Embed Size (px)
Citation preview
Факултет „Комуникации и електрообзавеждане в транспорта”
Катедра „Електроснабдяване и електрообзавеждане на транспорта”
София, 2019 г.
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
Н А
Д И С Е Р Т А Ц И О Н Е Н Т Р У Д
за придобиване на образователна и научна степен
„Доктор”
на тема:
„Микропроцесорна система за управление
на електротранспортни средства
с импулсни регулатори”
Автор: ас. маг. инж. Любомир Симеонов Секулов
Научен ръководител: проф. д-р инж. Георги Митков Павлов
Дисертационният труд е обсъден и насрочен за защита от
разширен катедрен съвет на катедра „Електроснабдяване и
електрообзавеждане на транспорта” при факултет „Комуникации и
електрообзавеждане в транспорта” на ВТУ „Тодор Каблешков” – София,
състоял се на 9.01.2019 г.
Дисертантът работи в ВТУ „Тодор Каблешков“ – гр. София като
„асистент“ към катедра ЕЕТ .
Дисертационният труд съдържа 154 страници, 62 фигури, 6
таблици и 133 броя литературни източници. Към дисертационния труд, са
подвързани отделно приложения 34 страници, съдържащи схеми, изгледи
на устройствата, референции, спецификации на основната елементна база
и експерименталната екипировка.
Тема на дисертационния труд:
Микропроцесорна система за управление на ЕТС с импулсни
регулатори
Автор: маг. инж. Любомир Симеонов Секулов
Област на знанието:
5. „Технически науки”
Научна специалност:
5.2 „Електротехника, електроника и автоматика“
(„Електроснабдяване и електрообзавеждане в транспорта“)
научен ръководител:
проф. д-р инж. Георги Митков Павлов
Технически редактор: маг. инж. Любомир Симеонов Секулов
Тираж: 15 броя
Печатна база на ВТУ „Тодор Каблешков” – София
1
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Актуалност на проблема
Електрическият транспорт, като решение на транспортната задача
и като обществена услуга, се осъществява с въвеждането на първите пет
трамвайни линии в България, пуснати в експлоатация на 1 януари през
1901 г. и с това се полагат основите на електротранспорта в България. Най-
дългата трамвайна линия тогава се е запазила и до днес и е свързвала
София със с. Княжево, при обща дължина на трасето от 7762 метра в
едната посока. През 1941 г. се въвежда в експлоатация и първата
тролейбусна линия в България: бул. Цар Борис III – с. Горна баня.
Електрическият транспорт трябва да осигури:
- висока надеждност и безопасност на движението;
- по-висока енергийна ефективност спрямо автотранспорта;
- максимален комфорт за пътниците с минимални транспортни
разходи;
- висока скорост на комуникация и достатъчен носещ капацитет;
- необходимата честота и редовност на трафика по линията;
- добра маневреност и високи динамични свойства на сцеплението
при работа в общия поток на транспортната схема на града;
- минималното ниво на шум при шофиране;
- нивото на екологична безопасност, което да отговаря на
установените изисквания за опазване на околната среда.
Много мерки в областта на транспорта биха могли да се приложат
комплексно, за да се повиши енергийната ефективност на тяговата
електрозахранваща система (ТЕС), но най-важното изискване е
внедряването и експлоатацията на съвременна техника, както в подвижния
състав (ПС) така и в стационарните съоръжения, както и експлоатация на
електрически транспортни средства (ЕТС) със съвременно тягово
електрозадвижване (ТЕЗ), с възможност за реализация на електрическо
рекуперативно спиране и създаване на оптимални условия в ТЕС за
ефективното ѝ оползотворяване.
Цел и задачи на дисертационният труд
Целта на дисертационната работа е да се извърши разширено
експериментално и аналитично изследване на теглителните и спирачни
режими на ЕТС с ИР, експлоатирани в НГЕТ, като въз основа на анализа
на получените резултати да се проектира и разработи управляващ блок,
включващ захранване, защити и микропроцесорна система за регулиране
по зададен алгоритъм на основните режими на работа на тролейбус MAN.
2
Необходимите задачи, които трябва да се изпълнят, за да бъде
постигната целта на дисертационния труд, са следните:
1. Да се направи аналитично и експериментално изследване и
последващ анализ на схемните особености, режими на работа,
параметрите и характеристиките на обекта за проектиране и модернизация
(Глава 2);
2. Да се изследва експериментално съществуващата система за
управление на тролейбуса и на тази база да се конкретизират началните
условия за проектиране и алгоритъма за управление (Глава 3);
3. Да се проектира МСУ и защита, реализираща надеждна и
ефективна работа на тролейбуса в тягов и спирачен режим. Спирачният
режим да включва електродинамично и рекуперативно спиране (Глава 4);
4. Изграждане на МСУ и защита и провеждане на контролни
изпитания на място (на стенд) и в реални пътни условия за надеждност,
функционална годност и ефективност (Глава 5).
Обект на изследванията в дисертацията Обект на изследване в дисертационния труд са режимите на
движение на системата на управление на тролейбус Graf und Stift/МАN
модел GE152 M18 собственост на „Столичен електротранспорт” ЕАД.
Обърнато е сериозно внимание на причините, които предизвикват откази.
За изследване на процесите и режимите на работа могат да се
използват следните методи:
математическо и програмно моделиране на преходните процеси в
тягов и спирачен режим на ЕТС на основата на използване на
специализирани програмни продукти;
спектрален анализ на токовете и напреженията на отделните
елементи в съставената схема, с цел изследване и определяне на
характера на изменение на параметрите в ЕТС;
експериментални реални измервания на различни режими на
работа на ЕТС (номинални и аварийни) в избрани за целта участъци от
ТКМ, посредством специализирана измервателна микропроцесорна
техника.
Създадена е методика за провеждане на експериментално изследване
на управляващите параметри в тягов и спирачен режим на тролейбус
MAN. Изследванията са проведени при различни условия, обхващащи
целия работен диапазон на ЕТС, както и специфичните гранични режими,
определящи алгоритъма на защитата;
На базата на аналитичната методика и направените изчисления за
основните параметри на различните режими на движение на тролейбус
МАN е проектиран и изработен хардуер за БУ (Приложение 6).
3
Практическа приложимост
1.По Договор №2/2016 г. със Столичен електротранспорт ЕАД, през
2017 г., са изработени и внедрени в експлоатация два блока за управление
на тролейбус Graf und Stift/MAN, чиито основно предназначение е да
повишат надеждността и ефективността на управление на всички основни
режими на работа на ЕТС. Получена е референция от Столичен
електротранспорт ЕАД за качествата на направената модернизация и
получения икономически ефект, показана в приложение 8
Резултати от изследванията
Направеното експериментално изследване на тролейбус MAN в
реални експлоатационни условия, на базата на което са определени
началните условия на УЗ за проектиране на управляващ блок, включва
следните основни моменти:
1.В тягов режим са отчетени началните стойности на котвените и
възбудителни токове на ПТД във функция от УЗ на тяговия педал,
алгоритъма им на изменение в зависимост от оборотите до излизане на
естествена характеристика, степента на ОП на възбуждането. Направен е
анализ на изменението на напреженията на филтъра и КМ. Фиксирана е
големината на първия отпушващ импулс на тиристора THF, определящ
началната стойност на коефициента на импулсна модулация и сигурната
работа на тиристорната структура. Определени са максималната стойност
на ШИМ и работната честота на регулатора;
2.Определен е алгоритъмът на работа на всички тиристори в спирачен
режим на тролейбуса, като са отчетени началните стойности на котвените
и възбудителни токове на ПТД във функция от УЗ на спирачния педал,
алгоритъмът им на изменение в зависимост от оборотите до края на
спирачния процес. Изследвано е, че предварителното възбуждане на
генератора се осъществява в два етапа, посредством последователното
включване на тиристорите THF и THB. Този процес води до нарастване на
котвения ток до определена стойност (100 А), в същата посока, както при
тяга и обръщане посоката на тока, до стойност, зависеща от ширината на
импулса на THB и конкретното УЗ на спирачния контролер. Тролейбусът
реализира рекуперативно и реостатно електрическо спиране до
минимална скорост ва движение от 3 km/h.
3.Изведена е формула за мощността и силата в режим на рекуперативно
спиране в зависимост от коефициента на трансмисията, скоростта, тока на
двигателя и радиуса на колелата.
4.От направените моментни записи на управляващите сигнали на
тиристорите, участващи в режима на електрическо спиране (THF, THB,
4
TB и Tr), е анализиран алгоритъмът на управление в зависимост от
скоростта, натоварването, УЗ, както и вида на електрическото спиране –
рекуперативно и реостатно;
5.От направените изследвания и анализи и получените резултати
следва, че е необходимо да бъде проектиран, изработен и параметризиран,
съобразно изискванията на тролейбуса в основните му режими на работа,
нов управляващ блок, който да съдържа следните модули:[26]
Управляващ модул за режим тяга;
Управляващ модул за електрическо спиране – избирателно
рекуперативно или реостатно електрическо спиране;
Блок за контрол и защита на ТЕЗ;
Захранващ блок – обезпечаващ необходимите оперативни
напрежения и токове на БУ.
Блок за тестови режим
Блок за управление на спомагателните вериги
Блок за визуализация на режимите на работа и на грешките.
