Совершенствование алгоритмов управления тяговым приводом тепловозов с асинхронными электродвигателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Бенькович Никита Игоревич

• Бенькович Никита Игоревич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Бенькович Никита Игоревич

Введение

Глава 1. Российский и мировой опыт создания тепловозов с асинхронным тяговым электроприводом

1.1. Мировой опыт постройки тепловозов с тяговым электроприводом переменного тока

1.2. Развитие тягового электропривода на Российских железных дорогах

1.2.1. Особенности тяговой электропередачи тепловоза 2ТЭ25А «Витязь»

1.3. Описание объекта исследований

1.4. Источники питания асинхронных тяговых электродвигателей

1.5. Основные результаты и выводы по главе

Глава 2. Сравнительный анализ существующих алгоритмов управления асинхронными электродвигателями

2.1. Основные концепции

2.2. Линейные регуляторы

2.2.1. Нелинейные регуляторы

2.3. Основные результаты и выводы по главе

Глава 3. Разработка и компьютерное моделирование энергоэффективного алгоритма управления автономным инвертором напряжения тягового преобразователя

3.1. Математическое моделирование алгоритма прямого цифрового управления токами тягового электродвигателя

3.2. Реализация алгоритма прямого цифрового регулирования фазных токов АТДКЗР на базе микроконтроллера

3.3. Основные результаты и выводы по главе

Глава 4. Экспериментальная часть

4.1. Метод расчета электромагнитного момента тягового электродвигателя

4.2. Эксплуатационная проверка работы новой системы управления тяговым преобразователем

4.3. Основные результаты и выводы по главе

Заключение

Библиографический список

116

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование алгоритмов управления тяговым приводом тепловозов с асинхронными электродвигателями»

Актуальность темы исследования

В соответствии со стратегией развития железнодорожных дорог России до 2030 года ОАО «РЖД» требуется решить следующие задачи:

- увеличить объем перевозимых грузов на 40-60% и пассажиров на 20-40%;

- избавиться от «узких мест» на основных направлениях перевозочной работы;

- повысить привлекательность грузовых и пассажирских перевозок, их безопасность;

- утроить объем транзитных грузов по своей инфраструктуре;

- продолжить активное обновление подвижного состава, внедрение инновационных технологий и информационно - управляющих современных интеллектуальных систем [41].

Основным направлением, на котором прогнозируется рост грузооборота является Дальневосточная железная дорога, тяговый подвижной состав (далее ТПС) которой должен будет обеспечить доставку поездов до портов «Ванино» и «Советская Гавань».

Реализация столь амбициозных планов возможна только при комплексном подходе как к улучшению инфраструктуры, повышении производительности труда, так и повышении качества ТПС.

Преобладающим типом тяговой передачи мощности от дизеля к колесной паре большинства отечественных тепловозов является электропередача постоянного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями. Однако в разработанных в 2018г. в ОАО «РЖД» технических требованиях к перспективному грузовому тепловозу для БАМ упор делается на локомотивы с тяговой электропередачей переменного тока с асинхронными тяговыми электродвигателями с короткозамкнутым ротором (АТДКЗР). Сделано это не случайно. Согласно мировому, а теперь и отечественному опыту [1, 2, 18] эксплуатации тепловозов с АТДКЗР, эти локомотивы обладают следующими неоспоримыми преимуществами:

- благодаря "жестким" характеристикам АТДКЗР тяговое усилие реализуется более полно, практически на пределе сцепления колеса с рельсом;

- за счет повышения КПД двигателей и преобразователей энергии на 5 - 10% увеличен КПД электропередачи;

- мощность асинхронного тягового двигателя, по сравнению с коллекторным, больше на 30 - 50% при сохранении массо - габаритных показателей;

- уменьшается расход ряда дорогостоящих металлов (меди, например, в 2 -2,5 раза);

- существенно снижается трудоемкость обслуживания локомотивов;

- при применении АТДКЗР и тяговых преобразователей сокращается число быстро изнашиваемых аппаратов и узлов (исключается щеточно-контактный узел тяговых двигателей, поездные контакторы, тормозные переключатели, контакторы ослабления поля, реверсор).

Вместе с тем, использование АТДКЗР требует решения ряда проблем, связанных с их конструктивными особенностями и повышением удельной мощности. Например, к таким проблемам можно отнести наличие в спектре электромагнитного момента АТДКЗР высших гармонических составляющих, крутильные колебания в тяговом тракте, провоцируемые боксованием и юзом, что приводит к возникновению усталостных явлений в механических элементах тягового привода и преждевременному их износу. Неблагоприятное влияние указанных факторов может быть снижено за счет схемных решений или применения специальных алгоритмов управления тяговым преобразователем, а также оптимальным конструированием узлов механической части тягового привода. При этом, для оценки эффективности выполненных конструктивных решений, в процессе испытаний экипажной части тепловозов необходимо иметь в своем распоряжении инструмент, позволяющий одновременно регистрировать электромагнитный момент тяговых электродвигателей и механические возмущения, возникающие в узлах тяговой передачи, в том числе и со стороны инфраструктуры.

Как показывает практика, решение возникающих вопросов в процессе эксплуатации оказывается очень трудоемкой и весьма дорогостоящей. В настоящее время большие возможности открываются при использовании современных инструментов компьютерного математического моделирования в процессе выполнения проекта, особенно при изучении нестационарных процессов, происходящих в узлах локомотива. Корректная оценка процессов, происходящих в тяговом асинхронном электроприводе во всех режимах его работы позволяет на начальных стадиях проектирования разработать технические решения, обеспечивающие заданную надежность локомотива и более полное использование преимуществ АТДКЗР.

