Delist.ru

Разработка теории и методов расчета оптимальных технологических режимов силового привода подвижного состава по критерию минимума

Автор: Бакиров Альберт Робертович

Выбор параметров и обоснование принципов построения оптимальных технологических режимов силового привода ПС ГЭТ по критерию минимального расхода электроэнергии.

Разработка метода упрощения систем нелинейных дифференциальных уравнений сложных динамических систем электрического транспорта.

Разработка методов расчета параметров оптимальных по критерию минимума электропотребления технологических режимов силового привода ПС с учетом ограничений и требований безопасности движения, дающих адекватные реальным условиям эксплуатации оценки параметров.

Внедрение алгоритмов и программ автоматизированного составления энергосберегающих РК ТЭД, учитывающих функциональные особенности ПС и эксплуатационные условия различных городов.

Разработка статистической методики оценки и анализа параметров маршрутных систем городов, влияющих на характеристики режимов работы силового привода ПС.

Методы исследования выбирались исходя из постановок решаемых задач с учетом особенностей исследуемых объектов и включают: анализ опыта эксплуатации ПС электрического транспорта, системный анализ, математическое и имитационное моделирование, методы теории размерностей, теории подобия и теории приближений, теории оптимального управления, методы теории электрической тяги, теории вероятностей и математической статистики, теории планирования эксперимента и исследования операций, а также экспериментальные исследования. Использовались стандартные и специально разработанные алгоритмы и программы.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями:

- впервые предложен метод обоснованного математического упрощения жесткой системы нелинейных дифференциальных уравнений подвижного состава ГЭТ, опирающийся на теорему о предельном переходе, доказанную академиком А.Н. Тихоновым, и позволяющий строго отделять «медленные» составляющие решения от «быстрых» и оценивать допускаемые при этом погрешности расчетов;

- для существующих условий эксплуатации ГЭТ предложена математическая модель расчета оптимальных по критерию минимума электропотребления технологических режимов силового привода ПС с учетом всех ограничений и требований безопасности движения. Разработаны основные принципы построения данных режимов;

- впервые предложена математическая модель расчета оптимальных среднеходовых скоростей движения ПС трамваев на перегонах, с ограничениями скорости до 5-20 км/ч, в функции длины перегонов и эквивалентного ограничения скорости;

- для анализа эксплуатационных режимов силового привода ПС в условиях многочисленных ограничений скорости движения введен новый критерий - эквивалентное ограничение скорости;

- впервые исследованы статистические модели основных параметров маршрутных систем городов, влияющих на энергетические характеристики работы силового привода ПС ГЭТ. Получены статистические законы распределения протяженности перегонов и участков, длин и радиуса кривых, среднеходовых скоростей движения ПС на перегонах и участках, удельного расхода электроэнергии силового привода подвижного состава для маршрутных систем электрического транспорта различных городов, установлены зависимости указанных величин;

- получены эмпирические зависимости удельного расхода электроэнергии силового привода трамваев на перегонах в функции среднеходовых скоростей движения ПС, а также среднеходовых скоростей в функции параметров перегона, - дающие более точные оценки расчетных параметров технологических режимов СП, чем существующие методы расчета.

Практическая ценность диссертационной работы определяется следующими результатами:

- предложены методы расчета оптимальных технологических режимов силового привода ПС, которые позволяют определить расчетные параметры режимов работы силового привода с большим уровнем адекватности реальным условиям эксплуатации, чем расчеты по существующим методам, а также рассчитать оптимальные технологические режимы силового привода трамваев при эквивалентном ограничении скорости движения на перегоне 5-15 км/ч;

- установлены оптимальные параметры режимов эксплуатации трамваев при движении в кривых участках пути, позволяющие увеличить среднеходовую скорость движения ПС и снизить удельный расход электроэнергии на тягу. Обоснована необходимость введения в паспорта участков данных по кривым с учетом профиля и указанием параметров оптимальных режимов для различных моделей ПС;

- разработана методика анализа параметров маршрутных систем городов на основе теории вероятностей и математической статистики, позволяющая анализировать объективные причины существующего уровня расхода электроэнергии на тягу подвижного состава, предлагать рекомендации и разрабатывать меры для снижения УРЭ; анализировать энергетические показатели силового привода ПС и параметры маршрутной системы ГЭТ для обобщения опыта эксплуатации и проектирования маршрутных систем городов;

- внедрена методика экспериментальных исследований режимов работы СП трамваев на основе режимных карт и бортовой системы учета, позволяющая контролировать режимы работы тяговых электродвигателей и разрабатывать нормы расхода электроэнергии;

- созданы алгоритмы и программы расчета оптимальных технологических режимов силового привода подвижного состава трамваев с учетом ограничений и требований безопасности движения; использование специализированных вычислительных машин дает возможность построить тренажеры для водителей, работающие в режиме реального времени;

- полученные методы внедрены на заводе ОАО «Татэлектромаш» и позволяют на этапе проектирования оценить эксплуатационные режимы тяговых электродвигателей ДК – 259Г3, ДК – 259Е, ДК – 259ЕМ и рассчитать электромеханические характеристики ТЭД, электротяговые и токовые характеристики трамвайных вагонов КТМ 71-605, КТМ 71-608 на заданных маршрутах эксплуатации;

- результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе КГЭУ при преподавании дисциплин: «Основы электрического транспорта», «Введение в специальность», «Проектирование и расчет электрического транспорта», «Проектирование электрического транспорта и основы энергосбережения»; автором выпущена монография, два учебных пособия и учебно-методические работы;

- реализация на транспортных предприятиях г.г. Набережные Челны, Нижнекамск оптимальных технологических режимов силового привода трамваев, рассчитанных по предложенным методам, принесла до 3 % экономии электроэнергии, потребляемой тяговыми электродвигателями.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, строгостью выполненных математических преобразований, точностью показаний поверенных измерительных приборов, используемых в экспериментальных исследованиях при регистрации параметров режимов работы силового привода.