6.На базата на предложената аналитична методика са направени
изчисления на основните параметри на рекуперативния процес при
тролейбус МАN, като са получени конкретни резултати, използвани при
проектирането на МСУ.
7.Направено е симулационно моделиране в средата на MATLAB
Simulink на силовата схема на изследвания тролейбус при заложен
алгоритъм на управление, на базата на конкретно проведените аналитични
и експериментални изследвания и анализи и конкретни стойности на
параметрите на електрозадвижването и силовите прибори от силовата
верига на тролейбус MAN.
8.Създаден е алгоритъм за управление на тролейбус МАN при спиране
и тяга, вж. приложение 1. Същият може да се приложи при всички тягови
задвижвания с ПТД.
9.Проектирана е електрическа схема на БУ за тролейбус MAN, която
осигурява всички режими на работа на ЕТС и е съгласувана и съвместима
с електрическата схема на тролейбуса. Проектирането и изпълнението на
МСУ е направено по договор, сключен със „Столичен електротранспорт”
ЕАД, в който са формулирани и основните параметри на заданието. Целта
на проекта е изграждане на БУ, който да реализира ефективно управление
на основните тиристори на ИР на тролейбуса в тягов, реверсивен и
спирачен режим.
13.Разработен е софтуер (Приложение 4) заложен в алгоритъма на
управление на изработения БУ(Приложение 1), осигуряващ защитата и
управлението на хардуера в основните режими на работа на ЕТС; в
5
хардуера (Приложение 6), изпълнен по електрическата схема от
приложение 2.
14.За нуждите на управлението е разработен алгоритъм за
преобразуване на нелинейните сигнали от датчиците за обороти в линейни
и на тази база са изчислени техните стойности приложение 5.
15.Направена е проверка за бързодействието на защитите по ток и
напрежение в силовата част на тролейбус MAN.
16.Извършени са тестови изпитания на модернизирания БУ за
тролейбус МАN и са заснети осцилограми на входно-изходните сигнали,
част от които са показани в глава 5 на ДТ.
17.Направени са контролни изпитания на модернизирания БУ за
тролейбус МАN в реални пътни условия и са заснети осцилограми на
входно-изходните сигнали в различните работни режими на ЕТС.
18.Извършен е сравнителен анализ на резултатите от входно-
изходните сигнали от модернизирания БУ и съществуващия БУ, като са
отчетени преимуществата на новия БУ в режим на рекуперативно
спиране;
СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
“Математика - това е ключът и вратата към всички науки.“
Галилео Галилей
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРЕН ОБЗОР ПО ТЕМАТА НА
ДИСЕРТАЦИОННАТА РАБОТА
Столичният електротранспорт играе основна роля в
икономическия и социален живот на почти двумилионната ни столица,
поради това той трябва да функционира надеждно и ефективно. Всяко
възникване на повреди и аварии в системите му води до влошаване на
качеството на живота на столичани.
1.1. Основни принципи на импулсното регулиране на
теглителната и спирачна сили на ЕТС за постоянен ток. Режими на
работа, технически параметри и характеристики.
ПТД намират все още широко приложение във всички сфери на
промишлеността, енергетиката и транспорта. Историческото развитие
първоначално е дало предимство на използването на постояннотоковите
двигатели с различен начин на възбуждане и въпреки че в последните
десетилетия те се изместват от променливотоковите асинхронни и
синхронни двигатели, поради тяхната по-проста конструкция и по-лесна
експлоатация, още дълго ПТД ще бъдат в експлоатация.
6
1.1.1. Постояннотокови импулсни регулатори с
еднооперационни тиристори. Схемни особености, параметри и
характеристики
При използване на еднооперационни тиристори (широко
приложение в импулсните задвижвания в ГЕТ) схемата на регулатора се
усложнява, поради необходимостта от включване на комутатор,
обезпечаващ изкуствена комутация на работните тиристори.
Разнообразието им като схемни решения е голямо и няма да бъде
разгледано подробно в ДТ, но в практиката са се утвърдили комутаторите
от паралелен тип с паралелно свързана комутираща индуктивност и
презаряд, независещ от товарния ток. Основен параметър на комутаторите
е схемното време tсх, което определя комутационните способности на
регулатора и надеждната работа на тиристорите.
1.1.2. Постояннотокови импулсни регулатори с двуоперационни
тиристори (GTO) и транзистори от типа IGBT. Схемни особености,
параметри и характеристики
Високите европейски изисквания към страната ни предполагат
решаването на няколко неотложни задачи, свързани с изграждането на
високоефективна и надеждна транспортна система. Успоредно с
решаването на всички въпроси по изграждането на инфраструктурата на
транспорта стоят и проблемите за обновяване и модернизиране на ЕТС за
железопътен и градски транспорт.
Специфичните изисквания към тяговите транспортни средства за
двата вида транспорт, които налагат висока ефективност в енергийно
отношение и засягат скоростта и комфорта на возене, ускориха със
сериозни темпове развитието на полупроводниковата техника и
изграждането на тази база на високоефективни ПРУ с конкретно
изисквани качества.
1.2. Особености и параметри на ЕТС с ИР, експлоатирани в
наземния градски електрически транспорт
Към момента в СЕТ се експлоатират ЕТС с импулсно регулиране
от различни поколения. Тяговите електрозадвижвания на съвременните
ЕТС са реализирани на базата на най-новото поколение силови
полупроводникови прибори и микропроцесорни управления. Паралелно с
това се експлоатират и различни тролейбуси и трамвайни мотриси с
постояннотоково ЕЗ, при които захранването и регулирането на режимите
на работа на ТД се осъществява посредством ИР с еднооперационни
тиристори. Това голямо разнообразие представлява голямо
предизвикателство относно експлоатацията и поддръжката на ЕТС. В ДТ
ще бъдат разгледани и анализирани основните схемни варианти на
7
подобен тип возила.
1.2.2. ЕТС с ИР, реализирани с двуоперационни тиристори.
Схемни особености, режими на работа, основни параметри
В СЕТ в тролейбусно депо „Искър“ се експлоатират тролейбуси
тип MAN, които са с ИР, реализирани с двуоперационни тиристори GTO.
ТД е с номинална мощност 180 kW.
1.3 Енергийни загуби в ИР
Качеството на ИР също така зависи до голяма степен от качеството
на използваните полупроводникови елементи. В момента при различните
ЕТС и поколения ИР се използват еднооперационни и GTO тиристори,
както и IGB транзистори. Тези прибори до голяма степен определят
схемната сложност и комутационните възможности на ИР.
Освен загубите в ИР съществуват и загуби в ПТД, като основните
енергийни загуби в ПТД за ЕТС са два вида: постоянни(магнитни), които
не зависят от товара и променливи, които зависят от товара.
Коефициентът на полезно действие η на регулатора се определя по
формулата
(1.28) 𝜂 =𝑃2
𝑃2+∑ 𝛥𝑃 ,%
където:
P2 – полезна механична мощност отчетена на вала на ТД.
(1.29) ∑ 𝛥𝑃𝑝 = 𝛥𝑃дв + 𝛥𝑃др + 𝛥𝑃𝐷 + 𝛥𝑃𝑇𝑅 + 𝛥𝑃𝑈𝑓 , 𝑊
e общата сума от мощността за загубите в регулатора, където:
(1.30) 𝛥𝑃др = 𝐼2. 𝑅др , 𝑊 E мощността, определяща ел. загуби в дроселите от тяговата верига
(1.31) 𝛥𝑃𝐷 = 𝑘. 𝐼𝑑2. 𝑅𝑑 + 𝑘. 𝐼𝑑 . 𝛥𝑈𝑓 , 𝑊
Загубите в диодите зависят от техническите параметри, описани в
спецификацията на силовия прибор и пряко от тока на ТД и
околната температура
(1.32)` 𝛥𝑃𝑇𝑅 = 𝑘. 𝐼𝑇𝑅2. 𝑅𝐷𝑆 +
𝐸з𝐼𝐺𝐵𝑇
𝑡 , 𝑊
(1.33) 𝛥𝑃𝑈𝑓 = 𝑄. 𝑡𝑔𝛿 , VAR ,като (1.35) 𝛥𝑃ел = 𝛥𝑃МЗ. 𝑘𝑔 + 𝛥𝑃ВЗ. 𝑘𝑔 + 𝛥𝑃К , 𝑊
8
където:
(1.36) 𝛥𝑃К = 𝐼ДВ2. 𝛴𝑅ДВ , 𝑊
са загубите в котвата на двигателя, където:
- IДВ – ток през двигателя , A
-𝛴 𝑅дв – сумарно активно съпротивление на двигателя , Ω
Pмз и Pвз са постоянни загуби и не зависят от тока на силовата
верига, W/kg.
Мощността на магнитните загуби Pмз се дължи на хистерезиса и
вихровите токове, които са зависими от честотата и оборотите, от
магнитната индукция в котвата и от конструктивните характеристики на
ТД.
