Автореферат (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 3

Определены функционалы блоков, реализующих энергоэффективный алгоритм, приведена математическая модель энергоэффективной системы DTC, проверена адекватность моделиАТД АД917УХЛ1, выполненной в основной библиотеке MatLab/Simulink.Рисунок 6 - Функциональная схема энергоэффективной системы прямогоуправления моментом асинхронного тягового электродвигателяЭнергоэффективная система прямого управления моментом, аналогично традиционной архитектуре DTC, содержит трёхпозиционный релейный регулятор момента (РРм) и двухпозиционный релейный регулятор потокосцепления (РРп), адаптивную модель двигателя (АМД), блок логического автомата (БЛА) и блок вычисления фазового сектора (БВФС).

На вход двухпозиционного релейного регуляторапотокосцепления статора подается сигнал от блока логики задания потокосцепления (БЛЗП). На вход трехпозиционного релейного регулятора момента подаетсясигнал от блока вычисления задания на момент АТД (блок 7, рисунок 6). Послечего уже в типовой структуре системы прямого управления моментом происходитвычисление текущего положения вектора напряжения на фазовой плоскости и изменение его положения в зависимости от полученной информации от релейных регуляторов по таблице переключений. Далее сформированный вектор напряжения13подается на систему управления автономного инвертор напряжения (АИН) формируя необходимую комбинацию ключей для реализации энергоэффективного управления асинхронного тягового двигателя локомотива.Задатчик потокосцепления статора включает энергоэффективную зависимость ΨSз=f(Mзад), заложенную в блоке 5 (рисунок 6). Поскольку задание электромагнитного момента двигателя является определяющим для вычисления заданияпотокосцепления статора и может резко изменяться в процессе работы электропривода, то в узел вычисления задания потокосцепления статора был включен блокфильтрации пульсаций с выхода задатчика момента.

Данный блок представляет собой апериодическое звено 1-го порядка и предотвращает недопустимое повышениетока АТД при переходном процессе изменения потокосцепления.Переключение между обычным Ψ’Sз и энергосберегающим заданием потокосцепления ΨSз происходит под контролем БЛЗП, анализирующего режим работы электропривода. Блок логики БЛЗП предусмотрен для адаптации энергоэффективной СУ(рисунок 7) к различным типам привода, он обеспечивает переход от традиционного изменения потокосцепления статора к энергосберегающему (и обратно).Алгоритм функционирования БЛЗП зависит от конкретного типа привода иусловий его работы, но во всех случаях намагничивание АД (при пуске и началеего разгона) происходит при традиционном номинальном задании потокосцепления.

В случае резкого изменения задания на потокосцепление, например, при переключении между традиционным и энергосберегающим заданием потокосцепления(или обратно) в БЛЗП предусмотрено плавное сглаживание недопустимых бросковтока. Для тягового электропривода алгоритм функционирования БЛЗП представлен на рисунке 7.Алгоритм блока логики задания потокосцепления предусматривает энергоэффективное управления только в режиме тяги: при разгоне АТД с постояннымзаданным моментом Мзср (с допуском ∆Мз) и при установившемся движении с относительным постоянством скорости (с допуском ∆ωт ) и заданного момента АТДМзср (с допуском ∆Мз) в течение некоторого определённого промежутка времени∆tз.

Переход на обычное (традиционное) задание потокосцепления предусмотренпри пониженном задании потокосцепления и изменении заданного момента(например, при наезде на масляное пятно, окончании разгона). Кроме того, в БЛЗПпредусмотрен контроль нарушения процесса регулирования момента в системеDTC.Это может произойти, в частности, из-за снижения перегрузочной способности двигателя (критического момента) при уменьшении потокосцепления статора.В блоке логики задания потока возникновение подобных режимов контролируетсяусловием перехода к традиционному заданию потокосцепления:Мз > М на величину большую ∆М в регуляторе момента (РМ) в течение ∆tз1.14Рисунок 7 - Алгоритм функционирования блока логики задания потокосцеплениястатора для АТД локомотивовТо есть, если задание момента тягового двигателя выше фактического значения момента, вычисленного по модели АТД, на величину большую, чем гистерезисный допуск РМ в течение некоторого заданного времени ∆tз1, то это говорит отом, что нарушилось регулирование момента и надо перейти к обычному заданиюпотокосцепления от сниженного энергоэффективного задания (форсировать поток).Также в третьей главе описана реализация математической и компьютерноймодели энергоэффективной системы DTC.

