Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Вещиков Г. В. Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційну роботу присвячено вирішенню наукової задачі з підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічних системах рухомого складу пасажирського електротранспорту в умовах автономного електроживлення, застосування магнітного редуктора та високодинамічного навантаження на основі визначення раціональних значень параметрів та аналізу режимів роботи системи. У першому розділі проведено комплексний аналіз властивостей та енергетичних показників основних елементів сучасних електромеханічних систем рухомого складу пасажирського електротранспорту, що визначають їх енергоефективність. Особливу увагу приділено силовим електромеханічним та електронним перетворювачам енергії, а також передатним пристроям, що являють собою основні складові електромеханічних систем транспортних засобів із автономним живленням. Порівняння різних топологій електронних перетворювачів показало, що вибір його схеми залежить від вимог до рівня струмів та напруг, діапазону регулювання, наявності рекуперації, рівня гармонічних спотворень та вартості. Аналіз сучасних топологій підтвердив можливість досягнення ККД 96-98 % при високій питомій потужності та широкому діапазоні керування, що робить їх придатними для використання в електромеханічних системах транспортних засобів з високою напругою ланки постійного струму. Аналіз електромеханічних перетворювачів енергії показав, що кожен тип електродвигуна має свої переваги та обмеження. Асинхронні двигуни залишаються найбільш надійними та доступними варіантами завдяки простоті конструкції, високій надійності та можливості реалізації оптимальних систем керування завдяки розвитку напівпровідникових перетворювачів. Синхронні машини з контактними кільцями забезпечують стабільність швидкості, але малопридатні для мобільних застосувань через наявність ковзних контактів. Двигуни з постійними магнітами демонструють найвищий ККД та кращі масогабаритні показники, проте обмежуються ризиком розмагнічування та вищою вартістю у порівнянні з іншими типами електродвигунів. Двигуни постійного струму, попри зручність керування та високий пусковий момент, поступаються за надійністю та вартістю обслуговування через наявність щітковоколекторного вузла. Для покращення показників якості керування тягового електропривода електромеханічних систем рухомого складу електротранспорту, що особливо важливо в умовах дії сильних і короткочасних моментів збурення, які можуть бути спричинені нерівністю колії, доцільним буде використання магнітного редуктора замість механічного. Дане рішення дозволяє покращити комфорт пасажирів під час руху, знизити ударні навантаження на вал двигуна та відповідно збільшити термін служби та зменшити вартість обслуговування. У другому розділі розроблено математичну модель електромеханічної системи, яка включає моделі асинхронного тягового двигуна, силового електронного перетворювача, акумуляторної батареї, суперконденсатора та магнітного редуктора. Модель побудована з урахуванням режимів руху, наявності високодинамічних механічних збурень та нелінійності характеристик електричних елементів. В основі математичної моделі електромеханічного перетворювача енергії лежить модель асинхронного двигуна в обертовій системі координат. Для керування двигуна було застосовано типову систему векторного керування, а також використано оптимальні стратегії керування, такі як метод максимального моменту на ампер та метод мінімізації втрат в міді. В якості джерела енергії було досліджено батарею суперконденсаторів, що базується на моделі суперконденсатора з трьома паралельними RC-контурами, один з яких містить нелінійну ємність. Інші два ємнісні контури мають достатньо великі сталі часу, тому суттєво не впливають на тривалість перехідних процесів в колі та не ускладнюють загальну математичну модель електромеханічної системи. Для узгодження напруг в ланках постійного струму було використано двонаправлений DC-DC перетворювач постійного струму, модель якого враховує внутрішні опори елементів, що суттєво впливають на енергоефективність досліджуваної системи. Вибір даного перетворювача було обумовлено можливістю реалізації рекуперації енергії. Для створення трифазної напруги живлення електродвигуна було використано повномостовий трифазний інвертор з шістьма ключами та керуванням ШІМ сигналом. Для керування асинхронним двигуном застосовано систему векторного керування з використанням стратегій оптимізації, орієнтованих на зменшення струмів, що протікають через обмотки двигуна, оптимальне формування електромагнітного моменту та зниження електричних втрат. У третьому розділі проведено дослідження енергоефективності автономної роботи електротранспорту на основі використання батарей суперконденсаторів для живлення тягового електроприводу вагону метро в умовах аварійного відключення електроенергії мережі або її недостатнього генерування. Визначено витрати енергії батареї суперконденсаторів на розгін та ефективність перетворення енергії, що характеризується загальним