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

Автор(и)

  • Viktor Kharchenko Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0003-1209-609X
  • Ivan Kostenko Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-8170-7432
  • Borys Liubarskyi Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-2985-7345
  • Viktor Shaida Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-4281-5545
  • Maksym Kuravskyi Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023, Україна https://orcid.org/0000-0001-9360-6850
  • Оleksandr Petrenko Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0003-4027-4818

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205288

Ключові слова:

тяговий електропривод тролейбуса, двигун змішаного збудження, імпульсний перетворювач, імітаційне моделювання

Анотація

Перехід на новий тип тягового привода, з постійного на змінний струм, в громадському транспорті неможливо виконати миттєво. Це пояснюється наявністю значної кількості парку машин та потрібних на це коштів. В більшость країн Європи та Азії цей процес розтягується на роки.

Тому розвиток парку тролейбусів йде паралельно у двох напрямках. Перший – закупівля нових тролейбусів, тобто оновлення парку сучасними машинами, що мають тяговий двигун змінного струму. Другий – капітальний ремонт і модернізація «застарілих» машин, з метою поліпшення їх експлуатаційних характеристик. Більша частина «застарілих» тролейбусів обладнана тяговими двигунами постійного струму послідовного або змішаного збудження. Істотне енергозбереження та покращення характеристик тягового електропривода з цими двигунами досяжне при використанні системи імпульсного регулювання та шляхом оптимізації алгоритмів керування.

Метою дослідження є підвищення енергоефективності та покращення характеристик тягового електропривода тролейбуса, що має двигун постійного струму змішаного збудження. Це досягається за рахунок удосконалення системи керування цим приводом на основі системи імпульсного керування за допомогою DC-DC.

Працездатність тягового електроприводу було перевірено шляхом імітаційного та фізичного моделювання. Також було удосконалено математичну модель двигуна постійного струму із змішаним збудженням. Особливістю цієї моделі є врахування насичення елементів магнітопроводу тягового двигуна на базі проведених заздалегідь розрахунків магнітного поля методом скінчених елементів. Об’єднавши ці складові, отримано удосконалену математичну модель всього тягового електропривода тролейбуса.

Проведено імітаційне моделювання роботи тягового електропривода тролейбуса в режимі пуску. Результати його підтвердили підвищення енергоефективності тягового електропривода за рахунок зменшення втрат на збудження. Порівняння довело, що втрати енергії зменшилися з 0,587 МДж (0,163 кВт·год) до 0,531 (0,1475 кВт·год) МДж – на 9,54 %

Біографії авторів

Viktor Kharchenko, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002

Доктор технічних наук, професор

Кафедра систем електропостачання та електроспоживання міст

Ivan Kostenko, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002

Асистент

Кафедра електричного транспорту

Borys Liubarskyi, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Доктор технічних наук, професор

Кафедра електричного транспорту та тепловозобудування

Viktor Shaida, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електричних машин

Maksym Kuravskyi, Харківський національний університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба вул. Сумська, 77/79, м. Харків, Україна, 61023

Науковий співробітник

Факультет зенітних ракетних військ

Оleksandr Petrenko, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра електричного транспорту