Цели работы и основные задачи исследования.

Основной целью данной работы является совершенствование алгоритма управления автономным инвертором напряжения (АИН) тягового преобразователя питания асинхронных электродвигателей тепловоза, обеспечивающего снижение динамических потерь в АИН, повышение тяговых и противобоксовочных свойств локомотива.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- теоретическое сравнение существующих алгоритмов формирования выходного напряжения двухуровневого инвертора и определение необходимых требований для их совершенствования;

- совершенствование и исследование на компьютерной модели алгоритма прямого цифрового регулирования фазных токов асинхронных тяговых электродвигателей с регулируемой частотой коммутации силовых полупроводниковых приборов;

- совершенствование алгоритма защиты от боксования и юза колесных пар тепловоза;

- разработка метода и аппаратуры для обеспечения мониторинга динамических процессов в тяговом электроприводе;

- стендовые и эксплуатационные испытания разработанных алгоритмов в составе системы автоматического управления тяговым преобразователем.

Методы исследования.

Для решения поставленных в работе задач использовались следующие методы:

- анализ мирового опыта в разработке алгоритмов управления асинхронными электродвигателями;

- методы компьютерного моделирования силовых преобразователей частоты и напряжения;

- теория построения цифровых систем управления;

- математический анализ экспериментальных данных, полученных при стендовых и эксплуатационных испытаниях разрабатываемых алгоритмов.

Для измерения и сохранения экспериментальных данных в АО «ВНИКТИ» был разработан специализированный высокочастотный регистратор, обеспечивающий непрерывную в течении 5 суток на SD карту памяти запись 16-ти аналоговых параметров с частотой 2кГц. Для обработки результатов измерений использовались программные комплексы WinПОС и MatLab. Создание математической модели проводилось в программном комплексе Simulink.

Структура диссертационной работы

Представленная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, библиографического списка, включающего 71 наименование. Основное содержание диссертации изложено на 123 страницах, содержит 54 рисунка и 7 таблиц.

В первой главе рассматривается мировая и отечественная истории развития тепловозов с асинхронным тяговым электроприводом, описывается тяговая электропередача первого отечественного серийного тепловоза с АТДКЗР серии 2ТЭ25А. Выполнено подробное описание работы объединенного регулятора мощности дизель - генераторной установки. Обозначены основные требования к

перспективному методу управления автономным инвертором напряжения тягового преобразователя.

Во второй главе проводится сравнительный анализ существующих алгоритмов регулирования токов в трехфазных нагрузках при их питании от двухуровневого преобразователя напряжения. Приводятся достоинства и недостатки существующих методов применительно к задаче управления тяговым электроприводом на базе асинхронных электродвигателей.

В третьей главе приводится подробное описание используемой компьютерной модели асинхронного тягового электропривода, адаптированной под электропередачу тепловоза серии 2ТЭ25А. Раскрыта суть предлагаемого метода - прямое цифровое регулирование фазными токами АТДКЗР со встроенным регулятором ширины токового гистерезиса. Помимо теоретического описания, так же в данной главе приводится пример использования разработанного метода в составе системы автоматического управления тяговым преобразователем.

В четвертой главе приведены основные результаты стендовых и эксплуатационных испытаний разработанного метода при управлении мощными тяговыми электроприводами, в том числе в нестационарных режимах работы. Описана работа системы защиты от боксования и юза колесных пар.

Научная новизна результатов диссертации

Выполнено совершенствование алгоритма прямого цифрового регулирования фазных токов асинхронных тяговых электродвигателей обеспечивающего:

- снижение динамических потерь в инверторе напряжения за счет регулирования ширины петли токового гистерезиса;

- снижение уровня пульсаций электромагнитного момента асинхронного тягового электродвигателя.

Выполнена доработка компьютерной математической модели асинхронного тягового электропривода, позволяющая изучать влияние различных алгоритмов управления тяговым преобразователем на динамические свойства электропривода.

Разработана методика и программное обеспечение для измерения и регистрации электромагнитного момента асинхронного тягового двигателя в условиях реальной эксплуатации тепловозов.

Практическая ценность работы

Применение модифицированного алгоритма с улучшенными динамическими качествами позволило повысить тяговые и противобоксовочные свойства тепловоза.

Результаты исследований, выполненных в данной работе, реализованы в алгоритмах систем управления тяговыми преобразователями тепловозов серии 2ТЭ25А.

Результаты исследований так же могут быть использованы при построении системы управления тяговым электроприводом перспективного тепловоза для БАМ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- алгоритм прямого цифрового регулирования фазными токами асинхронных тяговых электродвигателей со встроенным регулятором ширины токового гистерезиса, обеспечивающий минимизацию динамических потерь в автономном инверторе напряжения тягового преобразователя;

- усовершенствованный алгоритм защиты от боксования и юза колесных пар позволивший обеспечить устойчивую реализацию тепловозом силы тяги во всем диапазоне скоростей, в том числе при неблагоприятных условиях сцепления.

- разработанный программно - аппаратный комплекс, обеспечивший изучение динамических свойств тягового электропривода (исследовать пульсации электромагнитного момента) в условиях реальной эксплуатации тепловоза.

Публикации и апробация работы.

Основные положения диссертационной работы изложены в шести печатных работах, две из них - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Публикации в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Российской Федерации и приравненные к ним:

1) Бенькович Н.И. Асинхронный тяговый привод перспективного тепловоза для восточного полигона российских железных дорог / Н.И. Бенькович, И.А. Ролле // Электроника и электрооборудование транспорта 2018 № 2 - С. 35-38;

2) Бенькович Н.И. Система автоматической регистрации параметров тягового электропривода тепловозов 2ТЭ25А / Н.И. Бенькович, К.С. Перфильев, П.Л.Чудаков, А.А. Плешаков // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2012. № 2 (64) - С. 133138.

