Диссертация (Энергоэффективное прямое управление моментом асинхронных тяговых электродвигателей), страница 9

Для проведения исследования реализации энергосберегающего алгоритмав системе прямого управления моментом наиболее удобно использоватьматематическое описание электропривода в системе координат α-β, связанной состатором. Однако при выполнении приближенной предварительной оценкиоптимального угла между моментообразующими векторами предпочтительнееиспользовать систему d-q, связанную с полем ротора асинхронного двигателя.2. Разработана графоаналитическая методика расчета оптимальных значенийзадания потокосцепления статора по критерию минимума тока статора и угламежду моментообразующими векторами в зависимости от задания момента АТД всистеме прямого управления моментом.3.

Рассчитаны оптимальные зависимости угла между моментообразующимивекторами тока и потокосцепления статора от электромагнитного момента длятяговых электродвигателей тепловозов, с использованием которых можнореализовать энергосберегающий алгоритм, построенный по критерию минимумапотребления тока статора. Определено, что оптимальный угол между векторамитока и потокосцепления статора для АТД тепловозов изменяется в зависимости отмомента нагрузки в пределах от 42-43° до 52-54°.4. Оптимальный по критерию минимума тока статора угол между током ипотокосцеплением статора при номинальной нагрузке АТД, полученный при57графоаналитическом расчёте, находится в интервале, определённом по методикеприближённой предварительной оценки.5.Установлено, что переход на энергоэффективное регулирование в системепрямого управления моментом ТЭП тепловоза наиболее целесообразен пристабилизации задания на момент двигателя на значениях меньших 0,6Мн (припониженных нагрузках) или больших Мн (при повышенных нагрузках).

Вдиапазоне нагрузок 0,6Мн <М <1,1Мн энергосберегающий эффект незначителен.6. Получены аналитические выражения, аппроксимирующие оптимальныезависимости потокосцепления статора и угла между моментообразующимивекторами тока и потокосцепления статора от момента двигателя для АТДтепловозов.58ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕСИСТЕМЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯМОМЕНТОМ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ3.1 Разработка энергоэффективной системы регулирования тяговогоэлектропривода с прямым управлением моментомДлясозданиявсистемеDTCэнергосберегающегоалгоритма,заключающегося в минимизации потребления тока статора от источникаэлектроэнергии, необходимо регулировать задание потокосцепления статора поэнергосберегающей зависимости, что показано в работах [55, 56, 59, 60, 87],выполненных с участием автора. Причем регулировать потокосцепление статоранеобходимо в зависимости от текущего задания на момент АТД.В основе векторных энергосберегающих систем лежит оптимальноеизменение потокосцепления АД с целью минимизации тока статора и (или) потерьв двигателе.

В работах [4, 47, 84] показано, что регулирование по критериюминимума тока статора и регулирование по критерию минимума потерь весьмаблизки друг к другу. Для энергоэффективного регулирования в векторныхсистемах и системах с разрывным управлением, в частности в системе прямогоуправления моментом, возможно также производить на основе регулированияпотокосцепления статора оптимизацию угла между парой используемых вприменяемой системе управления моментообразующих векторов [87].Коррекция потокосцепления статора очень гармонично реализуется всистемах разрывного управления АД в особенности, в системах DTC, так как в нихнепосредственно присутствует релейный регулятор потокосцепления статора(РРП), и по адаптивной модели двигателя (АМД) (рисунок 3.1) вычисляется модульи фаза вектора потокосцепления статора ΨS.Функциональная схема энергоэффективной системы прямого управлениямоментом асинхронного тягового электродвигателя локомотива представлена нарисунке 3.1 без учета верхнего уровня системы управления локомотивом.59Рисунок 3.1 Функциональная схема энергоэффективной системы прямогоуправления моментом асинхронного тягового электродвигателяСигнал текущего задания скорости ωз (блок 1) поступает из системы верхнегоуровня (рисунок 3.2).

При помощи контроллера машиниста КМ задается скоростьлокомотива, поступающая в блок вычисления задания скорости (БВЗС), котораяопределяет ограничение задания на частоту вращения АД в контуре скорости. Всвою очередь в БВЗС реализуется вычисление задание частоты вращения АТДпосредством интегрирования задания ускорения колёсной пары (a1 или а0).Величина заданий ускорения колесной пары a1 и а0 формируются в блокеадаптации ускорения (БАУ), где величина a1 направлена на увеличения ускоренияв режиме тяги, а величина а0 направлена на снижение ускорения в режиме тяги,соответственно в режиме торможения величины a1 и а0 имеют обратное действие a1 снижает ускорение, a0 повышает. Величины a1 и а0 в БАУ формируютсяследующим образом:- в тяговом режиме:60a1= a л + ∆ak 1 ; a0= aл − ∆ak 2 ;(3.1)в тормозном режиме:a л − ∆ak 1 ;a0= a л + ∆ak 2 ; a=1(3.2)где ал - ускорение локомотива; a1 и а0 - задания на ускорение колес; ∆аk1 и ∆аk2 –небольшие положительные величины, адаптируемые к массе состава и условиямдвижения [66].Ускорение локомотива ал, изменяющееся в процессе движения, постоянновычисляется в БАУ по изменению оценочной скорости локомотива Vл(определяемой по измеренным частотам вращения роторов АТД ω1,ω2) за заданныепромежутки времени ∆t (ал=∆Vл/∆t).

