Быстродействующая система управления тяговым электроприводом для улучшения сцепных свойств электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Петров, Петр Юрьевич

• Петров, Петр Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Петр Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА: АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Мероприятия, повышающие тяговые свойства локомотивов

1.2. Влияние динамических свойств привода на тяговые свойства локомотива

1.3. Постановка задачи

Выводы по первой главе

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1. Математическая модель АД

2.2. Структурные схемы ЭМП при различных способах управления

2.3. Результаты моделирования

Выводы по второй главе

3. САР ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА С АТД

3.1. Структура тягового привода и общие принципы регулирования

3.2. Математическое описание САР. Разработка алгоритма и функциональной схемы

3.3. Синтез САР

3.3.1. Синтез регулятора тока

3.3.2. Синтез регулятора скольжения

3.3.3. Синтез регулятора потока

3.4. Математическое моделирование асинхронного тягового привода

3.5. Снижение пульсаций вращающего момента АД

при его питании от АИТ

Выводы по третьей главе

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

4.1. Описание САР

4.2. Описание натурного стенда испытаний тягового электропривода

4.3. Экспериментальные исследования

Выводы по четвертой главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстродействующая система управления тяговым электроприводом для улучшения сцепных свойств электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями»

ВВЕДЕНИЕ

Повышение производительности грузовых перевозок напрямую связано с повышением тяговых свойств электровозов. Если в недалеком прошлом поиск решения этой проблемы осуществлялся в основном на путях экстенсивного развития тягового электропривода, а именно путем повышения его единичной мощности, то сегодня, когда мощность тяговых двигателей превысила 1000 кВт и достигла 1200-1400 кВт, дальнейшее ее повышение при жестких требованиях к массо-габаритным показателям электрооборудования подвижного состава крайне затруднено, и, более того, мало эффективно вследствие ограничений со стороны нагрузки на ось, а именно в связи с проблемами сцепления колеса с рельсом. Поэтому дальнейшее повышение тяговых свойств локомотивов следует продолжать на путях интенсивного развития -улучшения технико-экономических показателей тяговых установок, с одной стороны, и улучшения использования сцепного веса электровоза, с другой.

Проблема реализации сил тяги и улучшения использования потенциальных условий сцепления колеса с рельсом посвятили свои труды видные отечественные ученые и специалисты, такие как Д.К.Минов, И.П.Исаев, Н.Н.Сидоров, Н.Н.Меншутин, В.Н.Лисунов, А.Л.Голубенко и др.

Ручное регулирование сил тяги и торможения по их предельным значениям практически невозможно, вследствие наличия возмущений случайного характера как со стороны контактной сети, так и со стороны нагрузки тягового привода. Поэтому для реализации максимально возможных в данных условиях сил тяги и торможения необходима автоматизация их регулирования. При этом автоматизация систем регулирования тяговых электроприводов вносит свои специфические особенности в законы реализации сил сцепления, расширяя возможности использования условий сцепления за счет формирования тяговых характеристик с регулируемой жесткостью.

Одной из черт развития э.п.с. второй половины XX века является его комплексная автоматизация, начиная от нижних уровней управления тяговыми и вспомогательными электроприводами и заканчивая верхними уровнями - автоведение поездов, автоматизация управления перевозками. Проблемы автоматизации ЭИС глубоко поработаны в трудах В.Д.Тулупова, А.А.Баранова, А.Н.Савоськина, А.В.Плакса.

Одним из путей повышения тяговых свойств ЭПС является повышение жесткости тяговых характеристик, поэтому с этой точки зрения целесообразно применение тяговых двигателей с жесткими электромеханическими характеристиками - двигателей постоянного тока с независимым возбуждением и бесколлекторных двигателей переменного тока. Последние, обладая существенными преимуществами, находят все большее применение на ЭПС.

В конце XX века в развитии ЭПС наметилась устойчивая тенденция внедрения в качестве тяговых бесколлекторных двигателей переменного тока, в особенности асинхронных двигателей. В решениях МПС РФ по созданию нового электроподвижного состава магистральных дорог большое место уделяется применению бесколлекторных тяговых двигателей. Новые электровозы и электропоезда должны быть оснащены тяговыми электроприводами на основе асинхронных тяговых двигателей (АТД); в соответствии с типажом перспективных электровозов, это пассажирские электровозы постоянного тока ЭП4, переменного тока ПЗ, двухсистемный электровоз ЭП10 и грузовые электровозы постоянного тока Э4, Э6, Э8, Э14 и переменного тока Э1, ЭЗ, Э5, кроме того предусмотрен выпуск электропоездов ЭНЗ, ЭД6, а также скоростного электропоезда "Сокол".

Основные принципы управления асинхронными двигателями разработаны в трудах М.П.Костенко, А.А.Булгакова; среди современных исследований следует отметить работы И.И.Эпштейна, В.В.Рудакова, И.М.Столярова, А.В.Башарина, Н.А.Ротанова.

Современный асинхронный тяговый привод немыслим без статических преобразователей электроэнергии на основе элементов силовой электроники как обычных тиристоров, так и СТО-тиристоров, ЮВТ-транзисторов и силовых диодов. В развитие преобразовательной техники на основе силовых полупроводниковых приборов большой вклад внесли коллективы Саранского НПО "Электровыпрямитель", ВЭлНИИ, НИИКЭ, ВНИИЖТа, МИИТа, ЛИИЖТа.

Таким образом, повысить использование сцепного веса, регулируя силы тяги и торможения по их предельным значениям, возможно путем применения автоматизированного асинхронного тягового электропривода, позволяющего реализовать жесткие тяговые характеристики и свести к минимуму влияние возмущений со стороны питающей сети и нагрузки, носящих случайный характер.

Целью данной работы является определение путей повышения тяговых свойств перспективного ЭПС с АТД.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

- исследование влияния динамических свойств привода на тяговые свойства электровоза;

- исследование влияния способов управления АТД на динамические свойства привода;

- разработка САР асинхронным тяговым электроприводом электровоза постоянного тока с АТД.

При решении поставленных задач сформулированы требования к быстродействию привода, обеспечивающему устойчивую работу на ниспадающей части характеристики сцепления; проведен анализ влияния способов управления на быстродействие привода, по результатам которого осуществлен выбор способа управления, позволяющего достичь требуемого быстродействия.

Для установления количественных соотношений использован метод математического моделирования на персональных микро-ЭВМ с использованием пакетов автоматического моделирования SLAM (Система автоматического моделирования динамических систем) и ЭЛТРАН (Система моделирования вентильных преобразователей). Анализ влияния динамических свойств привода на реализуемый коэффициент сцепления выполнен с использованием основных положений теории автоматического регулирования и управления и теории электрической тяги; анализ влияния способов управления АТД на динамические свойства привода - на основе положений теории электропривода и электрических машин.

I

1. ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО

СОСТАВА: АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Основным назначением тяговых единиц электрического подвижного состава является преобразование электрической энергии контактной сети в энергию поступательного движения поезда. В процессе преобразования энергии можно выделить два этапа: первый - преобразование электрической энергии контактной сети в электромагнитную энергию тягового электродвигателя, и второй - преобразование электромагнитной энергии ТД в механическую энергию поступательного движения поезда. Первый этап преобразования осуществляется электрической частью тягового привода, второй - механической, связующим звеном выступает ТД. Свойства тяговой единицы, как единой электромеханической системы, обеспечивающие это преобразование, получили название тяговых.

1.1. Мероприятия, повышающие тяговые свойства локомотивов

Особенностью тягового электропривода является наличие контакта "колесо-рельс", именно в этом месте происходит трансформация энергии вращения колесной пары в энергию поступательного движения, этот процесс является следствием взаимодействия поверхности бандажа колесной пары и рельса. Вопросы взаимодействия подробно освещены в работах И.П.Исаева [6], [7] Д.К.Минова [3], А.Л.Голубенко [12]. Результат взаимодействия колеса и рельса, представленный в числовом или буквенном выражении - коф-фициент сцепления ( у/) устанавливает связь между силой сцепления, обеспечивающей перемещение экипажа по рельсам при приложении вращающего момента от ТД Т7^, и сцепным весом (силой нажатия) колеса на рельс П:

^к - у/ хП.

Коэффициент у/ зависит от скорости проскальзывания колеса относительно рельса уск , зависимость получила название характеристики сцепления, причем она имеет нелинейный характер.

Глубокие экспериментальные исследования характеристики сцепления были проведены в СССР М.Р.Барским и И.Н.Сердиновой [5], Н.Н.Меншутиным [12], в результате которых удалось установить функциональную зависимость у/ =/(усн).

