Електромеханічні процеси та характеристики тягового частотно-керованого асинхронного електроприводу тролейбуса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет "Львівська політехніка"

УДК 62-83:621.313.333.2:629.113.62

Електромеханічні процеси та характеристики

тягового частотно-керованого асинхронного

електроприводу тролейбуса

05.09.03 Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЗАЧЕК ОЛЕГ ІГОРОВИЧ

Львів-2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Державному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор кафедри "Електропривід та автоматизація промислових установок" Державного університету "Львівська політехніка" Плахтина Омелян Григорович.

Офіційні опоненти - Доктор технічних наук, професор кафедри "Експлуатація та ремонт рухомого складу" Харківської державної академії залізничного транспорту Колесник Іван Кузьмич.

Кандидат технічних наук, доцент кафедри "Електричні машини" Державного університету "Львівська політехніка" Лозинський Андрій Орестович.

Провідна установа - Харківський державний політехнічний університет, кафедра "Автоматизовані електромеханічні системи управління".

Захист відбудеться "23" 06 2000 р. о _16 годині _00_ хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.02 у Державному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12, ауд. 114 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" (Львів, вул.Професорська,1)

Автореферат розісланий "_23 " __05___________ 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради. Коруд В.І.

АНОТАЦІЯ

Зачек О.І. Електромеханічні процеси та характеристики тягового частотно-керованого асинхронного електроприводу тролейбуса. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси і системи, Державний університет "Львівська політехніка", Львів, 2000.

У дисертації описано тяговий частотно-керований асинхронний електропривод тролейбуса з системою керування, в якій використано функціональний перетворювач, що дозволяє формувати м'які тягові характеристики при частотах напруги живлення двигуна, нижчих та рівних номінальній. Описано його математичну і цифрову моделі. Створено експериментальну установку, з допомогою якої перевірено адекватність результатів математичного експерименту з результатами фізичного експерименту. За допомогою математичних моделей, а також експериментальної установки проведено дослідження електромеханічних процесів та характеристик розробленого електроприводу в робочих та ненормальних режимах. Зроблено висновки за результатами проведених досліджень.

АННОТАЦИЯ

Зачек О.І. Електромеханические процессы и характеристики тягового частотно-управляемого асинхронного электропривода троллейбуса. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, Государственный университет "Львівська політехніка", Львов, 2000.

Диссертация состоит из вступления, четырех разделов, выводов, списка литературы в количестве 105 наименований и 3 дополнений.

В первом разделе представлено общую характеристику троллейбусных частотно-управляемых асинхронных электроприводов, а именно: описано нагрузку электропривода троллейбуса, описано характеристики источника питания, рассмотрены режимы управления этих приводов, проведено обзор мирового опыта использования асинхронных тяговых двигателей в троллейбусных электроприводах и на основе критического анализа этого опыта предложена наша схема троллейбусного частотно-управляемого асинхронного электроприводу с числовым управлением. В этой схеме использован функциональный преобразователь, что позволяет формировать мягкие тяговые характеристики при частотах напряжения питания двигателя, низших и равных номинальной. Для этого в функциональном преобразователе производится деление заданной мощности на момент двигателя. На выходе функционального преобразователя получаем сигнал задания частоты вращения двигателя. Момент двигателя рассчитывается на основании мгновенных значений токов и напряжений на статоре асинхронного двигателя. Управление реализированно двукратноинтегрирующей системой подчиненного регулирования с внутренним контуром регулирования момента и внешним контуром регулирования частоты вращения двигателя. Пропорционально-интегральные регуляторы использовано потому, что в этой системе управления необходимо обеспечить четкое соответствие между заданными значениями частоты вращения и момента двигателя с их действительными значениями.

Во втором разделе приведена математическая модель электропривода. При этом рассмотрены общие положения теории моделирования электромашинно-вентильных систем, на основании которой создана математическая модель, приведена общая структура математической модели троллейбусного частотно-управляемого асинхронного электропривода, приведены математические модели структурных элементов этого электропривода, рассмотрен алгоритм развязывания задачи для троллейбусного частотно-управляемого асинхронного электропривода с аналоговым и цифровым управлением и его программную реализацию, описана методика постановки математических экспериментов на персональном компьютере при исследовании электромеханических процессов и характеристик электропривода.

