автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Быстродействующая система управления тяговым электроприводом для улучшения сцепных свойств электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

- - / На правах рукописи

г -" !' ' ' ' .•■■■■. ! • - . . '

ПЕТРОВ Петр Юрьевич

УДК 621.313.33 : 621.333 : 62-52 : 629.4.

1

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московском государственном университете путе( сообщения (МИИТ)

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Литовченко В.В. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Калиниченко А.Я кандидат технических наук, вед.науч.сотр. Хомяков Б.И.

Ведущая организация - Всероссийский

научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт электровозостроен (ВЭлНИИ), г. Новочеркасск

Защита состоится " о^и^ 1998 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д114.05.07 в Московском государственнол университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 101475, ГСП, г. Москва, А-55, ул. Образцова, д. 15, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 1998 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адрес} совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение производительности грузовых перевозок напрямую связано с повышением тяговых свойств электровозов. Сегодня мощность тяговых двигателей превысила 1000 кВт и позволяет развивать силу тяги, в значительном интервале скоростей движения превышающую силу сцепления колес с рельсами, в связи с чем вопрос улучшения использования сцепного веса локомотива приобрел особое значение. Для использования наибольших сил тяги в зоне ограничений по условиям сцепления идеальным является такое их регулирование, при котором реализуемые каждой колесной парой коэффициенты сцепления будут наибольшими. Одним из путей решения этой проблемы является применение тяговых двигателей с жесткими электромеханическими характеристиками, в частности асинхронных тяговых двигателей (АТД). В решениях МПС РФ по созданию нового злекгроподвижного состава магистральных дорог большое внимание уделяется применению бесколлекторных тяговых двигателей. Новые электровозы и электропоезда должны быть оснащены тяговыми электроприводами на основе АТД. Одной из основных задач, которые предстоит при этом решить, является создание системы автоматического регулирования тягового привода, позволяющей использовать преимущества асинхронных двигателей в полном объеме. Работа посвящена исследованию способов регулирования АТД, позволяющих решить поставленную задачу.

Цель работы. Целью данной работы является разработка системы автоматического регулирования тягового электропривода на основе АТД, позволяющей реализовывать максимально возможные коэффициенты сцепления колеса с рельсом.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. разработана математическая модель тягового привода, как нелинейной динамической системы;

2. разработана математическая модель асинхронного электродвигателя, как элемента динамической системы;

3. исследовано влияние динамических свойств привода на тяговые свойства электровоза;

4. исследовано влияние способов управления АТД на динамические свойства привода;

5. разработана полномасштабная модель тягового привода на основе АТД, питаемого двухзвенной преобразовательной установкой ИППН-АИТ, и регулируемого системой векторного управления; на ее основе проведены исследования привода и отладка алгоритмов управления;

6. разработана и изготовлена САР асинхронным тяговым электроприводом электровоза постоянного тока с АТД, реализующая векторное управление.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории электрической тяги, теории автоматического регулирования и управления, теории электропривода и электрических машин. При исследовании и разработке САР использовался метод имитационного моделирования динамических процессов в тяговом электроприводе электровоза постоянного тока с АТД. Экспериментальные исследования проводились на натурном стенде ОАО ВЭлНИИ методом прямых измерений.

Научная новизна работы. Проведено исследование тягового привода как нелинейной динамической системы при работе на ниспадающем участке характеристики сцепления, указано на его структурную неустойчивость при таком режиме работы. Предложена система стабилизации частоты вращения колесной пары, обеспечивающая устойчивость системы во всем диапазоне скоростей проскальзывания. Указано на влияние быстродействия привода на величину реализуемого коэффициента сцепления. Выявлена зависимость между жестко-

стью тяговой характеристики и быстродействием, обеспечивающая высокое качество регулирования.

