Báo cáo khoa học: "Phương pháp điều chỉnh tối -u bộ truyền động điện đầu máy diesel theo mục tiêu tiết kiệm năng lượng" potx

Phơng pháp điều chỉnh tối u bộ truyền động điện đầu máy diesel theo mục tiêu tiết kiệm năng lợng TS. đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Nghiên cứu giải quyết vấn đề điều khiển, điều chỉnh bộ truyền động điện theo quy luật biến đổi no để đảm bảo chi phí năng lợng tối thiểu trong điều kiện vận dụng cụ thể l hớng nghiên cứu cần thiết trong khai thác đầu máy diesel truyền động điện. Nội dung bi báo trình by phơng pháp xây dựng mô hình v khảo sát bi toán tìm luật điều khiển tối u bộ truyền động điện theo hm mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu trong quá trình vận dụng đầu máy diesel. Summary: The research provides a solution for controlling and, adjusting electric driven systems applying a certain method to reduce the energy needed under practical conditions of the application, that is a necessary research trend in operating electric - driven diesel locomotives. The paper presents a method of developing a model and investigating the problem of finding the optimal controlling method, aimed at reducing fuel used in diesel locomotives. i. Hệ thống truyền động điện đầu máy diesel v mô hình phơng pháp điều khiển, điều chỉnh tối u 1.1. Mô hình hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện đầu máy diesel Hệ thống truyền động điện (TĐĐ) đầu máy diesel một chiều và hỗn hợp thờng đợc mô hình hoá đơn giản thành hai phần tử là phần động lực và phần điều khiển, điều chỉnh [1], [2]. Với cấu trúc nh vậy, trên đầu máy có hai loại TĐĐ với bộ điều chỉnh độc lập và điều chỉnh liên hợp (hình 1), trong đó cấu trúc điều chỉnh liên hợp thờng đợc ứng dụng trên các đầu máy diesel hiện đại (D12E, D13E, D19E). n n X CU CHĐ OĐ CT CHF FF KĐ KT F Đ U , I X -h Z X K R n FĐ Đ T FH T2 CĐ T 1 n Đ I Đ W Trong đó: Đ i - động cơ diesel; Cu - cơ cấu điều chỉnh thanh răng nhiên liệu; K - tay máy; M F -Z Y n Đ I Đ I nđ h i F Đ 1 Z 1 2 Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống truyền động điện với cấu trúc ĐCTĐ liên hợp CHĐ - cơ cấu kéo thanh răng nhiên liệu; OĐ - cơ cấu ổn định tốc độ quay động cơ; ĐT - bộ điều tốc li tâm động cơ; CT - cơ cấu điều chỉnh tải MFĐK; CHF - cơ cấu chấp hành; R - phần tử biến đổi (điều chỉnh) dòng kích từ; FF - máy phát điện phụ; KĐ - các thiết bị khuyếch đại; KT - máy kích từ; F - máy phát điện kéo; FH - phần tử phản hồi; CĐ - bộ chuyển đổi tốc độ tự động; T1, T2 - các cảm ứng tốc độ quay trục và đầu máy. Đối với MFĐK một chiều và xoay chiều đồng bộ trên đầu máy diesel, các đờng đặc tính ngoài tự nhiên (đặc tính biểu diễn quan hệ U Trong bộ điều chỉnh liên hợp, các tác động điều khiển, điều chỉnh đợc thực hiện đồng thời tới các phần tử trong hệ thống TĐĐ và động cơ diesel. ứng với mỗi vị trí tay máy K (một tín hiệu điều khiển) sẽ tơng ứng với một mức công suất của động cơ diesel và một giá trị công suất tải đợc giới hạn cho máy phát điện kéo (MFĐK) cấp cho các động cơ điện kéo (ĐCĐK) tạo ra sức kéo cho đầu máy. Hệ thống điều chỉnh đặc tính ngoài cho MFĐK (một và xoay chiều đồng bộ ba pha) có nhiệm vụ dựa vào các tín hiệu dòng điện, điện áp, mức công suất đặt của động cơ diesel để điều chỉnh dòng điện kích từ (hay từ trờng chính) cho MFĐK để biến đặc tính ngoài và các đặc tính bộ phận của chúng từ đặc tính cứng thành đặc tính có dạng hypecbol trong vùng làm việc chính (các phần tử FF, KĐ, KT) phù hợp với yêu cầu tận dụng công suất của động cơ diesel. Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ và mô men quay của ĐCĐK (loại một chiều) thông qua việc thay đổi cách nối ghép giữa các ĐCĐK hoặc giảm yếu từ trờng chính của chúng theo cấp, hoạt động dựa trên sự so sánh các tín hiệu về tốc độ quay của ĐCĐK, mô men tải và dòng điện kéo. ứng với mỗi giá trị sức cản W và một giá trị xác định của biến điều khiển K, hệ có một trạng thái cân bằng tơng ứng với trạng thái cân bằng giữa sức kéo và sức cản chuyển động của đoàn tàu. Khi các điều kiện K, W thay đổi, hệ sẽ tự động điều chỉnh để đa toàn bộ hệ thống TĐĐ sang trạng thái cân bằng mới. Ftn = f(I Ftn ) là các đờng đặc tính cứng, không thoả mãn yêu cầu tận dụng công suất cho động cơ sơ cấp (tức P Ftn U Ftn .I Ftn ). Vì vậy khi tải mặt đờng thay đổi, dòng điện kéo I F thay đổi, nếu không có sự thay đổi đặc tính thì sẽ không tận dụng đợc công suất động cơ diesel. Vì vậy, để tận dụng hết công suất của tổ máy, đặc tính ngoài của MFĐK đợc điều chỉnh cỡng bức theo quan hệ là đờng hypecbol (hay có P F = U F .I F = const). Việc điều chỉnh này do hệ thống điều chỉnh tự động công suất (ĐCTĐ) đảm nhiệm thông qua việc điều chỉnh từ trờng chính trong MFĐK theo các dạng quy luật cần đợc xác định phụ thuộc vào kết cấu cụ thể của bộ TĐĐ và phù hợp với các tín hiệu phản hồi từ dòng điện phụ tải. Với ĐCĐK, ta cũng nhận thấy, khi giảm yếu từ trờng, có sự đột biến về dòng điện trong mạch điện kéo sẽ sinh ra các xung điện áp, dòng điện rất lớn trong các thiết bị động lực của hệ TĐĐ, các quá trình quá độ cũng diễn ra phức tạp theo chiều hớng ảnh hởng xấu đến độ tin cậy, độ bền cách điện của các thiết bị này, cũng nh tuổi thọ của đầu máy. Xuất phát từ những phân tích và nhận định trên, ta thấy việc nghiên cứu xác định đợc quy luật biến thiên từ trờng của MFĐK, ĐCĐK theo tải của nó và theo tốc độ đầu máy một cách tối u theo một hàm mục tiêu nào đó làm cơ sở cho việc tính toán kiểm nghiệm các đầu máy với các bộ ĐCTĐ hiện có hoặc để ứng dụng tính toán trong trờng hợp thiết kế mới đầu máy là việc làm cần thiết. 1.2. Các phơng trình cơ bản của MFĐK và ĐCĐK [1], [2] a. Các đại lợng có liên quan đến hệ thống TĐĐ: bao gồm các yếu tố - Sức cản cơ bản đơn vị: 0 = k 1 + k 2 V (1) 0 = k 3 + k 4 V (2) Với: k 1 , k 2 , k 3 , k 4 - các hệ số ứng với các loại đầu máy và toa xe cụ thể V - tốc độ đoàn tàu (km/h) - Sức cản phụ đờng dốc, đờng cong đợc xác định theo các công thức tính thông dụng. - Trọng lợng đoàn tàu Q - Các cơ cấu dẫn động của đầu máy (tỷ số truyền hộp giảm tốc trục, đờng kính bánh xe đầu máy). b. Các phơng trình cơ bản của MFĐK Từ phơng trình cân bằng điện áp của MFĐK: U F = E F - I F R Ư (3) Với: E F , U F , I F - sức điện động, điện áp (V) và dòng điện (A) của MFĐK R - tổng trở phần ứng MFĐK (). Nhân 2 vế của phơng trình này với I F , ta đợc: U F .I F = E F .I F - I F 2 . R Ư (4) Mà U F .I F = P F = m.P Đ =U Đ I Đ (5) P F , P Đ - công suất của MFĐK và ĐCĐK (m: số ĐCĐK của đầu máy) và E F = K F . F .n F (6) Với: K F - hệ số