автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Регулирование тягового привода электровозов постоянного тока с тиристорными преобразователями и микропроцессорным управлением

Б ОД На правах рукописи

ЕВТУШЕНКО Михаил Анатольевич

УДК 629.423.32

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1996

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель—■

заслуженный работник транспорта РФ, докт. техн. наук, профессор Алексей Владимирович ПЛАКС

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Анатолий Трофимович БУРКОВ;

кандидат технических наук Борис Лазаревич СЫРКИН

Ведущее предприятие — АО Всероссийский научно-исследовательский институт электровозостроения (ВЭлНИИ).

на заседании диссертационного совета Д 114.03.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения (190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан « . . . » сентября 1996 г.

Ученый секретарь

Защита состоится

час

диссертационного совета

Б. В. РУДАКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ1»1

Актуальность. Одним из направлений развития электроподвижного состава является применение систем регулирования тягового привода с использованием полупроводниковых пгрнстор/гых преобразователен, которые дают возможность осуществлять автоматическое регулирование процессов тяги и торможения. При этом системы управления должны обладать широкими функциональными возможностями, обеспечивать высокую надежность н стабильность заданных параметров. Создание таких систем возможно на базе микропроцессорной техники при программной реализации алгоритмов управления.

ПО "Электровозостроитель" проводил работы по созданию электровоза постоянного тока на базе ВЛ15 с импульсным регулированием напряжения (ИРН) и микропроцессорной системой управления (МПСУ). Необходимо учесть, что микропроцессорная система автоматического регулирования (САР) тока коллекторных тяговых двигателей (КТД) является дискретно-непрерывной, нелинейной, а микропроцессорный регулятор имеет программное запаздывание. Для обеспечения удовлетворительного качества регулирования и устойчивости системы необходимо было провести исследования и выработать требования к структуре и параметрам САР.

В связи с прекращением выпуска электровозов постоянного тока на Тбилисском электровозостроительном заводе АО ВЭлНИИ (г.Новочеркасск) разрабатывает электровоз ЭП2 с асинхронными тяговым приводом (АТП) и микропроцессорной системой управления. В числе вопросов, связанных с созданием МПСУ, стоит выбор алгоритмов управления, позволяющих уменьшить потери энергии в автономном инверторе напряжения (АИН>, и разработка микропроцессорного устройства управления /ШН.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка мероприятий по обеспечению работоспособности н улучшению

свойств систем регулировании тягового привода при использовании микропроцессорной техники на электровозах постоянного тока. Эта цель достигается решением следующих задач:

- разработка математической модели микропроцессорной САР тока КТД электровоза с ИРН при учете дискретности управления и запаздывания регулятора и проверка ее адекватности;

- определение параметров указанной САР, обеспечивающих устойчивость и качество регулирования, тягового привода электровоза;

- разработка и создание микропроцессорного контроллера (МПК) АИН электровоза ЭП2 с асинхронным тяговым приводом;

- снижение потерь энергии в АИН электровоза ЭП2 за счет выбора алгоритма управления инвертором;

- оценка работоспособности МПК АИН.

Методика исследования. В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, теории автоматического регулирования. Для исследования процессов в С АР тока- КТД электровоза с импульсным регулированием применялось математическое моделирование и эксперимент на макетной установке мощностью 35 кВт в лаборатории электрической тяги ПГУПС. Рабочие программы для микропроцессорных контроллеров разрабатывались на языке Ассемблер. Результаты анализа потерь энергии в АИН прн различных алгоритмах управления и работоспособность микропроцессорного контроллера АИН подтверждены экспериментами на натурном стенде ВЭлНИИ стяговым двигателем НБ-609 мощностью 900 кВт.

Основные научные результаты.

1. Разработана математическая модель микропроцессорной САР тока КТД электровоза с ИРН, учитывающая основную и высшие гармоники вихревых токов тяг ового двигателя, дискретный характер работы тирнсторно-импульсного преобразователя, дискретность процессов считывания регулируемой величины и формирования управляющего воздействия, а также программное запаздывание регулятора.

2. Обоснована возможность оценки устойчивости указанной дискретно-непрерывной САР тягового привода электровоза по логарифмическим частотным характеристикам линеаризованной системы со звеньями запаздывашм.

3. Выработаны рекомендации по структуре н параметрам микропроцессорной САР тока КП'Д электровоза с ИРН, обеспечивающим заданную устойчивость и удовлетворительное качество регулирования.

4. Проанализированы потери энергии в АИН электровоза ЭП2 с асинхронным тяговым приводом при различных алгоритмах управления инвертором. Показано, что алгоритм с уменьшенным числом коммутаций позволяет снизить потерн энергии в АИН при широтно-нмпульсном регулировании напряжения примерно в 1,5 раза.