Практическая ценность и реализация. Разработана математическая модель тягового привода на основе АТД, позволяющая проводить исследования электромагнитных процессов в силовых цепях, поведение привода при изменении условий сцепления колеса с рельсом, производить отладку алгоритмов управления. Полученные результаты легли в основу экспериментальной САР, установленной на натурном стенде отдела электровозов ОАО ВЭлНИИ. Испытания показали ее работоспособность и высокое качество регулирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- II Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 100-летию МИИТа "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (Москва, 24 -25 сентября 1996 г.);

- VI Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию Моск. гос. ун-та путей сообщ. (МИИТ) "Проблемы развития локомо-тивостроения"( Москва, 28-31 октября 1996 г.);

- II межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (Москва, РГО-ТУПС (ВЗИИТ), 20-21 марта 1997 г.);

- II Междунар. науч.-техн. конф. "Состояние и перспективы развития ЭПС" (г.Новочеркасск, ВЭлНИИ, 4 - 6 июня 1997 г.);

- VII Междунар. конф. "Проблемы развития рельсового транспорта" (Ливадия, Крым, 29 сентября - 3 октября 1997 г.);

- VI Междунар. науч.-техн. конф. "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств" (Санкт-Петербург, ЦНИИ СЭТ, 12-15 мая 1998 г.);

- семинаре "Силовые электронные преобразователи на ЭПС" (Москва, МГУ ПС(МИИТ), 1 июня 1998 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных

работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 100 наименований и приложения. Работа содержит 167 страниц, в том числе 108 страниц машинописного текста, 31 страницу рисунков, 1 таблицу, 10 страниц списка литературы, 17 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена ее цель, поставлены задачи исследования.

Отмечается значительный вклад в теорию и практику исследования сцепных свойств локомотивов и улучшения использования потенциальных условий сцепления колеса с рельсом, внесенный работами, выполненными видными отечественными учеными и специалистами Д.К.Миновым, И.П.Исаевым, Н.Н.Сидоровым, Н.Н.Меншутиным, В.Н.Лисуновым, А.Л.Голубенко и др., глубокая проработка проблем автоматизации ЭПС в трудах В.Д.Тулупова, А.Н.Савоськина, В.П.Феоктистова, А. В. Плакса.

Одним из путей повышения тяговых свойств ЭПС является использование АТД. 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 ВЭИ, Саранского НПО "Электровыпрямитель", ВЭлНИИ, НИИКЭ, ВНИИЖТа, МИИТа, ЛИИЖТа.

В первой главе приведен обзор мероприятий, направленных на повышение тяговых свойств локомотивов. Отмечается целесообразность применения АТД, обладающих жесткими механическими характеристиками. Приводится обзор систем тяговых приводов на основе асинхронных тяговых двигателей отечественного и зарубежного ЭПС (BJI-80\ ВЛ-86Ф, ЭНЗ, Е120, 182001, ICE). Отмечены их достоинства и недостатки; произведена классификация способов регулирования АД. Установлено, что наиболее жесткими характеристиками обладают двигатели, управляемые с заданием магнитного потока. Выявлено влияние быстродействия привода на величину реализуемого коэффициента сцепления, получена зависимость между жесткостью тяговой характеристики и быстродействием, обеспечивающая высокое качество регулирования.

Укрупненная функциональная схема тягового привода имеет вид, приведенный на рис. 1.

эмп

Система управления, преобразовательная установка и тяговый двигатель представляют единый функциональный блок - электро-механический преобразователь (ЭМП), осуществляющий регулирование момента на вале двигателя в соответствии с командами, поступающими с контроллера машиниста.

Ей соответствует структурная схема рис.2., при составлении которой приняты допущения: тяговая передача от вала тягового двигателя до колесной пары абсолютно жесткая, нагрузка на ось постоянна, оба колеса находятся в одинаковых условиях, поступательная скорость локомотива постоянна. Взаимодействие колеса и рельса представлено в виде нелинейного безынерционного звена. Коэффициент передачи этого звена зависит от скорости проскальзывания и носит знакопеременный характер: при превышении скоростью проскальзывания критического значения он становится отрицательным.

иш

Т^Р + 1

м,

и.,

/гр

Л»

к*

Я,

Рис.2. Структурная схема тягового привода.

Передаточная функция относительно частоты вращения вала двигателя при работе на ниспадающем участке характеристики сцепления приведена ниже.

