авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Стабилизация напряжения на токоприемниках подвижного состава электрифицированных железных дорог постоянного тока

-- [ Страница 2 ] --

Наилучшие результаты в последние годы удалось получить с применением системы «Сирена» производства Московского электромеханического завода.

Следует отметить, что целевой функцией всех регуляторов оставалась стабилизация напряжения на шинах тяговых подстанций или на постах секционирования.

Созданные за последние десятилетия современные управляемые преобразователи, микропроцессорные системы управления, надежные радиоканалы связи позволяют решать задачу стабилизации напряжения непосредственно на токоприемниках подвижного состава за счет подчиненного регулирования напряжения на шинах тяговых подстанций.

Центральным вопросом при построении такой системы является разработка алгоритмов и принципов построения устройства управления, обеспечивающего стабильность напряжения на токоприемниках поездов в условиях резкопеременного электропотребления. Научные основы такой системы должны базироваться на методах анализа и синтеза управляющих воздействий с применением математического моделирования.

В конце главы сформулированы цель и задачи, обоснованы методы исследований.

Во второй главе рассмотрены принципы построения, структура и алгоритм математической модели автоматического регулятора напряжения в тяговой сети постоянного тока.

Участок тягового электроснабжения при взаимодействии с подвижным составом представляет собой сложную нестационарную динамическую систему со случайным характером возмущающих воздействий. Будем рассматривать межподстанционную зону как элементарную подсистему.

Объектом управления в каждой подсистеме является тяговая сеть, управляющим устройством – управляющий компьютер, датчики, канал связи, управляемые выпрямительные установки тяговых подстанций. Возмущающее воздействие на тяговую сеть оказывает подвижной состав и окружающая среда.

Стратегической задачей управления является обеспечение оптимальных уровней напряжения на токоприемниках поездов всего участка, требующего усиления.

Тактическая задача управления состоит в нахождении закона изменения напряжения на шинах смежных тяговых подстанций, обеспечивающего требуемый уровень напряжения на токоприемниках подвижного состава.

Для скоростных участков при движении поездов со скоростями 200…250км/час и интервалах попутного следования более 10 минут достаточно решить тактическую задачу при перемещении поездов с одной межподстанционной зоны на другую, при этом возможны следующие способы управления:

– стабилизация напряжения на шинах смежных тяговых подстанций;

– стабилизация напряжения на постах секционирования;

– стабилизация напряжения на токоприемниках поездов.

При построении системы автоматического управления напряжением на этапе проектирования необходимо решить следующие задачи:

– выполнить анализ эффективности различных способов управления;

– осуществить синтез автоматического регулятора для принятого способа управления;

– разработать технические средства для реализации системы автоматического управления.

При сравнительной оценке эффективности способов управления следует иметь ввиду, что тяговые расчеты выполняются для напряжения на токоприемнике подвижного состава В, поэтому систему управления, стабилизирующую напряжение на токоприемнике подвижного состава на уровне, близком к расчетному, следует считать наиболее эффективной, обеспечивающей график движения поездов с расчетным значением мощности и минимальными суммарными потерями в контактной сети и подвижном составе. В этом смысле критерием эффективности является стабильность напряжения на токоприемнике подвижного состава, характеризующаяся среднеквадратичным отклонением и коэффициентом вариации. При построении математической модели ключевое значение имеет выбор целевой функции. Если в качестве целевой функции управления принять стабилизацию напряжения на токоприемнике, то необходимо учитывать реактивности тягового электроснабжения. На тяговых подстанциях установлены сглаживающие фильтры с емкостью 300-500мкФ и индуктивностью 4-5мГн. Погонная индуктивность тяговой сети составляет от 0,6 до 1,0мГн, а емкость не более 0,05мкФ. Поэтому в схеме замещения контактной сети целесообразно учитывать только индуктивности. На рис.2 а показана схема замещения межподстанционной зоны при движении двух скоростных поездов в четном и двух в нечетном направлениях.

