Система автоматизированного управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4+62-83

Система автоматизированного управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями¹ Исследования выполнены в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ (НИР № 06/62 «Прогнозирование динамических процессов в электромеханотронных системах»).

Г.А. Федяева

С.Ю. Матюшков

Г.В. Роговцев

Д.В. Кочевинов

Аннотация

Изложены принципы построения и компьютерного моделирования системы управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями на пределе по сцеплению колес с рельсами.

Ключевые слова: тяговый электропривод, асинхронные двигатели, система автоматизированного управления, компьютерное моделирование, снижение автоколебаний.

компьютерный моделирование тяговый электропривод

Опыт эксплуатации отечественных грузовых магистральных тепловозов 2ТЭ25А «Витязь» показывает их высокие тяговые качества [1], но вместе с тем свидетельствует о пробуксовке колесных пар при разгоне и имеющихся поломках в тяговой передаче, вызванных значительными динамическими нагрузками. Это обусловливает актуальность исследований в области совершенствования систем управления (СУ) тяговым электроприводом (ТЭП), направленных на снижение динамических усилий в тяговой передаче средствами управления асинхронными тяговыми двигателями (АТД).

У современных грузовых локомотивов с АТД, развивающих высокие тяговые усилия и осуществляющих разгон на пределе по сцеплению колес с рельсами, повышаются вибрации в тяговой передаче, которые усиливают износ и могут привести к поломкам [2-5]. Исследованию фрикционных автоколебаний в тяговых электроприводах при реализации предельных тяговых усилий и систем раннего обнаружения буксования, построенных по принципу обнаружения данных колебаний, посвящены работы А.П. Павленко и его учеников [4;5].

Анализ динамических процессов в электроприводе, являющемся сложной нелинейной системой, традиционно ведется на основе математического моделирования. Так, в работах [4;5] исследования выполнены на математических моделях системы «экипаж - тяговый электропривод - путь», которые хорошо отражают качественный характер и спектральный состав возникающих колебаний, но не учитывают особенностей управления электроприводом и процессом разгона локомотива. Для более полного представления динамических процессов в тяговой электропередаче как единой электромеханотронной системе следует доработать математические модели, дополнив их уравнениями движения локомотива, а также электрической (силовой и управляющей) подсистемой.

Расчетная схема механической передачи магистрального грузового тепловоза с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей (рис. 1), отражающая угловые, горизонтальные и вертикальные колебания элементов тягового привода с учетом упруго-диссипативных свойств рельсового основания, составлена с использованием работ [4-6]. С учетом традиционных для решаемых задач допущений получаем следующую систему дифференциальных уравнений движения механической подсистемы ТЭП:

- вращение (и угловые колебания) ротора двигателя:

;

- угловые колебания блока «редуктор-двигатель» относительно оси колесной пары:

;

Рис.1. Расчетная схема механической подсистемы ТЭП оси тележки грузового локомотива

- вращение (и угловые колебания) первого (ближайшего к зубчатому зацеплению редуктора) колеса оси тележки:

- вращение (и угловые колебания) второго (удаленного от зубчатого зацепления редуктора) колеса оси тележки:

- вертикальные колебания колесно-моторного блока:

- горизонтальные колебания колесно-моторного блока:

- горизонтальное движение локомотива:

,

где М - электромагнитный момент двигателя, определяемый из системы уравнений электрической части; М_r , М_d и М_o - моменты упругих сил на валу ротора, в подвеске остова и на оси колесной пары соответственно; - передаточное число редуктора; _d - угловая скорость корпуса двигателя относительно оси колесной пары; _r, _K1 и _K2 - угловые скорости ротора, первого и второго колес (далее колес) относительно собственных осей соответственно; D_K1, D_K2 - диаметры первого и второго колес соответственно; N₀₁, N₀₂ и N_K1, N_K2 - статические и суммарные вертикальные нагрузки колес соответственно; N - динамическая составляющая суммарной вертикальной нагрузки колес; M_K1 , M_K2 и F_K1 , F_K2 - тяговые моменты и силы тяги колес соответственно; ₀₁ и ₀₂ - потенциальные коэффициенты сцепления колес; k₁ и k₂ - коэффициенты сцепления первого и второго колес в относительных единицах соответственно; v_л - линейная скорость локомотива (и поезда); v_Kz и v_Kx - линейные скорости вертикальных и горизонтальных колебаний оси колесной пары соответственно;