Часто для удобства пользуются характеристикой сцепления, представленной в относительных единицах т] =/(уск), где г] = у/ /у/ 0 - относительная

V

величина коэффициента сцепления, мск — -^х 100% - относительная скорость

проскальзывания в процентах от поступательной скорости локомотива Ул. Вид характеристики сцепления 77 =/(усн) при ул = 50 км/ч на рис. 1.1.

77 1.1 1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0 Усккр~1,4% 2 чСКгр=2,5% 4 6 8 V

уск >

Рис. 1.1. Кривая сцепления.

В общем случае можно четко выделить три характерные участка: восходящий, в котором в свою очередь выделяют начальный (ОА), собственно восходящий (АВ); промежуточный (ВС), в пределах которого коэффициент сцепления снижается до у/ с < V о, и падающий. Математическое представ-

ление ветвей характеристики сцепления, согласно [1] при измерении vCK в процентах, a Vn в м/с имеет следующий вид: начальный участок (при 0 < vCK< 0,14% )

tj = 3,571 vCK; (11)

восходящий участок (при 0,14% < vcr < 1,4% )

3W5 • (1.2)

3¿6vCK+0,196 '

промежуточный участок (при 1,4% < vcr < 2,5%)

rj = 1,06-0,045 vCK, (1.3)

падающий участок (при vCK > 2,5% )

1

77 =

1 + 0,01XcVn(vc к~

(1.4)

1 <№

где Хс=---— [с/м] - жесткость характеристики сцепления в точке

1в к

С, зависящая от поступательной скорости движения локомотива - снижается с ростом ¥л:

ул, км/ч около нуля 5-20 20-40

Хос/м 0,9 0,6 0,5

Первые два участка соответствуют упругому скольжению. При \>сг > vC7•c скольжение становится избыточным, причем функциональная зависимость определяется падающим участком характеристики сцепления.

Коэффициент сцепления является определяющим понятием при рассмотрении тяговых свойств ЭПС. На значение коэффициента сцепления оказывают влияние многие регулярные и случайные факторы, проявляющиеся при движении, которые можно свести к трем основным группам [3]:

1. конструкция и состояние механической части локомотива: конструкция тележек, расположение оборудования, подвеска тяговых двигателей, жесткость тяговой передачи, конструкция пути;

2. электрическая схема и состояние электрооборудования: возможность быстрого и точного регулирования тягового усилия, жесткость тяговой характеристики, возможность компенсации влияния расхождения скоростных характеристик и диаметров кругов качения колес на отклонения в силах тяги;

3. метеорологические условия, состояние поверхности рельсов и бандажей: снижение коэффициента сцепления при неблагоприятных погодных условиях (дождь, снег, гололед), при загрязнении поверхности рельсов, при износе бандажей и рельсов.

В условиях эксплуатации коэффициент сцепления является случайной величиной, имеющей разброс ± 50% от среднего значения [6]. В связи с этим принято говорить о потенциальном - максимально возможном в данных условиях у/ о и расчетном у/ к значении коэффициента сцепления. Улучшение тяговых свойств ЭПС в конечном итоге заключается в приближении величины

у/ к к у/0.

Отмеченные три группы факторов, оказывающих влияние на величину у/ к , определяют три направления повышения у/ к - повышения тяговых свойств:

1. совершенствование механической части привода;

2. совершенствование электрической части привода;

3. улучшение условий сцепления колес с рельсами.

В [3] Д.К.Минов сформулировал ряд эксплуатационных и конструктивных мероприятий, повышающих тяговые свойства локомотива. Основными требованиями к конструкции механической части локомотива являются: "тележки двухосные, бесшкворневые; подвешивание двухзвенное (желательно без применения листовых рессор) с установкой гасителей колебаний; буксы бесчелюстные с герметичным задним затвором; связь тележек с кузовом через наклонные тяги; желательно применение группового редуктора на каждую тележку; при индивидуальном приводе необходимо располагать

двигатели внутри колесной базы навстречу друг другу; гибкая связь редуктора с каждой колесной парой; обладающая демпфирующими свойствами.

Для повышения тяговых свойств локомотива необходимо поддерживать рельсовый путь в хорошем состоянии. Желательно иметь бесстыковой путь, а стыковой - с увеличенной длиной рельсового звена...

Суммарный допуск на расхождение скоростных характеристик кпф = ±2,5 % ..."

Кроме этого подчеркивается необходимость иметь:

"1. электрическую схему, препятствующую развитию боксования и способствующую его затуханию при устранении вызвавшей его причины (превентивная противобоксовочная схема);

2. тяговый привод с широкими пределами регулирования скорости локомотива, обеспечивающий использование кинетической энергии поезда для прохождения трудных участков пути небольшой длины;

3. устройства для повышения значения коэффициента сцепления у/ 0 и восстановления его нормального значения на загрязненных рельсах;

4. в случае недостаточной эффективности превентивной противобоксо-вочной схемы - автоматически действующее устройство, прекращающее за 12 с избыточное боксование колес и восстанавливающее первоначальное значение силы тяги...

При соблюдении всех условий, рассмотренных выше, можно обеспечить значение т] в диапазоне 0,95-0,93 при у/о — 0,3"

В [10], [11] Г.В.Фаминским, Н.Н.Меншутиным и Л.М.Филатовой для повышения тяговых свойств предлагается автоматическое поосное регулирование силы тяги с контролем сцепления. Предложен автоматический стабилизатор сцепления (АСС), принцип действия которого основан на воздействии на соотношение силы тяги и силы сцепления путем регулирования магнитного потока ТД и в конечном счете жесткости тяговой характеристики привода. Стабилизация сцепления осуществляется под контролем блока

управления, вырабатывающего команду на уменьшение силы тяги при появлении избыточного боксования.

На основе положений, изложенных в [3], В.Д.Тулупов в [13] обосновывает необходимость и эффективность автоматизации регулирования сил тяги для повышения тяговых свойств ЭПС, отмечая, что при параметрическом управлении повышение жесткости тяговых характеристик привода не может дать приемлемых результатов.

В [15] В.Н.Лисунов также отмечает эффективность повышения жесткости тяговых характеристик.

Глубокие исследования влияния жесткости тяговых характеристик на реализуемый коэффициент сцепления были проведены в ВЭлНИИ Э.В.Гридасовым, подтвердившие целесообразность ее повышения.

В [7] И.П.Исаевым и Ю.М.Лужновым на основе энергетической теории сцепления изложены принципы управления сцеплением, позволяющего реа-лизовывать наибольшее значение силы сцепления.

Во всех рассмотренных источниках для повышения тяговых свойств наряду с мероприятиями по совершенствованию механической части тягового привода и улучшения условий сцепления, подчеркиваются мероприятия по совершенствованию электрической части и особый акцент делается на повышение жесткости тяговых характеристик. Идея повышения жесткости тяговых характеристик приведена ниже.

Если характеристика тягового привода такова, что при небольшом увеличении частоты вращения колесной пары происходит резкое уменьшение силы тяги, то скорость проскальзывания даже в случае значительного превышения силой тяги сил сцепления не может достичь большой величины. Поэтому при восстановлении условий сцепления происходит быстрое восстановление реализуемого коэффициента сцепления и сила тяги уменьшается только кратковременно. Если же скорость проскальзывания достигает большого значения, то требуется длительное время для восстановления прежнего

значения коэффициента сцепления и поэтому происходит значительное снижение силы тяги.

Таким образом, для повышения тяговых свойств ЭПС, целесообразно придавать его тяговым характеристикам такую форму, при которой незначительное изменение частоты вращения колесной пары приводило бы к резкому снижению силы тяги, т.е. целесообразно увеличивать жесткость тяговых характеристик.

Последнюю принято оценивать коэффициентом жесткости:

Х=-^,[кНс/м]. (1-5)

или коэффициентом относительной жесткости:

х=-

ЦйУ

, [с/м] О-6)

В [3] Д.К.Минов в требованиях, предъявляемых к электрическим схемам, предупреждающим развитие боксования, формулирует требования к жесткости тяговых характеристик: "жесткость групповой тяговой характеристики % должна превышать жесткость характеристики сцепления %с в начальной зоне ее падающей ветви".

В [15] В.Н.Лисунов также указывает на необходимость превышения жесткостью тяговых характеристик жесткости характеристики сцепления.

Как было сказано выше жесткость начальной части падающего участка характеристики сцепления падает с ростом скорости движения и имеет максимальное значение %с =0,9 с/м при Ул <5 км/ч, следовательно для выполнения условия х > Хс во всем диапазоне скоростей движения необходимо выполнение условия х > 0,9 с/м.