5. Разработан и проверен на стенде натурной мощности микропроцессорный контроллер АИН, позволяющий реализовать различные алгоритмы управления инвертором электровоза ЭП2.

Практическое значение. Выработанные рекомендации по структуре и параметрам САР тока двигателей приняты ПО "Электровозосгроитель" в проекте грузового электровоза с КТД и ИРН. Рекомендации по использованию алгоритмов управления АИН реализованы ВЭлНИИ в проекте элехтровоза постоянного тока ЭП2 с асинхронными тяговыми двигателями. Разработанный микропроцессорный контроллер АИН входит в состав натурного стенда АТП электровоза ЭП2 (ВЭлНИИ).

Апробация. Диссертационная работа обсуждались иа заседаниях кафедры "Электрическая тяга" в 1992,1994 и 1995 годах. Основные результаты работы доложены на 52-й и 54-й научно-технических конференциях ПГУПС (1992, 1994 г.), научно-практической конференции ПГУПС и Октябрьской жел. дор. "Снижение потребления электроэнергии и топлива п^ железнодорожном транспорте" (1594 г.), научно-технической конференции ПГУПС "Проблемы транспорта решают ученые", (1994 г.), семинаре "Электрические машины и-аппараты" в

рамках международной выставки "ЦЫЕЬ-96" (1996 г.), научно-практической конференции в рамках 1-го международного симпозиума "Современные транспортные технологии 96" (1996 г.), а также на технических совещаниях отдела главного конструктора • ПО "Электровозостроитель" (1991 г.) и отдела электровозов ВЭлНИИ (1994-1996 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 93 страницы машинописного текста, 55 иллюстраций, 6 таблиц, а также 5 приложений.

Библиография. Список использованной литературы содержит 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечено, что повышение стабильности, надежности и расширение функциональных возможностей систем управления силовыми полупроводниковыми преобразователями электровозов возможно путем использования микропроцессорной техники и программных способов реализации алгоритмов управления.

В нашей стране имеется опыт создания МПСУ для электровозов переменного тока. Такие системы разрабатывались Всероссийским научно-исследовательским институтом электровозостроения (ВЭлНИИ) для электровоза с выпрямительно-инверторными преобразователями и объединением "Снбстаикоэлектропривод" для асинхронного тягового привода. Работы завершились созданием образцов МПСУ с исследованием их на электровозах В Л85-061 и ВЛ80А-751.

В настоящей работе поставлен и решен ряд вопросов, связанных с применением микропроцессорных систем регулирования тягового привода на перспективных электровозах постоянного тока. Задача

решалась применительно к электровозам двух типов: электровоз с КТД и ИГН; электровоз с АТП и АНН.

НИР по созданию грузового электровоза ВЛ15 с ИРН и КТД проводились совместно с объединением "Элекгровозостроитель" в 1989-1991 г. Задача проведенных исследовашш состояла в выработке рекомендаций по выбору параметров микропроцессорной САР тягового привода электровоза с учетом программного запаздывания и дискретности процесса управления.

Исследования, связанные с созданием асннхрошюго тягового привода электровоза ЭП2, проводятся совместно с ВэЛНИИ Сг.Новочеркасск). В диссертации рассмотрено использование микропроцессорных средств для реализации алгоритмов управления АИН.

В первой главе выполнен обзор рабог, направленных на применение цифровых и микропроцессорных средств в системах автоматического регулирования тягового привода электроподвижного состава.

В России первые работы по созданию микропроцессорных систем управления электровозов были начаты канд. техн. наук

A.Г.Вольвнчем, М.В.Напрасннком, А.В.Беляевым (ВЭлНИИ).

Принципы построения цифровых систем управления электроподвижным составом с тиристорными импульсными регуляторами проанализированы в монографии докт. техн. наук А.Я.Калшшченко и

B.П.Феоктистова. Ими также выполнены исследования динамики цифровых (с жесткой логикой) САР тока тяговых двигателей вагона метрополитена с ИРН.

Большой вклад в исследование цифровых регуляторов для САР электровозов внесли докт. техн. наук А.Н.Сапоськин и канд. техн. наук П.Е.Коваль. Ими разработаны направления совершенствования алгоритмов микропроцессорных систем управления электровозов однофазно-постоянного тока.

Над созданием асинхронного тяговог о привода электровоза переменного тока работает группа сотрудников НИМ "Сибсгапко-

электропривод" (г.Новосибирск). В разработанной системе векторного управления вычислительные задачи выполняются микроЭВМ на базе процессора К1806ВМ2.

В России проводятся работы по созданию микропроцессорных систем автоведения (докт. техн. наук Л.А.Баранов, Е.В.Ерофеев).