Рис. 2. Схема замещения межподстанционной зоны: а) – с учетом индуктивностей тяговой сети; б) – преобразованная схема на основе метода синтетических схем

Учитывая значительное число реактивных элементов, для анализа переходных процессов целесообразно воспользоваться методом синтетических схем, который предложен Нейманом Л.Р. и Демирчаном К.С. В соответствии с методом реактивные элементы цепи заменяются активными резистивными двухполюсниками и источниками тока (рис.2, б). Это позволяет сохранить топологию схемы и воспользоваться известными методами расчета сложных электрических цепей постоянного тока при составлении уравнений для решения на ЭВМ. Учитывая поставленную задачу стабилизации напряжения на токоприемниках поездов, целесообразно применить метод узловых напряжений.

Известные расчетные соотношения, связывающие токи и напряжения в дискретные моменты времени t = nh, n = 0, 1, 2, … имеют вид:

in+1=gun+1+ Jn,

где gL = h/L и Jn = iL,n -проводимость и ток для индуктивности;

gC = С/h и Jn =(-C/h)uC,n проводимость и ток для конденсатора;

h – шаг интегрирования по времени.

Последовательность расчета такова, что результаты предыдущего решения в момент времени t = nh являются исходными для следующего шага численного решения задачи t = (n+1)h в синтетической схеме (рис. 2). Система уравнений для определения узловых напряжений

в матричной форме выглядит следующим образом:

AGATU0, n+1 = -А (Jn+GЕ), (1)

где AGAT – квадратная матрица узловых проводимостей;

-А (J+GЕ) – матрица столбец, элементами которой являются токи в узловых точках (рис.2,б);

U0, n+1 – узловые напряжения в расчетные моменты времени;

Е – Э.Д.С источников питания.

Решение системы уравнений (1) в матричной форме имеет вид:

U0, n+1 = -(AGAT)-1 А (Jn +GЕ) (2)

Важной особенностью метода синтетических схем является неизменность в ходе расчета матрицы узловых проводимостей при постоянном шаге интегрирования. Это позволяет значительно ускорить процесс расчета.

Исходными данными для расчета являются:

, lкс. уд – погонные активное сопротивление и индуктивность тяговой сети;

l – длина межподстанционной зоны;

– индуктивность и емкость фильтра тяговых подстанций;

– внутреннее сопротивление тяговой подстанции;

– время хода по межподстанционной зоне;

– допустимые пределы изменения напряжения на шинах тяговых подстанций;

– допустимые пределы изменения напряжения на токоприемниках подвижного состава;

– шаг поиска оптимального напряжения на шинах подстанции;

– начальное время;

– шаг времени.

Ставится задача определения закона изменения напряжений на шинах смежных тяговых подстанций U1,U2 так, чтобы выполнялось условие .

На рис.3 показана расчетная схема замещения стабилизатора напряжения для межподстанционной зоны двухпутного участка при одновременном движении 4-х поездов.

При построении математической модели приняты следующие допущения:

– возмущающее воздействие на тяговое электроснабжение оказывает подвижной состав, который представлен в виде идеальных источников тока;

– емкости контактной сети не учитываются;

– тяговая подстанция – регулируемый источник напряжения с постоянным активным внутренним сопротивлением;

– движение поездов осуществляется в режиме тяги или рекуперации;

 Cхема замещения межподстанционной-18

Рис.3. Cхема замещения межподстанционной зоны со стабилизацией напряжения на токоприемниках поездов

На рис.4 показан алгоритм стабилизации напряжения на токоприемниках при встречном движении поездов.

На каждом временном интервале выполняются следующие процедуры:

- задаются токи и координаты поездов, полученные в результате предварительно выполненных тяговых расчетов;

- проверяется условие . Если условие выполняется, то рассчитываются напряжения на токоприемниках, если нет, то выводится сообщение «Решений нет»;

- проверяется условие . Если условие выполняется, то проверяется условие и процедура расчета повторяется для следующего интервала времени . В противном случае, изменяется напряжение на шинах тяговой подстанции с шагом до тех пор, пока не будет выполнено условие .