^т(Р) = — =-;-^^-г--г

Вследствие наличия отрицательных коэффициентов характеристического уравнения система неустойчива. Устранить неустойчивость можно путем ста-

билизации частоты вращения колесной пары. Передаточная функция в данном случае имеет вид.

Гш (Р) = -

(О^__укгмпкк

U3M T^Jzp2 + (Jx - T^XRl )р + рк^кКкосс - XRl Условия устойчивости привода имеют вид:

u f^imn^OCC г- V

рс--р-> Л

Г,„_ <

' х

RIX

Первое неравенство говорит о том, что для того, чтобы привод был устойчив при работе на ниспадающем участке характеристики сцепления, жесткости тяговой характеристики должна быть выше жесткости характеристики сцепления. Второе неравенство накладывает ограничения на инерционность привода.

Установлена зависимость реализуемого коэффициента сцепления от жесткости тяговой характеристики, для реализации коэффициентов сцепления не менее 90% от максимально возможного, жесткость тяговой характеристики должна не менее 5,4 с/м.

Выявлено соотношение между величиной жесткости тяговой характеристики и быстродействием привода, обеспечивающее высокое качество регулирования:

Тэмп< (0,04 +1,96к - 1,96у[(к - 0,96)(к+1) , 2

где к = - относительное превышение жесткостью тяговой характеристики X

жесткости характеристики сцепления при скоростях движения близких к нулю. При 6-кратном превышении (5,4 с/м), в соответствии с полученной зависимостью постоянная времени ЭМП не должна превышать 0,005 с.

Полученные результаты исследованы на математической модели. Результаты моделирования приведены на рис. 3,4.

На рис.3 приведены временные диаграммы изменения максимального и реализуемого коэффициентов сцепления при изменяющихся условиях сцепления при разных параметрах ЭМП. Среднее значение максимального коэффициента сцепления за рассматриваемый интервал времени составил lFocp = 0,274. При превышении жесткостью тяговой характеристики жесткости характеристики сцепления в 1,5 раза и постоянной времени ЭМП Т,мп = 0,03 с среднее значение реализуемого коэффициента сцепления на том же интервале составила Wq, — 0,22, что составляет 80% от среднего значения максимально возможного коэффициента; при 6 - кратном превышении и T:JM„ ~ 0,03 с эти значения соответственно составили Ч'ср = 0,26 и 95%, при такой же жесткости, но Тшп = 0,005 с - Ч/Ср= 0,27 и 98%. При этом время регулирования в первых двух случаях составило около 0,5 с, т.е. привод практически постоянно находится в динамическом режиме, который сопровождается значительными перерегулированиями, что неизбежно влечет возрастание динамических нагрузок как в механической, так и в электрической частях привода, ведущих к снижению к.п.д. привода и сокращению его срока службы. В последнем случае время регулирования снижается до 0,1 с, что ведет к снижению динамических нагрузок и потерь.

Среднее значение относительной скорости проскальзывания составило в первом случае 0,4 во втором и третьем 0,03, т.е. при полуторакратном превышении жесткостью тяговой характеристики жесткости характеристики сцепления будет наблюдаться повышенный износ бандажей колесных пар.

На рис. 4 приведены диаграммы перехода привода из рабочей точки А лежащей на кривой сцепления 1, в точку В - кривой 2.

Таким образом, для более полного использования сцепного веса локомо

тива повышения жесткости тяговых характеристик недостаточно, наряду с этил

необходимо повышение быстродействия привода, которое определяется \ >

в) = Тэмп = 0,005 с.

л

Рис.3. Временные диаграммы изменения коэффициентов сцепления и скорости проскальзывания при изменении условий сцепления при разных параметрах ЭМП.

V » Уск/У л

V = Уск/У л

б) %-=б; Тзмп = 0,03 с.

у = Ус/У,

ъ)Хж = 6;Т)ма = 0,005с.

Л

Рис.4. Изменение коэффициентов сцепления при ухудшении условий сцепления приразных параметрах ЭМП.

Зыстродействием электромеханического преобразователя, постоянная времени которого должна лежать в пределах нескольких .ис.