За рубежом микропроцессорные системы управления внедряются . на тяговом подвижном составе начиная с 1981 г. Выпускаются серийные микропроцессорные системы, такие как SIBAS фирмы Siemens и MICAS фирмы ABB. МПСУ зарубежных электровозов выполнены двухуровневыми по иерархическому принципу. Такие МПСУ имеют на нижнем уровне локальные контроллеры, выполняющие функции управления электроприводами отдельных осей или тележек и микроЭВМ верхнего уровня, обеспечивающую решение общих задач управления локомотивом.

В настоящее время фирмами Octagon systems, Pep Modular Computers, Advantech и др. выпускаются бортовые компьютеры широкого применения. Возможно их использование в системах управления электровозов в качестве ЭВМ верхнего уровня.

Однокристальные МПК предназначены для построения систем управления и регулирования различных устройств. Наибольшее распространение в мире получили семейства однокристальных МПК MCá-5I н MCS-96 фирмы Intel, микроконтроллеры Siemens 80С16Х, а также МПК фирмы Motorola. Анализ показал, что возможности однокристальных МПК оказываются достаточными для построения систем управления силовыми полупроводниковыми преобразователями электроподвижного состава, работающих в реальном масштабе времени.

Во второй главе на основе математического моделирования и анализа частотных характеристик определены структура и параметры САР тока коллекторных тяговых двигателей электровоза с ИРН и микропроцессорным управлением. В варианте тягового привода, разработанном ПО "Электровозостроитель" совместно с ПГУПС, двигп-

тели одной тележки электропоза питаются от двух тиристорно-нмпульсных преобразователей ТИП1 и ТИП2, разделенных двумя фазными сглаживающими реакторами Lei и Lc2 (рис.1). ТИП1 и ТИП2 работают на постоянной частоте 400 Гц со сдвигом по фазе на половину периода. Изменеше среднего напряжения, подводимого к ТЭД, осуществляется методами широтно-импульсного регулирования и фа-зо-импульсной модуляции. Каждая пара тяговых двигателей типа TJ1-3 имеет независимую САР тока, построенную на базе МПК. Преобразование сигнала датчика тока (ДТ) в цифровую форму выполняется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). После интегрального усреднения цифровой код, отражающий среднее значение тока ТЭД, сравнивается с кодом заданного значения тока (Ь). Полученное рассогласование преобразуется микропроцессорным регулятором в цифровой код управляющего воздействия, которое определяет коэффициент заполнения ТИП и поступает на схемы формирования импульсов. После усиления и гальванической развязки импульсы управления подаются на тиристоры преобразователей ТИП 1 и ТИП2.

Структурная схема микропроцессорной САР тока ТЭД показана на рис. 2. Передаточные функции ТИП, прямого канала МПК (Wnp.wrre), а также системы считывания и интегрального усреднения сигнала обратной связи (\Усч.ышс) описывают дискретную часть системы. Непрерывная часть представлена • передаточными функциями тягового электродвигателя (\УТэд) и инерционного датчика тока (WlXr).

Квантование процесса управления по времени учитывается введением импульсных ключей с периодом Т, где Т - период регулирования в микропроцессорной САР. Программное запаздывание учитывается звеном е"РГт, включенным последовательно с передаточной функцией микропроцессорного регулятора Wpcr. Величина у показывает, какую часть периода Т составляет программное запаздывание САР. В MIIK. рассмотренном в гл. 3, у=1. Звено Кфсу учитывает наличие фачосдвигагощего устройства, которое преобразует выходные

т

-ъ

glkTl

т

xlkTl

W,

Ii T

Sr*-

T

пр. unit

T/2

1-еАрТ

ТИП НЕПРЕРЫВНАЯ ЧАСТЬ САР

I 1

i

CD I

U(t)

X р

+

c[nTj

W

АЦП

К*

!у(1)

W

тэд

W

- Kjrr

Дт 1+рТдт

данные регулятора в значения А[кТ] коэффициент заполнения ТИП, где к - порядковый номер периода регулирования.

При неследовании САР двухфазный ТИП был заменен однофазным, работающим с двойной частотой, и представлен в виде фиксатора нулевого порядка, формирующего на входе непрерывной части прямоугольные импульсы напряжения Ш заданной длительности с периодом Т/2.

Микропроцессорная система считывания интегрирует с шагом Т| числовые данные АЦП, отражающие значения сигнала у(1) датчика тока, а затем усредняет их на промежутке времени Т.

При моделировании процессов в дискретной части системы для исследуемого алг оритма ее работы с помощью г-преобразовання получены два разностных уравнения. Одно из них - для системы считывания связывает решетчатые функции сигналов с[пТ1] на выходе АЦП и х[кЛ] на входе устройства сравнения. Другое - для прямого канала САР определяет соотношение кода рассогласования с1[кТ1 и управляющего воздействия А[кТ}.