Магнитните загуби се определят по формулата:
(1.37) 𝛥𝑃𝑀З = 𝜎𝑓.𝐵2
100 , 𝑊/𝑘𝑔
Загубите от вихрови токове Рвз се определят по формулата:
(1.38) 𝛥𝑃ВЗ = 𝜎. (𝑓.𝐵
100) 2, 𝑊/𝑘𝑔
Освен постоянните магнитни загуби съществуват и постоянни
механични загуби, които при мощности до 100kW представляват 2-4% от
номиналната мощност на ТД. Общите постоянни загуби са сума от
магнитните и механичните. Към променливите загуби се причисляват
загубите от нагряване на проводниците, които се определят по закона на
Джаул-Ленц и към всички изброени до тук загуби се прибавят и
добавъчните загуби, които зависят от нелинейността на котвата, от
загубите от вихрови токове в проводниците на котвата и от загубите при
комутации, причинени от взаимодействието на четките и колектора на
ротора.
1.4. Видове системи за управление и основни алгоритми,
използвани в ЕТС с импулсно регулиране на теглителната и спирачна
сила
В ЕТС системата за управление определя основните параметри на
тяговия и спирачен режим на силовите електрически машини, съобразно
текущото УЗ на водача от тяговия и спирачен контролер. В зависимост от
вида на ЕЗ, СУ трябва да контролира различен брой параметри в реално
време. В зависимост от това дали СУ следи изпълнението на УЗ и
реализира обратна връзка с цел корекция на алгоритъма на управление или
не го следи, системите за управление (СУ) се разделят на затворени и
9
отворени. Във всички съвременни ЕТС се използват затворените СУ, тъй-
като те гарантират сигурността и качеството на управление, а това се
осъществява посредством бързи микропроцесорни устройства. В НГЕТ се
експлоатират и трамвайни мотриси и тролейбуси от по-старо поколение с
отворена СУ.
ГЛАВА 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ИЗСЛЕДВАНЕ НА ОСНОВНИТЕ
РЕЖИМИ НА РАБОТА НА ТРОЛЕЙБУС MAN
Обектът на изследване в дисертационната работа е тролейбус
MAN с импулсно регулиране на основните режими на работа и регулатор,
изпълнен със силови двуоперационни тиристори от типа GTO. Силовата
схема на тролейбуса е показана в Глава 1 на фиг. 1.17. Тя включва входен
филтър, състоящ се от индуктивностите L1 и L2, капацитетите С3 и С4,
както и група силови диоди и тиристори (описани в Глава 1), реализиращи
тягов и спирачен режим на тролейбуса. Специфичната особеност на
силовата схема е такава, че отслабването на полето на ВН на двигателя
(EF) става автоматично, без използването на допълнителни силови
комутационни или управляващи елементи. Този режим на двигателя се
реализира през диодите DF, DB и DA.
2.1. Блок за управление. Входно-изходни сигнали
2.1.1. Входни сигнали и блокове
Включването на БУ се осъществява през контактния ключ на
арматурното табло на шофьора през проводник d28, b28, z28 на букса A2.
БУ следи и изправността на главния предпазител на тролейбуса F5 и
предпазителя на тиристора ТНВ F5 посредством сигнали през
проводниците 269 и 268 и крачета d24 и b24 на букса A2. Към БУ е
присъединен педалът за тяга – блок B12, който определя заданието за
движение, като от него идва и сигнал за крайни положения на педала F0.
Чрез проводник 135 към краче z18 на присъединителната букса B2 от
(фиг.2.1) педалът се захранва от БУ през b16 към b14 чрез стабилизирано
напрежение от 7,2V, като токът на консумация е 0,2A.
2.1.2 Изходни сигнали и блокове
Изходните сигнали на БУ се формират посредством алгоритъма
за управление в двата режима на тяга и на спиране и са функция на
входните сигнали, описани в т.2.1.1.
2.1. 3 Входно-изходни сигнали и блокове
В БУ съществува един входно-изходен сигнал, който излиза от
краче d22 на букса A1 и влиза обратно през краче b22_ на букса A2.
10
2.2. Установен режим. Условия за стартиране на системата за
управление.
Управлението на тролейбуса се извършва от БУ. Системата минава
през установен режим, с който се гарантира нормалното функциониране
на СУ. Захранването на СУ се извършва от блок за захранване (БЗ) A1,
който осигурява всички захранващи напрежения с необходимия работен
ток за работа на СУ на тролейбуса. Захранването на БЗ се осъществява от
АБ +24V чрез проводници 8/4 за положителния полюс и 8/2 за
отрицателния полюс.
С включване на ГП настъпват преходни процеси за зареждане на
филтъра, показани на фиг.2.2.Прекъсвачът осигурява протичането на
големи зарядни токове на филтърния кондензатор, което води до
износването на контактните пластини. Същевременно той няма нужното
бързодействието, за да оосигури защита на силовите комутиращи прибори
от ЕЗ. От тази осцилограма ясно се отчита времето за зареждане на
филтъра, което е 44 ms и максималната стойност на напрежението от
1040V.
След времето за
установяване на постоянно
напрежение Uce на филтъра и ако то
е в норма, се проследяват входните
сигнали за УЗ от педалите за тяга и
ел. спиране. Ако и те са в норма, СУ
очаква затваряне на веригата на
котвената намотка и УЗ за тяга от
педала B12 за тяга.От входните
сигнали се определя и
функционалността на охладителната
система за силовия блок на ИР. В
случай, че няма обороти на
двигателя за принудително
охлаждане или си повиши температурата БУ получава сигнал за анализ.
2.3. Експериментални изследвания и анализ на основните
параметри и характеристики на тролейбус MAN в тягов режим.
Експерименталното изследване на тролейбуса е направено в
нормални експлоатационни условия при движение на линия.
Тролейбусите се експлоатират в град София от тролейбусно депо „Искър”.
Направено е експериментално изследване на основните режими на работа
(тягов и електрическо спиране) на ЕЗ на тролейбус MAN и на тази база –
заснемане и анализ на силовите и управляващи параметри. Основната цел
Фиг.2.2 Включване на ГП на тролейбус MAN
и измерване на напрежението Uce на
филтърния кондензатор
11
е да се определят алгоритмите, заложени в управляващия блок на тяговите
и спирачни тиристори на силовия регулатор на тролейбуса, както и
формата и големината на всички сигнали, реализиращи контрола и
защитата на тяговото електрообзавеждане.
2.4. Експериментални изследвания и анализ на основните
параметри и характеристики на тролейбус MAN в режим на
електрическо спиране
Спирачните режими са изключително важни за ЕТС и
изискванията към тях са високи. Необходимо е спирачният процес да
бъде с висока степен на надеждност, сигурност, точност и да се
управлява лесно. Основно в ЕТС се използват два спирачни режима на
електрическите двигатели:
Рекуперативно спиране – електрическо спиране с отдаване
на енергия в контактната мрежа (КМ);
Динамично електрическо спиране – електрическата
енергия се отдава в спирачен резистор в самото транспортно средство;
Комбинирано спиране за постигане на оптимални
спирачни характеристики в зависимост от заданието и конкретните пътни
условия.
ГЛАВА 3. ИЗСЛЕДВАНЕ И АНАЛИЗ НА СИСТЕМАТА ЗА
УПРАВЛЕНИЕ НА ТРОЛЕЙБУС MAN
При проведеното изследване са определени алгоритмите на
изменение в нормални експлоатационни и гранични режими на основните
управляващи сигнали на съществуващия БУ на тролейбуса.
Експерименталните изследвания, на базата на които са направени
анализите, са осъществени в реални пътни условия при всички възможни
режими на работа на ЕТС. Получени са крайни резултати, даващи
възможност за формулиране на задание за проектиране на
микропроцесорно управление, което да замени съществуващото и
реализира аналогичен алгоритъм за управление и защита.
Измерването е направено с прецизна цифрова измервателна
техника, четириканален цифров осцилоскоп с памет „Rigoll“ модел 1074B,
присъединен към изходните сигнали на токовите и напреженови датчици,
свързани в силовата схема на тролейбуса, както и сигналите, подавани към
управляващите тиристори. Сигналите за измерване са взети директно от
присъединителните букси А1, A2 и В2 от БУ, фиг.2.1, съобразно
техническата документация на тролейбус MAN в режим на експлоатация
Осцилоскопът RIGOL 1074B е с дискретизация 2Gsa/S, което гарантира
точност и прецизност на измерванията. Следенето на четири канала в
12
реално време задължава да се използват цветни графики в показаните
фигури, като цветовете фигурират и в обяснението под фигурите. Масата
на измерените сигнали е различна, като тя зависи от изследвания сигнал.
Това е така поради галваничното разделяне на драйверите БУ и шасите но
тролея, което се явява галванично свързано към отрицателния лолюс на
АБ.
Режимът на движение на тролейбуса се определя от
съотношението на всички сили, действащи върху него, чийто анализ
показва, че при нормални експлоатационни условия са възможни три
режима на движение на тролейбусите:
тяга, където 𝑑𝑉
𝑑𝑡≧ 0
инерция, където 𝑑𝑉
𝑑𝑡≦ 0
спиране, където 𝑑𝑉
𝑑𝑡≪ 0 (Фиг.3.1).
Режимите на движение на тролейбусите се изчисляват при ясни
технически изисквания. Например изчисляването на режима на тягата
започва с пускане (стартиране), чиято интензивност се определя от
началния ток на ТД, масата на тролейбуса и наклона. Максималната
стойност на изходния ток, който съответства на най-тежкия режим на
работа на двигателя, се определя на базата на условията за надеждна
работа на двигателя (комутация) и липсата на значително буксуване на
задвижващите колела.
