Імітаційне моделювання роботи тягового електропривода тролейбуса з двигунами змішаного збудження та DC-DC перетворювачем

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 The second is the overhaul and modernization of "outdated" machines, in order to improve their performance.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 %