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:   || 2 | 3 |

Разработка устройства удаления гололеда с двойного контактного провода импульсно-резонансным методом на основе управляемого преобразователя

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БУНЗЯ Андрей Вадимович

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА УДАЛЕНИЯ ГОЛОЛЕДА С ДВОЙНОГО КОНТАКТНОГО ПРОВОДА ИМПУЛЬСНО-РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ

НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Специальность: 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Екатеринбург – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС) Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Научные руководитель – доктор технических наук, доцент Галкин Александр Геннадиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бурков Анатолий Трофимович,

кандидат технических наук, доцент Смердин Александр Николаевич.

Ведущая организация – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС).

Защита состоится "14" декабря 2007 года в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения (УрГУПС) по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул.Колмогорова, 66, ауд. 283.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 13 " ноября 2007 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес Ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета В.Р. Асадченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из проблем, серьезно ухудшающих токосъем и способствующих развитию автоколебаний, является отложение гололеда на контактном проводе (КП). Наличие гололеда приводит к увеличению стрелы провеса, а также к увеличению переходного сопротивления в точке контакта полоз токоприемника – КП. В настоящее время для удаления гололеда с КП применяют плавку гололеда, профилактический подогрев, вибропантографы, специальные гололедообивочные барабаны, антигололедную смазку, ручное удаление гололеда при помощи изолированных штанг и шестов.

Каждый из указанных методов имеет недостатки. При плавке гололеда расход электрической энергии небольшой, но велика опасность отжига проводов. При профилактическом подогреве опасность отжига проводов невелика, но высоки расходы электроэнергии. Вибропантографы удаляют гололед локально, а потому имею низкую производительность. Кроме того, при движении локомотива в режиме тяги не исключается опасность пережога проводов из-за неполного удаления гололеда. Можно в качестве локомотива использовать локомотив с автономной тягой, но это также сопряжено с дополнительными расходами. Гололедообивочные барабаны размещают на специально оборудованных дрезинах, их скорость и быстродействие ограничены, кроме того, существует опасность повреждения и деформации КП. Антигололедная смазка, из-за ее непрерывного удаления движущимися токоприемниками не нашла широкого применения. Ручные способы удаления гололеда обслуживающим персоналом при помощи шестов и изолированных штанг имеют крайне низкую производительность. Поэтому проблема удаления гололеда актуальна.

В 1999г. для повышения эффективности и скорости удаления гололёда с двойных проводов контактной сети был предложен импульсно-резонансный способ, согласно которому через контактные провода пропускают импульсы тока с частотой, близкой к механическому резонансу и амплитудой, достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения. Под действием периодической силы Ампера провода начинают раскачиваться и ударяться друг о друга, что приводит к ускоренному разрушению гололёдных образований. При этом процессы взаимодействия проводов зависят от формы импульсов и их скважности.

Практическая реализация такого способа возможна с помощью управляемого преобразователя, подающего в провода силовые импульсы тока. Однако расчет по известным методикам формы импульса и параметров преобразователя, существенную часть времени работающего в переходных режимах, дает значительную погрешность, обусловленную допущениями, применяемыми при расчете мощных преобразователей. Необходимость точного описания формы импульсов выпрямленного тока обеспечивает актуальность разработки математической модели преобразователя, позволяющей определить функции токов и напряжений с учетом конечных значений активных и индуктивных сопротивлений цепей переменного и постоянного токов.

Цель работы: разработка устройства удаления гололеда (УУГ) с двойных контактных проводов импульсно-резонансным методом (ИРМ) для снижения времени, сокращения энергозатрат и исключения отжига контактных проводов при удалении гололеда.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

  1. Провести анализ способов удаления гололеда с проводов контактной сети;
  2. Разработать математическую модель соударения контактных проводов;
  3. Теоретически и экспериментально исследовать параметры процесса соударения контактных проводов, условия его возникновения и определить необходимые параметры источника питания;
  4. Разработать алгоритм изменения частоты УУГ для участка контактной сети;
  5. Разработать математическую модель управляемого трехфазного мостового преобразователя с учетом конечных значений активных и индуктивных сопротивлений цепи переменного тока и нагрузки;
  6. Исследовать параметры переходного и установившегося режимов преобразователя;
  7. Исследовать возможность получения импульсов выпрямленного тока заданной частоты и формы;
  8. Произвести испытания и оценить экономическую эффективность применения УУГ ИРМ.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием численной модели соударения проводов, построенной на базе метода конечных элементов, и численно-аналитической модели переходных процессов преобразователя, основанной на составлении и решении систем линейных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проведены с использованием методики математического планирования эксперимента и статистической обработки результатов исследований.

Научная новизна работы.

  1. Разработана математическая модель раскачки и соударения контактных проводов под действием периодического электромагнитного взаимодействия с учетом неупругого характера ударов;
  2. Исследовано влияние формы и скважности импульсов на процесс раскачки и соударения контактных проводов;
  3. Разработан алгоритм изменения частоты импульсов тока, обеспечивающих соударения контактных проводов в петле, содержащей множество пролетов различной длины;
  4. Разработана математическая модель управляемого трехфазного мостового преобразователя, учитывающая конечные значения активных и индуктивных сопротивлений цепи переменного и выпрямленного токов; получены аналитические выражения для расчета мгновенных, средних и действующих значений токов и напряжений преобразователя, а также коэффициентов Фурье указанных функций.

