Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 15

Применительно к данной работе, следует отметить, что впрограммном комплексе Matlab имеется встроенная модель асинхронногоэлектропривода с прямым управлением моментом, входящая в состав прикладногопакета силовой электроники Matlab/SimPowerSystems. Данную дискретнуюбиблиотечную модель можно использовать в сочетании с упрощенными моделямимеханической подсистемы ТЭП, реализованными в основной библиотекеMatlab/Simulink. Она использовалась, в частности, для сравнения и проверкиработы модели электрической части ТЭП с DTC, совмещаемой с УМ иразработанной средствами основной библиотеки Matlab/Simulink.Электрическая (силовая и управляющая) часть ТЭП моделировалась восновной библиотеке ПК Matlab/Simulink с применением математическогоописания, выполненного в главе 2 и главе 3.

Электрическая часть подключена купрощенной механической части ТЭП разработанной также в Matlab/Simulink. Всистему управления были включены блоки, реализующие энергоэффективныйалгоритм, а именно: задатчик потокосцепления статора, сформированный с учетомминимизации тока статора; упрощенный блок логики задания потокосцеплениястатора (рисунок 4.7).Рисунок 4.7 Модель электрической подсистемы ТЭП с энергоэффективным прямым управлением моментом101102Сцельюпроверкицелесообразностипримененияпредлагаемыхэнергоэффективных алгоритмов для ТЭП локомотивов выполнено моделированиетягового привода грузового тепловоза в различных режимах. Исследовалисьрежимы разгона тепловоза, как с определённой, заданной машинистом силой тяги,не превышающей предельную по сцеплению, так и с реализацией предельныхусилий.

Разгон производился до заданной машинистом скорости с последующимустановившимся режимом в первой зоне регулирования или с переходом во вторуюзону также до установившегося режима. Переход во вторую зону и связанное сэтим снижение потока, осуществлялось, когда частота тока статора достигаланоминальной частоты двигателя (и уже не хватало напряжения в промежуточномконтуре для поддержания требуемого потокосцепления). Во второй зонеуправление по принципам DTC с применением предлагаемого энергоэффективногоспособа и алгоритмов осуществлялось до перехода на однократную коммутациюключей АИН (ωоднокр на рисунке 3.3). Моделирование выполнялось для тяговогодвигателя АД917УХЛ1, применяемого в настоящее время на тепловозах ТЭМ9H и2ТЭ25А.

Оценка достоверности комплексной модели ТЭП производилась путемсравнениярезультатовмоделированияотдельныхрежимовТЭМ9Hсэкспериментальными данными, полученными при испытаниях тепловоза ТЭМ9H,расхождение не превышает 7 % [66].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 4.8). В начале пускаи разгона потокосцепление статора устанавливается в блоке 4 (рисунок 3.1) равнымноминальному значению (ΨSз = ΨSн), и локомотив начинает разгоняться, достигая взаданных условиях предела по сцеплению, что сопровождается вибрацией колёс(рисунок 4.8а), при этом устанавливается действующее значение тока статора науровне 538 А (максимальное 760,7 А, рисунок 4.8б).

Условия сцепления принятыхорошими,потенциальныйкоэффициентсцеплениявысок,поэтомуэлектромагнитный момент при разгоне превышает номинальное значение.103Рисунок 4.8. Результаты моделирования разгона ТЭП тепловоза с АТД на пределепо сцеплению до заданной скорости с применением энергоэффективногоуправления 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);электромагнитный момент (М)Далее БЛЗП, анализируя стабильность режима разгона, производитпереключение на энергоэффективное регулирование (на рисунок 4.8 это моментвремени t=15 c), то есть, переключение на энергосберегающее заданиепотокосцепления в блоке 5. Действующее значение тока статора при этом104снижается на 4 %.

Средняя величина потокосцепления статора фиксируется науровне ΨSз = 1,1ΨSн, средняя величина угла между векторами тока ипотокосцеплением статора устанавливаетсязначении θ S = 52,4 градуса.Электромагнитный момент при этом регулируется на уровне 12000 Н∙м (то есть1,14 Мн, рисунок 4.8в).Как видно из графиков, при переходе на энергоэффективный режим прибольших нагрузках ТЭП потокосцепление статора увеличивается, снижаются токистатора и ротора, и возрастает ток намагничивания. Это приводит к снижениюэлектрических потерь в обмотках статора и ротора, которые пропорциональныквадратам соответствующих токов, и некоторому возрастанию магнитных потерь,которые пропорциональны квадрату индукции и частоте тока. Но в целом к.п.д.АТД возрастает на 2-3 %, так как суммарные потери снижаются, что тоже всовокупности со снижением тока статора весьма положительно. Относительнонебольшое увеличение к.п.д.

вызвано тем, что в режимах, близких к номинальнымнагрузкам, ТЭП работает в условиях, приближенных к условию максимума к.п.д.,которое обычно соблюдается вблизи номинального режима.Как известно, коэффициент полезного действия электродвигателя можноприблизительно оценить по выражению [5]:η=k НГ P2 Н2p2k НГ P2 Н + p0 + k НГ p1 + k НГ(4.2)где P2Н – номинальная мощность двигателя; kНГ – коэффициент нагрузки,вычисляемый как частное от деления величины мощности при текущей нагрузкена величину мощности при номинальном значении нагрузки (данный коэффициентопределяет относительную величину загрузки АД); p0 – постоянные потери, независящие от нагрузки; p1 – значение потерь, зависящих от первой степени kНГ приноминальной нагрузке; p2 – значение потерь, зависящих от квадрата kНГ, приноминальной нагрузке.Для определения условия максимума к.п.д.

