Диссертация (Управление асинхронными тяговыми электродвигателями тележки локомотива в предельных по сцеплению режимах движения), страница 7

Разработка математической и компьютерной модели СУ ТЭП с совместным управлением параллельно включённых АД на пределе сцепления.4. Разработка для механической подсистемы ТЭП гибридного маневрово-вывозного тепловоза ТЭМ9H математических и компьютерных моделей ианализ на их основе динамических процессов в ТЭП.5. Создание электромеханической компьютерной модели ТЭП гибридного маневрово-вывозного тепловоза и исследование на основе численныхэкспериментов алгоритмов управления разгоном и электрическим торможением локомотива с совместным регулированием АТД в режиме реализациипредельных усилий.При исследовании ТЭП с АД, запитанными в силовом канале от статических преобразователей частоты со сложной системой управления, применение аналитических методов в силу значительной нелинейности системызатруднено.

Поэтому в качестве основных методов и средств исследованиявыбраны методы математического и компьютерного моделирования электрических и механических систем с учётом положений теории электрическихмашин, теории электропривода, теории автоматического управления, а также апробированные на решении сложных исследовательских задач программные комплексы: MatLab/Simulink и «Универсальный механизм» (UM).41РАЗДЕЛ 2. СПОСОБ УПРАВЛННИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕМОДЕЛИРОВАНИЕ ТЭП С СОВМЕСТНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ АДРазвитие асинхронного тягового электропривода и внедрение его на отечественных локомотивах требует совершенствования алгоритмов управленияасинхронными тяговыми двигателями как при индивидуальном питании двигателя каждой оси от отдельного автономного инвертора, так и при параллельномподключении двигателей тележки к общему автономному инвертору.

На новыхлокомотивах внедряются современные системы управления асинхроннымидвигателями: векторное управление, прямое управление моментом (DTC). Вэтих системах предусматривается использование адаптивных моделей двигателей для вычисления ряда регулируемых выходных параметров (потокосцепления, электромагнитного момента и др.) на основе измеряемых переменных состояния АТД (фазных токов, напряжения в промежуточном контуре и др.)Индивидуальное регулирование осей позволяет одновременно учесть всистеме управления переменные состояния каждого двигателя, что улучшаетдинамику управления и повышает реализуемые тяговые и тормозные усилия.Однако весьма часто по экономическим соображениям и условиям размещения, применяют совместное регулирование двигателей в пределах тележки, вэтом случае измеренные переменные состояния АТД, поступающие в систему управления ТЭП (рис. 2.1), не могут быть учтены одновременно для каждого двигателя требуемым оптимальным образом.

В связи с этим необходимоотрабатывать алгоритмы управления при совместном регулировании, позволяющие обеспечить высокие тяговые качества локомотива и исключающиенестационарные динамические режимы (буксование и юз), сопровождающиеся повышенными динамическими нагрузками [100;101].В рамках пилотного проекта Людиновским тепловозостроительным заводом (ЛТЗ), входящим в ОАО «Синара – Транспортные машины», при участии автора был разработан гибридный маневрово-вывозной тепловоз с со42вместным регулированием АТД в пределах тележки, один из вариантовфункциональнойсхемыкоторого,рассмотренныйвработах[100;101;106;107], приведён на рис. 2.1 (аккумуляторная батарея на даннойсхеме не изображена).Рис. 2.1.

Обобщенная функциональная схема ТЭП двухосной тележки тепловозапри использовании датчиков тока в цепи каждого АТДВ СУ ТЭП гибридного тепловоза ТЭМ9H внедрены наиболее динамичные алгоритмы разрывного управления АТД при регулировании потокосцепления статора, позволяющие реализовать и испытать различные вариантыуправления приводом на пределе сцепления при совместном регулировании.Стратегия разрывного управления тягой заимствована [83-86], ввиду отсутствия в России конкурентных стратегий. Она имеет три основных преимущества:1) достижение предельной физически возможной скорости изменениямомента, что позволяет построить систему использования реального коэффициента сцепления;2) минимизация частоты переключения приборов;433) получение максимально возможной первой гармоники напряжения(соответственно, - величины потока, - в режиме однократной коммутации).Кроме того, благодаря использованию разрывного управления АТД срелейными регуляторами момента и потокосцепления обеспечивается высокая стабильность работы тягового привода при колебаниях напряжения впромежуточном контуре статического преобразователя и изменении параметров объекта управления.2.1.

Способ и алгоритмы управления ТЭП гибридного тепловоза в режимереализации предельных усилийВ процессе исследований и проектирования был выбран альтернативный вариант электрической схемы с одним датчиком тока на два параллельноработающих АТД как более простой и дешевый (рис. 2.2) [102;103].Рис. 2.2. Обобщенная функциональная схема электрической части ТЭП тепловоза ТЭМ9HВ современных условиях целесообразно, наряду с внедрением импортных систем управления, создавать и совершенствовать с учетом мировых44достижений собственные алгоритмы управления ТЭП, используя для их отработки, как уже имеющиеся образцы локомотивов, так и новые компьютерные технологии. С нашей точки зрения для этих целей хорошо подходит четырехосный гибридный маневрово-вывозной тепловоз ТЭМ9H.Локомотив имеет совместное регулирование ТЭП с подключением двухАД тележки к автономному инвертору напряжения и комплекс техническихрешений в системе электропитания, снимающих ряд ограничений по управлению тяговым электроприводом в пусковых режимах по сравнению с обычным электроприводом тепловоза.

Применение в системе электропитания аккумуляторной литий-ионной батареи (АБ) с огромным энергозапасом (300кВт*часов) и суперконденсаторов (С) позволяет отойти от традиционногоступенчатого (позиционного) регулирования мощности дизеля на тягу и реализовать мечту ‒ регулировать силу тяги, а не поддерживать произведениесилы тяги на скорость постоянным в соответствии с позицией контроллерамашиниста. (Двунаправленный преобразователь заряда-разряда, через который подключена аккумуляторная батарея, на схеме не показан).Функциональная схема СУ ТЭП ТЭМ9H, модифицированная с учетомпредлагаемого способа и алгоритмов регулирования скольжения колес, приведена на рис.

2.3, причём, на рисунке показана схема СУ ТЭП первой тележки, для двигателей второй тележки (АТД3, АТД4) схема аналогична[103].При пуске локомотива контроллером машиниста (КМ) для СУ ТЭП сначала задается максимальная сила тяги, поступающая в блок вычисления задания момента с учетом ограничений (БВЗМ) и фактически определяющаяограничение момента АТД в контуре регулирования момента. Но сигнал задания момента (следовательно, и сам момент равны нулю), пока нет заданияна скорость.

Далее при помощи КМ задается требуемая скорость локомотива,поступающая в блок вычисления задания скорости (БВЗС) и определяющаяограничение задания на частоту вращения АД в контуре скорости. После45этого появляется задание момента на выходе регулятора частоты вращенияАТД, и локомотив начинает разгон, постепенно увеличивая силу тяги (до заданной максимальной величины, если позволяет сцепление) и пытается достичь установленной КМ скорости [103].Рис. 2.3. Функциональная схема СУ ТЭП тепловоза ТЭМ9H, модифицированная с учетомрегулирования скольжения колесС учетом зарубежного и отечественного опыта [38;40;41;45;65;103] вычисление задания частоты вращения АТД (рис.2.3), приведенной к скоростиколеса (VДз), производится в БВЗС посредством интегрирования задания ускорения колёсной пары (a1 или а0).

Это задание, в свою очередь, вычисляетсяв БАУ (блоке адаптации ускорения). Оно жестко привязано к ускорению локомотива, что позволяет либо подогнать колесо (увеличить его скольжениеотносительно скорости локомотива), либо замедлить, чтобы выехать из зоныбуксования при тяговом режиме или юза при тормозном:- в тяговом режимеa1= a л + ∆ak1 ;a0= a л − ∆ak 2 ;(2.1)46- в тормозном режимеa=a л − ∆ak1 ;1a0= a л + ∆ak 2 ;(2.2)где ал - ускорение локомотива; a1 и а0 - задания на ускорение колес; ∆аk1 и∆аk2 – небольшие положительные величины, адаптируемые к массе состава иусловиям движения [102;103].Ускорение локомотива ал, изменяющееся в процессе движения, постоянно вычисляется в БАУ по изменению оценочной скорости локомотива Vл(определяемой по измеренным частотам вращения роторов АТД ω1-ω4) за заданные промежутки времени ∆t (ал=∆Vл/∆t).

Если на локомотиве установлендатчик линейной скорости (ДV), его сигнал показан пунктиром на рис. 2.3, тодля вычисления ускорения локомотива лучше использовать этот сигнал.Переключение между значениями a1 и а0 осуществляется под контролемрелейного регулятора скольжения колес (РСК) с адаптивным гистерезиснымдопуском. Для снижения фрикционных автоколебаний на вход РСК в режиметяги подается абсолютная величина разности между частотой вращения двигателя первой (по ходу движения) оси тележки (имеющей меньшую вертикальную нагрузку), приведенной к линейной скорости колеса (VД1), и скоростью локомотива (VЛ).

То есть, в данном случае для первой тележки (рис. 2.3)используется абсолютная величина скольжения колес первой оси (в режиметорможения – второй оси тележки, так как в этом режиме вторая ось имеетменьшую вертикальную нагрузку). Пока величина скольжения не превыситдопустимый верхний порог РСК, БВЗС в режиме тяги интегрирует величинуа1, после превышения порога - величину а0 (в режиме торможения - наоборот). Обратное переключение с а0 на а1 происходит, когда скольжение колесстанет меньше нижнего порога, заданного в РСК [102;103].Задание на скорость VД1, вычисленное БВЗС путем интегрирования a1или а0:V Дз = ∫ am dt ,где m=0; 1;(2.3)47сравнивается с измеряемой приведенной частотой вращения ротора VД1, иполученный сигнал поступает к регулятору частоты вращения (РЧВ), вычисляющему задание на момент (МЗω), которое затем ограничивается в БВЗМ натребуемом уровне (МЗ). Рассматривались два варианта РЧВ: пропорциональный (П) и пропорционально-интегральный (ПИ) [102;103].Полученное задание на момент МЗ, а также задание на модуль векторапотокосцепление статора Ψs , определяемое в блоке вычисления заданияпотокосцепления (БВЗП) в зависимости от скорости локомотива, подаются всистему разрывного управления (РУ) [83;85;103].