Практическая ценность работы.

Разработана методика настройки УУГ ИРМ для конкретного участка контактной сети, обеспечивающая минимальное время удаления льда.

Разработана методика расчета преобразователя, позволяющая определить форму импульсов тока с учетом параметров петли контактной подвески и цепи переменного тока при заданном изменении углов регулирования.

Разработанное УУГ ИРМ, введенное в эксплуатацию на Свердловской железной дороге – филиале ОАО «РЖД», позволяет удалять гололед с контактных проводов, и, следовательно, защищает их от пережогов и возможных при гололеде автоколебаний. При этом, по сравнению с методом плавки, сокращается время удаления, исключается риск отжига, не требуется контроля процесса плавки, сокращаются энергозатраты.

На защиту выносится:

  • математическая модель раскачки и соударения контактных проводов под действием периодического электромагнитного взаимодействия с учетом неупругого характера ударов, позволяющая учитывать форму импульсов тока, их скважность и изменение частоты;
  • алгоритм изменения частоты импульсов тока, обеспечивающих соударения контактных проводов в петле, содержащей множество пролетов различной длины;
  • математическая модель управляемого трехфазного мостового преобразователя, учитывающая конечные значения активных и индуктивных сопротивлений цепи переменного и выпрямленного токов;
  • аналитические выражения для расчета мгновенных, средних и действующих значений токов и напряжений преобразователя, а также коэффициентов Фурье указанных функций.

Апробация работы.

Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТК «Фундаментально-прикладные исследования - транспорту», Екатеринбург, 1995-96г; Всероссийской НТК «Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту – 2000», Екатеринбург, 2000 г.; V межвузовской НТК: «Молодые ученые – транспорту», Екатеринбург, 2004 г.; международной НТК: «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», Екатеринбург, 2006 г.

Результаты диссертационных исследований были доложены на совместном научном семинаре кафедр "Электрические машины", "Теоретические основы электротехники", "Электроснабжение транспорта" и "Электрическая тяга" УрГУПС.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах: 1 статья в журнале из списка, утвержденного ВАК для обязательной публикации результатов диссертаций, 5 статей в сборниках научных работ и материалах научно-технических и научно-практических конференций, 1 депонированная статья, тезисы 7 докладов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 47 наименований. Содержание изложено на 185 машинописных страницах, в том числе включает 19 таблиц, 42 рисунка и приложения.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору А.В. Ефимову за поддержку и ценные советы, а также большую признательность профессору Р.Н. Урманову, под научным руководством которого разработаны разделы 3.2-3.6.

Первая глава посвящена обзору существующих традиционных мер по удалению гололеда с проводов контактной сети.

Проведен анализ эксплуатационной надежности. Рассмотрены параметры гололедно-изморозевых отложений.

Проведен анализ способов удаления гололеда с контактных проводов. Рассмотрены механические и химические способы борьбы с гололедом, профилактический подогрев и плавка гололеда методом короткого замыкания. Выявлены недостатки каждого способа.

Установлено, что наиболее эффективным направлением в создании устройства удаления гололеда является сочетание подплавки льда путем пропускания электрического тока по проводам с механическими ударными воздействиями на них.

Вторая глава посвящена математическому моделированию процессов раскачки и соударения контактных проводов под действием их периодического электромагнитного взаимодействия. При моделировании использован математический аппарат метода конечных элементов (МКЭ). Особенностями применения МКЭ к расчету динамического взаимодействия контактных проводов являются:

  1. перемещающиеся в пространстве и переменные во времени нагрузки;
  2. нелинейные эффекты, вызванные ударами контактных проводов;
  3. неупругий характер ударов.

Суть МКЭ в решаемой проблеме состоит в том, что система «контактный провод – контактный провод», имеющая бесконечно большое число степеней свободы заменяется дискретной моделью связанных между собой конечных элементов с конечным числом степеней свободы. Конечный элемент (отрезок провода) представлен в виде элементарной массы, связанной с соседними массами невесомыми, абсолютно жесткими, шарнирно соединенными стержнями.

Рассмотрим принцип записи уравнений, описывающих поведение конечного элемента контактного провода в горизонтальной плоскости. Обозначим:

mi – масса i-го элемента контактного провода, кг;

i – номер элемента;

К – натяжение контактного провода, Н;

xi – координата i-го элемента контактного провода в поперечном направлении, м;

li – координата i-го элемента контактного провода в продольном направлении, м;

rвш – коэффициент внешнего вязкого трения;

Pвшi – сила внешнего вязкого трения i-го элемента, Н;

rвн – коэффициент внутреннего вязкого трения;

Pвнi – сила внутреннего вязкого трения i-го элемента, Н;

Pинi – сила инерции i-го элемента, Н;

I – сила тока контактного провода, А;

FAi – сила Ампера i-го элемента, Н.