3) Патент RU2674998 Электрическая передача электровоза / Ю.И. Клименко, Н.А. Кузнецов, К.С. Перфильев, Я.В. Чупин, Н.И. Бенькович // 14.12.2018г.

Другие публикации по теме диссертации:

1) Бенькович Н.И. Тепловозы 2ТЭ25А на БАМе / Н.И. Бенькович, Ю.В. Бабков, Г.Ф. Кашников, Ю.И. Клименко, К.С. Перфильев //Локомотив. 2018. № 10 (742) - С. 29-31;

2) Бенькович Н.И. Особенности эксплуатации тяговых и вспомогательных преобразователей на тепловозах серии 2ТЭ25А / Н.И. Бенькович, К.С. Перфильев, А.А. Плешаков // Сборник материалов II Международной научно - технической конференции Локомотивы XXI век, Санкт - Петербург, 2014 - С. 111-115;

3) Бенькович Н.И. Выбор типа локомотива для дальневосточного полигона с учетом опыта эксплуатации тепловозов 2ТЭ25А «Витязь» / Н.И. Бенькович, К.С. Перфильев, Ю.В. Бабков, Ю.И. Клименко // Сборник материалов VI Международной научно - технической конференции Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век, Санкт - Петербург, 2018 - С. 206-213;

4) Бенькович Н.И. Измерительно-вычислительный комплекс «АРГУС» / Н.И. Бенькович, В.Ю. Евсеев, А.А. Плешаков // Сборник материалов VIII Международного симпозиума Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и

высокоскоростного железнодорожного транспорта (Элтранс-2015) VIII международный симпозиум, Санкт - Петербург, 2017 - С. 34-42

Основные положения диссертационной работы были доложены на следующих научно - технических конференциях:

- Международная научно-практическая конференция «Транспорт: наука, образование, производство» («Транспорт-2019») 23 - 26 апреля 2019 г., Ростов-на-Дону;

- VI Международная научно-техническая конференция «Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век», 13-15 ноября 2018г., Санкт-Петербург

- XIX Всероссийская Научно-практическая конференция «безопасность движения поездов», 8 - 9 ноября 2018г., Москва;

- IX Международный симпозиум «Прорывные технологии электрического транспорта Элтранс - 2017» 18-20 октября 2017г, Санкт-Петербург;

- VIII Международный симпозиум «Элтранс-2015», 7-9 октября 2015г., Санкт-Петербург.

Глава 1. Российский и мировой опыт создания тепловозов с асинхронным тяговым электроприводом

1.1.Мировой опыт постройки тепловозов с тяговым электроприводом

переменного тока.

Производство локомотивов с асинхронным тяговым электроприводом (АТЭП) было начато в 70-е годы прошлого века швейцарской фирмой "ВВС", которая первая приступила к стендовым испытаниям первого промышленного образца тягового преобразователя и двигателя, которые затем были установлены на опытном тепловозе ББ2500. После проведения всесторонних испытаний началось внедрение АТЭП на тепловозах. Этапы разработки тепловозов с АТЭП в мире представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Год выпуска Серия локомотива Производитель Мощность, кВт Количество выпущенных секций

Маневровые тепловозы

1971 ББ2500 ВВС 1840 3 (опыт)

1976 Лш6/6 ВВС 1840 6

1977 БББ 1000/500 ВВС 475 6

1980 ББ501 ВВС 500 20

1981 ББ500 81ешеш 500 20

1981 БББ 81ешеш 500 1

1981 ББ1002 ВВС 1320 16

1981 Б461 81ешеш 700 5

1981 БББ 700 81ешеш 70 5

1983 Б145 ВВС 850 62

1984 ББ1003 ВВС 2 х 510 4

1986 ME07 BBC 785 40

1986 311 Siemens 785 61

1988 DE6400 ABB 1180 120

1991 EDE 1600 Siemens 560 2

1992 ME10 ABB 940 10

Магистральные тепловозы

1981 Di4 BBC 2800 5

1988 F69PH AC Siemens 2260 2

1990 DE1024 ABB 2650 3

1990 SD60M AC Siemens 2835 4

1992 38 Siemens 780 50

1992 DF200 Hitachi 2 x 1250 4

1993 SD70M AC Siemens 2985 560

1995 SD80M AC Siemens 3730 48

1995 AC4400 CW GE 3282 2548

1996 AC33C GE 2460 30

1996 SD90M AC Siemens 4476 210

1996 AC6000 CW GE 4662 238

1996 DE2000 ADtranz 2100 -

1997 DE30 AC Siemens 2240 23

1997 DM30 AC Siemens 2240 18

1998 2016(Hercules) Siemens 2000 70

1999 DM30 AC Siemens (GETS) 2240 450

1999(IGBT) DF4DAC №8001 Siemens опытный

1999(IGBT) SD70MAC EMD опытный -

2000(IGBT) DM30 AC Siemens (GETS) 2240 346

2002(IGBT) ES44AC GE 3236 Более 5000

2009(IGBT) ES44C4 GE 3236 Более 300

Начиная с 1990 г. наблюдается активный рост количества тепловозов с АТЭП, особенно на железных дорогах США, где тепловозы являются основным типом локомотивов [35]. BN стала первой железной дорогой Америки, начавшей внедрение таких тепловозов. В 1993г. она заказала заводу General Motors (GM) 350 грузовых тепловозов SD70MAC мощностью 2940 кВт с АТЭП. К концу 1994г. в эксплуатации находилось 130 указанных локомотивов, количество которых в последующем было доведено до 436.

