close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1684

код для вставкиСкачать
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ,
КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ОМСК 2015
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
_________________________________
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ
ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Межвузовский тематический сборник научных трудов
Под редакцией А. А. Кузнецова
Омск 2015
1
УДК 621.33:621.371
ББК 39.217
Энергосберегающие технологии, контроль и управление для предприятий железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2015. 89 с.
Авторами статей сборника являются специалисты Петербургского, Иркутского, Омского государственных университетов путей сообщения, проектно-конструкторских организаций транспорта и энергетики, выполнявшие исследования в области энергосберегающих технологий, контроля и управления
для предприятий железнодорожного транспорта, а также имеющие оригинальные разработки в указанных направлениях.
Внедрение результатов работ, представленных в настоящем сборнике, позволяет повысить эффективность использования электроэнергии на тягу поездов
и эксплуатационные нужды, улучшить качество контроля и диагностики электротехнических комплексов и других объектов железнодорожного транспорта.
Материалы сборника предназначены для специалистов, работающих в
области железнодорожного транспорта.
Библиогр.: 66 назв. Табл. 6. Рис. 32.
Редакционная коллегия:
доктор техн. наук, профессор А. А. Кузнецов (отв. редактор);
канд. техн. наук, доцент О. Б. Мешкова (зам. отв. редактора);
инженер А. Ю. Кузьменко (отв. секретарь).
Рецензенты: кафедра «Автоматизация производственных процессов и
электротехника» Сибирской гос. автомобильно-дорожной
академии;
доктор техн. наук, профессор К. И. Никитин.
ISBN 978-5-949-41108-7
________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2015
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................................................................................... 5
К у з н е ц о в А. А., С л е п т е р е в В. А. Способы реализации
виртуальных эталонов в задачах измерений и контроля ....................................... 6
Ч е р е м и с и н В. Т., П а ш к о в Д. В. Cовершенствование системы
энергоменеджмента холдинга «РЖД» за счет внедрения мониторинга энергоэффективности перевозочного процесса ............................................................ 11
Н и к и ф о р о в М. М., К а ш т а н о в А. Л. Перспективы повышения
эффективности использования электроэнергии на тягу поездов при внедрении системы учета на фидерах контактной сети тяговых подстанций постоянного тока ................................................................................................................ 18
К и м К. К., И в а н о в С. Н., К а р п о в а Н. С., Г н е д и н П. А.
Численное моделирование электромагнитных и тепловых процессов в теплогенерирующих электромеханических преобразователях ................................. 23
Гравер А. И., Ковалева Т. В., Пашкова Н. В., Петух ова Т. М.
Исследование цепей с распределенными параметрами с использованием
физических и математических моделей ................................................................. 30
К о м я к о в А. А., К о м я к о в а О. О., Э р б е с В. В. Математическая
модель электропотребления на железнодорожном транспорте, основанная
на методах искусственного интеллекта ................................................................. 37
С к о к о в Р. Б., К р е м л ѐ в И. А., Т е р ѐ х и н И. А. Гармонический анализ тягового тока при работе выпрямителей подстанций на
тяговую сеть .............................................................................................................. 42
К у з ь м е н к о А. Ю. Определение диагностических признаков контроля изоляторов контактной сети импульсным методом .................................. 47
Н е з е в а к В. Л., В и л ь г е л ь м А. С., Ш а т о х и н А. П. Об
оценке влияния межпоездного интервала на энергоэффективность перевозок
в условиях применения рекуперативного торможения ........................................ 54
Т э т т э р В. Ю. Реализация новых функциональных возможностей
вибродиагностического оборудования в комплексе «Эксперт М» ..................... 62
3
Т э т т э р А. Ю. Опыт подготовки специалистов по вибродиагностике
для вагоноремонтных предприятий .......................................................................
Л у с т е н б е р г Г. Е. Исследование характеристик активных фильтров
в системе компьютерной алгебры Maxima ............................................................
М е ш к о в а О. Б., Е в с ю к о в а О. С. Совершенствование методики
контроля баббитовых сплавов при ремонте локомотивов ...................................
Заключение................................................................................................................
4
66
71
81
88
ВВЕДЕНИЕ
Настоящий межвузовский сборник научных трудов является итогом выполненных научно-исследовательских работ коллектива кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения и научных коллективов организаций, проводивших исследования по тематике сборника за 2011 – 2014 гг.
Основные направления научных разработок авторов – исследование факторов, влияющих на обеспечение режимов энергосбережения в сложных электротехнических комплексах, к каковым относится железнодорожный транспорт. Показаны пути повышения эффективности работы устройств электроснабжения железных дорог и их сопряжения с системой внешнего электроснабжения.
Одна из задач настоящего сборника научных трудов – объединение деятельности ученых железнодорожной отрасли и специалистов смежных отраслей
при решении актуальных проблем на современном этапе развития науки и техники, обсуждение результатов практического внедрения разработок.
Значительная роль в материалах сборника отводится результатам исследования автоматизированных систем контроля и учета топливно-энергетических ресурсов, повышению достоверности получаемой информации и выработки эффективных управляющих воздействий. В статьях сборника предложены пути совершенствования систем измерений, контроля и диагностирования электротехнических комплексов, деталей и узлов подвижного состава,
включая способы метрологического обеспечения технических средств.
Представлены результаты моделирования сложных технических систем для
изучения различных режимов их функционирования.
Результаты работ, представленные в настоящем сборнике, позволяют повысить эффективность использования электроэнергии на тягу поездов и эксплуатационные нужды, улучшить качество контроля и диагностики электротехнических комплексов и других объектов железнодорожного транспорта.
Материалы сборника предназначены для специалистов, работающих в
области железнодорожного транспорта, энергетики, занимающихся совершенствованием методов и средств технического контроля, аспирантов и студентов соответствующих специальностей вузов.
5
УДК 681.2:543.423
А. А. Кузнецов, В. А. Слептерев
СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ЭТАЛОНОВ
В ЗАДАЧАХ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ
В современных условиях широкое распространение в технике и практике
измерений находят виртуальные приборы. Под виртуальными приборами понимают класс средств измерений, которые используют персональный компьютер (ПК) как составную часть прибора. ПК в этом случае обрабатывает и отображает результаты измерений. Виртуальные приборы не могут выполнять измерения без использования внешнего программного обеспечения, установленного на ПК.
Известны различные примеры использования виртуальных приборов в
различных областях измерительной техники и технического контроля. В лабораториях электро- и радиоизмерений большое распространение получили виртуальные приборы, реализующие функции осциллографа, генератора, мультиметра и других приборов. Измерение сигналов выносными модулями и дальнейшая обработка сигналов при помощи микроконтроллера или компьютера
позволили повысить точность конечного результата [1, 2].
В работах [3, 4] предложена идея реализации виртуальных эталонов электрических величин. Технология виртуальных эталонов использовалась при
проведении калибровки рабочих средств измерений. В состав установки, реализующей виртуальные эталоны, входят измерительный блок, предназначенный
для измерения, и программное обеспечение, выполняющее функции преобразования единицы физической величины.
Измерительный блок может иметь более низкий класс точности по сравнению с калибруемым средством измерений. После проведения серии измерений и обработки данных получают индивидуальные значения поправок для
компенсации погрешности измерений и определения более точного значения
физической величины.
Для контроля состояния подшипников качения в работе [5] предложен
новый класс тестовых сигналов вибрации – виртуальных эталонов дефектов
подшипниковых узлов, описаны возможные способы реализации таких сигна-
6
лов. Было обосновано получение тестовых сигналов вибрации путем восстановления временного сигнала из трех видов спектров измеренного сигнала.
При реализации виртуальных эталонов возможно решение двух видов задач, первый из которых связан со стабилизацией условий проведения измерений, нахождением наиболее значимых факторов методами регрессионного анализа. Другой подход связан с нахождением дополнительной информации в измеряемом сигнале с целью построения математической зависимости преобразования, инвариантной к изменению условий проведения эксперимента.
Рассмотрим оба подхода при построении виртуальных эталонов в спектральном анализе материалов. Реальные эталоны или стандартные образцы используются в спектральном анализе для построения градуировочной характеристики преобразования измеряемой величины – интенсивности излучения
спектральных линий в выходную величину – количественное содержание элементов в исследуемой пробе.
Для контроля за изменением факторов, влияющих на проведение спектрального анализа, были предложены устройство и блок обработки данных, повышающих стабильность и воспроизводимость конечных результатов. При
проведении атомно-эмиссионного спектрального анализа измеряются влияющие факторы, производится корректировка зарегистрированных интенсивностей и, как следствие, – повышение стабильности градуировочной зависимости
прибора.
К прибору спектрального анализа подключается семь датчиков, передающих данные в блок обработки и прогнозирования результатов. Функции
подключаемых датчиков состоят в следующем: датчик Д1 измеряет давление
аргона в оптическом блоке спектрометра; Д2 – контролирует расход аргона при
проведении анализа; Д3 – измеряет температуру воздуха в помещении при проведении анализа; Д4 – измеряет атмосферное давление воздуха в помещении
при проведении анализа; Д5 – измеряет силу тока, частоту и форму импульсов,
поступающих с генератора, передает данные на цифровой осциллограф; Д6 –
контролирует положение электрода относительно образца и форму электрической дуги; Д7 – контролирует положение образца и наличие дефектов на поверхности в предполагаемом месте анализа [6 – 8].
На рис. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства,
состоящего из атомно-эмиссионного спектрометра и дополнительно введенных
7
семи датчиков, микроконтроллера обработки данных и блока обработки данных
для построения устойчивой градуировочной характеристики, при условии изменения внешних влияющих факторов.
Д1
CCD
МК2
МК1
ПК
Д2
Д3
Д4
Д5
Д6
Д7
Построение
устойчивой
градуировочной
зависимости
Блок обработки
данных
влияющих
факторов
Рис. 1. Схема подключения датчиков физических величин к устройству управления атомно-эмиссионным спектрометром: МК1 и МК2 – микроконтроллеры
опроса датчиков и CCD приемников спектрального излучения
Устройство работает следующим образом. После установки анализируемого образца его изображение с датчика Д7 на передается экран ПК. В случае
неправильной установки или присутствия дефектов поверхности (пятен предыдущих обжигов и др.) будет выдано соответствующее предупреждение, полученное на основе анализа изображения, получаемого с датчика Д7. При появлении электрического разряда датчик Д6 измеряет расстояние между анализируемым образцом и электродом, дополнительно регистрируется размер облака разряда.
Схема расположения датчиков в блоке спектрометра показана на рис. 2.
8
Датчик давления Д1 располагается внутри герметичного оптического
блока 1, в котором находятся также дифракционная решетка 6 и приемники излучения CCD1 – CCD6. Излучение от образца попадает в блок через оптический преобразователь ОП. Датчик расхода Д2 устанавливается на трубопровод подачи аргона в камеру разряда 2 прибора. Датчики температуры Д3 и
влажности Д4 крепятся с наружной стороны спектрометра. Датчик электрических параметров разряда Д5 располагается в цепи протекания тока от электрического генератора ЭГ к вольфрамовому электроду 3. Датчики Д6 и Д7 представляют собой технические эндоскопы, расположены они таким образом, чтобы обеспечить нужный обзор поверхности анализируемого образца, установленного на стол 4, и облака разряда 5.
4
Образец
Д3
6
ОП
5
Д6
3
МК1
CCD6
2
Д4
Д7
ПК
Д1
8
Д2
Д5
ЭГ
1
МК2
CCD1
7
Ar
Рис. 2. Схема расположения датчиков в блоке спектрометра
В случае, когда все измеренные параметры нормальны, конечный результат измерения считается достоверным. Если же значения некоторых параметров
выходят за допустимые пределы, необходимо выполнять корректировку
градуировочной зависимости по стандартным образцам.
Другой подход при создании виртуальных эталонов с использованием набора реальных стандартных образцов заключается в создании математической модели, компенсирующей влияние факторов на результат измерения, и
ее применении в программном обеспечении автоматизированной системы измерений.
С целью получения инвариантной модели измеряют интенсивность спектральных линий при различных условиях проведения эксперимента. Для получения положительного результата необходимо получить наибольшее расхожде9
ние измеряемых параметров. Для построения модели выбирают спектральные
линии с различными энергетическими характеристиками (по-разному влияющие на изменение факторов) [9, 10].
Для учета различных энергетических характеристик спектральных линий
было предложено использование обобщенной функции вида:
N
Fj 
a I
i 1
M
i анij
b I
i 1