В третьем разделе описано экспериментальную установку для исследования частоно-укравляемого тягового асинхронного электропривода с числовым управлением средствами физического экспериментирования и для проверки адекватности результатов математического эксперимента результатам физического эксперимента. Силовая часть экспериментальной установки создано на базе серийного тиристорного преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Система управления реализована в виде программы к компьютеру IBM PC XT, на который через плату, которая содержит аналогово-цифровой преобразователь и цифроаналоговый преобразователь, поступают сигналы обратных связей с датчиков тока и напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты и частоты вращения двигателя от тахогенератора. На экспериментальной установке исследованы статические характеристики привода и динамические процессы в нем. Статические характеристики электропривода мягкие. Сделано квадратическую интегральную оценку качества переходного процесса при пуске электропривода с функциональным преобразователем для физического эксперимента и для математического эксперимента. Квадратическая интегральная оценка качества переходного процесса при пуске для физического эксперимента равна 36328.7, а для математического эксперимента - 40048.8. Разница между полученными результатами равна 9.29 % от большего значения оценки качества, то есть результаты математического эксперимента адекватны результатам физического эксперимента.

В четвертом разделе приведено результаты исследования электромеханических процессов и характеристик троллейбусного частотно-управляемого асинхронного электропривода на математической модели в рабочих и ненормальных режимах. Приведены результаты исследований работы электропривода без нагрузки при разных значениях частоты опорного напряжения широтно-импульсной модуляции напряжения в автономном инверторе напряжения, результаты исследований работы электропривода троллейбуса при его разгоне, переезде через горб, динамическом и рекуперативном торможении. Приведено результаты исследований работы электропривода троллейбуса при просадках напряжения в контактной сети, при кратковременных пропаданиях напряжения в контактной сети, а также при кратковременных коротких замыканиях. Сделаны выводы по результатам проведенных исследований.

ABSTRACT

O.Zachec. The electromechanical processes and characteristics of the trolleybus' traction frequency-controlled induction electric drive. - Typescript.

The thesis for the candidate of science degree. Speсiality 05.09.03 - Electro-technical systems and complexes. The State university "Lviv Polytechnic", Lviv, 2000.

The trolleybus' traction frequency-controlled induction electric drive with the system of control, in which the functional converter, that allows the soft traction characteristics to mould, when the frequency of motor's fee equal ding voltage is lower and equel to rated, had used, are described. The mathematical and digital model of this drive are described. The experimental plant , by means of which adequacy of the mathematical experiment's results with the physical experiment's results are tested, had created. By means of the mathematical model and the experimental plant investigation of the developed electric drive's electromechanical processes and characteristics in the working and abnormal regimes are carried out. The conclusions about the research results have been drawn.

Ключові слова: асинхронний електропривод, тролейбус, функціональний перетворювач, тягові характеристики, математична модель.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Досягнення в області напівпровідникової техніки, мікроелектроніки, цифрових систем керування і на цій основі - в області автоматизованого електроприводу створили реальну основу для широкого впровадження керованого електроприводу змінного струму в міському електротранспорті (тролейбусах). З широкої різноманітності електроприводів змінного струму одним з перспективних для тролейбуса є електропривод по системі "інвертор напруги - асинхронний двигун з короткозамкненим ротором". Фірмами Siemens, AEG, BBC, ABB, Strцmberg, Ansaldo, Kiepe Elektrik, Љkoda, Ganz Electric, МЕІ розроблено такі електроприводи і з їх використанням створено дослідні зразки тролейбусів, деякі з них успішно експлуатуються і були запущені у серійне виробництво (тролейбуси з тяговим асинхронним електроприводом фірми Strцmberg).

Важливою задачею для транспортного електроприводу є формування тягових характеристик і його адаптація до автоматизованої системи "водій - електропривод - транспорт - система живлення - дорога".

В асинхронному електроприводі з перетворювачем частоти тягові характеристики формуються системою керування. В запропонованих схемах завданням, на яке має вплив водій, є частота або напруга інвертора при відповідному законі керування. Одним з варіантів може бути електропривод з системою керування, в якій завданням є потужність, що нагадує подачу кількості палива в тепловому двигуні. В такій системі характеристики приводу формуються функціональним перетворювачем, в якому можна задати будь-який закон керування з необхідним обмеженням, в тому числі можна реалізувати керування з постійною потужністю чи з постійним моментом. За функціональною ознакою така система керування тролейбуса буде максимально наближена до системи керування автобуса.

Перевірка відміченого способу керування, а також розв'язання задач адаптації електроприводу до автоматизованої системи "водій - електропривод тролейбуса - система живлення - дорога" можлива при наявності математичної моделі, яка враховує всі основні фактори цієї системи.

Створення експериментальної установки необхідне для перевірки способу керування і адекватності математичної моделі електроприводу.

З наведеного вище слідує, що створення нових систем керування електроприводу змінного струму для транспортних систем (тролейбусів), розробка математичних моделей, які б дозволили досліджувати процеси і характеристики в цих електроприводах, аналіз цих процесів і характеристик з метою адаптації електроприводу до транспортної системи є актуальною задачею.