Адаптивная модель двигателя разработана в системе координат α, β, связанной со статором. Релейные регуляторы, блоквычисления фазового сектора (БВФС) и блок логического анализа (БЛА), входящиев ядро системы DTC, описаны с помощью систем стандартных логический выражений и таблицы переключений, энергоэффективное задание потокосцепление вфункции задания момента и БЛЗП также реализованы с использованием блоков основной библиотеки MatLab/Simulink.Была выполнена проверка адекватности разработанной модели АТД путеммоделирования номинального режима АТД АД917УХЛ1 и сравнения результатов15моделирования со справочными данными АТД, при номинальном моменте расхождение по току и скорости не превышает 0,3 %.В четвертой главе разработана комплексная электромеханическая модельТЭП с энергоэффективной СУ, выполнено моделирование статических и динамических режимов системы, а также проверена правильность аналитических положений и выбранных принципов построения энергосберегающей системы электропривода с прямым управлением моментом АТД на лабораторном стенде.Для более подробного исследования динамики процессов в электроприводепри реализации энергосберегающего алгоритма была разработана комплекснаяэлектромеханическая модель тепловоза ТЭМ9Н с АТД АД917УХЛ1 при объединении с помощью специального интерфейса CoSimulation электрической подсистемы, разработанной в ПК Matlab/Simulink, и механической подсистемы, разработанной в ПК «Универсальный механизм» при участии сотрудников лабораторииВычислительной механики Брянского государственного технического университета.

С целью проверки целесообразности применения предлагаемых энергоэффективных алгоритмов для ТЭП локомотивов выполнено моделирование тягового привода грузового тепловоза в различных режимах. Исследовались режимы разгонатепловоза, как с определённой, заданной машинистом силой тяги, не превышающей предельную по сцеплению, так и с реализацией предельных усилий. Разгонпроизводился до заданной машинистом скорости с последующим установившимсярежимом.В качестве примера приведены результаты моделирования разгона ТЭП оситепловоза с составом 2000 т на пределе по сцеплению до заданной скорости 15 км/чи движения по перегону с той же заданной скоростью (рисунок 8). В начале пускаи разгона потокосцепление статора устанавливается в блоке 4 (рисунок 6) равнымноминальному значению (ΨSз = ΨSн), и локомотив начинает разгоняться, достигая взаданных условиях предела по сцеплению, что сопровождается вибрацией колёс(рисунок 8а), при этом устанавливается действующее значение тока статора науровне 538 А (максимальное 760,7 А, рисунок 8б).

Условия сцепления приняты хорошими, потенциальный коэффициент сцепления высок, поэтому электромагнитный момент при разгоне превышает номинальное значение.Далее БЛЗП, анализируя стабильность режима разгона, производит переключение на энергоэффективное регулирование (на рисунке 8 это момент времени t=15c), то есть, переключение на энергосберегающее задание потокосцепления в блоке5. Действующее значение тока статора при этом снижается на 4 %. Средняя величина потокосцепления статора фиксируется на уровне ΨSз = 1,1ΨSн, средняя величина угла между векторами тока и потокосцеплением статора устанавливается назначении θ S = 52,4 градуса.

Электромагнитный момент при этом регулируется науровне 12000 Н∙м (то есть 1,14 Мн, рисунок 8в).16Рисунок 8 - Результаты моделирования разгона ТЭП тепловоза с АТД на пределепо сцеплению до заданной скорости с применением энергоэффективного управления двигателями:а) скорости колес 1-й оси (Vк1_1 и Vк2_1) и локомотива (Vл); б) ток фазы статора(I1), приведённый ток фазы ротора (I2’) и ток намагничивания (Im);в) электромагнитный момент (М)Как видно из графиков, при переходе на энергоэффективный режим прибольших нагрузках ТЭП потокосцепление статора увеличивается, снижаются токистатора и ротора, и возрастает ток намагничивания.17Это приводит к снижению электрических потерь в обмотках статора и ротора, которые пропорциональны квадратам соответствующих токов, и некоторомувозрастанию магнитных потерь, которые пропорциональны квадрату индукции ичастоте тока.

Но в целом к.п.д. АТД возрастает на 1-1,5 %, так как суммарные потери снижаются, что тоже в совокупности со снижением тока статора весьма положительно. Относительно небольшое увеличение к.п.д. вызвано тем, что в режимах,близких к номинальным нагрузкам, ТЭП работает в условиях, приближенных кусловию максимума к.п.д., которое обычно соблюдается вблизи номинального режима.При реализации энергоэффективного алгоритма в системе управления, оптимизированной по критерию минимума тока статора, параллельно снижению токаснижается и поток, как следствие снижаются потери. Наибольший эффект достигается в первой зоне регулирования при моментах нагрузки ниже 0,6 от номинальнойвеличины. Уменьшение потокосцепления по энергосберегающему закону в подобных условиях (например, в опыте на рисунке 8 такое снижение выполнено приt=40 секунд, установившийся момент АТД составляет при этом 0,19Мн) приводитк существенному уменьшению тока статора и росту к.п.д., несмотря на то, что токротора при этом возрастает.