a0 I ан 0 j  a1 I ан1 j  ...  a N I анNj
b0 I ср 0 j  b1 I ср1 j  ...  bM I срMj
,
i cpij
где Iан – интенсивность спектральных линий анализируемого элемента; Icp – интенсивность линий сравнения, имеющая различные энергетические показатели;
ai, bi – весовые коэффициенты устойчивого градуирования; N – количество линий анализируемого элемента; M – количество линий сравнения.
Градуировочные характеристики, построенные по предложенной модели
сохраняют стабильность при изменении внешних условий или могут переноситься на приборы одного типа без потери точности, обусловленной индивидуальными параметрами калибровки.
Таким образом, виртуальными эталонами можно считать реальные стандартные образцы в совокупности с программным обеспечением, обрабатывающим выходной сигнал от таких образцов с использованием дополнительной
информации из зарегистрированного спектра для компенсации составляющих
погрешностей, обусловленных изменением внешних условий проведения эксперимента.
Библиографический список
1. Шумский И. А. Виртуальная USB лаборатория – прорыв в будущее /
И. А. Шумский Контрольно-измерительные приборы и системы. 2003. № 4. С.
19 – 21.
2. А ф о н с к и й А. А. Возможности расширенной синхронизации в виртуальных осциллографах Актаком / А. А. А ф о н с к и й , Е. В. С у х а н о в //
Контрольно-измерительные приборы и системы. 2010. № 3. С. 8 – 13.
3. Е р м и ш и н С. М. Возможности создания виртуальных эталонов /
С. М. Е р м и ш и н // Измерительная техника. 2002. № 10. С. 10 – 13.
4. Е р м и ш и н С. М. Виртуальные эталоны – новый класс виртуальных
приборов / С. М. Е р м и ш и н , П. Г. Ш а б а н о в // Автоматизация в промыш-ленности. 2004. № 10. С. 26 – 30.
10
5. T e t t e r V. Y. Modeling of virtual standards of vibration of defective bearing units / V. Y. T e t t e r, O. N. S i d o r o v, E. A. S i d o r o v a // Measurement
Techniques. USA. 2013. June. Volume 56. Issue 3. Р. 278 – 282.
6. К у з н е ц о в А. А. Исследование факторов, влияющих на результаты
измерения интенсивностей при спектральном анализе материалов /
А. А. К у з н е ц о в , О. Б. М е ш к о в а, В. А. С л е п т е р е в // Омский научный
вестник. 2011. № 3. С. 242 – 245.
7. Программа видеоконтроля процесса атомно-эмиссионного спектрального анализа / З. В. С е м ѐ н о в, О. А. Н е к л ю д о в и др.// Материалы XI междунар. симпозиума «Применение анализаторов МАЭС в промышленности».
Ин-т неорганической химии СО РАН. Новосибирск, 2011. С. 70 – 73.
8. Temporal Sensitivity of the Wavelength Calibration of a Photodiode Array
Spectrometer/ P. M a r t i n s e n, V. A. M c G l o n e et al. // Applied Spectroscopy.
Vol. 64. № 12. 2010. Р. 1325 – 1329.
9. К у з н е ц о в А. А. Реализация мобильных градуировочных характеристик приборов спектрального анализа материалов с использованием виртуальных эталонов / А. А. К у з н е ц о в, В. А. С л е п т е р е в, А. В. П е л е з н е в //
Омский научный вестник. 2013. № 3(125). С. 241 – 246.
10. К у з н е ц о в А. А. Разработка алгоритма и программного обеспечения
устойчивого градуирования приборов атомно-эмиссионной спектроскопии /
А. А. К у з н е ц о в, В. А. С л е п т е р е в. // Сб. науч. тр. SWorld по материалам
междунар. науч.-практ. конф. «Научные исследования и их практическое
применение. Современное состояние и пути развития». Одесса: Черноморье, 2011.
С. 23 – 26.
УДК 621.331:621.311
В. Т. Черемисин, Д. В. Пашков
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОМЕНЕДЖМЕНТА
ХОЛДИНГА «РЖД» ЗА СЧЕТ ВНЕДРЕНИЯ МОНИТОРИНГА
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕВОЗОЧНОГО ПРОЦЕССА
Создание системы энергетического менеджмента в организации предусматривает разработку, публичное объявление и внедрение энергетической политики организации [1]. Энергетическая политика осуществляется путем пос-
11
тановки целей в области энергопотребления и энергосбережения, определения
задач и разработки планов мероприятий. Внедрение системы энергетического
менеджмента в Российской Федерации является добровольным. Структурная
модель энергетического менеджмента в соответствии с требованиями ГОСТа
[1] приведена на рисунке.
Энергетическая политика
Анализ со
стороны
руководства
Энергетическое
планирование
Внедрение и
функционирование
ПРОВЕРКА
Внутренний аудит
системы
энергетического
менеджмента
Мониторинг,
измерение и
анализ
Несоответствия,
коррекция и
предупреждающие
действия
Структурная модель энергетического менеджмента
Основным документом, определяющим энергетическую политику холдинга «Российские железные дороги», в настоящее время является Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» до 2015 года и на
перспективу до 2030 года, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 15 декабря 2011 г. № 2718р.
Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» разработана в рамках реализации требований законодательства РФ [2] и направлена на решение таких задач, как обеспечение учета всех видов топливноэнергетических ресурсов (ТЭР); соблюдение требований к энергетической эффективности зданий, строений, сооружений; проведение обязательного энергетического обследования и др.
12
В Энергетической стратегии холдинга «РЖД» определены целевые
ориентиры по экономии ТЭР, в том числе для системы тягового электроснабжения и использования электроэнергии на нетяговые нужды [4], и заданы их
количественные значения, представлена концепция проведения энергетического обследования в холдинге «РЖД» [5].
Все перечисленное выше позволяет считать, что разработка и регулярная
актуализация Энергетической стратегии холдинга «РЖД» могут быть приняты
как публичное объявление целей, задач и планирование направлений проведения работ по повышению энергетической эффективности «Российских железных дорог» в рамках построения системы энергоменеджмента «РЖД».
Важным элементом внедрения системы энергоменеджмента является
обеспечение учета и контроля эффективности использования энергоресурсов.
Учитывая тот факт, что несмотря на постоянную работу по снижению
объемов потребляемых энергоресурсов рост цен на них приводит к увеличению
доли затрат на ТЭР в структуре себестоимости перевозочного процесса, задача
совершенствования систем учета всех видов ТЭР является крайне актуальной.
Важнейшей составляющей в топливно-энергетическом балансе холдинга
«РЖД» является электрическая энергия. Достаточно отметить, что на электротяге осуществляется более 80 % перевозочной работы.
В настоящее время в холдинге «РЖД» успешно внедрены и развиваются
несколько автоматизированных систем (АС) учета электроэнергии: АС коммерческого учета электроэнергии тяговых подстанций, железнодорожных узлов, розничного рынка.
При внедрении указанных систем учет электроэнергии организован на
вводах и отходящих линиях, питающих сторонних потребителей, на уровнях
напряжения 220, 110, 35, 10 и 6 кВ, а также на вводах 27,5 кВ тяговых подстанций, на вводах 6 и 10 кВ преобразовательных агрегатов, а также на всех электрических линиях, по которым осуществляется электроснабжение железнодорожных потребителей. Обеспечены также автоматизированный учет приема,
распределения и потребления электроэнергии в крупных железнодорожных узлах и отпуск электроэнергии по линиям продольного электроснабжения.
Технико-экономическая эффективность внедрения перечисленных систем
подтверждена результатами научных исследований [6 – 8].
Внедрение автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии позволяет осуществлять контроль баланса приема, распределения и
потребления и потерь электроэнергии практически на всех уровнях использо13
вания электроэнергии, за исключением одного – «тяговые подстанции – электроподвижной состав». Составление балансов и контроль потерь электроэнергии
на тягу поездов осуществляются только в границах полигонов постоянного и
переменного тока железных дорог. Причинами этого являются отсутствие приборов учета электроэнергии на фидерах контактной сети тяговых подстанций и
недостаточный уровень функциональности учета электрической энергии на
электроподвижном составе.
Важным элементом внедрения системы энергоменеджмента является
обеспечение мониторинга, измерения и анализа данных об энергопотреблении.
Для обеспечения мониторинга энергоэффективности перевозочного процесса в границах любого произвольного участка железной дороги (кратного
межподстанционной зоне) необходимо обеспечить наличие автоматизированных систем учета электроэнергии на фидерах контактной сети (ФКС) тяговых
подстанций и систем учета электроэнергии на электроподвижном составе,
обеспечивающих привязку данных о расходе электроэнергии к текущей координате с помощью модулей GPS/ГЛОНАСС. При этом должна быть обеспечена
точность учета электроэнергии не хуже, чем для систем коммерческого учета
электроэнергии [9].
Автоматизированная система учета электроэнергии на ФКС должна обеспечивать
автоматическое измерение и запись значений тока, напряжения, расхода и
возврата электроэнергии по ФКС тяговых подстанций с заданным интервалом;
автоматическую передачу результатов измерений на сервер с привязкой к
тяговой подстанции и ФКС.
Автоматизированные информационно-измерительные комплексы на ЭПС
должны обеспечивать
автоматическое измерение и запись параметров электропотребления и рекуперации ЭПС с заданным интервалом и привязкой к глобальному времени и
географическим координатам;
автоматизированную идентификацию машиниста с привязкой его табельного номера к результатам измерений;
автоматическую передачу результатов измерений на сервер.
Данные автоматизированных систем учета электрической энергии на фидерах контактной сети тяговых подстанций и электроподвижном составе должны обрабатываться совместно на сервере системы мониторинга энергоэффек-
14
тивности перевозочного процесса, который должен осуществлять следующие
функции
хранение собственных баз данных географических координат объектов
железнодорожного пути и границ зон учета электроэнергии;
автоматический сбор и обработку результатов измерений систем учета
электроэнергии на фидерах контактной сети и электроподвижном составе;
автоматическое формирование протоколов энергетической эффективности перевозочного процесса при информационном взаимодействии с внешними
системами ЕСМ БС, ЦОММ, АСОУП, АСУТ, АСКУЭ и др.
Создание системы мониторинга энергоэффективности перевозочного
процесса включает в себя комплекс теоретических исследований, конструкторских разработок и опытного внедрения оборудования.
Комплекс теоретических исследований включает в себя разработку следующих инструктивно-методических материалов:
1) методология анализа результатов синхронных измерений расхода
электроэнергии на фидерах контактной сети тяговых подстанций и электроподвижном составе;
2) методика оценки эффективности использования электроэнергии на тягу поездов по показаниям приборов учета на фидерах контактной сети тяговых
подстанций и электроподвижном составе;
3) технические требования к информационно-измерительным комплексам
учета электроэнергии на электроподвижном составе;
4) технология учета расхода электроэнергии электроподвижным составом
с использованием автоматизированных информационно-измерительных комплексов;
5) методика оценки эффективности внедрения автоматизированной системы учета электроэнергии на фидерах контактной сети;
6) методика оценки эффективности внедрения автоматизированной системы учета электроэнергии на электроподвижном составе;
7) концепция построения автоматизированной системы мониторинга
энергоэффективности перевозочного процесса;
8) методика оценки эффективности внедрения автоматизированной системы мониторинга энергоэффективности перевозочного процесса.
Комплекс конструкторских разработок включает в себя создание образцов информационно-измерительных комплексов учета электроэнергии для фидеров контактной сети тяговых подстанций и для электроподвижного состава.
15
Опытное внедрение подразумевает проведение натурных и вычислительных экспериментов по оценке расхода и потерь электроэнергии на тягу поездов
с применением разработанных систем учета электроэнергии на фидерах контактной сети и электроподвижном составе.
На основании результатов обработки данных натурных и вычислительных экспериментов планируется создание базы данных о расходе электроэнергии по показаниям систем учета электроэнергии и разработка алгоритмов анализа данных, определение принципов задания граничных критериев оценки
эффективности использования электроэнергии на тягу поездов.
Внедрение системы мониторинга энергоэффективности перевозочного
процесса позволит решить следующие задачи
1. Снижение «небаланса» электроэнергии в тяговой сети до уровня технологических потерь и, как следствие, появление возможности отказаться от
термина «небаланс», заменив его общеизвестным термином «технологические
потери». «Коммерческая» составляющая «небаланса» практически будет ликвидирована.
2. Уменьшение расхода электрической энергии на тягу поездов за счет
внедрения рекомендаций, разработанных на основании ежесуточного мониторинга энергоэффективности участков железной дороги.
3. Снижение технических потерь в тяговой сети за счет внедрения рекомендаций по управлению уровнем напряжения на шинах тяговых подстанций.
4. Автоматизация получения основных показателей о расходе электрической энергии без применения машинистом ручной записи в маршрутный лист
машиниста.
5. Автоматизация подготовки протоколов по энергетической эффективности поездов на участках обслуживания, эффективности работы дистанций
электроснабжения и эффективности организации движения поездов с учетом
работы системы тягового электроснабжения.
Библиографический список
1. ГОСТ Р ИСО 50001-2011. Системы энергетического менеджмента. Требования к руководству и применению. М.: Стандартинформ, 2012. 52 с.
2. Федеральный закон от 23. 11. 2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и
повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в от-
16
дельные законодательные акты Российской Федерации» // Российская газета.
27 ноября 2009 г.
3. Ч е р е м и с и н В. Т. Основные направления реализации Федерального
закона № 261-ФЗ от 23.11.09 «Об энергосбережении…» в холдинге «Российские железные дороги» / В. Т. Ч е р е м и с и н, М. М. Н и к и ф о р о в // Известия
Транссиба. Омский гос. ун-т путей сообщения. 2010. № 2. С. 119 – 123.
4. Н и к и ф о р о в М. М. Целевые показатели энергосбережения и повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения и
электропотребления на нетяговые нужды / М. М. Н и к и ф о р о в // Известия
Транссиба/ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2010. № 3 (3).
С. 110 – 116.
5. Н и к и ф о р о в М. М. Концепция организации энергетического обследования в ОАО «Российские железные дороги» / М. М. Н и к и ф о р о в //
Известия Транссиба/ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2010. № 4 (4).
С. 120 – 126.
6. Ч е р е м и с и н В. Т. Технико-экономические аспекты внедрения
АСКУЭ / В. Т. Ч е р е м и с и н, М. М. Н и к и ф о р о в, А. Л. К а ш т а н о в //
Железнодорожный транспорт. 2007. № 3. С. 51 – 53.
7. Н и к и ф о р о в М. М. Повышение эффективности контроля расхода
электроэнергии нетяговых потребителей с использованием данных АСКУЭ ЖУ/
М. М. Н и к и ф о р о в, И. Ю. Н о р к и н // Ресурсосберегающие технологии на
Западно-Сибирской железной дороге: Материалы науч.-практ. конф. / Омский
гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. С. 124 – 129.
8. Н и к и ф о р о в М. М. Повышение технико-экономических показателей системы нетягового электроснабжения при внедрении АСКУЭ розничных
рынков электроэнергии / М. М. Н и к и ф о р о в, И. Ю. Н о р к и н // Транспорт
Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург. 2009. № 2 (21).
С. 97 – 99.
9. К о р о л ь Ю. Н. Внедрение единой автоматизированной системы мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети и ЭПС – первый
шаг к созданию «интеллектуальной» сети тягового электроснабжения /
Ю. Н. Король, Ю. А. Чернов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей
сообщения. Омск. 2012. № 4. С. 102 – 110.
17
УДК 621.331:621.311
М. М. Никифоров, А. Л. Каштанов
ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ
ПРИ ВНЕДРЕНИИ СИСТЕМЫ УЧЕТА НА ФИДЕРАХ КОНТАКТНОЙ
СЕТИ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрическая тяга поездов является одним из наиболее энергоемких
производственных процессов в ОАО «Российские железные дороги». Ключевые современные направления повышения эффективности использования электроэнергии на тягу поездов были определены в ходе проведения энергетического обследования и энергетической паспортизации объектов ОАО «Российские
железные дороги» в 2011, 2012 гг., в котором специалисты Омского государственного университета путей сообщения принимали активное участие [1,