Вихревые токи в тяговых двигателях, и нелинейность магнитной характеристики учтены по методике М.З.Жица.

Расчеты показали, что при переходе к линеаризованной непрерывной модели тягового привода с микропроцессорной САР нельзя пренебречь дискретностью процесса регулирования, программным запаздыванием МПК и дискретным характером работы цепи обратной связи. Влияние перечисленных особенностей на динамику системы можно приближенно учесть в линеаризованной модели САР введением суммарного запаздывания на время Т(1+у).

Сравнение результатов расчета переходных процессов на полной модели дискретно-непрерывной САР н линеаризованнной модели со звеньями запаздывания показало, что расхождение значений тока \ ')Д не превышает 2%.

Анализ устойчивости САР производился но логарифмическим амплитудно-частотной (ЛАЧХ) и амплитудно-фазовой (ЛАФХ) характеристикам линеаризованной системы. При этом наличие звеньев запаздывания учитывалось соответствующим увеличением фазы на ЛФЧХ. Достоверность этого анализа проверена на полной математической модели САР.

Для построения частотных характеристик системы получена эквивалентная передаточная функция ТЭД, содержащая последовательно соединенные звенья: апериодическое, два форсирующих и колебательное второго порядка.

Анализ ЛЧХ показал, что применение интегрального регулятора в рассматриваемой САР не может обеспечить удовлетворительное качество регулировании. В данной системе следует использовать ПИ регулятор, который позволяет уменьшить влияние колебательного звена в передаточной функции ТЭД и получить при частоте среза наклон ЛАЧХ, ровный -20 дБ/дек.

Наличие запаздывания в САР приводит к необходимости снижения коэффициента усиления рггулттора для поддержания запаса устойчивости по фазе Л4'. В данной системе при частоте регулирования 400 Гц суммарное запаздывание на время 2Т вызывает пнглсине Л*Р примерно на 50 градусов. Частотные характеристики линеаризованной САР позволяют определить параметры регулятора для системы с запаздыванием, обеспечивающие значение запаса устойчивости по фазе 40 - 45 градусов. Анализ ЛЧХ системы показывает, что выбор параметров регулятора необходимо производить для максимально возможного напряжения н контактной сети, при котором ДЧ' имеет наименьшее значение.

Коэффициент передачи и постоянные времени эквивалентной передаточной функции ТЭД существенно зависят от ветчины его тока и частоты вращения. Однако, в рассматриваемой системе необходимые параметры ПИ регулятора во геем диапазоне возможных зна-

чеиий тока и частоты вращения ТЭД ТЛ-3 изменяются незначительно. Это исключает необходимость использования и САР тока двигателей обратной связи по скорости и позволяет применить микропроцессорный ПИ регулятор с фиксированными коэффициентами усиления пропорциональной (КР) и интегральной (К1) частей. В этой случае при повышении напряжения контактной сети ог 2,2 до 4 кВ значение Д1И будет снижаться от 63 до 40 градусов, т.е. запас устойчивости САР будет обеспечен.

Для реализации микропроцессорной САР тока двигателей ТЛЗ с частотой регулировашш 400 Гц и параметрами ПИ регулятора, обеспечивающими запас устойчивости 40 - 45 градусов, необходимо, чтобы цифровое устройство регулировашш фазы импульсов управления ТИП имело дискретность не более 0,5 икс.

Рекомендуемые параметры регулятора обеспечивают частоту среза соср рассматриваемой системы в пределах 140-170 1/с, а наклон ЛАЧХ при этой частоте - мшус 20дБ/дек, поэтому ожидаемое время н характер процесса регулирования во всея режимах работы тяговых двигателей ТЛ-3 остаются примерно одинаковыми.

При указанном диапазоне значений частоты среза использование инерционного датчика тока с постоянной времени Тдт более 0.001с вызовет ухудшение качества регулирования. Поэтому, в обратной связи САР необходимо цифровое интегральное усреднение мгновенных значений тока за время Т.

Третья глава посвящена исследованию переходных процессов тока ТЭД электровоза с импульсным пуском >1 микропроцессорной САР на фгаичесхой и математической моделях.

Физическая модель САР содержит ТЭД последовательного г,оз-бузэдения ДК-255 с маховиком, имитирующим массу трамвайного вагона, ТИП мощностью 50 кВт н макетный образец микропроцессорного контроллера тягового привода с ИРН.

Макетный образец МПК был разработан и создан для исследований как па физической модели мощностью 35 кВт, так и на стенде натурной мощности ПО "Электровозостроитель". МПК выполняет функции регулятора, цифрового фазосдвигакяцего устройства, системы считывания сигнала обратной связи и задатчика. Базовым устройством является универсальный МПК типа МС-2702. Дополнительно разработан модуль, предназначенный для пи ода аналоговых сигналов и распределения сигналов' контроллера по соответствующим плечам ТИП. Макетный образец МПК позволяет исследовать различные типы микропроцессорных' регуляторов при периоде регулирования Т=2,5 мс и программном запаздывании равном Т. Период Т) считывают сигнала обратной связи принят равным 312,5 мкс.