 Алгоритм оптимизации напряжения на-31

Рис.4. Алгоритм оптимизации напряжения на токоприемниках поездов

Алгоритмы оптимизации для вариантов стабилизации напряжения на шинах тяговых подстанций и посту секционирования получаются путем изменения соответствующих условий по стабилизации напряжения.

В третьей главе разработан метод синтеза оптимальных гарантирующих управлений применительно к схемам питания тяговых сетей.

Синтез регулятора реализуется в следующем порядке:

определение оператора управления;

построение структурной схемы регулятора;

оценка точности управления.

Экспериментальные исследования, выполненные Мирошниченко Р.И. и др., показали, что ток и напряжение на токоприемнике поезда являются случайными функциями, которые подчиняются нормальному закону распределения. Следовательно, изменение напряжения на шинах смежных тяговых подстанций в системе стабилизации также будет носить случайный характер. Для определения оператора управления целесообразно заменить случайный закон (рис. 7, функция 1) некоторой функцией U1. Выбор функции и соответствующих ей параметров найден с помощью регрессионного анализа.

Линейная регрессия функции U1 представлена в виде полинома четвертой степени от переменных l(t) (координат поездов). Например, при движении по межподстанционной зоне двух поездов будем иметь две координаты l1(t) и l2(t), тогда:

U1 (l1(t), l2(t)) = 0+1* l1(t) +2* l2(t)+11 *l12(t) + (3) +12 *l1(t) * l2(t)+ 22 *l22(t)+….+ 2222 *l24(t),

где 0,1, 2,…., 2222 - неизвестные параметры, подлежащие оцениванию.

Для оценки параметров в формуле (3) использован метод наименьших квадратов, при котором минимизируется общая ошибка отклонения напряжения по отношению к параметру .

Пусть X=(Хij) – регрессионная матрица размера (np), n – число экспериментов, р – число факторов в регрессии, элемент матрицы Хij является значением j-го фактора в i-ом эксперименте.

Для линейно независимых столбцов матрицы X оценкой b для параметров является решение следующего вида:

b = (XTX)-1XTU. (4)

Оценки (4), полученные по методу наименьших квадратов, имеют наименьшую дисперсию в классе всех линейных (по U) несмещенных оценок.

С учетом уравнения (4), находим значения функции линейной регрессии U1:

U1

U2

.

U1 =. = X*b, (5)

.

.

U1n

где U1, U2…. U1n - значения напряжений на шинах тяговых подстанций в текущих координатах поездов.

Адекватность выбора соответствующей модели линейной регрессии определяется значением коэффициента множественной корреляции (детерминации) R2:

R2= (U1i – Ucp)2 / (Ui – Ucp)2, (6)

где Uср = 1/n* Ui.

При построении структурной схемы электроснабжения со стабилизацией напряжения на токоприемниках поездов использован метод идентификации нестационарных объектов. Текущее состояние объекта управления (тяговой сети) характеризуется следующими переменными:

токами питающих линий и контактной сети i = i(t);

напряжениями в узловых точках u = u(t);

координатами поездов l=l(t), которые ставятся в соответствие сопротивлениям r=r(t) тяговой сети до поезда).

Подвижной состав и окружающая среда воздействуют на тяговую сеть, изменяя состояние объекта управления и, тем самым, соответствующие переменные (рис.5).

 Структурная схема управления-35

Рис. 5. Структурная схема управления напряжением в тяговой сети
на межподстанционной зоне

Идентификатор на основе информации, получаемой по радиоканалу о действительных значениях напряжений на токоприемниках и токов поездов, а также на шинах тяговых подстанций по уравнениям (1) рассчитывает сопротивления участков тяговой сети (координаты нагрузок), которые поступают на эталонную цифровую модель, выполненную в соответствии с алгоритмом оптимизации (рис.4). В модели в каждый момент времени осуществляется расчет значения напряжения на шинах смежных тяговых подстанций, обеспечивающего заданный уровень напряжений на токоприемниках поездов. Точность идентификации зависит от погрешности измерений и временного интервала (шага) расчета. Полученные оптимальные значения управляющего воздействия переносятся на исполнительный орган (управляемые выпрямители смежных тяговых подстанций).