Направените измервания показани на движение на тролейбус
в MAN осцилограмата на Фиг.3.2 са аналогични на известните режими на
движение от Фиг.3.1. Ясно са изразени
режимите на движение тяга и електрическо спиране с режима на движение
без тока, показан на фигурата, е
Фиг.3.1 Режими на движение на тролейбуса. V –
крива на скоростта на ПС, I – крива на тяговия
ток
Фиг.3.2 Заснети режими на движение на
тролейбуса
котвен ток ( CH1-син), възбудителен ток
(CH2-червен), обороти (СН4-оранжев)
13
На Фиг.3.3 са показани моментните стойности при различните
режими на движение. Ясно е
изразена нулевата стойност на
котвения ток, както в
инерционния режим така и на
Фиг.3.3. Смяната на поляритета
на котвения ток също се вижда в
таблицата и графиката. Именно
той определя преминаването на
ПТД от двигателен в
генераторен режим.
3.1. Изследване на
основните управляващи
сигнали на всички тиристори
(GTO), участващи в силовата схема на тролейбус MAN в режими на
тяга и ел. спиране
С цел да се анализира работата на БУ са изследвани алгоритмите
на управление на всички тиристори GTO, участващи в режими на тяга и
електрическо спиране. Изследвани са формата, големината на импулсите,
както и законите на регулиране на ШИМ при различните режими и
натоварвания. В силовата схема на тролейбуса са свързани един тягов
тиристор THF и тиристори, реализиращи електрическото спиране –
спирачен тиристор THB, електродинамичен TB и рекуперативни Tr.
Управлението им е специфично, зависещо от определен брой обратни
връзки, контролиращи параметрите на движение.
Фиг.3.3 Моментни стойности при различни
режими на движение
14
3.2. Изследване на основни сигнали от обратните връзки и
защитите в режими на тяга и електрическо спиране
На фиг.3.11, фиг.3.12 са показани осцилограми на основните
сигнали от датчиците, реализиращи обратните връзки в СУ. Показана е
формата на сигналите от датчиците на ток, напрежение, скорост.
Поляритетът на импулсите е инверсен спрямо заснетите.
На фиг.3.12 фиг.3.13 е показана
формата и амлитудата на датчика за
обороти, който е индукционен, и тя е с
ясно изразена нелинейност и
несиметричност. Амплитудата на
сигнала е двуполярна, несиметрична
спрямо нулата и с максимална стойност
36Vpp при 3200RPM на ПТД.
Измерените ефективни и средни
стойности също определят сигнала като
несиметричен.
на БУ.
Вседствие информацията получена от измерванията на тези
сигнали са реализирани алгоритмите на работа на веригите на
управление, контрол и защита на БУ
Фиг.3.11 Управляващи сигнали и обратни
връзки на БУ(СН1-син) форма на УИ на Tr;
(CH2-червен) – обратна връзка по обороти;
(СН4-оранжев) – обратна връзка по
напрежение
Фиг.3.13 Форма и амплитуда на сигнал за
обратна връзка по обороти
Фиг.3.12 Форма и амплитуда на сигналите от
датчиците за обратна връзка по обороти
(СН4-оранжев), котвен ток (СН1),
възбудителен ток (СН2), сигнал от УЗ (СН3-
зелен)
15
“Във всяка наука има толкова истина, колкото има в нея
математика.“
Имануел Кант ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРАНЕ НА МИКРОПРОЦЕСОРНА СИСТЕМА
ЗА УПРАВЛЕНИЕ И ЗАЩИТА НА ТРОЛЕЙБУС MAN В ТЯГОВ И
СПИРАЧЕН РЕЖИМ
При проектирането на СУ се използват както теоретични, така и
експериментални методи за анализ и синтез. Използването на теоретични
методи изисква предварително математическо описание на системата. Въз
основа на добре познатата функционална схема да изпълни описанието
чрез изготвяне на диференциални интегрални, алгебрични и логически
уравнения, които описват действието на всички елементи и
взаимодействията между тях. Най-често използваните начини за
математическо описание практика са:
1) диференциални уравнения, написани под една или друга форма;
2) блокови диаграми, които са графична интерпретация на
диференциални уравнения;
3) матрични структурни схеми, които в момента са най-
разпространени при описание на линейни системи.
СУ на практика съдържат елементи, които в по-голямата част са
описани от нелинейни уравнения. Това се дължи на няколко причини:
1) нелинейност на статичните характеристики на елементите.
Статичната характеристиката е зависимостта на изходната стойност X2 на
елемента от стойността на входа X1 при установен режим.
2) уравненията на елементите могат да включват продуктите на
променливите, техните производни и други по-сложни функционални
зависимости.
3) Често в на СУ се влизат дискретни сигнали:
а)импулсни
б) цифрови
в) релейни
В СУ, която използва цифрови сигнали, стъпката на семплиране
(квантуване) е обикновено е по-малко за получените променливи сигнали
в сравнение с изискваната точност на представянето им и тези променливи
може да не се разглеждат. В този случай цифровите елементи се свеждат
до импулсни. Съвременната СУ има сложно математическо описание.
Следователно е прието да се използват теоретични методи за анализ и
синтез, които представят математически модел на СУ във формата на
линейни уравнения.
За тази цел се линеаризират нелинейни елементи, т.е. заменят се
нелинейните уравнения елементи чрез някои приблизителни линейни
16
уравнения, чиито решения обаче са съвсем близо до решенията на
оригиналните нелинейни уравнения.
Проектирането и изпълнението на МСУ е направено по договор,
сключен със „Столичен електротранспорт” ЕАД, в който са формулирани
и основните параметри на заданието. Целта на проекта е създаване на БУ,
който да реализира ефективно управление на основните тиристори на
тяговия изправител на тролейбуса в тягов, реверсивен и спирачен режим.
Необходимо е изпълнението на новия блок да е микропроцесорно и
алгоритъмът на управление да съответства на съществуващото
оригинално управление.
Проектираният БУ е реализиран основно с микропроцесори модел
PIC16F1786, като посредством зададен алгоритъм, реализира ШИМ, при
конкретно зададена честота, в зависимост от режима на работа на ТЕЗ –
тягов или спирачен. Конкретните параметри на заданието за проектиране
на БУ са установени на базата на извършеното разширено
експериментално изследване, показано в Глава 2 и Глава 3 на ДТ, като и
на известните методики зависимости и специфичности при тиристорните
ТЕЗ реализирани с ИР
Те могат да бъдат обобщени по-следния начин:
Тестови режим
Проверка на захранването на БУ;
Проверка на датчиците за ток и напрежение;
Проверка на блока за визуализация;
Проверка на обратните връзки;
Проверка на вътрешната шина за данни;
Проверка режим “Готовност” на всички модули от БУ.
Тягов режим
Начин на регулиране – ШИМ с константна честота f = 500Hz;
Минимална ширина на импулса на THF - 120µs;
Диапазон на регулиране на ШИМ – от 0,1 до 98%;
Време за ускорение от 0 до 100% – 8, 2s;
Форма на управляващия импулс – правоъгълна;
Бързодействие на СУ – под 1 µs;
Изграждане на бързодействащи защити – максимален котвен и
възбудителен ток, минимално и максимално напрежение;
Защити и забрани за съвместна работа на тиристорите THF и THB;
Разрешение за работа на БУ при конкретно зададени начални
условия;
Работа на БУ по конкретно зададен алгоритъм – съответстващ на
съществуващия БУ;
17
Регулиране на тяговия ток – в зависимост от конкретното УЗ;
Диапазон на регулиране на Ia - 47÷500A;
Контрол на напрежението Uсе на филтъра на тролейбуса – до 800V;
Спирачен режим
Възможност за реализация на – електродинамично и рекуперативно
спиране;
Спиране по конкретен алгоритъм в зависимост от спирачното УЗ
на спирачния контролер;
Начална ширина на THF – 400 µs;
Ширина на първи импулс на THB за обръщане посоката на Ia до
120А – приблизително до 30 ms;
Управление на ШИМ на THB – по зададен алгоритъм, в зависимост
от текущата стойност на Uсе;
Ширина на рекуперативен импулс на Tr – 300 µs;
Ширина на УИ за TB - 160 µs – в паузата на THB;
Диапазон на регулиране на Ia - 100÷500A;
Контрол на напрежението Uсе на филтъра на тролейбуса – до 800V;
Осигуряване на всички време-забрани и защити в рамките на 1
период.
4.1. Основни етапи на проектиране на БУ
Проектирането на БУ е направено на няколко основни етапа:
Аналитично определяне на параметрите на управляващите
сигнали на силовите прибори в тягов и спирачен режим;
Аналитично определяне на параметрите на реостатния режим
на спиране на ЕТС в условията на градско движение;
Аналитично определяне на параметрите на рекуперативния
режим на спиране на ЕТС в условията на градско движение;
Програмно симулационно моделиране в средата на MATLAB
Simulink на различни схемни решения и управления;
Анализ на получените резултати от симулациите и на тази база
– избор на окончателното схемно решение и на структуриращите
го елементи.
4.2. Аналитично определяне на параметрите на
управляващите сигнали на силовите прибори
С увеличаване на скоростта на движение на ЕТС,
напрежението на UДВ расте с линейна зависимост, така че при с.Ф=const и
Iдв = const.
