Разработка и исследование низкоскоростных электроприводов вспомогательных нужд подвижного состава городского электрического транспорта

Городской электрический транспорт (ГЭТ) является неотъемлемой частью современных городов. Пассажирский транспорт общественного пользования в России перевозит свыше 30 млрд. пассажиров в год, в том числе трамваи и троллейбусы около 14 млрд. пассажиров. Население, около 100 городов, пользуется троллейбусом, и около 70 городов — трамваем. Причем, потребности населения в городском электрическом транспорте с каждым годом возрастают.

На основе исследований и конструкторских разработок создаются новые типы подвижного состава трамвая и троллейбуса, обладающие высокими техническими и эксплуатационными показателями.

Современный подвижной состав городского электрического транспорта отличается большим разнообразием конструктивных решений и технической сложностью, высокими требованиями надежности, безопасности эксплуатации, эксплуатационной экономичности и характеризуется весьма широкой элементной базой: сложнейшей электроникой, микропроцессорами, устройствами автоматики и телемеханики, различной электромеханической аппаратурой и электрическими машинами, механическими агрегатами и промышленными сооружениями. Вся эта сложная техника постоянно находится в процессе непрерывного развития и совершенствования.

Большой вклад в развитие и совершенствование электрического подвижного состава городского транспорта внесли ученые Ефремов И. С., Пролыгин А. П., Рабинович A.A., Иоффе А. Б., Косарев В. Г., Шевченко В. В., Коськин O.A. и многие другие [21, 23, 31, 32, 36, 51, 64].

Важнейшим узлом в общем комплексе оборудования электроподвижного состава ГЭТ является система вспомогательных нужд. Надежность привода вспомогательных механизмов имеет большое значение и необходима для обеспечения нормальной работы.

I iSSERGENeRAlWEDEN1E00C основных узлов подвижного состава.

Одним из перспективных направлений развития электроприводов вспомогательных нужд подвижного состава городского электрического транспорта (ГЭТ) является привод на базе индукторного двигателя (ИД). Основными преимуществами данного типа привода, по сравнению с традиционными, на базе коллекторных машин постоянного тока является надежность, низкая стоимость и простота конструкции самого двигателя и дверей трамвая (лифта).

Одним из первых видов ГЭТ является трамвай. Основные его достоинства общеизвестны: большая вместимость, низкая стоимость перевозки, сравнительно высокая надежность, относительно низкий удельный расход электрической энергии и т. д. Однако, ряд его технических узлов остается ненадежными — в частности это относится к приводу дверей. Двери трамвая являются одним из наиболее ответственных и нагруженных элементов, влияющих на безопасность перевозки пассажиров. Отказ в системе привода дверей приводит к снятию трамвая с линии.

На существующих вагонах трамвая применяются электромеханические привода, состоящие из электродвигателя постоянного тока, двухступенчатого редуктора, обгонной муфты и системы рычагов и тяг [21−23, 42]. Совокупностью этих элементов, в первую очередь двигателем (35% отказов), червячной ступенью редуктора (40% отказов) и обусловлена низкая надежность привода дверей.

Для достижения необходимой надежности и безопасности привод должен обладать следующими свойствами: электродвигатель должен быть бесколлекторным и отсутствовать редуктор и муфта.

Одним из способов решения данной проблемы является применение тихоходных бесколлекторных двигателей прямого действия, например, применение тихоходного индукторного двигателя.

O:DISSepaeNERALWEOEHieOOC г.

Поэтому разработка и исследование низкоскоростных электроприводов вспомогательных нужд — электроприводов дверей вагонов трамвая является актуальной задачей и решать ее следует комплексно, с учетом особенностей эксплуатации подвижного состава ГЭТ.

Целью диссертационной работы является: разработка низкоскоростного индукторного электропривода прямого действия для дверей вагона трамвая.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— проведен анализ существующих электроприводов дверей трамвая;

— произведено сравнение и классификация двигателей малой мощности различных типов;

— на основании анализа выбран преобразователь тока для питания индукторного двигателя;

— разработана инженерная методика расчета низкоскоростного индукторного двигателя;

— исследованы переходные процессы в преобразователе тока для оптимизации параметров преобразователя и достижения минимального тормозного момента;

— создана математическая модель преобразователя тока и ИД;

— проведены экспериментальные исследования на опытно-промышленном ИД.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы, принятые в электромеханике, теории электрических цепей и полупроводниковой электронике. Применялись методы математического моделирования.

