Динамические процессы при совместном регулировании асинхронных тяговых двигателей тележки тепловоза

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Развитие асинхронного тягового электропривода (АТЭП) и внедрение его на отечественных локомотивах требует совершенствования алгоритмов управления асинхронными тяговыми двигателями (АТД) как при индивидуальном питании двигателя каждой оси от отдельного автономного инвертора (индивидуальном регулировании), так и при параллельном подключении двигателей тележки к общему автономному инвертору (совместном, или потележечном регулировании). На новых локомотивах внедряются современные системы управления асинхронными двигателями: система векторного управления, система прямого управления моментом (Direct Torque Control ? DTC). В этих системах предусматривается использование адаптивных моделей двигателей для вычисления ряда регулируемых выходных параметров (потокосцепления, электромагнитного момента и др.) на основе измеряемых переменных состояния АТД (фазных токов, напряжения в промежуточном контуре и др.).

асинхронный тяговый электропривод

Рис. 1. Обобщенная функциональная схема АТЭП двухосной тележки тепловоза

Индивидуальное регулирование осей позволяет одновременно учесть в системе управления переменные состояния каждого двигателя, что улучшает динамику управления и повышает реализуемые тяговые и тормозные усилия. Однако весьма часто по экономическим соображениям и условиям размещения применяют совместное регулирование двигателей в пределах тележки. В этом случае измеренные переменные состояния АТД, поступающие в систему управления АТЭП (рис. 1), не могут быть учтены для каждого двигателя требуемым оптимальным образом. В связи с этим необходимо отрабатывать алгоритмы управления, позволяющие обеспечить высокие тяговые качества локомотива и исключающие нестационарные динамические режимы (буксование и юз), сопровождающиеся повышенными динамическими нагрузками.

Задача высокодинамичного управления многодвигательным частотно-регулируемым асинхронным электроприводом сама по себе является весьма сложной ввиду неизбежно существующего разброса параметров двигателей и неравномерного распределения нагрузки между ними, изменяющего тепловой режим и, соответственно, сопротивления обмоток электрической машины. В тяговом электроприводе к этому добавляются особенности реализации силы тяги, обусловливающие не только различие частот вращения двигателей (из-за проскальзывания колес), но и возможность возникновения нестационарных режимов, вызванных попаданием рабочей точки электропривода на падающий участок характеристики сцепления.

Рис. 2. Расположение рабочих точек электроприводов тележки на характеристике сцепления

Как известно, процесс реализации тяговых усилий сопровождается проскальзыванием колес, от которого зависит коэффициент сцепления. Обобщенный вид данной зависимости, называемой характеристикой сцепления, показан на рис. 2 [1]. Пренебрегая стохастическим разбросом значений и состоянием рельсового пути, в первом приближении можно считать, что коэффициент сцепления ш зависит от линейной скорости проскальзывания колеса относительно локомотива vск, выраженной в процентах от скорости локомотива, на основе представленной кривой с максимумом. Максимально возможное в данных условиях значение коэффициента сцепления (шmax) равно потенциальному коэффициенту сцепления (ш0), поэтому по оси ординат характеристики сцепления часто откладывают коэффициент сцепления в относительных единицах k=ш/ш0. При этом, изменяя ш0 , можно учесть влияние различных факторов (скорость локомотива, наезд на масляное пятно и др.).

Сила тяги равна произведению коэффициента сцепления на вертикальную нагрузку колес. В процессе работы тяговых электродвигателей при движении тепловоза с составом происходит перераспределение вертикальных нагрузок осей локомотива, которое зависит от конструкции ходовой части и может быть весьма значительным. Рассмотрим для примера схему на рис. 1. При движении тепловоза вперед первая ось тележки (с двигателем АТД_1) обычно разгружается, а вторая (с двигателем АТД_2) нагружается. В принципе, реализация локомотивом предельных тяговых усилий связана с регулированием тем или иным образом скорости двигателя, приведенной к скорости локомотива, вблизи оптимального проскальзывания относительно скорости локомотива (на рис. 2 - 2,5 %, в реальных условиях это значение имеет некоторый случайный разброс), обеспечивающего максимальный коэффициент сцепления. С этой целью в систему управления (СУ) передаются сигналы датчика скорости локомотива (ДСЛ) и датчиков частоты вращения двигателей ДЧВ_1 и ДЧВ_2 (рис. 1).

Если в системе управления вычисляется задание на момент по переменным состояния первого двигателя (токам фаз Ia1, Ib1, Ic1 и сигналу датчика ДЧВ_1), то первая ось выводится на предел по сцеплению; рабочая точка двигателя АТД_1 будет находиться вблизи максимума кривой сцепления (рис. 2). Так как вертикальная нагрузка колес второй оси вследствие ее динамического догружения выше, чем первой, то при общем задании на момент (и силу тяги) реализуемый коэффициент сцепления и проскальзывание колес будут меньше; рабочая точка двигателя АТД_2 будет находиться на восходящем участке характеристики сцепления ниже максимума (рис. 2).