Если на локомотиве установлен датчиклинейной скорости (ДV), его сигнал показан пунктиром на рисунке 3.2, то длявычисления ускорения локомотива лучше использовать этот сигнал [66].Рисунок 3.2 Функциональная схема энергоэффективной системы прямогоуправления моментом асинхронного тягового электропривода локомотива61Переключение между значениями a1 и а0 осуществляется посредствомрелейного регулятора скольжения колес (РРСК) с гистерезисным допуском. Навход РРСК подается модуль разности линейной скорости локомотива и скоростиоси тележки локомотива, имеющую меньшую вертикальную нагрузку, посколькуона имеет большую вероятность проскальзывания.

До тех пор, пока разностьскоростей (её абсолютная величина) не превысит верхнее пороговое значение навход БВЗС подается сигнал a1, после превышения на БВЗС подается a0 с цельюснизить буксование либо юз колесной пары [66].При реализации предельных усилий, как отмечалось выше, выводится напредел по сцеплению ось тележки с меньшей вертикальной нагрузкой: в тяговомрежиме – это первая ось и в тормозном режиме - вторая ось.

Передача управленияи соответственно переключение в блоке вычисления скорости (БВС) (рисунок 3.2)сигнала частоты вращения с ω1 на ω2 (и наоборот) происходит при изменениирежима движения (тяга/торможение) по изменению знака задания на момент Мз напротивоположный (отрицательный в при переходе от тяги к торможению иположительный при переходе от торможения к тяге) [66].В свою очередь БВЗС интегрирует входную величину ускорения, на выходеполучая задание линейной скорости двигателя, которая с учетом пересчета вугловую скорость является входом для энергоэффективной системы управления,представленной более детально на рисунке 3.1. Сформированное задание угловойскорости двигателя в энергоэффективной системе прямого управления моментомсравнивается с сигналом обратной связи, полученным от датчика частотывращения (ДЧВ) вала АТД и сигнал рассогласования попадает на вход регуляторачастоты вращения (РЧВ).

РЧВ может быть реализован как пропорциональный (П)регулятор или пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор. Выходной сигналРЧВ попадает на вход блока вычисления задания момента (БВЗМ) АТД. При пускелокомотива контроллером машиниста (КМ) (блок 6, рисунок 3.2) для системыуправления ТЭП сначала задается максимальная сила тяги, поступающая в блоквычисления задания момента с учетом ограничений (БВЗМ) и фактическиопределяющая ограничение момента АТД в контуре регулирования момента.62Также в БВЗМ при расчете необходимого задания на момент АТД учитываетсявеличинасвободноймощностидизель-генератора,котораяопределяетсярегулятором мощности дизеля системы верхнего уровня (рисунок 3.2).В зависимости от текущего задания на момент МЗ в задатчикепотокосцепления статора (блок 5, рисунок 3.1) формируется по оптимальнойзависимости, представленной во второй главе на рисунке 2.7, выходное значениезадания потокосцепления статора ΨS.

Величина ΨS является оптимальной покритерию минимума тока статора, т.е. данное задание потокосцепления статораобеспечивает минимум потребления тока статора. Также в системе реализованотрадиционное для систем прямого управления моментом задание потокосцеплениестатора Ψ’S, определяемое в блоке 4 в зависимости от скорости локомотива.ЗадатчикзависимостьпотокосцепленияΨSз=f(Mзад),статоразаложеннуюввключаетблоке5.энергоэффективнуюПосколькузаданиеэлектромагнитного момента двигателя является определяющим для вычислениязадания потокосцепления статора и может резко изменяться в процессе работыэлектропривода, то в узел вычисления задания потокосцепления статора былвключен блок фильтрации пульсаций с выхода задатчика.

Данный блокпредставляет собой апериодическое звено 1-го порядка и предотвращаетнедопустимое повышение тока АТД при переходном процессе измененияпотокосцепления.Переключение между обычным Ψ’Sз и энергосберегающим заданиемпотокосцепления ΨSз происходит под контролем блока логики (БЛЗП),анализирующегоэнергоэффективнойрежимСУработы(рисунокэлектропривода.3.1)кразличнымДлятипамадаптацииприводавфункциональной схеме предусмотрен блок логики БЛЗП (блок логики заданияпотокосцепления), обеспечивающий переход от традиционного измененияпотокосцепления в зависимости от скорости к энергосберегающему законуизменения (и обратно). Также следует отметить, что необходимость измененияпотока намагничивания (в сторону уменьшения) для минимизации тока статорапринизкихмоментахдвигателявызываетснижениебыстродействия63электропривода. В связи с чем необходимо находить четкий баланс междубыстродействиемсистемыуправленияиеёэнергоэффективностьюиреализовывать ее структуру, исходя из данного принципа.