Повышение энергетической эффективности вспомогательных машин электровоза переменного тока на основе применения модального регулятора

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день одной из лидирующих компаний в сфере по перевозке грузов и пассажиров остается холдинг ОАО «Российские железные дороги», осуществляющий более трети перевозок внутри страны, а также пятую часть мирового железнодорожного грузооборота. Эксплуатационная протяженность железнодорожных участок в России на 2024 год составляет 85,6 тыс. км, а протяженность электрифицированных линий – 44,3 тыс. км. Основными стратегическими целями холдинга являются: увеличение производственно-экономической эффективности железнодорожной отрасли; повышение качества работы и безопасности перевозок; снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов, а также улучшение эффективности эксплуатируемого и вновь вводимого подвижного состава. В настоящее время на сети железных дорог России для перевозки грузов и пассажиров эксплуатируют электроподвижной состав переменного и постоянного тока, потребление электроэнергии которых превышает 78 % от общего потребления всей железнодорожной отрасли. Одними из основных потребителей электроэнергии на электроподвижном составе переменного тока являются тяговые электродвигатели и вспомогательные электрические машины, к числу последних относятся мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы, расщепители фаз, приводным двигателем которых является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Несмотря на продолжительное применение асинхронных электродвигателей в качестве привода вспомогательных машин, они по-прежнему остаются малоэнергоэффективными. Сейчас на электровозах переменного тока применяют прямой пуск асинхронного электродвигателя вспомогательных машин, получающих питание от фазорасщепителя. Основными причинами низкой энергетической эффективности такой системы питания являются форма и пульсации напряжения в обмотке собственных нужд электровоза. Существуют также и другие системы питания и управления вспомогательными машинами, однако, несмотря на положительные качества, они не нашли применение на электроподвижном составе из-за повышенных пульсаций и несимметрии питающего напряжения, а также продолжительного времени переходных процессов в переходных режимах работы. Диссертационная работа является актуальной в связи с необходимостью повышения энергетической эффективности вспомогательных машин электроподвижного состава и задачей улучшения качественных показателей их работы в переходных режимах. Степень разработанности темы исследования. Диссертационная работа выполнена на основе результатов научных работ отечественных и зарубежных учёных, которые занимались вопросами улучшения энергетической эффективности асинхронных электродвигателей: В.М. Филиповский, В.В. Литовченко, Ю.М. Кулинич, Г.И. Однокопылов, П.Г. Колпахчьян, М.Ю. Пустоветов, Ю.Н. Калачев, А.М. Худоногов, И.В. Музылева, О.Б. Шонин, А.С. Алексеев, А.Н. Пахомов, А.А. Федоренко, А.А. Зарифьян, Е.П. Попов, А.А. Бакланов, А.М. Рутштейн, С.В. Стельмащук, О.Л. Рапопорт, А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Усольцев, А.Н. Савоськин, А.Д. Лиходедов, В.В. Григорьев, В.Н. Фащиленко, Д.О. Маломыжев, В.В. Рудаков, а также другими учёными и специалистами. Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности и улучшение качества регулирования асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электроподвижного состава переменного тока. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Разработана математическая модель асинхронного электродвигателя мотор-вентиляторной установки. 2. Разработана система модального управления для электродвигателя вспомогательных машин. 3. Выполнено имитационное моделирование работы системы вспомогательных машин. 4. Оценена энергетическая и экономическая эффективность от внедрения системы модального управления вспомогательными машинами. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Синтезирован модальный регулятор для управления вспомогательным асинхронным электродвигателем с вентиляторной нагрузкой. 2. Обоснованно применение асинхронных электродвигателей меньшей мощности в качестве приводных двигателей мотор-вентиляторных установок электровоза. 3. Разработана модель асинхронного электродвигателя с динамической индуктивностью в пространстве состояний. Практическая значимость работы: 1. Полученные результаты могут являться методической основой для синтеза систем управления асинхронными электродвигателями, работающими в режиме «старт-стоп». 2. Разработанная математическая модель асинхронного электродвигателя с динамической индуктивностью позволяет с большей достоверностью исследовать электромагнитные процессы, протекающие в нем. 3. Применение предлагаемых в работе систем питания и управления позволяет сократить время действия пусковых токов, а также уменьшить пульсации в переходных режимах работы асинхронного электродвигателя. Объектом исследования является асинхронный электродвигатель, используемый в качестве приводного двигателя вспомогательных машин электроподвижного состава. Предметом исследования являются средства и методы повышения энергетической эффективности и качественных показателей работы асинхронных электродвигателей вспомогательных машин. 7 Методы исследования. Результаты, полученные в работе, основаны на корректном использовании теории автоматического управления и решения дифференциальных уравнений, выполнения физического эксперимента, описании модели асинхронного электродвигателя во вращающейся системе координат d – q и теории пространства состояний. Проведение математического моделирования осуществлялось с использованием отечественной среды моделирования SimInTech. Физический эксперимент осуществлялся в электромашинном цехе депо «Дальневосточное» ООО «ЛокоТех-Сервис» на асинхронном электродвигателе серии НВА-55С. Положения, выносимые на защиту: 1. Математическая модель асинхронного электродвигателя с вентиляторной нагрузкой и модальным управлением; 2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований асинхронного электродвигателя с системой модального управления. Достоверность научных положений и результатов, представленных в работе, обоснована теоретически и подтверждена результатами математического моделирования разработанной системы модального управления. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на: Всероссийской научно-практической конференции творческой молодёжи с международным участием "Научно-техническое и социально-экономическое развитие транспорта и промышленности АТР" г. Хабаровск, 20 апреля 2023 г., ДВГУПС; Четырнадцатой Международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура сибирского региона» г. Иркутск, 19 октября 2023 г., ИрГУПС; VII международной научно-практической конференции «Транспорт и логистика: Развитие в условиях глобальных изменений потоков» г. Ростов-на-Дону, 2 февраля, 2023 г., РГУПС; XXVI краевом конкурсе молодых ученых г. Хабаровск, 22 января 2024 г., ТОГУ; Всероссийской научно-практической конференции творческой молодёжи с международным участием "Научно-техническое и социально-экономическое развитие транспорта и промышленности АТР" г. Хабаровск, 18 апреля 2024 г., ДВГУПС; VIII 8 всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» г. Омск, 14 – 15 ноября 2024 г.; XXVII краевом конкурсе молодых ученых г. Хабаровск, 17 января 2025 г., ТОГУ; заседаниях и научно-технических семи-нарах кафедры «Транспорт железных дорог» ДВГУПС в 2022 – 2025 гг. Личный вклад соискателя. Автору принадлежат работы по: 1. Выполнению математического моделирования системы модального управления вспомогательными машинами электроподвижного состава; 2. Разработке математической модели асинхронного электродвигателя с динамической индуктивностью; 3. Синтезу модального регулятора; 4. Определению работоспособности системы модального управления; 5. Обоснованию возможность применения модального управления электродвигателем мощностью 30 кВт в качестве приводного двигателя мотор-вентиляторной установки электроподвижного состава: 6. Технико-экономической оценке реализации на электроподвижном составе модальной системы управления. Публикации. Результаты проведенных исследований опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 7 статьях рецензируемых научных изданиях ВАК и в 1 патенте на изобретение.