Во второй главе приводятся результаты исследования влияния способов регулирования асинхронного двигателя на динамические свойства привода. Исследовались способы управления с заданием потокосцепления ротора. Исследование выполнено на математической модели асинхронного двигателя. Моделирование осуществлялось с помощью пакета автоматического моделирования динамических систем Б1АМ. Отмечается, что наилучшими динамическими свойствами обладают тяговые приводы, регулирование АД в которых осуществляется с автоматическим поддержанием постоянства магнитного потока - векторное управление. При таком управлении быстродействие по каналу регулирования момента ограничивается лишь быстродействием регулирования тока статора и находится на уровне сотых долей секунды, что удовлетворяет ранее сформулированным требованиям.

На рис.5 приведена структурная схема АД.

Структурные схемы математических моделей при задании потокосцепления ротора в зависимости от уставки тока статора путем регулирования э.д.с. АД, при параметрическом задании постоянства потокосцепления ротора независимо от величины тока статора и при автоматическом поддержании постоянства потокосцепления ротора вне зависимости от тока статора приведены на рис.6, 8,10 соответственно. Диаграммы, поясняющие работу АД при таких способах регулирования соответственно на рис.7,9,11.

Наибольшим временем регулирования обладает система управления, реализующая регулирование момента при заданном потокосцеплении ротора в зависимости от уставки тока статора. Время регулирования составляет не менее трех постоянных времени ротора и может достигать единиц секунд. Параметрическое задание постоянства потокосцепления ротора не устраняет изменения потокосцепления в динамических режимах. Лишь при автоматическом поддержании постоянства потокосцепления ротора удается обеспечить неизменность

Рис.5. Структурная схема асинхронного двигателя.

Рис.6. Структурная схема САР со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования э.д.с. АД.

/,. А ООвД МОД 400Д го«д

г ,. »в " ч -

«в в , рад 'в и в« 92 ОД

• /вЛ/е)» а

и и

и Нм Ю*е«д 1МЮ «••♦в 4« «14 год« о од $ 1 д

=г=

« > » до«» t» е Д 1Д

Рис.7. Диаграммы изменения /„ Ч*„ в, согиМ при изменении задающего сигнала при стабилизации потокосцепления ротора регулированием э.д.с.

и*

11,

1рТ,

-ш-

иа-

л

1. м,

01

АД %

о,

в

?

Рис.7. Структурная схема ЭМП при параметрическом задании постоянства потокосцепления ротора.

Рис.9. Диаграммы изменения 13, в, аг и М при изменении задающего сигнала при параметрическом задании постоянства потокосцепления ротора.

Рис.Ю. Структурная схема ЭМП при автоматическом поддержании постоянства потокосцепления ротора - векторном управлении.

•

. гч' 1 Г-

1

<»» . .. г м

и . Н * !•««•

• 1. •

Рис. 11. Диаграммы изменения /3, в, сог и М при изменении задающего сигнала при автоматическом поддержании постоянства потокосцепления ротора.

потокосцепления не только в статических, но и в динамических режимах, чт( ведет к устранению влияния изменения высокоинерционного потокосцепления на изменение момента. Время регулирования момента в этом случае будет ог раничиваться лишь быстродействием контура регулирования тока статора. Эп быстродействие определяется типом и конструкцией преобразователя и лежит i пределах от тысячных до сотых долей секунды, что говорит о возможности дос тижения быстродействия регулирования момента, удовлетворяющего требова ниям, сформулированным в первой главе.

В третьей главе приводятся результаты разработки системы автоматиче ского регулирования электровоза постоянного тока с АТД, выполненной в соот ветствии принципами векторного управления. Приведены результаты исследо вания тягового привода, управляемого разработанной системой управление Исследование выполнено на математической модели, имитирующей работ двухзвенной силовой преобразовательной установки (ИППН-АИТ), асинхрон ного тягового двигателя, системы автоматического регулирования. В модел: учтена жесткость тяговой передачи, а также характеристика сцепления при раз ных скоростях движения локомотива. Моделирование выполнено с помощы пакета автоматического моделирования ЭЛТРАН. Отмечаются высокое качесп во регулирования. Однако, вследствие питания АТД от АИТ электромагнитны: момент содержит 6-кратные пульсации. Для их устранения предлагается в эти режимах трогания и движения на низких скоростях модулирование входног тока инвертора по соответствующему закону. Эффективность такого снижени пульсаций момента иллюстрируется результатами математического моделирс вания.