Жесткость тяговых характеристик локомотива во многом определяется жесткостью электромеханических характеристик ТД. В [13] В.Д.Тулупов отмечает, что выполнение сформулированного выше требования к жесткости тяговых характеристик возможно при использовании ТД постоянного тока с

независимым возбуждением. В [48] Н.А.Ротанов на основе анализа опытных данных, полученных при эксплуатации электровоза ВЛ80^ с асинхронными тяговыми двигателями переменного тока НБ-602, показывает, что жесткость его тяговых характеристик даже при линейном ускорении колеса более 10 м/с2 составляет не менее 1,4 с/м, что примерно в 1,5 раза превосходит жесткость тяговых характеристик локомотивов с ТД независимого возбуждения. Поэтому асинхронный привод обладает лучшими противобоксовочными свойствами, что говорит о целесообразности применения АТД для повышения тяговых свойств. Кроме жестких тяговых характеристик АТД обладают рядом серьезных преимуществ перед коллекторными машинами такими как простота и надежность, вследствие отсутствию щеточно-коллекторного узла, большая удельная мощность и к.п.д., большие моменты на валу - все это является причиной все более широкого внедрения АТД на ЭПС.

Начиная с конца 80-х годов абсолютное большинство электровозов, изготавливаемых в странах Западной Европы и Японии, оборудуется бесколлекторным тяговым приводом. При этом только Французские железные дороги эксплуатируют электровозы с синхронными тяговыми двигателями, остальные западноевропейские страны и Япония применяют в своих новых разработках асинхронные тяговые машины. Это позволяет сделать предположение, что асинхронный тяговый электропривод в скором будущем станет доминирующим.

На сегодняшний день как у нас в стране, так и за рубежом накоплен определенный опыт использования АТД на ЭПС. Рассмотрим тяговые привода, построенные на основе асинхронных двигателей.

В нашей стране первый образец электровоза с АТД был построен в 1967 г. Испытания подтвердили работоспособность выполненной на этом локомотиве системы асинхронного электропривода и позволили приступить к созданию восьмиосного электровоза ВЛ804 . Данный локомотив был спроектирован ВЭлНИИ и построен на НЭВЗе в 1971 г. Испытания электровоза про-

водились в 1972-77 гг. на участке Московской железной дороге, а с 1978 г. на опытном кольце ВННИЖТа.

Функциональная схема системы тягового электропривода оси электровоза ВЛ80Л -751 показана на рис. 1.3.

Асинхронный двигатель получает питание от статического преобразователя частоты, содержащего управляемый выпрямитель (УВ) и автономный инвертор напряжения (АИН). Сигналы управления для тиристоров УВ и АИН формируются блоками управления БУВ а БУИ, соответственно. Команды на задание величины напряжения поступают в БУВ с контроллера машиниста (КМ) в зависимости от требуемого тягового усилия.

Управление частотой осуществляется блоком регулирования частоты (БРЧ), обеспечивающим поддержание постоянной величины абсолютного скольжения сог путем сравнения частоты вращения ротора двигателя сом с текущим значением частоты тока статора cos. Если действительная величина абсолютного скольжения отличается от заданной, то частота статора автоматически корректируется с помощью генератора частоты статора (ГЧС). Измерение частоты вращения ротора двигателя осуществляется бесконтактным датчиком (ДЧВ). Регулирование величины электромагнитного момента АТД осуществляется путем изменения напряжения питания двигателя с помощью УВ по командам с КМ.

Поскольку в системе отсутствует контур регулирования тока статора, то получить качественное управление моментом достаточно трудно, т.к. напряжение питания АТД определяется не только моментом, но и частотой вращения ротора двигателя. В этом случае функцию регулирования тока статора должен выполнять машинист, изменяя напряжение в соответствии с контролем фазного тока двигателя по контрольно-измерительному прибору. Но обеспечение постоянства тока статора еще не означает постоянства момента из-за температурных изменений активного сопротивления ротора Rr. Чтобы обеспечить постоянство момента при заданном токе статора во всем диапазо-

не температур, необходимо корректировать величину заданного абсолютного скольжения пропорционально температуре или активному сопротивлению ротора, а это в данной системе не выполняется.

В целом низкий уровень автоматизации системы регулирования, обусловленный отсутствием контура регулирования величины тока статора и коррекции абсолютного скольжения, не позволяет получить качественное регулирование момента.

В конце 70-х начале 80-х годов в рамках государственной программы по решению научно-технической проблемы 0.13.05 "Создать и освоить производство локомотивов большой секционной мощности с бесколлекторными тяговыми двигателями" было произведено переоборудование секции электровоза ВЛ80л-751.

Функциональная схема системы регулирования показана на рис.1.4.

АТД получает питание от статического преобразователя частоты и напряжения, содержащего управляемый выпрямитель (УВ) и автономный инвертор напряжения (АИН). Сигналы управления тиристорами УВ и АИН формируются блоками управления БУВ и БУИ соответственно. Команда на задание величины напряжения поступает в БУВ от контроллера машиниста (КМ) в зависимости от требуемой силы тяги. Управление частотой питающего напряжения осуществляется контуром регулирования частоты (КРЧ), обеспечивающим поддержание постоянства величины утла нагрузки в. Под

углом нагрузки понимается угол между векторами тока статора и пото-

косцепления ротора ^ . Определение величины угла нагрузки осуществляется в вычислительном устройстве (ВУ) через мгновенные значения напряжения и тока статора АТД, приведенные к неподвижным осям а-¡5 с помощью координатного преобразователя (КП). Величина действительного угла нагрузки в сравнивается с заданной величиной Э* и поступает в регулятор угла нагрузки (РУ). Выходной сигнал РУ при формировании задания частоты

питающего напряжения cos суммируется с сигналом действительной частоты вращения ротора сом , поступающего с датчика частоты вращения ДЧВ. Выходной сигнал РУ по сути является задаваемой величиной скольжения тт, которая непрерывно корректируется в зависимости от угла нагрузки. В этом случае система регулирования осуществляет управление частотой напряжения питания АТД с автоматической компенсацией влияния нелинейностей, что приводит к улучшению показателей регулирования момента в динамических режимах.

В 1985 году для экспериментальной проверки преимуществ асинхронного тягового привода ВЭлНИИ спроектировал, а НЭВЗ изготовил опытный двенадцатиосный электровоз ВЛ86Ф -001 с АТД. Работы велись совместно с финской фирмой Kymmene-Stromberg, разработавшей и изготовившей силовые статические преобразователи и систему управления.

Функциональная схема тягового привода оси электровоза ВЛ86ф-001 показана на рис. 1.5.

Система регулирования обеспечивает управление импульсным автономным инвертором напряжения АИН. В качестве входного используется че-тырехквадрантный преобразователь ВП, который обеспечивает постоянство напряжения на входе инвертора. Система управления ВП на рис. 1.5. не показана. Входным сигналом САР является заданная величина момента двигателя Мэ\ которая поступает с верхних контуров регулирования системы управления электровозом - контуров регулирования силы тяги и скорости движения локомотива. Выходные сигналы САР с блока управления инвертором (БУИ) обеспечивают формирование на выходе напряжений регулируемой амплитуды и частоты для непрерывного регулирования момента АТД во всем диапазоне скорости движения поезда.

Данная САР обеспечивает режим работы тягового двигателя с постоянством магнитного потока. Это осуществляется с помощью контура регулирования тока статора, который корректирует сигнал задания напряжения двигателя в функции действительного абсолютного скольжения а>г.

Величина сог определяется разностью заданной частоты тока статора cos и измеренной частоты вращения ротора со. Для компенсации влияния температурных изменений Rr производят коррекцию сог путем умножения величины скольжения на сигнал tr °, пропорциональный температуре двигателя, получаемый от датчика температуры Д tr расположенного на статорной обмотке АТД. В соответствии с полученным сигналом скольжения параметрический функциональный преобразователь ФП выдает на регулятор тока статора РТ заданную величину тока //. Регулятор сравнивает действительное значение Is с заданным и по полученной разнице формирует сигнал коррекции напряжения двигателя, который складывается с сигналом задания напряжения, пропорциональным частоте тока статора a>s. Полученный таким образом сигнал задания напряжения АТД поступает в БУИ.

При регулировании АТД с постоянством магнитного потока момент двигателя практически прямопропорционален величине абсолютного скольжения, поэтому сигнал юг используется в качестве сигнала обратной связи по моменту. Астатический регулятор момента (РМ) по величине отклонения сигнала ОС от заданной величины М3 формирует сигнал задания частоты тока статора a>s, который поступает в БУИ.