Посилання

  1. Hutyria, S., Yahlinskyi, V., Chanchin, A., Khomiak, Y., Popov, V. (2020). Evolution of trolley-bus: directions, indicators, trends. Diagnostyka, 21 (1), 11–26. doi: https://doi.org/10.29354/diag/116080
  2. Grijalva, E. R., López Martínez, J. M. (2019). Analysis of the Reduction of CO2 Emissions in Urban Environments by Replacing Conventional City Buses by Electric Bus Fleets: Spain Case Study. Energies, 12 (3), 525. doi: https://doi.org/10.3390/en12030525
  3. Tica, S., Filipovic, S., Zivanovic, P., Bajcetic, S. (2011). Development of Trolleybus Passenger Transport Subsystems in Terms of Sustainable Development and Quality of Life in Cities. International Journal for Traffic and Transport Engineering, 1 (4), 196–205.
  4. Stepanov, P. (2019). Characteristics of construction and operation of trolleybus systems in the world. Prace Komisji Geografii Komunikacji PTG, 22 (3), 64–72. doi: https://doi.org/10.4467/2543859xpkg.19.018.11284
  5. Grzelec, K., Birr, K. (2016). Development of trolleybus public transport in gdynia as part of a sustainable mobility strategy. Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport, 92, 53–63. doi: https://doi.org/10.20858/sjsutst.2016.92.6
  6. Lyagushkin, A., Yankivskiy, D., Vel'mozhko, A. (2019). Na kakih trolleybusah ezdyat ukraintsy. Passazhirskiy Transport. Available at: https://traffic.od.ua/blogs/antonlyagushkin/1217504
  7. Zavada, J., Blašković Zavada, J., Miloš, K. (2012). Conditions for Implementing Trolleybuses in Public Urban Transport. PROMET - Traffic&Transportation, 22 (6), 467–474. doi: https://doi.org/10.7307/ptt.v22i6.212
  8. Bogodistiy, P. (2016). Sovremenniy trolleybus: opisaniya ustroystva i printsipa raboty. Nauka i Tehnika. Available at: https://naukatehnika.com/sovremennyij-trollejbus.html
  9. Karpliuk, L., Panchenko, B. (2012). Osoblyvosti zastosuvannia chastotnokerovanoho asynkhronnoho elektropryvodu dlia tiahovykh mekhanizmiv. Visnyk Natsionalnoho universytetu «Lvivska politekhnika»: Elektroenerhetychni ta elektromekhanichni systemy, 736, 49–53. Available at: http://ena.lp.edu.ua:8080/bitstream/ntb/15815/1/9-Karplyuk-49-53.pdf
  10. Sharyakov, V. (2014). Dvadtsat' let vnedreniya asinhronnogo elektroprivoda na gorodskom elektrotransporte. Control Engineering Rossiya, 3 (51), 67–69. Available at: https://controleng.ru/wp-content/uploads/5167.pdf
  11. Bartłomiejczyk, M., Połom, M., Jakimovska, K. (2013). Application of principal component and hierarchical cluster analysis in classifying defects of trolleybuses. Przeglad Elektrotechniczny, 89 (8), 48–51. Available at: http://www.pe.org.pl/articles/2013/8/10.pdf
  12. Lyagushkin, A., YAnkivskiy, D. (2020). Kak v proshlom godu obnovlyalis' trolleybusnye parki Ukrainy. Odesskiy Kur'er. Available at: https://uc.od.ua/news/traffic/1222426
  13. Lyagushkin, A., Vel'mozhko, A. (2019). Proekt EIB "Gorodskoy obshchestvenniy transport v Ukraine": kakih uspehov dobilis' goroda. Passazhirskiy Transport. Available at: https://traffic.od.ua/blogs/antonlyagushkin/1220877
  14. Mwambeleko, J. J., Kulworawanichpong, T., Greyson, K. A. (2015). Tram and trolleybus net traction energy consumption comparison. 2015 18th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). doi: https://doi.org/10.1109/icems.2015.7385399
  15. Cherny, M., Kachimov, V. (2009). Implementation of energy efficient equipment and technologies at the rolling stock city electric Ukraine. Municipal economy of cities, 88, 263–266. Available at: https://khg.kname.edu.ua/index.php/khg/article/view/1604/1596
  16. Nicholson, T. J. (2008). DC & AC traction motors. IET Professional Development Course on Electric Traction Systems. doi: https://doi.org/10.1049/ic:20080505
  17. Andreychenko, V. P., Donets, A. V., Gerasimenko, V. A. (2012). Povyshenie energoeffektivnosti na gorodskom elektricheskom transporte. Komunalne hospodarstvo mist, 107, 412–417.
  18. Hamacek, Š., Bartłomiejczyk, M., Hrbáč, R., Mišák, S., Stýskala, V. (2014). Energy recovery effectiveness in trolleybus transport. Electric Power Systems Research, 112, 1–11. doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2014.03.001
  19. Sładkowski, A. (Ed.). (2020). Ecology in Transport: Problems and Solutions. Springer. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-42323-0
  20. Biryukov, V. V., Porsev, E. G. (2018). Tyagoviy elektricheskiy privod. Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 312.
  21. Gor, C. P., Shah, V. A., Gor, M. P. (2016). Electric vehicle drive selection related issues. 2016 International Conference on Signal Processing, Communication, Power and Embedded System (SCOPES). doi: https://doi.org/10.1109/scopes.2016.7955554
  22. Kulagin, D., Chernetskiy, B. (2015). The choice of traction motors for building systems for mobile electrical systems. Technology audit and production reserves, 2 (1 (22)), 9–12. doi: http://dx.doi.org/10.15587/2312-8372.2015.39931
