Моделирование перспективного маневрового тепловоза с векторным управлением асинхронным тяговым приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ

Г.А. Федяева

Представлены методика и результаты компьютерного моделирования режимов реализации предельных тяговых усилий асинхронным тяговым приводом перспективного маневрового тепловоза с автономным инвертором напряжения и векторным управлением в скользящем режиме.

Отечественный парк маневровых тепловозов имеет высокую степень износа. За последнее десятилетие он практически не обновлялся (процент обновления в среднем 0,3 % в год). Доля маневровых тепловозов составляет 30,6 % общего локомотивного парка России, поэтому проектирование новых маневровых тепловозов с высокой реализацией сил сцепления весьма актуально. Применение на тепловозах асинхронных тяговых двигателей (АТД) позволяет повысить реализуемые тяговые усилия. В рамках стратегии ОАО «РЖД» по созданию и эксплуатации локомотивов нового поколения на 2005-2008 гг. намечены разработка и создание опытных образцов тепловозов с асинхронным тяговым приводом (АТП).

На опытном образце маневрового тепловоза ТЭМ21, разработанном Брянским машиностроительным заводом (БМЗ) совместно с Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ МПС), используются асинхронные двигатели ДАТ305, питаемые от автономного инвертора тока (АИТ). В перспективе планируется производить тепловозы с питанием АТД от автономного инвертора напряжения (АИН), обладающего более высокими динамическими свойствами.

Исследование на стадии проектирования различных динамических режимов работы привода, особенно аварийных и нестационарных, которые могут сопровождаться повышенными нагрузками как в электрической, так и в механической подсистемах привода, наиболее целесообразно вести на основе компьютерного моделирования. Для уточненного анализа нестационарных режимов, например таких распространенных, как буксование, одноосной или двухосной модели тягового привода [1] недостаточно, необходима электромеханическая модель тепловоза с учетом особенностей конструкции ходовой части и перераспределения нагрузки по осям тепловоза в режиме тяги. Поэтому для расчета динамики механической подсистемы тепловоза использован программный комплекс (ПК) «Универсальный механизм» (UM) [2]. Моделировалась механическая часть маневрового тепловоза ТЭМ21. На тепловозе применена двухосная тележка с двухступенчатым рессорным подвешиванием и наклонными тягами, модель которой (рис.1) входит в общую модель тепловоза.

Для моделирования режимов буксования и юза в четвертую версию ПК UM заложены аппроксимации кривой сцепления по методу Д.К. Минова [3].

Электрическая часть моделировалась в двух вариантах: с использованием программы расчета электромеханических процессов в тяговых электроприводах локомотивов при нестационарных и аварийных режимах (ПРЭП) [4], разработанной в среде Delphi, и с применением ПК MatLab/Simulink (модели MatLab интегрируются в модели ПК UM при помощи специального интерфейса).

Для обеспечения высоких динамических качеств в АТП применяются системы векторного управления. Существуют различные виды систем векторного управления, но в самом общем случае их можно разделить на системы с классическими алгоритмами управления (классические) и системы нового поколения, использующие методы разрывного управления.

Наибольшее распространение в современных электроприводах с классическим векторным управлением получили системы с поддержанием на заданном уровне вектора потокосцепления ротора _r. Векторное управление в данном случае основано на принудительной ориентации тока статора по потокосцеплению ротора. Это достигается путем пространственного разделения на взаимно перпендикулярные составляющие векторов тока и потокосцепления. Чтобы обеспечить такое разделение, необходимо при отработке алгоритма регулирования преобразовать трехфазную систему координат в двухфазную, перевести величины из неподвижной системы координат во вращающуюся, сравнить полученные сигналы с заданными, выполнить коррекцию, а затем осуществить обратное координатное и двухфазно-трехфазное преобразование. В результате названных преобразований (с учетом необходимой развязки контуров регулирования) удается получить независимые каналы управления моментом и скоростью, при которых система управления асинхронным приводом аналогична системе управления двигателем постоянного тока. В качестве силового преобразователя в рассмотренных системах векторного управления принято использовать автономный инвертор на базе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (Pulse Width Modulation - PWM).

Иллюстрацией дальнейшего развития систем векторного управления может служить современная разработка с использованием методов разрывного управления, впервые реализованная фирмой «ABB», и получившая в мировой практике название системы прямого управления моментом (Direct Torque Control - DTC). Такое управление является разновидностью векторного управления, так как тоже использует информацию о векторе (модуле и угле) потока. Данные системы ввиду ряда характерных особенностей [5] наиболее предпочтительны в тяговых электроприводах. Структуры прямого управления моментом также позволяют получать качественные динамические и статические показатели, но в отличие от классических схем векторного управления не требуют преобразований во вращающуюся систему координат, а используют релейный принцип формирования управляющих сигналов. В качестве силового преобразователя в системах DTC обычно применяется автономный инвертор напряжения с пространственно-векторной модуляцией (Space Vector Modulation - SVM). В модели перспективного маневрового тепловоза использована система DTC.

