Search

Switching to the new type of a traction drive, from direct to alternating current, cannot be performed instantly in public transportation. The reason is the large fleet of vehicles and associated costs. In most countries in Europe and Asia, this process takes years.Therefore, the fleet of trolleybuses develops in two directions simultaneously. The first is the purchase of new trolleybuses, that is, the renewal of fleet with modern machines with an alternating current traction motor. The second is the overhaul and modernization of "outdated" machines, in order to improve their performance. Most "obsolete" trolleybuses are equipped with direct current traction motors of serial or mixed excitation. It is possible to achieve substantial energy savings and to improve the characteristics of the traction electric drive with such engines by using a pulse control system and by optimizing control algorithms.The goal of this study is to increase energy efficiency and to improve the characteristics of the trolleybus traction electric drive, equipped with a direct current motor of mixed excitation. This is accomplished by improving this drive's control system based on the pulse control system via DC-DC.The feasibility of the tractive electric drive has been tested through imitation and physical modeling. A mathematical model of the DC motor with mixed excitation has also been improved. A special feature of this model is taking into consideration the saturation of the elements of a magnetic wire of the traction motor based on the preliminary performed calculations of a magnetic field using a finite element method. By combining these components, the improved mathematical model of the entire trolleybus electric drive has been built.The operation of the trolleybus electric drive under a start mode has been simulated. The results have confirmed the increase in the energy efficiency of the traction electric drive by reducing the loss for excitation. The comparison has proven that the losses of energy decreased from 0.587 MJ (0.163 kWh) to 0.531 (0.1475 kWh) MJ, by 9.54 %., Переход на новый тип тягового привода, с постоянного на переменный ток, в городском транспорте невозможно выполнить мгновенно. Это объясняется наличием большого количества парка машин и необходимых на это средств. В большинстве стран Европы и Азии этот процесс растягивается на года. Поэтому развитие парка троллейбусов параллельно в двух направлениях. Первый – закупка новых троллейбусов, то есть обновление парка современными машинами, имеющими тяговый двигатель переменного тока. Второй – капитальный ремонт и модернизация «устаревших» машин, с целью улучшения их эксплуатационных характеристик. Большая часть «устаревших» троллейбусов оборудована тяговыми двигателями постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения. Существенное энергосбережение и улучшение характеристик тягового электропривода с этими двигателями достижимо при использовании системы импульсного регулирования путем оптимизации алгоритмов управления.Целью исследования является повышение энергоэффективности и улучшение характеристик тягового электропривода троллейбуса с двигателем постоянного тока смешанного возбуждения, за счет совершенствования системы управления этим приводом на основе системы импульсного управления с помощью DC-DC. Работоспособность тягового электропривода была проверена путем имитационного и физического моделирования. Также была усовершенствована математическая модель двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением. Особенностью этой модели является учет насыщения элементов магнитопровода тягового двигателя на базе проведенных заранее расчетов магнитного поля методом конечных элементов. Объединив эти составляющие, получена усовершенствованная математическая модель всего тягового электропривода троллейбуса.Была проведена имитационное моделирование работы тягового электропривода троллейбуса в режиме пуска. Результаты моделирования подтвердили повышение энергоэффективности тягового электропривода за счет уменьшения потерь на возбуждение. Сравнение показало, что потери энергии уменьшились с 0,587 МДж (0,163 кВт·ч) до 0,531 (0,1475 кВт·ч) МДж - на 9,54 %, Перехід на новий тип тягового привода, з постійного на змінний струм, в громадському транспорті неможливо виконати миттєво. Це пояснюється наявністю значної кількості парку машин та потрібних на це коштів. В більшость країн Європи та Азії цей процес розтягується на роки.Тому розвиток парку тролейбусів йде паралельно у двох напрямках. Перший – закупівля нових тролейбусів, тобто оновлення парку сучасними машинами, що мають тяговий двигун змінного струму. Другий – капітальний ремонт і модернізація «застарілих» машин, з метою поліпшення їх експлуатаційних характеристик. Більша частина «застарілих» тролейбусів обладнана тяговими двигунами постійного струму послідовного або змішаного збудження. Істотне енергозбереження та покращення характеристик тягового електропривода з цими двигунами досяжне при використанні системи імпульсного регулювання та шляхом оптимізації алгоритмів керування.Метою дослідження є підвищення енергоефективності та покращення характеристик тягового електропривода тролейбуса, що має двигун постійного струму змішаного збудження. Це досягається за рахунок удосконалення системи керування цим приводом на основі системи імпульсного керування за допомогою DC-DC.Працездатність тягового електроприводу було перевірено шляхом імітаційного та фізичного моделювання. Також було удосконалено математичну модель двигуна постійного струму із змішаним збудженням. Особливістю цієї моделі є врахування насичення елементів магнітопроводу тягового двигуна на базі проведених заздалегідь розрахунків магнітного поля методом скінчених елементів. Об’єднавши ці складові, отримано удосконалену математичну модель всього тягового електропривода тролейбуса.Проведено імітаційне моделювання роботи тягового електропривода тролейбуса в режимі пуску. Результати його підтвердили підвищення енергоефективності тягового електропривода за рахунок зменшення втрат на збудження. Порівняння довело, що втрати енергії зменшилися з 0,587 МДж (0,163 кВт·год) до 0,531 (0,1475 кВт·год) МДж – на 9,54 %

