автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Анализ процессов в тяговом электроприводе электровоза с асинхронными тяговыми двигателями методами математического моделирования

7 -У л- 7 ' . \ « ! >

министерство общего и профессионального образования

российской федерации

южно-российскии государственный технический

УНИВЕРСИТЕТ (НПИ)

На правах рукописи

КОЛПАХЧЬЯН Павел Григорьевич

УДК 621:313:33.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ЭЛЕКТРОВОЗА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Ди сс ертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители -академик Российской академии транспорта доктор технических наук, профессор НИКИТЕНКО Александр Григорьевич

доктор технических наук, профессор ЗАРИФЬЯН Александр Александрович

Новочеркасск, 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ЭЛЕКТРОВОЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ............................................И

Выводы по первой главе.......................................................................23

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫБОР МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗА В НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ...........................................................................................................25

2.1. Постановка задач исследования................................................26

2.2. Общие вопросы исследования процессов в тяговом электроприводе электровоза.........................................................................27

2.3. Вопросы математического моделирования процессов в

системе тягового электроснабжения..........................................................30

2.4. Особенности математического моделирования процессов в

статических преобразователях.....................................................................33

2.5.0 математическом моделировании процессов в

электрических машинах................................................................................38

Выводы по второй главе.......................................................................42

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ТЭП ЭЛЕКТРОВОЗА.........................................................................43

3.1. Математическое моделирование асинхронных тяговых двигателей с помощью теории цепей..........................................................43

3.2. Математическое моделирование бесколлекторных тяговых

двигателей с сосредоточенными обмотками............................................63

3.2.1. Вывод уравнений, описывающих процессы в бесколлекторном тяговом двигателе............................................................63

3.2.2. Определение параметров бесколлекторных тяговых двигателей, необходимых для моделирования...........................................68

3.2.3. Определение параметров тягового двигателя НБ602............73

3.2.4. Определение параметров тягового двигателя НБ609............78

3.2.5. Примеры расчета процессов в АТД.........................................81

3.3. Математическое моделирование элементов системы

энергоснабжения, устройств преобразования энергии и системы управления........................................................................................................91

3.4. Экспериментальное подтверждение математических

моделей электрической части.....................................................................100

3.5. Определение оптимальных соотношений параметров

регулирования асинхронного тягового двигателя................................108

Выводы по третьей главе....................................................................114

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОВОЗА................................................................................116

4.1. Выбор расчетной схемы механической части........................116

4.2. Анализ структуры расчетной схемы.........................................117

4.3. Описание кинематики расчетной схемы................................122

4.4. Массо-инерционные характеристики тел, входящих в состав расчетной схемы............................................................................................132

4.5. Силовые факторы..........................................................................134

4.6. Формирование дифференциальных уравнений движения.... 136

4.7. Силы, возникающие в контакте "колесо - рельс".................142

Выводы по четвертой главе...............................................................155

5. АНАЛИЗ РАБОТЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ЭЛЕКТРОВОЗА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ. ...............................................................................................................................156

5.1. Структура тягового электропривода электровоза на базе

механической части электровоза ВЛ80СМ..............................................156

5.2. Анализ процессов в тяговом электроприводе электровоза при

изменении условий сцепления....................................................................163

5.3. Система защиты от боксования................................................169

5.4. Анализ процессов в тяговом электроприводе электровоза в стоповом режиме...........................................................................................181

Выводы по пятой главе......................................................................187

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ...................................................... 189

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................192

Введение.

Актуальность темы. Увеличение грузооборота железных дорог, а также дальнейший рост удельного веса электрифицированных участков делает актуальным совершенствование всех устройств электрической тяги и, в частности, электроподвижного состава (ЭПС).

Основные преимущества электрической тяги и перспективы её развития определяются в значительной мере параметрами электровозов, техническим совершенством их конструкции, надёжностью и долговечностью оборудования, удобством обслуживания и эксплуатации.

Одним из возможных направлений при решении задачи увеличения пропускной и провозной способности железных дорог является увеличение мощности локомотивов при сохранении существующей нагрузки от осей колесных пар на рельсы и без увеличения числа осей.

Мощность электровозов однофазного переменного тока с тяговыми двигателями (ТД) постоянного тока составляет около 800 кВт на движущую ось, их удельный вес 30-28 кг/кВт, мощность электровозов постоянного тока с ТД того же типа - 750 кВт на ось, удельный вес - 32-30 кг/кВт.