При этом число тяговых секций при вождении тяжеловесных поездов уменьшилась с 5 до 3. В 1997г. заводом GM построен более мощный (6400 л. с) шестиосный магистральный локомотив с АТЭП SD90MAC [35]. До 900 кН увеличена сила тяги в режиме трогания. Теперь для ведения поезда массой 11400 т по ровному участку пути достаточно одной секции SD90MAC, в то время как ранее, требовалось четыре секции SD40-2. Достигнутая при этом скорость составляла 65 км/ч. В первом исполнении электропередача тепловоза SD90MAC была спроектирована с групповым подключением ТЭД. После выявления определенных преимуществ независимого подключения ТЭД электропередача указанного тепловоза была переведена на поосное регулирование.

Фирма General Electric (GE) в 1994-1995 г.г. на железной дороге CSX Transportation (CSXT) выполнило поставку шестиосных тепловозов AC4400CW (мощность 3284 кВт) и AC6000CW (мощность 4500 кВт). К концу 1994г. CSXT заказало заводу GE 197 тепловозов типа AC4400CW и 53 AC6000CW. Кроме этого, завод GE получил заказы на 347 тепловозов AC4400CW и от других дорог США.

Тепловозы, появившиеся на рубеже XXI века, определили тенденции развития тягового электропривода локомотивов на железных дорогах мира на

ближайшее десятилетие. Наиболее заметные в этом ряду являются магистральные тепловозы АС6000 (General Electric), SD90MAC (EMD General Motors), универсальный тепловоз Blue Tiger концерн заводов Adtranz и GE, а также грузопассажирские тепловозы компании Siemens серия 2016 (Hercules) для железных дорог Германии и Словении.

Семейство тепловозов нового поколения родилось под названием Blue Tiger (разработка совместного концерна заводов Adtranz и GE на базе новейших научных и технических достижений). Основные параметры тепловозов Blue Tiger:

- нагрузка на ось 18 ^ 25 т.;

- масса 108 ^ 150 т.;

- конструкционная скорость 120 ^ 200 км/ч;

- мощность по дизель - генераторной установке 2200 ^ 4400 л. с.;

- мощность реостатного тормоза 1720 ^ 3720 кВт.

Применение асинхронных тяговых электродвигателей типа GEB15A4 (взамен электропередачи постоянного тока) позволило увеличить силу тяги на 60%, электродинамического торможения на 56% при прочих идентичных условиях. На локомотивах данной серии тяговые электродвигатели питаются независимо от отдельного преобразователя. Таким образом было реализовано поосное управление силой тяги.

Алгоритм электродинамического тормоза тепловоза позволил реализовать его эффективную работу на скоростях до 1 км/ч. При этом обеспечивалось регулирование силы торможения на максимально возможном в данных поездных условиях уровне.

В тоже время компания Alstom начала выпуск маневровых и магистральных локомотивов с АТЭП и поставок их на Европейские железные дороги. Их конструкция основана на применении типовых модулей.

В типовой ряд входят: магистральные тепловозы переменно - постоянного тока мощностью 2386 кВт в четырех- и шести- осном исполнениях; шестиосные магистральные тепловозы с электропередачей переменно - переменного тока

(мощность 2400, 2370 и 3207 кВт); маневровый тепловоз с четырехосной электропередачей переменно - переменного (мощность 920 кВт).

1.2.Развитие тягового электропривода на Российских железных дорогах

Научная база в теории управления тяговыми электроприводами с АТД была заложена в работах советских ученых 1958 - 1970х годов А.Е. Алексеева, Б.Н. Техменева. Первый практический опыт получен в тот же период в депо Ленинград-Варшавский, где на базе разработок сотрудников ЛИИЖТа проводилась модернизация тепловоза ВМЭА1-024 [8]. В рамках данной работы была выполнена заменена тяговых двигателей на асинхронные, а вместо тягового генератора постоянного тока был установлен синхронный генератор. Питание тяговых электродвигателей осуществлялось от тиристорного преобразователя. Разработка тяговых преобразователей частоты, тяговых асинхронных электрических машин и алгоритмов управления электропередачей была продолжена при создании тепловоза ТЭ120. Опыт, полученный при проведении указанных исследовательских работ отражен в трудах Н.П. Семенова, А.Т. Буркова, В.В. Стрекопытова, А.С. Мазнева, А-Я. Ю. Пармаса и др.

Уже в постсоветский период, с момента появления современной силовой полупроводниковой электроники, весомый вклад в развитие преобразовательной техники, теорию управления асинхронными электродвигателями, а также исследованию взаимного влияния электромагнитных и механических процессов в электроприводе занимались ученые под руководством П.Г. Колпахчьяна, А.А. Зарифьяна, В.Ф. Козаченко, Г.А. Федяевой, Ю.В. Бабкова, К.С. Перфильева, Ю.И. Клименко, Д.Л. Киржнера, Д.Ю. Погорелова и др.

