Совершенствование системы управления тяговым электроприводом грузового локомотива

Практическая силовая электроника. М: ЗАО «ММП Ирбис», 2009. №34 С. 35 - 41.

A. Kachalov

Integrating system of cross-synchronization for reversive power converter channels Principles of synchronization of an integrating sweep converter with power source voltage and work of the converter with instability of magnitude and frequency of synchronization signal are shown. The recommendations of tuning of the sweep converter are formulated. The author gives the cross-synchronization method of three-phase power converter channels.

Keywords: methods of the integrating unwrapping transformation, synchronising influence, cross-synchronization method of three-phase power converter channels.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004

Р.В. Ковалев, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.,

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГРУЗОВОГО ЛОКОМОТИВА

Представлены блок-схема, принципы построения компьютерной модели и результаты моделирования мехатронной системы тягового электропривода локомотива с регулированием электромагнитного момента асинхронных двигателей на пределе по сцеплению колес с рельсами и контролем вибраций в тяговой передаче.

Ключевые слова: системы управления, скольжение колес, мехатронная система тягового электропривода

Создание новых отечественных грузовых локомотивов с высокими тяговыми качествами требует высокодинамичного регулирования энергетических потоков с целью оптимальной передачи усилий от колеса на рельс в режимах тяги и торможения. Наибольшие перспективы в этом направлении открывает асинхронный тяговый электропривод (АТЭП). За последнее десятилетие в России спроектированы и изготовлены современные локомотивы с АТЭП отечественного производства: маневровый тепловоз ТЭМ21 и магистральный грузовой тепловоз 2ТЭ25А («Витязь»). Испытания и эксплуатация этих локомотивов, разработанных и выпущенных со-

вместно Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ, г. Коломна) и Брянским машиностроительным заводом (БМЗ), позволяют определить пути дальнейшего совершенствования системы управления (СУ) тяговым электроприводом.

Процесс реализации каждым колесом локомотива тягового усилия Гк = ух N, где Гк - сила тяги колеса, у - коэффициент сцепления; N -

сила вертикального нажатия колеса на рельс; сопровождается проскальзыванием колес. Скорость колеса ук отличается от скорости локомотива ул на величину проскальзывания (скольжения) Аv ^к-Vл. Реальная функция

изменения коэффициента сцепления у и сил в контакте колесо-рельс в зависимости от скольжения колес имеет стохастический характер. В частности, измерения показывают, что существует определенная область разброса значений, ограниченная двумя кривыми (рис. 1) [1]. При расчетах часто используют усредненную экспериментальную зависимость, называемую характеристикой сцепления (рис. 2) [2, 3].

Стабиль-' ная зона ' 3 н Не ¡CTÉ зби. п пьн 1 1 1ая зона

J £ 3 t «Я i

П к. Н 1 £ Г ♦ • ♦ *

т * • « • i • —1 • —

Г J * i *

- - - — _

о 5 10 15 20 VCJ¡1%

0,5 1 1,5 2 AV.. м/с

Рис. 1. Измеренные значения коэффициента сцепления

v П 0.8

о. 6

0.4 ...... ........................ ....... ................ .......-

0.2 .......:........;.......;.......................;................

о [_i_i_i_i_i_i_i_

О 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.0Б 0.07 1

1ск

Рис. 2. Вариант представления характеристики сцепления

На рис. 1, 2 vск % - скольжение колес, выраженное в процентах от скорости локомотива (скольжение может быть выражено также в долях от

скорости локомотива: V к = Ау / V л). Справа от максимума сцепления расположена нестабильная зона, в которую смещается точка работы системы электропривода (рабочая точка), если электромагнитный момент тягового двигателя превышает предел по сцеплению, когда сила на ободе колеса, создаваемая двигателем, становится больше силы сцепления Fсц = у 0 х N,

где Fсц - сила сцепления колеса с рельсом, у0 - потенциальный, т. е.

максимально возможный коэффициент сцепления при заданном состоянии рельсов. Зависимости, представленные на рис. 1, 2, даны для режима тяги локомотива. Для режима торможения проскальзывание колес отрицательно, и эти зависимости имеют аналогичный вид, но расположены в третьем квадранте координатной плоскости.

При увеличении проскальзывания рабочая точка электропривода попадает в нестабильную зону на падающий участок характеристики сцепления, и при этом возникают так называемые нестационарные динамические режимы тягового электропривода: буксование или юз. На нисходящем участке (рис. 2, рабочая точка 2) в процессе буксования или юза скольжение колес может существенно возрастать, повреждая поверхности бандажей. Кроме того, возможен эффект самовозбуждения колебаний в тяговом тракте (автоколебания), так как отрицательная крутизна (падающая характеристика) соответствует отрицательному гашению, то есть усилению колебаний, что может вызвать повышенный износ и повреждение элементов тяговой передачи.

Для современных грузовых магистральных и маневровых локомотивов с высоким электромагнитным моментом асинхронных тяговых двигателей (АТД) целесообразна реализация максимально возможных тяговых усилий, т. е. регулирование электропривода на максимуме кривой сцепления. Однако по вышеизложенным причинам на этом максимуме весьма сложно удержаться, необходимо специальное управление АТЭП.

Общие принципы построения СУ АТЭП, применяемые на зарубежных локомотивах [4], - это привязка задания на ускорение ротора АТД к ускорению локомотива, и поиск системой управления максимального значения силы тяги (момента АТД). Известные СУ предлагается модифицировать в соответствии с блок-схемой рис. 3.

