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 экстремального регулирования тягового электропривода локомотива с прямым управления моментом (Direct Torque Control, - сокращенно DTC) асинхронных двигателей, самонастраивающаяся на максимум кривой сцепления (Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008. - №4. - С.10-18 [1] - прототип). В названной системе регулирования при заданном отклонении ΔМ момента двигателя от максимума, зафиксированного накопителем экстремальных значений, блок логики поиска изменяет задание на ускорение, путем интегрирования которого определяется задание на скорость ротора АТД, регулируемую затем по отклонению регулятором скорости, с выхода которого снимается задание на момент двигателя, поступающее на вход блока DTC, в состав которого входят (рис.1) гистерезисные релейные регуляторы потокосцепления статора (РРп) и момента (РРм) асинхронного двигателя, переключающиеся по сигналам, поступающим с блоков вычитания; электронная адаптивная модель двигателя (АМД) для вычисления текущих управляемых координат асинхронного двигателя (потокосцепления статора и электромагнитного момента) по значению фазных токов, напряжения в звене постоянного тока и коммутационной функции автономного инвертора напряжения (АИН); блок вычисления фазового сектора (БВФС), в котором в текущий момент времени находится вектор потокосцепления статора двигателя; табличный (матричный) вычислитель оптимального вектора напряжения двигателя, выполняемый в виде блока логического автомата (БЛА) и определяющий функцию переключения вентилей АИН. При этом DTC использует разрывное управление асинхронными двигателями и может обеспечить в тяжелых условиях эксплуатации тяговых приводов локомотивов наиболее высокие динамические характеристики.
К недостаткам данной системы экстремального регулирования можно отнести следующее: 1) необходимо использовать накопитель экстремальных значений и весьма сложную логику поиска; 2) необходимы дополнительные методы контроля на влажных рельсах, где кривая сцепления не имеет явно выраженного максимума; 3) требуемую величину отклонения момента двигателя от максимума ΔМ трудно правильно определить, и при превышении этой величиной порогового значения возможно возникновение фрикционных автоколебаний и повышенных вибраций в тяговой передаче.
Кроме того, общим недостатком применяемых в настоящее время систем управления тяговым электроприводом локомотивов является отсутствие контроля вибраций в тяговом тракте, что может приводить к аварийным ситуациям, таким, например, как падение АТД на рельсы, имевшее место на электровозе ЭП10.
Известно также устройство обнаружения боксования и юза колес рельсового транспортного средства (заявка 94044536/11, 14.12.1994 B60L 3/10 [2], Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч.2,. - Луганск: Изд-во ВНУ, 2003, №9 [3]) по наличию колебаний в механической части привода колесной пары. Устройство способно реагировать на появляющиеся в механической системе во время боксования и юза колебания, оно срабатывает, когда уровень этих колебаний превышает допустимый порог. Недостатком данного устройства является то, что оно может быть использовано только для обнаружения буксования, но не для регулирования проскальзывания колес.
Задачей полезной модели является регулирование асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами с одновременным контролем вибраций.
a
а
a
а
a
а
1
0
1
0
1
0
Технический результат достигается тем, что в систему регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами, содержащую блок статического преобразователя напряжения и частоты с автономным инвертором напряжения (блок СП), питающий асинхронный тяговый двигатель, блок здания потокосцепления статора, датчик частоты вращения двигателя, блок приведения частоты вращения двигателя к ободу колеса, вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, блок приведения линейной скорости локомотива к валу двигателя, блок ограничения задания момента, датчики токов фаз А, В, С двигателя, датчик напряжения звена постоянного тока статического преобразователя, блок прямого управления моментом (блок DTC), на соответствующие входы которого подаются сигналы датчиков тока фаз двигателя, датчика напряжения звена постоянного тока, сигнал задания потокосцепления статора, поступающий с выхода блока здания потокосцепления, на вход которого с выхода блока приведения линейной скорости локомотива к валу двигателя подается сигнал линейной скорости локомотива, приведенной к валу двигателя, сигнал задания момента, поступающий с выхода блока ограничения задания момента, а выход блока DTC соединен с управляющим входом статического преобразователя, а также содержащую также датчик линейной скорости локомотива, блок адаптации ускорения, двухпозиционный переключатель между заданиями ускорения  и , интегратор, первый блок вычитания, регулятор скорости, причем выход датчика линейной скорости локомотива соединен с входом блока приведения линейной скорости локомотива к валу двигателя и с первым входом блока адаптации ускорения, на второй вход которого подается сигнал режима «Тяга/торможение» из системы управления локомотивом верхнего уровня, а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами переключателя между заданиями ускорения и , выход которого соединен с входом интегратора, выход которого подключен к первому входу первого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока приведения частоты вращения двигателя к ободу колеса, а выход подключен к входу регулятора скорости, выход которого соединен с первым входом блока ограничения задания момента, на второй вход которого подается сигнал ограничения момента из системы управления локомотивом верхнего уровня, введены устройство обнаружения буксования (и юза) по уровню колебаний, регулятор скольжения колес, электронная таблица переключений, второй блок вычитания и блок определения абсолютной величины, причем первый вход второго блока вычитания соединен с выходом блока приведения частоты вращения двигателя к ободу колеса, второй вход второго блока вычитания соединен с выходом датчика линейной скорости локомотива, а выход второго блока вычитания соединен с входом блока определения абсолютной величины, выход которого соединен с входом регулятора скольжения колес, выход которого соединен с первым входом электронной таблицы переключений, второй вход которой соединен с выходом устройство обнаружения буксования (и юза) по уровню колебаний, а выход электронной таблицы переключений соединен с третьим (управляющим) входом переключателя между заданиями ускорения  и .