kết cấu; F - Từ trờng chính của MFĐK (Wb). n F - tốc độ quay MFĐK bằng tốc độ quay của động cơ diesel. Nếu có a nhóm ĐCĐK đấu song song với MFĐK và trong mỗi nhánh có b ĐCĐK nối nối tiếp, U Đ và I Đ là điện áp và dòng điện của các ĐCĐK, từ các phơng trình (4), (5), (6) ta có: m.P Đ = (a.I Đ ). E F - (a.I Đ ) 2 . R Ư (7) Sức điện động tơng đối của MFĐK là: e f = FdmFdme FFe Fdm F n K n K E E = = ddm d Fdm F n n . = dF n. (8) Phơng trình cân bằng công suất ở dạng tơng đối: m. p Đ = a.i D . F . * d n - i D 2 .a 2 . (9) * F r Phơng trình đặc tính từ trờng theo dòng điện kéo ở dạng tơng đối: * dD * F 2 D 2 D F ni.a r.i.ap.m + = (10) c. Các phơng trình cơ bản của ĐCĐK một chiều kích từ nối tiếp - Phơng trình động lực học của ĐCĐK dạng tơng đối: C ' CDD d d .i +=+ = (11) - Phơng trình cân bằng điện áp với các đại lợng tơng đối: u D = D + i D r D (12) Trong (12) giá trị r D là điện trở tơng đối đợc xác định bằng quan hệ: dm dm ị U I.R r = (13) Nếu xét thêm quan hệ (5) thì phơng trình (12) có dạng: P Đ = i D Đ . + i D 2 r D (14) - Phơng trình xác định quãng đờng chuyển động của đoàn tầu trong khoảng thời gian từ 0 đến T: s = T o k d (15) Phơng trình xác định gia tốc chuyển động đoàn tầu: a = T o ' k d (16) - Phơng trình xác định nhiệt lợng toả ra trong phần ứng MFĐK, ĐCĐK: q = d (17) T o 2 i Tập hợp các phơng trình biểu diễn các mối quan hệ cơ bản giữa các đại lợng tơng đối biểu thị trạng thái làm việc của bộ TĐĐ nh ta vừa xem xét sẽ là các cơ sở quan trọng để xây dựng bài toán điều khiển tối u MFĐK và ĐCĐK. ii. Hm mục tiêu của bi toán điều khiển tối u cho hệ thống TĐĐ 2.1. Cơ sở lý thuyết xác định hàm mục tiêu Với các máy điện, đặc biệt là máy điện kéo trên đầu máy có các điều yêu cầu đảm bảo độ bền, độ tin cậy của máy. - Các điều kiện để đảm bảo độ bền cơ học thông thờng: o (18) Với là tốc độ góc tơng đối của rô to và o do nhà chế tạo quy định. - Các điều kiện về chuyển mạch của máy điện một chiều: i i max , i i () và min (19) Với i là dòng điện kéo tơng đối, i () là điều kiện phụ thuộc tốc độ quay và là từ trờng chính tơng đối trong máy điện kéo khi giảm yếu từ trờng. - Điều kiện hạn chế độ phát nóng của máy điện: q = q di T 0 2 0 (20) Với q 0 là nhiệt lợng giới hạn cho phép ở rôto trong thời gian T. Với máy điện của bộ TĐĐ đầu máy, các mục tiêu khi điều khiển tối u cần phải đạt đợc là cần phải điều khiển bộ TĐĐ nh thế nào để có hiệu quả nhất nhng vẫn phải đảm bảo các điều kiện về độ tin cậy, độ bền (18), (19), (20). Do đó ta có thể có ba hớng nghiên cứu theo các chỉ tiêu tối u khác nhau: - Tối u theo quãng đờng thực hiện lớn nhất. - Tối u theo tối thiểu tổn thất đồng rôto. - Tối u theo thời gian ngắn nhất. Từ mục đích nghiên cứu điều khiển tối u MFĐK trong hệ thống TĐĐ theo mục tiêu tiết kiệm năng lợng trong quá trình vận dụng, ở hớng nghiên cứu thứ nhất, trong cùng một điều kiện vận dụng nếu đoàn tàu thực hiện đợc quãng đờng lớn nhất, và nếu gắn với các điều kiện sử dụng công suất và năng lợng của bộ TĐĐ trên đầu máy và các điều kiện (18), (19), (20) ta thấy thoả mãn đợc mục đích đề ra. 2.2. Hàm mục tiêu của điều khiển bộ TĐĐ theo quan điểm chi phí năng lợng nhỏ nhất [2] Từ các biến đổi đại số, ta có quãng đờng chạy của đầu máy đợc tính bằng: S k = i2 D6,3 k T 0 D