Основным недостатком САР тягового привода электровоза ВЛ86ф-001 является параметрическое задание режима работы, который обеспечивает формирование характеристики mr =f(M3itre). Возникающие погрешности формирования данных характеристик приводят к не контролируемым изменениям электромагнитного момента АТД, что существенно снижает показатели работы САР особенно в динамических режимах.

В соответствии с решениями МПС РФ по созданию нового электроподвижного состава с АТД в начале 90-х годов ВЭлНИИ совместно с ВНИИЖТ, НИИЭП и МИИТ был проведен комплекс работ, направленный на создание электропоезда переменного тока с АТД. В ходе работ секция электропоезда

ЭР-7к была оборудована АТД и выполнен комплекс испытаний на опытном кольце ВНИИЖТа. Испытания подтвердили работоспособность принятой системы тягового электропривода, а также выявили его высокие тягово-энергетические показатели. В настоящее время ведется проектирование электропоезда ЭНЗ с АТД.

Функциональная схема системы тягового привода оси электропоезда ЭНЗ показана на рис.1.6.

Двухзвенная преобразовательная установка, состоящая их выпрями-тельно-инверторного преобразователя (ВИЛ), сглаживающего реактора промежуточного звена постоянного тока (СР) и автономного инвертора тока (АИТ), питает два АТД, подключенных параллельно к АИТ. Сигналы управления ВИЛ и АИТ формируются блоками управления БУВИП и БУИ соответственно. Команды на задание величины тока статора поступают с контроллера машиниста КМ в зависимости от требуемого тягового усилия. Система управления тяговым приводом содержит два основных канала регулирования: канал регулирования модуля вектора тока статоров и канал регулирования частоты тока статоров АТД. Регулирование величины тока статоров осуществляется регулятором тока статоров (РТ) через управление ВИЛ; на вход РТ поступает разность между сигналами задания тока статоров, поступающего с КМ, и сигнала ОС по току звена постоянного тока, поступающего от датчика тока.

Регулирование частоты тока статоров производится регулятором модуля э.д.с. через управление АИТом следующим образом: сигнал задания величины тока статоров 4* с КМ поступает на вход функционального преобразователя (ФП), выходным сигналом которого является сигнал задания потока машины Ф; этот сигнал умножается на сигнал задания частоты тока статоров о)х\ в результате чего получается сигнал задания э.д.с. ег\ который поступает в узел ограничения э.д.с. (УОЕ), с выхода УОЕ сигнал поступает на

25 кВ, 50Гц

АТД2

элемент сравнения заданной величины ег , которая определяется вычислительным устройством (ВУ) по сигналам от датчиков тока и напряжения статоров AT Д, разница Лег поступает на вход регулятора э.д.с. (РЕ), выходом которого фактически является величина абсолютного скольжения о)г, которая в свою очередь складывается с действительной частотой вращения ротора,

определяемой датчиком частоты вращения (ДЧВ), в результате чего получа-

*

ется сигнал задания частоты тока статора (os, поступающий в БУИ. Регулирование величины электромагнитного момента АТД в системе осуществляется путем изменения величины тока статоров АТД с помощью ВИЛ по командам с КМ. Регулятор тока совместно с регулятором э.д.с. обеспечивают двух-зонное регулирование АТД с реализацией в первой зоне постоянства силы тяги при минимуме тока статоров, а во второй зоне - постоянство мощности.

Рассмотренную систему, несмотря на введение в контур регулирования частоты статоров регулятора э.д.с., следует отнести к системам управления по углу нагрузки - значение угла нагрузки в данном случае задается косвенно с помощью ФП, моделирующего характеристику намагничивания машины.

Зарубежный опыт создания ЭПС с АТД рассмотрим на примере тяговых приводов электровозов Е120,182001 и электропоезда ICE.

Наиболее подробно трехфазный тяговый привод исследовался в Германии, где промышленность около 30 лет сотрудничает с Государственными железными дорогами. В 1974 году здесь начали эксперименты с тепловозом DE 2500 и моторным вагоном электропоезда с АТД. На базе полученных результатов была сформулирована концепция трехфазного тягового привода, которая была положена в основу четырехосного электровоза серии 120, первые пять таких локомотивов были изготовлены в 1984 году.

Концепция тягового привода электровоза серии 120, разработанная фирмой ВВС, применяется в модифицированном виде на подвижном составе многих стран. К сегодняшнему дню в Германии изготовлено большое коли-

чество подвижных единиц с АТД, в числе которых следует отметить двухсис-темный электровоз 14Е с автономными инверторами тока и скоростной электропоезд ICE.

Функциональная схема системы тягового электропривода оси электровоза Е120 показана на рис.1.7.

Система регулирования обеспечивает управление импульсным инвертором напряжения (АИН). В качестве входного используется четырехквад-рантный преобразователь, обеспечивающий постоянство напряжения на входе инвертора. Система управления ВП на рис. 1.7. не показана. Входными сигналами САР является заданная величина электромагнитного момента Мэ\ которая поступает с верхних иерархических контуров регулирования силы тяги или скорости движения локомотива (на рис. 1.7. на показаны). Входные сигналы САР с блока управления инвертором (БУИ) обеспечивают формирование на выходе инвертора трехфазной системы напряжений регулируемой амплитуды и частоты для непрерывного регулирования электромагнитного момента АТД во всем диапазоне скорости движения поезда. В качестве сигналов ОС САР используется действительная частота вращения ротора тм и ток статора тягового двигателя 4. Регулирование момента АТД в первой зоне осуществляется с постоянным магнитным потоком двигателя. Для обеспечения такого режима работы АТД сигнал задания частоты скольжения формируется в функции момента двигателя. Данная зависимость сог* = f(M3*) моделируется в параметрическом функциональном преобразователе (ФП1). Коррекция сог от температурных изменений Rr производится в умножителе путем увеличения скольжения пропорционально сигналу температуры ротора tr°. Измерение температуры осуществляется с помощью датчиков температуры Ди °, установленных на обмотке статора. Сигнал задания частоты тока статора cos формируется в виде суммы сигналов cos и сом.

25 кВ, 50Гц

ВП

АИН

Амплитуда напряжения АТД до номинальной частоты увеличивается пропорционально частоте тока статора, что совместно с рассмотренным алгоритмом задания сог обеспечивает работу двигателей с номинальным магнитным потоком. Контур регулирования тока статора корректирует сигнал задания амплитуды напряжения ¿7/ в зависимости от нагрузки. Сигнал задавае-

£

мой величины тока статора 4 определяется параметрическим функциональным преобразователем (ФП2), который учитывает нелинейную зависимость 4 = /(Мэ). Регулятор тока статора (РТ) сравнивает действительное значение тока 4 с заданным 4* и формирует сигнал коррекции амплитуды напряжения. Получение сигнала их осуществляется суммированием сигнала коррекции с сигналом пропорциональным частоте вращения ротора, поступающего с датчика частоты вращения ДЧВ.

Данная система является системой частотно-токового регулирования момента АТД и подобна ранее рассмотренной системы привода электровоза ВЛ86Ф-001, обладая присущими ей недостатками.

В 1980 году фирма АЕО-Те1е/ипкеп оборудована переданный ей Госуг дарственными железными дорогами ФРГ двухчастотный электровоз 182001 (для 162/3 Гц и 50 Гц) тяговыми асинхронными двигателями и провела с ним, наряду с эксплуатацией по графику пассажирских поездов, множество испытательных пробегов.

Функциональная схема системы регулирования тягового электропривода оси электровоза серии 182001 показана на рис.1.8.

Преобразовательная установка состоит из входного преобразователя (ВГГ), сглаживающего реактора (СР), автономного инвертора тока (АИТ).

Сигнал задания тока статора 4* поступает с контроллера машиниста КМ на вход элемента сравнения, где он сравнивается с текущим значением, определенным в блоке вычислительного устройства - функционального преобразователя (.ВУ-ФП2), разница подается на вход регулятора тока (РТ),

КМ

-(2)—►

АИТ

вырабатывающего управляющее воздействие для блока управления входным преобразователем (БУВП), обеспечивающего управление тиристорами ВП. В результате обеспечивается регулирование входного тока АИТ.

Другим контуром является контур регулирования частоты тока статора, определяемой как сумма частоты вращения ротора, измеряемой датчиком частоты вращения (ДЧВ), и частоты скольжения юг*. Регулирование частоты скольжения осуществляется в зависимости от требуемой величины противо-ЭДС асинхронного двигателя, которая при неизменном потокосцеплении ротора задаваемом с помощью функционального преобразователя (ФП1) в зависимости от текущего значения тока статора, прямопропорциональна частоте тока статора o)s. Произведение %* на (os, являющееся сигналом задания ЭДС, сравнивается с текущим значением, разница подается на вход регулятора ЭДС, выходной сигнал которого по сути является сигналом задания частоты скольжения. Такой способ задания сог обеспечивает работу с постоянством угла нагрузки.

