Розроблено методику оптимізації теплових режимів і параметрів системи охолодження асинхронних тягових двигунів трамваїв. Оптимізовано режими роботи за критерієм ефективності. Режими руху за встановленим графіком і профілем на ділянці колії оптимізовано за критерієм витрат енергії за допомогою методу Гамільтона - Якобі - Беллмана. Оптимізовано параметри вентилятора тягових двигунів за критерієм ефективності системи охолодження за допомогою методу Вейля.

Оптимізовано режими роботи тягового асинхронного приводу тепловоза за критерієм ефективності. Ідентифіковано оптимальні режими керування автономного інвертору напруги за різних температур обмоток тягових двигунів. Проаналізовано оптимальні режими роботи тягового приводу тепловоза та трамваю, що надало можливість встановити відмінності розташування точки переходу з просторово-векторної до однократної ШІМ від температури двигуна.

Ідентифіковано параметри вентильно-індукторного двигуна та створено його імітаційну модель. Синтезовано модальний регулятор швидкості та регулятор на базі нечіткої логіки. Проаналізовано роботу двох типів регуляторів на основні показники якості регулювання. За результатами аналізу встановлено, що нечіткий регулятор більш точно відпрацьовує регульовану величину.

Ідентифіковано параметри інвертора напруги тягового приводу на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів. Синтезовано імітаційну модель тягового приводу, що надає можливість отримати миттєві значення електричних втрат в інверторі та двигуні. Проаналізовано залежність електричних витрат від швидкості руху поїзда та тактової частоти інвертора.

Досліджено режими роботи однофазного активного випрямляча струму у випадку широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) за прямокутно-ступеневим законом і навантаження у вигляді тягового двигуна постійного струму. Розглянуто однофазну мостову схему випрямляча з розрядним діодом. Розроблено математичну модель випрямляча і визначено основні розрахункові співвідношення для ШІМ за прямокутно-ступеневої форми модуляційного сигналу. На комп'ютерній моделі досліджено електромагнітні процеси за трьох значень частоти модуляції (900, 1200, 1800 Гц). Встановлено особливості впливу глибини і частоти модуляції на коефіцієнт потужності випрямляча та ступінь спотворення синусоїдальності форми кривих напруги та струму в мережі живлення. Двигун постійного струму на сьогодні залишається основним типом тягового двигуна магістральних електровозів змінного струму напругою 25 кВ, 50 Гц в Україні та в ряді інших країн. Для живлення таких двигунів як правило застосовують випрямлячі на діодах або тиристорах. Разом із тим відомо, що перетворювачі на повністю керованих напівпровідникових приладах забезпечують більш високу енергетичну ефективність. Проведені дослідження надали можливість встановити, за яких значень частоти та глибини модуляції забезпечується високий коефіцієнт потужності (більше 0,9) і мінімальні спотворення синусоїдальності форми напруги і струму в мережі живлення. Це надає можливість визначити раціональні підходи до вибору силових схем і алгоритмів управління активними перетворювачами в тяговому електроприводі електровозів. Ефективність підвищення коефіцієнта потужності і зменшення несинусоїдальності напруги та струму полягає, насамперед, в зниженні витрат електроенергії на тягу поїздів. За сукупністю обраних критеріїв порівняння найбільш прийнятним для реалізації в тяговому електроприводі електровоза є активний випрямляч струму з частотою модуляції 1200 Гц. Забезпечення високих енергетичних характеристик в широкому діапазоні тягових навантажень може бути досягнуто в багатозонній схемі такого перетворювача.