Блок-схема системы регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами с одновременным контролем вибраций представлена на рис.1.
а
a
а
a
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
а
a
а
0
Л
1
Л
0
Л
1
Л
0
Л
1
Л
В предлагаемой системе (рис.1) содержащей внешний контур регулирования частоты вращения тягового двигателя регулятором частоты по отклонению, где задание на частоту вращения двигателя, приведенную к линейной скорости на ободе колеса, определяется путем интегрирования задания на ускорение, выбираемое 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 (блок DTC), одним из двух входных сигналов которого является выходной сигнал регулятора частоты вращения с учетом ограничения по моменту, а вторым входным сигналом является задание на потокосцепление статора АТД, выбор между значениями =-Δ и =+Δ (в режиме тяги) или =+Δ и =-Δ (в режиме торможения) выполняется по сигналам двух блоков:
к
кmах
кmin
1) устройства обнаружения боксования и юза колес рельсового транспортного средства 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
скmах
скmin
ск
Д
Л
2) регулятора абсолютной величины скорости скольжения , 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 со следующей таблицей переключений:
Таблица
Таблица переключений задания на ускорение
U<sub>к</sub>
ΔV<sub>ск</sub>
Задание ускорения
Дополнительный контроль
↑
↑
<i>а</i><sub>0</sub>
-
↓
↑
<i>a</i><sub>0</sub>
-
↓
↓
<i>а</i><sub>1</sub>
-
↑
↓
<i>а</i><sub>1</sub>
Световой сигнал: «Проверить крепление узлов тяговой передачи»
где стрелка, указывающая вверх, обозначает «срабатывание» (условное состояние «1»), а стрелка, указывающая вниз, - «отпускание» (условное состояние «0») соответствующего релейного элемента.
скmах
скmin
причем релейные устройства обнаружения боксования, 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
к
Сигнал от датчика линейной скорости локомотива (рис.1) дифференцируется в блоке адаптации ускорения и там же с учетом режима «Тяга/Торможение» вычисляются задания на ускорение двигателя, приведенное к ободу колеса:  и . Затем указанным образом с использованием таблицы переключений выбирается требуемое значение ускорения. Путем интегрирования выбранного ускорения определяется задание на скорость двигателя (V), затем оно сравнивается с действительной скоростью двигателя, измеренной датчиком частоты вращения (ДЧВ) и приведенной к ободу колеса путем умножения на радиус колеса (R) и деления на передаточное число редуктора (µ). Рассогласование между заданной (V) и действительной скоростью двигателя (V) подается на регулятор скорости, который формирует задание на момент тягового двигателя, а затем в блоке ограничения задания момента 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 (блок DTC). Задание на потокосцепление статора подается в блок DTC с выхода блока задания потокосцепления, представляющего собой электронную зависимость потокосцепления статора от скорости локомотива, приведенной к валу двигателя, которая в свою очередь вычисляется путем умножения линейной скорости локомотива, измеренной датчиком, на передаточное число редуктора µ и деления на радиус колеса R.
Регулирование тягового электропривода по данному способу позволяет управлять локомотивом на пределе по сцеплению колес с рельсами при любом состоянии рельсового пути и форме кривой сцепления с одновременным контролем и предотвращением усиления вибраций в тяговом тракте.
Источники информации
1. Иньков Ю.М., Федяева Г.А., Феоктистов В.П. Система экстремального регулирования тягового электропривода с асинхронными двигателями// Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008. - №4. - С.10-18.
2. Павленко А.П., Павленко А.А. Клепиков В.Б., Кутовой Ю.Н. Устройство обнаружения буксования и юза колес рельсового транспортного средства. - Заявка 94044536/11, 14.12.1994 B60L 3/10.
3. Павленко А.П., Павленко В.А., Касторный П.М., Кийко А.И. Результаты эксплуатационных испытаний микропроцессорной противобуксовочной системы локомотивов//Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч.2. - Луганск: Изд-во ВНУ, 2003, №9. - С.16-19.