Зв'язок теми дисертації з напрямками науково-дослідних робіт кафедри. Робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок Державного університету “Львівська політехніка”, які передбачають розробку і впровадження електроприводу змінного струму для тролейбуса виробництва ВАТ “Львівський автобусний завод”. Такі роботи передбачені "Комплексною державною програмою енергозбереження України", яка затверджена постановою Кабінету Міністрів України № 148 від 5 лютого 1997 року.

Мета роботи та задачі дослідження. Метою дисертації є розробка тягового частотно-керованого асинхронного електроприводу та способу аналізу його електромеханічних процесів і характеристик, а також вироблення рекомендацій для проектування і експлуатації.

Задачами дослідження, які необхідно розв'язати для досягнення поставленої мети, є:

розробити для тролейбуса частотно-керований асинхронний електропривод на основі сучасних досягнень в області електронної техніки та програмного забезпечення, який би забезпечив необхідні тягові характеристики;

створити математичну модель тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу;

побудувати алгоритми та створити комп'ютерну програму на основі математичної моделі;

створити експериментальну установку для перевірки адекватності математичної моделі електроприводу;

провести дослідження електромеханічних процесів і характеристик тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу;

опрацювати рекомендації для проектування та експлуатації розробленого електроприводу.

Наукова новизна результатів, одержаних в дисертації:

Запропоновано новий тип тягового асинхронного частотно-керованого електроприводу, в якому завданням є потужність, а швидкість визначається навантаженням і обмеженнями, як тими, що закладені в систему керування, так і тими, що обумовлені параметрами двигуна. Зворотні зв'язки за швидкістю та моментом разом з функціональним перетворювачем забезпечують необхідні тягові характеристики і динаміку електроприводу. Реалізація системи керування вказаного електроприводу можлива в аналоговому і цифровому варіантах.

Для запропонованого електроприводу розроблено цифрову систему керування, яка включає математичну модель, пов'язану з реальним масштабом часу роботи електроприводу, її алгоритм і програму .

Розроблено математичну модель електроприводу як систему, в яку входять всі основні елементи: мережа живлення, інвертор, асинхронний двигун, навантаження, система керування з врахуванням дій водія. На її основі розроблено алгоритми і програми, які дозволяють ставити математичні експерименти на комп'ютері, проводити дослідження електромеханічних процесів у запропонованій системі тягового частотно-керованого електроприводу тролейбуса і розраховувати необхідні робочі характеристики.

Здійснено адаптацію моделі цифрової системи керування, яка функціонує в реальному масштабі часу, до моделі силової частини електроприводу.

Методи досліджень: теорія моделювання електромашино-вентильних систем, чисельні методи розв'язування систем диференційних рівнянь та алгебраїчних рівнянь, методи розробки систем цифрового керування, проведення фізичного експерименту, теорія автомобільного та електротранспорту.

Практична цінність виконаних досліджень і одержаних результатів:

Розроблена схема може бути використана як електропривод змінного струму в транспортних системах (тролейбус, трамвай, локомотив...).

Структура схеми керування, алгоритм і програма дозволяють за допомогою універсального чи спеціалізованого комп'ютера або мікропроцесора формувати тягові характеристики, необхідні для транспортних систем.

Математична модель тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу дозволяє ставити математичні експерименти, досліджувати процеси та характеристики цього електроприводу в робочих та аварійних режимах на етапі його проектування, а також дозволяє налагоджувати систему керування електроприводу і навчати водіїв на комп'ютерному тренажері.

Математична модель електроприводу тролейбуса як транспортної системи дозволяє аналізувати взаємні впливи окремих об'єктів цієї системи, а саме вплив зміни рельєфу дороги на динаміку електроприводу та мережу живлення вплив збурення в мережі на електропривод, що в свою чергу дозволить забезпечити якість роботи системи електроприводу таким чином, щоб вищеназвані причини не впливали на комфортність перевезення пасажирів.

Створена експериментальна установка дозволила перевірити адекватність математичної моделі електроприводу і використовується у навчальному процесі.

Проведені на математичній моделі дослідження відповідають параметрам тролейбуса виробництва ВАТ “Львівський автобусний завод”, що є основою для проекту даного тролейбуса.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає у розробці системи керування, яка дозволяє формувати тягові характеристики електроприводу, в створенні експериментальної установки, в створенні математичної моделі тролейбусного електроприводу і комп'ютерної програми на її основі та у проведенні досліджень процесів та характеристик електроприводу в різних режимах роботи.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та одержали позитивний відгук на семінарі НАН України “Моделі та методи комп'ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем”, що відбувся 22 квітня 1999 р. на Електромеханічному факультеті ДУ "Львівська політехніка", а також на наступних міжнародних конференціях:

ІІ Міжнародна науково-технічна конференція “Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці”, що відбулася у Львові 23-25 вересня 1997 року;

VI-а міжнародна науково-технічна конференція “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.”, що відбулася в Криму 21-26 вересня 1998 р.;

VII-а міжнародна науково-технічна конференція “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.”, що відбулася в Криму 13-18 вересня 1999 р.