2]. По результатам проведенного энергетического обследования в границах железных дорог были разработаны программы повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава [3,
4].
Однако согласно отчетным данным ОАО «Российские железные дороги»
доля расходов на топливно-энергетические ресурсы в себестоимости перевозочного процесса неуклонно возрастает несмотря на постоянную работу по повышению эффективности их использования. Поэтому проведение дальнейших
исследований по поиску путей снижения потребления электроэнергии на тягу
поездов остается актуальным.
Одной из существенных составляющих расхода электроэнергии на тягу
поездов являются потери в тяговой сети. Согласно статистическим данным
уровень небаланса между отпуском электроэнергии по фидерам контактной сети тяговых подстанций и потреблением электроэнергии на электроподвижном
составе составляет на полигоне постоянного тока от 12 до 18 % от общего
объема отпуска электроэнергии на тягу поездов [5]. Указанные потери подразделяются на технологические, обусловленные электрическими характеристиками элементов тяговой сети [6, 7], и коммерческие, связанные с достоверностью учета электроэнергии. Одним из перспективных путей снижения ком18
мерческой составляющей потерь электроэнергии на тягу поездов является внедрение автоматизированных систем учета электроэнергии на фидерах контактной сети (далее – АСКУЭ ФКС) тяговых подстанций постоянного тока [8, 9].
Система АСКУЭ ФКС предназначена для обеспечения контроля, управления и повышения энергетической эффективности работы системы тягового
электроснабжения за счет наличия функций измерения напряжения и тока, учета активной энергии в прямом и обратном направлениях, выявления потерь
электрической энергии в контактной сети и оборудовании тяговых подстанций.
Основным результатом внедрения АСКУЭ ФКС является оперативный
мониторинг энергетических показателей с локализацией по времени и месту,
что позволит определять следующее:
1) расход электрической энергии по межподстанционным зонам с указанием полученного расхода от смежных тяговых подстанций с определением
усредненного значения места токораздела и определения дополнительных технологических потерь в тяговой сети от смещения точки токораздела;
2) расход электрической энергии по плечам питания тяговых подстанций;
3) значения перетоков энергии по шинам тяговых подстанций постоянного тока с указанием процента энергии перетока от расхода энергии на тягу
поездов. Оценка ущерба от повышенных перетоков, заключающегося в увеличении технических потерь в смежных межподстанционных зонах;
4) усредненные значения напряжения на шинах тяговых подстанций, отклонений напряжения смежных подстанций выше установленного уровня;
5) расход электрической энергии по тяговым подстанциям. Выявление тяговых подстанций с повышенным и пониженным расходом электрической
энергии, находящихся в идентичных условиях;
6) технологические потери в оборудовании тяговых подстанций (выявление тяговых подстанций с повышенными технологическими потерями);
7) эффективность работы оборудования тяговых подстанций и выявление
устройств, работающих в неэффективных режимах;
8) эффективность работы устройств усиления мощности тяговых подстанций (пунктов повышения напряжения, вольтодобавочных установок, блоков автоматического регулирования напряжения и др.).
К основным информативным параметрам относятся
19
напряжение, ток (со знаком), значение активной мощности (со знаком) по
фидерам контактной сети и вводам 3,3 кВ с заданным интервалом времени;
приращение активной энергии по фидерам контактной сети и вводам
3,3 кВ на заданном интервале;
гармонический состав напряжения на заданном интервале времени;
время выполнения измерений с привязкой к системе обеспечения единого
времени.
Снижение потребления электрической энергии от внедрения АСКУЭ
ФКС достигается за счет принятия и реализации обоснованных решений по повышению эффективности работы системы тягового электроснабжения.
К основным направлениям получения эффекта от внедрения системы
учета электроэнергии на фидерах контактной сети относятся
накопление базы данных об электропотреблении на тягу поездов для разработки организационно-технических мероприятий по снижению удельного
расхода электроэнергии на тягу поездов и для уточнения структуры и снижения
уровня небаланса электроэнергии на тягу поездов;
оптимизация неравномерности загрузки смежных тяговых подстанций;
оценка технико-экономической эффективности режимов работы оборудования тяговых подстанций.
Кроме того, возможно получение таких дополнительных технологических эффектов:
существенное снижение трудозатрат на сбор, обработку и анализ данных
об электропотреблении на тягу поездов электроподвижным составом за счет
полной автоматизации процесса;
обеспечение синхронных измерений напряжения и тока на фидерах контактной сети;
дистанционное оперативное определение места повреждения (в том числе
обрыва) в контактной сети за счет функции автоматического аварийного
осциллографирования, что позволит сократить время восстановления работоспособности контактной сети после аварий;
предотвращение появления аварийных ситуаций, связанных с перегрузкой оборудования, за счет контроля качества электроэнергии в режиме реального времени с автоматической фиксацией и документированием критических
отклонений в рабочих режимах и, при плавке гололеда;
20
дистанционный оперативный контроль перетоков мощности между тяговыми подстанциями, который позволит выявить участки их возникновения и
принять соответствующие меры для уменьшения их значений;
дистанционный оперативный контроль состояния износа контактного
провода за счет измерения падений напряжения в контактной сети и формирования реальной картины токораспределения, что позволит оперативно определять текущее состояние контактного провода;
контроль качества возвращаемой из контактной сети электроэнергии;
дистанционный оперативный мониторинг энергоэффективности работы
системы тягового электроснабжения в зависимости от организации размеров
движения и объемов перетоков электроэнергии на стороне ВН тяговых подстанций, что позволит оценивать распределение активных и реактивных нагрузок и, следовательно, рассматривать вопросы дифференциации тарифов на услуги по передаче электрической энергии;
дистанционная оперативная оценка остаточного ресурса тяговых трансформаторов на основании данных осциллографирования, полученных с приборов, и данных параметров токовой загрузки фидеров контактной сети в режиме
реального времени;
дистанционная оперативная оценка остаточного ресурса высоковольтных
выключателей на основе отключаемого тока короткого замыкания, что позволит перейти на обслуживание их по фактическому состоянию;
оценка резерва для увеличения пропускной способности по температуре
элементов тяговой сети;
определение внешних характеристик плеч питания и тяговых подстанций
в целом на основе данных параметров сети для точного расчета уставок защиты
фидеров контактной сети.
Следует отметить, что в 2014 г. завершается внедрение АСКУЭ ФКС на
шести тяговых подстанциях постоянно действующего экспериментального полигона Свердловской железной дороги. На 2015 г. намечена опытная эксплуатация системы АСКУЭ ФКС.
Основное назначение АСКУЭ ФКС состоит в обеспечении контроля,
управления и повышения энергетической эффективности работы системы тягового электроснабжения за счет наличия функций измерения напряжения и тока,
21
учета мощности и энергии в прямом и обратном направлениях, выявления потерь электрической энергии в контактной сети.
Внедрение и опытная эксплуатация АСКУЭ ФКС на экспериментальном
полигоне Свердловской железной дороги позволит реально подтвердить проведенные расчеты эффективности внедрения для получения рекомендаций по возможному дальнейшему внедрению указанной системы на полигоне постоянного
тока электрифицированных железных дорог Российской Федерации, а также
оценить разработки аналогичной системы для полигона переменного тока.
Автоматизированная система учета электроэнергии на фидерах контактной сети тяговых подстанций является одним из ключевых элементов системы
мониторинга энергоэффективности перевозочного процесса.
Библиографический список
1. Н и к и ф о р о в М. М. Энергетическое обследование системы тягового
электроснабжения и электроподвижного состава / М. М. Н и к и ф о р о в // Инновационное развитие железнодорожного транспорта России: Материалы
всерос. науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012.
С. 113 – 119.
2. Д а в ы д о в А. И. Особенности энергетического обследования электрической тяги поездов / А. И. Д а в ы д о в, М. М. Н и к и ф о р о в // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Новосибирская гос. акад. водного
транспорта. Новосибирск. 2011. № 1. С. 303 – 306.
3. Ч е р е м и с и н В. Т. Повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава / В. Т. Ч е р е м и с и н, М. М. Н и к и ф о р о в // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. /
Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 9 – 15.
4. Ч е р е м и с и н В. Т. Оценка потенциала повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения / В. Т. Ч е р е м и с и н,
М. М. Н и к и ф о р о в // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2013. № 2 (14). С. 75 – 84.
5. Д а в ы д о в А. И. Оценка потерь электроэнергии на тягу поездов /
А. И. Д а в ы д о в, М. М. Н и к и ф о р о в // Математическое моделирование и рас-
22
чет узлов и объектов железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб. науч.
тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 53 – 56.
6. Н и к и ф о р о в М. М. Оценка технологических потерь электроэнергии
в системе тягового электроснабжения постоянного тока / М. М. Н и к и ф о р о в,
А. С. В и л ь г е л ь м, А. В. Я з о в // Инновационные проекты и новые технологии
в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ.
конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 40 – 45.
7. Ч е р е м и с и н В. Т. Оценка технологических потерь в тяговой сети в условиях применения электроподвижным составом рекуперативного торможения /
В. Т. Ч е р е м и с и н, А. С. В и л ь г е л ь м, В. Л. Н е з е в а к // Вестник Ростовского
гос. ун-та путей сообщения. Ростов-на-Дону. 2014. № 2. С. 106 – 111.
8. Х р я к о в А. А. Снижение коммерческой составляющей потерь электрической энергии на тягу поездов на полигоне постоянного тока / А. А. Х р я к о в, М. М. Н и к и ф о р о в // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2011. № 5. С. 42 – 45.
9. Ч е р е м и с и н В. Т. Концепция Единой автоматизированной системы
учета электрической энергии на тягу поездов / В. Т. Ч е р е м и с и н, А. Л. К а ш т а н о в, С. Ю. У ш а к о в // Транспорт Урала. Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург. 2013. № 4 (39). С. 83 – 87.
УДК 621.313.5
К. К. Ким, С. Н. Иванов, Н. С. Карпова, П. А. Гнедин
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И
ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
Электромеханические преобразователи переменного тока (ЭМП) в настоящее время являются одним из самых распространенных элементов энергетических систем различного целевого назначения, что в значительной степени
связано с интенсивным развитием преобразователей частоты, обеспечивающих
энергосберегающие режимы работы за счет оптимальных алгоритмов управления и расширяющих область применения ЭМП, например, делающих перспек-
23
тивным использование традиционных ЭМП в качестве теплогенерирующих насосов (ТЭМП) [1].
ТЭМП по своей сути является асинхронным двигателем (АД), но в отличие от последнего, где нагрев элементов конструкции, сопровождающий процесс преобразования электрической энергии в механическую, носит негативный
характер, выделяющееся тепло в ТЭМП идет на нагрев теплоносителя.
Конструктивные варианты исполнения ТЭМП и принцип действия преобразователя подробно описаны в источниках [2,3]. Как показали предварительные
оценки, на нагрев теплоносителя может отводиться до 85 % потребляемой
мощности. Высокая эффективность устройства, а именно увеличение количества нагреваемого и перемещаемого ТЭМП теплоносителя, является следствием чрезвычайно низкого осевого гидравлического сопротивления устройства
(отсутствуют вал и подшипниковые узлы). Однако использование некоторых
типов конструкций ТЭМП, например, с полым немагнитным ротором без ферромагнитных элементов (ФЭ), связано со значительным реактивным током, вызывающим существенный нагрев неподвижной части ТЭМП. По сравнению с
асинхронным двигателем потребляемый ток ТЭМП без ФЭ в пять – семь раз
выше в зависимости от мощности и числа пар полюсов (при номинальном токе
аналогичного АД порядка 6…7 А ток ТЭМП достигает 25…35 А), а коэффициент мощности не превышает 0,15…0,20. Таким образом, отсутствие ферромагнитных участков на подвижной части является причиной напряженного теплового режима ТЭМП, обеспечивает возможность его использования в основном
в качестве нагревательного устройства с невысокими напорными характеристиками и требует применения специальных конструкций, например, двухконтурных систем охлаждения [4].
Для оценки возможности изменения соотношения между тепловой и механической составляющими выходной мощности ТЭМП необходимо определение соответствующих размерных соотношений ФЭ, обеспечивающих минимальное гидравлическое сопротивление проточной части ТЭМП при требуемом
в электромагнитном отношении сечении ферромагнитных элементов. Поскольку магнитная индукция в зазоре обычно не превышает 1,9…2,1 Тл, толщина ФЭ
может быть предварительно выбрана равной минимальной ширине зубца статора, соответствующей этой индукции. Качественное влияние толщины ФЭ на
распределение магнитного поля показано на рис. 1.
24
Сравнительный анализ результатов численного моделирования с проектными параметрами ТЭМП подтверждает возможность выбора толщины ферромагнитного элемента исходя из электромагнитного расчета неподвижной части.
В частности, для ТЭМП мощностью 2,2 кВт при использовании электротехнической стали 2013 с толщиной листа 0,5 мм и коэффициенте заполнения сталью
0,95 ширина зубца статора составляет примерно 4 мм, а для существенного
снижения магнитного сопротивления, как это видно из рис. 1, достаточно установки ФЭ толщиной не менее 2 мм.
Рис. 1. Распределение магнитного поля при использовании
ферромагнитных элементов различной толщины
Более сложно определить осевую длину ФЭ, так как она не только изменяет распределение магнитного поля во внутренней области ТЭМП, но и влияет
на процесс теплоотдачи с поверхности неподвижного элемента (НЭ) вследствие
изменения гидравлического сопротивления между неподвижным и вращающимся нагревательными элементами. Для исследования влияния длины ФЭ на
параметры опытного образца ТЭМП был проведен ряд экспериментов с использованием тороидальных ферромагнитных шихтованных элементов из электротехнической стали 2013 длиной 20 и 60 мм при длине вращающегося элемента (ВЭ) 100 мм.
Зависимость тока от входного напряжения при использовании ФЭ различной длины приведена на рис. 2. Анализ графиков зависимости тока от входного напряжения при использовании ФЭ показывает, что их длина оказывает
значительное влияние на потребляемый ток. Как видно из графиков на рис. 2,
при номинальном напряжении потребляемый ток уменьшается в 1,5 раза при
использовании ФЭ длиной 20 мм и более чем в 2 раза при длине 60 мм.
25
Таким образом, качественный анализ экспериментальных данных показывает, что использование ФЭ не только ограничивает потребляемые ток и
мощность, но и обеспечивает более широкие возможности регулирования выходных параметров ТЭМП.
Для количественной оценки влияния ФЭ было проведено моделирование
электромагнитных процессов и на их основе тепловых процессов в ТЭМП с использованием пакета Comsol Multiphysics.
Анализ работы ТЭМП проводился в два этапа. Первый включал в себя
постановку плоскопараллельной задачи расчета электромагнитного поля с учетом вращения ВЭ, второй – расчет осесимметричной модели, объединяющей
процессы теплопередачи и гидродинамики. При расчете магнитного поля использовалась двумерная модель магнитного поля переменных токов. Задача
сводилась к решению дифференциального уравнения в частных производных
относительно комплексной величины z-компонента векторного магнитного потенциала А. Расчетная частота – 50 Гц.
Источником магнитного поля в используемом пакете является плотность
стороннего тока (амплитудное значение)
Jфm 
2I ф  n
Sпаза
,
(1)
где I ф  4,6 A , n = 48 – число проводников в одном пазу, Sпаза = 83,5 мм2.
Для
каждой
фазы
можно
записать:
J А  Jфm ;
J B  J ф m  e  j120 ;


