Диссертация (Автоматическая система управления температурой тягового асинхронного двигателя тепловоза), страница 11

Анализ публикаций, посвященных разработкам математических моделей для исследования тепловых процессов в асинхронном двигателе показал,что в настоящее время наиболее широкое распространение получили методыэквивалентных тепловых схем и конечных элементов. В данной работе в качестве базового принят метод эквивалентных тепловых схем, который базируется на методе узловых потенциалов и не требует разработки конечно-элементной компьютерной модели исследуемого двигателя.2. Разработанная математическая модель для исследования установившихся и переходных тепловых процессов тягового асинхронного двигателяпозволяет регистрировать превышения температур пятидесяти трех узлах двигателя, тридцать один из которых, являются активными источниками тепла.3.

Синтезированные расчетные формулы позволяют определять тепловыесопротивления узлов разработанной эквивалентной тепловой схемы двигателяи определять мощности потерь в активных узлах.4. В результате математического моделирования эквивалентной тепловойсхемы тягового асинхронного двигателя установлено, что– наиболее нагретыми узлами двигателя при отсутствии охлаждения являются лобовая часть обмотки статора и обмотка ротора по всей своей длине.75При этом значение температуры обмотки статора в среднем на 5 °C выше температуры обмотки ротора по всей длине двигателя;– наиболее теплонагруженным узлом двигателя при использовании охлаждения является пазовая часть обмотки статора на расстоянии 2/3 его длинысо стороны подачи охлаждающего воздуха.

Следующим по величине нагреваузлом двигателя является обмотка (стержни) ротора на том же расстоянии; разница в температуре между пазовой частью обмотки статора и стержнями ротора составляет 2…10 °С при отсутствии охлаждения и 1,5…6 °С при номинальном расходе охлаждающего воздуха в диапазоне токов статора0,5…1,1Iном;– время переходного процесса для всех узлов тягового асинхронного двигателя примерно одинаково и отличается не более чем на 5…10%.5.

В качестве лимитирующего по нагреву узла для определения передаточной функции выбрана обмотка статора тягового асинхронного двигателя.Установлено, что полученные кривые переходного процесса тягового асинхронного двигателя как объект управления температурой соответствуют дифференциальному уравнению первого порядка.763Автоматическая система управления температуройтягового асинхронного двигателя тепловоза3.1 Общие сведения о автоматических системах управления температуройИсследование систем автоматического управления (САУ) предполагаетзнание статических и динамических свойств основных функциональных элементов составляющих данную систему.

Традиционно, в состав АСУТ входят[105, 106]: задающее устройство ЗУ, регулятор Р, устройство управления УУ,исполнительное устройство ИсУ, объект управления ОУ и измерительноеустройство ИУ. На рисунке 3.1 приведена функциональная схема АСУТ, пригодная для применения на тяговом подвижном составе [52].ЗУ – задающее устройство; БО – блок ограничения; Р – регулятор; УУ – устройство управления; ИсУ – исполнительное устройство; ОУ – объект управления (процесс нагреванияили охлаждения ТАД); ИУ – измерительное устройство; λi – возмущающие воздействия; µ– управляющее воздействие; х – управляемая величина; θ – температура объекта управления; Uз – напряжение задания; Uиу – приращение сигнала управления; Gвз – подача охлаждающего воздуха вентиляторомРисунок 3.1 – Функциональная схема АСУТ ТАД77В качестве задающего устройства (ЗУ) в современных САУ применяютпульт управления или микропроцессорную систему.

Регулятор (Р) предназначен для коррекции разрабатываемой АСУТ с целью обеспечения заданныхкритериев качества управления. Устройством управления (УУ) в АСУТ выступает преобразователь частоты для возможности управления исполнительнымустройством (ИСУ). В состав ИсУ входят асинхронный двигатель, которыйприводит во вращение центробежный вентилятор охлаждения и сам вентилятор охлаждения. Для определения температуры ТАД необходимо использовать измерительное устройство – датчик температуры, которое формируетэлектрический сигнал пропорциональный температуре.С позиций теории автоматического управления систему охлаждения ТАДследует рассматривать как объект управления температурой.