v = d/dt -

скорость изменения обобщенной вертикальной неровности ; l_p - база подвески двигателя; с_r и c₀ - эквивалентная угловая жесткость связи «ротор ? колесная пара» и оси колесной пары соответственно; с_d - линейная жесткость подвески двигателя; с_z, с_x, с_П - эквивалентные линейные жесткости буксового рессорного подвешивания, продольной связи колесной пары с тележкой, рельсового пути соответственно; _z, _x, _п - эквивалентные коэффициенты демпфирования буксового рессорного подвешивания, продольной связи колесной пары с тележкой, рельсового пути соответственно; _r, _{o, d} - коэффициенты демпфирования связи «ротор ? колесная пара», оси колесной пары, подвески двигателя соответственно; F_Z, F_d и F_П ? вертикальные упругие силы в буксовом подвешивании, подвешивании двигателя и со стороны пути соответственно; F_X ? горизонтальная упругая сила продольной связи колесной пары с тележкой; F_C ? сила сопротивления движению; m_r, m_d и m_K ? массы ротора двигателя, корпуса блока «редуктор ? двигатель» и колесной пары соответственно; m_Л ? масса локомотива (и поезда), приходящаяся на одну ось; J_r, J_d, J_K1, J_K2 ? моменты инерции (относительно собственных осей) ротора двигателя, корпуса блока «редуктор ? двигатель» и каждого колеса колесной пары соответственно (с учетом жестко связанных с ротором и первым колесом масс редуктора); l_р, L_d, L_r,ц - базовый линейный параметр редуктора, расстояния вдоль централи редуктора от оси колесной пары до центров тяжести корпуса блока «редуктор ? двигатель» и якоря двигателя, а также угол наклона централи редуктора к горизонтальной оси x соответственно.

Скорость ротора относительно корпуса двигателя (_rd), которая входит в уравнения электрической части ТЭП и определяющим образом влияет на электромагнитные процессы в двигателе, вычисляется по уравнению

_rd = 2_r ( + 1)_{d к1}.

 Силы тяги колес определяются как произведения вертикальных нагрузок колес (N_K1, N_K2) на соответствующие потенциальные коэффициенты сцепления (₀₁, ₀₂), зависящие от линейной скорости локомотива (v_л), и коэффициенты сцепления в относительных единицах (k₁, k₂), зависящие от скорости продольного проскальзывания колес, выраженной в относительных единицах или процентах от скорости локомотива:

v_ск1= (v_к1? v_л)/v_л , v_ск2= (v_к2? v_л)/v_л,

где v_к1, v_к2 ? линейные скорости колес. Зависимости k_i=f(v_скi) (характеристики сцепления) и _0i=f(v_л), i=1,2, задаются таблично на основе опубликованных экспериментальных данных и правил тяговых расчетов с интерполяцией промежуточных значений. Для начала движения локомотива скорость проскальзывания колес задается в абсолютных единицах.

Адекватность модели механической части подтверждается удовлетворительным совпадением результатов моделирования динамических процессов в механической передаче тепловоза ТЭ116 с опубликованными результатами расчетов и натурных испытаний магистральных грузовых тепловозов ТЭ116, оборудованных системами обнаружения предельных сил сцепления (СОПСС), расхождение не превышает 10 % [7;8].

С использованием представленной математической модели в MatLab/Simulinc выполнен расчет динамических процессов в механической подсистеме ТЭП тепловоза 2ТЭ25А при срыве сцепления и свободном развитии буксования (рис. 2а, б).