J C  J ф m  e j120 , где J ф m  3,74  106 А / мм 2 .
Такой порядок фаз соответствует вращению магнитного поля по часовой
стрелке. В пазах, занятых катушками противоположного направления, соответствующие значения плотности тока брались с обратным знаком.
Составляющие скорости ВЭ, вращающегося по часовой стрелке с угловой
скоростью S, определялись по формулам:
Vx  S  y ;
Vy  S  x ,
где S  (1  S) ,  = 314 (с-1), S – скольжение.
26
(2)
(3)
Ниже приведем результаты расчета, полученные при различной толщине
d ферромагнитного вращающегося элемента с магнитной проницаемостью
 r  500 . Магнитная проницаемость статора  r принята равной 1000.
Основным результатом расчета на первом этапе являлось определение
значений объемного тепловыделения в элементах ТЭМП, которые затем используются в качестве источников тепла в задаче теплопроводности.
На втором этапе решалась тепловая задача с учетом конвекции и течения
теплоносителя (воды) с использованием двух физических моделей пакета – теплопереноса с учетом конвекции и теплопроводности и гидродинамики, основанной на уравнении Навье – Стокса для несжимаемой жидкости. Для более
строгого задания граничных условий геометрическая модель задачи кроме рабочей области ТЭМП дополнена участками труб, обеспечивающих подвод и
отвод жидкости (рис. 3). Течение жидкости в расчетной области задавалось
соответствующими граничными условиями. На входе задан параболический
профиль скоростей Vz(r), что соответствует ламинарному течению по трубе без
возмущений. Профиль описывался уравнением:
Vz (r)  2Vin (1  (r / R in )2 ) ,
где R in – внутренний радиус трубы; Vin – средняя входная скорость потока.
Тангенциальное перемещение жидкости в рабочей области ТЭМП имитировалось введением в этой зоне радиальной силы Fr (r)  F0 (1  (r / R 0 )) , где
R 0 – внутренний радиус ФЭ.
Параметр F0 подбирался таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить сходимость решения, а с другой – создать условия для перемещения жидкости в непосредственной близости от источников тепла для наиболее интенсивного теплообмена. Расчеты показали значительное влияние на величину F0
средней входной скорости Vin . Приведенные далее результаты получены для
Vin =1 м/с, F0 = 5104.
«Замкнутость» цикла нагрева, т. е. подача потока, вышедшего из зоны нагревания, вновь на его вход, учитывалась периодическими граничными условиями по температуре на входе и выходе расчетной модели.
Со всех внешних поверхностей, включая зоны нагрева и подводящих и
отводящих труб, предполагалась конвективная теплоотдача в окружающую
среду (воздух). Поскольку коэффициент теплоотдачи с нагретой стенки в воз27
дух k то при естественной конвекции не превышает 20 Вт/(м2·град), что приводит к аномально высоким значениям температуры жидкости, то при расчетах
принято значение этого коэффициента 30 Вт/(м2·град). Следует отметить, что
величина коэффициентов теплоотдачи в двухконтурных ТЭМП [3] может
достигать значений 150…200 Вт/(м2·град).
Интегральные тепловые характеристики ТЭМП для ФЭ различной толщины и двух коэффициентов теплоотдачи (зависимости температуры теплоносителя от скольжения) приведены на рис. 4. Их анализ подтверждает тот факт,
что совместное использование ВЭ и НЭ обеспечивает практическое
постоянство результирующей температуры нагреваемого теплоносителя при
номинальных напряжении и частоте питающей сети и заданном коэффициенте
теплоотдачи в рабочем диапазоне скольжений 0,4…0,9.
2
k то = 30 Вт/(м ·град)
2
k то = 20 Вт/(м ·град)
б
а
Рис. 4. Зависимость температуры воды от скольжения при изменении толщины ФЭ:
а – k то = 20 Вт/(м2·град); б – k то = 30 Вт/(м2·град)
Полученные результаты позволяют выбрать размерные отношения ФЭ,
влияющие на электромагнитные и тепловые процессы и могут являться основой для определения номинальных параметров и области применения ТЭМП в
исследованном интервале скольжения.
При этом очевидно, что использование ФЭ значительно влияет на тепловые и напорные характеристики ТЭМП, поэтому для их комплексного исследования на производительность, напор и температуру с целью оптимизации необходимо использование накопленного опыта физического, математического и
численного моделирования как классических электромеханических преобразователей, теоретических и практических разработок в области электромеханики,
28
так и механики, теплотехники, гидравлики и создание на этой основе научно
обоснованной методики проектирования, позволяющей производить, испытывать и эксплуатировать рассматриваемые устройства.
На основе изложенного можно сделать выводы.
1. Использование ТЭМП с немагнитным вращающимся нагревательным
элементом в качестве источника нагрева и перемещения теплоносителя приводит к существенному возрастанию потребляемого тока и мощности при невысоком коэффициенте мощности.
2. Применение ферромагнитных элементов, расположенных внутри немагнитного ВЭ, позволяет снизить мощность и ток статора практически до значений, характерных классическим ЭМП, и обеспечивает практическую возможность регулирования выходных параметров ТЭМП.
3. Толщину ФЭ целесообразно принимать равной минимальной ширине
зубца статора, получаемой по результатам электромагнитного расчета ТЭМП.
4. Осевая длина ФЭ может быть выбрана 0,25…0,70 от длины ВЭ, что
соответствует снижению потребляемой мощности без существенного изменения условий теплоотдачи с НЭ.
5. Совместное использование ВЭ и НЭ обеспечивает незначительное изменение результирующей температуры нагреваемого теплоносителя при номинальных напряжении и частоте питающей сети и заданном коэффициенте теплоотдачи в рабочем диапазоне скольжения 0,4…0,9.
29
Библиографический список
1. К и м К. К. Моделирование и управление электромеханическими теплогенераторами на основе нейросетевых и нечетких алгоритмов / К. К. К и м,
С. Н. И в а н о в, Л. Н. А м о с о в а // Электричество. 2009. № 10. С. 36 – 40.
2. И в а н о в С. Н. Теплогенерирующие электромеханические устройства и
комплексы / С. Н. И в а н о в, К. К. К и м, В. М. К у з ь м и н // СПб: ОМ-Пресс,
2009. 348 с.
3. И в а н о в С. Н. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь / С. Н. И в а н о в, К. К. К и м, И. М. К а р п о в а // Электротехника. 2008.
№ 9. С. 46 – 52.
4. Пат. № 87855 Российская Федерация, МПК7 Н 05 В 6/10. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь / К. К. К и м, С. Н. И в а н о в,
С. В. У х а н о в (Россия); заявитель и патентообладатель Петербургский гос.
ун-т путей сообщения. № 2008115841/22; заявл. 21.04.2008; опубл. 20.10.2009,
Бюл. № 29. 2 с.
УДК 621.3(075.8)
А. И. Гравер, Т. В. Ковалева, Н. В. Пашкова, Т. М. Петухова
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ
Электрические цепи с распределенными параметрами представляют собой класс цепей, особенности функционирования которых зависят от распределения сопротивлений, проводимостей, индуктивностей и емкостей по пространственным координатам. К таким цепям относятся различные воздушные и
кабельные линии из области энергетики, проводной связи, радиотехники, передачи информации. Использование электрических линий различных конструкций и назначения характерно и для железнодорожного транспорта. Это контактная сеть электрифицированных участков железных дорог, питающие эти
30
участки высоковольтные линии электропередачи, рельсовые цепи, линии автоблокировки, воздушные линии и кабели связи [1].
В качестве объекта изучения используется модель двухпроводной однородной линии как простейшего представителя рассматриваемого класса цепей.
Из-за распределенного характера параметров линий электромагнитные процессы в них носят волновой характер.
Математический аппарат для исследования однородных линий известен.
Основу его составляют телеграфные уравнения, которые представляют собой
систему из двух дифференциальных уравнений для тока и напряжения линии [1]:
i
 u
  x  r0 i  L0 t ;