На физической модели исследовано качество стабилизации заданного тока ТЭД в процессе пуска и переходные процессы тока при броске напряжения сети. При этом рассмотрена работа СЛР при различных видах и параметрах микропроцессорного регулятора.

Для проверки адекватности математической модели, разработанной в главе 2, были рассчитаны переходные процессы, исследуемые на физической модели с ТЭД ДК-255. Расховдеие средних значении тока ТЭД, полученных при расчете н эксперименте не превышает 8%.

Исследования, проведенные на физической модели, показали, что для обеспечения помехоустойчивости системы необходимо считывать и суммировать не менее восьми мгновенных значений сигнала обратной связи за период работы ТИП. Прн этом достигается достаточная стабильность тока дютателя.

Результаты физического моделирования позволяют сделать следующие выводы.

1. При бросках напряжетш сети +40% САР с шггегральньши регуляторами допускают броски тока превышающие 20% заданного значения прн продолжительности колебательного процесса более 100 мс.

2. Преимущества ми!сропроцессориого. 1ШД регулятора в рассматриваемой системе проявляются незначительно. Кроме того, программная реализация дифференцирующего звена увеличивает вычислительное время регулятора примерно б 1,5 раза и ухудшает помехоустойчивость САР по цепи обратной связи.

3. Использование в данной САР ПИ регулятора позволяет гюлу-. чнть при бросках питающего напряжения +40% апериодический характер процесса при длительности 30-50 мс п броске тока 1,18 - 1,21 установившегося значения. Кроме того, ПИ регулятор обеспечивает меньшую чувствительность к помехам в цепи обратной связи.

На математической модели переходные процессы тока ТЭД исследованы для электровоза ВЛ15 с ИРН и тяговыми двигателями типа ТЛ-3. Исследованы процессы при бросках напряженна контактной сети до 17%, ступенчатом изменении уставки пускового тока, а также реакция системы на помеху в цепи обратной связи. При этом рассмотрены различные варианты микропроцессорного регулятора с программным запаздыванием от 0 до одного периода регулирования.

В табл. 1 приведены данные анашпа ЛЧХ линеаризованной САР, характеристики рассматриваемого воздействия, а также относительная величина броска тока. На рис. 3 показаны переходные процессы, рассчитанные на полной модели САР с интегрирующим (И) регулятором при К1-2 (кривые ! и 2) и ПИ регулятором при К1=2, КР=22 (кривые 3-8).

По результатам математического моделирования получены следующие выводы.

I. Замена дискретных элементов непрерывными со звеньями запаздывания при линеаризации дискретно-непрерывной САР тягового привода электровоза с ИРН позволяет по ЛЧХ передаточной функции системы с достаточной достоверностью определить качество переходных процессов.

Таблица I

ДАННЫЕ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ТОКА ТЭД ТЛ-3 ПРИ К1=2, КР=22, 1^=34 00 В, _

вид РЕГУЛЯТОРА РЕЯ!И ТЭД ЛАЧХ ЛФЧХ ВОЗЛПНСТЗИЕ ПРОЦЕСС i(t)

N, сй/мми I, А с" НАКЛОН ЛБ/ДЕК Д1Р, ГРАД. Aud, В Мог А lisas. i. НОМЕР кгиво;1 гис.з

И 790 535 71 -40 10 - 50 1,04 1

и 790 535 71 -40 10 300 - 1,21 2

ПИ 790 535 155 -20 47 - 50 1,02 3

ПИ 790 535 155 -20 47 300 - 1,13 4

пи 1 200 144 -20 47 - 50 1,06 5

пи 1585 200 166 -20 47 - 50 1,02 б

пи 1 600 141 -20 43 - 50 1,03 7

пи 746 600 155 -20 46 - 50 1,02 8

Рис. 3

2. Предварительная оценка параметров САР по ее частотным характеристикам позволяет определить значения коэффициентов усиления регулятора так, что удовлетворительное качество регулирования тока тяговых двигателей будет обеспечено как при броске напряжения сети, так и при изменении уставки.

3. Прн использовании в данной системе ПИ регулятора с фиксированными коэффициентами устойчивость и удовлетворительное качество регулирования обеспечиваются во всем рабочем диапазоне тока н частоты вращения тяговых двигателей.

В четвертой главе рассматривается влияние алгоритмов управления АИН на потери в силовой цепи электровоза постоянного тока с АТД и реализация алгоритмов на основе микропроцессорной техники.

Автономный инвертор напряжения ТПЧ 1500/3 электровоза ЭП2 содержит импульсные регуляторы напряжения, два переключателя фаз и обратный диодный мост. Импульсные регуляторы предназначены для изменения выходного напряжения АИН способом широтно-нмпульсного регулирования (ШИР) на несущей частоте.

Рассмотрено три алгоритма управления АИН ТПЧ 1500/3: традиционный (ТА) с ШИР и одновременным отпиранием тиристоров катодной группы в паузе выходного напряжения; 180-градуснын; с уменьшенным числом коммутации (УМК).

* Результаты расчета потерь энергии в АИН ТПЧ-1500/3 для но-мннального-режима работы электровоза приведены в табл. 2. В этом случае при традиционном алгоритме управления потери в одном АИН окажутся равными приблизительно 43 кВт, что составляет около 5% мощности АТД. Из табл. 2 видно, что в этом случае коммутационные потери (связанные с перезарядом коммутирующих цепей, включением н выключением тиристоров) составят 87,5% общих потерь в преобразователе. Поэтому, использование алгоритмов с УМК и 180-градусного управления, обеспечивающих снижение в два раза частоты перезарядов коммутирующих цепей и в полтора раза - частоты пере-

ключений тиристоров, позволит значительно уменьшить потери энергии в АИН.

Таблица 2

РАСЧЕТНЫЕ ПОТЕРН ЭНЕРГИИ В АИН ТПЧ-1500/3 В НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ ПРИ <3=30, Цс.тах/и<1 = 1,6

СОСТАВЛЯВШИЕ ПОТЕРЬ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ АИН

ТРАДИЦИОННЫЙ УМК И 180-ГР.

Вт % Вт %

1. В контурах коммутации 32965 76,3 16482 66,7

2. В т. ч. в полупровод, приборах от протекания токов коммутации 1515 3,5 757 3,1

3. Потер! I при отпирании тиристоров нмп. регуляторов 1037 2,4 691 2,8

4. Потерн п защитных 11-С цепях 1244 2,9 622 2,5

5. Потери от протекания т оков утечки полупровод, приборов 309 0,7 309 1,2

6. В полупровод, приборах от протекания рабочих токов 3826 8,9 3826 15,5

7. Потерн при отпирании тиристоров переключателей фаз 1037 2,4 691 2106 2,8 "8~J~

8. 11отери при выключении полупроводниковых приборов 2754 6,4

ОБЩИЕ ПОТЕРИ ВАШ! 43171 100 24727 100

Экспериментальная проверка потерь энергии в ЛИН при различных алгоритмах. управления выполнена на натурном стенде ВЭлНИИ. Измерялась мощность потерь АР п АИН при различных значениях напряжения сети Ud и несущей частоты t'» инвертора. 1 (отерп в АИН измерены при отключенном ЛТД, что соответствует составляющим 1-5, перечисленным в табл. 2. Зависимости т:оир, ЛР от напряжения питания АИН и от несущей частоты приведены на рис. 4 (сплошные линии - расчет, штриховые - эксперимент). Как пидио, расчет достаточно точно отражает зависимость потерь как от напряжения, так и от частоты. Расхождение опытных и расчетных значений потерь в АИН не превышало 10% при ТА и 15% при УМК. Тским об-

а)

кВт

42

8

Ч О

ДР

&=270Гч

ГА/

У >

УМ/Г ui80"

5)

кВт

/2 8

W

ДР

Uj=WOB /У //

ТА и,=1050В

500 IООО МО ß 200 300 ШГц, Ра с.4

80 60 W 20 О

ДР

lid'3000В f = Ц5 Гц Q--15

<3*30

- У СИ?

(И5

___ Q'30

— — Uc.max ш

1,г 1,4 ír6 i,8 2,0 Pu с. S

разом, принятый порядок расчета может быть использован для приближенной оценки потерь энергии в АИН электровоза ЭП2. Экспериментальные исследования подтверждают снижение потерь при работе АИН по алгоритмам 180-градусного управления и УМК приблизительно в 2 раза по сравнению с ТА (рис. 4.а).

На рис. 5 показана расчетная зависимость потерь энергии ДР в одном АИН электровоза ЭП2 от кратности максимального напряжения на коммутирующих конденсаторах Uc.niах/иа для алгоритмов управления ТА (сплошная линия), 180-градусного и УМК (штриховая линия) при различных добротностях контура коммутации. Результаты расчета показывают, что потери'энерги^ в АИН зависят от многих факторов, однако, во всех случаях алгоритм управления УМК позволяет снизить потери по сравнению с ТА приблизительно в 1,8 раза и при этом обеспечивает возможность ШИР. Алгоритм 180-градусного управления также обеспечивает снижение потерь, но не позволяет реализовать ШИР, поэтому может использоваться только в дополнение к ТА после выхода на номинальный режим работы АТД. Использование традиционного алгоритма приводит, к наибольшим потерям энергии в АИН, однако, обеспечивает ШИР с формой напряжения не зависящей от характера нагрузки. Следовательно, снижение потерь в АИН при разгоне электровоза с реализацией ШИР возможно только при использовании алгоритма УМК.

