Автореферат (Управление асинхронными тяговыми электродвигателями тележки локомотива в предельных по сцеплению режимах движения)

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Брянский государственный технический университет» (БГТУ) на кафедре «Электронные, радиоэлектронные и электротехническиесистемы».Научный руководитель:доктор технических наук, доцентФедяева Галина АнатольевнаОфициальные оппоненты:Пречисский Владимир Антонович, доктортехнических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», кафедра «Электротехнических комплексов автономных объектов иэлектрического транспорта», профессор;Литовченко Виктор Васильевич, кандидаттехнических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования «Российский университет транспорта (МИИТ)»,кафедра «Электропоезда и локомотивы», доцент.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственныйуниверситет путей сообщения Императора Александра I».Защита диссертации состоится «26» декабря 2018 г.

в 13 часов на заседаниидиссертационного совета Д 218.005.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский университет транспорта (МИИТ)» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова,д. 9, стр.9, ауд. 2505.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РУТ (МИИТ) и на сайтеwww.miit.ru.Автореферат разослан «___» ноября 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного советаГречишников Виктор Александрович3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В современном тяговом электроприводе (ТЭП) отечественных и зарубежных локомотивов широко внедряются двигатели переменноготока взамен традиционных коллекторных двигателей последовательного возбуждения.

На мощных локомотивах с высоким использованием сил сцепления наибольшеераспространение получил ТЭП с асинхронными тяговыми двигателями (АТД). Вчастности, АТД применены на отечественных серийно выпускаемых тепловозах2ТЭ25А, электровозах 2ЭС10, ЭП20, опытном электровозе 2ЭВ120.Наиболее полное использование потенциальных условий сцепления, а значит,и наибольшие тяговые и тормозные усилия можно получить при индивидуальном регулировании АТД каждой оси (поосном регулировании). Однако по условиям размещения и экономическим соображениям часто применяют параллельное подключение АТД тележки к одному инвертору (совместное регулирование). ТЭП с асинхронными двигателями (АД) ввиду ряда известных особенностей является весьма сложным объектом управления даже при индивидуальном регулировании осей, параллельное же подключение АТД к одному инвертору еще более усложняет систему.

Всовременных условиях весьма актуально, наряду с внедрением импортных системуправления (СУ), создавать и совершенствовать с учетом мировых достижений собственные алгоритмы управления ТЭП, используя для их отработки, как уже имеющиеся образцы локомотивов, так и новые компьютерные технологии.Для этих целей хорошо подходит четырехосный гибридный маневрововывозной тепловоз ТЭМ9H с совместным регулированием АТД, разработанный врамках пилотного проекта Людиновским тепловозостроительным заводом. На данном тепловозе применен комплекс технических решений в системе электропитания,снимающих ряд ограничений по управлению ТЭП по сравнению с обычным электроприводом тепловоза.

Использование в системе электропитания аккумуляторнойбатареи с огромным энергозапасом (300 кВт*часов) и суперконденсаторов дает возможность отойти от традиционного для тепловозов ступенчатого (позиционного) изменения мощности дизеля на тягу и отрабатывать алгоритмы регулирования ТЭП сАД, применимые как для тепловозов, так и для электровозов нового поколения.Цель диссертационной работы − повышение предельных по сцеплению усилий, реализуемых электроприводом локомотивов при совместном управлении асинхронными тяговыми двигателями тележки.Задачи исследования1.

Анализ алгоритмов управления ТЭП в режиме реализации предельныхусилий и обоснование применения в тяговом электроприводе систем разрывногоуправления АТД.2. Разработка функциональной схемы СУ, способа и алгоритмов управленияТЭП с совместным регулированием АД тележки на пределе сцепления.3. Разработка математической и компьютерной модели СУ ТЭП с совместнымуправлением параллельно включённых АД тележки на пределе сцепления.4.