необходимо взять производную105∂ηи приравнять ее к нулю [5]:∂k НГ2( p0 − k НГp2 ) P2 Н∂η=0=2∂k НГ (k НГ P2 Н + p0 + k НГ p1 + k НГp2 ) 2(4.3)Данное равенство выполняется при условии, когда знаменатель данноговыражения равен бесконечности (в нашем случае, когда kНГ = ∞). Однако этоусловие (kНГ = ∞) в реальных условиях управления электроприводом невыполнимо.Следовательно, остается вариант, когда числитель приведенного равенства равеннулю. Исходя из вышесказанного условие максимума к.п.д. будет выполнятся при:2p0 = k НГp2 ,то есть, при постоянных потерях равных по величине потерям прямо2пропорциональным kНГ.Приразгонеасинхронноготяговогодвигателяприноминальномпотокосцеплении постоянные потери представляют собой потери в магнитной цепи2АТД, потери, зависящие от kНГпредставляют собой суммарные электрическиепотери во всех обмотках двигателя (ротора и статора).

Если пренебречьмеханическими и добавочными потерями, то к.п.д. будет максимален приравенстве электрических и магнитных потерь.Так как максимум к.п.д. лежит в области, близкой к номинальной нагрузке,то наибольший энергосберегающий эффект может быть достигнут в тяговомприводе грузовых локомотивов при невысокой скорости движения длянеполновесных и порожних составов, когда нагрузка существенно снижается. Нарисунке 4.8 это участок, когда ТЭП достигает заданной скорости. При этом еслиоставить потокосцепления статора прежним, что для наглядности проделано врассматриваемом опыте до момента времени t=40 c, то ток намагничивания имагнитные потери остаются прежними, а токи статора и ротора, а значит и потерив обмотках, существенно снижаются, нарушаются условия максимума к.п.д. Приэтом снижается активная составляющая тока статора (и cosφ).Расчет потерь и к.п.д.

при реализации различных нагрузок ТЭП можно106реализовать по следующей методике. Мощность полезную (на валу двигателя), атакже потребляемую мощность в номинальном режиме можно вычислять поизвестным формуламPполезн= M ⋅ ωPпотребл =Pполезнη(4.4)(4.5);Мощность суммарных потерь будет равнаpΣ=Pпотребл − Pполезнпотерь(4.6)Эти суммарные потери мы рассчитаем для номинального режима. Далее, знаясопротивление статора и ротора, токи статора и ротора в номинальном режиме,выделим из этих суммарных потерь электрические потери pэл ном в обмотках (3I2∙R),пропорциональныесоответственноквадратамтокастатораиротораисопротивлениям обмоток.Вычтем эти потери из суммарных номинальных потерь и получим суммумагнитных, механических и добавочных потерь в номинальном режиме.

Выделимиз них добавочные потери pдобном,приняв их равными 0,5 % номинальноймощности двигателя [14]. Затем необходимо выделить механические и магнитныепотеривноминальномрежиме.Согласноданнымзавода-изготовителямеханические потери двигателя АД917УХЛ1 в номинальном режиме составляютpмех ном =0,56 % номинальной мощности АТД. С учётом этого выделим магнитныепотери в номинальном режиме pмаг ном.Далее можно определить потери для любой нагрузки двигателя, исходя изследующих соотношений. Электрические потери pэл в режимах, отличных отноминального, пропорциональны квадрату тока обмоток, например, для статора: I pэл = pэл.ном  S  I Sном Магнитныепотерипропорциональны2(4.7)квадратупотокосцепленияи107пропорциональны частоте вращения поля статора в степени 3/2:2PмагнДобавочныепотери1.5 ψ   n = Pмагн.ном  S   S  ψ Sном   nSном можнопринятьпропорциональными(4.8)току,амеханические потери, ‒ пропорциональными скорости ротора в соответствующемрежиме.Таким образом, определяя полезную мощность в любом режиме по формуле(4.4), прибавляя к ней все потери, вычисленные с учётом формул (4.7, 4.8), а такжетекущих значений тока и скорости (которые мы учитываем для пересчётадобавочных и механических потерь) определяем подведённую мощность, а затемк.п.д.

путём деления полезной мощности на подведённую.При реализации энергоэффективного алгоритма в системе управления,оптимизированной по критерию минимума тока статора, параллельно снижениютока снижается и поток, как следствие снижаются потери. Наибольший эффектдостигается в первой зоне регулирования при моментах нагрузки ниже 0,5 отноминальной величины. Уменьшение потокосцепления по энергосберегающемузакону в подобных условиях (например, в опыте рисунок 4.8 такое снижениевыполнено при t=40 секунд, установившийся момент АТД составляет при этом0,19Мн) приводит к существенному уменьшению тока статора и росту к.п.д.,несмотря на то, что ток ротора при этом возрастает. В частности, в модельномэксперименте (рисунок 4.8) ток статора уменьшился на 30 %, к.п.д. возрос на 7,6 %по отношению к режиму с той же пониженной нагрузкой и номинальным заданиемпотокосцепления.