В соответствии с принципом Даламбера запишем уравнение равновесия i-й элементарной массы (рис.1):

где

;

;

;

,

0 = 410-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Рис.1. Силы, действующие на элемент контактного провода

Степень неупругости удара в математической модели учитывается коэффициентом восстановления скорости kвс, определенным экспериментальным путем. Значение kвс для контактных проводов МФ-100 при скоростях до удара 0,21,3 м/с лежит в пределах 0,70,65; для тех же контактных проводов с гололедом при толщине стенки льда b=5мм он составляет 0,50,6 при тех же значениях скорости.

Средняя длительность удара, также определенная экспериментально, составила 150мкс, что существенно меньше периода импульса тока. Поэтому время удара при расчете положения элементов контактных проводов не учитывалось.

После создания модели динамического взаимодействия проводов и отладки программы расчетов для ЭВМ было проведено сравнение результатов расчетов с экспериментом. Для соударений контактных проводов использовалась модель контактной подвески длиной 14,6м.

Для конечных элементов размером 1,8м при натяжении контактных проводов 22000Н расхождение расчетных величин с экспериментальными составило: для количества колебаний до первого удара – 4,6%, для максимального размаха – 6,2%, для частоты при соударениях – 1,7%. Расхождения могут быть обусловлены конечным числом элементов, рассмотрением перемещений проводов только в горизонтальной плоскости, а также несовершенством модели контактной подвески.

При проведении вычислительных экспериментов установлено значительное влияние формы импульса на скорость раскачки проводов. Для одного и того же максимального тока количество колебаний до первого удара минимально для прямоугольной формы импульса со скважностью 2.

Анализ результатов вычислений для различных коэффициентов заполнения импульсов утверждает целесообразность увеличения скважности для повышения энергетических показателей.

Для удаления льда на участке контактной сети со множеством пролетов с различными параметрами необходимо изменять частоту по определенному закону. Петля двухпутного участка контактной сети от тяговой подстанции до поста секционирования длиной 10км содержит около 300 пролетов различной длины от 35 до 75м. Кроме длины пролета на частоту собственных колебаний влияют и другие факторы: удельная нагрузка, зависящая от типа провода, количества и типа зажимов, толщина стенки льда и его структура, натяжение контактных проводов. На основании результатов вычислений, произведенных с помощью математической модели соударения проводов, для обеспечения стабильных соударений в каждом пролете был разработан алгоритм изменения частоты импульсов тока с учетом времени раскачки и необходимого для удаления льда количества ударов.

Далее отражены результаты проведенных на основе разработанной методики и программы расчетов вычислительных экспериментов. Произведена оценка влияния натяжения контактных проводов, величины пропускаемого тока и длины пролета на частоту колебаний и скорость элементов проводов при ударах с гололедом и без. Определено необходимое значение тока для разрушения гололеда.

Для практической реализации было рассмотрено и опробовано несколько схемных решений УУГ:

  1. Устройство, содержащее однофазный трансформатор, вторичная обмотка которого присоединена к петле контактной подвески, а первичная подключается к источнику переменного напряжения через тиристорный ключ. Блок управления тиристорным ключом позволяет подавать в контактную подвеску импульсы, сформированные переменным током промышленной частоты. Частота и длительность импульсов регулируется блоком управления;
  2. Полууправляемый трехфазный мостовой преобразователь, выходные зажимы которого подключены к петле контактной подвески. Блок управления формирует импульсы постоянного тока заданной величины, частоты и длительности;
  3. Управляемый трехфазный мостовой преобразователь с блоком управления, позволяющий формировать и подавать в подвеску импульсы постоянного тока заданной формы и частоты.

Все перечисленные схемные решения работоспособны. Первое устройство использовалось как макет УУГ ИРМ и приводило к раскачке и соударениям проводов МФ-100 модели контактной подвески длиной 14,6м с натяжением контактных проводов 22000Н. Исследования, проведенные с его помощью, позволили произвести проверку справедливости математической модели и определить основные характеристики соударений проводов. Однако при повышении тока контактного провода выше 140А работа установки становилась нестабильной, тиристорный ключ прекращал закрываться.

Для натурных испытаний на полигоне контактной сети с реальной длиной пролетов и натяжением контактных проводов было использовано второе устройство как макет УУГ ИРМ мощностью 30кВА, позволяющим пропускать по контактным проводам токи в 250А.

Однако для действующего УУГ ИРМ была принята третья схема, как наиболее надежная по запиранию тиристоров, позволяющая более точно поддерживать заданную частоту и форму импульса, а также имеющая лучшие энергетические показатели.

Третья глава посвящена разработке математической модели трехфазного мостового управляемого преобразователя, используемого для формирования импульсов тока требуемой частоты и формы.

При расчете мощных преобразователей, содержащих значительную индуктивность в цепи нагрузки, обычно пренебрегают активным сопротивлением цепи переменного тока; индуктивность цепи выпрямленного тока считают бесконечно большой. При этом выпрямленный ток принимают идеально сглаженным, характер коммутации – прямолинейным.

Параметры и характер работы преобразователя УУГ определяют ряд особенностей его расчета.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 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.