Первым в России, и на данный момент единственным серийным магистральным тепловозом с электропередачей мощности переменно -переменного тока является тепловоз серии 2ТЭ25А. Локомотивы данной серии начали эксплуатироваться в локомотивном депо (далее л.д.) Тында с 2011г. и на текущий момент их количество насчитывает 55 единиц, общий пробег составляет

более 32 млн. км. 2ТЭ25А полностью создан на отечественной технологической базе, при освоении его производства отработаны следующие инновационные технические решения:

- отечественный V-образный дизель типа Д49 производства ОАО «Коломенский завод» с электронным впрыском топлива,

- трехосные тележки с радиальной установкой колесных пар, опорно-осевым маятниковым подвешиванием АТДКЗР, двухступенчатым рессорным подвешиванием и догружателями на крайних осях,

- новый тяговый агрегат АСТГ2 2800/400-1000У2;

- статические тяговые и вспомогательные преобразователи;

- электродинамический тормоз со встроенным охлаждением нагрузочных резисторов;

- винтовой маслонаполненный компрессор повышенной производительности;

- система управления, диагностики и защиты, реализованная на базе программно-аппаратного микропроцессорного комплекса (МПСУ) [4, 5].

Этапы разработки тепловозов с АТЭП в СССР и России представлены в таблице 1.2 [28].

Таблица 1.2. Первые отечественные тепловозы с асинхронным электроприводом

Год Тип тепловоза Мощность, кВт Изготовители и разработчики

1969 ВМЭ-1 № 024 441,3 ЛИИЖТ, НИИЭТМ

1975 ТЭ120 2940 Лугансктепловоз, ЛИИЖТ НПО «Электротехника», г.Таллин

1990 2ТЭ137 2х2940 Лугансктепловоз НПО «Электротехника», г.Таллин

1999 ТЭМ2 № 282 1103 ЗАО «УК «БМЗ», ОАО «ВНИКТИ»

2001 ТЭМ21 1103 ЗАО «УК «БМЗ», ОАО «ВНИКТИ»

2006 2ТЭ25А 2х2500 ЗАО «УК «БМЗ», ОАО «ВНИКТИ»

2011 ТЭМ9Н 882 ОАО «Синара-Транспортные машины»

2013 ТЭМ35 571 ЗАО «Трансмашхолдинг»,

Постройка тепловоза 2ТЭ25А стала возможна с появлением на российском рынке высоковольтных ЮВТ-транзисторов. Существенные преимущества применения ЮВТ-модулей следующие:

- низкое потребление энергии цепями их управления, доступная стоимость их изготовления;

- высокая коммутационная мощность;

- увеличенная, по сравнению с GTO-тиристорами частота переключения, что снижает динамические потери;

- устойчивость к коротким замыканиям;

- количественное снижение компонентов преобразователя.

Эти преимущества ЮВТ-модулей позволили создать надежный тяговый преобразователь для питания асинхронных тяговых двигателей. Серийное производство тепловозов 2ТЭ25А позволило улучшить показатели работы ОАО «РЖД»:

- увеличение мощности АТДКЗР позволяет поднять расчетную скорость и длительную силу тяги локомотивов, общую массу перевозимого груза;

- сокращение времени на техническое обслуживание электрооборудования;

- общее повышение надежности локомотива из-за снижения количества изнашиваемых деталей и узлов: достаточно много переключателей и контакторов исключается и замещается IGBT - модулями, реализуется бесконтактная система электродинамического торможения и реверс;

- благодаря "жестким" характеристикам АТДКЗР тяговое усилие реализуется более полно, практически на пределе сцепления колеса с рельсом, благодаря чему снижается расход песка, износ бандажей и рельсов.

1.2.1. Особенности тяговой электропередачи тепловоза 2ТЭ25А «Витязь»

В 2006г. на АО «УК «БМЗ» совместно с АО «ВНИКТИ» был построен новый двухсекционный магистральный грузовой тепловоз 2ТЭ25А-001 с асинхронными тяговыми двигателями, получивший имя «Витязь». В 2007г. этот тепловоз успешно прошел предварительные испытания был передан в локомотивное депо Брянск-2 Московской ж/д для проведения эксплуатационных испытаний.

Анализ современных концепций развития отечественного и зарубежного тепловозостроения позволили применить при разработке силовой схемы тепловоза 2ТЭ25А "Витязь" ряд новых и перспективных решений, применение которых дало возможность получить технико-экономические показатели на уровне современных зарубежных аналогов.

На данном тепловозе применено электрическое оборудование со следующими ключевыми особенностями:

- взамен тягового и вспомогательного генераторов установлен совмещенный тяговый агрегат АСТГ2-2800/400;

- установлены тяговые электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором;

- для питания АТДКЗР используются тяговые преобразователи частоты на ЮВТ-модулях (ТП). Система управления тяговыми преобразователями связана с микропроцессорной системой управления МПСУ тепловоза по последовательному каналу связи ЯБ-422;

- в приводах вспомогательных установок так же применены асинхронные электродвигатели, питание которых осуществляется от вспомогательных преобразователей. Таким образом реализуется плавное управление вспомогательными нагрузками тепловоза;

- так же на тепловозе реализован электродинамический тормоз;

- при длительном отстое при отрицательных температурах имеется возможность прогрева теплоносителей дизеля от внешнего деповского источника энергии.

Многофункциональная микропроцессорная система управления обеспечивает также выполнение следующих функций:

1) управление тяговыми преобразователями:

а) регулирование частоты вращения АТДКЗР;

б) реализация алгоритма противобоксовочной защиты в режиме тяги, с отображением соответствующей индикации на дисплее машиниста;

в) реализация алгоритма противоюзной защиты в режиме электродинамического торможения, с отображением соответствующей индикации на дисплее машиниста;

г) защита от совместной работы электродинамического и пневматического тормозов;

д) защита тяговых цепей от недопустимого снижения сопротивления изоляции;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бенькович Никита Игоревич, 2020 год

Библиографический список

1. Андрющенко А.А. Оценка энергетической эффективности электровоза с асинхронным тяговым приводом методами компьютерного моделирования [Текст] / А.А. Андрющенко, А.А. Зарифьян, П.Г. Колпахчьян Тезисы докладов III Научно-технического 134 семинара «Компьютерное моделирования в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ» - Брянск БГТУ -2016г. - с. 9-11.

