Fedyaeva_Galina_Anatolyevna

Снизить указанную неравномерность нагрузки можно применением трехосных тележек с наклонными тягами либо догружающих устройств. Моделирование показывает, что использование наклонных тяг, способствующее более равномерному распределению вертикальных осевых нагрузок, дает значительно больший эффект на трехосных тележках (шестиосный локомотив), чем на двухосных (четырехосный локомотив).

Изменяя высоту точек крепления наклонных тяг двухосных тележек четырехосного локомотива к кузову, можно снизить максимальную разность вертикальных осевых нагрузок при реализации предельных тяговых усилий до 3 Т, в то время как для трехосных тележек шестиосного локомотива удается добиться в аналогичных условиях разницы вертикальных нагрузок 1,5 Т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе комплексно, с различных методологических позиций решена проблема прогнозирования динамических процессов при нестационарных и аварийных режимах в электромеханической системе тягового электропривода перспективных локомотивов с асинхронными двигателями, получены следующие основные результаты:

1. Разработана и обоснована концепция прогнозирования динамических процессов при аварийных и нестационарных режимах в тяговом электроприводе локомотивов как в единой управляемой электромеханической системе на базе математического и компьютерного моделирования.

2. Разработаны математическая и компьютерная модели ТЭП с АД, универсальные с точки зрения возможности исследования аварийных и нестационарных процессов в электромеханической системе привода при различных типах инверторов и способах управления.

3. С целью определения влияния жесткости естественных характеристик асинхронных двигателей на противобуксовочные свойства локомотива исследованы нестационарные режимы работы ТЭП со скалярной системой управления, регулированием частоты напряжения двигателей ДАТ305 и ДТА470 по скорости локомотива и защитой от буксования, основанной только на использовании жесткости естественных механических характеристик АТД. Буксование в такой системе не переходит в разносное, но из-за возникающих колебаний в тяговом тракте не удается обеспечить при буксовании всех осей использование потенциальных условий сцепления на уровне свыше 80 %.

4. Разработана структура и алгоритмы работы в квазистационарных режимах ТЭП с DTC, являющейся системой управления нового поколения.

5. Разработаны варианты построения и алгоритмы функционирования системы защиты от буксования перспективных локомотивов с DTC.

6. Обоснован и применен новый методологический подход к моделированию ТЭП перспективных локомотивов с АТД, базирующийся на совмещении двух программных комплексов: MatLab и УМ.

7. Созданы электромеханические компьютерные модели перспективных грузовых и маневровых локомотивов с DTC, позволяющие исследовать динамические и тяговые качества локомотивов при различных конструкциях ходовой части.

8. Выявлен качественный и количественный характер динамических нагрузок в электромеханической системе шестиосного и четырехосного локомотива при авариях в АИН, а также нагрузок в электромеханической системе четырехосного локомотива при авариях в АИТ. Наибольшие динамические нагрузки в ТЭП с АД наблюдаются при сквозных КЗ в АИН: максимальный ударный тормозной электромагнитный момент двигателя ДТА470 достигает 4,5, а двигателя ДАТ305 – 4,9 номинальных значений, наибольшие ударные токи фаз АТД могут превышать номинальный ток в 8 раз. Максимальные ударные динамические нагрузки в механической передаче возникают в подвеске остова двигателя и превосходят нагрузки номинального режима в 3,4 раза для четырехосного и в 3,2 раза для шестиосного локомотива. Ударные нагрузки на валу ротора при этом существенно ниже и превышают нагрузки номинального режима не более чем в 2,4 раза. Увеличение жесткости подвешивания АТД с 4(106 Н/м до 2,4(107 Н/м ведет к возрастанию ударных нагрузок в подвеске остова шестиосного локомотива до 4,3 и на валу ротора до 3,5 номинального значения этих величин.

