Автореферат (792727), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Андерс, Х.П. Бауэр,А.Т. Бурков, М. Бушер, Ю.И. Гусевский, А.А. Зарифьян, В.Л. Кодкин,П.Г. Колпахчьян, Х.П. Котц, А.С. Курбасов, В.А. Кучумов, В.В. Литовченко, П.Ю.Петров, Е.М. Плохов, В.А. Пречисский, Г.А. Федяева, М. Флейшер, В.А. Шаров,Х.Ю. Шварц, В. Энгель и другие ученые.Однако электропривод с совместным регулированием АТД на пределе посцеплению исследован недостаточно и требует дальнейшей проработки.В главе 2 разработаны функциональная схема, способ и алгоритмы работы СУТЭП гибридного локомотива с совместным управлением АТД тележки на пределе посцеплению, а также математические и компьютерные модели электрической (сило-7вой и управляющей) подсистемы ТЭП.В СУ ТЭП гибридного тепловоза ТЭМ9H внедрены наиболее динамичные алгоритмы разрывного управления АТД при регулировании потокосцепления статора,позволяющие реализовать и испытать различные варианты управления приводом напределе по сцеплению колес с рельсами.
Стратегия разрывного управления тягойимеет три основных преимущества: 1) достижение предельной физически возможнойскорости изменения момента, что позволяет построить систему использования реального коэффициента сцепления; 2) минимизация частоты переключения приборов;3) получение максимально возможной первой гармоники напряжения (соответственно, - величины потока, - в режиме однократной коммутации). Кроме того, обеспечивается стабильность работы тягового привода при колебаниях напряжения в промежуточном контуре преобразователя частоты (ПЧ) и изменении параметров объектауправления.Функциональная схема четырехосного гибридного тепловоза (рис. 2) показанадля двух двигателей первой тележки (АТД1, АТД2), подключенных параллельно кодному автономному инвертору напряжения (АИН), для двигателей второй тележки(АТД3, АТД4) схема аналогична.
При пуске локомотива контроллером машиниста(КМ) для СУ ТЭП сначала задается максимальная сила тяги, поступающая в блоквычисления задания момента с учетом ограничений (БВЗМ) и фактически определяющая ограничение по моменту АТД во внутреннем контуре регулирования момента.Далее при помощи КМ задается требуемая скорость локомотива, поступающая вблок вычисления задания скорости (БВЗС) и определяющая ограничение задания частоты вращения АТД во внешнем контуре регулирования скорости. После этого появляется задание на момент на выходе регулятора частоты вращения АТД, и локомотив начинает разгон, постепенно увеличивая силу тяги (до заданной максимальнойвеличины, если позволяет сцепление) и пытается достичь установленной КМ скорости.Для реализации предельных усилий задание на частоту вращения двигателя,приведенную к линейной скорости колеса (VДз), определяется в БВЗС путем интегрирования задания на линейное ускорение колеса (a1 или а0), вычисляемое в блокеадаптации ускорения (БАУ) и жестко привязанное к линейному ускорению локомотива:- в режиме тяги а1= ал + ∆аk1, а0= ал − ∆аk2;- в режиме электрического торможения а1= ал − ∆аk1, а0= ал + ∆аk2,где ал - линейное ускорение локомотива; a1 и а0 - задания на линейное ускорениеколес; ∆аk1 и ∆аk2 – небольшие положительные величины, адаптируемые к массе состава и условиям движения.Ускорение локомотива ал, изменяющееся в процессе движения, вычисляется вБАУ по изменению оценочной скорости локомотива Vл (определяемой по измеренным частотам вращения роторов АТД ω1-ω4) за заданные промежутки времени ∆t(ал=∆Vл/∆t).
Если на локомотиве установлен датчик линейной скорости (ДV), егосигнал показан пунктиром на рисунке 2, то для вычисления ускорения локомотивалучше использовать этот сигнал.8Переключение между значениями a1 и а0 осуществляется под контролем релейного регулятора скольжения колес (РСК) с адаптивным гистерезисным допуском.Для снижения фрикционных автоколебаний на вход РСК в режиме тяги подается абсолютная величина разности между частотой вращения двигателя первой (по ходудвижения) оси тележки, приведенной к линейной скорости колеса (VД), и скоростьюлокомотива (VЛ). То есть, в режиме тяги используется абсолютная величина скольжения колес первой оси тележки (имеющей в режиме тяги меньшую вертикальнуюнагрузку, в режиме электрического торможения – второй оси тележки).
