Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 13

При нарушении такого процесса установившихсяавтоколебаний система управления теряет устойчивость и, как следствие,работоспособность.В систему прямого управления моментом также входит регулятор скорости,который является внешним по отношению к контуру момента. Данный регуляторкак правило пропорционального типа (линейный регулятор). Также в некоторыхвариантах построения системы DTC встречаются и ПИ, ПИД-регуляторы скорости.Подводя итог вышесказанному можно отметить следующее. Контур скоростив системе прямого управления моментом замыкается по скорости вращенияасинхронного двигателя. Значение сигнала обратной связи по скоростиэлектропривода можно получить как путем вычисления адаптивной модельюдвигателя по данным о напряжении и токе статора двигателя, так и с помощью84установки на вал двигателя датчика частоты вращения вала.

Вариант системыуправления с применением датчика частоты вращения является наиболееприемлемым при реализации широкого диапазона и высокой точностирегулирования скорости электропривода.В работах [25, 26], основываясь на принципе построения системы управленияТЭП как обобщенного преобразователя, получены выражения для расчета значенияпропорционального регулятора скорости вращения электропривода и постояннойвремени при условии работы ТЭП на сцеплении колес с рельсами равном 90%(η=0,9). Исходя из данных выкладок, величина значения пропорциональногорегулятора скорости должна удовлетворять следующему условию:k рс > 5 ,4ψ 0 N оRк2µk эмп k ос,(3.20)Требуемая постоянная времени при этом необходима ниже расчетногозначения, определяемого по номинальным параметрам двигателя:Т эмп < 0 ,09JΣ,ψ 0 max Rк2 N о(3.21)где ψ0max = 0,4 – максимальный коэффициент сцепления (условно принятый дляданной задачи); No – вертикальная осевая нагрузка локомотива (на одну ось); Rк –радиус колеса; μ – передаточное число редуктора; kэмп – коэффициент передачипреобразователя, вычисляемый как частное от деления значения моментадвигателя на величину сигнала задания момента; kос – коэффициент усилениядатчика обратной связи; J∑ –момент инерции электропривода (суммарный):J Σ = J к + J бш + ( J р + J мш ) × µ 2(3.22)где Jк - момент инерции колесной пары; Jбш - момент инерции большой шестерни;Jр - момент инерции ротора; Jмш − момент инерции малой шестерни.Для магистральных и маневровых тепловозов (2ТЭ25А, ТЭМ21, ТЭМ9Н)85рассчитанное по формулам (3.20 – 3.22) минимальное значение пропорциональногорегулятора скорости электропривода лежит в диапазоне от 110 до 180, чтоприблизительно сопоставимо со значениями регуляторов для электровозов.

Приэтом максимальная величина постоянной времени для тепловозов находится вдиапазоне от 0,0025 с до 0,003 с, что гораздо ниже, чем у электровозов, где данныйпараметр находится на уровне от 0,004 с до 0,005 с [25, 26]. Такое отличиеобуславливается разницей в величине суммарного момента инерции тяговыхэлектроприводов с асинхронными двигателями, он гораздо ниже у тепловозов.Проведя подробный анализ особенностей системы прямого управлениямоментом, можно выделить, что гистерезисный регулятор контура момента даетвозможность приближенной настройки регулятора скорости по упрощеннымформулам [102]. Так, например, для часто встречающегося ПИ-регулятора егопараметры можно определить по следующим выражениям:k рс ≈J Σ ⋅ kом ⋅ f рмT рс ≈(3.23)4 kос ⋅ψ sm32 kосψ sm2J Σ kом f рм(3.24)где kрс – пропорциональный коэффициент усиления; Трс - постоянная времениинтегральной составляющей регулятора скорости; ψsm- номинальная величинапотокосцепления статора двигателя (амплитудное значение); fрм - частотаколебаний релейного регулятора момента; kом - коэффициент обратной связи помоменту.Для обеспечения требуемых показателей качества системы управления(величины статической ошибки, качества переходных процессов) параметрырегулятора скорости в системе прямого управления моментом изменяются вбольшом диапазоне.

При этом такой параметр как частота колебаний релейныхрегуляторов(регуляторамоментаирегуляторпотокосцепленияасинхронного двигателя) определяет быстродействие системы управления.статора86Схема звена регуляторов системы ЭП с прямым управлением моментомасинхронного двигателя в общем виде представления на рисунке 3.10.