Таким образом, для испытательного стенда целесообразно создание. устройства управления, обеспечивающего работу АИН ТПЧ-1500/3 как по традиционному алгоритму с возможностью перехода на 180-градусное управление, так и по алгоритму УМК.

Автором разработаны и созданы аппаратная и программная часть микропроцессорного устройства, управления АИН ТПЧ-1500/3. Устройство реализует перечисленные выше алгоритмы управления АИН. Аппаратная часть устройства управления состоит из одноплатного микропроцессорного контроллера (МПК) и разработанного

автором модуля распределителя импульсов (РИ), предназначенного для формирования сигналов управления тиристорами АИН. В работе показано, что в случае использовании МПК низкого и среднего быстродействия со временем выполнения команды ] „2,5 мкс при отсутствии развитой встроенной системы гибко конфигурируемых таймеров и счетчиков, целесообразно вынести задачи формирования системы импульсов управления АИН на внешний модуль РИ. В разработанном РИ использовано программно-аппаратное формирование выходных сигналов с использованием многоканальных D-триггеров. Это позволяет построить РИ без традиционного использования ПЗУ.

В результате разработки и испытаний устройства управления АИН ТПЧ-1500/3 на стенде натурной мощности сделан вывод, что такое устройство может быть построено на базе однокристального МПК, содержащего не менее шести 16-разрядных таймеров с разрешением не более 1 мкс.

В пятой главе представлены результаты испытаний микропроцессорного контроллера АИН на натурном стенде ВЭлНИИ. Стенд содержит асинхронный тяговый двигатель НБ-609 мощностью 900 кВт, изготовленный для электровоза ЭП2, и автономный инвертор напряжения типа ТПЧ 1500/3. В процессе испытаний проверена работа системы в следующих режимах:

- пуск А'ГД с места при частоте статора около 2 Гц с использованием режима фазо-импульсной модуляции при алгоритмах управления с уменьшенным числом коммутаций и традиционном;

- разгон АТД при плавном повышении выходной частоты АИН до номинальной (45 Гц) с использованием дискретного понижения кратности несущей и выходной частот при алгоритмах управления ТА и УМК с широтно-импульсным регулированием напряжения;

- переход с традиционного алгоритма на 180-градусное управление после достижения предельного коэффициента заполнения (0.95) и номинальной выходной частоты АИН;

- разгон АТД повышением частоты напряжения до 99 Гц при всех указанных алгоритмах управления.

Эксперименты проводились при величине входного напряжения АИН 600, J100 и 1500 В, действующем значении фазного тока АТД до 200 А, кратностях частот от 96 до 6 (при ТА) и от 162 до 6 (при УМК). В процессе испытании запоминающие цифровые осциллографы типа С9-8 фиксировали выходные сигналы микропроцессорного контроллера АИН, формы фазных напряжений и токов АТД, а также формы напряжений на коммутирующих конденсаторах.

Результаты испытаний показали, что при работе от МПК обеспечивается симметрия напряжений и токов по фазам при всех рассмотренных алгоритмах управления АИН. В режиме фазо-импульсной модуляции МПК позволил получить импульсы выходного напряжения АИН длительностью 40-50 мкс, что. необходимо для ограничения величины фазного тока при пуске АТД.

Подтверждена работоспособность алгоритма управления АИН с уменьшенным числом коммутаций, однако при работе АТД без нагрузки и снижении величины cos? ниже 0,5 на алгоритме УМК выявлено ухудшение формы фазного напряжения по сравнению с ТА. В связи с этим определены области применения рассмотренных алгоритмов управления АИН:

а) УМК - для реализации ШИР при отставании тока АТД от напряжения на угол менее 60 эл. градусов;

б) ТА - для реализации ШИР в случае снижения cos 9 ниже 0,5, что возможно в режиме холостого хода АТД;

в) 180-градусный - при необходимости получения коэффициента заполнения, равного единице независимо от величины cos ф.

В результате испытаний определена зависимость напряжения на коммутирующих конденсаторах от времени задержки отпирают зарядных тиристоров и установлена возможность программного регу-

лировання этой задержки при использовании двух дополнительных таймеров разрешением не более 1 мкс.