2. Андрющенко А.А. Повышение энергетической эффективности пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом [Текст] / А.А. Андрющенко, А.А. Зарифьян, П.Г. Колпахчьян - Известия Петербургского университета путей сообщения - Санкт - Петербург- 2015г. - № 4. - с. 5-14.

3. Асанов А.З. Многоуровневые трехфазные автономные инверторы напряжений [Текст] / А.З. Асанов, Э.А Романовский - Электричество - 2002г. - №12 - с.42-51.

4. Бабков Ю.В. Магистральный тепловоз 2ТЭ25А: Структура системы управления и электрооборудования [Текст] / Ю.В. Бабков, Ю.И. Клименко, К.С. Перфильев, П.Л. Чудаков, В.А. Линьков - Локомотив - 2012г. - №7. - с.28-32.

5. Бабков Ю.В. Способ управления асинхронным тяговым двигателем [Текст] / Ю.В. Бабков, Ю.И. Клименко, Н.А. Кузнецов, К.С. Перфильев, И.В. Романов, П.Л. Чудаков - патент на изобретение RUS 2010153901 - 2010г.

6. Бенькович Н. И. Асинхронный тяговый привод перспективного тепловоза для Восточного полигона российских железных дорог [Текст] / Н.И. Бенькович, И.А. Ролле, к. т. н. - Электроника и электрооборудование транспорта - Санкт - Петербург - 2019г. - №2 - стр. 35-38.

7. Боченков Б.М. Оптимизация электропривода переменного тока по векторному критерию качества[Текст] / Б.М. Боченков, Ю.П. Филюшов -Электротехника - 2007г. - № 8 - с. 13-17.

8. Бурков А.Т. Управление электроэнергетическими процессами локомотивов с асинхронным приводом [Текст] / диссертация доктора технических наук - Ленинград - 1982г.-182с.

9. Войнова, Т.В. Математическая модель для исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта регулирования и для прямого процессорного управления [Текст] / Т.В. Войнова - Электротехника

- 1998г. - №6 - с.51-61.

10. Гарганеев А.Г. Энергосберегающая модификация векторного управления асинхронного двигателя [Текст] / А.Г. Гарганеев, А.Т. Яровой, Л.Ю. Бабушкина, А.С. Каракулов, С.В. Ланграф, А.А. Расстригин - Известия Томского политехнического университета - Томск - 2005.- №7.- c. 130-134.

11. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах [Текст] / Т.А. Глазенко, Р.Б. Гончаренко - Энергия - Ленинград -1969г. - 184с.

12. Грабовецкий Г.В. Анализ электромагнитных процессов в силовых цепях вентильных преобразователей частоты с непосредственной связью [Текст] /

- Устройства преобразовательной техники - Киев - 1969г. - №2 - с.12-15.

13. Грабовецкий Г.В. Применение коммутационных функций для расчета электромагнитных процессов в вентильном преобразователе частоты с питанием от источника однофазной ЭДС [Текст] / Г.В. Грабовецкий - Преобразовательная техника - Новосибирск - 1969г. - №41 - с.12-18.

14. Зарифьян А.А. Асинхронный тяговый привод локомотивов [Текст] / Москва - 2010г. - 412с.

15. Калачев Ю.Н. Векторное регулирование (Заметки практика) [Текст] / Ю.Н.Калачев - Эфо - Москва - 2013г. - с.13 - 15.

16. Карташов Р.П Расчет квазиустановившихся процессов в системе ключевой преобразователь- источник конечной мощности [Текст] / Р.П Карташов

- Проблемы технической электродинамики - 1976г. - №57 - с. 15-21.

17. Киржнер Д.Л. Моделирование электромагнитных процессов в асинхронном тяговом приводе маневрового тепловоза [Текст] / Д.Л. Киржнер -Труды ВНИТИ - 1990г. - №71.

18. Киржнер Д.Л., Электромагнитная совместимость статических преобразователей частоты вагонов метрополитена с асинхронными тяговыми двигателями с системами сигнализации, централизации, блокировки и

автоматического регулирования скорости [Текст] / Д.Л. Киржнер - диссертация кандидата технических наук - 1986г. - 299с.

19. Клименко Ю. И. Исследование электропривода с изменяемой жесткостью тяговой характеристики [Текст] / Ю. И. Клименко - диссертация кандидата технических наук - ПГУПС - 2004г.

20. Ковчин С.А., Ю.А. Сабинин. Теория электропривода [Текст] / С.А. Ковчин, Ю.А. Сабинин - Энергоатомиздат - 1994г. - 496с.

21. Козаченко В.Ф. Перспективная серия микроконтроллеров фирмы Texas Instruements F240x для систем цифрового управления двигателями [Текст] / В.Ф. Козаченко, C.C. Грибачев - CHIP NEWS «Инженерная микроэлектроника» - №9 -1999г. - с. 7-14.

22. Козаченко В.Ф. Создание серии высокопроизводительных встраиваемых микроконтроллерных систем управления для современного комплектного электропривода [Текст] / В.Ф. Козаченко - диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук - Москва - 2007г. - 326с.

23. Козаченко В.Ф. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями [Текст] / В.Ф. Козаченко, А. Темерев, Н.Обухов, А.Анучин, С. Трофимов - CHIP NEWS «Инженерная микроэлектроника» - 2002г. - №4 - с. 24-30.