Предложенный принцип построения цифрового регулятора напряжения в отличие от аналоговых позволит обеспечить помехоустойчивость, быстродействие, стабильность параметров и надежность.

В четвертой главе на математической модели исследуются уровни напряжений в тяговой сети при стохастических значениях токов поездов для различных вариантов стабилизации.

На рис. 5-8 показаны результаты расчета напряжений при равномерном встречном движении двух поездов четного и нечетного направлений (l1(t)= l2(t)) на токоприемниках, шинах смежных тяговых подстанций и посту секционирования для различных вариантов построения системы стабилизации напряжения.

На рис. 6-9 обозначены:

  1. Напряжение на шинах тяговых подстанций;
  2. Напряжение на посту секционирования;
  3. Напряжение на токоприёмнике поезда нечётного направления;
  4. Напряжение на токоприёмнике поезда чётного направления;
  5. Функция регрессии напряжения на шинах тяговых подстанций управляющего воздействия U1.
  6. Номер интервала времени i, соответствующий текущим координатам поездов. В расчетном варианте расстояние между подстанциями принято 20км.

Анализ зависимостей (рис.6) показывает, что при отсутствии стабилизации напряжения выполнить условие не удается. Для выполнения условия необходимо уменьшить расстояние между подстанциями в два раза, т.е. требуется сооружение дополнительной подстанции в середине зоны.

 Диаграммы напряжений на-37

Рис.6. Диаграммы напряжений на межподстанционной зоне
при отсутствии стабилизации

 Диаграммы напряжений на-38

Рис.7. Диаграммы напряжений на межподстанционной зоне
при стабилизации на токоприемниках поездов

 Диаграммы напряжений на-39

Рис.8. Диаграммы напряжений на межподстанционной зоне при стабилизации на посту секционирования

 Диаграммы напряжений на-40

Рис. 9. Диаграммы напряжений на межподстанционной зоне при стабилизации на тяговых подстанциях

На рис.10 приведены значения коэффициента вариации (кв) напряжения на токоприёмниках поездов для различных способов стабилизации напряжения.

Рис.10. Значения коэффициента вариации (кв) напряжения на токоприёмниках поездов для различных способов стабилизации напряжения.

Наименьшему коэффициенту вариации по отношению к расчетному значению напряжения на токоприемнике подвижного состава соответствует система управления, построенная на принципе стабилизации напряжения на токоприемнике поезда (рис.7). Близкими характеристиками обладает стабилизация на посту секционирования, если он находится в середине межподстанционной зоны (рис.8). Наименее эффективной по значению коэффициента вариации является стабилизация напряжения на шинах тяговых подстанций (рис. 9). Вместе с тем, по сложности технической реализации эти способы располагаются в обратном порядке. Выбор той или иной системы должен осуществляться в соответствии с технологическими возможностями и технико-экономическими расчетами.

В общем случае координаты поездов, движущихся по межподстанционной зоне, различны. Тогда U1 является функцией нескольких переменных

U1= U1(l1 l2… ln),

где l1 l2… ln – координаты поездов.

При движении двух поездов будет иметь место трехмерное пространство( рис.11.), задаваемое некоторой поверхностью определенной на квадрате [lk, lk+1] *[lk, lk+1],

где [lk, lk+1] – интервал для к-го и (к+1)-го участков.

 График поверхности при движении-42

Рис.11. График поверхности при движении двух поездов c разными координатами

В диссертации выполнен расчет усиления участка Клин – Подсолнечное – Крюково линии Москва – Санкт-Петербург при помощи распределенного питания (установка пунктов повышения напряжения с продольной линией 6 кВ постоянного тока) и стабилизаторов напряжения, устанавливаемых на смежных тяговых подстанциях.

Технико-экономическое сравнение этих способов усиления (рис.12) показало, что вариант распределенного питания тяговой сети имеет худшие экономические показатели за счет капитальных затрат.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.