Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 10

Оптимизацияпотребления тока статора особенно актуальна для гибридных локомотивов, так какпозволяетувеличитьосуществлениивремяработыэнергоэффективногоотаккумуляторнойуправлениябатареи.Припредпочтительнееиндивидуальное регулирование АТД тележки, но возможно и параллельноеподключение к одному АИН (рисунок 3.2)Энергоэффективная система прямого управления моментом, аналогичнотрадиционной архитектуре DTC, содержит трёхпозиционный релейный регулятормомента (РРм) и двухпозиционный релейный регулятор потокосцепления (РРп),адаптивную модель двигателя (АМД), блок логического автомата (БЛА) и блоквычисления фазового сектора (БВФС).

На вход двухпозиционного релейногорегулятора потокосцепления статора подается сигнал от БЛЗП. На входтрехпозиционного релейного регулятора момента подается сигнал от блокавычисления задания на момент АТД (блок 7, рисунок 3.1). После чего уже втиповойструктуресистемыпрямогоуправлениямоментомпроисходитвычисление текущего положения вектора напряжения на фазовой плоскости иизменение его положения в зависимости от полученной информации от релейныхрегуляторов по таблице переключений. Далее сформированный вектор напряженияподается на систему управления автономного инвертор напряжения (АИН)формируя необходимую комбинацию ключей для реализации энергоэффективногоуправления асинхронного тягового двигателя локомотива.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 задании потокосцепления.

В случаерезкого изменения задания на потокосцепление, например, при переключениимежду традиционным и энергосберегающим заданием потокосцепления (илиобратно) в БЛЗП предусмотрено плавное сглаживание недопустимых бросков тока[87]. Длятяговогоэлектропривода алгоритмы функционированияБЛЗП64представлены на рисунке 3.3.Рисунок 3.3 Алгоритм функционирования блока логики задания потокосцеплениястатора АТДПервый блок алгоритма описывает необходимость при пуске АТДпервоначального намагничивания магнитной цепи и запуск АТД при номинальнойвеличинезаданияпотокосцеплениястатора,реализованнойвблоке4энергоэффективной системы, представленной на рисунке 3.1.Алгоритм блока логики задания потокосцепления предусматривает работуэнегроэффективного алгоритма в системе управления только в режиме тяги: приразгоне АТД и при относительном постоянстве скорости с допуском ∆ωт в течениенекоторого заданного промежутка времени ∆tз.

Данные параметры определяютсядля конкретного локомотива на основе анализа его работы.Режим разгона (при ω<ωт) описывается в БЛЗП следующими выражениями:− условием перехода на энергоэффективное задание потокосцепления65статора является относительное постоянство задания на момент МЗ в течениенекоторого заданного промежутка времени ∆tз;− условиемприостановкиэнергоэффективногорегулированияссохранением предыдущего значения Ψsэф является срыв сцепления колеслокомотива с рельсами с сопровождающимся резким снижением задания намомент на величину большую допустимому отклонению ∆Мз и большимэнергоэффективнымзаданиемпотокосцеплениястатораотносительнономинальной величины задания потокосцепления Ψsэф> Ψsтрад;− условием перехода к традиционному заданию потокосцепления статораявляетсяменьшееэнергоэффективноезаданиепотокосцеплениястатораотносительно номинальной (традиционной) величины задания потокосцепленияΨsэф <Ψsтрад при резком ухудшении условий сцепления, когда Мз <Мзср, а такжеМз> Мзср на величину большую ∆Мз в течение заданного интервала времени ∆tз.Режим установившегося движения при ω≈ωт описывается в БЛЗПследующими выражениями:− условием перехода на энергоэффективное задание потокосцеплениястатора является относительное постоянство задания на момент МЗ в течениенекоторого заданного промежутка времени ∆tз (аналогично движения локомотивапо легкому профилю пути с постоянной скоростью);− условиемприостановкиэнергоэффективногорегулированияссохранением предыдущего значения Ψsэф является срыв сцепления колеслокомотива с рельсами с сопровождающимся резким снижением задания намомент на величину большую допустимому отклонению ∆Мз и большимэнергоэффективнымзаданиемпотокосцеплениястатораотносительнономинальной величины задания потокосцепления Ψsэф> Ψsтрад;− условием перехода к традиционному заданию потокосцепления статораявляетсяменьшееэнергоэффективноезаданиепотокосцеплениястатораотносительно номинальной (традиционной) величины задания потокосцепленияΨsэф <Ψsтрад при резком ухудшении условий сцепления, когда Мз <Мзср.66В целом, анализ режима работы ТЭП производится в блоке БЛЗП так, что припониженной в течение заданного времени нагрузке происходит переключение наэнергосберегающее изменение потокосцепления в зависимости от задания намомент АТД.