24. Козярук А.Е. Методы и средства повышения энергоэффективности машин и технологий с асинхронными электроприводами [Текст] / А.Е. Козярук, Б.Ю. Васильев - Вестник ЮУрГУ - 2015г.- №1 - с.47-53.

25. Конохов Д.В., Федяева Г.А. Моделирование системы энергоэффективного регулирования асинхронного электропривода с прямым управлением моментом [Текст] / Д.В. Конохов, Г.А. Федяева - Тезисы докладов I Международной научно-практической конференции «САПР и моделирование в современной электронике» - БГТУ - 2017г. - с. 203-207.

26. Космодамианский А.С. Системы скалярного управления тяговым асинхронным двигателем [Текст] / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А Пугачев - Электротехника - 2016г.- №9- с.44-50.

27. Кривицкий С.О. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами [Текст] / С.О. Кривицкий, И.И. Эпштейн - Энергия -1970г. - 152 с.

28. Лисицын А.Л. Нестационарные режимы тяги. Тяговое обеспечение перевозочного процесса [Текст] / А.Л. Лисицын, Л.А. Мугинштейн - Интекст -1996г. - с.158.

29. Локтева И.Л. Принципы построения систем управления обобщенной машиной переменного тока [Текст] / Г.Б. Онищенко, Т.В. Плотникова -Автоматизированный электропривод - Энергия - 1980г. - с.280-284.

30. Мещеряков В.Н. Оптимизация взаимного положения векторов тока статора и магнитного потока асинхронного двигателя при векторном управлении [Текст] / В.Н. Мещеряков П.Н. Левин - Электромеханика - 2006г. - №1.

31. Панкратов В.В. Векторное управление асинхронными электроприводами [Текст] / В.В. Панкратов - учеб. пособие - НГТУ - 1999г. - 66 с.

32. Панкратов В.В. Векторный широтно-импульсный преобразователь напряжения для электроприводов переменного тока. [Текст] / В.В. Панкратов -Электропривод и автоматизация объектов водного транспорта - НГТУ - 1993г. - с. 111-120.

33. Панкратов В.В. Методы синтеза систем автоматического управления электроприводами переменного тока, малочувствительных к изменениям параметров [Текст] / В.В. Панкратов - диссертация доктора технических наук -НГТУ - 1997г.

34. Панкратов В.В. Учет кривой намагничивания асинхронного двигателя в задачах энергооптимизации частотно-регулируемых электроприводов. Экологически перспективные системы и технологии [Текст] / В.В. Панкратов -сборник научных трудов НГТУ - 1998г. - №2. - с. 110 - 117.

35. Перфильев К.С. Обоснование выбора параметров тягового преобразователя перспективных тепловозов с электрической передачей переменного тока [Текст] / К.С. Перфильев - диссертация кандидата технических наук - ПГУПС - 2005г. - 167с.

36. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых приводах [Текст] / А.Д. Поздеев - ЧувГУ - 1998г. с 172.

37. Пугачев А.А. Минимизация мощности потерь в электроприводе со скалярной системой управления асинхронным двигателем [Текст] / А.А. Пугачев -Вестник Череповецкого государственного технического университета - 2015г.- №3

- с.32-37.

38. Рамадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы [Текст] / Ш.М. Рамадзе - Высшая школа - Москва - 1967г. - 256 с.

39. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением [Текст] / В.В. Рудаков В.В., И.М. Столяров, В.А. Дартау - Энергоатомиздат -Ленинград - 1987г. - 136 с.

40. Синюкова Т.В. Системы частотного асинхронного электропривода с корректирующими элементами и прямым управлением моментом [Текст] / Т.В. Синюкова - диссертация кандидата технических наук - Санкт-Петербург -СПбГЭУ - 2015г. - 166 с.

41. Стратегия научно-технического развития холдинга «Российские железные дороги» на период до 2025 года и перспективу до 2030 года «Белая книга» [Текст] - 2018г. - 128с.

42. Федяева Г.А. Управление тяговым электроприводом на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавление фрикционных автоколебаний [Текст] / Г.А. Федяева, С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев, А.Н. Тарасов - вестник Восточноукраинского НУ - №4. - Луганск - 2011г. - с. 31-36.

43. Федяева Г.А. Система регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами [Текст] / Г.А. Федяева , А.Н. Тарасов, Т.В. Сморудова, Д.В. Конохов - патент на полезную модель RUS 161280 - 2014г.

44. Федяева Г.А. Частотно-токовая система релейно-векторного управления асинхронным электроприводом механизма передвижения мостового крана [Текст] / Г.А. Федяева, Т.В. Сморудова, Д.В. Кочевинов, Д.В. Конохов. -Вестник БГТУ - 2015г. - №4(48) - с. 91-99.

45. Филин Ю. И. Способ оптимального регулирования тягового электропривода автономного транспортного средства с асинхронными тяговыми электродвигателями [Текст] / Ю.И. Филин, М.Ю. Кузнецов - патент на изобретение

- RUS 2013149015.

46. Цветков П.Е. Разработка и исследование систем асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением для насосных механизмов [Текст] / П.Е. Цветков - диссертация кандидата технических наук - Липецк - ЛГТУ, 2014г. - 163 с.

47. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами [Текст] / Р.Т. Шрейнер, Ю.А. Дмитренко - Кишинев - Штиинца

- 1982г. - с 223.

48. Шубенко В.А. Оптимизация частотно -управляемого асинхронного электропривода по минимуму тока [Текст] / В.А. Шубенко, Р.Т. Шрейнер, В.А. Мищенко - Электричество - 1970г. - № 9 - с.23-26.

