СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛОКОМОТИВА НА ПРЕДЕЛЕ ПО СЦЕПЛЕНИЮ КОЛЕС С РЕЛЬСАМИ

Система регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами
Полезная модель относится к рельсовому транспорту и может быть использована на подвижном составе с асинхронными тяговыми двигателями (АТД), питаемыми от полупроводниковых статических преобразователей.
Известна система регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами (Патент РФ на полезную модель RU 99390 / Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В., Федяева Г.А., Федяев Н.А. // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. Изобретения. Полезные модели. Опубл. 20.11.2010. - Бюл. №32 - прототип) с использованием прямого управления моментом АТД (Direct Torque Control - DTC) (Козярук A.E., Рудаков В.В. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока / под ред. Народицкого А.Г. - СПб.: Санкт-Петербургская электротехническая компания, 2005). В данном устройстве задание на потокосцепление статора, подаваемое в блок DTC, определяется традиционным для двухзонного регулирования способом в зависимости от скорости: в первой зоне (до номинального режима) потокосцепление постоянно и равно номинальному, а во второй зоне (ослабление поля) потокосцепление снижается обратно пропорционально скорости. Такой подход является традиционным, и к недостаткам данной системы относится то, что данный подход не использует энергетически эффективные (энергоэффективные, энергосберегающие) законы управления АТД.
Задачей полезной модели является регулирование асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами с одновременным контролем вибраций при энергосберегающем управлении АТД по критерию минимума тока статора.
Блок-схема системы регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами представлена на фигуре 1.
1
0
1
0
Технический результат достигается тем, что система регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами, содержащая блок статического преобразователя, для питания асинхронного тягового электродвигателя, датчики токов фаз А, В, С упомянутого электродвигателя, датчик напряжения звена постоянного тока статического преобразователя, блок прямого управления моментом (DTC) упомянутого электродвигателя, блок задания потокосцепления статора электродвигателя, выход которого подключен ко входу задания потокосцепления блока DTC, последовательно соединенные датчик частоты вращения электродвигателя, блок приведения частоты вращения электродвигателя к ободу колеса и блок сравнения, последовательно соединенные датчик линейной скорости локомотива, блок адаптации ускорения, двухпозиционный переключатель заданий ускорений а и а и интегратор, подключенный ко второму входу блока сравнения, устройство обнаружения буксования и юза локомотива и регулятор скольжения колес, выходы которых подключены ко входу электронного блока переключений, последовательно соединенные блок вычитания и блок определения абсолютной величины, выход которого подключен ко входу регулятора скольжения колес, последовательно соединенные регулятор частоты вращения электродвигателя и блок ограничения заданного момента электродвигателя, при этом выход электронного блока переключений соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя заданий ускорений а и а, ко входам блока вычитания подключены выход датчика линейной скорости локомотива и выход блока приведения частоты вращения электродвигателя к ободу колеса, а выход блока сравнения подключен ко входу регулятора частоты вращения электродвигателя, отличается тем, что упомянутый блок задания потокосцепления подключен своим входом к выходу блока ограничения заданного момента электродвигателя и выполнен с возможностью задания и выполнен с возможностью задания потокосцепления в зависимости от электромагнитного момента электродвигателя.
а
а
а
а
а
а
0
Л
1
Л
В предлагаемой системе (фиг. 1) содержащей внешний контур регулирования частоты вращения тягового двигателя регулятором частоты 1 по отклонению, вычисляемому в сумматоре 2, где задание на частоту вращения двигателя, приведенную к линейной скорости на ободе колеса, определяется путем интегрирования в блоке 3 задания на ускорение, выбираемого в блоке 4 из двух значений: , которое в режиме тяги на небольшую величину Δ меньше линейного ускорения локомотива , и , которое в режиме тяги на Δ больше  (в режиме торможения наоборот), а также внутренний контур регулирования двигателя 5 (блок DTC), одним из двух входных сигналов которого является выходной сигнал регулятора частоты вращения 1 с учетом ограничения по моменту, выполняемого в блоке 6, а вторым входным сигналом является задание на потокосцепление статора АТД,
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
0
Л
1
Л
0
Л
1
Л
выбор между значениями =-Δ и =+Δ (в режиме тяги) или =+Δ и =-Δ (в режиме торможения) выполняется по сигналам двух блоков:
к
кmax
кmin
1) устройства обнаружения боксования и юза колес рельсового транспортного средства 7 по уровню колебаний U в тяговом тракте, имеющего релейную характеристику с гистерезисным допуском без зоны нечувствительности и переключающегося при повышении уровня колебаний выше значения U и понижении ниже значения U,
ск
Д
Л
ск
скmax
скmin
ск
Д
Л
2) регулятора 8 абсолютной величины скорости скольжения ΔV=|V-V|(вычисляемой в блоках 9 и 10), имеющего релейную характеристику с гистерезисным допуском без зоны нечувствительности и переключающегося при увеличении ΔV выше значения ΔV и уменьшении ниже значения ΔV; где ΔV - скорость скольжения, м/с, V - частота вращения ротора двигателя, приведенная к линейной скорости на ободе колеса, V - линейная скорость локомотива;
в соответствии с таблицей электронного блока переключений 11:
Таблица
где стрелка, указывающая вверх, обозначает «срабатывание» (условное состояние «1»), а стрелка, указывающая вниз, - «отпускание» (условное состояние «0») соответствующего релейного элемента,
скmax
скmin
причем релейные устройства обнаружения буксования, контролирующие уровень колебаний, настраиваются одинаково для всех осей локомотива, а верхнее и нижнее предельные значения скорости скольжения устанавливаются неодинаковыми для разных осей локомотива: верхние значения из интервала 0,4 м/с≤ΔV≤0,8 м/с; нижние значения из интервала: 0,17 м/с≤ΔV≤0,25 м/с.