 i  G u  C u ,
0
0
t
 x
(1)
где r0, L0, G0, C0 – первичные параметры линии.
Схема замещения элементарного участка длинной линии представлена на
рис. 1.
i
r0 dx
i
L0 dx
u
g 0 dx
x
dx
C0 dx
i
dx
x
u
u
dx
x
Рис. 1. Схема замещения элементарного участка длинной линии
Одним из объектов, существенно влияющих на электромагнитную
совместимость оборудования железнодорожного транспорта, является система
тягового электроснабжения. Волновые процессы в контактной сети оказывают
отрицательное влияние на электрические линии передачи энергии, проложенные вблизи от железной дороги: линии телефонной и телеграфной связи, рельсовые цепи автоблокировки, силовые и осветительные сети; эти волновые процессы отрицательно сказываются и на потерях энергии в системе тягового электроснабжения.
31
Однако определение допустимых уровней влияния, оказываемого волновыми процессами, не является простой и однозначной задачей. Знания о токах
различных источников недостаточны для того, чтобы установить пределы, в
которых обеспечивалась бы электромагнитная совместимость оборудования
[2]. До тех пор, пока не будет достигнуто достаточного понимания характера
электромагнитных явлений в сложных системах, энергоснабжение будет оставаться под угрозой повышенной опасности и энергоснабжающие организации и
потребители будут часто вынуждены принимать меры уже после аварий.
Для решения этой проблемы необходимо смоделировать систему электроснабжения, что позволит провести глубокий анализ сложных электромагнитных процессов в сетях.
Система электроснабжения может рассматриваться как соединение
сосредоточенных и распределенных звеньев, каждое из которых представлено
соответствующим активным или пассивным четырехполюсником (рис. 2). В
расчетном отношении достоинство схемы состоит в том, что результирующая
математическая модель формируется по математическим моделям ее звеньевчетырехполюсников [3].
е
ЛЭП
ТП
ТС
ЭПС
Рис. 2. Структурная схема участка электроснабжения
при консольном питании:
ЛЭП – линии электропередачи; ТП – тяговая подстанция;
КС – контактная сеть; ЭПС – электроподвижной состав
Возможность проведения экспериментальных исследований на физических моделях позволяет глубже понять суть происходящих процессов. Однако в
условиях лаборатории проведение экспериментов по исследованию цепи с распределенными параметрами затруднительно, так как длина исследуемой линии
должна составлять по крайней мере десятки километров. Один из модулей
лабораторного стенда «Теория электрических цепей», изготовленного научно32
производственным предприятием «Учтех-Профи» (г. Челябинск), позволяет
смоделировать цепь с распределенными параметрами длиной 10 км, представленную десятью П-образными четырехполюсниками. Погонные параметры
этой линии: L0 = 0,25 мГн/км, С0 = 0,09 мкФ/км. Одним из недостатков стенда
для проведения научных исследований является реализация в нем только линии
без потерь (r0 = 0, g0 = 0), работа которой исследуется на высокой
частоте.
Задачей физического эксперимента на описанном стенде явилось получение распределения действующих значений напряжения вдоль линии при различных режимах работы линии при питании линии от источника синусоидального напряжения с действующим значением U = 7 В. В линиях без потерь в режимах холостого хода (х. х., Zн   ) и короткого замыкания (к. з., Zн  0 ) наблюдается явление стоячих волн. Точкам максимальных значений напряжения
(пучности) соответствуют минимальные значения тока (узлы) и наоборот. Пучности и узлы чередуются через расстояния, равные четверти длины волны. При
заданных параметрах модели длина волны составляет 13 км. Полученные зависимости действующих значений напряжения от координаты х, отсчитываемой
от начала линии, для режимов холостого хода и короткого замыкания, приведены в таблице.
Результаты эксперимента на физической модели
ℓ, км
Uх.х., В
Uк.з., В
10
5,6
0
9
4,7
2,7
8
3
4,8
7
0
5.6
6
2
5,1
5
4,2
3,3
4
5,5
0
3
5,1
2
2
3.7
4
1
2
5,5
0
2
5,5
Проведение виртуальных электротехнических экспериментов с использованием математических моделей имеет ряд положительных свойств: безопасность; универсальность (один персональный компьютер заменяет множество
реальных приборов и элементов электрических схем); наглядность и удобство
представления материала и др.
Для исследования линий при различных первичных параметрах, длине и
режимах работы создана математическая модель в программной среде MathCAD.
Для исследования адекватности математической модели проведен
виртуальный эксперимент при синусоидальном питающем напряжении для ли33
нии с параметрами, аналогичными физической модели, для режимов холостого
хода и короткого замыкания. Полученная кривая зависимости действующих
значений напряжения от координаты х, отсчитываемой от начала линии, для
режима холостого хода приведена на рис. 3.
Сравнение результатов эксперимента на физической модели и расчета, с
использованием математической модели (см. таблицу и рис. 3) показало, что
характер зависимостей и численные значения совпадают.
Форма напряжения в линии, как правило, несинусоидальна и может быть
представлена в виде бесконечного гармонического ряда Фурье. В основу математической модели цепи с распределенными параметрами при несинусоидальном питающем напряжении положен метод наложения, заключающийся в расчете значений тока и напряжения в любой точке линии для каждой гармоники.
Последовательным расчетом определяются значения тока и напряжения соответствующих гармоник в любой точке линии, и в конечном итоге для тока и
напряжения формируются результирующие ряды [4].
При помощи созданной математической модели рассчитаны различные
режимы работы линий при несинусоидальном питающем напряжении.
В теории цепей с распределенными параметрами существует понятие неискажающей линии. Такая линии работает в режиме согласованной нагрузки
(нагружена на волновое сопротивление), а ее параметры удовлетворяют условию:
r0 L0
.

g 0 C0
(2)
Ожидаемый результат расчета: форма кривых напряжения и тока на входе
и на выходе неискажающей линии должна быть одинаковой, но сдвинутой по
фазе. Для участка неискажающей линии протяженностью 120 км был произведен расчет передачи электрических сигналов несинусоидальной формы. Кривая
входного напряжения, имеющая для примера форму прямоугольных импульсов
с периодом 1500 мкс и продолжительностью импульса 1000 мкс, представлена
в виде суммы ста гармоник с постоянной составляющей. Параметры линии:
r0 = 1,415 Ом/км; g0 = 9·10-6 См/км; C0 = 8,6·10-9 Ф/км; L0 = 1,4·10-3 Гн/км. Расчетные кривые напряжения на входе и выходе линии представлены на рис. 4.
34
а
б
Рис. 4. Расчетные кривые напряжения на входе (а) и на выходе (б)
неискажающей линии
Для сравнения произведен расчет обычной искажающей линии (первичные параметры: r0 = 12 Ом/км; g0 = 1·10-6 См/км; C0 = 8,6·10-9 Ф/км; L0 =
= 1,4·10-3 Гн/км), нагруженной на активно-индуктивное сопротивление (режим
несогласованной нагрузки). Форма входного напряжения и длина линии остались без изменения. В таком режиме на форму кривой напряжения на выходе
линии оказывает влияние обратная волна напряжения, зависящая от коэффициента отражения. Происходит уменьшение амплитуды за счет коэффициента затухания. В результате прохождения по линии импульс напряжения искажается,
т. е. форма выходного импульса в общем случае не совпадает с формой входного. Результаты расчета напряжения на входе и на выходе линии представлены
на рис. 5.
Таким образом, предложенный способ математического моделирования
прохождения сигналов по линии с распределенными параметрами адекватно
отражает явления, происходящие в линии, что подтверждено результатами эксперимента на физической модели и может применяться для анализа электромагнитных процессов в контактной сети, линиях электропередачи и связи.
35
а
б
Рис. 5. Расчетные кривые напряжения на входе (а) и на выходе (б)
искажающей линии
Библиографический список
1. Электрические цепи с распределенными параметрами: Учебное пособие / А. А. К о м я к о в, Н. В. П а ш к о в а и др. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. 71 с.
2. Ба д е р М. П. Электромагнитная совместимость / М. П. Б а д е р /
УМК МПС России, М. 2002. 638 с.
3. Па ш к о в а Н. В. Особенности расчета волновых процессов в линиях
электропередачи / Н. В. П а ш к о в а // Обеспечение экономически целесообразных условий работы железных дорог на основе оптимизации режимов работы
электротехнических комплексов: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т
путей сообщения. Омск, 2008. С. 58 – 61.
4. Периодические режимы однофазных и трехфазных электрических цепей: Учебное пособие / А. Ю. Т э т т э р, В. Т. Ч е р е м и с и н и др. / Омский гос.
ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 132 с.
36
УДК 621.311.001.57
А. А. Комяков, О. О. Комякова, В. В. Эрбес
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ
НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ,
ОСНОВАННАЯ НА МЕТОДАХ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
Железнодорожный транспорт в России является крупным потребителем
электрической энергии, среднегодовое потребление ее превышает 49 млрд кВт∙ч.
При этом около 85 % приходится на электрическую тягу поездов, и 15 % –
на стационарные объекты, такие как локомотивные и вагонные ремонтные депо, устройства СЦБ, вокзалы и др.
Повышение эффективности контроля за расходом электроэнергии может
быть обеспечено путем разработки математических моделей электропотребления. Выбор факторов, включаемых в модель, обычно осуществляется с помощью методов корреляционного анализа.
Результаты корреляционного анализа на примере участка ЗападноСибирской железной дороги показали, что для электротяговой нагрузки наибольшую значимость имеют масса составов, проходящих через участок железнодорожного пути за сутки, и температура воздуха. Коэффициенты корреляции
для этих факторов превышают 0,3.
Прочие факторы либо имеют низкий коэффициент корреляции, либо существенно связаны с массой состава (например, средняя нагрузка на ось вагона
и доля порожнего пробега вагонов) и поэтому не должны быть включены в математическую модель.
Факторы, влияющие на потребление электроэнергии стационарных
объектов, могут быть разделены на три группы [1]:
климатические факторы (географическое положение, сезонные изменения
температуры и продолжительности светового дня, погодные условия);
производственно-технологические (объем производственной деятельности объекта, состав и режимы работы электрооборудования);
субъективные (несоблюдение технологии работ, нерациональное использование систем отопления и освещения, простои оборудования в режиме холостого хода).
37
На практике учет субъективных факторов представляется затруднительным, поэтому примем допущение о незначительности влияния этих факторов
на расход электрической энергии.
Из числа климатических факторов для дальнейших исследований представляется целесообразным рассмотрение влияния температуры окружающей
среды и сезонных изменений продолжительности дня на объем электропотребления. Прочие факторы либо не изменяются во времени для конкретного предприятия (географическая широта), либо не поддаются достоверному прогнозированию на продолжительный период (облачность, осадки).
Оценка значимости климатических факторов производилась на основе
методов корреляционного анализа на примере объектов Свердловской железной дороги. Полученные результаты позволяют говорить о существенном
влиянии температуры воздуха и продолжительности светового дня на расход
электрической энергии с коэффициентами корреляции, превышающими 0,5.
Объем производственной деятельности объекта зависит от его специфики
и определяется по отчетности предприятия. Например, для локомотивных депо
единицей производственной деятельности является число отремонтированных
локомотивов, для вагонных депо – число отремонтированных вагонов и т. д.
Практически оценить влияние этого фактора не представляет сложности.
В настоящее время для целей прогнозирования расхода электрической
энергии применяется множество математических моделей. К ним можно отнести регрессионные и авторегрессионные модели, методы экспоненциального
сглаживания, методы с использованием фильтра Калмана, методы распознавания графиков нагрузки. Однако наибольшее распространение получили методы, основанные на математическом аппарате искусственных нейронных сетей
(ИНС). Разновидностью этих методов является метод нечеткой логики [2].
Для анализа и выбора структуры нейросетевой модели использован
программный продукт Statistica.
В качестве исходных данных использованы выборки значений расхода
электрической энергии и влияющих факторов на различных подразделениях
ОАО «РЖД» за период времени не менее чем два года. Всего в ходе исследования проанализирована деятельность 20 различных объектов.
При расчете нейросетевых моделей в программе Statistica рассмотрены
такие сетевые архитектуры, как многослойные персептроны и радиально-
38
базисные сети. Структура нейросетевых моделей представляет собой сеть с четырьмя нейронами на входном слое, одним нейроном на выходном слое и различным количеством нейронов (от трех до 10) на скрытом слое.
Одним из важных показателей нейросетевой модели является коэффициент корреляции, показывающий наличие взаимосвязи между переменными и
выходным значениями. Проведен расчет среднего коэффициента корреляции
для всех типов сетевых архитектур, в результате которого можно отметить, что
наибольший коэффициент корреляции наблюдается у многослойных персептронов с числом нейронов на скрытом слое от трех до девяти, а многослойные
персептроны с числом нейронов выше 10 и радиально-базисные сети имеют
низкий коэффициент корреляции.
Выполнен расчет среднего коэффициента корреляции для всех видов активационных функций, результаты которого показали, что наличие сильной
связи между влияющими факторами и выходным значением наблюдается у
нейросетевых моделей с тангенциальной, экспоненциальной и логистической
активационными функциями на скрытом и на выходном слое.
Таким образом, по результатам построения нейросетевых моделей с помощью программного продукта Statistica можно сделать вывод о том, что для
прогнозирования расхода электрической энергии на предприятиях железнодорожного транспорта целесообразно использовать многослойный перспетрон
(MLP) с числом нейронов на скрытом слое от трех до девяти, используемые передаточные функции на скрытом и выходном слоях – тангенциальная, экспоненциальная и логистическая. Для дальнейшего исследования принята именно
такая структура искусственных нейронных сетей.
Обучение ИНС ведется по методу обратного распространения ошибки
[3]. В режиме обучения электронное приложение тестирует множество сетей,
меняя внутренние параметры каждой в определенных диапазонах. Скорость
обучения меняется от 30 до 60 с шагом 5, а коэффициент обратной связи меняется от 0 до 0,5 с шагом 0,1.
После завершения этапа обучения формируется большое количество нейронных сетей различной конфигурации. Для контроля качества обучения все
сформированные нейросетевые модели должны пройти проверку на тестовой
выборке исходных данных. Обычно для оценки успешности обучения и выбора
наилучшей конфигурации сети используются следующие критерии [4]:
39
средняя относительная погрешность MAPE (mean absolute percentage
error) –
MAPE 
1 n Wactual  Wmod eled
;
 W
n i 1
actual
(1)
средняя квадратическая погрешность RMSE (root mean squared error) –
RMSE 
1 n
2
Wactual  Wmod eled  ;

n i 1
(2)
коэффициент вариации CV (coefficient of variation) –
CV 
RMSE
.
Wactual
(3)
В выражениях (1) – (3) приняты следующие обозначения: Wactual – фактический расход электрической энергии; Wmod eled – расход электрической энергии,
спрогнозированный сетью при том же наборе влияющих факторов; Wactual –
среднее арифметическое значение фактического расхода электрической энергии; n – объем выборки данных.
Иногда используются все представленные критерии в комплексе.
Для повышения точности прогнозирования расхода электрической энергии предложено применение дополнительного показателя на основе F-критерия
Фишера, который оценивает близость дисперсий фактической и смоделированной выборок расхода электроэнергии. Чем ближе значение F к единице, тем
нейросетевая модель считается более подходящей для данного объекта.
По итогам тестирования выбирается наилучшая конфигурация нейронной
сети, которая применяется для прогнозирования расхода электрической
энергии.
На основе предложенного алгоритма разработаны нейросетевые модели
процесса электропотребления для объектов ОАО «РЖД» различной хозяйственной принадлежности. Параметры нейросетевых моделей для трех объектов
представлены в таблице.
На основе построенных нейросетевых моделей выполнено посуточное
прогнозирование расхода электрической энергии на октябрь 2013 г. по выбранным объектам. Значение погрешности MAPE за рассматриваемый период
40
составило соответственно, %: для тяговой подстанции Дорогино – 4,71; для
распределительной подстанции Депо – 4,66; для поста ЭЦ Сыропятская – 4,61.
Параметры нейросетевых моделей
Наименование объекта
Направление
использования
электроэнергии
MAPE,
%
RMSE,
kWh
CV
F
Тяговая подстанция
Дорогино
Электрическая
тяга
6,24
2645
0,075
1,068
Распределительная
подстанция Депо
Ремонт
локомотивов
6,58
206
0,031
1,920
Электроснабжение
устройств СЦБ
4,51
7
0,056
1,797
Пост ЭЦ Сыропятская
Результирующее значение относительной погрешности прогнозирования
в целом за октябрь 2013 г. определится следующим образом:
n