Принцип DTC поясним с помощью математической модели асинхронного двигателя в неподвижных координатных осях б-в [5]:

(1)

где - коэффициент рассеяния двигателя; L_µ- приведенная взаимная индуктивность обмоток статора и ротора; L_s - собственная индуктивность обмотки статора; L_r - приведенная собственная индуктивность обмотки ротора; R_s, R_r - активные сопротивления обмоток статора и ротора соответственно; _s, _s - потокосцепления обмоток статора; _r, _r - потокосцепления обмоток ротора; U, U - напряжения статора; - скорость ротора; p_n - число пар полюсов двигателя; М - электромагнитный момент двигателя.

Момент двигателя, вычисляемый при решении системы (1), пропорционален мнимой части произведения векторов потокосцепления статора и ротора, или произведению их модулей и значению синуса угла между ними. Модуль потокосцепления ротора меняется медленно, так как постоянная времени ротора достаточно велика. Модуль потокосцепления статора, если рассматривать небольшой отрезок времени, можно принять постоянным. Поэтому управление электромагнитным моментом двигателя осуществляется в основном путем изменения угла между потокосцеплениями. Это достигается посредством выбора вектора напряжения, вызывающего такое изменение положения потокосцепления статора относительно потокосцепления ротора, которое обеспечивает необходимый знак приращения электромагнитного момента и одновременно необходимый знак приращения модуля потокосцепления. В каждом из шести секторов, на которые разбивается координатная плоскость, существует определенный набор векторов напряжения для всех возможных комбинаций требуемых знаков изменения модуля потокосцепления и момента [6]. В результате, несмотря на то, что векторные преобразования в системе DTC отсутствуют, а используются только релейные регуляторы, вращение вектора потокосцепления статора обеспечивается с требуемой частотой при поддержании модуля вектора потокосцепления на заданном уровне.

Поскольку непосредственное измерение момента и потокосцеплений связано с известными практическими трудностями (отсутствие достаточно простых и точных датчиков момента и потока), то необходимо косвенное измерение этих величин (вычисление значений по модели). Модель асинхронного двигателя можно реализовать согласно уравнениям [6]

где i_s, i_s - токи статора.

Так как сопротивление статора изменяется в функции температуры, модель для повышения точности целесообразно сделать адаптивной.

После получения информации о текущем состоянии проекций потокосцеплений на оси б и в необходимо определить, в каком секторе находится вектор _s. Сделать это можно разными способами: с применением логического автомата, FUZZY- логики, нейронной сети [5].

Принятая для моделирования функциональная схема АТП тепловоза с системой прямого управления моментом представлена на рис. 2. Используется индивидуальное регулирование осей, схема DTC приведена для одной оси.

Входным сигналом для системы управления является свободная мощность на тягу Р_св, которая на каждой позиции контроллера машиниста (КМ) вычисляется регулятором мощности (РМ) дизеля дизель-генераторной установки Д-СГ (Д - дизель, СГ - синхронный генератор) и поступает в блок вычисления задания момента (БВМ).

Рис. 2. Функциональная схема АТП тепловоза

Заданный момент М_з получается путем деления свободной мощности на число осей тепловоза и среднюю частоту вращения _ср роторов АТД, вычисляемую в блоке вычисления средней скорости (БВСС) (при наличии датчика скорости тепловоза следует делить на скорость локомотива, приведенную к валу ротора, _л). При пуске БВМ поддерживает значение момента на требуемом уровне (пуск при постоянном моменте), задается также темп нарастания момента. После выхода на полную для данной позиции контроллера мощность дизеля двигатель, работая при постоянстве мощности, автоматически переходит в режим ослабления поля. Для определения требуемого потокосцепления сигнал _ср (_л) подается в блок вычисления задания потокосцепления (БВП), представляющий собой электронную таблицу зависимости потокосцепления статора _s от _ср (_л) для данной позиции КМ (при этом можно задать поток с учетом минимизации потерь). На участках без ограничения скорости работает только контур момента (с защитой от буксования), и тепловоз разгоняется до установившейся скорости, при которой тяговый момент равен моменту сопротивления движению.