Пока эта величина не превысит допустимый верхний порог РСК, БВЗС интегрирует величинуа1, после превышения порога - величину а0. Обратное переключение с а0 на а1 происходит, когда скольжение колес станет меньше нижнего порога РСК.Рисунок 2 ‒ Функциональная схема СУ ТЭП гибридного маневрового тепловоза,модифицированная с учетом регулирования скольжения колесЗадание на скорость VДз, вычисленное БВЗС путем интегрирования a1 или а0,сравнивается с измеряемой приведенной частотой VД, и полученное рассогласованиеподается на регулятор частоты вращения (РЧВ), вычисляющий задание на момент(МЗω), которое затем ограничивается в БВЗМ на требуемом уровне (МЗ).
Рассматривались два варианта РЧВ: пропорциональный (П) и пропорционально-интегральный(ПИ). Полученное задание на момент МЗ, а также задание на потокосцепление статора ΨS, определяемое в блоке вычисления задания потокосцепления (БВЗП) в зависимости от скорости локомотива, подаются в систему разрывного управления (РУ).Система РУ содержит релейные регуляторы момента (РРм) и потокосцепления (РРп),блок вычисления состояния двигателя (БВСД), блок логического автомата (БЛА) и9блок частоты коммутаций (БЧК).
При полном поле БЛА осуществляет выбор сигналов на переключение транзисторов АИН в зависимости от состояния релейных регуляторов и сектора координатной плоскости, в котором находится вектор потокосцепления статора. БЧК контролирует частоту коммутаций транзисторов АИН и подаетсигналы на изменение ширины гистерезисных допусков релейных регуляторов илипереход к однократной коммутации транзисторов на периоде (полноблочному режиму) при ослаблении поля.
В режиме ослабления поля БЛА вырабатывает сигналы переключения транзисторов в зависимости от положения вектора потокосцепления итребуемой частоты напряжения статора fs.Контроль состояния АТД и определение текущих вычисляемых переменныхмашины по модели осуществляется в блоке, условно названном БВСД. Для этого навход данного блока подается текущее напряжение промежуточного контура и матицасостояния ключей АИН для определения мгновенного значения фазных напряжений;токи двух фаз АИН, потребляемые двумя двигателями тележки (АТД1, АТД2 дляпервой тележки), скорости роторов АТД тележки (ω1 и ω2), по которым определяетсясредняя скорость ротора (ω) для модели АТД.
Модель АТД, общая для двух двигателей тележки (усредненная), построена в неподвижных осях α-β по уравнениям:R s Lµdψ sαRψ rα + U α ,= − s ψ sα +σLsσLs Lrdtdψ sβdt=−R s LµRsψ sβ +ψ rβ + U β ,σLsσLs LrRr Lµdψ rαR=ψ sα − r ψ rα − p n ωψ rβ ,σLs LrσLrdtdψ rβdtM ==Rr LµσLs Lrψ sβ −(1)Rrψ rβ + p n ωψ rα ,σLrLµ3pn(ψ sβψ rα − ψ sαψ rβ ),2 σLs Lrгде Uα, Uβ - напряжения статора; σ = 1 −L2µLs L r- коэффициент рассеяния; Lµ- приве-денная взаимная индуктивность обмоток статора и ротора усредненной модели; Ls –собственная индуктивность обмотки статора усредненной модели; Lr – приведеннаясобственная индуктивность обмотки ротора усредненной модели; Rs, Rr – активноесопротивление обмотки статора и приведенное сопротивление обмотки ротораусредненной модели; ψsα, ψsβ - потокосцепления обмоток статора усредненной модели; ψrα, ψrβ - потокосцепления обмоток ротора усредненной модели; ω - средняяскорость роторов двигателей тележки; pn – число пар полюсов двигателя; М - электромагнитный момент усредненной модели.Модуль и положение вектора модельного потокосцепления статора (и ротора)вычисляются по проекциям потокосцеплений (ψsα, ψsβ и ψrα, ψrβ), найденным по модели (1).