ІІI Міжнародна науково-технічна конференція “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”, що відбулася у Львові 25-30 жовтня 1999 року;

Публікації. За результатами дисертаційної роботи було опубліковано 6 статей у наукових журналах.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури у кількості 105 найменувань і 7 додатків. Основний текст роботи займає 149 сторінок та містить 132 рисунки на 78 сторінках (з них 4 рисунки займають по цілій сторінці) і 1 таблицю на 1 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наукову новизну та практичну цінність роботи; показано зв'язок теми дисертації з напрямками науково-дослідних робіт кафедри; сформульовано мету роботи та задачі, які необхідно розв'язати для досягнення поставленої мети.

У першому розділі представлено загальну характеристику тролейбусних частотно-керованих асинхронних електроприводів, а саме: описано навантаження електроприводу тролейбуса, описано характеристики джерела живлення, розглянуто режими керування цими приводами, проведено огляд світового досвіду використання асинхронних тягових двигунів у тролейбусних електроприводах та на основі критичного аналізу цього досвіду запропоновано нашу схему тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу з числовим керуванням (рис.1). В цьому електроприводі гіперболічні тягові характеристики можна отримати у всьому діапазоні регулювання швидкості асинхронного двигуна без послаблення його магнітного поля, на відміну від існуючих тягових асинхронних електроприводів, де такі характеристики отримуються за рахунок послаблення поля при частотах напруги живлення двигуна, більших за номінальну.

Рис. 1 Пропонована структурна схема тролейбусного тягового асинхронного електроприводу з цифровим керуванням.

Силова частина електроприводу містить автономний інвертор напруги (АІН) з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), до виходу якого підключений асинхронний двигун (АД). АІН живиться від контактної мережі (КМ) постійного струму. Структуру системи керування було вибрано, виходячи з необхідності отримання м'яких тягових характеристик двигуна у всьому діапазоні регулювання. Система керування електроприводу, зображена на рис. 1, містить функціональний перетворювач ФП, пропорційно-інтегральний регулятор кутової частоти обертання двигуна ПІ Рег. , пропорційно-інтегральний регулятор моменту двигуна ПІ Рег. М, блок обчислення моменту двигуна М, блок обчислення заданої напруги на двигуні з сигналу завдання частоти струму в двигуні, аналогово-цифрові перетворювачі АЦП та цифро-аналогові перетворювачі ЦАП. Тягова педаль пов'язана з потенціометром , з якого знімається напруга, пропорційна до заданої потужності. Сигнал завдання потужності через АЦП поступає на вхід функціонального перетворювача (ФП). ФП дозволяє формувати м'які тягові характеристики як у серієсного двигуна, що відповідають характеристикам при роботі з постійною потужністю. Для цього в ФП здійснюється ділення заданої потужності на момент АД. На виході ФП отримуємо сигнал завдання частоти обертання двигуна. Момент розраховується на основі миттєвих значень струмів та напруг статора АД, які знімаються з давачів і через АЦП поступають в блок обчислення моменту.

Керування реалізоване системою підпорядкованого регулювання з внутрішнім контуром регулювання моменту (М) та зовнішнім контуром регулювання швидкості. Пропорційно-інтегральні регулятори використано тому, що в цій системі керування необхідно забезпечити чітку відповідність між заданими значеннями частоти обертання і моменту двигуна та їх дійсними величинами. Сигнал зворотного зв'язку за кутовою частотою обертання двигуна знімається з тахогенератора і поступає на аналогово-цифровий перетворювач.

АЦП, які перетворюють сигнали зворотного зв'язку, для спрощення рисунка показано одним блоком. Але для кожного сигналу зворотного зв'язку використовується свій АЦП. Задану напругу на АД обчислюємо з сигналу завдання частоти згідно з законом U/f=const , враховуючи компенсацію спадку напруги на активних опорах статора. Сигнали завдання частоти та напруги, кожен через свій ЦАП, поступають на автономний інвертор напруги.

У другому розділі наведено математичну модель тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу. При цьому розглянуто загальні положення теорії моделювання електромашино-вентильних систем (ЕМВС), наведено загальну структуру математичної моделі тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу, наведено математичні моделі структурних елементів цього електроприводу, розглянуто алгоритм розв'язування задачі для тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу з аналоговим та цифровим керуванням та його програмну реалізацію, описано методику постановки математичних експериментів на персональному комп'ютері для дослідження процесів і характеристик електроприводу.

