Автореферат (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Высокая потребность в энергоэффективных системах управления (СУ) общепромышленными и тяговыми электроприводами с асинхронными двигателями (АД) являются определяющими факторамиактуальности темы диссертационного исследования. Современная СУ должна обладать высоким быстродействием, пониженной чувствительностью к возмущениям и изменению параметров системы при эксплуатации, а также одной из важных конкурентных особенностей - применимость к широкому спектру электроприводов различной мощности.В качестве основополагающих систем управления асинхронным электроприводом при реализации энергоэффективных алгоритмов, зачастую, применяют скалярные и векторные системы. По ряду технических показателей вышеприведенныеСУ уступают системам прямого управления моментом асинхронных электродвигателей, иначе, системам DTC (Direct torque control).

Системам прямого управлениямоментом присущи такие преимущества как:− высокое быстродействие системы ввиду наличия релейных регуляторов момента и потокосцепления статора;− стабильность функционирования при наличии погрешности данных о наблюдаемых параметрах объекта управления;− стабильность функционирования при различных возмущениях в процессе регулирования координат объекта управления.Эти преимущества особенно важны для СУ асинхронных тяговых двигателей(АТД) железнодорожного транспорта, работающих в тяжёлых, изменяющихся вшироких пределах условиях эксплуатации. Для систем прямого управления моментом на сегодняшний день недостаточно проработаны энергосберегающие алгоритмы управления двигателями, и это является весьма перспективным направлением исследований, которое позволит более полно использовать все преимуществасистем DTC для достижения высоких показателей энергоэффективности электроприводов с асинхронными тяговыми электродвигателями.Цель работы ‒ повышение энергоэффективности тягового электропривода спрямым управлением моментом асинхронных электродвигателей.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:1.

Изучение существующих энергоэффективных систем управления электроприводами и обоснование выбора базовой системы для создания энергоэффективногоспособа и алгоритмов управления.2. Разработка энергоэффективного способа и алгоритмов управления набазе системы с прямым управлением моментом АТД и создание функциональнойсхемы, реализующей данный алгоритм;43. Разработка математической и компьютерной модели системы энергоэффективного управления асинхронным тяговым электроприводом;4. Анализ на компьютерной модели введения в структуру системы DTC узлов оптимизации задания потокосцепления статора с целью снижения потреблениятока статора;5.

Оценка на основе моделирования влияния на динамические характеристики асинхронного тягового электропривода энергосберегающих алгоритмовуправления.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1. Разработаны способ и система энергоэффективного прямого управлениямоментом асинхронных тяговых электродвигателей.2. Разработан энергосберегающий алгоритм управления асинхронным тяговым электроприводом в системе прямого управления моментом по критерию минимума тока статора, реализованный на основе оптимального регулирования задания потокосцепления статора в зависимости от задания момента АТД.3. Предложен блок логики переключений системы управления на энергосберегающий алгоритм формирования задания потокосцепления для тягового электропривода локомотивов с учётом контроля текущего режима и условий работы электропривода.4.

Определены оптимальные по критерию минимума тока статора зависимости потокосцепления статора и угла между векторами тока и потокосцеплениястатора (моментообразующими векторами) от нагрузки для асинхронных тяговыхэлектродвигателей тепловозов.Теоретическая и практическая значимость работы.Предложенный способ и алгоритмы управления асинхронным электроприводом позволяют за счет оптимизации потребления тока статора снизить потери вэлектродвигателе и, как следствие, повысить к.п.д.Созданные математические и компьютерные модели энергосберегающего тягового электропривода локомотивов могут использоваться на стадии проектирования для анализа режимов энергоэффективного регулирования электропривода.Разработанная система управления применима для широкого спектра электроприводов, где используются частотные преобразователи с прямым управлениеммоментом.Результаты работы приняты Людиновским тепловозостроительным заводом(ЛТЗ) и используются при проектировании энергосберегающего тягового электропривода перспективных тепловозов, а также внедрены в учебный процесс Брянского государственного технического университета и используются в преподаваемых дисциплинах «Моделирование динамики электромеханических систем» и«Мехатроника» магистратуры 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».5Методология и методы исследования.

При проведении исследований и разработке математических моделей применялись основные положения теории электропривода, электрических машин, автоматического управления, метод экспериментального подтверждения аналитических результатов.

Компьютерные исследования энергосберегающей системы и алгоритмов управления проводились при помощи моделирования электромеханических процессов асинхронного электропривода в основной библиотеке программного комплекса Matlab/Simulink и программном комплексе «Универсальный механизм» (УМ).Положения, выносимые на защиту:− система и алгоритмы энергоэффективного регулирования электропривода спрямым управлением моментом;− аналитические зависимости для энергосберегающего регулирования потокосцепления статора и угла между векторами тока и потокосцепления статора от задания на момент для асинхронных тяговых электродвигателей тепловозов;− алгоритм работы блока логики переключений системы управления на энергосберегающее формирование задания потокосцепления для тягового электропривода локомотивов;− методика и результаты математического и компьютерного моделированиясистемы энергоэффективного регулирования тягового электропривода с прямым управлением моментом;− результаты экспериментальной проверки предложенного принципа энергоэффективного регулирования асинхронного электропривода с прямымуправлением моментом.Степень достоверности результатов диссертационной работы обеспечивается сопоставлением и удовлетворительной сходимостью результатов расчётаэнергоэффективной системы с прямым управлением моментом асинхронного электродвигателя с экспериментальными данными, полученными на лабораторнойустановке кафедры ЭРЭиЭС БГТУ, а также соответствием результатов положениям теории электропривода и теории электрических машин.Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследованиябыли представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и автоматика» (Липецк, 2014); VIII Международном симпозиуме «Элтранс-2015» (Санкт-Петербург, 2015); на X Международнойнаучно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования,проекты» (Санкт-Петербург, 2015), на 69, 70, 72 и 73-й научно-технических студенческих конференциях БГТУ (Брянск, 2014, 2015, 2017, 2018); на III и IV Международном научно-техническом семинаре «Компьютерное моделирование в железно-6дорожном транспорте» (Брянск, 2016, 2018); на I Международной научно-практической конференции «САПР и моделирование в современной электронике»(Брянск, 2017).Публикации.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в числекоторых 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 3 патента на изобретения и 4 ‒ на полезные модели.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения, библиографического списка, включающего 105 наименований, и 3-хприложений. Работа включает в себя 135 страниц основного текста, содержит 48иллюстраций и 6 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность разработки энергоэффективных систем управления асинхронными электродвигателями, определены решаемые в диссертационной работе научно-технические проблемы и задачи, показаны новизна ипрактическая ценность работы, выделены основные защищаемые положения.В первой главе проведен сравнительный анализ существующих системуправления электроприводами с асинхронными двигателями.