9. Определено, что смягчение ударного тормозного электромагнитного момента АТД в звеньях механической передачи ТЭП с опорно-осевым подвешиванием АД обусловлено поворотом остова двигателя вокруг оси колесной пары за счет эффекта планетарного механизма редуктора. Снизить ударные нагрузки в элементах механической части ТЭП до 2,6 номинальных можно при конструировании за счет увеличения коэффициента вязкого трения в подвеске двигателя и уменьшения жесткости подвески.

10. Выполнен анализ работы новой системы ТЭП с DTC в нестационарных режимах. Установлено, что предложенная система ТЭП с АД, использующая DTC и экстремальное регулирование скольжения колес, позволяет при регулировании всех осей локомотива обеспечить реализацию потенциальных условий сцепления на уровне свыше 93 %.

11. Произведен анализ процесса разгона шестиосного локомотива, имеющего тележки с низко опущенным шкворнем и четырехосного локомотива, имеющего тележки с наклонными тягами, под контролем регулятора скольжения колес при реализации каждой осью предельных тяговых усилий. При разгоне в хороших условиях сцепления наблюдаются перегрузки двигателей тем большие, чем лучше условия сцепления. Так при потенциальном коэффициенте сцепления 0,38-0,4 перегрузки по току двигателей 3-й и 6-й осей шестиосного локомотива с двигателями ДТА470 составляют при отсутствии ограничений 50-55 %, а двигателей 3-й и 4-й осей четырехосного локомотива ( 15-23 %. Указанные токовые перегрузки АТД можно снизить более равномерным распределением вертикальных нагрузок осей.

12. С целью оценки путей снижения перегрузки АТД (и транзисторов системы питания) при движении каждой оси на пределе по сцеплению выполнен анализ работы шестиосного локомотива, оснащенного тележками с наклонными тягами вместо тележек с низко опущенным шкворнем. Установлено, что применение трехосных тележек с наклонными тягами позволяет при разгоне с максимально возможной по условиям сцепления силой тяги снизить перегрузки по току двигателей 3-й и 6-й осей на 15-20 % за счет более равномерного распределения вертикальных осевых нагрузок.

13. Выявлено, что при использовании трехосных тележек с наклонными тягами можно изменением высоты точек крепления наклонных тяг снизить максимальную разность вертикальных осевых нагрузок при реализации предельных тяговых усилий до 1,5 Т, в то время как для двухосных тележек не удается добиться в аналогичных условиях разницы вертикальных нагрузок менее 3 Т.

14. Разработанные методики, а также математические и компьютерные модели и рассчитанные прогнозные варианты ТЭП локомотивов с АД позволяют на ранних стадиях проектирования оценить работу привода в нестационарных и аварийных режимах, проанализировать взаимовлияние электрической, механической и управляющей подсистем и выбрать наиболее рациональные конструкторские решения.

Диссертационная работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 05-01-00756.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Михальченко Г.С., Федяева Г.А., Федяев В.Н. Взаимовлияние динамических процессов в электрической и механической подсистемах тягового привода тепловозов при переходных режимах// Тяжелое машиностроение.- 2005. - № 12. - С. 28-32.

Федяева Г.А., Погорелов Д.Ю. Оценка динамических нагрузок тягового привода на электромеханических моделях перспективных тепловозов// Тяжелое машиностроение.- 2007.- № 10. - C. 30-35.

Федяева Г.А. Снижение ударных динамических нагрузок асинхронного тягового привода перспективного тепловоза при аварийных режимах// Электротехника.- 2007. - № 12. - С. 38-43.

Иньков Ю.М., Федяева Г.А., Феоктистов В.П. Система экстремального регулирования тягового электропривода с асинхронными двигателями// Электроника и электрооборудование транспорта.- 2008. - № 4. - С. 10 -

Бабков Ю.В., Чудаков П.Л., Романов И.В., Федяева Г.А. Совершенствование систем и алгоритмов управления тяговым электроприводом тепловозов с асинхронными двигателями // Электроника и электрооборудование транспорта.- 2008. - № 5. - С. 12 - 19.