Очевидно, что приведенная система аналогична рассмотренной ранее для электропоезда ЭНЗ и обладает такими же свойствами.

Начиная с 1990 года фирма Siemens поставляет Государственным железным дорогам Германии высокоскоростные электропоезда семейства ICE (Inter City Expressj, оборудованные асинхронными тяговыми приводами. В настоящее время эксплуатируются три модели ICE - ICE1, ICE2, ICE2/2, все они оборудованы микропроцессорными устройствами управления на элементной базе системы SIBAS (система автоматизации для транспорта фирмы Siemens).

Функциональная схема системы тягового электропривода оси электропоезда ICE показана на рис. 1.9.

Система управления обеспечивает регулирование двухзвенной преобразовательной установки, состоящей из входного 4q-s - преобразователя

(ВП), который совместно с промежуточным С-фильтром звена постоянного тока представляет источник постоянного напряжения, и выходного преобразователя в виде автономного инвертора напряжения с ШИМ {АИЛ). Часть СУ, управляющая ВП, на рис.1.9. не показана.

Входным сигналом САУ является сигнал задания электромагнитного

А

момента АТД Мэ , который поступает с верхних иерархических уровней управления силы тяги или скорости движения.

Управление АТД осуществляется по принципу регулирования с ориентацией по полю машины, предложенному в 1971 году ВЫясЪке и получившему название Тгап$уек(ог или векторное управление. При таком способе управления осуществляется раздельное регулирование электромагнитного момента и магнитного потока АТД, а его электро-механические характеристики становятся подобны характеристикам двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

В блоке вектороанализатора-векторовращателя (ВА/ВР) по напряжениям на зажимах машины и двум фазным токам определяется модуль вектора

потокосцепления ротора и обе составляющие вектора тока статора в ортого-

г

нальной системе координат, связанной с вектором ^ - активная и реактивная 4с.

Заданная величина потокосцепления формируется в зависимости от частоты вращения ротора машины. В нижнем диапазоне частоты вращения потокосцепление неизменно, по достижении номинального напряжения оно уменьшается, изменяясь обратно пропорционально частоте вращения. Заданная величина тока намагничивания 1т* определяется с помощью функционального преобразователя (Ф/7), моделирующего характеристику намагничивания. Регулятор потокосцепления (РП) корректирует неточности, возникающие при воспроизведении этой характеристики. Выходная величина ре*

гулятора и 1т образуют в сумме заданную величину для регулятора реактив-

ной составляющей тока статора isx (PPT), который в свою очередь, является корректирующим органом; в итоге окончательная заданная величина намагничивающего тока образуется в виде суммы заданной величины для регулятора и его выходного воздействия.

Заданная величина активного тока isy вычисляется как результат деле-

Л

ния заданной величины электромагнитного момента М на заданную величину потокосцепления ротора и умножения на согласующий коэффициент к. Заданная величина частоты скольжения определяется в соответствии с выражением

при допущении равенства полной индуктивности ротора Lr = Lm+ L^ индуктивности контура намагничивания Lm..

Регулятор активной составляющей тока статора isy (PAT) корректирует задаваемую величину скольжения. Этим компенсируется влияние температурной зависимости сопротивления ротора, являющейся основной причиной ошибок предшествующих способов управления. Заданная выходная частота инвертора a>s образуется суммированием задаваемой величины частоты скольжения - выходного сигнала PAT и частоты вращения ротора машины, измеряемой посредством импульсных датчиков.

л

Заданная величина напряжения статора Us рассчитывается в блоке вычисления напряжения статора (ВНС) по величине активной и реактивной составляющих тока статора и параметрам АТД в соответствии с известными соотношениями.

л *

Определенные величины Us и ms поступают на вход блока управления инвертором (БУИ), который формирует выходные сигналы САУ, обеспечивающие на выходе инвертора трехфазную систему напряжений регулируемой

амплитуды и частоты для непрерывного регулирования момента АТД во всем диапазоне скорости движения поезда.

Эксплуатация электропоездов ICE показала высокую эффективности рассмотренной САУ. Хорошие статические и динамические характеристики привода, благодаря чему система автоматизации SIBAS, а вместе с ней и принцип векторного управления, нашла широкое применение на целом ряде типов ЭПС с АТД, таких как S252, Е14, EuroSprinter и др.

Выполненный обзор позволяет выявить характерные особенности построения тяговых электроприводов на основе АТД: наибольшее распространение получила двухзвенная структура преобразовательной установки, причем в качестве входного используется ^-¿-преобразователь, позволяющий работать с коэффициентом мощности равным единице, в качестве выходного чаще применяется АИН с ШИМ с использованием полностью управляемых ключей (GTO, IGBT), однако для мощностей до 1000 кВт приемлем и АИТ.

Следует отметить различные подходы к построению САР тягового привода. Регулирование АТД в тяговом приводе электровоза BJI-804 осуществляется без задания магнитного потока, состояние магнитной системы двигателя не контролируется. В остальных рассмотренных САР магнитный поток машины так или иначе задается. В тяговом приводе электропоезда ЭНЗ и электровоза 182001 задается величина потокосцепления ротора с помощью функционального преобразователя, которая поддерживается постоянной для выбранной уставки тока статора путем регулирования э.д.с. двигателя. В приводе электровоза BJI-86ф и электровоза Е120 осуществляется параметрическое задание постоянства главного потокосцепления и потокосцепления статора соответственно. При этом постоянство обеспечивается для любого задания тягового усилия в первой зоне регулирования. В приводе электропоезда ICE в первой зоне обеспечивается постоянство потокосцепления ротора для любого задания тягового усилия путем его автоматической стабилизации.

Любой электродвигатель представляет собой электромагнитную систему, в которой осуществляется силовое взаимодействие магнитного поля и проводника с током. Инвариантность такой системы обеспечивается контролем за этими величинами, а также заданием пространственного положения проводника в магнитном поле. В асинхронных электродвигателях магнитное поле машины характеризуется величиной магнитного потокосцепления, причем различают потокосцепление в воздушном зазоре (главное потокосцепле-ние), потокосцепления статора и ротора. Проводниками с током являются проводники обмотки ротора, однако так как двигатель является ни чем иным как вращающимся трансформатором, то для удобства рассмотрения принято рассматривать процессы, приведенные с статорной обмотке, т.е. второй задаваемой величиной является величина тока статора. Пространственное взаимоположение поля и проводника характеризуется углом нагрузки - углом между обобщенными векторами потокосцепления и тока статора. Т.о. для регулирования АД необходимо задание трех величин: потокосцепления, тока статора и угла нагрузки.

В [46] отмечается значительное влияние способов задания и регулирования указанных величин на характеристики двигателей. С учетом особенностей работы асинхронных тяговых двигателей, а именно, широкий диапазон изменения нагрузок (тока статора); широкий диапазон изменения частоты тока статора; широкий диапазон изменения рабочих температур; работа в условиях постоянных возмущений как со стороны контактной сети, так и со стороны нагрузки, - классифицируем рассмотренные способы управления по признакам:

1. степень учета нелинейности характеристики намагничивания;

2. степень учета активного сопротивления ротора;

3. степень учета температурной нелинейности сопротивления ротора;

4. нечувствительность привода к возмущениям со стороны контактной

сети;

5. нечувствительность привода к возмущениям со стороны нагрузки (противобоксовочные свойства).

Особенностью асинхронного двигателя является отсутствие явно выраженных магнито- и моментообразующих токов, как, например, у двигателя постоянного тока с независимым возбужением, обе эти функции выполняет ток статора. Соотнощение активной и реактивной его составляющих обеспечивается заданием взаимного положения векторов потокосцепления и тока статора - углом нагрузки, который в стационарных режимах есть интеграл от частоты скольжения ротора. Т.е. задавая величину тока статора и частоту скольжения, можно задавать магнитный поток. Величина тока статора зависит, с одной стороны, от величины напряжения статора, с другой, от величины противо-ЭДС, линейно зависящей от частоты вращения ротора. Системы регулирования, в которых используется лишь канал управления - канал задания напряжения статора, без учета возмущения, можно объединить в системы с косвенным заданием магнитного потока без его контроля.

Другим способом регулирования является такое регулирование, при котором величина тока статора и частота скольжения задаются в функциональной зависимости, обеспечивающей требуемую величину магнитного потока. Такие системы являются системами с непосредственным заданием магнитного потока, которые в свою очередь можно разделить на системы с контролем потока - автоматическое регулирование, и без него - парметрическое. В зависимости от задаваемой величины можно выделить системы с заданием главного потокосцепления, потокосцепления статора и ротора. Сказанное иллюстрирует рис. 1.10.