а)

б)

Рис. 2. Результаты моделирования динамических процессов в механической части ТЭП оси тепловоза 2ТЭ25А при свободном развитии буксования (₀ = 0,3): а- линейные скорости колес и локомотива; б- крутящий момент на оси колесной пары

Моделирование показывает, что в удовлетворительных и хороших условиях сцепления (₀ = 0,19...0,35 и выше) при достаточной крутизне падающего участка характеристики сцепления при буксовании (рис. 2а) наблюдаются фрикционные автоколебания (рис. 2а, б). При свободном развитии колебаний динамические нагрузки в элементах ТЭП могут в 4 раза превышать нагрузки номинального режима (рис. 2б). Фрикционные автоколебания с частотой 62…65 Гц с узлом на оси колесной пары (рис. 2б) проявляются также в зубчатом зацеплении редуктора и на валу ротора и вызывают в этих звеньях передачи знакопеременный момент с амплитудой, превышающей номинальное значение в 1,5…2 раза. Усиливаются также колебания с частотой 8…11 и 30…35 Гц, причем практически все максимумы частотного спектра фиксируются в вертикальных и угловых колебаниях блока «редуктор ? двигатель».

Для снижения динамических нагрузок в передаче и улучшения тяговых свойств разработаны функциональная схема и алгоритмы работы СУ ТЭП локомотива с индивидуальным регулированием АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавлением фрикционных автоколебаний в тяговом тракте.

Анализировались два алгоритма, позволяющие осуществлять реализацию предельных тяговых усилий: экстремальное регулирование (самонастройка на максимум кривой сцепления) и релейное регулирование проскальзывания колес. В каждом из них предусмотрен контроль виброускорений корпуса АТД [9].

В качестве примера на рис. 3 приведена схема с релейным регулированием проскальзывания. В СУ используется внешний контур регулирования частоты вращения тягового двигателя по отклонению, где задание на частоту вращения двигателя, приведенную к ободу колеса, определяется путем интегрирования задания на ускорение, выбираемого из двух значений - а₀, которое в режиме тяги на небольшую величину а меньше линейного ускорения локомотива а_Л, и а₁, которое в режиме тяги на а больше а_Л (в режиме торможения - наоборот), - а также внутренний контур регулирования момента двигателя, входным сигналом которого является выходной сигнал регулятора частоты вращения с учетом ограничения по моменту, поступающего из СУ верхнего уровня.

Рис. 3. Функциональная схема системы управления ТЭП грузового локомотива

Чтобы удержаться вблизи максимума характеристики сцепления, регулирование момента тягового двигателя должно быть высокодинамичным. Этому требованию удовлетворяют: 1) система векторного управления АТД; 2) система прямого управления моментом (Direct Torque Control - DTC). Задание на потокосцепление АТД формируется в обеих системах в зависимости от скорости ротора с учетом ослабления поля.

Выбор между значениями

а₀= а_Л а и а₁=а_Л + а (в режиме тяги) или

а₀= а_Л + а и а₁=а_Л а (в режиме торможения)

выполняется СУ в соответствии с таблицей переключений (рис. 3) с учетом сигналов двух устройств: 1) регулятора абсолютной величины скольжения

V = |V_Д V_Л|,

имеющего релейную характеристику и переключающегося при увеличении V выше значения V_max и уменьшении ниже значения V_min (где V - абсолютная величина скольжения, м/с, V_Д - частота вращения ротора двигателя, приведенная к ободу колеса, V_Л - линейная скорость локомотива); 2) устройства, анализирующего уровень вертикальных ускорений корпуса АТД U_к в заданных частотных диапазонах, имеющего релейную характеристику и переключающегося при повышении уровня колебаний выше значения U_кmax и понижении ниже значения U_кmin. Значения максимального и минимального проскальзывания предварительно выбираются по известным результатам натурных испытаний локомотивов в следующих пределах: V_min= 0,13…0,17 м/с; V_max= 0,25…0,4 м/с (с возможной последующей адаптацией в зависимости от скорости локомотива). Скорость локомотива измеряется в данной схеме датчиком линейной скорости (возможно также применение косвенных методов определения скорости локомотива, основанных на использовании псевдобегунковой оси).

Разработана модель электрической части ТЭП в основной библиотеке MatLab/Simulinc на основе уравнений АТД, представленного двухфазной обобщенной машиной, математического описания систем векторного управления и DTC с использованием пропорциональных (П) и пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторов скорости ротора.

Для проверки адекватности модели электрической подсистемы ТЭП проведено сравнение результатов моделирования динамических процессов в электроприводе с DTC с осциллограммами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторной установке. Установка оборудована преобразователем частоты ACS850 фирмы «ABB» c DTC, программным обеспечением для компьютерного отображения результатов, асинхронным электродвигателем АО42-4 с электромагнитным тормозом, электроизмерительными приборами. Эксперимент проводился путем дозированного увеличения и уменьшения момента сопротивления на валу двигателя в замкнутой системе регулирования с П- регулятором скорости. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных по фиксируемым параметрам момента и угловой скорости ротора составляет 8 %.

Модели электрической и механической подсистем ТЭП объединены в общую модель, реализующую управление электроприводом оси локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавление фрикционных автоколебаний в соответствии с функциональной схемой СУ (рис. 3). На основе численных экспериментов исследовано функционирование СУ, реализующих максимальные тяговые усилия при применении для регулирования АТД систем векторного управления и прямого управления моментом. В качестве примера (рис. 4а, б) приведены результаты моделирования разгона локомотива с составом при использовании ТЭП с DTC.

Установлено, что при прямом управлении моментом АТД и векторном управлении использование в системе управления для изменения задания на ускорение ротора сигнала устройства контроля виброускорений корпуса АТД совместно с сигналом превышения максимума силы тяги или максимального проскальзывания колес позволяет подавить развитие буксования (рис. 4а) и снизить динамические нагрузки в тяговой передаче от фрикционных автоколебаний при реализации предельных тяговых усилий до уровня, не превышающего 30 % от усилий номинального режима (рис. 4б).

а)

б)

Рис. 4. Результаты моделирования динамических процессов ТЭП оси тепловоза 2ТЭ25А при управлении на пределе по сцеплению с подавлением колебаний (₀ = 0,3): а - линейные скорости колес и локомотива; б - крутящий момент на оси колесной пары

Таким образом, моделирование подтверждает эффективность предлагаемой системы управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями.

Список литературы

Тепловозы БМЗ: от маневрового ТЭМ1 до магистрального 2ТЭ25А «Витязь»/ Трансмашхолдинг.- 2010. - № 5. - С. 8 - 11.

Кёрнер, О. Сравнение концепций механической части трехфазного тягового привода/ О. Кёрнер// Железные дороги мира. - 2005. - № 9. - С. 31 - 41.

Бушер, М. Регулирование проскальзывания колес на электровозах с асинхронным тяговым приводом/М. Бушер [и др.]// Железные дороги мира. - 1994.- № 4.- С. 30-45.

Павленко, А.П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов/А.П. Павленко. - М.: Машиностроение, 1991. - 192 с.

Павленко, А.П. Прогнозирование развития фрикционных автоколебаний в произвольных конструкциях тяговых приводов при буксовании/ А,П. Павленко, Н.В. Клипаков// Вестн. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 1. - Луганск: Изд-во ВНУ, 2005. - № 8.- С. 66-70.

Федяева, Г.А. Моделирование асинхронного тягового привода тепловоза с системой прямого управления моментом / Г.А. Федяева // Мир транспорта. - 2006.- № 4.- С. 10-15.

Павленко, А.П. Влияние эксплуатационных режимов на динамические характеристики систем тягового привода грузовых тепловозов/ А.П. Павленко, О.А. Осиновский //Вестн. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 1. - Луганск: Изд-во ВНУ, 2005.- № 8. - С. 71-77.

Осиновский, О.А. Результаты натурных испытаний микропроцессорной системы предупреждения буксования колесных пар магистральных тепловозов/ О.А. Осиновский //Вестн. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 2. - Луганск: Изд-во ВНУ, 2006.- № 8. - С. 25-31.

Способ управления тяговым электроприводом локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами: решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010121570/11(030693); принято 20.10.11 /Федяева Г.А., Федяев Н.А., Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В.

Материал поступил в редколлегию 13.02.12.

Размещено на Allbest.ru