The object of the study is the process of appearing an electromagnetic moment in traction motors of combined excitation of a trolleybus at synchronous inclusion of both components of the excitation system. This process is formally presented as mechanical characteristics – dependence of an electromagnetic moment of the motor from excitation currents.One of most problem points is to determine the influence of excitation currents of the series and separate winding on an electromagnetic moment of the motor as a continuous dependence that allows to create a system of managing the traction drive with DC-DC excitation transformer. Peculiarities of the motor magnetic system are also taken into account.During the study there was used the method of finite elements in the flat-parallel target setting of calculating moments by the results of calculating the magnetic field with the further regression analysis of results of digital experiments using Chebyshev polynomials on the set of equidistant points. There was received the continuous dependence of an electromagnetic moment from excitation currents as a polynomial that can be used both at creating managing systems DC-DC by the excitation transformer and at modeling operation modes of the traction drive as a whole. It is connected with the fact that the offered polynomial type has a continuous type dependency and its derivatives at all possible values of currents at the drive work. According to the results of the regression analysis, the maximal deviation of calculated dependencies doesn’t exceed 0,052, and mean deviation is no more 0,041. It proves the adequacy of the received dependencies to the results of the digital experiment on determining an electromagnetic moment.Due to it, there is provided the possibility of modeling operation modes of the traction drive based on the motor with combined excitation and DC-DC transformer. The managing system parameters, received by modeling results, allow to raise energetic characteristics of trolleybuses. Comparing with analogous known systems, it provides more rational use of electric energy on thrust of the rolling stock., Объектом исследования является процесс возникновения электромагнитного момента в тяговых двигателях комбинированного возбуждения троллейбуса при одновременном включении обоих составляющих системы возбуждения. Этот процесс формально представлено в виде механических характеристик – зависимости электромагнитного момента двигателя от токов возбуждения.Одним из самых проблемных мест является определение влияния токов возбуждения последовательной и независимой обмотки на электромагнитный момент двигателя в виде непрерывной зависимости, которая позволяет создать систему управления тяговым приводом с DC-DC преобразователем возбуждения. А также учитывает особенности магнитной системы двигателя.В ходе исследования использовался метод конечных элементов в плоско-параллельной постановке задачи вычисления моментов по результатам расчета магнитного поля с последующим регрессионным анализом результатов цифровых экспериментов с помощью полиномов Чебышева на множестве равноудаленных точек.Получена непрерывная зависимость электромагнитного момента от токов возбуждения в виде полинома, который можно использовать как при создании систем управления DC-DC преобразователем возбуждения, так и при моделировании режимов работы тягового привода в целом. Это связано с тем, что предложенный вид полинома имеет непрерывный вид зависимости и ее производных при всех возможных значениях токов при работе привода. По результатам регрессионного анализа максимальное отклонение рассчитанных зависимостей не превышает 0,052, а среднее отклонение не более 0,041. Это подтверждает адекватность полученных зависимостей результатам цифрового эксперимента по определению электромагнитного момента.Благодаря этому обеспечивается возможность моделирования режимов работы тягового привода на основе двигателя с комбинированным возбуждением и DC-DC преобразователем. Полученные по результатам моделирования параметры системы управления позволят повысить энергетические характеристики троллейбусов. По сравнению с аналогичными известными системами это обеспечивает более рациональное использование электрической энергии на тягу электроподвижного состава., Об'єктом дослідження є процес виникнення електромагнітного моменту у тягових двигунах комбінованого збудження тролейбусу при одночасному включенні обох складових системи збудження. Цей процес формально представлено у вигляді механічних характеристик – залежності електромагнітного моменту двигуна від струмів збудження.Одним з найбільш проблемних місць є визначення впливу струмів збудження послідовної та незалежної обмотки на електромагнітний момент двигуна у вигляді непереривної залежності, яка дозволяє створити систему управління тяговим приводом з DC-DC перетворювачем збудження. А також враховує особливості магнітної системи двигуна.В ході дослідження використовувався метод кінцевих елементів в плоско-паралельній постановці задачі обчислення моментів за результатами розрахунку магнітного поля та наступним регресійним аналізом результатів цифрових експериментів за допомогою поліномів Чебишева на множині рівновіддалених точок.Отримано непереривна залежність електромагнітного моменту від струмів збудження у вигляді поліному, який можливо використовувати як при створенні систем керування DC-DC перетворювачем збудження, так і при моделюванні режимів роботи тягового приводу в цілому. Це пов'язано з тим, що запропонований вид поліному має непереривний вигляд залежності та її похідних при усіх можливих значеннях струмів при роботі приводу. За результатами регресійного аналізу максимальне відхилення розрахованих залежностей не перевищує 0,052, а середньоквадратичне відхилення не більш 0,041. Це підтверджує адекватність отриманих залежностей результатам цифрового експерименту по визначенню електромагнітного моменту.Завдяки цьому забезпечується можливість моделювання режимів роботи тягового приводу на основі двигуна з комбінованим збудженням та DC-DC перетворювачем. Отримані за результатами моделювання параметри системи керування дозволять підвищити енергетичні характеристики тролейбусів. У порівнянні з аналогічними відомими системами це забезпечує більш раціональне використання електричної енергії на тягу електрорухомого складу.