Если для определенного перегона требуется ограничить скорость заданным значением _з, то по сигналу машиниста блоком логики (БЛ) подключается контур регулирования скорости, и сигнал с выхода регулятора скорости (РС) становится входным для внутреннего контура момента. В этом случае БВМ ограничивает задание на момент, если оно становится больше предела по сцеплению или по мощности дизеля. Сформированные задания на момент (М_з) и потокосцепление (_sз) подаются в блок DTC, в котором они сравниваются с фактическими значениями момента (М) и потокосцепления (_s), вычисленными адаптивной моделью двигателя (АМД). По сигналам рассогласования в блоках релейного регулирования момента (РРм) и потока (РРп), представляющих собой трехпозиционное и двухпозиционное реле соответственно, регулируются в скользящем режиме момент и поток двигателя.

В блоке АМД вычисляются поток статора (модуль и фаза вектора _s) и момент по введенной в него информации: токам двух фаз статора АТД, напряжению цепи постоянного тока и положению ключей АИН. Могут также вычисляться скорость АТД и частота выходного тока АИН. Таким образом, модель АТД осуществляет организацию обратных связей по регулируемым переменным в системе автоматического регулирования. По значению фазы вектора _s блок вычисления сектора потока (БВСП) определяет, в каком из секторов находится вектор _s.

Далее сигналы с РРм, РРп и БВСП поступают в модуль быстродействующего логического автомата (БЛА), переключающего ключи автономного инвертора в зависимости от оптимизации вектора выходного напряжения АИН по предельным отклонениям момента и потока статора. Частота коммутации ключей зависит от величины гистерезисного допуска релейных регуляторов момента и потокосцепления. Для защиты от буксования выполняется стабилизация скольжения колес, сигнал пропорционально-интегрального регулятора скольжения (РСк) подключается в БВМ при срабатывании защиты от буксования для формирования М_з (при вычислении скольжения используется сигнал линейной скорости локомотива). Модель позволяет также выполнить пуск тепловоза под контролем регулятора скольжения с максимально возможной при данных условиях сцепления силой тяги.

Адекватность моделирования подтверждается удовлетворительным совпадением результатов, полученных в различных программных комплексах (UM-ПРЭП, UM-MatLab, MatLab/Simulink/SimPowerSystems) на уточненных и упрощенных электромеханических моделях, между собой, а также с данными, приведенными в литературе [6].

Маневровый тепловоз обычно работает с низкими скоростями, но часто при максимальных тяговых нагрузках. Поэтому целесообразным является моделирование режима, когда до выхода на максимальную мощность разгон на 8-й позиции контроллера машиниста осуществляется под контролем РСк (с предельным по условиям сцепления М_з); далее происходит переход к вычислению М_з делением свободной мощности на скорость и количество осей; по мере разгона автоматически реализуется режим ослабления поля. В качестве примера приведены результаты моделирования в UM-MatLab разгона маневрового тепловоза с составом массой 2000 т на 8-й позиции контроллера машиниста при использовании тяговых двигателей ДАТ305 (рис. 3, 4). Потенциальный коэффициент сцепления (рис. 3) в ПК UM ступенчато снижается с 0,33 до 0,1 в интервале времени 9…14 с. Графики электромагнитного момента (М) и линейной скорости на ободе правого колеса (Vк) приведены для третьей оси четырехосного тепловоза; Vл - скорость тепловоза, t - время.

При ухудшении условий сцепления РСк автоматически снижает задание на момент так, чтобы сохранить скольжение на заданном уровне (2,2 %). При пуске под контролем РСк реализуется максимально возможная сила тяги каждой оси (и тепловоза в целом), но при хороших условиях сцепления из-за неравномерного распределения вертикальных нагрузок двигатели наиболее нагруженных осей оказываются перегруженными по току (рис. 4). Графики электромагнитного момента (М) и тока (I) приведены для первой (1) и четвертой (4) осей.

Итак, разработана электромеханическая модель перспективного маневрового тепловоза с векторным управлением АТП, позволяющая рассчитывать динамические нагрузки в электрической и механической подсистемах локомотива при нормальных и нестационарных режимах.

Рис. 3. Результаты моделирования разгона тепловоза при ухудшении условий сцепления

Рис. 4. Результаты моделирования разгона тепловоза

Анализ результатов компьютерного моделирования позволяет сделать следующие выводы: сцепление тепловоз двухосный нагрузка

1. В процессе разгона тепловоза ТЭМ21 с составом разница вертикальных нагрузок первой и четвертой осей достигает 4 т.

2. Система векторного управления с регулятором скольжения позволяет при различных профилях и состоянии пути реализовать использование потенциальных условий сцепления на уровне свыше 90 %, но при пуске в хороших условиях сцепления и реализации максимальных тяговых усилий наблюдаются перегрузки по току АТД первой и четвертой осей до 25…30 %.

Список литературы