18
(4.1) 𝛾 =𝑐.Ф.𝜈+𝐼пдв.𝛴 𝑅дв
𝑈з= 𝛾р + 𝛾0
където 𝛾р =𝑐.Ф.𝜈
𝑈з е регулируемият коефициент на запълване, а 𝛾0 =
𝐼пдв.𝑅дв
𝑈з
е нерегулируемият начален коефициент на запълване, откъдето се
определя минималното време за отпушване на тиристора.
(4.2) 𝑡0 =𝐼пдв.𝛴 𝑅дв
𝑈з.𝑓 , S
След заместване в (4.2) се получава t0=110µs, който резултат
съвпада с направените експериментални измервания в Глава 2 от ДТ, Този
резултат дава основания този параметър да бъде заложен в алгоритъма за
управление.
4.3. Аналитично определяне на параметрите на реостатния
режим на спиране на ЕТС в условията на градско движение
Реостатното спиране при съвременните ЕТС се използва само
когато няма възможност за рекуперативно спиране. То се извършва чрез
съпротивление, монтирано на покривното оборудване на ПС. Реостатното
спиране зависи както от стойността на съпротивлението, така и от
алгоритъма на управление на ЕТС в режим на спиране. Известната силова
схема на тролея се характеризира с два подрежима на спиране:
Подрежим на реостатно спиране, когато силовият прибор ТВ
е отпушен и енергията от филтърния кондензатор и от ТД, който работи в
режим на генератор, се отдава като топлина в околната среда посредством
спирачния резистор Rt. От спецификацията на тролейбуса и от
измерванията е известна неговата стойност – Rt=R11=1,00Ω. За
реостатното спиране трябва да е изпълнено условието Rt>>Rдв, което
действително е изпълнено.
Също така е валидна зависимостта за напрежението URt върху
спирачния резистор:
(4.3) 1
𝑈𝑅𝑡=
1
∫ 𝐼дв.(𝛴 𝑅дв+𝑅𝑡)𝑑𝑡𝑡и
0
+1
1
𝑐𝑓∫ 𝐼𝑐.𝑑𝑡+𝑈𝑐0
𝑡и0
,1
𝑉
където:
За спирачния ток при този режим на работа е валидна зависимостта:
(4.4) 𝐼дв = 𝑐𝑓𝑑𝑈𝑐
𝑑𝑡+
𝑈𝑅𝑡
(𝛴 𝑅дв+𝑅𝑡) , 𝐴
Подрежим на зареждане на филтърния кондензатор,
когато силовият прибор ТВ е запушен и енергията от ТД, който работи в
режим на генератор, служи само за дозареждане на филтърния
19
кондензатор. От спецификацията на тролейбуса и от измерванията е
известна стойността на филтърния кондензатор C3=330µF.
(4.5) 𝐼дв = 𝑐𝑓𝑑𝑈𝑐
𝑑𝑡 , 𝐴
От известното до тук става ясно, че да се обезпечи постоянен
спирачен ток на двигателя с намаляване на скоростта, трябва
коефициентът „γ“ за отпушване на ТВ да се увеличава. За скоростта на
двигателя νдв е валидна зависимостта:
(4.6) 𝜈дв =𝐼дв.[𝛴 𝑅дв+𝑅𝑡(1−𝛾)]
𝑐.Ф , 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Тази формула определя три начина за регулиране на
скоростта на въртене на ротора на ПТД:
Тази формула определя три начина за регулиране на скоростта на
въртене на ротора на ПТД:
1. да се регулира Iдв .
2. да се регулира „γ“.
3. да се регулират заедно Iдв и „γ“.
4.4. Аналитично определяне на параметрите на
рекуперативния режим на спиране на ЕТС в условията на градско
движение
С течение на времето характеристиките на транспортния процес и
ПС се променят, съответно като се стреми увеличаването на
рекуперацията и нейното ефективно използване във всички спирачни
режими. Рекуперативното спиране най-вече се използва при по
продължителни спускания с наклони 7-10 ‰, за да се поддържа
оптималната скорост на движение. Поради увеличаването на цената на
електроенергията през последните 25 години, все повече се обръща
внимание на ефекта от рекуперация и това довежда до редица научни
изследвания в тази област.
(4.7) 𝑑𝐵𝑠
𝑑𝑉≥
𝑑(𝑖ср−𝜔0).𝐺
𝑑𝑉𝑡
При изследване на процеса B = f(V) при рекуперация, който е
парабола, първата зависимост се изразява чрез следното уравнение:
(4.8) 𝑦 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥−1 + 𝑎2𝑥−2
Тези характеристики могат да бъдат формирани с помощта на
система уравнения, които да бъдат заложени като алгоритъм за
управление в микроконтролера.
Математическо представяване на уравнението на параболата е:
(4.9) 𝑦 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥 + 𝑎2𝑥2
20
Приемаме, че в процеса на
рекуперация скоростта на движение се
понижава от точка V1 до точка V2 и
посредством уравнение (4.3)записваме
система уравнения за две точки с
координати (x1, y1) и (x2, y2)
(4.10) [𝑦1 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥1 + 𝑎2𝑥1
2
𝑦2 = 𝑎0 + 𝑎1𝑥2 + 𝑎2𝑥22
Чрез подходящи преобразувания получаваме:
(4.11) [𝑦 − 𝑦1 = 𝑎1(𝑥 − 𝑥1) + 𝑎2(𝑥2 − 𝑥1
2)
𝑦2 − 𝑦1 = 𝑎1(𝑥2 − 𝑥1) + 𝑎2(𝑥22 − 𝑥1
2)
Разделяме (4.5)на (4.6) и записваме:
(4.12) 𝑦−𝑦1
𝑦2−𝑦1=
𝑎1(𝑥−𝑥1)[1+𝑎2𝑎1
(𝑥+𝑥1)]
𝑎1(𝑥2−𝑥1)[1+𝑎2𝑎1
(𝑥2+𝑥1)] (
Полагаме 𝑎2
𝑎1= 𝑘 е и делим на y.
Получаваме формула за изчисляване на две точки в координатна
равнина x, y.
(4.13) 𝑦 = [(𝑥−𝑥1)[1+𝑘(𝑥+𝑥1)](𝑦2−𝑦1)
(𝑥2+𝑥1)[1+𝑘(𝑥2+𝑥1)]] + 𝑦1
Заместваме записа на уравнението и получаваме спирачната
характеристика на ЕТС при постоянен ток.
(4.14) 𝐵𝑆 = [(𝑉−𝑉1)[1+𝑘(𝑉+𝑉1)](𝐵2−𝐵1)
(𝑉2+𝑉1)[1+𝑘(𝑉2+𝑉1)]] + 𝐵1 , kN
За рекуперативната характеристика на ЕТС получаваме:
(4.15) 𝐵𝑠(𝑉) = 𝑎0 +𝑎1
𝑉+
𝑎2
𝑉2 , kN
В общия случай a 0,a1, a2 са неизвестни и за тяхното намиране се
съставя система от уравнения:
(4.16) {
𝐵1 = 𝑎0 + 𝑎1 × 𝑉1−1 + 𝑎2 × 𝑉1
−2
𝐵2 = 𝑎0 + 𝑎1 × 𝑉2−1 + 𝑎2 × 𝑉2
−2
𝐵3 = 𝑎0 + 𝑎1 × 𝑉3−1 + 𝑎2 × 𝑉3
−2
където:
- (V1 B1), (V2 B2), (V3 B3) са дадените точки, които определят
търсената характеристика.
Фиг.4.1 Спирачни характеристики
на ЕТС
21
Координатите (V1 B1), (V2 B2) определят параболата, а точка (V3
B3) определя степента на деформация на параболата.
Количесдтвото на енергията при рекуперация се определя по
следната формула в kW/h:
(4.17) 𝐴рек′ = 1, 073. 𝑃𝑡 . (𝑉н
2− − 𝑉к2). (1 + 𝑣). 10−5. (1 −
𝜔0−𝑖ср
102.(1+𝑣).𝑎) . 𝜂 , kWh
Забавянето се изчислява по формулата:
(4.18) 𝑎 =𝜉
1+𝑣(𝑖ср − 𝜔0 − 𝑏) , m/s2
(4.19) 𝑏 =𝐵×103
𝑃.𝑔 , N/kN
Основно съпротивление на движението на тролейбусите се
определя от формулата
(4.20) 𝜔0 = 12 + 0,004. 𝑉2
Средното време за забавяне при намаляване на скоростта от Vн до
Vк се определя от формулата:
(4.21) 𝑡ср =(𝑉н
2−𝑉к2)
𝑎ср.3,6 , s
№
Начална
скорост на
движение
Мощност на
двигателя Спиране Eнергия
Време за
рекуперация
km/h kW m/s2 кWh s
1 65 200 -1,2369 0,2039 4,3282
2 60 180 -1,2058 0,1874 3,9791
3 50 160 -1,1627 0,1546 3,2810
4 40 140 -1,1247 0,1217 2,5829
5 30 120 -1,0917 0,0888 1,8848
6 20 100 -1,0638 0,0559 1,1868
7 15 80 -1,0440 0,0395 0,8377
8 10 60 -1,0254 0,0230 0,4887
9 5 20 -0,9927 0,0066 0,1396
22
Средната дължина на спирачния път Lср се определя от
формулата:
Таблица 4.1
(4.22) 𝐿ср =(𝑉н
2−𝑉к2)
−2𝑎ср.12,96 , m
В таблица 4.1 е показан в табличен вид резултатът от аналитичните
изчисления за рекуперативния режим на работа на тролейбус MAN при
средна стойност на забавянето αср = -1,10531 m/s2 и среден наклон на пътя
iср= 0 ‰
4.5. Проектиране и симулиране на силовата схема на
тролейбус в средата на MATLAB-Simulink
На MATLAB e направена
симулация според схемата на
Фиг.4.2, като силовите елементи са
маркирани в жълто, а измервателните
уреди в ранжево, Схемата
съответства на оригиналната на
тролейбуса. На схемата са
обозначени ключа за ГП, реверсора и
БУ.