На защиту выносятся:

- основные принципы построения оптимальных по критерию минимума электропотребления технологических режимов силового привода ПС ГЭТ;

- метод математического упрощения жесткой системы нелинейных дифференциальных уравнений подвижного состава ГЭТ, позволяющий строго отделять «медленные» составляющие решения от «быстрых» и оценивать погрешности расчетов;

- алгоритмы и методы оптимизации технологических режимов силового привода ПС трамваев с учетом ограничений и требований безопасности движения, минимизирующие функционал как функцию скоростей на элементах продольного профиля пути;

- математическая модель расчета оптимальных среднеходовых скоростей движения ПС трамваев на перегонах, с ограничениями скорости 5-20 км/ч, в функции длины перегонов и эквивалентного ограничения скорости;

- статистические модели основных параметров маршрутных систем городов, влияющих на энергетические характеристики работы силового привода ПС ГЭТ; статистические законы распределения протяженности перегонов и участков, длин и радиуса кривых, среднеходовых скоростей движения ПС на перегонах и участках, удельного расхода электроэнергии силового привода подвижного состава для маршрутных систем электрического транспорта различных городов; зависимости данных величин;

- оптимальные параметры технологических режимов силового привода трамваев при движении в кривых участках пути, позволяющие увеличить среднеходовую скорость движения ПС и снизить УРЭ на тягу;

- эмпирические зависимости УРЭ силового привода трамваев на перегонах в функции среднеходовых скоростей движения ПС и среднеходовой скорости от длины перегонов, дающие более адекватные оценки расчетных параметров технологических режимов СП, чем существующие методы расчета;

- экспериментальный метод анализа технологических режимов силового привода трамваев на основе РК и бортовой системы учета параметров режимов СП подвижного состава.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и, после их обсуждения, одобрены: на Всероссийском семинаре «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2000 г.); на III Международной (XIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Нижний Новгород, 2001 г.); на третьей Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2001 г.); на V Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Нижний Новгород, 2001 г.); на Поволжской научно-практической конференции «Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий» (Чебоксары, 2001 г.); на VI Международной конференции «Компьютерное моделирование 2005» (Санкт-Петербург, 2005 г.); на III Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта» (Ульяновск, 2005 г.); на Шестой Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (Новочеркасск, 2005 г.); на XII Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии СТТ 2006» (Томск, 2006); на пятой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2006 г.); на шестой Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», (Новочеркасск, 2006 г.); на XVIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», (Казань, 2006 г.); на X Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», (Санкт-Петербург, 2006 г.); на третьей Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи», (Самара, 2006 г.); на IXX Международной научной конференции «Математическое моделирование в технике и технологиях», (Воронеж, 2006 г.); на XXIII Международной межвузовской школе-семинаре «Методы и средства технической диагностики», (Йошкар-Ола, 2006 г.); на III Международной конференции «Проблемы механики современных машин», (Улан-Удэ, 2006 г.); на XI Международной конференции «Информационные и математические технологии в научных исследованиях», (Иркутск – Хубсугул, Монголия, 2006 г.); на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем», (Санкт-Петербург, 2006 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы», (Киров, 2007 г.); на XIII Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии СТТ 2007» (Томск, 2007); на II Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007); на четвертой Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи», (Самара, 2007 г.); на XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (Ярославль, 2007 г.); на седьмой Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», (Новочеркасск, 2007 г.); на третьей Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», (Омск, 2007 г.); на расширенном заседании кафедры «Основы проектирования машин» Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 2005 г.); на заседании семинара «Электрификация и энергосбережение в горной промышленности» научного симпозиума «Неделя горняка – 2006» Московского государственного горного университета, (Москва, 2006 г.); на расширенном заседании кафедры «Управления и экономики на воздушном транспорте» Ульяновского высшего авиационного училища гражданской авиации, (Ульяновск, 2006 г.); на расширенном заседании кафедры «Электроснабжение» Марийского государственного университета, (Йошкар-Ола, 2006 г.); на расширенном заседании кафедры «Боевых машин и автомобильной подготовки» Ульяновского высшего военно-технического училища, (Ульяновск, 2006 г.); на заседании ученого совета Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, (Москва, 2006 г.); на расширенном заседании кафедры «Муниципальный пассажирский транспорт» Самарской государственной академии путей сообщения, (Самара, 2006 г.); на расширенном заседании кафедры «Электротехника» Кубанского государственного технологического университета, (Краснодар, 2007).

Монография: Бакиров А.Р. Снижение электропотребления силового привода электрического транспорта: Научное издание. ( Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2005. ( 256 с.; - полностью отражающая содержание диссертации, разослана 18.03.2006 г. по утвержденному на заседании кафедры «Электромеханика энергосистем и силового оборудования» Казанского государственного энергетического университета списку рассылки в 52 организации Российской Федерации и зарубежья, специализирующиеся в области исследований по теме диссертации.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 84 печатных работах, в том числе 19 статей в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научный результаты диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 336 наименований, двух приложений. Работа изложена на 337 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена научная проблема, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе проведен анализ структуры электропотребления Республики Татарстан и динамики роста тарифов на электроэнергию, потребляемую СП подвижного состава ГЭТ. За прошедшие пять лет доля потребления электроэнергии силовым приводом от общего расхода в Республике, а также объем перевозок ГЭТ, сохранялись примерно постоянными, и снижения УРЭ силового привода подвижного состава не происходит. За последние четыре года тарифы в Республике возросли на 265%, поэтому проблема снижения УРЭ силового привода ПС ГЭТ постоянно обостряется.

загрузка...