Досліджено режими роботи однофазного 4qs-перетворювача з широтно-імпульсною модуляцією в складі електрорухомого складу змінного струму. Розроблено метод визначення параметрів ШІМ, за яких реалізується оптимальний за критерієм мінімізації величини реактивної потужності в системі локомотив - тягова мережа режим роботи перетворювача. Особливостями запропонованої методи є розділення процесу визначення оптимальних параметрів ШІМ на 2 етапи, що надає можливість видалити з імітаційної моделі непотрібні на даному етапі блоки та зменшити сумарний час моделювання. На першому етапі визначаються значення коефіцієнта потужності та струму ланки постійного струму в усьому діапазоні коефіцієнтів модуляції та зсуву між мережевим струмом та опорним синусоїдальним сигналом. Далі, з отриманого масиву даних виділяються пари значень параметрів ШІМ, за яких реалізується найвищій коефіцієнт потужності системи електровоз - тягова мережа, та заносяться до табличною системи завдання параметрів ШІМ. На другому етапі визначаються залежності електричних втрат, а, отже, й ккд, і коефіцієнта нелінійних спотворювань мережевого струму від тактової частоти перетворювачі. Визначення електричних втрат базується на обчисленні енергії, що була розсіяна протягом 1 с на IGBT-транзисторі та снаберному резисторі залежності від миттєвих значень струму через них. Для знаходження параметрів ШІМ за наведеною методою розроблено імітаційну модель 4qs-перетворювача, проведено ідентифікацію параметрів ШІМ перетворювача електровоза для тестової задачі. Визначено, що енергетичні показники перетворювача залежать нелінійно від трьох керувальних величин, що є параметрами ШІМ: коефіцієнта модуляції, зсуву між мережевим струмом та опорним синусоїдальним сигналом, і тактовою частоти ШІМ. Визначено, що перетворювач з ідентифікованими параметрами ШІМ забезпечує одиничний коефіцієнт потужності тягової мережі у разі навантаження більше 10 % від номінального в режимах тяги та рекуперативного гальмування. Отримано залежність електричних втрат перетворювача та коефіцієнта нелінійних спотворень в тяговій мережі від тактової частоти ШІМ. Визначено, що раціональне значення тактової частоти знаходиться в інтервалі 900 - 2000 Гц, при цьому ккд перетворювача досягає 98 - 95 %, коефіцієнт нелінійних спотворень складає 12 - 5 %. Визначено, що виключення з силового кола снаберної ланки може суттєво зменшити сумарні електричні втрати. Встановлено, що втрати на паразитних опорах фільтрів є незначними, тому їх можна не враховувати в загальному балансі втрат.

Аналіз задач по підвищенню енергоефективності систем електричної тяги вказує на необхідність впровадження нових технологій, а саме сучасного рухомого складу з тяговим асинхронним електроприводом і тягових підстанцій за новими технологіями. Для вирішення даного класу задач визначено потребу в комплексній імітаційній моделі системи електричної тяги з необхідністю забезпечення достатнього рівня її достовірності. Наведено деталізацію алгоритмів розрахунку параметрів для розробки імітаційної моделі комплексної електричної тягової системи метрополітену, яка складається з підсистем електропостачання, електроприводу рухомого складу і механічної частини тягової передачі. В середовищі Matlab/Simulink на основі відомих реальних і уточнених розрахункових параметрів розроблено імітаційну модель системи тягового електропостачання метрополітену з двостороннім живленням двох шляхів. Розроблено імітаційну модель сучасного тягового електроприводу вагонів метрополітену з векторною системою керування асинхронного електроприводу та одномасовою механічною частиною, що здатна враховувати вплив коефіцієнта зчеплення. Проведене порівняння результатів імітаційного моделювання динамічних процесів з осцилограмами реальних режимів роботи метрополітену підтвердило адекватність моделі досліджуваному об'єкту. Відповідність отриманих шляхом моделювання результатів підтверджується осцилограмами аналізу напруги і струму контактної мережі, а також характеристиками режимів тяги і гальмування рухомого складу. Змодельовано процеси роботи системи електропостачання, нестаціонарного режиму за погіршення умов зчеплення та режиму рекуперативного гальмування з передачею енергії іншим поїздам. Використання розробленої моделі комплексної системи електричної тяги сприятиме більш повному дослідженню взаємного впливу елементів системи електричної тяги. Це надасть можливість підвищити ефективність прийняття технічних рішень у межах виконання вимог щодо забезпечення безпеки руху, запобіганню виникнення порушень нормальної роботи та зниженню експлуатаційних витрат.