Извършена е симулация при
известни времена, честота и
коефициент на запълване „γ“ и при
съответни параметри на ТД, на
филтрите, на изглаждащия дросел и
на силовите комутационни прибори
на тролейбуса. Резултатът от
симулацията е при тегло на
тролейбуса 19 000 kg, наклон 10‰,
УЗ 45% и известно съотношение на
колелата към редуктора на
тролейбуса. Той е представен графично на Фиг.4.3.
На първата осцилограма от Фиг.4.3 е показана формата и
Фиг.4.2 Схема на симулация на силовата схема на
тролейбус МАN в тягов режим
23
4.6. Създаване на алгоритъм за управление при тяга и спиране на
тролейбус MAN За да се проектира МСУ е необходимо да се създаде алгоритъм за
управление за тяга и за спиране, който да съответства да всички направени
измервания и който да е резултат от изследванията, описани в Глава 3 от
ДТ.
След стартиране на системата се сравняват условията за
изправност на всички устройства и се проверява тестовият режим, след
което се включва ГП, проверява се напрежението на КМ, проверява се за
наличието на ток през тиристорите, проверява се състоянието на ключа за
дизел генератора и се очаква задание за тяга или за спиране .
Фиг.4.3 Резултати от симулацията на
силовата схема на тролейбус МАN в тягов
режим и товар
Фиг.4.4 Резултати от симулацията на
силовата схема на тролейбус МАN в тягов
режим без товар и без наклон
24
4.7. Проектиране на микропроцесорна система за управление
на тролейбус MAN
При проведеното експериментално изследване, описано в Глава 3
от ДТ, са установени стойностите на изменение в нормални, преходни и
гранични режими на основните силови параметри на ТЕЗ (котвен,
възбудителен ток, напрежения на ТД, филтър и контактна мрежа,
обороти), както и изменението на всички управляващи сигнали от СУ. На
базата на анализа на получените резултати е формулирано задание за
проектиране на микропроцесорно управление, което да замени
съществуващото и реализира аналогичен алгоритъм за управление и
защита.
Блок захранване осигурява нормалната работа на МСУ и е свързан
електрически едностранно към всички модули. Блок визуализация показва
основните режими за работа посредством светлинна индикация на панела
на БУ, както и на арматурата за управление на тролейбуса. БУ на
спомагателните вериги служи за управление на ГП на дизел-генератора.
Блок спиране осигурява електрическото спиране. Блок за тяга осигурява
режима на движение на ЕТС. ГЛАВА 5. ИЗГРАЖДАНЕ НА МСУ И ЗАЩИТИ ПО НАПРЕЖЕНИЕ
И ТОК. ПРОВЕЖДАНЕ НА КОНТРОЛНИ ИЗПИТАНИЯ НА
МЯСТО И В РЕАЛНИ ПЪТНИ УСЛОВИЯ
5.1. Изработване на хардуер за БУ
На основата на проведените аналитични изчисления в Глава 4 от
ДТ и направените експериментални измервания и анализи, описани в
Фиг.4.5 Блокова схема на МСУ за тролейбус MAN
25
Глави 3 и 5 от ДТ, се изработи БУ съобразно блоковата схема, Фиг.4.5 и
е изработен хардуер съобразно електрическата схема Хардуерът е проектиран на Altium и дава възможност да се
интегрира съобразно съществуващите конструктивни габарити на
тролейбуса, без да се променят основните механични характеристики на
ЕТС. Спазени са всички изолационни разстояния и конструктивни
изисквания, свързани с виброустойчивост и електромагнитна
съвместимост. Проектирането на печатни платки започва с измерването
на размерите на различните компоненти, както и на техните пинове, 3
размера на корпуса като – височина, дължина и ширина и запознаване със
спецификацията на елементите.
На Фиг.5.1 са показани разположението на елементите по блокове
съобразно изготвената блокова схема на Фиг.4.5. Това разположение
предполага бърза диагностика, ремонтопригодност и надеждност, която
липсваше при старият БУ. Старият БУ бе изграден не от една платка както
е тук, а от 6 платки свързани помежду си чрез многобройни еластични и
твърди електрически връзки, което бе предпоставка за чести откази и
повреди,у които не могат да бъдат отстранени, чрез ремонт.
26
5.2. Изработване на софтуер за БУ
При разработване на софтуера на МСУ се използва алгоритъмът за
работа на СУ, като са пишат отделни от подпрограми за всеки процесор.
Наложен е принципът за управление MASTER-SLAVE, който гарантира
устойчивост и сигурност на работата на МСУ. Подпрограмите за
проектираната многопроцесорна СУ са написани на асемблер.
Съществува обяснителна бележка към МСУ, която разкрива целта
на всеки блок от МСУ и показва как и по какъв начин се прилага
алгоритъмът за управление в различни режими на работа на
Фиг.5.1 Разположение на елементите върху горна страна
на БУ: 1- Блок за визуализация, 2-Блок за управление на спомагателните вериги, 3-Тестови
блок, 4-Блок за спиране, 5- Блок за тяга, 6-Блок буфериране и защита,7- Блок захранване
3
2
4
1
5 6
7
27
проектираното задвижване. За да се изясни работата на МСУ е
необходимо да се използват времевите диаграми на работата му от Глава2
и Глава3 на ДТ.
На 28-ми ред от програмата се присъединява фабричен файл за
конфигуриране на процесора, който е различен за всеки модел процесор
Таблица 5.1 В редове 30-32 от програмата е дефинирано скриването на
съобщенията за възможен конфликт по адресиране. Таблица 5.1 Конфигурационни битове
Всяка една подпрограма подчинена на главната, който е
компилирана на процесорите започва с настройка на кнфигурационните
битове като примерът в Таблица 5.1 се онася за микропроцесорът IC1.
Главна програма е тази, която изпълнява приротитно алгоритъма за
управление, т.е. налице е диалогов режим на управление между
процесорите.
5.2.1 Организация на енергонезависимата памет
Всички анормални и текущи стойности на аналоговите входни
__CONFIG _CONFIG1, _FOSC_INTOSC &_WDTE_OFF &
_PWRTE_OFF & _MCLRE_OFF & _CP_OFF & _BOREN_OFF &
_CLKOUTEN_OFF & _IESO_OFF & _FCMEN_OFF
__CONFIG _CONFIG2, _WRT_OFF & _PLLEN_OFF & _STVREN_OFF
& _BORV_LO & _LVP_OFF
Таблица 5.4, Организация на енерегийно независимата памет
28
сигнали, описани в Глава 2 от ДТ, се записват в енергонезависимата памет
(E2E), като това дава възможност за диагностика на дефекта.
Организацията на адресите от паметта е представена в таблица 5.4, като
стойностите са в шестнадесетичен вид и показват текущото напрежение
на КМ Ul, напрежението на филтърния кондензатор Uсе, котвения ток Ia на
ТД, възбудителния ток на If на ТД, оборотите на ротора RPM и заданиеята
за спиране и тяга SUSP. Освен аналоговите сигнали, в паметта се записват
и регистрите за грешки на всички процесори.
Всички записани данни могат да се снемат при необходимост и да
се анализират.
5.2.2 Изработване на алгоритъм за преобразуване нелинеен сигнал в
линеен
За нуждите на СУ е необходимо входните сигнали, които са
нелинейни и се явяват променлива величина да се преобразуват в линейни
сигнали. Рационалният избор на променливите е важен. Например за
електромагнитните елементи са за предпочитане да се използват изрично
уравнения съдържащи магнитен поток Ф и неговите производни, вместо
да използват индуктивност L и взаимна индуктивност М.
Нелинейността е изключително ясно изразена при ниски обороти,
поради вида на сензора, който е индуктивен. Това преобразуване улеснява
математическите операции в процесора.
фиг.5.2 Входен нелинеен сигнал
от сензора за обороти
0
4000
8000
12000
16000
0 2000 4000 6000
DEC
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 2000 4000 6000
DEC
Фиг.5.3 реобразуван сигнал от сензора за обороти
29
5.3. Основни резултати от проведените контролни изпитания
на модернизиран БУ за тролейбус MAN при тестови и реални пътни
условия
След извършените контролни измервания на съществуващия БУ и
заснемането на всички входно-изходни сигнали, (Глава 3 от ДТ), се
определи алгоритъмът на управление в основните режими на работа на
тролейбуса (Глава 5 от ДТ), като беше създаден симулационен модел на
MATLAB, Фиг.4.2.