Предложенные в диссертационной работе выводы основаны на обработке теоретических, расчетных и экспериментальных материалов, полученных на установке с опытно-промышленным индукторном двигателем.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов.

Справедливость теоретических положений подтверждена результатами математического моделирования и экспериментальных исследований на установке с опытно-промышленным индукторным двигателем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— предложено примененить низкоскоростной индукторный двигатель для привода дверей вагона трамвая;

— разработана инженерная методика расчета ИД, учитывающая особенности низкоскоростного ИД;

— разработана принципиальная схема питания индукторного двигателя с помощью преобразователя тока с резистором гашения тока;

— разработана принципиальная схема контура разряда фазы ИД со стабилитроном, обеспечивающая минимальные время разряда и тормозной момент, и заданные обратные напряжения на силовых ключах ПТ;

— разработана математическая модель для системы ИД — ПТ.

Основные практические результаты.

1.Выработаны основные требования, которым должны удовлетворять низкоскоростные индукторные электропривода дверей трамвая.

2.Предложенная инженерная методика расчета низкоскоростного индукторного двигателя дает возможность по заданным моменту и габаритам спроектировать двигатель.

3.Предложенная методика исследования преобразователя тока дает возможность оптимизировать параметры преобразователя.

4. Разработанная математическая модель дает возможность оптимизировать параметры преобразователя тока.

5. Полученные экспериментальные данные подтверждают адекватность физической модели ПТ и ИД.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором и обсуждались:

— на Московской студенческой научно-технической конференции «Проблемы радиоэлектроники-96» (Москва, 1996 г.) — на научно-техническом семинаре «Вентильно-индукторный электропривод — проблемы развития и перспективы применения» (Москва, 1996 г.);

— на ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов вузов России «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве» (Москва, 1998 г.) — на Пятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 1999 г.);

— на научных семинарах кафедры ЭТ МЭИ (1996 — 1999 гг.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,.

Выводы по четвертой главе.

1 .Разработана математическая модель нелинейной системы, состоящая из индкуторного двигателя и преобразователя тока.

2.Проведенные экспериментальные исследования системы ПТ-ИД подтвердили адкекватность математической модели.

3.Сходимость результатов математического моделирования и экспериментальных исследований лежит в пределах 92−95%.

4.Кривые тока, полученные на математической модели и экспериментально, обоснованы теоретически.

5.При помощи математической модели проведена оптимизация контура гашения тока преобразователя тока, гарантирующая минимальные обратные напряжения на силовых ключах преобразователя тока и минимальное время разряда энергии фазы индукторного двигателя.

6. Разработанная математическая модель может использоваться для проектирования системы преобразователь токаиндукторный двигатель мощностью 20 — 200Вт без физического моделирования.

Заключение

.

По результатам проведенных исследований по разработке низкоскоростного электропривода дверей подвижного состава можно сделать следующие выводы:

1.Анализ существующих приводов дверей трамваев показал, что электроприода с двухступенчатым редуктором с цепной или зубчатой передачей обладают рядом недостатков и не удовлетворяют необходимым требованиям надежности и безопасности.

Предложено применить тихоходный индукторный двигатель прямого действия для привода дверей вагонов трамвая.

2.На основании анализа схем преобразователей для питания индукторного двигателя рекомендован преобразователь тока с резистором гашения.

3.Разработана инженерная методика расчета низкоскоростного индукторного двигателя, учитывающая питание фаз индукторного двигателя импульсами тока, особенности и режимы работы на подвижном составе городского электрического транспорта.

4.Для обеспечения минимального времени разряда энергии фазы индукторного двигателя, уменьшения возникающего при коммутации фазы индукторного двигателя тормозного момента и обеспечения заданного напряжения на силовых ключах преобразователя тока предложена новая схема контура разряда фазы индукторного двигателя.

5. Разработана универсальная математическая модель нелинейной системы, состоящей из индукторного двигателя и преобразователя тока. Данная математическая модель может использоваться для проектирования электроприводов с индукторными двигателями мощностью 20−200 Вт.

6.Оптимизированы параметры емкости и резистора нагрузки параллельного контура гашения тока преобразователя тока.

7. Результаты экспериментальных исследований системы преобразователь тока — индукторный двигатель подтверждены на полномасштабной физической модели. Погрешность результатов находится в пределах 7−8%.

8. Справедливость основных теоретических положений диссертации подтверждена результатами экспериментальных исследований на установке с опытно — промышленным образцом индукторного двигателя и получена с помощью математической модели преобразователь тока — индукторный двигатель.