Разработка для механической подсистемы ТЭП гибридного маневрововывозного тепловоза ТЭМ9H математических и компьютерных моделей и анализ на4их основе динамических процессов в ТЭП.5. Создание электромеханической компьютерной модели ТЭП гибридногоманеврово-вывозного тепловоза и исследование на основе численных экспериментовалгоритмов управления разгоном и электрическим торможением локомотива ссовместным регулированием АТД тележки в режиме реализации предельных усилий.Научная новизна работы заключается в следующем:- разработаны способ управления, функциональная схема и алгоритмы функционирования тягового электропривода локомотива с совместным управлением АДтележки на пределе сцепления;- созданы математические и комплексные компьютерные модели тяговогоэлектропривода гибридного маневрово-вывозного тепловоза ТЭМ9H с системойуправления, реализующей предельные по сцеплению усилия при совместном управлении АД тележки;- выполнен анализ работы ТЭП с совместным разрывным управлением АТДтележки при изменении условий сцепления, показавший, что предложенные алгоритмы регулирования позволяют частично скомпенсировать неоптимальность конструкции механической подсистемы ТЭП и обеспечить реализацию потенциальныхусловий сцепления не менее чем на 90 %.Теоретическая и практическая значимость работы.Разработанные модели и методики моделирования обеспечивают возможностьанализа и отработки перспективных вариантов управления ТЭП с совместным регулированием АД тележки.Рассчитано перераспределение вертикальных нагрузок осей гибридноготепловоза ТЭМ9H в режиме тяги и электрического торможения; предложена системауправления АТД локомотива с совместным регулированием АД тележки на пределесцепления; определеныособенности функционирования ТЭП с совместнымуправлением АТД при реализации предельных усилий с использованием в СУсигнала обратной связи по скорости АТД различных осей тележки; исследованавработа ТЭП при варьировании потенциального коэффициента сцеплениядиапазоне 0,4 - 01 и разбросе параметров параллельно работающих АТД до 15 %.Результаты работы приняты Людиновским тепловозостроительным заводом(ЛТЗ) для использования при разработке и совершенствовании тепловозов новогопоколения.

Часть разработанных моделей и реализующие их программы внедрены вучебный процесс Брянского государственного технического университета (БГТУ).Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории электропривода, теории электрических машин, теорииэлектрической тяги, а также методы математического и компьютерного моделирования электрических и механических систем и современные промышленные программные комплексы (ПК): MatLab/Simulink и «Универсальный механизм» (UM).Электрическая подсистема ТЭП моделируется в ПК MatLab/Simulink, механическаячасть с высокой степенью детализации моделируется в ПК UM, для совмещенияэлектрической и механической подсистем в единую электромеханическую модельиспользуется специальный интерфейс CoSimulation, разработанный на кафедре5«Прикладная механика» БГТУ.Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается корректностью принятых допущений и разработанных на их основе моделей, а такжеудовлетворительным совпадением результатов, полученных при моделированииТЭП ТЭМ9H, с осциллограммами натурных испытаний тепловоза ТЭМ9H.Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы и ееотдельные разделы были представлены на VI Международной (XVIIIВсероссийской) и VII Международной (XIX Всероссийской) конференциях поавтоматизированному электроприводу АЭП-2012 (Иваново, 2012 г.) и АЭП-2014(Саранск, 2014 г.); VII и VIII Международных симпозиумах «Элтранс-2013» и«Элтранс-2015» (Санкт-Петербург, 2013 г., 2015 г.); XIV Научно-практическойконференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2013 г.); XМеждународной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века:идеи, требования, проекты» (Санкт-Петербург, 2015 г.); II и III Научно-техническихсеминарах Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте (Брянск,2014г.,2016г.);Всероссийскойнаучно-практическойконференцииАвтоматизированный электропривод и автоматика (г.

Липецк, 2014 г.); Научнопрактическом семинаре «НИУ «МЭИ» Электропривод в транспорте (г. Москва, 2017г.).Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы,в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получено трипатента на изобретение и три на полезную модель.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,общих выводов, списка литературы, включающего 124 наименования, и приложения.Работа содержит 134 страницы основного текста, включая 60 рисунков и 7 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы и дана краткая характеристикадиссертационной работы.В главе 1 на основе обзора технической литературы выполнен анализалгоритмов управления ТЭП в режиме реализации предельных усилий, обоснованоприменение в тяговом электроприводе систем разрывного управления АТД,выбраны методы и поставлены задачи исследования.СУ ТЭП локомотивов формировались исторически в зависимости от применяемых тяговых электродвигателей, развития элементной базы СУ и теории электропривода.

Соответственно изменялись и алгоритмы управления ТЭП в режиме реализации предельных тяговых усилий, но, несмотря на разнообразие конкретных решений, данные алгоритмы можно разделить по принципу функционирования на двебольшие группы: 1) алгоритмы защиты от буксования и юза; 2) алгоритмы реализации потенциального коэффициента сцепления.Алгоритмы первой группы начинают функционировать только при попаданиирабочей точки на падающий участок характеристики сцепления в зону буксования ивсегда включают в себя два этапа: а) обнаружение буксования (или юза);6б) подавление избыточного проскальзывания (возвращение рабочей точки на восходящий участок). Алгоритмы второй группы встраиваются в систему регулированияскорости тяговых двигателей, обеспечивая при необходимости реализацию предельного коэффициента сцепления (рисунок 1).Реализация ТЭП предельного коэффициента сцепления при совместномрегулировании АТД требует высокого быстродействия и пониженнойчувствительности СУ к разбросу параметров, этим требованиям в наибольшейстепени удовлетворяют системы разрывного управления АТД.Рисунок 1 ‒ Классификация алгоритмов управления ТЭП в режиме реализации предельныхусилийИзучением ТЭП с АД как единой управляемой электромеханической системызанимались отечественные и зарубежные ученые: В.И.