Потокосцепление статора при этом снижается, уменьшаются токистатора и намагничивания, а также электрические и магнитные потери в машине.Однако, к сожалению, снижается и критический момент АТД, но это неизбежноеследствие снижения потока. И это необходимо учитывать, обеспечивая требуемуювеличину напряжения в промежуточном контуре для возможности быстроговосстановления перегрузочной способности двигателя.Стабильность режима движения ТЭП и целесообразность перехода наэнергоэффективное регулирование оценивается БЛЗП, который анализируетсигналы традиционного и энергосберегающего заданий потокосцепления; сигналызадания момента и частоты вращения АТД, а также скорость их изменения. Еслирассматриваемые сигналы стабильны в течение заданного промежутка времени инаходятся в благоприятной для регулирования зоне значений, то происходитпереходкэнергосберегающемузаданиюпотокосцепления.Еслидалеенаблюдается резкое изменение режима, например, при ухудшении состояниярельсов происходит резкое возрастание частоты вращения и снижение задания намомент, то БЛЗП в течение заданного времени оставляет потокосцепление науровне, предшествующем изменению режима.

А затем, если стабильность невосстанавливается,происходитпереходктрадиционномузаданиюпотокосцепления до появления благоприятных условий для энергоэффективногорегулирования.Переключение на энергоэффективное регулирование возможно и привысоких нагрузках. В современных СУ ТЭП в режимах пуска и разгона на пределепо сцеплению колёс с рельсами [57, 101] обычно устанавливается иподдерживается постоянное потокосцепление статора (рисунок 3.1, блок 4), равноеноминальному.

Это оправдано при намагничивании машины в начале пуска, нодалее при высоком коэффициенте сцепления и высоких тяговых усилияхцелесообразно увеличение потокосцепления статора с целью минимизации тока67статора при реализуемом предельном по сцеплению моменте, то есть,целесообразен переход на энергосберегающее регулирование задаваемого длясистемы DTC потокосцепления ΨSз.При повышении потокосцепления ток намагничивания Im увеличивается тембольше, чем больше насыщение магнитной цепи, что увеличивает ток статора,поэтому при задании на момент выше номинального увеличение потокосцеплениястатора выше 1,2ΨSном неоправданно.Необходимотакжеотметитьважностьблокалогикизаданияпотокосцепления статора БЛЗП.

Данный блок также контролирует текущуюскорость локомотива, и при скоростях выше скорости перехода на однократнуюкоммутацию ключей АИН переходит на стандартное задание потокосцепления.При разгоне локомотива блок отслеживает выход ТЭП на режим со стабильныммоментом и переключает систему управления на энергоэффективную зависимостьзадания потокосцепления статора, оптимизированную по критерию минимумапотребления тока статора в соответствии с алгоритмом рисунка 3.3.Кроме того, в БЛЗП предусмотрен контроль нарушения процессарегулирования момента в системе DTC.