Качественную оценку уровня совершентства систем регулирования тяговых приводов выполним в соответствии с выше указанными признаками,

присваивая высший балл 1 системам, обладающим тем или иным признаком в большей степени, и балл 0 - системам, обладающим в меньшей степени или не обладающими. Сумма баллов каждой системы является условным обобщенным показателем ее совершенства (ОПС). В табл. 1.1. приведены обобщенные показатели, вычисленные таким образом.

Очевидно, наивысшим показателем обладает система тягового привода с автоматической стабилизацией потокосцепления ротора, что позволяет выбрать ее в качестве основы для разработки САР отечественного локомотива с АТД.

Проанализируем влияние способов регулирования АД на форму его механической характеристики, которая определяет форму тяговой характеристики и в первую очередь ее жесткость, для чего запишем уравнения АД в неподвижной системе координат а-(3 [71]:

У* — ^л + КК

У о - КК + А»а

2 ¿А

(1.7)

(1.8)

(1.9)

(1.10) (1.11)

(1.12) (1.13)

где их - результирующий вектор напряжения статора; /5 - результирующий вектор тока статора; I, - результирующий вектор тока ротора; Ч*0 - результирующий вектор главного потокосцепления; Ч/х - результирующий вектор потокосцепления статора;

Табл. 1.1.

Способы управления Эл-з, эл-д Критерии качества ОПС

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

С косвенным заданием магнитного потока ВЛ801 0 1 0 0 0 1

С непосредственным заданием магнитного потока С параметрическим заданием % ВЛ86'" 0 1 1 1 0 3

% Е120 0 1 1 1 0 3

% - - - - - - -

С автоматическим поддержанием Уо - - - - - - -

% - - - - - „ -

% 182001, ЭНЗ, 1СЕ 1 1 1 1 1 5

Wr - результирующий вектор потокосцепления ротора;

Rs - активное сопротивление статора;

Rr - активное сопротивление ротора;

Ьт - взаимная индуктивность обмотки статора и ротора;

Ls = Lm+ Lsa - полная индуктивность обмотки статора;

Lr = Lm+ Lra - полная индуктивность обмотки ротора;

Lsa - индуктивность обмотки статора;

Lr(J - индуктивность обмотки ротора;

Мэ - электромагнитный момент;

р - число пар полюсов.

Выражения (1.12) и (1.13) показывают определение электромагнитного момента через потокосцепления статора и ротора (1.12) и ток статора и главное потокосцепление (1.13).

При способе регулирования АТД, реализуемом системой управления электровоза ВЛ-80А, когда двигатель работает с заданным напряжением статора и частотой скольжения ротора (Us - const, cor = const), механическая характеристика описывается выражением:

2

М=-р-----j—Z-Wl (Л 1ГЧ

2Р L. Lm/ ,2rr2„2 , , (1-15)

0-14)

2 Lj l + aTra)r cos При задании главного потокосцепления (электровоз ВЛ-86Ф) механическая характеристика описывается выражением

3 1_У>,

(1 - Lm/T )2Т2со2т +1

призадании потокосцепления статора (электровоз Е120)

м = —р—( 1-ст) 2Tf:—w2s, и 16л

2 L, <т Tr a)r +1 " v1'10'

и, наконец, при задании потокосцепления ротора (электровоз 182001, электропоезда ЭНЗ и ICE) описывается как

М = 3-р1-Тга>Х. О-17)

2 Ьт

Построим механические характеристики АТД при отмеченных способах управления на примере двигателя НБ-602, параметры которого приведены в табл.1.2., при номинальном значении частоты тока статора. Характеристики приведены на рис. 1.10.

Табл. 1.2.

Параметр Обозначение Единица измерения Значение

Активное сопротивление статора Ом 0.0103

Активное сопротивление ротора Ом 0.0121

Полная индуктивность статора и Гн 0.006093

Полная индуктивность ротора и Гн 0.006103

Взаимная индуктивность ьт Гн 0.005830

Номинальное действующее

значение тока статора 11фн А 680

Номинальное действующее

значение напряжения статора и1ф„ В 750

Номинальная частота тока статора Гц 94

Номинальная частота тока ротора Гц 1

Номинальный момент на валу

двигателя Мн Нм 8240

Число пар полюсов Р - 4

Момент инерции ротора 1 кг-м2 70

При управлении АТД с постоянством потокосцепления статора момент

1 Lj.Lt —

имеет максимум при сог =-, где сг =- - коэффициент рассеяния,

сгГ Ь,Ь.

Т В

равный

и

так , I Т » !

4 Ь, а

Ь

при постоянстве главного потокосцепления - при о)г =-равный

ЦсХт

М =-п—Ч/2

тах л л у в •

4

со, рад/с

(Он

Рис.1.10. Механические характеристики М = /(со) АТД НБ-602 при различных способах управления.

При управлении АТД с заданным напряжением статора и постоянством частоты скольжения ротора двигатель имеет мягкую механическую характеристику подобную характеристике двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

При управлении с постоянством потокосцепления ротора механическая характеристика АД подобна характеристике двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Жесткость характеристик на рабочем участке при 0 < М <1,5 Мн при постоянстве главного и потокосцеплений статора и ротора различается незначительно и практически постоянна.

Выполненный анализ позволяет заключить, что, для получения жестких механических характеристик АТД, регулирование двигателя необходимо осуществлять с постоянным магнитным потоком.

Как было отмечено выше, коэффициент сцепления является нестационарной величиной, изменение которой носит случайный характер, поэтому на величину реализуемой силы тяги будут оказывать влияние динамические свойства тягового привода - качество переходных процессов от одной характеристики к другой. В отмеченных выше источниках это влияние не учитывалось - рассматривались статические тяговые характеристики, поэтому, для выяснения степени влияния динамических свойств и формулирования к ним требований, необходимо рассмотреть тяговый привод как динамическую систему.

1.2. Влияние динамических свойств привода на тяговые свойства локомотива.

На основе выполненного обзора составим обобщенную функциональную схему тягового привода, приведенную на рис. 1.11.

На рис. 1.11. обозначено КМ - контроллер машиниста, СУ - система управления, ПУ - преобразовательная установка, КП - колесная пара, КС -контактная сеть.

Электрическая часть привода, включающая ПУ и систему обмоток АТД, управляемая СУ представляет единый укрупненный функциональный блок - электромеханический преобразователь (ЭМП), входным сигналом которого является сигнал задания момента или тока статора, поступающий с контроллера машиниста, либо с верхних иерархических уровней САУ электровоза, выходным сигналом является электромагнитный момент АТД. Система управления строится по законам автоматического управления, с настройкой контуров по принципам подчиненного регулирования. При таком построении САР тягового привода

эмп

Рис .1.12. Укрупненная функциональная схема тягового привода.

передаточная функция ЭМП, как динамического звена, в первом приближении может быть представлена в виде передаточной функции апериодического звена 1-го порядка с коэффициентом усиления кэмп и постоянной времени

Тэмп ■

W3Mn(p)=-^~ (118)

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Петров, Петр Юрьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для повышения тяговых свойств локомотивов целесообразно применение асинхронных тяговых двигателей.

2. Для обеспечения устойчивости привода при любых скоростях проскальзывания, необходима стабилизация частоты вращения ротора.

3. Для реализации коэффициентов использования потенциальных условий сцепления не менее 0,9, жесткость тяговой характеристики должна не менее чем в 6 раз превышать жесткость характеристики сцепления при скоростях движения близких к нулю;

4. Повышение жесткости тяговых характеристик без одновременного повышения быстродействия привода приводит к возрастанию колебательности и как следствие к ухудшению динамики привода, поэтому увеличение жесткости тяговых характеристик должна сопровождаться увеличением быстродействия, которое при указанной жесткости должно находиться на уровне сотых долей секунды,

5. Достижение такого быстродействия возможно лишь при автоматическом поддержании постоянства магнитного потока двигателя - при векторном управлении;

6. Моделирование реального тягового привода на основе асинхронного двигателя, питаемого двухзвенной преобразовательной установкой: импульсный прерыватель постоянного напряжения - автономный инвертор тока - показало принципиальную возможность достижения сформулированных требований.

7. Для уменьшения пульсаций электромагнитного момента при трога-нии и движении локомотива с низкими целесообразно применение модуляции входного тока инвертора по соответствующему закону.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Петр Юрьевич, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Меншутин H.H. Зависимость между силой сцепления и скоростью скольжения колесной пары локомотива // Вестник ЦНИИ МПС. - 1960. - №6 - с.12-16.