n
Wmod eled  Wactual
i 1
i 1
n
Wactual
100 %.
(4)
i 1
Значение δ составило для тяговой подстанции Дорогино – 1,5, для распределительной подстанции Депо – (–1,83), для поста ЭЦ Сыропятская –
(–1,29) %.
Полученные результаты позволяют говорить об удовлетворительной сходимости результатов моделирования электропотребления на объектах
ОАО «РЖД».
Библиографический список
1. К о м я к о в А. А. Применение искусственных нейронных сетей для планирования расхода электрической энергии на нетяговые нужды структурных
подразделений железных дорог / А. А. К о м я к о в, А. В. П о н о м а р е в,
О. А. К о м я к о в а // Известия Транссиба. Омский гос. ун-т путей сообщения.
Омск. 2011. № 1(5). С. 63 – 67.
41
2. М а н ус о в В. З. Краткосрочное прогнозирование электрической нагрузки на основе нечеткой нейронной сети и ее сравнение с другими методами /
В. З. М а н ус о в, Е. В. Би р ю к о в // Известия Томского политехн. ун-та. Томск.
2006. Т. 309. № 6. С. 153 – 157.
3. Ч е р е м и с и н В. Т. Планирование расхода электрической энергии с
применением ИНС / В. Т. Ч е р е м и с и н, А. А. К о м я к о в, О. А. К о ло м о е ц //
Железнодорожный транспорт, 2013. № 11. С. 56 – 58.
4. К о м я к о в А. А. Разработка математической модели объема потребления электрической энергии в системе тягового электроснабжения на основе нечетких нейронных сетей / А. А. К о м я к о в, В. И. И в а н ч е н к о, В. В. Э р б е с //
Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем:
Материалы междунар. науч.-практ. конф.// Омский гос. ун-т путей сообщения.
Омск, 2014. С. 129 – 134.
УДК 621.331:621.311.4:621.316.9
Р. Б. Скоков, И. А. Кремлѐв, И. А. Терѐхин
ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЯГОВОГО ТОКА
ПРИ РАБОТЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПОДСТАНЦИЙ
НА ТЯГОВУЮ СЕТЬ
Решение линейной цепи с несинусоидальными напряжением и током, в
том числе и расчет тока тяговой сети, в общем случае сводится к решению систем линейных дифференциальных уравнений, составленных на основании законов Кирхгофа или на основе методов, производных из законов Кирхгофа.
Однако если разложить периодические несинусоидальные ток и напряжение на
сумму синусоидальных величин (гармонических составляющих), то возможен
расчет отдельно для каждой гармоники, т. е. решение системы линейных алгебраических уравнений. Такой подход проще, но требует предварительного разложения несинусоидальных источников на гармонические составляющие.
Представим преобразователь тяговой подстанции по отношению к цепи
выпрямленного тока условным генератором ЭДС гармоник. Гармонический сос-
42
тав ЭДС генератора E(n ) зависит от качества питающего напряжения, нагрузки,
потребляемой преобразователем, схемы преобразователя тяговой подстанции.
Тяговую сеть можно разбить на участки с одинаковыми вторичными
волновыми параметрами. Каждый участок представляется однородной линией с
распределенными параметрами:
U1i (n )  U 2i (n )ch   i (n )li   I 2i (n ) zвi (n )sh   i (n )li  ;
I1i (n )  U 2i (n )
где U1i (n ) и U 2i (n )
–
sh   i (n )li 
zвi (n )
 I 2i (n )ch   i (n )li  ;
(1)
(2)
напряжение в начале и в конце i-го участка тяговой сети для
частоты n-го порядка;
I1i (n ) и I 2i (n )
–
ток, протекающий в начале и в конце i-го участка тяговой се-
ти для частоты n-го порядка;
zвi (n ) и  i (n ) – волновое сопротивление и постоянная распространения
i-го участка тяговой сети для частоты n-го порядка.
Тяговая сеть как однородная линия с распределенными параметрами может быть представлена параметрами пассивного четырехполюсника, Т- или Побразной схемой замещения (рис. 1).
а
б
Рис. 1. П-образная (а) и Т-образная (б) схемы замещения линии
с распределенными параметрами, представленной в виде четырехполюсника
Сопротивления П-образной схемы замещения участка тяговой сети можно определить по выражениям:
Z0П  zвПi (n )sh   i (n)li  ;
43
(3)
Z 
П
11
zвПi (n )sh   i (n )li 
ch   i (n )li   1
.
(4)
Тяговую сеть при консольном питании нагрузки можно разбить на два
участка: от тяговой подстанции (ТПС) А до электровоза, от электровоза до
ТПС Б. Вторичные волновые параметры этих участков одинаковы, а омическое
значение сопротивлений зависит только от местоположения электровоза
(рис. 2).
Параметры схемы цепи выпрямленного напряжения (см. рис. 2) определяются в соответствии с П-образной схемой замещения следующим образом:
Z01  zвi (n )sh   т.с(n ) х  ;
(5)
Z02  zвi (n)sh  т.с(n )  L  х  ;
(6)
Z11 
Z 22 
zвi (n )sh   т.с(n ) x 
ch   т.с(n ) x   1
;
zвi (n )sh  т.с(n )  L  x  
ch  т.с(n )  L  x    1
(7)
.
(8)
После преобразования схема замещения (см. рис. 2) приводится к расчетной. Значения тока электровоза и тока тяговой подстанции определяется системой линейных алгебраических уравнений:

  Z1(n )  ZC (n )  I1(n )  ZC (n ) I 2(n )  EA(n ) ;


 ZC (n ) I1(n )   ZC (n )  Z 2(n )  Z d (n )  I 2 (n )  0.
(9)
Решив систему уравнений (9) и вычислив значения контурных токов, определим значения тока электровоза и подстанции:
I э(n )   I 2 (n ) ;
(10)
I A(n )  I1(n ) .
(11)
44
а
б
в
Рис. 2. Принципиальная схема (а), схема замещения (б) и расчетная схема (в)
цепи выпрямленного напряжения при консольном питании тяговой сети
Предложенная методика определения гармонического состава тока позволяет учесть следующее:
местоположение тяговой нагрузки на межподстанционной зоне (рис. 3);
45
специфику схем питания тяговой сети. Аналогично приведенным выше
расчетам можно выполнить расчет для двухсторонних раздельной, узловой и
параллельной схем питания тяговой сети [1];
отклонение, несимметрию и несинусоидальность напряжения питающей
сети переменного тока;
волновой характер сопротивления тяговой сети, что позволяет более точно определить условия возникновения резонансных явлений в тяговой сети.
Использование предложенной методики позволяет определить гармонический состав тока при работе смежных ТПС на тяговую сеть для определения
степени влияния тягового тока на смежные электротехнические коммуникации.
Рис. 3. Влияние местоположения электровоза на действующее значение
n-й гармоники тока электровоза (mА = 6, К2UА = 2 %)
1. Скоков Р. Б. Снижение влияния тяговой сети постоянного тока на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями: Автореф. дис... канд. техн.
наук: 05.22.07, 26.02.04 / Р. Б. Скоков. Омск, 2004. 18 с.
46
УДК 621.311.4: 621.331
А. Ю. Кузьменко
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ КОНТРОЛЯ
ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ
Причинами отказов контактной сети, влияющих на безопасность движения в хозяйстве электрификации и электроснабжения, являются перекрытие и
разрушение изоляторов контактной сети (21 %), обрывы и пережоги проводов
(19 %), разрушение зажимов (11 %), нарушение регулировки контактной сети
(10 %), обрывы струн (7 %) [1].
Повреждения изолирующих элементов приводят к сбою движения поездов, а в некоторых случаях требуется значительное время для восстановления
поврежденных конструкций. В общем объеме повреждений изоляторов преобладающими являются механические. Подобные разрушения изоляторов наиболее часто происходят при неблагоприятных метеорологических условиях (в период сильных ветров и автоколебаний проводов, при низкой температуре) в тех
узлах контактной сети (КС), где на изоляторы воздействуют высокие механические нагрузки.
Основные причины разрушения изоляторов: низкая механическая прочность при ударных нагрузках; быстрое старение в эксплуатации, особенно при
низкой температуре; недостатки конструкции, фиксирующих узлов; нарушение
норм содержания; случаи, не связанные с эксплуатацией.
Недостаточная механическая прочность изоляторов при их защемлении и
воздействии ударных нагрузок приводит к разрушению фарфора. Снижение механической прочности некоторых изоляторов при длительной эксплуатации обычно
происходит из-за возникновения значительного напряжения в месте сопряжения
фарфора, цементной заделки и металлической арматуры в связи с разными коэффициентами температурного расширения этих материалов. В таких местах в
фарфоре возникают микро- и макротрещины, со временем развивающиеся и
снижающие механическую прочность всего изолятора. Максимальная потеря
прочности происходит при низкой температуре [2].
Прочность изолятора уменьшается также из-за постоянных ударных нагрузок, передающихся на них при эксплуатации. В таких случаях в фарфоре
47
возникают скрытые трещины, которые затем развиваются. Скрытые дефекты,
которые нельзя обнаружить ни визуально, ни электрическими испытаниями,
наиболее опасны в эксплуатации [3].
Среди известных аналогов преобладают приборы, основанные на анализе
схем с сосредоточенными параметрами [3]. На основе метода, представленного
в работе [4], разработан опытный образец прибора для диагностирования изоляторов контактной сети постоянного тока железнодорожного транспорта.
Структурная схема измерительного комплекса представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема измерительного комплекса
Структурная схема измерительного комплекса (см. рис.1) состоит из двух
основных частей: блока формирования импульсов и измерительной части. Блок
формирования импульсов включает в себя высоковольтное зарядное устройство
и систему управления коммутационным реле. Высоковольтное зарядное устройство состоит из блока питания, блока высокого напряжения и выпрямительно-инверторного блока. Измерительная часть содержит высоковольтный делитель напряжения (R1-R2), цифровой осциллограф и персональный компьютер.
В качестве тестовых воздействий выбраны прямоугольные импульсы,
имеющие непрерывный спектр высших гармоник. Поскольку объект диагности-
48
рования представлен комплексным сопротивлением, каждая из гармоник входного напряжения будет по-разному влиять на форму выходного сигнала.
На рис. 2 представлена схема проведения эксперимента на участке контактной сети учебного полигона ОмГУПСа. Неисправный изолятор (НИ) соединялся с контактной сетью и рельсовым заземлением в положениях 1, 2, 3,
как показано на рис. 2. Подключение прибора контроля изоляции (ПКИ) к контактной сети осуществлялось при помощи измерительной штанги (ИШ). Для
эксперимента были выбраны подвесные фарфоровые тарельчатые изоляторы
типа ПФ-70 [5].
Рис. 2. Схема проведения эксперимента по диагностированию изоляторов
При испытаниях изоляторов контактной сети постоянного тока высокочастотный сигнал с высокой амплитудой можно заменить последовательностью
прямоугольных импульсов меньшей частоты, что упрощает реализацию аппаратной части испытательного оборудования.
Осциллограмма выходного сигнала исправного участка приведена на
рис. 3. Неисправный изолятор не включен в линию (режим холостого хода).
49
Рис. 3. Осциллограмма выходного сигнала исправного участка
Наложенные осциллограммы диагностирующих импульсов при расположении неисправного изолятора в положениях 1, 2, 3 участка контактной сети (см. рис.
2) показаны на рис. 4. Как видно из приведенной на рис. 4 осциллограммы, на участке происходит разряд эквивалентной емкости на входные цепи измерительного
делителя напряжения. Это видно по характерному спаду заднего фронта импульса.
Рис. 4. Осциллограммы выходного сигнала в трех режимах
Для выявления диагностических признаков данные каждой осциллограммы были занесены в программу MathCad [6].
50
Для удобства расчетов было выбрано по одному характерному импульсу
с каждой осциллограммы. Результаты построения зависимостей в программе
MathCad представлены на рис. 5.
Рис. 5. Диагностические импульсы в различных режимах
Для сравнения количественных оценок зарегистрированных импульсов
рассчитывались следующие параметры:
Постоянная составляющая напряжения
t2
1
U0 
u( t )dt ;
(1)
t2  t1 t1
среднеквадратическое (действующее) значение
U
t2 2
1
u ( t )dt ;
t2  t1 t1
(2)
амплитудное значение
U m  max u( t ) ;
t( t1 ,t2 )
интегральные коэффициенты формы, амплитуды и усреднения.
51
(3)
kф 
U
;
U0
(4)
kа 
Um
;
U
(5)
ky 
Um
.
U0
(6)
Кроме того, было установлено, что переходные процессы при испытаниях
неисправного изолятора на различных участках имеют разные временные параметры. Форма зарегистрированного импульса в конце линии показана на
рис. 6, где указаны характерные моменты времени t1, t2, t3, t4, соответствующие
заряду и разряду импульсного напряжения на продольные и поперечные элементы линии.
Рис. 6. Форма диагностического импульса в конце линии
На временном интервале t1, t2 напряжение возрастает от минимального до
максимального значения. Параметры А и В определяются постоянной составляющей и амплитудным значением исследуемого импульса, параметр 1 характеризует длительность его нарастания:
y( t )  A  Be1t .
(7)
На временном интервале t3, t4 напряжение уменьшается от своего максимального до минимального значения. Представленный на рис. 2 импульс напряжения при испытаниях повторяется периодически с периодом t1, t4. Параметры С
и D определяются постоянной составляющей и амплитудным значением исследуемого импульса, параметр 2 характеризует длительность его спада:
52
y( t )  C  De 2t .
(8)
Сравнение параметров зарегистрированных импульсов
Параметр
Зависимость
1, с-1
Y
0,92
0,873
0,875
1,054
0,998
0,442
–1,53
Y2
0,92
0,814
0,809
1,13
1,01
0,426
–4,28
Y3
0,92
0,77
0,755
1,20
1,02
0,396
–8,64
Y4
0,92
0,74
0,71
1,24
1,04
0,406
–12,1
2, с-1
–0,11
–0,17
–0,21
–0,28
Um, В
U, В
U0, В
kа
kф
kг
Наиболее существенное значение при определении диагностических признаков имеют постоянная составляющая напряжения U0 и постоянные времени
нарастания и спада импульсов 1, 2 соответственно. Коэффициент отклонения
от синусоидальности kг, рассчитанный при помощи функции быстрого преобразования Фурье (FFT(Y)) в системе MathCAD, указывает на незначительный колебательный характер переходного процесса зарегистрированных импульсов,
что можно объяснить наличием явлений отражения на высших гармониках
входных прямоугольных импульсов.
Данный метод диагностирования позволяет выявить наличие и местоположение дефектных изоляторов. Поврежденные в результате механического
воздействия, внешне они ничем не отличаются от исправных изоляторов, но
внутри возникают трещины и несплошности, в которые со временем попадают
влага и грязь, снижая тем самым диэлектрические свойства изоляторов. Рекомендуемым способом определения неисправности является метод накопления и
последующего сравнения образцовых и измеренных сигналов на участках контактной сети, содержащих различное число исправных и неисправных
изоляторов.
Работы, выполняемые по предложенной технологии, позволяют сократить время на поиск и устранение неисправностей изоляции контактной сети
железных дорог. Диагностирование состояния изоляции контактной сети мож53
но будет проводить с помощью дополнительного оборудования установленного
в вагоне лаборатории измерения контактной сети (ВИКС) или непосредственно
на тяговых подстанциях.
Библиографический список
1. Анализ работы хозяйства электрификации и электроснабжения в 2013
году. ОАО «РЖД» М. 2014. 100 с.
2. М и х е е в В. П. Контактные сети и линии электропередачи: Учебник /
В. П. М и х е е в. М.: Маршрут, 2003. 416 с.
3. Нормативно-методическая документация по эксплуатации контактной
сети и высоковольтных воздушных линий. Справочник. ЦЭ МПС. М.: Транспорт, 2001. 512 с.
4. К у з н е ц о в А. А. Разработка технических средств и методики контроля состояния изоляторов контактной сети постоянного тока / А. А. К у з н ец о в , Е. А. К р о т е н к о, А. Ю. К у з ь м е н к о // Известия Транссиба / Омский
гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. № 4. С. 110 – 116.
5. Каталог изоляторов для контактной сети и ВЛ электрифицированных
железных дорог. М.: Трансиздат, 2000. 125 с.
6. С е р е б р я к о в А. В. MathCAD и решение задач электротехники /
А. В. С е р е б р я к о в , В. В. Ш у м е й к о. М.: Маршрут. 2005. 240 с.
54
УДК 621.311
В. Л. Незевак, А. С. Вильгельм, А. П. Шатохин
ОБ ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ МЕЖПОЕЗДНОГО ИНТЕРВАЛА
НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕВОЗОК В УСЛОВИЯХ
ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Повышение эффективности применения рекуперативного торможения
является одним из важнейших направлений повышения энергетической эффективности перевозок на железнодорожном транспорте. В Энергетической стратегии холдинга «РЖД» повышение уровня рекуперации энергии обозначено
одной из приоритетных задач [1]. Как известно, решение указанной задачи основано на обеспечении приема энергии рекуперации, которого можно добиться
двумя основными способами – размещением устройств приема энергии рекуперации на тяговых подстанциях или регулированием движения поездов с целью
организации приема энергии рекуперации электроподвижным составом, находящимся в тяге. Если первый способ связан со значительными затратами по
внедрению выпрямительно-инверторных преобразователей, поглощающих устройств или накопителей электрической энергии, то второй способ является значительно менее затратным и связан с организацией графика движения поездов.
Введение в график движения поездов так называемых твердых ниток
графика позволяет подойти к оценке графика с точки зрения энергетической
эффективности. Если введение энергооптимальных расписаний связано с оптимизацией расхода электроэнергии в отношении движения одного поезда, то изменение межпоездного интервала в рамках суток, количества поездов в пакете
при пакетной организации движения или интервала времени между пакетами
приводит к изменению суточного расхода электроэнергии на участке железной
дороги в целом. Следует отметить, что при построении графика движения могут использоваться как нитки движения поезда, заложенные в нормативном
графике, так и энергооптимальные нитки движения, полученные на основе интегрирования уравнения поезда с использованием нормативных формул Правил
тяговых расчетов [2]. Применение энергооптимальных ниток движения поезда
при оптимизации суточного графика позволяет получить синергетический эффект. В обоих случаях расчет времени движения по межстанционным перегонам осуществляется с учетом данных о профиле пути, ограничениях скорости,
55
серии локомотива, массе поездов по направлениям и др. В ряде исследований,
например [3, 4], показано, что организация перевозочного процесса в сравнении
с другими техническими мероприятиями позволяет получить эффект, выражающийся в существенном повышении энергетической эффективности перевозочного процесса.
Известно, что внедрение жесткого графика движения поездов ориентировано на достижение целого ряда положительных эффектов: повышения участковой скорости грузовых поездов, снижения простоя вагонов на технических
станциях, повышения среднесуточного пробега локомотивов, экономию топливно-энергетических ресурсов за счет устранения неграфиковых остановок и
др. Следует отметить, что экономия электроэнергии при введении жесткого
графика движения для грузовых поездов на электрифицированных участках
может быть обеспечена не только устранением неграфиковых остановок, но и
оптимальным использованием энергии поезда при рекуперативном торможении
на участке.
Для рассмотрения задачи о влиянии межпоездного интервала, количества
поездов в пакете и количества пакетов на суточный расход электрической энергии примем ряд допущений. Критерием для выбора того или иного варианта организации движения принимаем суммарный расход электроэнергии на участке.
С целью сопоставимого сравнения различных вариантов построения графика количество ниток графика, объемы работы на участке принимаются неизменными. Общее число ниток при формировании графика, определяется по выражению:
n  nя  nc  nм
(1)
где nя – число ниток в ядре графика (соответствует минимальным размерам
движения);
nc – число ниток графика для реализации размеров движения от ядра до
средних размеров;
nм – число ниток графика для реализации размеров движения от средних
размеров до максимального графика.
Коэффициент пакетности для всех вариантов принимается равным единице:
N
 п  пак ,
(2)
N
56
где Nпак – число поездов, следующих в пакете;
N – общее количество поездов в суточном графике движения.
Базовым вариантом для последующего сравнения принимается вариант с
беспакетным графиком движения с одинаковым межпоездным интервалом.
При равномерном графике количество ниток nн(ч) в нечетном или четном
направлениях определяется по выражению (3) с учетом сохранения количества
ниток движения (1) неизменным:
nн(ч) 
(1440  tтехн )·kн. техн.
 ti
,
(3)
i
где 1440 – количество минут в сутках;
tтехн – время технологических перерывов в движении поездов;
ti – i-й межпоездной интервал;
kн. техн – коэффициент надежности технических средств, характеризующий
уровень задержек в движении по причине отказа устройств инфраструктуры
или подвижного состава.
Время технологических перерывов при организации движения поездов
через одинаковые межпоездные интервалы принимается равным нулю, коэффициент надежности технических средств – единице.
Как показывают многочисленные исследования, эффективность применения рекуперативного торможения на двухпутных участках выше, чем на однопутных, что объясняется в первую очередь условиями приема энергии рекуперации поездами, следующими в тяге, и приемниками, расположенными на тяговых подстанциях.
При пакетном пропуске поездов количество ниток в различных направлениях определяется по выражению:
Pн(ч)
 