Згідно з теорією моделювання ЕМВС, математична модель ЕМВС передбачає розробку для кожного її структурного елемента окремо власної математичної моделі як математичного опису електротехнічного об'єкта, до котрого прикладені вимушуючі сили. Математична модель ЕМВС є набором у будь-якій послідовності моделей її структурних елементів. Структурні елементи ЕМВС розглядаємо як багатополюсники, тобто пристрої, для котрих усі процеси описуються замкнутою системою рівнянь, якщо задані всі вимушуючі сили, які впливають на ці пристрої. Полюсами багатополюсників є зовнішні вузли електричних схем структурних елементів, тобто місця можливих з'єднань структурних елементів між собою, а для електричних машин ще й їх механічні вали. Електричний багатополюсник описується вузловим зовнішнім векторним рівнянням, що має вигляд:

, (1)

де - оператор диференціювання по часу; , - вектори струмів зовнішніх віток і потенціалів зовнішніх вузлів електричного багатополюсника, тобто віток, що виходять із багатополюсника і вузлів точок можливого приєднання цього багатополюсника у систему; , - відповідно матриця (nxn) і вектор розмірності n, що визначаються параметрами структурного елемента; n - кількість полюсів електричного багатополюсника.

В ЕМВС зовнішні вітки електричних багатополюсників з'єднуються між собою у відповідних вузлах, котрі називаються вузлами з'єднань структурних елементів, або вузлами ЕМВС за допомогою матриць під'єднання структурних елементів . Потенціали зовнішніх вузлів структурних елементів визначаємо потенціалами вузлів ЕМВС. Зв'язок між цими вузлами описуємо так:

тролейбус електропривод проектування механічний

, (j=1...m), (2)

де (j=1,...,m) - матриці, що є транспонованими по відношенню до матриць ; - вектор потенціалів вузлів ЕМВС; k - кількість незалежних вузлів ЕМВС; m - кількість структурних елементів ЕМВС.

Векторне рівняння для визначення потенціалів вузлів ЕМВС має вигляд:

, (3)

де , .

Математична модель тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу складається з математичної моделі системи керування та математичної моделі силової частини. Математична модель силової частини розроблена для системи “послідовний широтно-імпульсний перетворювач (ШІП) напруги - АІН - АД” та для системи “АІН з ШІМ напруги - АД”. Вона формується з моделей КМ, послідовного ШІП напруги, конденсатора фільтра АІН, АІН та АД. Математична модель складається з системи диференційних рівнянь, які описують електричну силову частину (вентилі ШІП напруги та АІН еквівалентуються ланками з послідовно з'єднаних активного та індуктивного опорів) та системи логічних рівнянь, які описують схеми керування ШІП напруги та АІН.

Математична модель системи керування (див.рис.1) є спільною для обох систем. Вихідний сигнал функціонального перетворювача (ФП):

, (4)

де - обмеження значення сигналу завдання швидкості, яке присвоюється в перші декілька секунд пуску, поки не наросте значення моменту двигуна, для того, щоб запобігти скачку сигналу завдання швидкості і відповідно сигналів завдання моменту та частоти при малих значеннях моменту під час пуску; t - час; - час, на протязі якого триває обмеження сигналу завдання швидкості; з врахуванням інтенсивності натискання водієм на педаль описується таким чином:

; (5)

де h - крок інтегрування, T_зі - стала часу ЗІ, P_з - задана потужність на валу АД. Перше значення визначається з початкових умов. - відфільтроване значення електромагнітного моменту АД, який обчислюється таким чином:

, (6)

де - електромагнітний момент АД, Т_фм - стала часу фільтра, С₁= const - заміняє в ФП, якщо він від'ємний або рівний нулю.

Сигнал на виході суматора заданої кутової частоти та кутової частоти АД визначається так:

. (7)

Складові вихідного сигналу пропорційно-інтегрального регулятора (ПІ Рег. ) такі:

Вихідний сигнал пропорційної частини регулятора :

, (8)

де - коефіцієнт передачі пропорційної частини регулятора ;

Вихідний сигнал інтегральної частини регулятора :

, (9)

, (10)

де - стала часу інтегральної частини регулятора .

Вихідний сигнал ПІ Рег. .:

. (11)

Вихідний сигнал суматора заданого моменту та відфільтрованого моменту асинхронного двигуна M обчислюється так:

. (12)

Складові вихідного сигналу пропорційно-інтегрального регулятора моменту асинхронного двигуна (ПІ Рег. M) такі:

Вихідний сигнал пропорційної частини регулятора моменту двигуна:

, (13)

де - коефіцієнт передачі пропорційної частини регулятора моменту;

Вихідний сигнал інтегральної частини регулятора моменту:

, (14)

, (15)

де - стала часу інтегральної частини регулятора моменту.

Вихідний сигнал ПІ Рег. М.:

. (16)

Сигнал завдання напруги двигуна обчислюється так:

, (17)

де U_зб - збільшене значення напруги, яке приймається для компенсації втрат напруги на активних опорах статора; k_зб - коефіцієнт, який підбирається таким чином, щоб при f_з= 50 Гц напруга на двигуні була номінальною; .