2. Меншутин H.H. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях // Тр. ВНИИ ж.-д. трансп. - 1960. - вып. 188. - с. 113-132.

3. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. - М.: Транспорт, 1965. - 268 с.

4. Хоменко Б.И., Аваков В.А., Виниченко Н.Ф. Математическая модель характеристики сцепления колесной пары локомотива // Межвуз. сб. трудов "Полупроводниковая техника в устройствах электрических железных дорог" -Д.: Изд-во ЛИИЖТа, 1983. - с. 17-23.

5. Барский М.Р., Сердинова И.Н. Экспериментальные исследования процессов боксования и юза электровозов // Сб. "Проблемы повышения эффективности работы транспорта" - М.: Изд-во АН СССР, 1953. - вып.1. -156 с.

6. Исаев И.П. Случайные процессы и коэффициент сцепления. - М.: Транспорт, 1970. - 182 с.

7. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами. - М.: Машиностроение, 1985. - 238 с.

8. Исаев И.П. Коэффициент сцепления как результат нестационарного процесса сцепления колес локомотива с рельсами // Железные дороги мира. -1972. - №7. - с.7-9.

9. Теория электрической тяги / Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H. и др. - М.: Транспорт, 1995. -294 с.

10. Фаминский Г.В. Автоматические системы для повышения сцепления колес локомотива с рельсами// Тр. ВНИИЖТ. Вып.396. - М.: Трансжелдориздат, 1974. - 135 с.

11. Фаминский Г.В., Меншутин H.H., Филатова JI.H. Улучшение тяговых свойств электровозов при поосном регулировании силы тяги с контролем сцепления// Тр. ВНИИЖТ. Вып.378. - М.: Трансжелдориздат, 1968. - 123 с.

12. Голубенко A.JI. Сцепление колеса с рельсом. Монография. - Киев: ВШОЛ, 1993.-448 с.

13. Тулупов В.Д. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электроподвижного состава. - М.: Транспорт, 1978. - 368 с.

14. Автоматизация электроподвижного состава: Учебник для вузов ж,-д. трансп./ Савоськин А.Н., Баранов JI.A., Плакс A.B., Феоктистов В.П. Под ред. Савоськина А.Н. - М.: Транспорт, 1990. - 311 с.

15. Лисунов В.Н. Использование сил взаимодействия движущих колес с рельсами в режимах тяги и торможения: Учебное пособие/ Омская гос. акад. путей сообщения, 1994. - 87 с.

16. Моделирование электровозов с асинхронным трехфазным приводом //Железные дороги мира. - 1994. - №9. - с. 13-21.

17. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985.-287 с.

18. Воронов A.A. Теория автоматического управления: учебное пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1986. - в 2-х частях.

19. Теория систем автоматического регулирования/ В.А.Бесекерский, Е.П.Попов. - 3-е изд., испр. - М.:"Наука", 1975. - 767 с.

20. Новый электроподвижной состав магистральных и горных железных дорог / Под ред. В.Г.Щербакова. - Новочеркасск: Изд-во ВэлНИИ, 1996.-210 с.

21. Куракин B.B. Векторная система формирования рациональных характеристик асинхронных тяговых двигателей электровоза // Диссерт....канд. техн. наук. - ЛИИЖТ, 1990. - 216 с.

22. Лувишис А.Л. Новое поколение магистральных электровозов // Железнодорожный транспорт. - 1994. - №6. - с. 69-77.

23. Горин H.H., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с бесколлекторными двигателями // Железные дороги мира. - 1985. - №12. -с. 2-7.

24. Жулев О.Н., Валтонен П. Электровоз ВЛ86Ф с асинхронными тяговыми двигателями // Электротехника. - 1986, №4. -

с. 16-20.

25. Кекк Ф. Система регулирования электровоза серии120 // Железные дороги мира. - 1985. - №8. - с. 22-32.

26. Система автоматического регулирования электровоза серии 120 // Электрическая и тепловозная тяга. - 1988. - №7. - с. 46-48.

27. Проектирование систем управления электроподвижным составом / Плакс A.B., Захарченко Д.Д., Иньков Ю.М. и др. - М.: Транспорт, 1986. - 327 с.

28. Система трехфазного тягового привода для электропоездов и электровозов / Брюге Ф., Хохмкт Г., Ниехаге X., Новак 3. // Железные дороги мира. - 1983,- №9.-с.5-13.

29. В. Тейх. Тяговый подвижной состав с приводом трехфазного тока // Железные дороги мира. - 1978. - №2. - с. 11-15.

30. Опыт использования трехфазного тягового привода // Железные дороги мира. - 1994. - №8. - с.9-14.

31. Тяговые преобразователи и система управления нового поколения на опытном электровозе // Железные дороги мира. - 1993. - №5. - с.2-8.

32. Г.Гедеон и др. Микропроцессорная система управления тяговым приводом высокоскоростного электропоезда ICE // Железнодорожный транспорт. - 1990. - №3. - с. 5-11.

33. Трехфазный тяговый привод системы ABB // Железные дороги мира. - 1993. - №3. - с.2-4.

34. Зорин В.Б., Куракин В.В., Чернышев О.Г. Система управления электропоезда ЭНЗ с тяговыми асинхронными двигателями// Материалы II междунар. конф. "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава" (г. Новочеркасск, 4-6 июня 1997 г.) - Новочеркасск, 1997. с. 55-56.

35. Колб A.A., Нецветаев В.А. Динамическая модель процесса сцепления колеса с рельсами электровозов с асинхронными тяговыми двигателями // Горн, электромех. и авт. - 1986. - 48. - с. 83-86.

36. Моделирование электровозов с асинхронным трехфазным приводом// Железные дороги мира. - 1994. -№9.-с. 13-21.

37. Регулирование проскальзывания колес на электровозах с асинхронным трехфазным приводом// Железные дороги мира. - 1994. - № 4. -с. 30 - 45.

38. Островский B.C., Савоськин А.Н., Сурков Д.А. Влияние крутильных колебаний в колесно-моторном блоке на процессы срыва сцепления колес локомотива с рельсами// Фундаментальные проблемы динамики и прочности подвижного состава. Юбилейный сб. науч. тр. Вып. 912. - М.: МНИТ, 1997. -с.77-84.

39. Литовченко В.В. Внедрение асинхронного привода на тяговом подвижном составе// Обзор ЦНИИТЭИ МПС по инф. обеспеч. общесоюз. науч.-тех. программ. - 1988. - Вып. 1. - 36 с.

40. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. -

832 с.

41. Алябьев М.И. Математическая теория электрических машин. Учебник для слушателей Академии. - Л.: 1960. - 551 с.

42. Адкинс Б. Общая теория электрических машин. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 272 с.

43. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. - М.: Энергия, 1974. - 328 с.

44. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. -М.: Энергоиздат, 1982. - 216 с.

45. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами : Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленигр. отд-ние, 1982. - 392 с.

46. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменнолго тока. - М.: Энергоизжат, 1982. - 192 с.

47. Солодунов А.М., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. Рига: Зинатне, 1991. - 351 с. .

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

49. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.

50. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. - М.: Энергоиздат, 1985.-560 с.

51. Теория автоматизированного электропривода: [Учеб. пособие для вузов по спец. "Электропривод и автоматизация пром. установок"]/ М.Г.Чиликин, В.И.Ключев, A.C.Сандлер. - М.: Энергия, 1979. -615 с.

52. Загорский А.Е. Шакарян Ю.Г. Управление переходными процессами в электрических машинах переменного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 176 с.

53. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. -334 с.

54. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями/ О.В.Слежановский, Л.Х.Дацковский, И.С.Кузнецов и др. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с.

55. Гусяцкий Ю.М., Жуков С.В. Алгоритмы и структуры микропроцессорныхсистем управления асинхронным электроприводом// Электричество. - 1990. - № 2. - с. 25 -33.

56. Херунцев П.Э. Особенности моделирования асинхронных двигателей, управляемых от автономного инвертора тока// Техн. электродинамика. -1991.-; 5. с. 68 - 71.

57. Фатих Н.А., Рожановский Ю.В. Пусковой момент асинхронного двигателя привекторно-импульсном управлении// Электротехника. - 1994. - № 8.-с. 9-11.

58. Кознярук А.Е., Россо Т.О. Принципы построения и алгоритмы микропроцессорных систем управления электроприводами// Зап. Ленингр. горн, ин-та. - 1991. - 128. - с. 34 - 43.