5.3.1. Проверка на бързодействието на защитите по ток и по
време на контролни изпитания на модернизиран БУ за тролейбус
MAN в реални пътни условия
От най-съществено значение за сигурността и надеждността на
ЕТС са защитите на силовите прибори на ТД и тяхното бързодействие. От
техническата спецификация на GTO-тиристорите (приложение 7) са
известни времето за допустимо късо съединение, скоростта на нарастване
на тока 𝑑𝑖
𝑑𝑡 и времето за нарастване на напрежението
𝑑𝑈
𝑑𝑡. Тези
производствени параметри и техните характеристики определят крайните
стойности на защитите по ток и напрежение.
Осцилограмите от направените измервания на Фиг.5.5 показват, че
времето за бързодействие по преден фронт на сигнала е под 7µs, което
гарантира защитата на силовия прибор и ТД.
Фиг.5.5 Бързодействие на защита по ток на БУ
по преден фронт на сигнала (СН1 син) начало на
задействане на защита, междинна обработка на
сигнала от БУ (СН2 червен), изходен сигнал от
БУ (СН3-зелен),
Фиг.5.4 Бързодействие на защита по ток на БУ
по заден фронт на сигнала(СН1 син) начало на
задействане на защита, междинна обработка на
сигнала от БУ (СН2 червен), изходен сигнал от
БУ (СН3-зелен)
30
В осцилограмата CH1 e входният сигнал в БУ, постъпил от някой
от сензорите за ток и напрежение, а CH3 e изходният сигнал от БУ към
перифериите на БУ – драйверни устройства и спомагателни вериги.
Съответно, осцилограмите на фиг. 5.4 показват, че времето за
бързодействие по заден фронт на сигнала е също под 7µs.
Еднаквото бързодействие по преден и заден фронт гарантира
защитата по двуполярност на сигнала от сензорите, което е възможно
състояние при ЕТС.
Получените резултати отговарят на характеристиките описани в
техническата спецификация на силовия комиторащ прибор (приложение
7) и с времето tq за възстановяване на GTO тиристора.
5.3.2. Проверка на изпълнението на алгоритъма за тяга и
спиране
На Фиг.5.7 и Фиг.5.6 е показано изпълнението на алгоритъма на
управление в тягов и спирачен режим на тролейбуса.
От осцилограмите могат да бъдат отчетени основните моментни
стойности в режим на движение в тягов и спирачен режим на ЕТС, като
големините на котвения и възбудителен ток на тяговия двигател,
стойността на УЗ, оборотите на двигателя, времето за ускоряване (спиране
и потегляне) и други.
Фиг.5.6 Изпълнение на алгоритъма на
управление в спирачен режим (CH1-син),
възбудителен ток (CH2-червен), обороти (СН4-
оранжев) УЗ в режим на тяга (СН3-зелен)
Фиг.5.7 Изпълнение на алгоритъма на
управление в тягов режим (CH1-син),
възбудителен ток (CH2-червен), обороти (СН4-
оранжев) УЗ в режим на тяга (СН3-зелен)
31
5.3.3. Тестови изпитания на модернизиран БУ за тролейбус
MAN
За целите се извършиха тестови изпитания на място, като се
симулираха всички известни режими на движение и спиране. Установено
беше пълно съответствие между съществуващия и модернизирания БУ.
По време на тестовите изпитвания се симулираха аварии, които
да задействат защитите на новопроектирания и изграден БУ, като бяха
заснети осцилограмите по преден и заден фронт на авариите и реакцията
по време за запушване на силовите прибори.
При тестовите изпитвания се определи ефективността на
основната работна електрическа спирачка посредством спирачния път и
началната скорост. Изчисляването на средната дължина на спирачното
разстояние е направено по формулата:
(5.1) 𝐿ср = 𝐴1. 𝜈0 +𝜈0
2
26.𝑎уст, m
Получената стойност за спирачния път след изчисления по
формула (5.1) при начална скорост 𝜈0.=40km/h и αус =1.5 m/s2 е 47.02m.
Получената стойност за спирачния път след изчисления по
формула (4.22) при същите стойности е 40.51m.
При начална скорост ν0=40 km/h бе измерен многократно и
осреднена стойността на спирачния път 27 m път само с електрическо
спиране, което отговаря на техническите изисквания на тролейбуса. При
същите условия на същото трасе, със същия водач на тролейбуса и същия
тролебус, но със стария БУ бяха измерени средни стойности на спирачния
път 29 метра..
32
5.3.4. Контролни изпитания на модернизиран БУ за тролейбус MAN
в реални пътни условия
Следващата стъпка от изпитанията на тролейбуса се реализира в
реални пътни условия по маршрут от тролейбусно депо „Искър“ с номер
на спирка 0517 до последна спирка на Дружба-2 с номер 0611. Общата
дължина на избраното трасе, показано на фиг.5.8, е 11,43 km. Изпитанията
по избрания маршрут включват престой по светофари и кръстовища,
преминаване през секционни изолатори, резки потегляния и спирания,
типични за реалната
експлоатация. По време на
изпитанията тролейбусът беше
натоварен с допълнителен
товар от 5000 kg, равномерно
разпределен в пътническия
салон по осите на тролейбуса.
Проведоха се 40-дневни
изпитания за период от два
месеца в различни часове от
денонощието и в различни дни
от седмицата. Дневните
изпитания бяха по няколко
курса от посоченото трасе.
Изпитанията бяха проведени през месеците август и септември
2016 г. по предварително приет и съгласуван график на движение. По
време на изпитанията с прецизна микропроцесорна измервателна техника
са измерени и запаметени всички основни управляващи и силови
параметри, характеризиращи процеса на движение и спиране на
тролейбуса. На фиг.5.9 е показана графика на скоростта и режима на
работа на тролейбуса, както и профилът на пътя за конкретен участък при
изпитанията. По абсцисата е даден пробегът в km, по лявата ордината е
скоростта в km/h по синята графика, по дясната ордината е показана
надморската височина в m.
За показания
участък са преминати
16 светофара в двете
посоки и са направени
25 спирания отделно от
тези при светофарите.
Фиг.5.8 Маршрутът за изпитания в реални
градски условия на модернизирания БУ на
тролейбус MAN
Фиг.5.9 Профил на пътя и скоростта при изпитания
в реални градски условия
33
Създадени са условия за 41 рекуперации. Максималната скорост на
тролейбуса при тези условия е 52.4 km/h.
Направени са аналогични измервания на основните сигнали в
режим на тяга и електрическо спиране, като две от тях са показани
При направеното измерване от първата графика Uce на CH2 на
осцилограмата на фиг.5.11 се вижда, че ефективността на рекуперативния
режим при модернизирания БУ е значително по-висока. Тя се определя от
началния процес при спиране и напрежението Uсе на филтъра на
оригиналния БУ в сравнение с напрежение Uсе на филтъра от
проектирания БУ (CH2-червен) на фиг.5.11 . Енергията, върната в КМ при
рекуперация, се определя по следната формула:
(5.2) 𝐸р = ∫ (𝑈Г − 𝑈КМ). 𝐼дв. 𝑑𝑡 + (𝑈Г − 𝑈КМ). ∫ 𝐼дв. 𝑑𝑡 + ∫ (𝑈Г − 𝑈КМ). 𝑑𝑡𝑡4
𝑡3
𝑡3
𝑡2
𝑡2
𝑡1, 𝐽
Това се дължи на оптимизирания алгоритъм на управление в режим на
електрическо спиране.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ДТ са разгледани основни принципи на ИР на теглителните и
спирачни сили на ЕТС за постоянен ток, режимите им на работа и
основните параметри и характеристики. Разгледани са подробно
особеностите на ИР с еднооперационни, двуоперационни тиристори, и
IGBT модули както и СУ експлоатирани в НГЕТ. Подробно са
анализирана силовата схема на обекта за изследване тролейбус MAN и от
получените резултати са дефинирани основните цели и задачи на ДТ.
Фиг.5.10 Осцилограма (тяга) импулси за
управление на TНF (CH1-син, Ia тягов ток
(СН3-зелен) и Iо възбудителен ток(СН4-
оранжев) на модернизирания БУ
Фиг.5.11 Осцилограма (спиране) ток Ia (
CH1-син), Uсе напрежение на филтъра
(CH2-червен), THB (СН3-зелен) и на
модернизирания БУ
34
Проведено е разширено експериментално изследване на стенд в
депо и в реални експлоатационни условия на тролейбус MAN, на базата
на което са определени началните условия и параметри на УЗ на
проектирания БУ. За целта е определена методика за провеждане на
измерванията в тягов и спирачен режим на тролейбуса. Изследвана е
силовата верига в своята цялост, както и основните силови параметри на
ЕЗ и от получените резултати се определи алгоритъмът на работа на
всички силови елементи в тягов и спирачен режим.
Изведени са аналитични зависимости за определяне на основните
енергетични параметри в режим на рекуперация и ел. спиране в градски
условия.
По аналогични начини са заснети експериментално и всички
управляващи сигнали на съществуващия БУ на тролейбуса в режим на
тяга и ел. спиране, както и специфичните гранични режими на работа.