dt . (21) Trong khoảng thời gian dt, đầu máy làm việc ở vị trí tay máy z, khi đó chi phí nhiên liệu đợc xác định từ phơng trình: B = (22) T 0 z dt.B Với B z là lợng chi phí nhiên liệu trung bình ứng với vị trí tay máy. Với đầu máy diesel TĐĐ, B Z = const ứng với mỗi vị trí tay máy và tích phân (22) là lợng nhiên liệu nạp cho động cơ diezel để phát huy công suất P Z cấp cho bộ TĐĐ. Vì vậy nếu trong khoảng thời gian T mà ĐCĐK đợc điều khiển sao cho (21) có giá trị cực đại thì hàm mục tiêu có dạng: b = M.S B k = dt. i2 D6,3 M dt.B D T 0 k T 0 min (23) Từ (23) ta thấy, muốn đạt cực tiểu của hàm mục tiêu, giá trị tích phân (24) trong đó phải đạt cực đại. = .dt max (24) D T 0 D với điều kiện Q o .R T 0 2 D I . dt Từ đó bài toán đặt ra là cần phải khảo sát hàm mục tiêu (23) hay nói cách khác là khảo sát hàm (24) để hàm này đạt cực đại. Chuyển sang các hàm của đại lợng tơng đối, hàm mục tiêu và điều kiện hạn chế của ĐCĐK (24) có dạng: = .dt max (25) D T 0 với điều kiện q o d . T 0 2 D i III. Thuật toán khảo sát hm mục tiêu của bi toán điều khiển tối u cho hệ thống TĐĐ đầu máy diesel Hàm mục tiêu (25) của quá trình điều khiển tối u bộ TĐĐ cần đạt đợc, trong đó các thông số đặc trng của bộ TĐĐ (dòng, áp, công suất, tốc độ, từ trờng chính của bộ TĐĐ), các điều kiện hạn chế và phơng trình cơ bản đã nêu có quan hệ chặt chẽ với nhau. Từ đó cần tìm ra các mối quan hệ của các thông số để hàm (23) đạt đợc giá trị cực tiểu, hay nói cách khác là để hàm (25) đạt giá trị cực đại trong điều kiện vận dụng cụ thể. Các mối quan hệ tìm đợc chính là luật điều khiển các tham số đó một cách tối u nhất để đảm bảo thoả mãn hàm mục tiêu đã đề ra. Thuật toán khảo sát hàm mục tiêu [2], [3], [4]: Để khảo sát tìm cực trị của một hàm số dới dấu tích phân (25) với điều kiện của một tích phân khác, ta có thể áp dụng định lý ơle và khảo sát cực trị ta sử dụng định lý Lagendar. Hàm F có dạng tổng quát: F = H + 0 L + (x) + 1 1 + (x) + + (x) (26) 2 2 m m Khi đó áp dụng định lý ơle, hàm F có dạng: F = - - 0 2 D i 1 (27) Trong đó hàm 1 là điều kiện đầu. Từ phơng trình động lực học của ĐCĐK với các đại lợng tơng đối (11), ta có hàm : 1 1 = ' + c - i D = 0 D Hàm F sẽ có dạng: F = - 0 2 D i - ( ' + - i c D D ) (28) Và hệ phơng trình vi phân (hệ phơng trình ơ le) có dạng: 0 i F . d d i F ' D D = 0 F . d dF ' = Hay đạo hàm riêng (28) theo (29) ta có hệ phơng trình vi phân nh sau: ( 29 ) 2 0 i D - D - i D . D D i.d d = 0 (1) d d - . d cd + 1 = 0 (2) Điều kiện cần để hàm dới dấu tích phân (hàm chức năng) (25) đạt cực trị là các tham số , D , i D , , phải có mối quan hệ thoả mãn (30). Để hàm (25) đạt giá trị cực đại theo mục tiêu của bài toán, còn cần thoả mãn điều kiện đủ Lagendar nữa. c Ta có: 2' 2 Y F = - 2 D 0 2 < 0 (31) Do > 0 (19) nên nếu 2 D 0 > 0 thì (31) luôn âm, hàm liên tục, sẽ luôn đạt cực đại khi đã thoả mãn hệ (30). Giải đợc hệ phơng trình vi phân (30), kết hợp với các phơng trình cơ bản của hệ TĐĐ đã xét ở trên, ta sẽ thu đợc các mối quan hệ cần xác định. iv. Kết luận Nh vậy, bằng việc sử dụng định lý Ơle, kết hợp với thiết lập đợc mối quan hệ giữa các thông số của bộ TĐĐ với các điều kiện sử dụng năng lợng trên đầu máy diesel, ta đã xây dựng đợc hàm tối u theo mục tiêu tiết kiệm năng lợng. Giải hệ phơng trình vi phân (30) từ đó ta có thể tìm các hàm i D , , D thoả mãn các điều kiện đầu. Các mối quan hệ xác định đợc giữa các thông số này chính là luật điều khiển tối u bộ TĐĐ theo mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu cần tìm. Phơng pháp giải hệ và các kết quả tính toán luật điều khiển cần đợc nghiên cứu theo các điều kiện và thông số cụ thể cho từng kiểu loại đầu máy diesel cụ thể. Tài liệu tham khảo [1]. Đỗ Việt Dũng, Lại Ngọc Đờng, Trơng Duy Phúc (2001). Truyền động và điều khiển đầu máy. Trờng Đại học Giao thông Vận tải. [2]. Đỗ Việt Dũng (1998). Nghiên cứu điều khiển tối u ĐCĐK trong bộ truyền động điện một chiều của đầu máy diezel theo quan điểm tiết kiệm năng lợng. Trờng Đại học Giao thông Vận tải. [3]. Nguyễn Cao Nhạc (1996). Phơng trình vi phân. Trờng Đại học Giao thông Vận tải. ( 30 ) [4]. Jan Gronowicz (1987). Sterowanic poadów trakeyjnich. Polska tiền đề v triển vọng phát triển (Tiếp theo trang 22) ở Việt nam chúng ta vấn đề quản lý dự án đã đợc chú ý từ đầu những năm 90, thể hiện trong các Luật, Nghị định của Chính phủ về quản lý đầu t và xây dựng, đấu thầu Nhng những kiến thức, những lý luận thu đợc mới chỉ dừng lại ở mức đúc rút kinh nghiệm, những hội thảo, khoá học tập huấn cán bộ hoặc một vài công trình nghiên cứu, sách tham khảo thiếu tính hệ thống và đồng bộ. Đã đến lúc chúng ta phải quan tâm đến vấn đề quản lý dự án nh một hệ thống phơng pháp luận độc lập và hoàn chỉnh về quản lý nói chung và quản lý xây dựng nói riêng. Bộ môn "Dự án và quản lý dự án xây dựng giao thông" thuộc Khoa Công trình, Trờng Đại học Giao thông Vận tải ra đời để đáp ứng một phần nào đó đòi hỏi vô cùng cấp bách này trong lĩnh vực xây dựng các công trình giao thông. Tài liệu tham khảo [1]. GS. VS. I. I. Madur. Quản lý dự án. Nhà xuất bản Ô - mê - ga, Mát-xcơ-va 2004. Bản tiếng Nga. [2]. ThS. Từ Quang Phơng. Giáo trình quản lý dự án đầu t. NXB Giáo dục 2001. [3]. Avraham Stub; Jonathan F.; Shlomo Globerson. Quản lý dự án, kỹ thuật, công nghệ và thực thi. Biên dịch: ThS. Nguyễn Hữu Vơng. [4]. Gherd Dikhtelm. Quản lý dự án. NXB Biginex- Pressa. Xankt Peteburg 2003. Bản tiếng Nga. [5]. Fil Beghiuli. Quản lý dự án. NXB Grand. Mát-xcơ-va 2002. Bản tiếng Nga. [6]. Viện quản lý dự án (PMI). Cẩm nang các kiến thức cơ bản về quản lý dự án. [7]. VS. TS. Nguyễn Văn Đáng. Quản lý dự án (theo đề tài nghiên cứu khoa học RD 62/2000). NXB Thống kê, 2002. [8]. VS. TS. Nguyễn Văn Đáng. Quản lý dự án xây dựng (theo đề tài nghiên cứu khoa học RD 66/2001). NXB Thống kê, 2003. [9]. Nguyễn Xuân Hải. Quản lý dự án nhìn từ góc độ Nhà nớc, nhà đầu t, nhà t vấn, nhà thầu. NXB Xây dựng. Hà nội, 2002 . thống truyền động điện đầu máy diesel v mô hình phơng pháp điều khiển, điều chỉnh tối u 1.1. Mô hình hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện đầu máy diesel Hệ thống truyền động điện. Phơng pháp điều chỉnh tối u bộ truyền động điện đầu máy diesel theo mục tiêu tiết kiệm năng lợng TS. đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng Đại học. thác đầu máy diesel truyền động điện. Nội dung bi báo trình by phơng pháp xây dựng mô hình v khảo sát bi toán tìm luật điều khiển tối u bộ truyền động điện theo hm mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu