Диссертация (Управление асинхронными тяговыми электродвигателями тележки локомотива в предельных по сцеплению режимах движения), страница 3

В режиме торможения скорость колеса должна быть немного меньшескорости локомотива, при этом характеристика имеет аналогичный вид, норасположена в третьем квадранте (рис. 1.1б). При увеличении скоростискольжения до критического значения (на рис. 1.1а это vск = 2,5 %) коэффициент сцепления достигает максимума и становится равным потенциальномукоэффициенту сцепления ψ0 (k=1; ψ =ψ0), а реализуемое колесом тяговое усилиеF=N·ψ0·k(1.4)становится предельным (максимально возможным) по условиям сцепления.Рис.1.2. Измеренные значения коэффициентасцепленияРис.

1.3. Вид характеристики сцеплениядля различного состояния рельсовПри дальнейшем увеличении проскальзывания рабочая точка смещается на падающий участок в зону буксования (рис. 1.1а). Этот участок характеристики имеет отрицательную крутизну, то есть отрицательное гашение колебаний [39;58;59], и является нестабильным: помимо буксования и снижения тягового усилия F (1.1- 1.4), здесь возможно усиление собственных формколебаний в механической подсистеме [60-62].13Поэтому можно следующим образом классифицировать динамическиережимы работы ТЭП в зависимости от положения рабочей точки [59]:- квазистационарные режимы – это режимы тяги или торможения, в которых рабочая точка находится на восходящем участке (стабильная зона,стабильные режимы);- нестационарные режимы – это режимы тяги или торможения, в которых рабочая точка находится на падающем участке (нестабильная зона, нестабильные режимы, т.е., режимы буксования и юза);- режимы реализации предельных тяговых усилий – это режимы работы вблизи максимума характеристики сцепления (или минимума в режиметорможения).

В процессе флуктуаций из-за динамических явлений в ТЭП рабочая точка попеременно попадает и в восходящую, и в нисходящую область графика.Увеличение вертикальной нагрузки N (в формулах 1.1, 1.4), передаваемой от колеса локомотива на рельс, повышает предельно возможные тяговые усилия, но ограничивается динамическим воздействием на путь.

Крометого, работа тяговых двигателей, - создаваемые ими электромагнитные моменты, - вызывают перераспределение вертикальных нагрузок осей (и колес),которое существенно зависит от конструкции механической части [2;12]. Поэтому первой достигает предельного сцепления ось менее нагруженная (лимитирующая ось) при одинаковом значении электромагнитных моментовдвигателей.

В то же время у осей с большей вертикальной нагрузкой еще остается запас по сцеплению, и их тяговые возможности используются не полностью.Необходимо, чтобы система управления удерживала ТЭП вблизи максимума характеристики (рис. 1.1-1.3) для каждой оси, не слишком «заезжая»при этом на падающийучасток. Это весьма сложно и требует совершенстваСУ ТЭП, учитывая случайный разброс значений коэффициента сцепления(рис. 1.2); неравномерность нагрузок осей; различие диаметров колёс; разли14чие параметров тяговых двигателей; динамические колебания звеньев МЧ;изменение погодных условий и загрязнений рельсов (рис. 1.3); неровности.Тяговые двигатели могут получать питание от общего преобразователячастоты, на рис.1.4, например, АТД каждой из тележек электровоза подключены попарно к одному автономному инвертору напряжения (АИН) и имеютв каждый момент времени одинаковую частоту и напряжение (совместноеили групповое регулирование) [6;65].Рис.

1.4. Схема функциональная для ТЭП электровозас совместным (потележечным) регулированием АДВ данной работе принят термин «совместное регулирование» (а негрупповое), чтобы не возникало путаницы с понятием «групповой привод», вкотором все исполнительные механизмы приводятся в движение одним общим двигателем через свои механические передачи [66,67]. Совместное регулирование АТД тележек (потележечное) широко применялось в ТЭП первых зарубежных и отечественных локомотивов, и в настоящее время такженаходит применение (отечественные маневровые тепловозы ТЭМ21, ТЭМ9H,магистральный электровоз ЭП10, зарубежные локомотивы SD60MAC,F69PH, E402 и др.). Возможно также совместное регулирование всех двигателей локомотива (например, на электровозе DE1003 параллельно к одномуАИН подключены АТД всех четырех осей).

При совместном регулированиивесьма сложно обеспечить максимум характеристики сцепления, так как не15возможно отдельно регулировать каждый тяговый двигатель.Для улучшения динамики СУ ТЭП и тяговых качеств наряду с совместным регулированием применяется индивидуальное регулирование осей,когда каждый двигатель питается от своего инвертора (рис.

1.5).Рис. 1.5. Схема функциональная для ТЭП тепловозас индивидуальным регулированием АДТакое регулирование применено, например, на отечественных тепловозах 2ТЭ25А, электровозах ЭП20, 2ЭС10, 2ЭВ120, зарубежных локомотивахSD70MAC; E412 и др.Совместное регулирование широко используется также на локомотивахс традиционными тяговыми двигателями постоянного тока последовательного возбуждения. Из отечественных локомотивов возможность индивидуального регулирования двигателей последовательного возбуждения в нестационарных режимах предусмотрена только на тепловозах 2ТЭ25К путем подключения каждого двигателя к индивидуальному тиристорному управляемому выпрямителю и изменения защитой от буксования напряжения на буксующих двигателях по определенному алгоритму [23;24].Системы защиты от буксования начинают функционировать только по16сле обнаружения буксования.