На рис. 12 приведена функциональная схема тягового привода, управляе мого разработанной САР. На рис. 13 приведена диаграмма перехода привода характеристики сцепления с максимальным коэффициентом сцепления 0, 25 н характеристику с % = 0,1. На рис. 14 приведены диаграммы, поясняющие рг боту привода при изменении потенциальных условий сцепления.

Моделирование показало, что при управлении АТД предложенным способом привод обладает жесткими тяговыми характеристиками.

В соответствии с рис.15 регулирование осуществляется при сохранении постоянства потокосцепления ротора, поэтому быстродействие по каналу управления моментом ограничивается лишь быстродействием контура регулирования тока статора и оно составило 1,5 сотых секунды. Что удовлетворяет ранее сформулированным требованиям. Ток статора в установившихся режимах поддерживается практически постоянным, он содержит высшие гармоники, обусловленные работой входного преобразователя. Электромагнитный момент содержит шестикратные пульсации, обусловленные пульсациями угла нагрузки, вызванными характером работы автономного инвертора тока. Для снижения уровня пульсаций при трогании и при движении на низких скоростях предлагается модуляция входного тока инвертора на межкоммутационных интервалах по соответствующему закону входным преобразователем. Выведен закон модуляции:

тока промежуточного звена.

В четвертой главе приводится описание аналогово-цифровой системы автоматического регулирования тягового электропривода, изготовленной в соответствии с положениями предыдущей главы и натурного стенда для исследования тяговых приводов. Приводятся результаты экспериментальных исследований системы. Отмечается ее работоспособность и высокое качество регулирования, подтверждающие теоретические положения диссертации.

В приложениях приведено описание математической модели тягового привода.

Ш = кяад и,

где и - уставка тока промежуточной звена;

з

ч>,т>

- коэффициент модуляции уставки

Рис. 12. Функциональная схема тягового привода.

Уа/У.«

Рис. 13. Диаграмма перехода привода с одной характеристики на другую при ухудшении условий сцепления.

Рис.14. Диаграммы изменения /,, %,в, М при изменении коэффициента сцепления при У„=5 км/ч.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Для обеспечения устойчивости привода при любых скоростях пр< скальзывания необходима стабилизация частоты вращения ротора.

2. Для реализации коэффициентов использования потенциальных услови сцепления не менее 0,9 жесткость тяговой характеристики должна быть не менее 5,4 с/м;

3. Повышение жесткости тяговых характеристик без одновременного п< вышения быстродействия привода приводит к возрастанию колебательности 1 как следствие к ухудшению динамики привода, поэтому увеличение жесткост тяговых характеристик должно сопровождаться увеличением быстродействи которое при указанной жесткости должно находиться на уровне сотых доле секунды,

4. Достижение такого быстродействия возможно лишь при автоматич ском поддержании постоянства магнитного потока двигателя - при вехторно управлении;

5. Моделирование реального тягового привода на основе асинхронно] двигателя, питаемого двухзвенной преобразовательной установкой: импуль ный прерыватель постоянного напряжения - автономный инвертор тока показ ло принципиальную возможность достижения сформулированных требований.

6. Для уменьшения пульсаций электромагнитного момента при трогаш и движении локомотива с низкими скоростями целесообразно применение модуляции входного тока инвертора по соответствующему закону.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Литовченко В.В., Петров ШО. Управление асинхронным тяговым шектроприводом/ Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ). - М.: 1995. - 22 с. -эиблиогр.: 6. - Рус. - Деп. в ЦНИИТЭИМПС.

2. Литовченко В.В., Осипов С.С., Петров П.Ю., Шаров В.А., Киржнер Д.Л., Крамсков С.А. Способы снижения пульсаций вращающего момента асин-фонного тягового двигателя, питающегося от автономного инвертора тока// Сб. гауч. тр.: Электровозостроение. - 1998. - Т. 39. - с.22-26.