У третьому розділі описано експериментальну установку, створену для дослідження частотно-керованого тягового асинхронного електроприводу з цифровим керуванням засобами фізичного експериментування та для перевірки адекватності математичної моделі електропривода.

Силова частина електропривода створена на базі серійного тиристорного перетворювача частоти (ТПЧ) з ланкою постійного струму ТПТР-6,3-400-200/50-АУХЛ4, навантаженого на АД 4АА80В4У3 потужністю 1.5 кВт. Тиристорний перетворювач частоти містить керований випрямляч, АІН зі ступінчастою формою вихідної напруги та систему керування, що забезпечує регулювання вихідної напруги і частоти за законом U/f=const.

Система керування електроприводу реалізована у вигляді програми до комп'ютера IBM PC XT, на який через плату, що містить АЦП та ЦАП, поступають сигнали зворотних зв'язків з давачів струму, напруги та частоти обертання двигуна (як тахогенератор використовується двигун постійного струму типу П-21), і з якого через ту ж плату поступає напруга керування U_з на тиристорний перетворювач частоти. На АЦП сигнали від давачів поступають через електронний комутатор, який почергово підключає ці сигнали до входу АЦП. Для розрахунку електромагнітного моменту АД використовуються напруга та струм з ланки постійного струму ТПЧ, а також частота вихідної напруги АІН. Маючи напругу та струм з ланки постійного струму ТПЧ, знаходимо потужність у цій ланці, перераховуємо її у потужність на виході інвертора і віднімаємо електричні втрати в статорі асинхронного двигуна. Електромагнітний момент отримуємо шляхом ділення електромагнітної потужності на синхронну частоту обертання двигуна, розраховану з частоти вихідної напруги інвертора. Керування реалізоване системою підпорядкованого регулювання з внутрішнім контуром регулювання моменту та зовнішнім контуром регулювання швидкості. ФП дозволяє формувати м'які тягові характеристики АД. Структура схеми керування відповідає структурі схеми керування на рис. 1, вони відрізняються лише тим, що на виході системи керування отримуємо сигнал завдання напруги, а не частоти (це спричинено будовою ТПЧ), і тим, що момент АД обчислюється не з миттєвих значень фазних напруг і струмів, а за напругою та струмом в ланці постійного струму ТПЧ, та за частотою на виході АІН.

Наведено статичні (рис.3) та динамічні (рис.4) характеристики електроприводу, одержані методом фізичного моделювання, а також результати перевірки адекватності математичної моделі. Як бачимо, отримані статичні характеристики є м'якими. Враховуючи те, що навантажувальний генератор має потужність 700 Вт при потужності АД 1500 Вт, ми не змогли досягнути значень моменту на валу АД, більших за 0.9 номінального моменту цього двигуна. І при зменшенні заданої потужності на вході системи керування значення моменту на валу зменшувалося,

Рис.2 Статичні механічні характеристики електроприводу при застосуванні ФП (тут 1- характеристика, отримана при P_з= 1500 Вт, 2 - при P_з = 700 Вт, 3 - при P_з = 500 Вт, 4 - при P_з = 250 Вт, 5 - при P_з = 120 Вт, 6 - при P_з = 60 Вт).

Рис. 3 Момент та кутова частота обертання АД, отримані в результаті фізичного та математичного експерименту з застосуванням ФП при P_з = 120 Вт, представлені разом для порівняння.

Оскільки зі зменшенням частоти обертання генератора зменшується напруга на його затискачах. Отримані статичні характеристики не є характеристиками постійної потужності, оскільки на ФП ми подаємо не момент на валу АД, а електромагнітний момент цього двигуна. Тому постійною підтримується електромагнітна потужність АД, а не потужність на його валу. Але це не можна вважати недоліком пропонованої системи керування, оскільки отримані тягові характеристики є м'якими, вони подібні до характеристик двигуна постійного струму змішаного збудження, які використовуються в тролейбусних приводах не рідше ніж двигуни постійного струму послідовного збудження.

Було здійснено квадратичну інтегральну оцінку якості перехідного процесу під час пуску електроприводу з функціональним перетворювачем для фізичного експерименту та для математичного експерименту. Квадратична інтегральна оцінка якості перехідного процесу під час пуску для фізичного експерименту становить 36328.7, а для математичного експерименту - 40048.8. Різниця між отриманими результатами становить 9.29 % від більшого значення оцінки якості. Як бачимо, результати математичного експерименту адекватні результатам фізичного експерименту.