ТД с такими показателями не удовлетворяют требованиям к перспективному ЭПС. Их мощность ограничена линейной нагрузкой, величиной диаметра якоря и потенциальными условиями на коллекторе. При нагрузке от колесной пары на рельсы 23 т мощность ТД постоянного тока ограничена величиной 900 кВт. Решить задачу по созданию необходимого для перспективных электровозов двигателя мощностью 1000-1500 кВт на базе коллекторного двигателя, по-видимому, нереально. Поэтому задача создания тягового двигателя для перспективного ЭПС может быть разрешена на основе использования бесколлекторных тяговых двигателей (БКТД) со статическим преобразователем частоты и числа фаз. Наряду с увеличением мощности двигателей применение БКТД дает еще ряд технико-экономических пре-

имуществ, связанных с уменьшением удельного веса электрического оборудования и двигателя.

В то же время, использование БКТД усложняет привод и затрудняет его разработку, так как требуется учет целого ряда особенностей его работы в составе транспортных систем. Одним из наиболее эффективных средств снижения сроков разработки является применение на всех этапах методов математического моделирования.

При моделировании ЭПС железных дорог могут ставиться разные задачи, такие как анализ процессов в его отдельных элементах (например, в ТД, системе их питания и т.д.), оценка взаимодействия различных подсистем, анализ и синтез системы управления и т.д.. Кроме того, в последнее время актуальным стал вопрос о применении методов математического моделирования не только при разработке, но и при эксплуатации электроподвижного состава, например при функционировании микропроцессорной системы управления.

Наибольший интерес на этапе проектирования представляет анализ процессов, происходящих в системе при нестационарных режимах работы (разгон, торможение, боксование, юз). Применение для этого методов математического моделирования позволяет, с одной стороны, значительно сократить сроки и стоимость проектирования и, с другой - ответить на целый ряд вопросов до стадии макетирования или натурного моделирования. Для того, чтобы математическая модель (ММ) тягового электропривода (ТЭП) позволяла решать эти задачи, необходимо учитывать процессы в устройствах преобразования энергии, установленных на ЭПС, в ТД, в механической части, в месте контакта колесо-рельс.

В связи с этим актуальной является проблема создания ММ для анализа электромеханических и электромагнитных процессов в ТЭП. При этом наиболее рационально использование системного подхода к формированию моделей.

Отличительной чертой исследований с помощью ММ на этапе проектирования является необходимость рассмотрения большого количества вариантов структуры и параметров ТЭП. Для того, чтобы упростить и ускорить создание ММ для каждого из вариантов, необходимо построение моделирующей программы по модульному принципу, который заключается в представлении отдельных элементов привода в виде функционально законченных программных единиц. Отличительной чертой подобных моделей является то, что не все параметры ТЭП могут быть известны с достаточной точностью. Кроме того, исследования с помощью ММ могут вестись именно с целью определения или уточнения отдельных параметров. Поэтому особенно важным является вопрос о проверке адекватности используемых моделей, так как проведение экспериментальной проверки результатов моделирования в полном объеме чаще всего невозможно. Целесообразным является применение по возможности простых моделей, так как их усложнение в данном случае не всегда приводит к существенному повышению достоверности результатов моделирования и усложняет проведение численных экспериментов.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является изучение процессов в ТЭП электровоза с АТД для выработки практических рекомендаций, позволяющих обеспечить максимальное использование возможностей нового типа привода в различных режимах работы.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

- сформулированы требования к ММ ТЭП электровоза в целом и его отдельных подсистем;

- составлено математическое описание устройств преобразования электроэнергии, системы управления, механической части ТЭП электровоза с учетом сформулированных требований и разработаны программы математического моделирования ТЭП электровоза в целом;

- составлена компьютерная модель АТД на базе теории цепей, позволяющая изучать стоповые режимы, определены оптимальные параметры регулирования АТД нескольких типов;

- проведено аналитическое исследование электромеханических процессов в ТЭП электровоза с АТД при различных вариантах построения системы управления в следующих режимах: стоповый режим (трогание с места), наезд на масляное пятно одной или нескольких колесных пар.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. Решение сформулированных в диссертационной работе задач базируется на совместном моделировании процессов в электрической и механической частях ТЭП электровоза на основе современных методов и приемов математического моделирования электромеханических систем и их элементов. Теоретические исследования выполнены на основе положений теории электрических машин, теории электропривода, теории расчета электромагнитного поля, теории автоматического управления, современных методов динамики сложных механических систем.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждена сравнением их с результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна:

- определены оптимальные параметры регулирования АТД в стоповом и околостоповом режимах, позволяющие реализовывать наилучшие тягово-энергетические показатели ТЭП;

- предложены три варианта структуры системы управления ТЭП, с последующим выбором оптимальной с точки зрения обнаружения и ликвидации боксования на ранней стадии возникновения;

- определение параметров АТД, необходимых для построения ММ с использованием методов теории поля;

- установлено, что регулирование электромагнитного момента на валу АТД без значительного ухудшения энергетических показателей ТЭП можно

вести путем изменения скольжения при фиксированном для заданной частоты вращения ротора напряжении статора.