В данномслучае регулятор момента показан двухпозиционным реле.Рисунок 3.10 Структурная схема звена регуляторов системы DTC (регулятормомента, потокосцепления статора и регулятор скорости)Потенциальные различия могут возникнуть только при выборе разных типоврелейных регуляторов потокосцепления статора, момента двигателя и типарегулятора скорости электропривода. Для релейных регуляторов – это выбормежду двух либо трехпозиционным типом, а для регулятора скорости – это выбормежду П, ПИ либо ПИД типом регулятора.Энергоэффективное управление реализуется непосредственно при заданиипотокосцепления Ψзад (рисунок 3.10) по энергосберегающему закону в зависимостиотзаданиямоментадвигателя,снимаемогосрегулятораскоростиикорректируемого с учётом ограничений в БВЗМ (рисунок 3.1, 3.2) под контролемБЛЗП.873.3 Проверка адекватности модели асинхронного тягового электродвигателя впрограммном комплексе Matlab/SimulinkДля проверки адекватности разработанной математической модели системыасинхронного тягового двигателя была разработана компьютерная модель впрограммномкомплексеMatlabиегоосновнойбиблиотекеSimulink,представленная на рисунке 3.11.Рисунок 3.11 Компьютерная модель АТД АД917УХЛ1 в ПК Matlab/SimulinkБолее подробно подсистема, реализующая математическое описаниеасинхронного двигателя в соответствии с выражениями (3.3, 3.4) представлена нарисунке 3.12.Самый простой способ оценки адекватности модели АД – это проверкарезультатов моделирования номинального режима по справочным данным88соответствующего асинхронного электродвигателя.

В модель подставленыноминальные параметры двигателя АД917УХЛ1 при температуре 110 градусов.Учёт насыщения производился по кривой намагничивания, путём изменениявзаимной индуктивности Lm в зависимости от тока намагничивания.Рисунок 3.12 Подсистема асинхронного двигателя в общей компьютерной моделиАТД АД917УХЛ1 в ПК Matlab/SimulinkБыл смоделирован прямой пуск АТД АД917УХЛ1 без нагрузки споследующим выходом на номинальный режим c номинальным моментомнагрузки. Суммарный момент инерции был увеличен, так как нас интересуют приданной проверке статические характеристики.89На рисунках 3.13, 3.14 отображены графики момента, скорости и токов АТДприреализациипрямогопускаАТДсноминальнымипараметрами.Рисунок 3.13 Зависимости электромагнитного момента и частоты вращенияротора АТД от времени с детализацией выделенных фрагментовРезультаты моделирования показали, что паспортные величины момента,тока статора, частоты вращения сходятся с данными полученными по модели спогрешностью, не более 0,5 %, что подтверждает адекватность разработанноймодели асинхронного тягового двигателя.Изначально был выполнен прямой пуск двигателя на холостом ходу, и на 3секунде при выходе на установившуюся скорость АТД был нагруженноминальным моментом равным 10500 Нм.

Все паспортные данные АТДАД917УХЛ1 представлены в приложении В.Значение номинальной скорости и номинального тока, представленные награфиках рисунка 3.13, практически идентичны паспортным параметрам. Также ипо полученным осциллограммам токов АТД (тока статора, тока намагничивания итока ротора, рисунок 3.14) была подтверждена правильность реализации90компьютерной модели в программном комплексе Matlab и его основнойбиблиотеке Simulink.Значение номинального тока статора, определённое в результате деления на√2 амплитудного значения, полученного по осциллограмме тока на рисунке 3.14,равно 486,7А, что также удовлетворительно совпадает с паспортным значением485А.Рисунок 3.14 Зависимости тока статора, намагничивания и ротора от временис детализацией выделенных фрагментовПроведенный опыт прямого пуска с номинальными параметрами АТДАД917УХЛ1 подтвердил адекватность реализованной компьютерной моделидвигателя. Далее на основе данной модели можно проводить исследование системыэнергоэффективного прямого управления моментом АТД, оптимизированной покритерию минимума тока статора.91Выводы1.

Предложен энергоэффективный способ управления тяговым асинхроннымэлектроприводом, при реализации минимума потребления тока статора отисточника электроэнергии, защищённый патентами на изобретения и полезныемодели [55-62].2. Разработана функциональная схема СУ и алгоритм управленияасинхронным двигателем локомотива, позволяющий управлять потокосцеплениемстатора с целью минимизации тока статора.3. Разработаны алгоритмы функционирования блока логики переключенийсистемы управления на энергосберегающий алгоритм формирования заданияпотокосцепления для тягового электропривода локомотивов с учётом контролятекущего режима и условий работы электропривода.4.