У четвертому розділі наведено результати дослідження на математичній моделі електромеханічних процесів і характеристик тролейбусного частотно-керованого асинхронного електроприводу у робочих та ненормальних режимах. На рис. 4 та 5 показано фазний струм та лінійну напругу на АД в усталеному режимі без навантаження у випадку живлення його від АІН з ШІМ напруги при частоті опорної напруги 700 Гц. На рис. 6 показано природні та штучні характеристики АД 4А315М6У3 без компенсації спадку напруги на активних опорах статора та з компенсацією разом зі статичними характеристиками при застосуванні запропонованої системи керування. Як бачимо з рис. 6, при зменшенні частоти критичний момент АД зменшується внаслідок спадку напруги на активних опорах статора. Тому необхідно компенсувати цей спадок напруги, що ми і робимо, змінюючи співвідношення U/f зі зміною частоти. На рис. 7 показано тягові характеристики тролейбусного електроприводу з запропонованою системою керування. Як бачимо, тягові характеристики є м'якими та відповідають режиму роботи з постійною потужністю. Максимальне значення швидкості тролейбуса при заданій потужності P_з =132 кВт становить 62.7 км/ год, що відповідає вимогам до тролейбусних електроприводів. На рис. 8 та 9 показано швидкість тролейбуса, кутову частоту обертання та момент АД під час розгону тролейбуса. Як бачимо, розгін тролейбуса проходить плавно, без ривків. Прискорення при пуску становить 0.868 м/с², тобто до швидкості 50 км/год тролейбус розганяється за 16 секунд, що відповідає вимогам до тролейбусних електроприводів. На рис.10 та 11 показано швидкість тролейбуса та момент АД під час переїзду через пагорб. Початок підйому на пагорб є в момент часу 40 секунд, потім тролейбус 10 секунд долає підйом з ухилом 3 %, потім 10 секунд їде по вершині пагорба (рівна дорога), а потім на протязі 10 секунд спускається на ухилі 3 %. На рис.12, 13 показано швидкість тролейбуса та момент АД під час рекуперативного гальмування. Середнє сповільнення гальмування становить 0.86 м/с² і є меншим за допустиме сповільнення 1.5 м/с².

Крім режимів роботи, для яких показано графіки, в четвертому розділі також досліджено режим підйому на пагорб з ухилом 9.36 % (який є максимально допустимим для розробленого приводу по умові обмеження моменту двигуна на рівні

В додатках приведено вихідні дані та тексти комп'ютерних програм, які використовувались при проведенні комп'ютерного симулювання та в експериментальній установці, а також сигнали в системі керування тягового частотно-керованого електроприводу тролейбуса при дослідженні його електромеханічних процесів та характеристик.

ВИСНОВКИ

Перспективним шляхом розвитку тролейбусних електроприводів є впровадження в них тягових асинхронних двигунів, які мають ряд переваг порівняно з двигунами постійного струму, а отже, розробка нових схем, вивчення електромеханічних процесів та характеристик тягових частотно-керованих асинхронних електроприводів для тролейбусного транспорту є актуальною проблемою.

Запропонований новий тип тягового електроприводу забезпечує регулювання швидкості тролейбусів у спосіб, подібний до регулювання швидкості в електроприводах з серієсними двигунами постійного струму. Але у запропонованій схемі на відміну від електроприводів постійного струму необхідні характеристики забезпечуються системою керування, а не механічною характеристикою електродвигуна.

В цьому електроприводі гіперболічні тягові характеристики можна отримати в усьому діапазоні швидкості асинхронного двигуна без послаблення його магнітного поля, на відміну від існуючих тягових асинхронних електроприводів, де такі характеристики отримуються за рахунок послаблення поля при частотах напруги живлення двигуна, більших за номінальну.

Завдання потужності наближає запропонований електропривод до приводу з двигуном внутрішнього згоряння, так як завдання потужності якби відображає завдання кількості палива, яке поступає в циліндри двигуна внутрішнього згоряння. В такому приводі завдання потужності забезпечується натисканням педалі, а регулювання швидкості здійснюється в системі "водій - привод", де на основі візуального спостереження водієм за приладами вимірювання швидкості та дорогою забезпечується зворотний зв'язок за швидкістю.

Функціональний перетворювач формує механічні характеристики електроприводу, а зворотні зв'язки за швидкістю та моментом у підпорядкованій системі регулювання забезпечують необхідну точність завдання цих характеристик, а також необхідну динаміку електроприводу.

Запропонована схема може бути реалізована як в аналоговому, так і в цифровому варіантах. Реалізація в роботі цифрового варіанту схеми відповідає сучасним тенденціям у розвитку частотно-керованих асинхронних електроприводів з інверторами напруги.

Електропривод реалізовано з використанням скалярного способу частотного керування. Ця реалізація не заперечує використання векторного способу керування, що може бути продовженням приведеної науково-дослідної роботи.

Розроблена цифрова система керування функціонує в реальному масштабі часу і забезпечує необхідну динаміку електроприводу при потужностях і навантаженнях, які відповідають існуючим тролейбусам.