Федяева Г.А., Феоктистов В.П. Влияние характеристик асинхронного двигателя на ударные динамические нагрузки в тяговом приводе// Соискатель. Приложение к журналу «Мир транспорта».- 2005. - № 2.- С. 118

Федяева Г.А. Прогнозные варианты для тягового привода тепловозов// Мир транспорта. - 2006.- № 3.- С. 14-19.

Федяева Г.А. Моделирование асинхронного тягового привода перспективного тепловоза с системой прямого управления моментом// Мир транспорта. - 2006. - № 4. - С. 10-15.

Федяева Г.А., Бобылькова Е.А. Тяговые свойства тепловоза: проверка на моделях// Мир транспорта.- № 1.- 2008.- С. 17-23.

Михальченко Г.С., Федяева Г.А., Власов А.И. Моделирование переходных режимов в асинхронном тяговом приводе локомотивов// Вестник ВНИИЖТ. - 2003.- № 4. - С. 42-47.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Математическое моделирование электромеханических процессов в асинхронном тяговом приводе тепловоза ТЭМ21// Вестник ВНИИЖТ. - 2005.- № 6.- С. 39-45.

Федяева Г.А. Моделирование динамики пуска и электрического торможения асинхронного тягового привода со скалярным управлением при ухудшении условий сцепления// Вестник ВНИИЖТ. - 2006. - № 5. - С. 26-31.

Федяева Г.А. Реализация предельных тяговых усилий перспективными тепловозами с асинхронным тяговым приводом// Вестник ВНИИЖТ.- 2007.- № 5.- С. 29-34.

Федяева Г.А. Моделирование перспективного маневрового тепловоза с векторным управлением асинхронным тяговым приводом//Вест. Брянского техн. ун-та. - 2007. - № 3.- С. 38 – 44.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Влияние динамических процессов в транзисторах IGBT на ударные нагрузки в асинхронном тяговом приводе при аварийных и нестационарных режимах// Вест. Брянского техн. ун-та. - 2006. - № 4.- С.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Программный комплекс для расчета электромеханических процессов в тяговых электроприводах локомотивов при нестационарных и аварийных режимах// Вест. Брянского техн. ун-та. - 2004. - № 2. - С. 117-123.

Федяева Г.А. Моделирование магистрального тепловоза с асинхронным тяговым приводом// Железные дороги мира.- 2007. - № 9. - С. 59-67.

Федяева Г.А. Влияние параметров асинхронного тягового двигателя на динамические нагрузки при аварийных режимах// Тез. докл. 56 науч. конф. профессорско-преподавательского состава. – Брянск: БГТУ, 2002. – С.204-205.

Федяева Г.А., Загорский М.В. Моделирование динамики асинхронных тяговых приводов локомотивов при аварийных и нестационарных режимах// Вест. Восточноукр. Нац. ун-та. Технические науки.- ч. 2. - Луганск: ВНУ, 2002 г. - № 6.- С. 62-67.

Федяева Г.А. Федяев В.Н. Влияние закона управления асинхронным тяговым двигателем локомотива на динамические процессы при срыве сцепления// Электромеханические устройства и системы: Межвуз. сб науч. тр.- Брянск: БГТУ, 2003. - С.33-41.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Математическое моделирование электромеханических процессов в асинхронном тяговом приводе с автономным инвертором тока// Состояние и перспективы развития электроподвижного состава: Тез. докл. 4 Международной конф. - Новочеркасск, 2003. - С.193-195.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Нагруженность асинхронного тягового привода локомотивов при аварийных режимах// Безопасность движения поездов: Труды IV научно-практической конференции. – М: МИИТ, 2003.- С. 88.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Регулирование асинхронного тягового привода тепловоза с высоким использованием сил сцепления// Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. - ч. 2. - Луганск: ВНУ, 2003. - № 9.- С.