Если в системе управления вычисляется задание на момент по переменным состояния второго двигателя (токам фаз Ia2, Ib2, Ic2 и сигналу датчика ДЧВ_2), то вторая ось выводится на предел по сцеплению; рабочая точка двигателя АТД_2 переместится в область максимума характеристики сцепления. При этом рабочая точка первого двигателя сдвинется на падающий нестабильный участок характеристики сцепления (в зону буксования), так как будет превышено предельное по сцеплению тяговое усилие.

Кроме рассмотренных явлений в системе АТЭП действуют такие факторы, как различие условий сцепления под разными осями локомотива, разброс параметров АТД, наезд на масляное пятно и др. Для исследования динамических процессов в такой системе необходимо компьютерное моделирование. Разработана комплексная математическая модель АТЭП локомотива с DTC, включающая модели электрической и механической подсистем [2; 3]. Выполнено моделирование динамических процессов АТЭП двухосной тележки тепловоза ТЭМ9Н в режиме тяги при двух рассмотренных вариантах регулирования: по переменным состояния АТД_1 (рис. 3) и по переменным состояния АТД_2 (рис. 4). При моделировании параметры двигателей АТД_1 и АТД_2 и условия сцепления под обеими осями тележки приняты одинаковыми.

Рис. 3. Результаты моделирования реализации предельных тяговых усилий при разгоне локомотива с составом и регулировании АТЭП по переменным состояния АТД_1: а - электромагнитные моменты двигателей первой (МД1) и второй (МД2) осей и задание на электромагнитный момент (МЗ); б - токи фазы А первого (I Д1) и второго (I Д2) двигателей

Рис. 4. Результаты моделирования реализации предельных тяговых усилий при разгоне локомотива с составом и регулировании АТЭП по переменным состояния АТД_2: а - электромагнитные моменты двигателей первой (МД1) и второй (МД2) осей и задание на электромагнитный момент (МЗ); б - токи фазы А первого (I Д1) и второго (I Д2) двигателей; в - скорости первого (Vk1) и второго (Vk2) колес первой оси локомотива и скорость локомотива (Vл)

Результаты моделирования, выполненного для хороших условий сцепления, показывают, что при управлении АТЭП по переменным состояния двигателя первой оси эта ось регулируется на пределе по сцеплению в соответствии с заданием. Но электромагнитный момент второго двигателя при этом выше заданного (рис. 3а), так как при принятых одинаковых параметрах АТД второй двигатель, работая по той же механической характеристике, вращается медленнее и развивает больший электромагнитный момент, а его ток превышает ток первого двигателя на 25 % (рис. 3б).

В случае управления АТЭП по переменным состояния двигателя второй оси эта ось регулируется на пределе по сцеплению в соответствии с заданным моментом Мз (рис. 4а) и реализует больший, чем в первом случае, электромагнитный момент. Но двигатель первой оси попадает при этом на падающий участок характеристики сцепления, в результате чего возникают колебания электромагнитного момента (рис. 4а) и двухчастотные колебания скорости колес (рис. 4в), несмотря на то, что с целью снижения крутильных колебаний колес с узлом на оси колесной пары жесткость оси при моделировании была завышена. Ток АТД второй оси превышает при таком управлении ток двигателя первой оси на 50 % (рис. 4б), что ведет к повышенному нагреву и изменению параметров обмоток АТД.

В целом в современных системах управление АТЭП в режиме тяги по переменным состояния медленно вращающегося двигателя приводит к повышенным динамическим нагрузкам. И хотя оно может способствовать очищению рельсов, применение такого алгоритма нежелательно. Анализ влияния на динамические процессы разброса параметров двигателей и условий сцепления требует дальнейших модельных экспериментов.

Список литературы

Ротанов, Н.А. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями/ Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Г. Быков, В.В. Литовченко; под ред. Н.А. Ротанова. - М.: Транспорт, 1991. - 336 с.

Федяева, Г.А. Управление тягой и торможением гибридного маневрового тепловоза с асинхронными тяговыми двигателями/ Г.А. Федяева, А.Н. Тарасов, Р.В. Ковалев, Т.В. Сморудова// Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2014. - № 3. - С. 89?92.

Федяева, Г.А. Математическая модель механической подсистемы тяговой электропередачи маневрово-вывозного тепловоза ТЭМ9Н/ Г.А. Федяева, А.Н. Тарасов, Г.С. Михальченко, Н.Н. Сидорова// Вестн. Брян. гос. техн. ун-та. - 2013.- № 4. - С. 139-142.

Размещено на Allbest.ru