- для эффективной защиты от боксования скольжение ротора АТД не должно быть меньше 35 - 40% от величины, определяемой по и - образным диаграммам, а оптимальным по энергетическим показателям является значение 50%.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты работы, - программный комплекс, предназначенный для моделирования ТЭП в нестационарных режимах, рекомендации по выбору оптимальных параметров системы управления и регулирования АТД, - нашли применение в ОАО ВЭлНИИ и ОАО НЭВЗ при разработке новых типов электровозов с АТД, предусмотренных перспективным типажом.

Некоторые результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Электрические, электронные и микропроцессорные аппараты» ЮРГТУ (НИИ).

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением «Интеллектуальные электромеханические системы и комплексы».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Состояние и перспективы развития локомотивостроения» (Новочеркасск, 1994, 1997 г.г.), на международных рабочих совещаниях «Новые компьютерные технологии в системах управления» (Переславль -Залесский, 1995, 1996 г.г.), на второй международной конференции по нелинейным колебаниям (Прага, 1996 г.), на 15-м Всемирном конгрессе по научным вычислениям, моделированию и прикладной математике 1МАС8-97 (Берлин, 1997 г.), на третьей межвузовской конференции «Компьютеризация учебного процесса по электротехническим дисциплинам» (Астрахань, 1995 г.). Работа полностью доложена и обсуждена на совместном заседании ка-

федр «Электрические, электронные и микропроцессорные аппараты», «Электромеханика» и «Электропривод и автоматизация промышленных установок» НГТУ в феврале 1999 г., а также на совместном заседании кафедр «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электроподвижной состав» РГУПС в апреле 1999 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования и содержит 201 страницу основного текста, включая 90 рисунков и 4 таблицы.

1. Анализ методов исследования процессов в тяговом электроприводе электровоза с применением математического моделирования.

Задача моделирования электровоза как взаимосвязанной электромеханической системы была впервые сформулирована Д.К.Миновым [1]. Такой подход получил обобщение в его последующих трудах [2-4]. Основой подхода является совместное рассмотрение переходных электромеханических процессов в механической и электрической частях ТЭП электровоза.

Подчеркивая важность совместного исследования механической и электрической частей привода, вводится и обосновывается ряд положений, необходимых для адекватного отражения процессов. В частности, в качестве объекта исследования выбран один колесо-моторный блок, тяговая передача считается идеально жесткой, вихревые токи в магнитопроводе ТД учитываются введением активного сопротивления, подключенного параллельно индуктивности намагничивания обмотки возбуждения и ряд других менее важных. Полученные путем аналитического решения уравнений результаты позволяют оценить основные виды взаимного влияния электрической и механической частей, однако не дают полной картины их взаимодействия, что связано с возникающими при решении дифференциальных уравнений трудностями.

Там же изложена теория реализации силы тяги, которая принята за основу при проведении настоящих исследований.

По мере развития методов моделирования и средств вычислительной техники исследованиями в этой области занимался целый ряд специалистов. В разное время в указанном направлении работали Л.В.Бал он, Б.К.Баранов, М.Р.Барский, Ю.М.Иньков, И.П.Исаев, А.Л.Лисицын, В.Н.Лисунов, В.Н.Кашников, А.С.Курбасов, В.А.Кучумов, А.И.Кравченко, Н.Н.Меншутин, Д.К.Минов, А.В.Плакс, Н.А.Ротанов, А.Н.Савоськин, И.Н.Сердинова, Б.Н.Тихменев, Л.Н.Трахтман, Т.А.Тибилов, В.Д.Тулупов, В.П.Феоктистов и др.

Авторами [4, 5, 6] предложено использовать аналоговые вычислительные машины (АВМ) для решения подобных задач. Однако значительная сложность моделей и ограниченные возможности АВМ делают их реализацию крайне затруднительной. Поэтому, несмотря на успехи, достигнутые в моделировании отдельных элементов и подсистем ТЭП (ТД, статические преобразователи и т.д.), работы по исследованию электромеханических процессов в ТЭП электровоза, как системе в целом, с использованием АВМ велись с существенными ограничениями объема и точности моделей. К ним относится [5], где с помощью АВМ проводился анализ переходных процессов при рекуперативном торможении электропое