  23. Thakar, D. U., Patel, R. A. (2019). Comparison of Advance and Conventional Motors for Electric Vehicle Application. 2019 3rd International Conference on Recent Developments in Control, Automation & Power Engineering (RDCAPE). doi: https://doi.org/10.1109/rdcape47089.2019.8979092
  24. Biryukov, V. V., Kalugin, M. V., P'yanyh, A. N. (2013). K opredeleniyu moshchnosti tyagovogo dvigatelya transportnogo sredstva. Transport: nauka, tehnika, upravlenie, 8, 43–46.
  25. Bartłomiejczyk, M., Mirchevski, S., Jarzebowicz L., Karwowski, K. (2017). How to choose drive's rated power in electrified urban transport? 2017 19th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'17 ECCE Europe). doi: https://doi.org/10.23919/epe17ecceeurope.2017.8098948
  26. Bitar, Z., Sandouk, A., Jabi, S. A. (2015). Testing the Performances of DC Series Motor Used in Electric Car. Energy Procedia, 74, 148–159. doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.536
  27. Apostolidou, N., Papanikolaou, N. (2018). Energy Saving Estimation of Athens Trolleybuses Considering Regenerative Braking and Improved Control Scheme. Resources, 7 (3), 43. doi: https://doi.org/10.3390/resources7030043
  28. Brazis, V., Latkovskis, L., Grigans, L. (2010). Simulation of Trolleybus Traction Induction Drive with Supercapacitor Energy Storage System. Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, 47 (5). doi: https://doi.org/10.2478/v10047-010-0023-0
  29. Hurtova, I., Sejkorova, M., Verner, J., Šarkan, B. (2018). Comparison of electricity and fossil fuel consumption in trolleybuses and buses. Engineering for Rural Development, 2079–2084. doi: https://doi.org/10.22616/erdev2018.17.n342
  30. Mukha, А. M., Kostin, М. О., Kurylenko, О. Y., Tsyplia, H. V. (2017). Enhancing the operational efficiency of direct current drive based on use of supercondenser power storage units. Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 5 (71), 48–60. doi: https://doi.org/10.15802/stp2017/114624
  31. Jandura, P., Kubin, J., Hubka, L. (2017). Electric energy monitoring for applying an energy storage systems in trolleybus DC traction. 2017 IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and Their Application to Mechatronics (ECMSM). doi: https://doi.org/10.1109/ecmsm.2017.7945904
  32. Pavlenko, T., Shavkun, V., Petrenko, A. (2017). Ways to improve operation reliability of traction electric motors of the rolling stock of electric transport. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (8 (89)), 22–30. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112109
  33. Andrienko, P. D., Shilo, S. I., Kaplienko, A. O., Nemudriy, I. Yu. (2007). Issledovanie dinamiki seriesnogo elektrodvigatelya s razlichnymi impul'snymi shemami regulirovaniya. Elektrotekhnika i elektroenerhetyka, 1, 4–8.
  34. Poluyanovich, N. K., Voloshenko, Yu. P., Shushanov, I. I. (2013). Mathematical model of the traction electric drive with pulse-width management for research of the mode of start-up. Izvestiya Yuzhnogo federal'nogo universiteta. Tehnicheskie nauki, 4 (141), 125–130.
  35. Bogdan, N. B., Safonov, A. I., Mazanik, K. I. (2001). Sovremennye sistemy upravleniya tyagovymi elektrodvigatelyami gorodskogo elektricheskogo transporta. Energetika. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy i energeticheskih obedineniy SNG, 4, 22–30.
  36. Chan, C. C., Cheng, M. (2013). Vehicle Traction Motors vehicle traction motors. Transportation Technologies for Sustainability, 1103–1132. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4614-5844-9_800
  37. Veltman, A., Pulle, D. W. J., De Doncker, R. W. (2016). Fundamentals of Electrical Drives. Power Systems. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-29409-4
  38. Deev, S. G., Levykina, V. I. (2000). Energosberegayushchee upravlenie dvigatelem postoyannogo toka. Radioelektronika, informatyka, upravlinnia, 1, 139–142.
  39. Andrienko, P. D., Shylo, S. I., Kaplienko, O. O., Shevchenko, N. M. (2011). Doslidzhennia reostatno-rekuperatyvnoho halmuvannia u systemi impulsnoho rehuliuvannia seriesnoho elektrodvyhuna. Elektrifikatsiya transporta, 2, 6–9.
  40. Luchko, A. R., Strakolist, E. V. (2008). Utochnennaya imitatsionnaya model' tyagovogo elektrodvigatelya postoyannogo toka so smeshannym vozbuzhdeniem. Elektrotekhnika i elektroenerhetyka, 1, 31–36.
  41. Shavelkin, A., Gerasimenko, V., Kostenko, I., Movchan, A. (2016). Modeling of traction electric drive with dc series motors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (2 (79)), 42–48. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.60322
  42. Drubetskyi, A. Yu. (2017). Approximation of universal magnetic characteristic for modelling electric traction machines. Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 1 (67), 106–116. doi: https://doi.org/10.15802/stp2017/94031