59. Эпштейн И.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод на основе преобразователей частоты с автономными инверторами тока// Электротехника. - 1990. - № 1. - с. 44 - 47.

60. Литовченко В.В., Петров П.Ю. Управление асинхронным тяговым электроприводом/ Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ). - М.: 1995. - 22 с. -Библиогр.: 6. - Рус. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС.

61. Фоттлер Ф.К., Панкратов В.В. Синтез системы регулирования скорости асинхронного электропривода с векторным управлением при

переменных параметрах двигателя и механизма// Автомат, управл. объектами с переменными хар-ками (Новосиб. гос. техн. ун-т.). - Новосибирск, 1993. -с.13-14.

62. Петренко Ю.Н., Исса С. Система векторного управления асинхронным двигателем с параметрической адаптацией// Изв. вузов. Энергетика. - 1992. - № 11-12. с. 54 - 60.

63. Емельянов А.П., Слепцова З.Б., Столяров И.М. Система управления электроприводом ТПЧ-АД с микро-ЭВМ// Зап. Ленингр. горн, ин-та. - 1991. -128. с. 105-113.

64. Архангельский Н.Л., Чистосердов В.Л. Прямое векторное управление частотой электропривода от микропроцессора// Электропривод с цифр, и цифроанал. упр.: Матер, краткосроч. семин./ Ленингр. дом науч,-техн. пропаганды. - Спб., 1992. - с.61 - 65.

65. Рудаков В.И. Применение самонастройки в контурах регулирования приводов с векторным управлением// Адапт. системы упр. технол. процессами и оборуд./ Общество "Знание" РСФСР, Ленингр. дом науч.-техн. пропаганды. - Л.,1990. - с. 55 - 58.

66. Россо Т.О. Принципы построения и реализации блоков цифроаналоговой системы векторного управления// Электропривод с цифр, и цифроаналлог. упр.: Матер, краткосроч. семинара/ Ленингр. дом науч.-техн. пропаганды. - Л., 1991. - с.49 -54.

67. Россо Т.О. Цифровой и цифроаналоговый векторный фильтр для частотно-регулируемых приводов с векторным управлением// Зап. Ленингр. горн, ин-та. - 1991. - 128. - с. 84 - 92.

68. Емельянов А.П., Слепцова З.Б. Устройство для определения координат машины переменного тока// Зап. Ленингр. горн, ин-та. - 1991. -128. - с. 66 - 74.

69. Куракин В.В., Чернышев О.Г. Система автоматического регулирования тягового асинхронного электропривода локомотива// Автоматизир. электропривод пром. установок/ Новосиб. электротехн. ин-т. -Новосибирск, 1990. - с. 31 - 37.

70. Фоттлер Ф.К. Наблюдающие утройства в асинхронном электроприводе по оценке магнитного потокосцепления машины// Автоматизир. электропривод пром. установок/ Новосиб. электротехн. ин-т. -Новосибирск, 1990. - с. 22 - 27.

71. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/ В.В.Рудаков, И.М.Столяров, В.А.Дартау. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987.-136 с.

72. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов. - М.: Машиностроение, 1989. - 782 с.

73. Бесекерский В. А. Руководство по проектированию систем автоматического управления. - М.: 1983.

74. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микро-ЭВМ. - М.: Наука, 1987. - 318 с.

75. Микропроцессорные системы автоматического управления/ В.А.Бесекерский, Н.Б.Ефимрв, С.И.Зиатдинов и др./ Под общ. ред. В.А.Бесекерского. - Л.: 1978.

76. Солодовников В.В. Микропроцессорные автоматические системы регулирования. - М.: Высш. школа, 1991.

77. Федотов Ю.Б. Математическое моделирование вентильных преобразователей: Учеб. пособие. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1994. - 92 с.

78. Моделирование силовых электронных аппараиов на ПЭВМ/ И.В.Иванов, Ю.К.Розанов, Ю.Б.Федотов. Под ред. Ю.С.Коробкова. - М.: Изд-во МЭИ, 1996.- 87 с.

79. Отчет о НИР по теме: "Разработка, изготовление и поставка унифицированных электровозов постоянного и переменного тока и двойного питания с бесколлекторными тяговыми двигателями". Тема: 23-119/9/92. Этап 1.2.10. ЭВ-17-94. - Новочеркасск, 1994. - 68 с.

80. Бирюков И.В., Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. - М.: Транспорт, 1986. -

256 с.

81. Deppisch G. The first dual-voltage locomotives with three-phase asynchronous traction motors Class 14E for South African Transport Services// Elektron. - 1990. - 7, №8. - p. 7-16.

82. Distelrath V., Martin A. The S252 Dual-System for Madrid-Seville HighSpeed Line// Elektrische Bahnen. - 1990. - № 5. - p. 224-235.

83. Paresh C. Sen. Electric Motor Drives and Control - Past, Present, and Future// IEEE Trans. Ind. Electron. - 1990. - 37, № 6. - p. 562-575.

84. Ben-Brahim L., Atsuo Kawamura. A Fully-Digitized Field-Oriented Controlled Induction Motor Drive Using Only Current Sensor// IEEE Trans. Ind. Electron. - 1992. - 39, № 3. - p. 241-249.

85. Faa-Jeng Lin, Chang-Ming Lian. Control of Indirect Field-Oriented Induction Motot Drives Considering the Effect of Dead-Time and Parameter Variatious// IEEE Trans. Ind. Electron. - 1993. - 40, № 5. - p. 486-495.

86. Nobuyoshi Mutoh, Kenji Nandoh, Akiteru Ueda. Automatic Torque Boost Control Method Suitable for PWM Inverter with a High Switching Frequensy// IEEE Trans. Ind. Electron. - 1992. - 39, № 3. - p. 250-257.

87. Yan-Te Kao, Chang-Huan Lin. Analysis and Design of Microprocessor-Based Vector-Controlled Induction Motor Drives// IEEE Trans. Ind. Electron. -1992.-39, №1,-p. 46-54.

88. Toshiaki Murata, Takeshi Tsuchiya. Vector Control for Induction Machine on the Application of Optimal Control Theory// IEEE Trans. Ind. Electron. - 1990.-37, №4.-p. 283-290.

89. Baner F., Heining H.-D. Quick response spase vector control for a high power three-level-inverter drive system// Archiv fur Electrotechnik. - 1994. - № 74. -p. 53-59.

90. Nielsen P.E., Thomsen E. Chr., Nielsen M.T. Digital voltage vector control with adaptive parameter turning// Archiv fur Electrotechnik. - 1994. - № 74. -p. 69-77.

91. Khambadkone A. M., Holtz J. Vector-Controlled Induction Motor Drive with a Seif-Commissioning Scheme// IEEE Trans. Ind. Electron. - 1991. - 38, № 5. -p. 322-327.

92. Walczyna A. M. Improvement of line-friendless of drives with direct self-control// Elektrische Bahnen. - 1997. - № 4. - p. 91-99.

93. Janeche M., Kremerand R., Stenerwald G. Direct self-control (DSC), a novel method of controlling asynchronous machines in traction applications// Elektrische Bahnen. - 1990. - № 3. - p. 81-87.

94. Van Den Bessche A. P., Melkebeek A. A. Induction motor field-oriented control: A different viewpoint// Journal A. - 1990. - 31, № 3. - p. 56-61.

95. Vithayathii J. Field oriented control (vector control) of three phase squirrel cage induction motors// Inst. Electron, and Telecommun. Eng. - 1991. - 37, №1.-p. 57-73.

96. Klein Frank N. AC vector drive using current regulated PWM// IEEE Annu. Text., Fiber and Film Ind. Techn. Conf., Atlanta; Ga, May 2-3, 1990. - New York (N.Y.), 1990.-p. 25-30.

97. Holtz J., Bube E. Field-oriented asynchronous pulse-width modulation for highperformance AC machine drives operating at low switching frequency// IEEE Trans. Ind. Appl. - 1991. - 27, № 3. - p. 574-581.

98. Enjeti P.N., Zioqas P.D., Lindspu J.F. A current source PWM inverter with instantaneous current control capability// IEEE Trans. Ind. Appl. - 1991. - 27, №3.-p. 582-588.

99. M.P.Kazmierkowski, H.-J.Hopcke. Comparision of Dynamic Behaviour of Frequency converter fed induction machine drives.// IFAC Control in Power Electronics and Electrical Drives/Lausanne, Swirzerland, 1983. - 10 p.

100. M.P.Kazmierkowski, H.-J.Hopcke. A Simple Control System for Current Source Invertor Fed Induction Motor Drives// IEEE Trans. Ind. Appl. - Vol. -IA-21. 1985.-p. 617-623.