Разработана математическая модель электрической части ТЭП среализацией энергоэффективного алгоритма в системе прямого управлениямоментом АТД.92ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ТЯГОВОГОЭЛЕКТРОПРИВОДА С ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫМ УПРАВЛЕНЕМ. ПРОВЕРКАПРИНЦИПОВ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АД НА МОДЕЛИИ ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ4.1 Разработка комплексной электромеханической модели энергоэффективнойсистемы ТЭПДля исследования разработанного энергосберегающего способа и алгоритмауправления электроприводом была разработана компьютерная модель системыпрямого управления моментом асинхронного тягового электропривода.

Проведеномоделирование асинхронного тягового электропривода с учетом различныхрежимов тяги локомотива, таких как разгон на пределе по сцеплению колёс срельсами, движение с установившейся скоростью при малых нагрузках,позволяющих более полноценно оценить эффект минимизации потребления токастатора при внедрении разработанной энергоэффективной системы управления.Энергоэффективное регулирование потокосцепления не должно снижатьдинамики тягового электропривода. Это особенно важно в высокодинамичныхрежимах реализации предельных усилий.

Оценить работу электроприводацелесообразно путём совместного моделирования процессов в электрической имеханической подсистемах.Для создания модели механической части тепловоза ТЭМ9Н при еёупрощённом представлении за основу бралось математическое описаниемеханической части тяговой передачи в виде системы дифференциальныхуравнений механики ТЭП оси [96, 101], составленных по принципу Даламбера, ипозволяющих оценить основные формы крутильных колебаний в продольной поотношению к оси пути вертикальной плоскости. На основе данных уравненийможно составить модель ТЭП двухосной тележки ТЭМ9H, дополнив еёаналогичными уравнениями для второй оси.93 dω r J r dt = M − M r − β r [ω r − (µ + 1) ω d − µ ⋅ ω k1 ] ; J dω d = M (µ + 1) + β (µ + 1) [ω − (µ + 1) ω − µ ⋅ ω ] − M −β d ⋅ l d2 ⋅ ω d ;rrrdk1d d dt J dω k1 = M ⋅ µ + β ⋅ µ [ω − (µ + 1) ω − µ ⋅ ω ] − M − β (ω − ω ) − M ;rrrdk1okokk1k2k1 k1 dt J k 2 dω k 2 = M o + β o (ω k1 − ω k 2 ) − M k2 ;dtdV nm n= Fk1 + Fk2 − Fc ;dt dM r= C r [ω r − (µ + 1) ω d − µ ⋅ ω k1 ] ;dt(4.1) dM d2 dt = C d ⋅ l d ⋅ ω d ; dM o = C (ω − ω );ok1k2 dt Fk1 = G k ⋅ Ψ0 ⋅ k1 ; Fk 2 = G k ⋅ Ψ0 ⋅ k 2 ;DkMF=;kk112M = F D k ;k1k22где М –момент двигателя, µ - передаточное число редуктора;, ωk1, ωk2, ωr –частоты вращения первой, второй колесной и ротора пары относительнособственных осей соответственно; Мr, Мd и Мo – моменты упругих сил на валуротора, в подвеске остова и на оси колесной пары соответственно; ωd - угловаяскорость остова относительно оси колесной пары; Vn – линейная скоростьлокомотива (и поезда); ld – база подвески двигателя; Dk – диаметр колеса; Gk – веслокомотива, приходящийся на колесо; Mk1 и Mk1 – тяговые моменты первого ивторого колеса соответственно; Ψ0 – потенциальный коэффициент сцепления; k1и k2 – коэффициенты сцепления первого и второго колеса с рельсом вотносительных единицах.94Данная математическая модель соответствует упрощенной расчётной схемемеханической части одной оси тягового электропривода тепловоза с опорноосевым подвешиванием АТД, представленной на рисунке 4.1 [53, 96].VnmnJк2ωrβdϕrCdϕdJrβrМrFk2CoβoМк1Crωк1Jdϕ к1DкµJк1Fk1ldРисунок 4.1 Механическая часть ТЭП тепловоза, расчетная схема: 1 – роторАТД; 2 – остов АТД; 3 – узел колесной пары; 4 – локомотив; 5 – рельс (рельсовыйпуть)Комплексная электромеханическая модель с упрощённой механическойчастью для анализа энергоэффективного регулирования тягового электроприводатележки гибридного тепловоза ТЭМ9Н представлена на рисунке 4.2.