ККД системи. Було досліджено ефективність рекуперації на основі використання суперконденсаторних накопичувачів електроенергії. В результаті дослідження було встановлено кількісну залежність ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу в режимі рекуперації від швидкісного режиму гальмування при автономному живленні від батареї суперконденсаторів. Показано, що при низьких швидкостях ефективність рекуперативного гальмування є невисокою за рахунок того, що електричні та фрикційні втрати співмірні з корисною потужністю. Ефективність віддачі енергії збільшиться, якщо гальмування відбувається з більш високих швидкостей, проте після досягнення певної швидкості коефіцієнт ефективності рекуперації зменшиться. Це дозволяє визначити раціональний швидкісний діапазон рекуперації, в межах якого забезпечується максимальна ефективність перетворення енергії за робочий цикл. У четвертому розділі виконано порівняльний аналіз показників ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту на прикладі вагонів метро при дії сильних і короткочасних моментів збурення під час розгону, руху з усталеною швидкістю та сповільнення типового тягового електропривода з механічним редуктором та запропонованої системи з магнітним редуктором, отримано залежності рухомих моментів, швидкостей, кутів повороту валів у часі, спектрів осциляцій моментів та залежності характерних показників передачі від її коефіцієнтів жорсткості та демпфування. Наявність магнітного редуктора обумовлює пружно-в’язкий зв’язок між його вхідним та вихідним валом. Результати дослідження показали, що зменшення коефіцієнта жорсткості магнітного редуктора призводить до зниження основної частоти коливань рухомого моменту та спричиняє суттєве зменшення амплітуди коливань моменту і часу стабілізації. При збільшенні коефіцієнта жорсткості магнітного редуктора амплітуда коливань наближається до значень при використанні жорсткої передачі з механічним редуктором, а різниця швидкостей та кутових положень вхідного і вихідного валів редуктора зменшується. Збільшення коефіцієнта демпфування впливає лише на зменшення часу затухання перехідного процесу. Спектральний аналіз показує, що наявність пружного зв’язку в магнітному редукторі обумовлює зменшення частоти осциляцій моменту, яке вказує на більшу інерційність і кращу адаптацію системи до зовнішніх збурень. Отримані аналітичні залежності між коефіцієнтами жорсткості та демпфування магнітної передачі, що визначають тип перехідного процесу електромеханічної системи та характер реакції тягового електроприводу на керуючі та збурюючі впливи, дозволяють цілеспрямовано формувати характер зміни моменту тягового електропривода, обґрунтовано підбирати параметри магнітної передачі для забезпечення аперіодичних перехідних процесів, зменшувати вплив збурень моменту навантаження та підвищувати якість керування електромеханічною системою рухомого складу пасажирського електротранспорту. Таким чином, застосування магнітного редуктора з раціонально підібраними параметрами в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту дозволяє підвищити динамічну стійкість моменту до короткочасних збурень, зменшити амплітуду коливань, знизити ударне навантаження на вал двигуна і відповідно збільшити термін служби та зменшити вартість обслуговування системи, що актуально для електротранспорту, який працює в умовах нерівномірного руху, зокрема метрополітену. Аналіз енергоефективності з урахуванням впливу стратегій керування тяговим електроприводом з магнітною передачею дозволив визначити показники споживання електроенергії та ККД в різних режимах роботи. Використання оптимальних стратегій керування електроприводом дозволяє підвищити ККД системи з магнітним редуктором, що забезпечує зменшення споживання електроенергії. Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості використання розроблених моделей та методів для оптимізації параметрів електромеханічних систем рухомого складу пасажирського електротранспорту, удосконалення систем автономного живлення, зниження втрат енергії та підвищення надійності роботи рухомого складу електротранспорту. Результати досліджень можуть бути впроваджені під час модернізації існуючих та проектування нових енергоефективних електромеханічних систем. Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» та Інституті електродинаміки НАН України, що підтверджується відповідними актами впровадження.
Опис
Ключові слова
ефективність, перетворювач, енергія, електромеханічна система, транспорт, керування, електропривод, асинхронна машина, магнітний редуктор, акумулятор, суперконденсатор, батарея, електромагнітні процеси, математична модель, моделювання, efficiency, converter, energy, electromechanical system, transport, control, electric drive, asynchronous motor, magnetic gear, accumulator, supercapacitor, battery, electromagnetic processes, mathematical model, simulation
Бібліографічний опис
Вещиков, Г. В. Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту : дис. ... д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Вещиков Георгій Вячеславович. - Київ, 2026. - 165 с.