Предложен метод анализа резонансных нелинейных крутильных колебаний в дизельной миниэлектростанции. Рассмотрены нелинейные крутильные колебания генератора, состоящего из дизельного двигателя 3ТД-4 и тягового генератора ГС 530АМУ3. Результаты анализа показывают возможность возникновения резонанса между силовой передачей и ротором генератора, который требует отстройки силовой передачи.

Для запропонованої конструкції електромеханічного амортизатора розроблено методику визначення основних розрахункових параметрів. Методика заснована на спрощеній математичній моделі по визначенню електромагнітної та електрорушійної сили електромеханічного амортизатора. Особливістю моделі є врахування режимів роботи постійного магніту на підставі розрахунку магнітного кола. Створена модель надає можливість проводити приблизний розрахунок режимів роботи амортизатора та може бути використана у вирішенні задачі оптимізації параметрів електроамортизатора. Проведено перевірку адекватності розробленої спрощеної математичної моделі шляхом порівняння результатів розрахунку механічної характеристики амортизатора за спрощеною методикою та методом кінцевих елементів в аксиально-симетричній постановці задачі. Отримано наявне добре співпадіння результатів розрахунків за спрощеною методикою та шляхом моделювання магнітного поля за методом скінченних елементів. Визначенно геометричні співвідношення між елементами конструкції, які забезпечують оптимальне рівномірне магнітне навантаження в елементах магнітопроводу. Проведено постановку задачі умовної двокритеріальної оптимізації параметрів електромеханічного амортизатора. Обрано обмеження, що поділено на 3 наступні категорії. Обмеження за розмагніченням постійного магніту, що надають можливість зберегти працездатність постійного магніту. Обмеження за щільністю струму, яке забезпечує теплові режими роботи амортизатора. Компоновочні обмеження та обмеження на параметри задачі оптимізації, що забезпечують розміщення конструкції у ходовій частині візка. Запропоновано як критерії обрати наведений об'єм амортизатора, що обумовлює затрати на створення амортизатора та його ккд, який обумовлює рекуперовану енергію коливань. Проведено згортку параметрів до єдиної цільової функції затрат та обрано вагові коефіцієнти. Як метод оптимізації обрано комбінований метод, що включає в себе генетичний алгоритм, на попередньому етапі пошуку. На завершальному етапі оптимізаційної процедури уточнення оптимуму здійснюється методом Нелдера - Міда. За результатами вирішення задачі оптимізації параметрів амортизатора визначено оптимальні геометричні розміри та кількість витків обмотки електромеханічного амортизатора.

Для запропонованої конструкції електромеханічного амортизатора (ЕМА) розроблено методику моделювання динамічних процесів. Такі амортизатори мають можливість рекуперувати частину енергії коливань в електричну енергію з подальшою можливістю її використання на рухомому складі. Методика основана на вирішенні рівняння Лагранжа для електромеханічної системи. Особливості моделі є наступними. Модель має вигляд задачі Коши, який спритний до вживання під час моделювання процесів роботи амортизатора. Обрано дві узагальнені координати (заряд і переміщення якоря). Ідентифіковано складові частини рівняння Лагранжа. За результатами розрахунку магнітного поля і подальшого регресійного аналізу отримано поліноміальні залежності похідних потокозчеплення по току та лінійному переміщенню якоря, які надають можливість ідентифікувати узагальнену математичну модель ЕМА. Проведені розрахунки магнітного поля методом скінченних елементів надали можливість отримати цифрову модель магнітного поля ЕМА. Для отримання її безперервної моделі проведено регресійний аналіз дискретної моделі поля. При виборі структури апроксимуючої моделі дотримана можливість аналітичного диференціювання часткових похідних по всіх координатах. За результатами моделювання вільних коливань встановлено, що максимальне по модулю значення струму складає 0,234 А, а напруги - 52,9 В. За близько 3 с проходить процес повного погашення коливань за 4 періоду. Порівняно з базовою конструкцією амплітуда коливань ходу якоря та його швидкості знизилась від 13 до 85 % за перші 3 періоди, що свідчить про більшу ефективність роботи ЕМА в порівнянні з гідравлічним. Енергія, яку рекуперовано, склала 3,3 Дж, а, яку розсіяно - 11,5 Дж.

Для запропонованої конструкції електромеханічного амортизатора розроблено методику визначення основних розрахункових параметрів. Методика заснована на спрощеній математичній моделі по визначенню електромагнітної та електрорушійної сили електромеханічного амортизатора. Особливістю моделі є врахування режимів роботи постійного магніту на підставі розрахунку магнітного кола. Створена модель надає можливість проводити приблизний розрахунок режимів роботи амортизатора та може бути використана у вирішенні задачі оптимізації параметрів електроамортизатора. Проведено перевірку адекватності розробленої спрощеної математичної моделі шляхом порівняння результатів розрахунку механічної характеристики амортизатора за спрощеною методикою та методом кінцевих елементів в аксиально-симетричній постановці задачі. Отримано наявне добре співпадіння результатів розрахунків за спрощеною методикою та шляхом моделювання магнітного поля за методом скінченних елементів. Визначенно геометричні співвідношення між елементами конструкції, які забезпечують оптимальне рівномірне магнітне навантаження в елементах магнітопроводу. Проведено постановку задачі умовної двокритеріальної оптимізації параметрів електромеханічного амортизатора. Обрано обмеження, що поділено на 3 наступні категорії. Обмеження за розмагніченням постійного магніту, що надають можливість зберегти працездатність постійного магніту. Обмеження за щільністю струму, яке забезпечує теплові режими роботи амортизатора. Компоновочні обмеження та обмеження на параметри задачі оптимізації, що забезпечують розміщення конструкції у ходовій частині візка. Запропоновано як критерії обрати наведений об'єм амортизатора, що обумовлює затрати на створення амортизатора та його ккд, який обумовлює рекуперовану енергію коливань. Проведено згортку параметрів до єдиної цільової функції затрат та обрано вагові коефіцієнти. Як метод оптимізації обрано комбінований метод, що включає в себе генетичний алгоритм, на попередньому етапі пошуку. На завершальному етапі оптимізаційної процедури уточнення оптимуму здійснюється методом Нелдера - Міда. За результатами вирішення задачі оптимізації параметрів амортизатора визначено оптимальні геометричні розміри та кількість витків обмотки електромеханічного амортизатора.

Для запропонованої конструкції електромеханічного амортизатора (ЕМА) розроблено методику моделювання динамічних процесів. Такі амортизатори мають можливість рекуперувати частину енергії коливань в електричну енергію з подальшою можливістю її використання на рухомому складі. Методика основана на вирішенні рівняння Лагранжа для електромеханічної системи. Особливості моделі є наступними. Модель має вигляд задачі Коши, який спритний до вживання під час моделювання процесів роботи амортизатора. Обрано дві узагальнені координати (заряд і переміщення якоря). Ідентифіковано складові частини рівняння Лагранжа. За результатами розрахунку магнітного поля і подальшого регресійного аналізу отримано поліноміальні залежності похідних потокозчеплення по току та лінійному переміщенню якоря, які надають можливість ідентифікувати узагальнену математичну модель ЕМА. Проведені розрахунки магнітного поля методом скінченних елементів надали можливість отримати цифрову модель магнітного поля ЕМА. Для отримання її безперервної моделі проведено регресійний аналіз дискретної моделі поля. При виборі структури апроксимуючої моделі дотримана можливість аналітичного диференціювання часткових похідних по всіх координатах. За результатами моделювання вільних коливань встановлено, що максимальне по модулю значення струму складає 0,234 А, а напруги - 52,9 В. За близько 3 с проходить процес повного погашення коливань за 4 періоду. Порівняно з базовою конструкцією амплітуда коливань ходу якоря та його швидкості знизилась від 13 до 85 % за перші 3 періоди, що свідчить про більшу ефективність роботи ЕМА в порівнянні з гідравлічним. Енергія, яку рекуперовано, склала 3,3 Дж, а, яку розсіяно - 11,5 Дж.