49. Aldabas E. Software-based digital hysteresis-band current controller [Текст] / E. Aldabas, L. Romeral, A. Arias, M. G. Jayne - Proc. Electric Power Appl - 2006г. с.184-190.

50. Choi J. H. Improved digital control scheme of three phase UPS inverter using double control strategy [Текст] / J. H. Choi J. H, B. J. Kim - Proc. APEC - 1997г. -с.820-824.

51. Choi J. W New current control concept - Minimum time current control in 3-phase PWM converter [Текст] / J. W. Choi, S. K. Sul - Conf. Rec. IEEE PESC - 1995г.

- с.332-338.

52. Enjeti P. A novel current controlled PWM inverter for variable speed AC drives [Текст] / P. Enjeti, P. D. Ziogas, J. F. Lindsay, M. H. Rashid - Conf. Rec. IEEE-IAS AHPu Meeting - Denver - 1986г. - с.235-243.

53. Habetler T. G. Performance characterization of a new discrete pulse modulated current regulator [Текст] / T. G. Habetler, D. M. Divan - Conf. Rec. IEEE-IAS AHPu Meeting - Pittsburgh - 1988г. - с.395-405.

54. Holtz J. Fast current trajectory tracking control based on synchronous optimal pulsewidth modulation [Текст] / J. Holtz, B. Bayer - IEEE Trans. Ind. Applicat

- №31 - 1995г. - с.1110-1120.

55. Lorenz R. D. Dynamic analysis and experimental evaluation of delta modulators for field oriented AC machine current regulators [Текст] / R. D. Lorenz, D. M. Divan - in Conf. Rec. IEEE-IAS AHPu. Meeting - Atlanta - 1987г. - с.196-201.

56. Liu H.L., DSP based space vector PWM for three-level invertor with dc-link voltage balancing [Текст] / H.L. Liu, N.S. Choi - IEEE IECON Conf. Rec. - 1991г. -с.197-203.

57. Mertens A. Performance analysis of three phase inverters controlled by synchronous delta-modulation systems [Текст] / A. Mertens - IEEE Trans. Ind. Applicat.

- №30 - 1994г. - с.1016-1027.

58. Mohseni Mansour A New Vector-Based Hysteresis Current Control Scheme for Three-Phase PWM Voltage-Source Inverters [Текст] / Mansour Mohseni - IEEE Transactions on power electronics - №25 - 2010г. - с.2299 - 2309.

59. Ogasawara S. A novel PWM scheme of voltage inverter based on space vector theory [Текст] / S. Ogasawara, H. Akagi, A. Nabae - Proc. EPE Conf. - 1989г. -с.1197-1202.

60. Pan C. T. An improved hysteresis current controller for reducing switching frequency [Текст] / C. T. Pan, T. Y. Chang - IEEE Trans. Power Electron. - №9 - 1994г.

- с.97-104.

61. Perssen E. Adaptive tolerance band control of standby power supply provides load-current harmonic neutralization [Текст] / E. Perssen, N. Mohan, B. Ben Banerjee - Conf. Rec. IEEE PESC - Toledo - 1992г. - с.320-326.

62. Plunkett A. B. A current controlled PWM transistor inverted drive [Текст] / A. B Plunkett - Conf. Rec. IEEE-IAS AHPu. Meeting - 1979г. - с.785-792.

63. Rodriguez J. Nonlinear current control of an invertedfed induction machine [Текст] / J.Rodriguez, G. Kastner - ETZ Arch. - №9 - 1987г. - с. 245-250.

64. Rossi C. and A. Tonielli. Robust current controller for three-phase inverter using finite-state automation [Текст] / C. Rossi, A. Tonielli - IEEE Trans. Ind. Electron.

- №42 - 1995г.

65. Rowan T. M. A new synchronous current regulator and an analysis of current regulated PWM inverters [Текст] / T. M. Rowan, R. J. Kerkman - IEEE Trans. Ind.Applicat. - №IA-22 - 1986г. - с.678-690.

66. D. Schauder and R. Caddy. Current control of voltage-source inverters for fast four-quadrant drive performance [Текст] / D. Schauder, R. Caddy - IEEE Trans. Ind. Applicat - №IA-18 - 1982г. с.163-171.

67. Stefanutti W. Fully digital hysteresis modulation with switching-time prediction [Текст] / W. Stefanutti, P. Mattavelli - IEEE Trans. Ind. Appl. - №42 - 2006г. - с.763-769.

68. Tripathi A. Comparative analysis of fixed and sinusoidal band hysteresis current controllers for voltage source inverters [Текст] / A. Tripathi, P. C. Sen - IEEE Trans. Ind. Electron. - №39 - 1992г. - с.63-73.

69. Trzynadlowski A. M. An overview of modern PWM techniques for three-phase voltage controlled, voltage-source inverters [Текст] / A. M. Trzynadlowski - in Conf. Rec. IEEE ISIE - Warsaw - 1996г. - с.25-39.

70. Tungpimolrut K., M. Matsui, and T. Fukao. A simple limit cycle suppression scheme for hysteresis current controlled PWM-VSI with consideration of switching delay time [Текст] / K. Tungpimolrut, M. Matsui, T. Fukao - in Conf. Rec. IEEE-IAS AHPu. Meeting - 1992г. - с. 1034-1041.

71. Yao Q A simple, novel method for variablehysteresis band current control of a three phase inverter with constant switching frequency [Текст] / Q.A. Yao, D.G. Holmes - in Conf. Rec. IEEE-IAS AHPu. Meeting - 1993г. - с.1122-1129.