Токи статора усредненной двухфазной модели (Isα, Isβ) двигателя тележкипо осям α и β определяются через найденные потокосцепления из системы алгебраических уравнений. По ним вычисляется модуль и положение вектора модельного тока статора. Таким образом, управление построено на модельных величинах, вычис-10ляемых на основе модели (1), в которую подставляются фактические напряжения,средняя скорость роторов и усредненные параметры АТД.Контроль состояния машины и оценка достоверности модели (1) производится сиспользованием фактических значений тока статора. Датчики тока (2 на пару параллельных моторов) применяются для того, чтобы видеть отличие основной наблюдаемой координаты - вектора среднего тока двигателей тележки от модельного тока.
Если модельный ток не там, где ожидалось - значит и потокосцепление не там, значит имомент не тот, и нужно оценить, где потокосцепление на самом деле и каков момент,внести коррективы. То есть, на практике модель непрерывно подстраивается под реалии, на тепловозе ТЭМ9H корректируются несколько параметров модели машины.Однако даже при коррекции единственного параметра, - сопротивления статора, система уже стабильна, но имеется некоторое отличие реального среднего моментаот запланированного значения.С целью анализа работы электропривода целесообразно использовать математическое и компьютерное моделирование. Для исследования динамических электромеханических процессов была составлена модель ТЭП в основной библиотекеMatLab/Simulink на базе уравнений электрической части (подсистемы) и упрощенных уравнений механической части ТЭП ТЭМ9H.
Для сокращения времени расчетадинамики ТЭП при дальнейшем соединении электрической подсистемыMatLab/Simulink с детализированной моделью механической части тепловоза, выполненной в программном комплексе UM, моделирование работы статического преобразователя было выполнено с использованием коммутационных функций. Оценкадостоверности результатов моделирования производилась путем сравнения расчетных осциллограмм с экспериментальными данными, полученными при испытанияхтепловоза ТЭМ9H.В модель были подставлены параметры асинхронного двигателя АД917УХЛ1,установленного на ТЭМ9H, моделирование производилось при тех же значенияхнапряжения в промежуточном контуре, скорости локомотива и задания на момент,что и в эксперименте.
Ширина релейных гистерезисных допусков электромагнитногомомента АТД и потокосцепления была подобрана такой же, как на экспериментальных осциллограммах, чтобы обеспечить примерно одинаковую частоту коммутацийв эксперименте и расчете. Результаты моделирования показывают удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных, расхождение не превышает7 %, если отбросить отдельные мгновенные пиковые значения тока и момента.В главе 3 разработаны модели механической части (МЧ) ТЭП, позволяющиеанализировать динамику работы совместно регулируемых АТД в различных условиях сцепления. Скорости роторов параллельно включенных двигателей тележки могутотличаться по многим причинам: неодинаковые параметры двигателей, разностьдиаметров бандажей колесных пар, различие вертикальных нагрузок колес первой ивторой осей, вызванное работой двигателей, различие условий сцепления колес первой и второй осей, колебания в механической передаче, обусловленные многочисленными внешними факторами.
Достаточно полно учесть процессы в механическойчасти ТЭП при регулировании на пределе по сцеплению позволяет модель МЧ с вы-11сокой степенью детализации, выполненная в UM, однако предварительно удобнеерассмотреть наиболее существенные явления на упрощенной модели.При упрощенном моделировании механической части целесообразно выделитьосновные формы крутильных колебаний в продольной вертикальной плоскости поотношению к оси пути, определяющим образом влияющие не только на механические процессы при срыве сцепления, но и на электромагнитные процессы в тяговыхдвигателях. С этой целью составлена расчетная схема механической передачи оситепловоза ТЭМ9Н с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей и упругимзубчатым колесом редуктора (рисунок 2).Рисунок 3 ‒ Расчетная схема механической подсистемы ТЭП оси тепловоза ТЭМ9Н:1 – ротор двигателя; 2 – корпус двигателя; 3 – шестерня и венец зубчатого колесаредуктора; 4 – колесная пара; 5 – локомотив и поезд; 6 – рельсовый путьВ расчетную схему включен один колесно-моторный блок тележки, в которыйвходят: ротор с моментом инерции Jr относительно собственной оси; корпус с моментом инерции Jd относительно оси колесной пары; суммарная масса шестерни ивенца упругого зубчатого колеса с общим моментом инерции Jшк относительно осишестерни; колесная пара с моментами инерции колес Jk1 и Jk2 относительно собственной оси и локомотив (и поезд) массой mл, приходящейся на одну ось.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