Управляющимвоздействием в данном случае будет являться подача охлаждающего воздухаGвз, управляемой величиной – температура θ наиболее нагретой детали ТАД,основными возмущающими воздействиями – нагрузочный ток I, температураохлаждающего воздуха θвз, скорость вращения вала nд и мощность Р ТАД.Исследования системы охлаждения ТАД как объекта управления температуры предполагают в первую очередь определение статических и динамических характеристик и параметров, необходимых для выбора типа автоматического регулятора и расчета параметров его настройки. Поэтому для разработкиАСУТ ТАД необходимо составить дифференциальные или алгебраическиеуравнения, которые связывают сигналы выхода и входа, каждого из её функциональных элементов, с учетом возможных нелинейностей.

Далее необходимо выполнить линеаризацию этих уравнений и определить передаточныефункции элементов АСУТ по которым впоследствии определяется передаточная функция разомкнутой и замкнутой системы с целью дальнейшего синтеза78регулятора, который будет обеспечивать требуемые показатели качества переходного процесса. Это даёт возможность решать задачи синтеза автоматического регулятора, а также выполнять оценку устойчивости и качества САУ[105, 106].3.2 Определение передаточных функций АСУТ3.2.1 Задающее устройствоЗадающее устройство в разрабатываемой АСУТ устанавливает требуемое значение управляемой величины либо задает закон (алгоритм) ее изменения.

В системах управления роль задающего устройства может выполнятьпульт или специализированная вычислительная машина. При проведении экспериментальных исследований в четвертом разделе диссертации в качестве задающего устройство используется персональный компьютер с специализированным программным обеспечением DriveStudio для управления исполнительным устройством (преобразователем частоты) компании ABB, котороепозволяет задавать требуемое значение управляемой величины (температурыТАД) Uз, а также контролировать его текущее значение при помощи сигналовизмерительного устройства (термопар).3.2.2 Устройство сравненияСогласно функциональной схемы (рисунок 3.1) сигнал U з определяется выражением:U з  U з  U ИУ ,(3.1)где U з – напряжение задания соответствующее заданному значению температуры задания ТАД, В;U ИУ – напряжение измерительного устройство (термопар) соответствующее текущему значению температуры ТАД, В.793.2.3 Блок ограниченияДля ограничения максимального значения напряжения регулятора (Р),которое обусловлено ограничением по максимальной частоте вращения валаисполнительного устройства (ИСУ) в функциональной схеме разрабатываемой АСУТ предусмотрено блок ограничения (БО).

Математическое описаниеэтого устройства имеет вид:U БОmaxU рег , при U рег  U рег ;,  maxmaxU,приUU.регрег рег(3.2)maxгде U рег 10В – максимальное значение напряжение регулятора.Блок ограничения – это нелинейный элемент и в линеаризованной системе при малых отклонениях от положения равновесия эта нелинейность неучитывается.3.2.4 Устройство управленияУчитывая современный уровень развития силовой электроники, устройством управления, входящим в структуру разрабатываемой АСУТ, являетсяпреобразователь частоты (ПЧ), который реализован по схеме «неуправляемыйвыпрямитель (звено постоянного тока) автономный инвертор напряжения».Элементная база инвертора – биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), алгоритм управления формирования выходного напряжения –синусоидальная широтно-импульсная модуляция (ШИМ).На рисунке 3.2, а) показана функциональная схема инвертора ПЧ, к выходу которого подключен статор асинхронного двигателя (АД) [116].Управление четными и нечетными ключами полумостовых пар производится парафазно, для чего в каналы управления четных ключей включены инверторы логических функций.

Логический сигнал управления ключами формируется компараторами (К), на входы которых подаются синусоидальные80*сигналы заданных фазных напряжений u1a, u1b* , u1с* и сигнал линейной раз-вертки us с выхода генератора пилообразного сигнала (ГПС).Компараторы на рисунке 3.2, а) выполняют математическую функциюопределения знака разности сигналов uк  sign(u1*  us ) , где uк – сигнал на выходе компаратора. На выходах компараторов фазных сигналов показаны двухпозиционные реле с гистерезисом.