3. Литовченко В.В., Шаров В.А., Петров ШО. Быстродействие тягового шектропривода - резерв повышения тяговых свойств локомотивов// Материалы /I Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию У1оск. гос. ун-та путей сообщ. (МИИТ) "Проблемы развития локомотивострое-шя" Москва 28 - 31 октября 1996 г. - М.: 1996. - с.81.

4. Иньков Ю.М., Метелкин Б.А., Шаров В.А., Петров П.Ю. Математиче-:кое моделирование процессов управления асинхронным тяговым приводом ЭПС// Материалы II Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 100-летию VII-!ИТа "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" Мо-:ква 24 - 25 сентября 1996 г. - М.: 1996. - с.55.

5. Литовченко В.В., Петров П.Ю. Система управления тяговым электроприводом для ЭПС с АТД// Материалы II межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" РГОТУПС (ВЗИИТ) Москва

20-21 марта 1997 г. - М.:1997. - с. 90.

6. Литовченко В.В., Шаров В.А., Петров П.Ю., Сетник Т.М. Высокодинамичный асинхронный тяговый электропривод// Материалы II Междунар. науч,-гехн. конф. "Состояние и перспективы развития ЭПС" ВЭлНИИ г.Новочеркасск 4-6 июня 1997 г. - Новочеркасск, 1997. - с. 42 - 44.

7. Литовченко В.В., Петров П.Ю. Быстродействующий привод для повышения тяговых свойств ЭПС с АТД// Материалы VII Междунар. конф. "Проблемы развития рельсового транспорта" Ливадия, Крым 29 сентября - 3 октября 1997 г. - Луганск: ВУГУ, 1997. - с.71-72.

8. Литовченко В.В., Петров П.Ю. Повышение использования сил сцепления локомотивов// Тезисы докладов VI Междунар. науч.-техн. конф. "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств" Санкт-Петербург 12 -15 мая 1998 г. - С.-Петербург, 1998. - с.61.

ПЕТРОВ ПЕТР ЮРЬЕВИЧ

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Подп. к печати 0%,09, Объем печ. л. Формат бумаги 60x90 1/16

Заказ № ££ Я , Тираж 100 экз.

Типография МИИТ: 101475, ГСП, г. Москва, А-55, ул. Образцова, д.15.

\

МПС РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические системы и комплексы,

включая их управление и регулирование

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ПЕТРОВ ПЕТР ЮРЬЕВИЧ

Диссертация

Научный руководитель:

кандидат технических наук доцент В.В.Литовченко

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................4

1. ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА: АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ..............................................................................8

1.1. Мероприятия, повышающие тяговые свойства локомотивов....................................................................................................8

1.2. Влияние динамических свойств привода на тяговые свойства локомотива....................................................................................42

1.3. Постановка задачи.......................................................................61

Выводы по первой главе....................................................................62

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ............................64

2.1. Математическая модель АД........................................................65

2.2. Структурные схемы ЭМП при различных способах управления....................................................................................................68

2.3. Результаты моделирования.........................................................78

Выводы по второй главе.....................................................................83

3. САР ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА С АТД..................................................................85

3.1. Структура тягового привода и общие принципы регулирования...............................................................................................85

3.2. Математическое описание САР. Разработка алгоритма и функциональной схемы................................................................................93

3.3. Синтез САР..................................................................................98

3.3.1. Синтез регулятора тока............................................................99

3.3.2. Синтез регулятора скольжения...............................................101

3.3.3. Синтез регулятора потока........................................................103

3.4. Математическое моделирование асинхронного тягового привода.........................................................................................................105

3.5. Снижение пульсаций вращающего момента АД

при его питании от АИТ..............................................................................115

Выводы по третьей главе...................................................................121

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ................................................122

4.1. Описание САР.............................................................................122

4.2. Описание натурного стенда испытаний тягового электропривода............................................................................................132

4.3. Экспериментальные исследования............................................133

Выводы по четвертой главе...............................................................137

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................................138

Список литературы......................................................................................139

Приложения.................................................................................................150

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