Федяева Г.А., Федяев В.Н., Власов А.И. Микропроцессорное устройство защиты локомотива с асинхронным тяговым приводом от буксования и юза// Наука, техника и высшее образование: проблемы и тенденции развития: Материалы научно-практической конференции. – Ростов н/Д: Изд-во Рост. Ун-та, 2004. – С 160-162.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Особенности аварийного режима при пробое отсекающего диода в асинхронном тяговом приводе тепловоза с инвертором тока// Безопасность движения поездов: Труды V научно-практической конференции. - М: МИИТ, 2004.- С. 7- 8.

Устройство управления подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающее предупреждение буксования и юза. Патент РФ RU 39306, МПК 7 B60 L3/10/ Федяева Г.А., Федяев В.Н., Власов А.И. // опубл. 27.07.2004, Бюл. № 21.

Федяева Г.А. Математическое моделирование динамики асинхронного тягового привода тепловоза при срыве сцепления// Тез. докл. 57 науч. конф. профессорско-преподавательского состава. - Брянск: БГТУ, 2005. -

Федяева Г.А., Федяев В.Н., Бобылькова Е.А. Компьютерное моделирование тяговых приводов перспективных маневровых тепловозов// Наука в транспртном измрении. Тез. докл. I Международной научно-практ.конф. – Киев, 2005. – С.- 188.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Электромеханические процессы в асинхронном тяговом приводе тепловоза ТЭМ 21 при отказах в инверторе тока// Подвижной состав 21 века. Тез. докл. IV Международной научно-техн. конф. – С-Пб, 2005. – С.-198-199.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Моделирование нестационарных режимов в тяговых электроприводах постоянного тока// Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки ч. 2. – Луганск: ВНУ, 2005. - № 8. - С. 65-68.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Математическое моделирование асинхронного тягового привода тепловоза ТЭМ21// Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки.- ч. 2. – Луганск: Изд-во ВНУ, 2005. - № 8.- С. 69-73.

Литовченко В.В., Федяева Г.А. Моделирование аварийных режимов в инверторе напряжения асинхронного тягового привода локомотива// Вестник МИИТ: Научно-технический журнал. - Выпуск 13.- М.: МИИТ, 2005.- С.

Ковалев Р.В., Федяева Г.А., Федяев В.Н. Моделирование электромеханической системы тепловоза// Тезисы LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». – Д.: ДИИТ, 2006.- С. 62.

Федяева Г.А. Влияние параметров асинхронного тягового двигателя на динамические процессы в тяговом электроприводе тепловоза при нестационарных режимах// Тезисы LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». – Д.: ДИИТ, 2006.- с. 73.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Моделирование аварийных и нестационарных режимов перспективных магистральных тепловозов// Безопасность движения поездов: Труды VII научно-практической конференции (дополнение). – М: МИИТ, 2006.- С. 52-53.

Способ предупреждения буксования и юза локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями. Патент РФ RU 2270766, МПК B60L 3/10, B60L 9/16/Федяева Г.А., Федяев В.Н., Власов А.И.// опубл. 27.02.2006, Бюл. №

Ковалев Р.В., Федяева Г.А. Моделирование динамики электромеханических систем в программном комплексе «Универсальный механизм»// IX всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 22-28 августа 2006). Аннотац. докл. – Нижний Новгород: Из-во Нижегородского госуниверситета им. Лобачевского, 2006. – С.- 67.

Ковалев Р.В., Федяева Г.А., Федяев В.Н. Моделирование электромеханической системы тепловоза// Вестник ДНУЖТ им. В. Лазаряна, № 14, – Д.: ДНУЖТ, 2007.- С. 123-127.

Федяева Г.А. Влияние параметров асинхронного тягового двигателя на динамические процессы в тяговом электроприводе тепловоза при нестационарных режимах// Вестник ДНУЖТ им. В. Лазаряна, № 15, – Д.: ДНУЖТ, 2007.- С. 135-140.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Компьютерное моделирование электромеханической системы магистрального тепловоза с индивидуальным регулированием коллекторных тяговых двигателей// Подвижной состав 21 века. Тез. докл. V Международной научно-техн. конф. – С-Пб., 2007. – С.- 43-44.