Обнаружение буксования может осуществляться следующими способами (аналогично для юза):1. По изменению электромагнитных величин буксующих двигателей, в зависимости от схемы СУ могут анализироваться токи машин, э.д.с., производные этих величин и др., и, по их изменению, а также сравнению для разныхдвигателейделаютсявыводыовозникновениибуксования[4;6;10;11;13;14;16].2.

По изменению скорости роторов и её производных [12;23-26] или поизменению скорости проскальзывания колес [19;21;22;27-30].3. По усилению вибраций в тяговой передаче в определённых частотных диапазонах [31-34].Возможно также сочетание этих способов: 1 и 3; 2 и 3 [45;48].Если процесс буксования (юза) вовремя не обнаружен и не остановлени уже достаточно развился, то возникает ощутимое снижение тяговых (или)тормозных усилий. На локомотивах, у которых системы защиты от буксования (юза) не обладают требуемым быстродействием и допускают развитиепроцесса, опытные машинисты по возникающей вибрации или колебаниямпоказаний амперметра могут подсыпать песок или уменьшать усилие тяги.Так что, самыми простыми (но весьма грубыми) способами защиты от буксования являются дозированная подсыпка песка под колеса (или другого реагента, повышающего сцепление) и сброс позиций контроллера машиниста(или отключение двигателей).

Однако, при неблагоприятном сочетании факторов свободное развитие буксования (юза) за 1,6 – 2,5 с может привести кнедопустимым динамическим нагрузкам и поломкам в тяговой передаче[2;45;61-63].Так как изначально принципы обнаружения буксования и защиты отбуксования отрабатывались на локомотивах с тяговыми двигателями постоянного тока, в качестве примера можно привести привод с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения, параллельно соединенными17к тяговому генератору через неуправляемый выпрямитель (рис.

1.6). Многиесерийные грузовые и пассажирские тепловозы имеют такую систему ТЭП.[68].Рис. 1.6. Схема принципиальная ТЭП тепловоза с двигателями постоянного токаРегулирование мощности тягового генератора при отсутствии буксования в данных схемах выполняется припостоянной мощности дизель–генератора для каждой позиции контроллера. Защита от буксования осуществляется путём снижения мощности генератора при заданном различии токов параллельно включённых двигателей. У такой защиты низкая чувствительность, так как имеется разброс параметров цепей двигателей, разбросдиаметров бандажей колёс.

Для стандартных уставок данной защиты на тепловозах снижение мощности на первой ступени защиты происходит прискорости проскальзывания колёс 6-8 км/ч, на второй ступени – при скоростипроскальзывания 10-12 км/ч. Сила тяги тепловоза, в частности, 2ТЭ116, снижается при этом на 28-30 % и 35-38 % соответственно [24;27].Для улучшения противобуксовочных свойств в ряде работ [11;12]предлагалось повысить жесткость характеристик тягового генератора, воздействуя на его систему возбуждения с тем, чтобы автомат чески перейтипри буксовании от регулирования генератора при поддержании постоянноймощности к регулированию при поддержании постоянного напряжения.

Од18нако, постоянства напряжения недостаточно, ведь, как известно, двигателипоследовательного возбуждения обладают мягкими естественными характеристиками, поэтому ТЭП с такими двигателями склонны к развитию разносного буксования принесовершенстве защиты. Как показано в работах[2;4;6;15], для повышения тяговых качеств локомотива и предотвращенияразносного буксования, целесообразно повышать жесткость тяговых характеристик двигателя, то есть, придавать его характеристикам такой вид, когдамалые изменение скорости двигателя (а соответственно, и колес) вызываетсущественное снижение усилия тяги (или торможения). При буксовании двигателей последовательного возбуждения необходимо для увеличения жесткости их характеристик предотвратить снижение магнитного потока, то есть,поддерживать ток возбуждения постоянным, как у двигателей независимоговозбуждения [21]. Или для подавления буксования следует, как на тепловозе2ТЭ25К, снижать скорость буксующих осей, регулируя напряжение двигателей [23;24].Так как для подавления буксования жесткость естественной электромеханической характеристики двигателя должна быть выше, чем жесткость характеристики сцепления [2;4;59], то в ТЭП для улучшения противобуксовочных свойств целесообразно применять двигатели с жесткими естественнымимеханическими характеристиками: асинхронные, синхронные, независимоговозбуждения, вентильно-индукторные [19;57;69;70].Наибольшее распространение получили АТД в силу простоты и надежности конструкции, а также ряда других известных преимуществ [6;19].

Отработка алгоритмов защиты от буксования началась одновременно с отработкой алгоритмов управления ТЭП на первых локомотивах со скалярнымуправлением АТД [13;16;18].На рис. 1.7 приведена в качестве примера схема функциональная дляТЭП оси электровоза ВЛ80А – первого электровоза с АТД.19Рис. 1.7. Схема функциональная для ТЭП электровоза ВЛ80А с индивидуальнымрегулированием АТДВ силовом канале ТЭП ВЛ80А применены управляемый выпрямитель(УВ), автономный инвертор напряжения (АИН), изготовленные с использованием обычных тиристоров. Для вентилей УВ и АИН управляющие сигналывырабатываются соответствующими блоками управления СУ: (БУВ) и(БУИ). Команды на задание величины напряжения поступают в БУВ с Контроллером машиниста (КМ) формируется задание напряжения для созданиятребуемой силы тяги.Блок регулирования частоты (БРЧ) выполняет регулирование частотынапряжения, он обеспечивает постоянную величину абсолютного скольжения f2 в процессе разгона.