Перехід на новий тип тягового привода, з постійного на змінний струм, у громадському транспорті неможливо виконати миттєво. Це пояснюється наявністю значної кількості парку машин і потрібних на це коштів. В більшості країн Європи та Азії цей процес розтягується на роки. Тому розвиток парку тролейбусів йде паралельно у двох напрямках. Перший - закупівля нових тролейбусів, тобто оновлення парку сучасними машинами, що мають тяговий двигун змінного струму. Другий - капітальний ремонт і модернізація "застарілих" машин, з метою поліпшення їх експлуатаційних характеристик. Більша частина "застарілих" тролейбусів обладнана тяговими двигунами постійного струму послідовного або змішаного збудження. Істотне енергозбереження та покращання характеристик тягового електропривода (ТЕП) із цими двигунами досяжне у разі використання системи імпульсного регулювання та шляхом оптимізації алгоритмів керування. Мета дослідження - підвищення енергоефективності та покращання характеристик ТЕП тролейбуса, що має двигун постійного струму змішаного збудження. Це досягається за рахунок удосконалення системи керування цим приводом на базі системи імпульсного керування за допомогою DC-DC. Працездатність ТЕП перевірено шляхом імітаційного та фізичного моделювання. Вдосконалено математичну модель двигуна постійного струму зі змішаним збудженням. Особливістю цієї моделі є врахування насичення елементів магнітопроводу тягового двигуна на базі проведених заздалегідь розрахунків магнітного поля методом скінченних елементів. Об'єднавши ці складові, отримано вдосконалену математичну модель всього ТЕП тролейбуса. Проведено імітаційне моделювання роботи ТЕП тролейбуса в режимі пуску. Результати моделювання підтвердили підвищення енергоефективності ТЕП за рахунок зменшення втрат на збудження. Порівняння довело, що втрати енергії зменшилися з 0,587 МДж (0,163 кВт-год) до 0,531 (0,1475 кВт-год) МДж - на 9,54 %.

Індекс рубрикатора НБУВ: О812-015

Рубрики:

Рухомий склад метрополітену

Шифр НБУВ: Ж24320 Пошук видання у каталогах НБУВ 

This paper reports the model of a magnetic field of the synchronous reluctance motor with permanent magnets that was developed on the basis of a finite-element method. The model was implemented in the FEMM finite-element analysis programming environment involving the application of the Lua-based script. The model makes it possible to determine the dependence of the engine's electromagnetic moment on the rotor rotation angle. Determining the level of a saw-shaped moment is important for assessing its harmful effect on the structural elements of the traction motor and the drive in general. The results of digital modeling have established the dependences of the electromagnetic moment on the rotor rotation angle. The moment has a variable component - the sawshaped moment, whose amplitude for open grooves under a rated load mode is 182 Nm, and for semi-open grooves - 90 Nm. The use of semi-open grooves exerts a positive effect on eliminating the saw-shaped moment in a synchronous reluctance motor with permanent magnets and may be recommended for further application on engines of this type. Semi-open grooves reduce the opening of the stator groove by 2 times and lead to a smoother flux distribution under the gear division. That reduces the oscillations of the main magnetic flux. The proposed application of semi-open stator grooves makes it possible to reduce by more than 2 times the level of a saw-shaped moment of the synchronous reluctance motor with permanent magnets under a rated mode. It has been determined that a rather positive factor is an increase of 4,8 % in the average motor moment value under a rated mode when using semi-open grooves. This is due to a decrease in the average value of magnetic resistance to the main magnetic flux. Therefore, with a simultaneous decrease in the moment's fluctuations, the transition to semi-open grooves makes it possible to improve the mass-dimensional indicators of the motor in general.