Это может произойти, в частности, из-заснижения перегрузочной способности двигателя (критического момента) приуменьшении потокосцепления статора. В блоке логики задания потокавозникновение подобных режимов контролируется условием перехода ктрадиционному заданию потокосцепления:- Мз > М на величину большую ∆М в РМ (регуляторе момента) в течение ∆tз1.То есть, если задание момента тягового двигателя выше фактическогозначения момента, вычисленного по модели АТД, на величину большую, чемгистерезисный допуск РМ в течение некоторого заданного времени ∆tз1, то этоговорит о том, что нарушилось регулирование момента и надо перейти к обычномузаданиюпотокосцепления(форсировать поток).отсниженногоэнергоэффективногозадания683.2 Математическая модель системы энергоэффективного прямого управлениямоментом асинхронных тяговых электродвигателейПринцип функционирования системы прямого управления моментом можноописать с использованием системы уравнений асинхронного двигателя скороткозамкнутым ротором, представленного в ортогональной системе координатα, β, неподвижной относительно статора [2, 45]: dψ SαRRL=− S ψ Sα + S m ψ Rα + uSα ;σ LSσ LS LR dt dψ SRRLβ=− S ψ Sβ + S m ψ Rβ + uSβ ;σ LSσ LS LR dt dψRR LmR Rα=ψ Sα − R ψ Rα − pωψ Rβ ;σ LS LRσ LR dt dψ RRR LmRβ=ψ Sβ − R ψ Rβ + pωψ Rα ;σ LS LRσ LR dt M 3 p Lm (ψ S ψ R −ψ S ψ R ),=βααβ2 σ LS LRгде,гдеL2mσ = 1−LS L R-коэффициентрассеяния(3.3)двигателя;ψ Sα ,ψ Sβ ,ψ Rα ,ψ Rβ , uSα , uSβ - проекции соответствующих векторов на оси α и β.Как уже было отмечено в предыдущих главах, момент асинхронногодвигателя можно определить через модули векторов, представленных в выражении(1.1) и на векторной диаграмме (рисунок 2.2):M=Lm  3ψ S ψ R sin( θψ )p2 σLS LR(3.4)Следовательно, электромагнитный момент асинхронного двигателя можноопределить как произведение модуля вектора потокосцепления статора и векторапотокосцепления ротора, умноженное на синус угла между данными векторами.69Основной принцип прямого управления моментом состоит в том, чтобыстродействующееосуществляетсяприрегулированиепомощимоментарегулированияасинхронногодвигателяуглавекторамимеждупотокосцепления статора и потокосцепления ротора θψ .Регулирование угла между векторами потокосцепления статора и ротораосуществляется путем определения такого вектора напряжения, который вызывалбы изменение взаимного положения векторов потокосцепления статора ψ S ипотокосцепления ротора ψ R , обеспечивающее требуемое приращение момента навалу двигателя, а также обеспечивающее требуемое приращение потокосцеплениястатора ψ S .В тяговых электроприводах локомотивов с системами прямого управлениямоментом либо с системами векторного управления процесс коммутации ключейавтономного инвертора реализуется между несколькими заранее выбраннымикомбинациями ключей инвертора.

Имеется определенное количество базовыхвекторов напряжения, которые соответствуют требуемым состояниям автономногоинвертора напряжения для типовой схемы двухуровневого АИН (рисунок 1.3, 3.4,3.5) [2, 74].Рисунок 3.4 Принципиальная схема АИН без выпрямителя и фильтра70Рисунок 3.5 Расположение системы векторов напряжения АИН на фазовойплоскостиОсновой любого алгоритма функционирования системы прямого управлениямоментом является таблица переключений силовых транзисторов (ключей) АИН,которая приведена ниже (таблица 3.1).В данной таблице указаны результирующие вектора автономного инверторанапряжения, которые он будет принимать на фазовой плоскости при определеннойкомбинациизначенийошибокпопотокосцеплениюстатораΔψSиэлектромагнитному моменту ΔM асинхронного двигателя.