Management of energy exchange process on metro rolling stock with on-board capacitive energy storage

Abstract

The object of this paper is to develop and synthesize a system for managing energy ex-change processes between the overhead line, electric drive of metro vehicles, braking resistor and ca-pacitive energy storage devices. To achieve this goal, the following tasks must be completed. The first task is to create a mathematical model and to define the requirements to control system for energy ex-change processes currently being developed for metro rolling stock with capacitive energy storage de-vices. The second task is to develop a block diagram of a control unit for energy exchange processes. The third task is to synthesize a control system for energy exchange processes on metro rolling stock with capacitive energy storage devices and an algorithm for its operation. The fourth task is to check the functioning of the synthesized control system and its operating algorithm. The most significant result of the work is the improvement of the technical characteristics of the rolling stock, higher pas-senger safety on metro transit, minimization of electricity consumption from the overhead line by in-creasing the use of regenerative braking energy generated by the electric drive of the train, voltage compensation in the overhead line, train operation capability in emergencies due to the implementa-tion of the developed control system. The significance of the results obtained is a synthesis of an adap-tive control system that makes it possible to monitor and manage the energy exchange processes on metro rolling stock with capacitive energy storage devices, considering storage devices charging rate, the train-driving mode and the nature of the energy processes. Keywords: capacitive energy storage, metro, rolling stock, energy exchange processes, control system, braking resistor, electric drive.

Obiectul acestei lucrări este de a elabora și sintetiza un sistem de gestionare a proceselor de schimb de energie între rețeaua de contact, acționarea electrică a vehiculelor de metrou, rezistența de frânare și dispozitivele de stocare a energiei capacitive. Pentru a atinge acest obiectiv trebuie îndeplinite următoarele sarcini. Prima sarcină este crearea unui model matematic și definirea cerințelor pentru sistemul de control al proceselor de schimb de energie în curs de dezvoltare pentru vehiculele de metrou cu unitățile capacitive de stocare a energiei. A doua sarcină este de a elabora o diagramă bloc a unei unități de control pentru procesele de schimb de energie. A treia sarcină este de a sintetiza un sistem de control pentru procesele de schimb de energie dintre vehiculele de metrou cu dispozitive capacitive de stocare a energiei și un algoritm pentru funcționarea acestuia. A patra sarcină este verificarea funcționării sistemului de control sintetizat și a algoritmului său de operare. Rezultatul cel mai semnificativ al lucrării este îmbunătățirea caracteristicilor tehnice ale vehicului de metrou, siguranța mai mare a pasagerilor pe tranzitul metroului, minimizarea consumului de energie electrică de pe linia aeriană prin creșterea utilizării energiei de frânare regenerativă generată de acționarea electrică a trenul, compensarea tensiunii în linia aeriană, capacitatea de operare a trenului în situații de urgență datorită implementării sistemului de control dezvoltat. Semnificația rezultatelor obținute este o sinteză a unui sistem de control adaptiv care face posibilă monitorizarea și gestionarea proceselor de schimb de energie pe vehicul de metrou cu unitățile capacitive de stocare a energiei, luând în considerare rata de încărcare a unităților de stocare, modul de conducere a trenului și natura proceselor energetice.

Рассмотрена схема подвижного состава метрополитена с асинхронным приводом и емкостными накопителями энергии. Описаны энергетические связи между силовыми блоками рассматриваемого объекта управления. Целью работы является разработка технической структуры системы управления процессами обмена энергией между контактной сетью, электроприводом подвижного состава метрополитена, тормозным резистором и емкостными накопителями энергии, а та кже анализ результатов исследования ее функционирования. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач. Первая задача состоит в разработке структурной схемы блока управления процессами обмена энергией. Вторая задача заключается в разработке принципиальной технической структуры системы управления процессами обмена энергией на подвижном составе метрополитена с емкостными накопителями энергии и создании алгоритма ее работы. Третья задача состоит в проверке функционирования разработанной системы управления и алгоритма ее работы. Наиболее существенным результатом работы является разработка и техническая реализация прототипа системы управления, которая позволяет управлять процессами обмена энергией при обесточивании контактной сети. Схема отличается от известных тем, что в ней используется управляемый коммутатор для разрыва силовой цепи, имеется возможность контроля нагрева емкостных накопителей энергии, а также последние имеют свои зоны регулирования для штатного и аварийного режимов работы основного источника питания. Следующим существенным результатом является, создание алгоритма работы для разработанной системы управления процессами обмена энергией на подвижном составе. Значимость полученных результатов состоит в том, что разработанная система управления, позволяет контролировать и управлять процессами обмена энергией на подвижном составе метрополитена с емкостными накопителями энергии при возникновении аварийного режима работы системы энергообеспечения и в целом повысить безопасность процесса перевозок пассажиров в метрополитене. Исследованы процессы обмена энергией с применением разработанной системы управления и подтверждена ее работоспособность в лабораторных условиях.