Федяева Г.А. Оценка динамических нагрузок при аварийных и нестационарных режимах на электромеханических моделях тепловозов// Подвижной состав 21 века. Тез. докл. V Международной научно-техн. конф. - С-Пб., 2007. - С.-

Федяева Г.А. Реализация предельных тяговых усилий перспективным маневровым тепловозом с векторным управлением асинхронными тяговыми двигателями// Тезисы 67 Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». – Д.: ДИИТ, 2007.- С. 83-84.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Моделирование нестационарных режимов перспективного магистрального тепловоза// Тезисы 67 Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». – Д.: ДИИТ, 2007.- С. 84-85.

Федяева Г.А., Федяев В.Н. Прогнозирование динамических процессов в электромеханической системе тепловозов// Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. - ч. 1. – Луганск: ВНУ, 2007. - № 8.- С. 45-49.

Федяева Г.А. Моделирование электромеханической системы магистрального тепловоза с прямым управлением моментом асинхронных тяговых двигателей// Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. - ч. 2. – Луганск: ВНУ, 2007. - № 8.- С. 76-80.

Программа расчета электромеханических процессов в тяговых электроприводах тепловозов при аварийных и нестационарных режимах. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 9028/ Федяева Г.А.// опубл. тел. ОФАП № 8, 2007.- С. 38.

Федяева Г.А. Перспективный тяговый электропривод// Тезисы IV международного симпозиума «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте». - С-Пб.: ПГУПС, 2007.- С. 96.

Федяева Г.А. Моделирование нестационарных режимов тягового привода перспективных тепловозов с асинхронными двигателями// Безопасность движения поездов: Труды VIII научно-практической конференции. - М: МИИТ, 2007.- Ч.1, С. 30.

Галина Анатольевна Федяева

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Подписано в печать 17.09.2008

Формат 60(84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать.

Усл. печ. л. 2. Уч - изд. л. 2. Т. 100 экз. Заказ

Издательство Московского государственного университета путей сообщения

127994, Москва, ул. Образцова, 15.

Типография МИИТа

Рис. 8. Результаты моделирования сквозного КЗ

в АИН первой оси шестиосного грузового локомотива при движении в кривой, скорость локомотива в момент аварии 10 км/ч: М - электромагнитные моменты АТД 1…6 осей (1…6 соответственно); N - вертикальные нагрузки на колеса 1…6 осей (1…6 соответственно)

Рис. 11. Результаты моделирования разгона секции перспективного шестиосного грузового локомотива с составом 2000 т при непосредственном регулировании скольжения колес на уровне 2,5 % и наезде на масляное пятно длиной 3 м: М - электромагнитный момент АТД, I - ток фазы «А» АТД; V – скорости колес (1 - первой оси; 6 - шестой оси)

Рис. 10. Результаты моделирования разгона четырехосного локомотива с АИН при скалярном управлении и снижении потенциального коэффициента сцепления (0 до 0,1: Vк1 – скорость правого колеса первой оси; Vк2 – скорость левого колеса первой оси; Vл – скорость локомотива

Рис. 9. Результаты моделирования разгона и электрического торможения четырехосного локомотива с АИН при скалярном управлении и снижении потенциального коэффициента сцепления (0 до 0,1 в интервалы времени 4 с? t ?5 с и 6,5 с ? t ? 8 с: М – момент АТД; Vк – скорости колес оси; Vл – скорость локомотива

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема ТЭП

перспективного шестиосного локомотива с АД

Рис. 2. Обобщенная электрическая ветвь

а0= ал ( (а (9)

Рис. 5. Модель подсистемы блока логического автомата в MatLab/Simulink при моделировании АИН коммутационными функциями