Установен е алгоритъмът на управление на спирачните тиристори
в режим на рекуперация и реостатно спиране. От направените
експериментални изследвания са анализирани и определени началните
условия и параметри на управляващите сигнали и защити на проектирания
нов БУ на тролейбуса. Описани са основните модули на БУ и техните
функции и връзки.
На базата на изследвания и анализи в Глава 2 и 3 от ДТ е
проектирана МСУ на тролейбус MAN за всички режими на работа.
Установени са конкретни параметри на УЗ в режимите на работа.
В Глава 4 аналитично са определени параметрите на
управляващите сигнали на GTO тиристорите в силовата схема на
тролейбуса в режим на реостатно и рекуперативно спиране. В графичен и
табличен вид са отразени получените резултати. От анализите се вижда,
че теоретичните и експерименталните резултати са много близки.
С цел апробиране на резултатите, получени от теоретичните и
експерименталните изследвания, в средата на MATLAB, Simulink е
направена симулация на основните режими на работа на силовата схема и
СУ на тролейбуса. От получените резултати се вижда, че симулацията
повтаря реалните сигнали от експерименталното измерване, което показва
възможностите за моделирането за изследване и анализ на тези
устройства.
В резултат на това е създаден и софтуерен алгоритъм за
управление на тролейбус MAN в режим на тяга и електрическо спиране.
Извършено е проектиране на БУ и е изработен нов БУ, вграден в два
тролейбуса, намиращи се в редовна експлоатация в момента.
Извършени се експериментални изпитания на новия БУ по
аналитични методи, като получените резултати са сравнени с тези на
35
същия БУ и е направен подробен анализ на изменението на основните
сигнали и параметри. Повишена е надеждността на работата на
проектирания БУ, спрямо съществуващия. Оптимизираният алгоритъм на
работа в режим на рекуперативно електрическо спиране ефективността на
тролейбуса в спирачен режим.
На тази база по Договор №2/2016 г. със Столичен
електротранспорт ЕАД, през 2017 г., са изработени и внедрени в
експлоатация два блока за управление на тролейбус Graf und Stift/MAN,
чиито основно предназначение е да повишат надеждността и
ефективността на управление на всички основни режими на работа на
ЕТС. Получена е референция от Столичен електротранспорт ЕАД за
качествата на направената модернизация и получения икономически
ефект
ПРИНОСИ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯТ ТРУД
Научно-приложни приноси на дисертационната работа:
1. Създадена е методика за провеждане на експериментално
изследване на силовите параметри в тягов и спирачен режим на тролейбус
MAN. Изследванията са проведени при различни условия, обхващащи
целия работен диапазон на ЕТС, както и специфичните гранични режими,
определящи алгоритъма на защитата;
2. Изведена е аналитична зависимост определяща мощността и
силата в режим на рекуперативно спиране в зависимост от коефициента
на трансмисията, скоростта, тока на двигателя и радиуса на колелата на
тролейбуса.
3. На базата на тази аналитична методика са направени изчисления
за основните параметри на рекуперативния процес при тролейбус МАN,
като са получени конкретни резултати, използвани при проектирането на
МСУ.
4. Създаден е алгоритъм за управление на тролейбус МАN при
спиране и тяга (приложение 1). Същият може да се приложи при всички
тягови задвижвания с ПТД.
5. Създадена е методика за извършване на сравнителен анализ на
енергийната ефективност на различни системи за управления в режим на
рекуперативно спиране.
Приложни приноси на дисертационната работа:
1. На базата на направените изследвания и анализи, показани в Глави
2 и 3, е изработен и внедрен в експлоатация модернизиран БУ (хардуер и
софтуер) за режимите на работа на ЕТС, като всички останали компоненти
на силовото, спомагателното и част от управляващото
електрообзавеждане са запазени в съществуващия вариант. Запазена е
силовата схема на тролейбуса, както и тези компоненти от управлението,
36
които имат висока надеждност към момента. Изработеният БУ има
следните модули и блокове:
Управляващ модул за режим тяга;
Управляващ модул за електрическо спиране – избирателно
рекуперативно или реостатно електрическо спиране;
Блок за контрол и защита на ТЕЗ;
Захранващ блок – обезпечаващ необходимите оперативни
напрежения и токове на БУ.
Блок за тестови режим
Блок за управление на спомагателните вериги
Блок за визуализация на режимите на работа и на грешките.
2. Проведени са контролни изпитания по авторска методика на
модернизирания БУ за тролейбус МАN в деповски и реални пътни
условия, като с подходящо избрана за целите на измерването
микропроцесорна измервателна техника са измерени и заснети
осцилограми на входно-изходните сигнали в различните режими на
управление.
3. Два БУ са изработени и внедрени в експлоатация от две години в
Столичен електротранспорт, като e показана референция (Приложение 8)
за качествата и функционалността на новите продукти.
ДОКЛАДВАНЕ НА РЕЗУЛТАТИТЕ ОТ ДИСЕРТАЦИОННИЯ
ТРУД
Основните резултати от дисертационната работа са докладвани и
публикувани на национални и международни конференции и семинари,
като списъкът им е, както следва:
1. Секулов Л. “Проектиране и изследване на микропроцесорни
системи с приложение в електрическия градски транспорт” -
Международна научна конференция „КЕИТ 2018”, ВТУ "Тодор
Каблешков", 28 ÷ 30. 09. 2018 г.
2. Секулов Л., Златков М. “Designing a micro-processor control block
for electric traction with bi-operational semiconductor switch”, BulTrans-2017,
ISSN, 1313-955X, стр 55, 2017, 2018 г.
3. Секулов Л., Павлов Г., Исаев Я., Стоицев Р. “Експериментално
изследване на основните режими на работа на тролейбус MAN”, Научно
списание "Механика, транспорт, комуникации", ISSN 1312-3823, том 15,
брой 3, 2017 г.
4. Секулов Л., “Изследване режимите на работа на тролейбус MAN с
модернизиран блок за управление”– Научна конференция с международно
участие „Устойчиво развитие на транспортните системи“ 18-20 юни 2018
г.в к. Боровец.
37
MICROPROCESSOR CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC
TRANSPORTATION VEHICLES WITH IMPULSE CONTROLS
Electric transportation, as a solution to the transportation objective and a
public service, began to actually be rendered with the commissioning of the first
five tram lines in Bulgaria, which became operational since 1 January 1901. Thus,
the foundations of electric transport in Bulgaria were set. The then longest tram
line has been preserved until today and it connected Sofia to the village of
Knyazhevo with a total length of 7762 m in one direction. In 1941, the first
trolleybus line started to function and connected Tsar Boris III Blvd. and the village
of Gorna Banya.
It is well known that a considerable share of the electric transportation
vehicles operating on urban transportation lines are equipped with a DC electric
traction mechanism and impulse controls for their main modes of operation
(traction and braking). The long years of exploitation of the vehicles, the ineffective
service maintenance and the outdated technology are the main reason for the
frequent failures in the control and defence systems, which reduces the reliability
and the energy efficiency of electric transportation.
The purpose of the present dissertation paper is to examine the main modes
of operation (traction and braking) of a “MAN” trolleybus with impulse control
and a regulator based on high-power bi-operational semiconductor switches of the
GTO-type. The trolleybuses are in exploitation of the ISKAR trolleybus depot in
Sofia. The experimental testing of the trolleybus was conducted in normal working
conditions, while in motion along the route. The main operating modes of electrical
traction of the МАN“ trolleybus were tested (traction and braking) and, thereby,
the high-power and control parameters were analysed. The main goal is to identify
the algorithms built into the control module of the traction and braking
semiconductor switches of the trolleybus high-power regulator, as well as the form
and the value of all signals triggering the control and protection of the traction
electric equipment.
Through experimental testing of the trolleybus in real working conditions,
the basic power and control parameters of the trolleybus during motion and braking
have been taken, whereby the main control algorithms for the existing block were
identified. The results of this testing were used as baseline data in drafting the terms
of reference for the design and modernisation of the control block. The relevant
design documentation is described in the dissertation paper.
Pursuant to a contract with Stolichen Elektrotransport EAD (Sofia Public
Electrical Transport Company JSC), a new microprocessor control block was
designed for a MAN trolleybus, currently in exploitation by the Iskar Trolleybus
Depot in Sofia. It uses a new control algorithm in braking mode. The main reason
for the modernisation was the low reliability and the ensuing failures of the original
control block.
38
БЛАГОДАРНОСТИ
Бих искал да изразя благодарност на моя научен ръководител –
професор Георги Павлов, за неговото експертно ръководство и
консултации по време на моят PhD курс. Аз научих много от него и през
цялото време се чувствах привилегирован от удоволствието на
съвместната ни работа, добре подплатена с елегантно чувство за хумор и
висок професионализъм. Той ме въведе в интересната научна тематика и
през последните 7–8 години от своя живот с бащина грижа и
преподавателска самоотверженост ми оказа неоценима помощ в работата
над моята дисертация. Също така бих искал да благодаря на всички
колеги от катедра ЕЕТ към ВТУ “Тодор Каблешков” за съветите,
помощтта и интересните провокативни дискусии в областта, в която
работя.
Благодаря на Столичен електротранспорт ЕАД, които дадоха
възможност науката и практиката да намерят пресечни точки, нещо което
вече почти не се среща в България. И накрая, големи благодарности на
семейството ми, което ме подкрепяше и мотивираше през моето PhD
обучение.