В применяемых системах экстремального регулирования [4], где при заданном отклонении AM момента двигателя от максимума изменяется задание на ускорение ротора АТД, имеются следующие недостатки: 1) требуемую величину отклонения AM весьма сложно правильно определить, и при превышении этой величиной некоторого порогового значения возможно возникновение фрикционных автоколебаний и повышенных вибраций в тяговой передаче; 2) необходим дополнительный контроль проскальзывания на влажных рельсах, где кривая сцепления не имеет явно выраженного максимума, в отличие от графиков, приведенных на рис. 1, 2.

Рис. 3. Блок-схема системы управления АТЭПгрузового локомотива

В системе управления тяговым электроприводом локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами (рис. 3) используется внешний контур регулирования частоты вращения тягового двигателя по отклонению, где задание на частоту вращения двигателя, приведенную к ободу колеса, определяется путем интегрирования задания на ускорение, выбираемого из двух значений: ао, которое в режиме тяги на небольшую величину Аа меньше линейного ускорения локомотива ал, и а^, которое в режиме тяги на Аа больше ал (в режиме торможения наоборот), а также внутренний контур регулирования момента двигателя, входным сигналом которого является выходной сигнал регулятора частоты вращения с учетом ограничения по моменту, поступающего из СУ верхнего уровня.

Отличием предлагаемой системы является то, что выбор между значениями а§ = ал - Аа и а1 = ал + Аа (в режиме тяги) или а§ = ал + Аа

и а1

а

Аа (в режиме торможения) выполняется в соответствии с таблицей переключений (рис. 3) по сигналам:

- устройства обнаружения буксования и юза колес рельсового транспортного средства по уровню колебаний ик в тяговом тракте [5],

имеющего релейную характеристику с гистерезисным допуском без зоны нечувствительности и переключающегося при повышении уровня колебаний выше значения и к тах и понижении ниже значения и к т^п;

- регулятора абсолютной величины скольжения, имеющего релейную характеристику и переключающегося при увеличении АV выше значения АКтах и уменьшении ниже значения А^щ; где АV - абсолютная

величина скольжения, м/с, Vд - частота вращения ротора двигателя, приведенная к ободу колеса, Vл - линейная скорость локомотива.

Причем релейные устройства обнаружения буксования [5], контролирующие уровень колебаний (вибраций) в тяговом тракте, настраиваются одинаково для всех осей локомотива, а верхнее и нижнее предельные значения скольжения устанавливаются неодинаковыми для разных осей локомотива: верхние значения из интервала 0,4 м/с < Л^ах <0,8 м/с; нижние значения из интервала: 0,17 м/с < ЛVm[n <0,25 м/с.

Основные принципы функционирования данной СУ проверены на основе моделирования разгона шестиосного магистрального локомотива в плохих погодных условиях (рис. 4, а, б). Моделирование мехатронной системы АТЭП локомотива выполнено с использованием совмещения программных комплексов Ма1;ЬаЬ и «Универсальный механизм» (ЦМ): электрическая часть АТЭП моделируется в Ма1;ЬаЬ, механическая - в ЦМ [6]. Динамическая модель локомотива, выполненная в ЦМ с высокой степенью детализации, имеет 97 степеней свободы и включается в модель Ма1;ЬаЬ в виде Б-функции с использованием нового интерфейса, разработанного в БГТУ на кафедре «Прикладная механика» под руководством профессора Д.Ю. Погорелова.

1%кН

12 10

8 6 4

0 5 10 15 20 г

а

100 50 0

0 5 10 15 20 С

б

Рис. 4. Результаты моделирования разгона локомотива при регулировании АТЭП на пределе по сцеплению в плохих погодных условиях

В качестве системы регулирования АТД каждой оси локомотива в соответствии с блок-схемой рис. 3 моделируется система прямого управления моментом (Direct Torque Control, - сокращенно DTC), АТД представлены в MatLab на базе двухфазной обобщенной машины. В модели СУ использован пропорциональный регулятор частоты вращения АТД, что в сочетании с релейным регулятором скольжения и DTC позволяет получить высокие динамические свойства АТЭП. Для определения VЛ и аЛ допустимо использовать вместо датчика скорости локомотива сигнал средней скорости роторов, адаптированный по специальному алгоритму.

Моделирование показывает, что предлагаемая система управления АТЭП обеспечивает использование потенциальных условий сцепления на уровне не ниже 90 %.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 08-01-00677-а.

Список литературы

1. Энгель Б. Регулирование тяги с высоким использованием сил сцепления// Железные дороги мира. 1999. № 2. C. 39-45.

2. Меншутин Н.Н. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях // Науч. труды Всесоюз. науч. исслед. ин-та ж.-д. транспорта. М.: Трансжелдориздат, 1960. Вып. 188. С. 113-132.

3. Polach O. Influence of Locomotive Tractive Effort on the Forces Between Wheel and Rail // Vehicle System Dynamics Supplement. 35 (2001). P. 7-22.

4. Регулирование проскальзывания колес на электровозах с асинхронным тяговым приводом / М. Бушер [и др.] // Железные дороги мира. 1994. № 4. С. 30-45.

5. Устройство обнаружения буксования и юза колес рельсового транспортного средства / А.П. Павленко [и др.]. Заявка 94044536/11, 14.12.1994 B60L3/10.

6. Федяева Г.А., Погорелов Д.Ю. Оценка динамических нагрузок тягового привода на электромеханических моделях перспективных тепловозов // Тяжелое машиностроение, 2007. № 10. C. 30-35.

R Kovalyov, S. Matyushkov, A. Pugachyov, G. Rogovcev, G. Fedyaeva

Improvement of control system offreight locomotive tractive electric drive

The flow block, computer model principle of design and simulation results for mech-anotronic system of locomotive tractive electric drive with adjustment asynchronous drive torque with limit of wheel-rails adhesion and vibration control within tractive transmission are represented.

Keywords: control systems, sliding of wheels, mechanotronic system of tractive electric drive.

Получено 06.07.10