i 1
н(ч) i
(nнн(ч) i  1)   н(ч) пак i ,
(4)
где Pн(ч) – количество пакетов в нечетном (четном) направлении;
 н(ч) i – межпоездной интервал в пакете;
nнн(ч) i – количество поездов в пакете в нечетном (четном) направлении;
57
 н(ч) пак. i – интервал между последним поездом предыдущего пакета и первым поездом следующего пакета.
Объектом моделирования является двухпутный участок железной дороги, характеризующийся следующими параметрами. Система тягового электроснабжения участка постоянного тока напряжением 3,3 кВ. Схема питания контактной сети двухсторонняя, узловая. Контактная подвеска – М-95+2МФ-100 с усиливающим проводом 2А-185, рельсовая сеть – рельсы Р65 с межпутными соединителями. Система тягового электроснабжения содержит девять тяговых
подстанций, восемь постов секционирования, 14 пунктов параллельного соединения. Эксплуатируемые на участке серии электроподвижного состава – ВЛ10,
2ЭС6, 2Э. Продольный профиль пути содержит участки с величиной уклонов
до 13,7 ‰. Унифицированная масса грузовых поездов равна 5200 т. Пассажирские и пригородные поезда на участке не обращаются. На рассматриваемом участке размеры движения составляют 80 пар. Протяженность участка –155 км.
Объем суточной тоннокилометровой работы на участке составляет 832 тыс. ткм
брутто.
Рассмотрены следующие варианты для построения графика с пятью и десятью пакетами в четном и нечетном направлениях с различными межпоездными интервалами в пакете и интервалами между пакетами (таблица). Результаты расчета расхода электроэнергии для участка представлены на рис. 1. Как
видно из результатов расчетов, вариантом с наименьшим расходом электроэнергии является вариант организации движения с десятью пакетами в четном
и нечетном направлениях по восемь поездов в пакете, межпоездным интервалом восемь минут, интервалом между пакетами семьдесят минут. По результатам расчетов получено, что с увеличением интервала между пакетами происходит увеличение расхода электроэнергии. Для ряда вариантов увеличение интервалов может быт описано линейным уравнением регрессии. Например, для варианта организации графика с десятью пакетами, межпоездным интервалом десять минут и интервалом между пакетами от 50 до 65 минут (рис. 2) линейное
уравнение регрессии с коэффициентом корреляции, равным 0,77, принимает
вид:
y  525,4x  106 .
(5)
Анализ статистических данных расхода электроэнергии показывает общую тенденцию увеличения расхода электроэнергии при увеличении интерва58
лов между пакетами при пакетном пропуске поездов, а также тенденцию снижения расхода электроэнергии при сокращении количества поездов в пакете.
При сравнении вариантов с пакетным пропуском поездов с графиком, использующим одинаковые межпоездные интервалы, последний оказывается наиболее
энергозатратным.
Результаты расчета расхода электроэнергии
для различных вариантов организации суточного графика движения
Номерваририанта
Межпоездной
интервал, мин
Интервал между
пакетами, мин
Расход
электроэнергии,
кВт·ч
без применения
рекуперативного
торможения
16
–
1 563 254
с применением
рекуперативного
торможения
16
–
1 194 690
10
110
1 187 878
5
10
10
120
130
1 189 882
1 190 429
6
7
8
12
12
12
60
70
80
1 178 330
1 177 282
1 181 950
12
90
1 187 053
13
14
14
14
14
45
50
55
60
1 172 439
1 172 910
1 177 466
1 172 256
14
6
80
1 169 403
15
16
17
6
6
85
90
1 169 467
1 175 460
6
95
1 174 064
8
8
70
75
1 165 310
1 166 253
8
80
1 166 708
10
10
50
55
1 173 129
1 172 079
10
12
12
60
40
45
1 181 339
1 178 445
1 176 878
1
2
Вариант
Базо
зовый
вари
риант
3
4
9
5 пакетов
в четном и нечетном
направлениях
10
11
12
18
19
20
21
22
23
24
25
10 пакетов
в четном и нечетном
направлениях
59
Снижение расхода электроэнергии при оптимизации графика движения
достигает величины до 2,5 % в условиях применения рекуперативного торможения.
Рис. 1. Гистограммы изменения суточного расхода электроэнергии
на участке железной дороги в зависимости от межпоездных интервалов и
количества пакетов
Дополнительным фактором, оказывающим влияние на расход электроэнергии, является смещение встречных пакетов движения. Этот и другие факторы подлежат дальнейшему изучению с целью оценки их влияния на расход
электроэнергии на тягу и использования полученных выводов при подготовке
нормативных графиков движения в планируемой с холдингом «РЖД» работе.
Таким образом, на основании результатов расчетов можно утверждать,
что изменение интервала следования поездов и количества поездов в пакете
оказывает существенное влияние на суточный расход электроэнергии на тягу
на участке.
Отмечено, что в общем случае увеличение интервала между пакетами и
количества поездов в пакете приводит к увеличению расхода электроэнергии на
60
тягу, а организация пакетного пропуска поездов в целом приводит к сокращению расхода в отличие от организации движения поездов с неизменным межпоездным интервалом.
Рис. 2. График изменения расхода электроэнергии с десятью пакетами
Библиографический список
1. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на
период до 2015 года и на перспективу до 2030 года / ОАО «РЖД». М., 2011.
2. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт,
1985. 287 с.
3. Влияние рекуперативного торможения на систему тягового электроснабжения / В. Т Черемисин, В. Л. Незевак и др. // Локомотив. 2013. № 8.
С. 5 – 8.
4. Незевак В. Л. Оценка работы накопителя электрической энергии с
устройствами регулирования напряжения на тяговых подстанциях постоянного
тока / В. Л. Незевак // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных
электромеханических преобразователей энергии: Материалы междунар. науч.техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. С. 125 – 128.
61
УДК 620.178.5:629.12.05:594.647
В. Ю. Тэттэр
РЕАЛИЗАЦИЯ НОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В КОМПЛЕКСЕ «ЭКСПЕРТ М»
Принятие новых нормативных документов в области сертификации продукции (постановление Правительства РФ № 737 от 31 июля 2014 г.) и Технических регламентов Таможенного союза усиливает роль контрольного и диагностического оборудования, особенно в сфере определения технического состояния узлов подвижного состава железных дорог. Другой важной причиной
повышения значимости такого оборудования является стремление собственников подвижного состава к переходу на его ремонт по фактическому состоянию.
Вибродиагностическое оборудование (ВДО) является в настоящее время
основным средством определения технического состояния роторных механических узлов (подшипниковых и редукторных) подвижного состава без из разборки. Технические характеристики, функциональные возможности, технология использования во многом определяют экономическую эффективность ВДО.
На железнодорожном транспорте РФ и стран СНГ используются в основном
три вида ВДО:
стационарные диагностические комплексы (применяются для испытания
буксовых узлов колесных пар вагонов, отдельных колесно-моторных блоков
(КМБ) локомотивов и электропоездов, тяговых электродвигателей и вспомогательных машин);
носимые сборщики информации в совокупности с персональными ЭВМ
(разрывная технология диагностирования подшипников и редукторов КМБ,
буксовых узлов локомотивов в ходе технических осмотров или на плановых
видах ремонта);
полноценные переносные диагностические комплексы, предназначенные
для решения тех же задач, но выдающие диагноз сразу после съема информации с объекта диагностирования.
62
Сборщики достаточно удобны в эксплуатации за счет малых габаритов и
массы, но характеризуются существенным недостатком – диагноз на них сразу
получить нельзя. Это обстоятельство приводит к необходимости делать повторные измерения вместе с подготовительными операциями, что значительно
увеличивает общее время диагностирования.
Полноценные переносные диагностические комплексы (ПДК), до настоящего времени успешно использующиеся в локомотивном хозяйстве, тоже
имеют существенный недостаток – большой вес (7 – 12 кг) и чаще всего их необходимо устанавливать на специальные тележки.
Разработчики ПДК типа «Прогноз» осуществили важную и принципиально новую идею – реализовать полноценный ПДК в габаритах сборщика. В научно-производственной компании «НПК «Энергосервис-Резерв» разработан и
прошел испытания ПДК нового поколения с уникальными характеристиками и
функциональными возможностями. Выпускается ПДК под названием «Эксперт
М» (до этого в серии ВДО типа «Эксперт» выпускались стационарные комплексы для нужд вагоноремонтных и вагоностроительных предприятий). Анализ патентов и изучение периодической технической литературы в этом направлении показали, что изделие по функциональным возможностям и техническим характеристикам является мировым лидером в своей области.
Комплекс оперативного контроля «Эксперт М» (рис. 1, 2) предназначен
для измерения вибрации (виброускорение, виброскорость, виброперемещение)
электрических сигналов напряжения, контроля частоты вращения узлов и механизмов. Являясь виброанализатором, комплекс обеспечивает вычисление нескольких видов спектров и производит глубокий спектральный анализ, с помощью которого (в совокупности с параметрами временного сигнала) определяет
техническое состояние диагностируемого узла и может определять его остаточный ресурс. Комплекс может быть использован в качестве электроизмерительного прибора в составе виброизмерительной системы (виброанализатора) в целях контроля и диагностирования машин и оборудования на железнодорожном
транспорте, в нефтегазодобывающей, горнодобывающей, металлургической,
энергетической, бумажной и других отраслях промышленности.
Особенностью комплекса «Эксперт М» является то, что он способен вести съем информации по четырем каналам одновременно.
63
Рис. 1. Вид вибродиагностического комплекса «Эксперт М»
нового поколения (переносной вариант)
Это обстоятельство непосредственно влияет на время диагностирования
объекта с несколькими точками измерения. Так, например, общее время диагностирования (с учетом подготовительных операций) колесно-моторных блоков локомотивов серий (ВЛ10, ВЛ11, ВЛ60 и др.) может быть снижено с 2,5 ч
до 40 мин, что очень важно, так как диагностирование производится во время
текущего осмотра или ремонта. Общее количество каналов составляет 32, т. е.
обеспечивается возможность подключения 32 датчиков к одному комплексу.
Эта цифра соответствует количеству контрольных точек на локомотивах упомянутых серий.
Кроме стандартных функций виброанализатора (измерение уровня виброускорения, виброскорости, виброперемещения в определенных стандартами
полосах частот) комплекс оснащен мощной диагностической программой, которая с помощью подробного спектрального анализа позволяет производить
глубокое диагностирование роторных механических узлов, идентифицировать
до 15 видов дефектов подшипников и зубчатых зацеплений, определять дефекты смазки. Диагностирование осуществляется при одновременном использовании нескольких современных методов спектрального анализа и анализа временного сигнала [1].
64
Рис. 2. Вид вибродиагностического комплекса «Эксперт М»
нового поколения (встраиваемый вариант)
На основе информации о видах дефектов и степени их развития делается
обоснованный прогноз времени безаварийной работы диагностируемого узла.
При диагностировании роторных узлов по вибрации учитывается частота вращения вала.
Возможность комплекса измерять электрический сигнал напряжения позволяет организовывать универсальное устройство для измерения, например,
температуры, давления, перемещения и т. д.
Следует отметить, что измерительная и вычислительная части электроники комплекса были разработаны самостоятельно с учетом требований по минимизации энергопотребления и габаритов (рис. 3).
«Эксперт М» прошел испытания на утверждение типа средства измерения. По мнению специалистов, эта разработка является в настоящее время наиболее современным и перспективным аппаратно-программным средством не
только в области вибродиагностики, но и в других сферах.
65
Рис. 3. Составные части комплекса и датчики вибрации
____________________________
1. Тэттэр В. Ю. Современные методы виброакустического диагностирования / В. Ю. Тэттэр, О. Ю. Матюшкова// Омский научный вестник. 2013.
№ 3 (123). С. 294 – 298.
УДК 371.1
А. Ю. Тэттэр
ОПЫТ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ВИБРОДИАГНОСТИКЕ
ДЛЯ ВАГОНОРЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
В соответствии с нормативными документами ОАО «РЖД» РД 32 ЦВ
109-2011 и ТК-372 вагоноремонтные предприятия должны иметь в технологическом процессе ремонта колесных пар вибродиагностическое оборудование
(ВДО) для буксовых узлов.
66
Самой ранней разработкой в этом направлении был стенд для испытания
колесных пар УДП-85. Оборудование было спроектировано в Уральском филиале ВНИИЖТа. Затем появились установки УДП-2001, СКБУ, МПП, ОМСД.
Последней и наиболее совершенной разработкой является комплекс оперативного контроля «Эксперт Д». Это оборудование работает уже в полуавтоматическом режиме, и оператору требуется только установить колесную пару
на стенд и запустить процесс диагностирования. Несмотря на кажущуюся простоту процедуры само диагностирование – это сложный процесс, на результаты
которого оказывают влияние многие факторы.
Для обеспечения эффективной работы этого наукоемкого и интеллектуального оборудования необходима соответствующая подготовка операторов,
которые должны знать и нормативные документы, и физические основы происходящих при прокрутке колесной пары процессов, и основные методы распознавания дефектов и многое другое.
Не все предприятия разработчики ВДО осуществляют подготовку специалистов по своему оборудованию. Чаще всего эта подготовка заключается в консультациях во время пусконаладочных работ, она не систематизирована и не
регламентирована.
Разработчиками комплекса «Эксперт Д» подготовлена специальная программа подготовки в объеме 40 ч, половина из которых приходится на теоретические занятия, а половина – на получение практических навыков на реальном
ВДО. Получен положительный опыт подготовки специалистов по вибродиагностике для вагоноремонтных компаний ВРК2 и ВРК1. И теоретические занятия, и
практическая подготовка в этих случаях велись на базе структурных подразделений этих компаний, расположенных в г. Омске (ВЧДР Московка и ВЧДР
Омск-Сортировочный).
Раздел виброакустической диагностики включен в программу курсов повышения квалификации ОмГУПСа для специалистов по неразрушающему
контролю вагоноремонтных предприятий. Объем занятий в этом случае значительно меньше 12 – 16 ч. За это время слушателям дается информация о нормативно-технической документации в области вибродиагностики подвижного
состава – это государственные и отраслевые стандарты, руководящие документы, правила ремонта, технологические инструкции и карты.
67
Слушатели знакомятся с материалами по истории развития виброакустических методов контроля как за рубежом, так и в России, в частности, на предприятиях железнодорожного транспорта.
Дается обзор существующих методов диагностирования роторных механических узлов, обосновывается необходимость использования виброакустики
как наиболее технологичного и информативного метода диагностирования
подшипников и зубчатых передач подвижного состава.
Рассматриваются типовая функциональная схема вибродиагностического
комплекса и особенности конкретных типов оборудования, которые эксплуатируются в настоящее время в железнодорожных ремонтных предприятиях. В базовый курс входят и сведения о методах обработки сигналов вибрации, о диагностических признаках дефектов во временной и частотной областях, основы
спектрального анализа.
Уделяется внимание и разделу метрологического обеспечения вибродиагностического оборудования, так как передовые средства в этой области являются средствами измерения утвержденного типа и требуют периодической
метрологической аттестации – поверки или калибровки.
Теоретические сведения подкрепляются демонстрацией действующих
вибродиагностических установок, которые расположены в лаборатории средств
диагностирования, а таких установок имеется три различных типа (разных производителей, различной конструкции и с различными алгоритмами работы).
Первая установка демонстрирует возможности системы «Компаксэкспресс» на примере диагностирования подшипников и зубчатых передач колесно-моторного блока тепловоза (рис. 1).
Вторая установка – стенд входного и выходного контроля буксовых узлов
колесных пар «Прогноз-1» – имеет оригинальную конструкцию с возможностью создания дополнительной нагрузки на подшипники (рис. 2.).
На базе этого вибродиагностического стенда создана лабораторная работа
[1], которая выполняется студентами кафедры «Локомотивы», она помогает
понять алгоритм работы и устройство типового вибродиагностического
комплекса, работу диагностической программы, освоить методику расчета и
поиска диагностических признаков дефектов, а также получить практические
навыки диагностирования буксовых узлов колесной пары. Таким образом,
действующее диагностическое оборудование включено в учебный процесс.
68
Третья установка комплекса «Эксперт Д» (рис. 3) является самой новой
разработкой, в которой используются алгоритмы глубокого диагностирования,
с возможностью идентификации до 15 видов дефектов подшипников и определения степени их развития. Это оборудование нашло широкое применение в вагоноремонтных предприятиях отрасли, поэтому знакомство с ним особенно актуально для специалистов по неразрушающему контролю, которые повышают
свою квалификацию.
Рис. 1. Общий вид системы вибродиагностирования «Компакс-экспресс»
Рис. 2. Вид стенда входного и выходного контроля буксовых узлов
«Прогноз-1»
69
Контроль полученных знаний осуществляется с помощью специально
разработанных тестов, которые охватывают содержание всего теоретического
раздела, и проверки усвоения практических навыков работы на конкретном
вибродиагностическом оборудовании (в случае подготовки специалистов на базе подразделений вагоноремонтных предприятий).
Рис. 3. Общий вид вибродиагностического комплекса «Эксперт Д»
Такие формы подготовки специалистов дают положительный эффект, так
как слушатели получают информацию и приобретают знания о последних разработках и достижениях в изучаемой области, а также получают сведения о
перспективах развития вибродиагностического оборудования подвижного
состава.
Библиографический список
1. Овчаренко С. М. Диагностирование роликовых подшипников букс
комплексом «Прогноз-1М» / С. М. Овчаренко, В. Ю. Тэттэр / Омский гос.
ун-т путей сообщения. Омск, 2010. 26 с.
70
УДК 621.372.54
Г. Е. Лустенберг
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
В СИСТЕМЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ АЛГЕБРЫ MAXIMA
Частотная фильтрация является одной из самых распространенных операций, используемых при обработке сигналов. Электрические фильтры применяются для формирования частотных характеристик усилителей, измерительных трактов, каналов связи и других схем формирования сигналов. Несмотря на
расширение области цифровой фильтрации аналоговые фильтры по-прежнему
имеют большое практическое значение. Современные активные фильтры состоят из резисторов, конденсаторов и операционных усилителей в интегральном
исполнении.
Теория синтеза и анализа активных фильтров хорошо разработана [1, 2].
В настоящее время программные средства синтеза существуют как в виде автономных продуктов, так и в качестве подсистем программ схемотехнического
моделирования. Заключительным этапом разработки фильтра является его анализ с целью проверки соответствия результатов синтеза техническому заданию.
Здесь часто возникают следующие затруднения:
1) автономные программные средства синтеза часто вообще не предусматривают какой-либо верификации результата. В лучшем случае генерируется
код на языке SPICE, который предлагается загрузить в систему схемотехнического моделирования (PSpice, Micro-Cap, Multisim );
2) подсистемы синтеза активных фильтров современных программ схемотехнического моделирования генерируют схему непосредственно на рабочем
поле. Численное моделирование позволяет убедиться в степени адекватности
синтезированного фильтра. Однако численные методы дают решение только
для конкретных значений параметров и затрудняют анализ и обобщение результатов при их изменении. Численным методам свойственны специфические
погрешности, что также может поставить под сомнение весь процесс верификации. Например, при анализе узкополосных фильтров с помощью любого
SPICE-симулятора для его корректной работы требуется предварительная настройка вычислительного ядра [3, с. 164].
71
Из изложенного следует, что для анализа активных фильтров желательно
использование программных средств, работающих непосредственно с формулами. Такие математические пакеты получили название систем символьной математики или компьютерной алгебры, их преимущество состоит не только в
получении решений в аналитической форме, но и в отсутствии вычислительной
погрешности. Лидирующую позицию в данной сфере занимают системы Maple
и Mathematica [4], являющиеся коммерческими программными продуктами, поэтому их использование в условиях бюджетного финансирования затруднительно. В связи с этим целесообразно рассмотреть аналоги из области свободного программного обеспечения, распространяемые на бесплатной основе.
Одним из таких аналогов рассматриваемых систем является система компьютерной алгебры Maxima [5, 6], позволяющая осуществить полный цикл анализа характеристик активного фильтра:
– формирование операторных уравнений;
– определение передаточных функций;
– вычисление частотных, импульсных и переходных характеристик и
представление результатов в графической форме;
– получение функций чувствительности характеристик фильтра к изменению параметров электронных компонентов;
– определение динамической реакции фильтра на сложное входное воздействие.
Рассмотрим применение системы Maxima на примере анализа полоснозадерживающего высокодобротного фильтра (рисунок) [2, с. 73]. Приведенные
числовые значения параметров соответствуют частоте режекции 2400 Гц.
Операторные уравнения схемы по Лапласу могут быть сформированы
вручную или в результате процедур, описанных в статье [7]. Применение базиса узловых потенциалов приводит к уравнению в матричной форме:
YV = IУ ,
(1)
где Y – квадратная матрица узловых проводимостей; V – вектор-столбец неизвестных узловых потенциалов; IУ – вектор-столбец узловых токов.
Для рассматриваемой схемы данное уравнение принимает вид:
72
Y2  Y5