Математична модель для дослідження представляє собою комплексний опис з врахуванням всіх визначальних факторів силової частини електроприводу, системи його керування, живлення і навантаження з врахуванням взаємних впливів, що є оригінальним в дослідженнях електротранспорту.

Адаптація моделі цифрової системи керування, функціонуючої в реальному масштабі часу, до моделі силової частини електромеханічної системи і алгоритму керування вентилями, яка полягає в забезпеченні функціонального зв'язку між ординатою часу в алгоритмі системи керування і часом інтегрування диференціальних рівнянь силової частини з врахуванням алгоритму керування вентилів і інвертування диференціальних рівнянь, є доповненням у використану в роботі теорію моделювання електромашинно-вентильних систем.

Комп'ютерна програма, створена на основі розроблених математичної моделі і алгоритму, дозволяє ставити математичні експерименти (імітувати реальну систему електроприводу), задаючи зовнішнє збурення: навантаження на двигун внаслідок зміни рельєфу дороги та швидкості, внаслідок завантаження та вивантаження пасажирів, зміни в мережі живлення, зміни дій водія на педаль, а також внутрішні збурення, пов'язані зі змінами параметрів силової схеми електроприводу і системи керування. Можливості цієї програми є цінними для дослідника і проектанта як електромеханіка, так і транспортника, а також ця програма може служити тренажером для навчання водіїв тролейбусів. Крім того, ця програма дозволяє здійснювати наладку системи керування електроприводу (як цифрової, так і аналогової).

Запропонована система керування та математична модель можуть використовуватись не лише для тролейбусних приводів з тяговими асинхронними двигунами, але і для інших асинхронних тягових приводів.

Експериментальна установка та результати проведених на ній досліджень підтверджують правильність закладеної в дисертаційну роботу ідеї, а також адекватність розробленої математичної моделі (різниця між отриманими на експериментальній установці та в математичному експерименті результатами становить 9.29 %), з чого слідує коректність зроблених в дисертації висновків.

На основі проведених методом комп'ютерного симулювання досліджень розроблено такі рекомендації для проектування та експлуатації:

для нормальної роботи розробленого електроприводу достатньою є частота опорної напруги широтно-імпульсної модуляції 700 Гц;

необхідно компенсувати спадок напруги на активних опорах статора асинхронного двигуна при зменшенні частоти напруги живлення, змінюючи співвідношення U/f зі зміною частоти;

при розгоні тролейбуса для отримання необхідної величини прискорення потрібно задану потужність збільшувати до 250 кВт, а при підході до конструктивної швидкості зменшувати до 132 кВт;

для нормальної роботи системи керування достатньою є максимальна частота на виході інвертора 55 Гц (при номінальній частоті 50 Гц);

максимально допустимий ухил підйому становить 9.36 %;

максимально допустиме сповільнення при рекуперативному гальмуванні становить 0.86 м/с², тому при екстренному гальмуванні необхідно застосовувати механічну систему гальмування.

ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Зачек О.І. Математична модель системи "послідовний широтно-імпульсний перетворювач напруги - автономний інвертор напруги - асинхронний двигун // Вісник Державного університету "Львівська політехніка" "Електроенергетичні та електромеханічні системи", 1998, № 347. - С. 35-41.

Зачек О.І. Програмно-комп'ютерна система керування в тяговому асинхронному електроприводі // Вісник Державного університету "Львівська політехніка" "Електроенергетичні та електромеханічні системи", 1999, № 372. - С. 59-64.

Плахтина О.Г., Зачек О.І. Дослідження методом математичного моделювання процесів і характеристик тролейбусного тягового асинхронного електроприводу з цифровим керуванням // Вестник Харьковского государственного политехнического университета, 1999, вып. 61. - С. 207-208.

Зачек О. Тролейбусні електроприводи змінного струму // Технічні вісті, 1998, № 1(6)-2(7). - С. 28-30.

Зачек О.І. Математична модель системи “Автономний інвертор напруги з широтно-імпульсною модуляцією напруги - асинхронний двигун”// Вестник Харьковского государственного политехнического университета, 1998, специальный выпуск по материалам научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Крым, Алушта, 21-26 сентября 1998 г. - С. 336-337.

Зачек О., Карплюк Л. Математична модель послідовного широтно-імпульсного перетворювача напруги // Технічні вісті, 1999, № 1(8)-2(9). - С. 57-59.

Особистий внесок автора. В публікаціях, написаних у співавторстві, автору належать: в [3] - створення математичної моделі тролейбусного асинхронного електроприводу з цифровим керуванням, проведення математичного експерименту; в [6] - створення математичної моделі послідовного широтно-імпульсного перетворювача напруги, проведення математичного та частково фізичного експериментів.

Размещено на Allbest.ru

...