The analysis of operating conditions of induction traction motors as part of traction electric drives of electric locomotives reported here has revealed that they are powered by autonomous voltage inverters with asymmetric non-sinusoidal voltage. It was established that the induction motor operation may be accompanied by defects caused by the asymmetrical modes of the motor stator. A model of the induction motor has been proposed that takes into consideration changes in the values of mutual inductance of phases and complete inductance of the magnetization circuit due to changes in the geometric dimensions of the winding caused by a certain defect. An algorithm that considers the saturation of the magnetic circuit of the electric motor has been proposed. This approach to modeling an induction motor is important because if one of the stator's windings is damaged, its geometry changes. This leads to a change in the mutual inductance of phases and the complete inductance of the magnetization circuit. Existing approaches to modeling an induction motor do not make it possible to fully take into consideration these changes. The result of modeling is the determined starting characteristics for an intact and damaged engine. The comparison of modeling results for an intact engine with specifications has shown that the error in determining the controlled parameters did not exceed 5 %. The modeling results for the damaged engine demonstrated that the nature of change in the controlled parameters did not contradict the results reported by other authors. The discrepancy in determining the degree of change in the controlled parameters did not exceed 10 %. That indicates a high reliability of the modeling results. The proposed model of an induction electric motor could be used to investigate electromagnetic processes occurring in an electric motor during its operation as part of the traction drive of electric locomotives.

This paper reports the construction of a mathematical model for determining the electromagnetic momentum of a synchronous reluctance motor with non-partitioned permanent magnets. Underlying it is the calculation of the engine magnetic field using the finite-element method in the flat-parallel problem statement. The model has been implemented in the FEMM finite-element analysis environment. The model makes it possible to determine the engine's electromagnetic momentum for various rotor geometries. The problem of conditional optimization of the synchronous reluctance motor rotor was stated on the basis of the rotor geometric criteria. As an analysis problem, it is proposed to use a mathematical model of the engine's magnetic field. Constraints for geometric and strength indicators have been defined. The Nelder - Mead method was chosen as the optimization technique. The synthesis of geometrical parameters of the synchronous reluctance motor rotor with non-partitioned permanent magnets has been proposed on the basis of solving the problem of conditional optimization. The restrictions that are imposed on optimization parameters have been defined. Based on the study results, the dependence of limiting the angle of rotation of the magnet was established on the basis of strength calculations. According to the calculation results based on the proposed procedure, it is determined that the optimal distance from the interpole axis and the angle of rotation of magnets is at a limit established by the strength of the rotor structure. Based on the calculations, the value of the objective function decreased by 24,4 % (from -847 Nm to -1054 Nm), which makes it possible to significantly increase the electromagnetic momentum only with the help of the optimal arrangement of magnets on the engine rotor. The results of solving the problem of synthesizing the rotor parameters for a trolleybus traction motor helped determine the optimal geometrical parameters for arranging permanent magnets.

This paper considers partitioning parameters and the mutual arrangement of magnets in the rotor of the traction synchronous-jet engine with permanent partitioned magnets. The synthesis of geometrical parameters for the rotor of a synchronous reluctance motor with partitioned permanent magnets was proposed on the basis of solving the problem of conditional optimization. To solve the synthesis problem, a mathematical model has been built to determine the electromagnetic momentum of a synchronous reluctance motor with partitioned permanent magnets. It is based on the calculation of the electromagnetic momentum of the engine employing the results of a finite-element analysis of the magnetic field in the flat-parallel statement of the problem. The model is implemented in the finite-element analysis FEMM environment and makes it possible to determine the electromagnetic momentum of the engine with a variety of partitioning of permanent magnets. As an analysis problem, it is proposed to use a mathematical model of the magnetic field of the engine. The problem of conditional optimization of the rotor of a synchronous reluctance motor was stated according to the geometric criteria of the rotor. Restrictions are set on geometric, strength indicators, as well as on the level of electromagnetic momentum. The chosen optimization method is the Nelder - Mead method. Based on the results of solving the problem of synthesizing parameters for the partitioned rotor of the traction motor of trolleybus wheels, it was established that the volume of permanent magnets was reduced by 2,27 times compared to the base structure; their optimal geometric dimensions were determined (5 mm, 5,2 mm, and 5 mm), as well as the distance between them, 17,8 mm and 15,3 mm, and the engine load angle, which is 121,12 electrical degrees. Based on the results of solving the problem of synthesizing parameters for the partitioned rotor of a trolleybus traction synchronous reluctance motor, its optimal geometric parameters have been determined.