Различие предельных значений скорости скольжения для разных осей снижает пульсации силы тяги локомотива, кроме того, можно использовать эффект очищения рельсов, устанавливая для колесных пар передних осей локомотива больший допустимый диапазон проскальзывания. Световой сигнал о необходимости проверки крепления узлов тяговой передачи загорается в случае, если скольжение колес стало меньше установленного в регуляторе скольжения нижнего предела, а уровень вибраций все еще превышает предельный уровень. В этом случае на ближайшей стоянке необходимо проверить крепление узлов передачи.
а
а
0
1
дз
к
дз
д
огр
з
По сигналу от датчика линейной скорости локомотива 12 (фиг. 1) в блоке адаптации ускорения 13 с учетом режима «Тяга/Торможение» вычисляются задания на ускорение двигателя, приведенное к ободу колеса:  и . Затем указанным образом с использованием таблицы переключений 11 выбирается требуемое значение ускорения. Путем интегрирования выбранного ускорения в блоке 3 определяется задание на скорость двигателя (V), затем в блоке 2 оно сравнивается с действительной скоростью двигателя 14, измеренной датчиком частоты вращения 15 (ДЧВ) и приведенной к ободу колеса путем умножения на радиус колеса (R) и деления на передаточное число редуктора (µ) в блоке 16. Рассогласование между заданной (V) и действительной скоростью двигателя (V) подается на регулятор скорости 1, который формирует задание на момент тягового двигателя, а затем в блоке ограничения задания момента 6 с учетом ограничения (М), поступающего из системы управления верхнего уровня, окончательно определяется задание на момент М, поступающее в систему регулирования тягового двигателя. В качестве системы регулирования АТД используется высокодинамичная система прямого управления моментом 5 (блок DTC).
З
З
Применение DTC позволяет отдельно регулировать электромагнитный момент и поток двигателя с высоким быстродействием, что открывает возможность высокодинамичного регулирования двигателей по одному из известных энергосберегающих законов, в данном случае выбрано регулирование потокосцепления статора по условию минимума тока статора при заданном электромагнитном моменте. Для этого предварительно рассчитывается зависимость потокосцепления статора от электромагнитного момента двигателя с учетом насыщения, определяемая из условия получения заданных значений электромагнитного момента при минимальном токе статора. Рассчитанная зависимость  реализуется в блоке задания потокосцепления 16 и имеет вид кривой с насыщением (фиг. 1). На вход блока задания потокосцепления подается задание на электромагнитный момент двигателя М, а с выхода снимается задание на потокосцепление статора ψs, подаваемое в блок DTC.
З
Так как при включении тяговых двигателей под напряжение, подаваемое от блока статического преобразователя (СП) 17 после остановки или режима выбега задание на момент М нарастает постепенно от нуля, то и задание на потокосцепление статора будет нарастать постепенно в соответствии с зависимостью, приведенной в блоке задания потокосцепления (фиг. 1). Это затягивает нарастание в двигателе магнитного потока и затрудняет регулирование. Поэтому в начальные моменты времени (до 1 секунды после включения под напряжение) следует с целью форсирования создания в двигателе магнитного потока использовать формирование задания на потокосцепление в зависимости от времени , где t - время, а затем переключаться на формирование задания на потокосцепление в зависимости от задания на момент двигателя .
Регулирование тягового электропривода в данной системе позволяет управлять локомотивом на пределе по сцеплению колес с рельсами при любом состоянии рельсового пути и форме кривой сцепления с одновременным предотвращением усиления вибраций в тяговом тракте и энергосберегающем управлении асинхронными тяговыми двигателями, позволяющем снизить потребляемый ток и потери в двигателе и преобразователе частоты.