  43. Andriychenko, V. P., Donets, O. V., Kostenko, I. O. (2012). Vdoskonalennia systemy keruvannia rukhomym skladom elektrychnoho transportu z vykorystanniam DC-DC peretvoriuvacha. Komunalne hospodarstvo mist, 103, 489–497.
  44. Kharchenko, V. F., Daleka, V. K., Andriichenko, V. P., Kostenko, I. O. (2010). Pat. No. 60109 UA. Method for field reduction of traction electric motor of compound excitation type. No. u201013973; declareted: 23.11.2010; published: 10.06.2011, Bul. No. 11.
  45. Andreychenko, V., Zakurday, S., Kostenko, I. (2014). Improvement of the method used for control of starting direkt-currentrailway motor. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (8 (67)), 31–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2014.20123
  46. Kostenko, I. A., Petrenko, A. N. (2015). The control algorithm DC-DC converter device for field weakening. Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu "KhPI". Seriya: Problemy udoskonalennia elektrychnykh mashyn i aparativ. Teoriya i praktyka, 42 (1151), 31–33.
  47. Shavelkin, A., Kostenko, І. (2015). Realization of the mode of weakening of a magnetic field in the traction DC electric drive. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho avtomobilno-dorozhnoho universytetu, 69, 53–60.
  48. Soroka, K. A., Andreychenko, V. P., Kostenko, I. A. (2016). Analysis of Operation Mode Trolleybus Traction Motors with DC-DC Converter by Mathematical Modeling Package MATLAB. Transport: nauka, tehnika, upravlenie, 3, 47–51.
  49. Abhishek, S. (2014). Speed Control of Dc Motor Using Chopper. International Journal of Engineering, Management & Sciences (IJEMS), 1 (10), 5–8. Available at: https://www.academia.edu/9451929/International_Journal_of_Engineering_Management_and_Sciences_Vol._1_Issue_10_October_2014
  50. Forouzesh, M., Siwakoti, Y. P., Gorji, S. A., Blaabjerg, F., Lehman, B. (2017). Step-Up DC–DC Converters: A Comprehensive Review of Voltage-Boosting Techniques, Topologies, and Applications. IEEE Transactions on Power Electronics, 32 (12), 9143–9178. doi: https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2652318
  51. Vilberger, M. E., Vislogusov, D. P., Kotin, D. A., Kulekina, A. V. (2017). Bidirectional DC-DC conversion device use at system of urban electric transport. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 87, 032053. doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/87/3/032053
  52. Grygar, D., Koháni, M., Štefún, R., Drgoňa, P. (2019). Analysis of limiting factors of battery assisted trolleybuses. Transportation Research Procedia, 40, 229–235. doi: https://doi.org/10.1016/j.trpro.2019.07.035
  53. Manjesh, Manjunatha, K. C., Bhoi, A. K., Sherpa, K. S. (2017). Design and Development of Buck-Boost Regulator for DC Motor Used in Electric Vehicle for the Application of Renewable Energy. Advances in Smart Grid and Renewable Energy, 33–37. doi: https://doi.org/10.1007/978-981-10-4286-7_4
  54. Ramalingam, N., Sathishkumar, S., Balasubramani, K., Boobalan, C., Naveen, S., Sridhar, N. (2016). Chopper Fed Speed Control of DC Motor Using PI Controller. IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSR-JEEE), 11 (3), 65–69. Available at: https://www.researchgate.net/publication/315684733_Chopper_Fed_Speed_Control_of_DC_Motor_Using_PI_Controller
  55. Katke, S. P., Rangdal, S. M. (2015). Speed Control of DC Motor Using Microcontroller. International Journal of Scientific Research in Science and Technology, (1) 2, 62–67. Available at: http://ijsrst.com/IJSRST151227
  56. Kostenko, I. O., Kharchenko, V. F., Khvorost, M. V. (2018). Calculation of the magnetic characteristics of the traction dc motor with combined excitation for trolley buses. Electrification of transport, 15, 117–123.
  57. Kostenko, I. (2018). Improvement of the method of calculation of mechanical characteristics of a traction motor of direct current with combined excitation. Technology Audit and Production Reserves, 4 (1 (42)), 4–10. doi: https://doi.org/10.15587/2312-8372.2018.141384
  58. Chernyh, I. V. (2008). Modelirovanie elektrotehnicheskih ustroystv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink. Moscow: DMK Press, Sankt-Peterburg: Piter, 288.

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-06-30

Як цитувати

Kharchenko, V., Kostenko, I., Liubarskyi, B., Shaida, V., Kuravskyi, M., & Petrenko О. (2020). Імітаційне моделювання роботи тягового електропривода тролейбуса з двигунами змішаного збудження та DC-DC перетворювачем. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(9 (105), 46–54. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205288

Номер

Том 3 № 9 (105) (2020): Інформаційно-керуючі системи

Розділ

Інформаційно-керуючі системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Viktor Kharchenko, Ivan Kostenko, Borys Liubarskyi, Viktor Shaida, Maksym Kuravskyi, Оleksandr Petrenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.