Y1  s C3

 s C7  Y4  Y7  Y8
где
Yi  R i 1
–
0
 s C3
Y4
проводимость
i-го
Y2 
Y1 

0 
Y5 U вх ( s )
V2 ( s )  

V ( s )   
,
0
 5  

V6 ( s )  ( s C7  Y7 ) U вх ( s ) 
резистора;
s –
оператор
(2)
Лапласа;
V2 (s),V5 (s),V6 (s) – операторные изображения неизвестных узловых потенциалов узлов 2, 5 и 6; U вх ( s) – операторное изображение входного сигнала.
Схема полосно-задерживающего высокодобротного фильтра:
R1 = R2 = 1600 Ом; R4 = 212077 Ом; R5 = 1600 Ом; R7 = R8 = 1178930 Ом;
С3 = С7 = 3,6 нФ; DA1, DA2 – идеальные операционные усилители
В результате решения системы уравнений (2) следует найти передаточную функцию по напряжению между выходом и входом:
K ( s) 
V6 ( s) U вых ( s)
.

U вх ( s) U вх ( s)
73
(3)
Для установившегося гармонического режима с круговой частотой 
подстановка s  j приводит к выражению комплексного коэффициента передачи
K ( jω)  K (ω) e j(ω)  A(ω)  jB(ω) ,
где K () – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);  ()
(4)
– фазо-
частотная характеристика (ФЧХ); A() – вещественная частотная характеристика; B() – мнимая частотная характеристика; j – мнимая единица.
Важной характеристикой фильтра является частотная зависимость времени замедления τ(ω) (группового времени запаздывания)
τ(ω)  
d (ω)
.
dω
(5)
Временные характеристики фильтра определяются через обратное преобразование Лапласа:
uвых (t )  L1[ K (s) U вх (s)] .
(6)
В зависимости от вида входного сигнала из выражения (6) можно получить различные отклики фильтра. Особое значение в теории фильтров имеет
переходная характеристика фильтра, являющаяся реакцией выхода на единичный скачок входного напряжения 1(t) (функцию Хевисайда). Изображение
входного напряжения фильтра выражается, как s–1. Следовательно,
 K ( s) 
h1(t )  L1 
 α(t ) 1(t ),
 s 
(7)
где α(t) – затухающая функция времени (для устойчивых схем).
Не менее важна импульсная характеристика фильтра, т. е. его реакция на
единичный импульс δ(t) (δ-функцию Дирака). Изображение δ-функции равно
единице, поэтому для импульсной характеристики имеем:
h (t ) = L-1[ K ( s)] =
dh1(t ) da(t )
=
1(t ) + a(0)δ(t ).
dt
dt
(8)
Теперь запрограммируем изложенную выше процедуру анализа фильтра
на входном языке системы Maxima. В тексте диалога с системой, приведенном
ниже, N-я строка, начинающаяся с (%iN), обозначает некоторую команду, вво-
74
димую пользователем. Если после команды стоит точка с запятой, то ниже присутствует результат ее выполнения, помеченный как (%oN)-формула или
(%tN)-диаграмма. Если команда заканчивается знаком «$», то результат не отображается. Строки, написанные на русском языке, являются комментариями,
поясняющими назначение команд.
НАЧАЛО
АНАЛИЗ ПОЛОСНО-ЗАДЕРЖИВАЮЩЕГО
ВЫСОКОДОБРОТНОГО АКТИВНОГО ФИЛЬТРА
1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ ФИЛЬТРА
Задание матрицы узловых проводимостей(2):
(%i1) Y:matrix([Y2+Y5,0,-Y2], [Y1+s*C3,-s*C3,-Y1],
[s*C7+Y4+Y7+Y8,-Y4, 0])$
Задание вектора узловых токов (2):
(%i2) Iu:matrix([Y5*Uvx],[0],[(s*C7+Y7)*Uvx])$
Решение системы уравнений(2)методом обращения матрицы Y:
(%i3) V:invert(Y).Iu$
Определение потенциала выходного узла 6:
(%i4) V6:ratsimp(V[3],s)$
Передаточная функция K(s)=V6/Uvx:
(%i5) K:ratsimp(V6[1]/Uvx,s);
(%o5)
Определение коэффициентов N2, N1, N0 полинома числителя NUMERK=N2*s^2+N1*s+N0:
(%i6) NUMERK:expand(num(K))$
(%i7) N2:coeff(NUMERK,s,2)$
(%i8) N1:coeff(NUMERK,s,1)$
(%i9) N0:coeff(NUMERK,s,0)$
75
Определение коэффициентов D2, D1,
DENOMK=D2*s^2+D1*s+D0:
(%i10) DENOMK:expand(denom(K))$
(%i11) D2:coeff(DENOMK,s,2)$
(%i12) D1:coeff(DENOMK,s,1)$
(%i13) D0:coeff(DENOMK,s,0)$
D0
полинома
знаменателя
Передаточная функция
K(s)=(N2*s^2+N1*s+N0)/(D2*s^2+D1*s+D0)
c раскрытыми коэффициентами полиномов числителя и знаменателя:
(%i14) Ks:(N2*s^2+N1*s+N0)/(D2*s^2+D1*s+D0)$
Передаточная функция, приведенная к виду с единичным коэффициентом при s^2 в знаменателе:
(%i15) Kss:(N2/D2*s^2+N1/D2*s+N0/D2)/(s^2+D1/D2*s+D0/D2);
(%o15)
2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕХОДНОЙ И ИМПУЛЬСНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК
Определение изображения переходной функции, т.е. реакции на
единичный скачок (unit_step) входного напряжения:
(%i16) Hss: Kss*laplace(unit_step(t),t,s)$
Задание числовых значений параметров схемы:
(%i17) Y1:1/1600; Y2:1/1600; Y4:1/212077;
Y5:1/1600; Y7:1/1178930; Y8:1/1178930;
C3:3.6e-9; C7:3.6e-9;
Отображение шести значащих цифр в режиме FLOAT:
(%i25) fpprintprec:6$
Представление переходной характеристики в числовой форме:
(%i26) Hss_num:Hss, numer;
(%о26)
76
Выполнение обратного преобразования Лапласа и определение переходной функции:
(%i27) ht:ilt(Hss_num, s, t), numer;
(%o27)
Построение диаграммы переходной функции:
(%i28)
wxplot2d([ht],[t,0,0.01],
[nticks,100], [ylabel, h1],[xlabel,"t, c"])$
[y,0.96,1.03],
(%t28)
Определение импульсной функции (8):
(%i29)
hdt1:diff(ht,t)*unit_step(t)$
alpha0:subst(0,t,ht)$
hdt2:alpha0*delta(t)$
(%32)hdt:hdt1+hdt2;
(%o32)
Построение диаграммы импульсной функции без импульсного слагаемого:
(%i33)
wxplot2d([hdt1],
[t,0,0.01],
[y,-500.9,500],
[nticks,100])$
(%t33)
3.РЕАКЦИЯ НА ГАРМОНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ С ЧАСТОТОЙ 2500 Гц
Гармоническое воздействие u и его прямое преобразование по
Лапласу:
(%i34) u:sin(2*%pi*2500*t); Uvxp:laplace(u,t,s);
(%o34)
(%o35)
Передаточная функция в числовой форме:
77
(%i36) Kss_num: Kss, numer;
(%o36)
Реакция на гармоническое воздействие (6):
(%i37) Ysin:ilt(Kss_num*Uvxp,s,t), numer;
(%o37)
Построение диаграммы реакции фильтра на гармоническое воздействие:
(%i38)
wxplot2d([Ysin],
[t,0,0.015],
[y,-1.5,1.5],
[nticks,500])$
(%t38)
4.ФИЛЬТРАЦИЯ
Гармонический сигнал 200 гц с помехой 2400 гц на входе фильтра:
(%i39) u:sin(2*%pi*200*t)+0.2*sin(2*%pi*2400*t)$
(%i40)
wxplot2d([u],
[t,0,0.02],
[y,-1.5,1.5],
[nticks,1000])$
(%t40)
Изображение воздействия:
(%i41) Uvxp:laplace(u,t,s)$
Реакция:
(%i42) Ysin:ilt(Kss_num*Uvxp,s,t), numer$
78
(%i43)
wxplot2d([Ysin],
[nticks,1000])$
[t,0,0.02],
[y,-1.5,1.5],
(%t43)
5.ПОСТРОЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
5. ПОСТРОЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Задание круговой частоты и оператора Лапласа для установившегося гармонического режима. %i – мнимая единица; f – частота в
герцах:
(%i44) omega: 2*%pi*f$
s:%i*omega$
Вычисление АЧХ и построение в линейном масштабе частоты:
(%i46) AFC:cabs(Kss_num), numer$
(%i47)wxplot2d([AFC], [f,2000,3000],[y,0,1.2], [nticks,100])$
(%t47)
Построение частотных характеристик вещественной и мнимой частей комплексной частотной характеристики (4):
(%i48) Re_Kss_num: realpart(Kss_num), numer;
(%i49) Im_Kss_num: imagpart(Kss_num), numer;
(%i50)
wxplot2d([Re_Kss_num,
Im_Kss_num],
[f,2000,3000],
[y,-1,1.2],[nticks,100])$
(%t50)
Построение ФЧХ фильтра в линейном масштабе частоты f:
(%i51) PFC:180*carg(Kss_num)/%pi, numer$
79
(%i52)
wxplot2d([PFC],
[nticks,100])$
[f,2000,3000],[y,-100,100],
(%t52)
Частотная характеристика времени замедления (5):
(%i53) tau: -diff(PFC,f)/(2*%pi)$
(%i54)
wxplot2d([tau],
[f,2000,3000],[y,0,0.3],
[nticks,100])$
КОНЕЦ
Результаты, полученные в рассмотренном примере, свидетельствуют о
соответствии заявленных параметров результатам анализа. Действительно, по
частотным характеристикам видно, что частота режекции составляет 2400 Гц.
Затухание переходной и импульсной характеристик говорит об устойчивости
схемы. Частота затухающих колебаний также 2400 Гц. Нужно отметить, что устойчивость следует также из анализа полученной передаточной функции в символьной форме: все коэффициенты полинома знаменателя положительны.
Реакция на гармоническое воздействие 2600 Гц сопровождается модуляцией на начальной стадии переходного процесса, что соответствует теории. Начиная
с третьего периода, влияния помехи 2400 Гц практически не наблюдается.
Разумеется, рассмотренный простой пример не охватывает всех процедур, используемых при анализе активных фильтров. Практический интерес
представляют расчет чувствительности к различным параметрам схемы, оценка
воздействия шумов и сложных помех. Таким образом, дальнейшие исследования возможностей систем символьной математики в рассмотренном аспекте
представляют несомненный интерес.
Библиографический список
1. Хьюлсман Л. П. Введение в теорию и расчет активных фильтров /
Л. П. Хьюлсман, Ф. Е. Аллен. М.: Радио и связь, 1984. 384 с.
2. М о ш и ц Г . Проектирование активных фильтров / Г. М о ш и ц ,
П. Х о р н . М.: Мир, 1984. 318 с.
80
3. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 / В. Д. Разевиг. M.: Солон, 1999. 698 с.
4. Дьяконов В. П. MAPLE 9.5/10 в математике, физике и образовании /
В. П. Дьяконов. M.: СОЛОН-Пресс, 2006. 720 с.
5. Ильина В. А. Система аналитических вычислений Maxima для физиков-теоретиков / В. А. Ильина, П. К. Силаев/ МГУ. М., 2007. 113 с.
6. Чичкарев Е. А. Компьютерная математика с Maxima: Руководство для
школьников и студентов / Е. А. Чичкарев. М.: ALT Linux, 2012. 384 c.
7. Лустенберг Г. Е. Анализ активных фильтров методами компьютерной
алгебры / Г. Е. Лустенберг // Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем: Сб. науч. тр. / Иркутский гос. унт путей сообщения. Иркутск, 2009. Вып. 7. С. 115 – 123.
УДК 629.488.2
О. Б. Мешкова, О. С. Евсюкова
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ
БАББИТОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ РЕМОНТЕ ЛОКОМОТИВОВ
Проблемы повышения надежности и продления ресурса безопасной эксплуатации подвижного состава в последние годы приобрели исключительную актуальность, так как физическое старение подвижного состава во многих случаях опережает темпы технического перевооружения, а основным условием эксплуатации железных дорог является обеспечение безопасности движения поездов. В России износ вагонов и локомотивного парка составляет более 50 %, что делает задачу
объективного контроля технического состояния железнодорожного подвижного
состава очень актуальной.
Локомотивное ремонтное депо Московка (г. Омск) осуществляет ремонт локомотивов в депо, в том числе 2ЭС6 «Синара», ВЛ10. Анализ внеплановых ремонтов электровозного парка (в том числе электровозов приписки
ТЧЭ-2 Омск за 2012 – 2013 гг.) показывает, что за 12 мес. 2013 г. допущено
2159 случаев внеплановых ремонтов электровозов, что составляет 44,03 случая на 1 млн км пробега против 1748 случаев внеплановых ремонтов, или
81
40,24 случая на 1 млн км пробега, за тот же период 2012 г. В сравнении с
прошедшим годом количество случаев внеплановых ремонтов увеличилось
на 23,5 % [1].
Анализ количества случаев внеплановых ремонтов электровозов,
допущенных за 12 месяцев 2012 – 2013 гг. по данным локомотивного ремонтного депо Московка, показал следующее.
Колесно-моторные блоки (КМБ) локомотивов в эксплуатации подвержены значительным динамическим нагрузкам, особенно на электровозах с опорно-осевым подвешиванием, что обусловливает 15 – 20 % внеплановых заходов
электровозов на ремонт по неисправностям КМБ.
Более 12 % неисправностей КМБ приходится на моторно-осевые подшипники (МОПы), через которые тяговый электродвигатель одной своей частью опирается на ось колесной пары. В процессе эксплуатации наблюдается
износ моторно-осевых подшипников как по внутренней поверхности, залитой
баббитом Б16, контактирующей с осью колесной пары, так и по наружной
поверхности, сопряженной с остовом тягового двигателя, в частности, по бурту
корпусов вкладышей. На износ баббитовой заливки вкладышей МОПов приходится 29 % от общего количества дефектов, на износ бурта вкладышей – 25, на
трещины вкладышей – 16, на износ наружного диаметра вкладышей и усталостное выкрашивание баббита – по 8,2 % и т. д.
Реализация технологического процесса на предприятии в строгом соответствии с требованиями к нему обеспечивает надлежащее качество выполнения ремонтных работ и надежность деталей и узлов в эксплуатации.
Время, необходимое для проведения одного химического анализа образца
баббитового сплава на содержание свинца по ГОСТ 21877.4-76, составляет более 4 ч, на содержание меди по ГОСТ 21877.3-76 – около 2 ч. Таким образом,
все затраченное на проведение химического анализа проб баббита время составляет около 6 – 7 ч.
Химический состав баббита Б16 по ГОСТ 1320 - 74 (ИСО 4383-91) должен соответствовать показателям, представленным в табл. 1.
82
Таблица 1
Химический состав баббита Б16
Марка
баббита
Б16,
ГОСТ
1320-74
Содержание химических элементов, %, не более
олово – Sn
сурьма – Sb
медь – Cu
свинец – Pb
15 – 17
15 – 17
1,5 – 2,0
основа
железо –
Fe
мышьяк –
As
цинк –
Zn
висмут –
Bi
алюминий –
Al
0,10
0,30
0,15
0,10
0,01
В процессе анализа определения элементов сплавов в заводских лабораториях выяснено, что часть задач может решаться значительно эффективнее
при использовании автоматизированных систем атомно-эмиссионного спектрального анализа (АЭСА), в которых информативные параметры извлекают из
зарегистрированных спектров элементов исследуемых образцов.
Основными преимуществами АЭСА перед другими методами анализа являются следующие:
высокая чувствительность – 10-5 – 10-7 % (минимальная концентрация определяемого вещества, которая может быть обнаружена и измерена
спектральными методами, колеблется в широких пределах в зависимости от
свойств этого вещества и состава анализируемой пробы. Увеличение чувствительности может быть достигнуто либо увеличением интенсивности аналитических линий, либо уменьшением интенсивности фона спектра – практически
чувствительность спектрального анализа всегда выше чувствительности весового химического анализа;
достаточно хорошая точность (3…5 %) – при малых концентрациях точность спектрального анализа превосходит точность химического анализа и может несколько уступать ему только при больших концентрациях;
многокомпонентность – методами спектрального анализа возможно одновременное определение 20 и более элементов, в то время как при химическом
анализе возможно только раздельное определение каждого элемента, для чего
требуется проведение отдельных специфических реакций;
83
контроль изделий без их разрушения – спектроскопия остается единственным доступным методом анализа крупногабаритных изделий и предметов,
не допускающих повреждения их поверхностей;
требование малого количества анализируемого образца – во многих случаях для проведения спектрального анализа достаточно сотых долей грамма исследуемого вещества;
универсальность – практически одни и те же методы спектрального анализа пригодны для определения различных элементов и в самых разнообразных
объектах;
документальность – при электронной регистрации результаты анализа
могут храниться длительное время и быть документом, по которому можно
многократно произвести проверку правильности и точности анализа.
В основе методического обеспечения современных автоматизированных
устройств для проведения спектрального анализа продолжают оставаться градуировочные характеристики, построенные на основе регрессионной обработки
данных стандартных образцов с известным химическим составом [2]. Для проведения контроля качества материалов, используемых при ремонте подшипниковых узлов, предлагается использовать метод атомно-эмиссионного спектрального анализа. Спектрометры типа «Аргон-5СФ» (рис. 1) имеют возможность одновременного определения концентрации до 24 элементов.
Рис. 1. Внешний вид спектрометра «Аргон-5СФ»
Для контроля качества баббитов разработана методика, включающая в
себя набор элементов, градуировочные зависимости и окно вывода результата.
84
С целью проведения эксперимента в одном из локомотивных ремонтных
депо была взята проба, отлитая непосредственно в процессе ремонта вкладышей МОПов. Результаты спектрального анализа, представленные на рис. 2, показали, что баббит, который заливали во вкладыши МОПов, не соответствует
по двум химическим элементам требованиям ГОСТ 1320-74.
Рис. 2. Вид рабочего окна программы спектрометра «Аргон-5СФ»
с результатами определения химического состава исследуемого сплава
Как видно из рис. 2, отклонения химического состава значительны у основных элементов примесей Sn и Sb. Известно, что низкое качество баббитовой
заливки подшипников ведет к большому количеству случаев выдавливания,
выкрашивания, трещинообразования и образованию раковин баббитового слоя,
что приводит к неудовлетворительной работе подшипника и тепловому нагреву буксового узла.
В основе автоматизированных устройств проведения спектрального анализа продолжают использоваться модели градуировочных характеристик (ГХ),
построенных на основе регрессионной обработки данных стандартных образцов
с известным химическим составом [3]. Стабилизация таких характеристик остается актуальной задачей. Возможными причинами смещения ГХ могут являться
внешние факторы – изменяющиеся условия проведения эксперимента и внутренние – перенос ГХ с одного прибора на другой при их серийном производстве.
Известны различные способы стабилизации условий проведения эксперимента, например, приведение их к эквивалентным для системы «эталон –
85
исследуемая проба» или применение способа построения градуировочных графиков, где для стабилизации положения градуировочных графиков предлагается использовать внутренний стандарт Iвн. ст, состоящий из интенсивностей линий основных анализируемых элементов Ii материала [4,5].
Для повышения стабильности и уменьшения дрейфа градуировочных
графиков в данных статьях предлагается способ, который заключается в измерении и математической обработке нескольких линий анализируемого элемента
и нескольких линий сравнения, имеющих различные энергетические характеристики, для уменьшения влияния внешних и внутренних факторов при проведении эксперимента.
Для построения устойчивой градуировочной зависимости были использованы данные, полученные при помощи атомно-эмиссионных спектрометров
типа «АРГОН-5СФ». Эксперимент проводился с применением стандартных образцов свинцовых баббитов (86XPSS1 – 86XPSS4 фирмы MBH). Параметры
спектральных линий, используемых для градуировки, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры спектральных линий, используемых для градуирования
Элемент
Cu
Cu
Cu
Sb
Sb
Sb
Sn
Sn
Sn
Pb
Pb
Pb
Pb
Pb
Pb
Номер
Потенциал
приемника
возбуждения, эВ
Линии анализируемых элементов
218,172
2
5,68
327,396
4
3,78
296,117
3
5,78
217,581
2
5,69
231,147
2
7,68
287,792
3
5,36
249,570
2
6,03
365,587
5
5,52
211,393
1
6,07
Линии сравнения
367,150
5
6,03
282,319
3
5,7
322,054
4
6,5
247,638
2
5,98
205,327
1
6,04
216,999
2
5,71
Длина волны, нм
86
Яркость
130
2500
50
850
15
140
110
40
530
34
410
3
130
690
480
Для снижения действия факторов, влияющих на положение ГХ, помимо
аналитических линий было выбрано восемь дополнительных линий с различной яркостью и потенциалами возбуждения, на которые оказывают значительное влияние физические факторы, учитываемые при построении градуировочной зависимости.
Использование автоматизированных систем контроля позволяет принять
решение с опосредованным участием оператора в проведении измерительного
эксперимента, выполнении необходимых измерений за малый промежуток времени и обеспечении требуемой точности.
Решение всех названных задач в области эффективного использования
средств контроля требует определенных затрат, но в результате внедрения рассмотренной автоматизированной системы с применением приборов АЭСА позволит избежать несоизмеримых с ее стоимостью экономических убытков от
внеплановых ремонтов подвижного состава и техногенных катастроф.
Библиографический список
1. Кузнецов А. А. Повышение надежности узлов подвижного состава
при использовании автоматизированных систем контроля качества материалов /
А. А. Кузнецов, О. Б. Мешкова, О. С. Евсюкова// Материалы всеросс. науч.- техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. С. 70 – 76.
2. Овчаренко С. М. Спектральный анализ как метод диагностирования /
С. М. Овчаренко, А. А. Кузнецов // Локомотив. 2006. № 12. С. 34, 35.
3. Кузнецов А. А. Комплексные методы диагностирования промышленных изделий и узлов подвижного состава средствами атомно-эмиссионной
спектроскопии / А. А. Кузнецов. М.: Спутник +, 2005. 198 с.
4. Кузнецов А. А. Способ достижения инвариантности градуировочных
графиков при определении количественного состава металлов и сплавов автоматизированными системами АЭСА материалов /А. А. Кузнецов, О. Б. Мешкова,
Д. Е. З ач а тей ский // Омский научный вестник. 2010. № 2(90). С. 169 – 172.
5. Кузнецов А. А. Реализация мобильных градуировочных характеристик приборов спектрального анализа материалов с использованием виртуальных эталонов / А. А. Кузнецов, В. А. Слептерев, А. В. Пелезнев // Омский научный вестник. 2013. № 3(125). С. 241– 246.
87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящем межвузовском тематическом сборнике научных трудов приведены результаты исследований по направлениям энергосберегающих технологий, контроля и управления различными объектами железнодорожного
транспорта.
В статьях, посвященных реализации энергосберегающих технологий и
повышению рациональности использования всех видов топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в ОАО «РЖД», приведены результаты исследования
вопросов создания и внедрения комплексной автоматизированной системы
контроля, планирования и мониторинга за расходом ТЭР. Представлены материалы по исследованию эффективности эксплуатации ресурсосберегающих
технических средств в структурных подразделениях ОАО «РЖД» и анализ информационного аспекта автоматизации учета потребления энергоресурсов.
Значительное внимание авторы сборника в своих работах уделили методам повышения эффективности использования средств диагностирования и
контроля деталей и узлов подвижного состава, реализации контроля фактического состояния подвижного состава при его функционировании. Приведены
элементы теории измерений, контроля и диагностики, используемые при
эксплуатации приборов различного назначения.
Ряд статей посвящен исследованию качества электрической энергии и
электромагнитной совместимости. Приведены расчеты параметров компенсирующих устройств реактивной мощности в тяговой сети в режимах рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов. Приводится анализ
коэффициента искажения синусоидальности кривой питающего напряжения
при возврате электрической энергии. Значительное внимание уделено совершенствованию процессов моделирования электротехнических и тепловых расчетов с использованием различных программных комплексов.
Публикуемые статьи представляют собой законченные научные труды, в
которых предложены методы повышения эффективности эксплуатации ресурсосберегающих технических средств и технологий, повышения надежности
устройств электроснабжения железных дорог, а также представлены разработанные новые методы контроля за техническим состоянием различных объектов железнодорожного транспорта, включая подвижной состав и устройства
энергетики.
88
Научное издание
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ
ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Межвузовский тематический сборник научных трудов
____________________________________
Редактор Н. А. Майорова
Корректор И. А. Сенеджук
Позиция тематического плана № 2
***
Подписано в печать .06. 2015. Формат 60 × 84 1/16.
Офсетная печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 5,6. Уч.-изд. л. 6,2.
Тираж 100 экз. Заказ
.
**
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа
*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
89
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
45
Размер файла
1 950 Кб
Теги
1684
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа