического контроля
Моновская Анна Владимировна
Прогнозирование опасных ситуаций в динамике импульсных систем преобразования энергии в режиме реального времени
Жусубалиев Жаныбай Турсунбаевич
Теоретические и алгоритмические основы хаотической динамики релейных и широтно-импульсных систем автоматического управления

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net