Испытания показали бесперебойную работу микропроцессорного контроллера АИН в условиях электромагнитных помех, создаваемых оборудованием натурного стенда. В частности, показана устойчивая работа АИН при переходах между ТА и 180-градусным . управлением, а также при переключениях кратностен частот. Все это позволяет рекомендовать разработанные принципы аппаратной н программной реализации МПК АИН для использования в асинхронном тяговом приводе электровоза ЭП2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Для обеспечения устойчивости и удовлетворительного качества регулирования тока коллекторных ТЭД электровозов с тирнс-торными импульсными преобразователями необходимо учитывать программное запаздывание микропроцессорной САР и дискретность процесса управления, а также влияние вихревых токов и нелинейности ТЭД. Разработана математическая модель микропроцессорной САР тягового привода, удовлетворяющая поставленным требованиям.

2. Предложена методика оценки устойчивости регулирования тягового привода электровоза с МПСУ по логарифмическим частотным характеристикам линеаризованной непрерывной модели со звеньями запаздывания. Выработаны рекомендации по структуре и параметрам микропроцессорной САР тока коллекторных ТЭД, обеспечивающим заданный запас устойчивости и удовлетворительное качество регулирования во всем диапазоне изменения тока н частоты вращения ТЭД.

3. Адекватность математической модели тягового привода электровоза с микропроцессорной САР тока ТЭД проверена на физической модели мощностью 35 кВт. Осциллограммы переходных процессов, полученные на математической и физической моделях подтверждают

-25-

правильность рекомендаций по обеспечению устойчивости и выбору параметров микропроцессорной САР.

4. Проанализированы потери энергии в АИН проектируемого электровоза постоянного тока ЭП2 с асинхронным тяговым приводом при различных алгоритмах управления инвертором. Показано, что использование алгоритма с уменьшенным числом коммутаций позволяет снизить потери энергии в АИН при пуске и разгоне электровоза приблизительно в 1,5 раза. Экспериментальные значения потерь энергии в АИН на стенде натурной мощности ВЭлНИИ отличаются от расчетных не более, чем на 10-15%.

5. Разработана, реализована и экспериментально проверена структура микропроцессорного контроллера АИН, позволяющая реализовать различные алгоритмы управления инвертором ТПЧ-1500/3 электровоза ЭП2. Показано, что это устройство управления может быть построено на базе однокристального МПК, содержащего не менее шести 16-разрядных таймеров с разрешением не более 1 икс.

6. Выработанные рекомендации по структуре, параметрам и алгоритмам микропроцессорных систем управления тяговым пршзодом электровозов приняты ПО "Электровозостроитель" и АО ВЭлНИИ. Разработанный микропроцессорный контроллер АИН входит в состав натурного стенда асинхронного тягового привода электровоза ЭП2 (ВЭлНИИ).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Евтушенко М.А., Боголюбов Ю.С. Микропроцессорная система для наладки тнрнсторно-импульсног.о преобразователя электровоза// Межвузовский сб. нлучн. тр. "Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на железнодорожном транспорте"/ 1 Тетербургский ин-т инж. ж.-д. тр-та, 1993. - с. 72-75.

2. Евтушенко М.А. Особенности микропроцессорной системы управления для электровоза с импульсным регулированием// Сб. научи. тр. "Молодые ученые и аспиранты Петербургского института инженеров железнодорожного транспорта" / ДорНТО Октябрьской жд., 1992. - с. 5-8.

3. Евтушенко М.А. Экспериментальные исследования тягового электропривода с импульсным регулированием и управлением от микроЭВМ // Межвузовский сб. научн. тр. "Повышение тягово-энергетических показателей магистральных электровозов" / Омский ин-т инж. ж.-д. тр-та, 1993. - с. 64-68.

4. Евтушенко М.А. Микропроцессорная система управления для автономного инвертора напряжения // Тезисы докладов 54-й научно-технической конференции/ПГУПС, 1994. - с. 104.

5. Евтушенко М.А. Сравнение переходных процессов тока тягового двигателя электровоза с импульсным пуском при различных алгоритмах микропроцессорного регулятора // Сб. научн. тр. "Повышение надежности и эффективности полупроводниковой преобразовательной техники в устройствах электрических железных дорог" /ПГУПС, 1995. -с. 67-71.

6. Евтушенко М.А. Анализ переходных процессов в микропроцессорной системе управления тягового привода с импульсным преобразователем // Межвузовский сб. научн. тр. "Современные методы повышения эффективности использования локомотивов"/ Дальневосточная государственная академия путей сообщения, 1996. - с. 29-32.

Автор выражает благодарность доценту кафедры "Электрическая тяга" ПГУПС канд. техн. наук А.Я .Якушеву за научные консультации по данной диссертации.

Подписано к печати 0Z.Jc9.96r. Усл.-пэч.л, - 1,5 .Печать о^сетноя. Бумага для множит, апп. Форкат ССхВ'ч 1/16

Тираж К'О _________________

Тип. "ЛГ/ПС 190031,Санкт-Петербург, Московски/ пр., 9