Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ факторов, воздействующих на устойчивость асинхронных вспомогательных машин электровоза переменного тока 10
1.1. Отклонение действующего напряжения в электрической цепи вспомогательных машин электровоза 16
1.2. Несимметрия напряжений в трёхфазной цепи вспомогательных машин 28
1.3. Несинусоидальность напряжения во вторичной обмотке собственных нужд тягового трансформатора 33
1.4. Конструктивные особенности АВМ электровоза 37
1.5. Автоматические системы управления электроприводом мотор-вентиляторов 41
2. Математическая модель исполнительного элемента микропроцессорной системы автоматического управления вспомогательными машинами электровоза 48
2.1. Обоснование технических решений для повышения устойчивости трёхфазных асинхронных машин 52
2.2. Обоснование передаточной функции исполнительного элемента на основе дифференциальных уравнений трёхфазной асинхронной электрической машины 60
2.3. Энергетические характеристики частотно-управляемого трёхфазного асинхронного двигателя 68
3. Повышение устойчивости асинхронных вспомогательных машин с по мощью микропроцессорной системы автоматического управления 84
3.1. Функциональная схема микропроцессорной системы автоматического управления 84
3.2. Обоснование выбора элементов микропроцессорной САУ 89
3.3. Структурная схема и передаточная функция САУ устойчивостью асинхронных вспомогательных машин. 101
3.4. Исследование качества управления и устойчивости САУ 114
4. Математическое моделирование и экспериментальное исследование микропроцессорной системы автоматического управления 120
4.1. Методика математического моделирования САУ 120
4.2. Методика экспериментальных исследований 126
4.3. Оценка погрешности исследований 132
5. Технико-экономическая эффективность микропроцессорной системы управления устойчивостью асинхронных вспомогательных машин электровоза 139
5.1. Определение сметной стоимости оборудования 139
5.2. Расчет дополнительных эксплуатационных расходов 143
5.3. Расчет экономической эффективности внедрения САУ 144
Выводы 146
Библиографический список 148
- Несимметрия напряжений в трёхфазной цепи вспомогательных машин
- Конструктивные особенности АВМ электровоза
- Обоснование передаточной функции исполнительного элемента на основе дифференциальных уравнений трёхфазной асинхронной электрической машины
- Методика экспериментальных исследований
Несимметрия напряжений в трёхфазной цепи вспомогательных машин
Высшие гармоники при этом в условиях ЭПС оказывают некоторое влияние на потери энергии, нагревание машин и изменяют вращающий момент. На устойчивость АВМ решающее влияние оказывает действующее значение основной гармоники напряжения. Важнейшим фактором, определяющим надёжность в эксплуатации АВМ, является действующее напряжение на обмотках статора. Так как проектирование электрооборудования вспомогательных машин и оценка их соответствия условиям эксплуатации на ЭПС выполняется по первой гармонике напряжения, то большое значение имеет соотношение действующего значения несинусоидального напряжения с действующим значением первой гармонической составляющей этого напряжения.
С помощью коэффициента первой гармоники KU1 принято выражать сложную связь действующего значения несинусоидального напряжения с действующим значением напряжения первой гармонической составляющей U1. Установлено, что при напряжении на токоприёмнике 22 кВ коэффициент первой гармоники напряжения KU1 = 0,97 (исследования доктора технических наук Р.И. Мирошниченко), а при 19 кВ KU1 = 0,94 (исследования доктора технических наук Р.И. Ка 18 рякина). Максимальное напряжение на токоприемнике на дорогах переменного тока составляет 29 кВ. Оно возникает в случае ненагруженной тяговой подстанции и повышенного напряжения линии электропередачи, когда форму кривой напряжения можно практически считать синусоидальной и KU1 = 1. По трем указанным точкам построена зависимость KU1 (Uэ) (рис. 1.4).
При допустимых отклонениях напряжения на токоприёмнике электровоза, отклонения напряжения на обмотках статора трёхфазных асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электровозов составляет +22%... -39% [117], т.е. превышает в 1,4…1,6 раза допустимое отклонение действующего значения переменного напряжения в контактной сети. Значительное отклонение напряжения объясняется изменением величины сопротивления тяговой сети по мере удаления электровоза от подстанции [24, 75].
Более широкий диапазон отклонения напряжения в трёхфазной системе напряжений вспомогательных машин обусловлен несколькими причинами. Одной из них является снижение ЭДС вспомогательной обмотки трансформатора из-за активного и реактивного сопротивлений первичной обмотки при нагрузке обмоток трансформатора, питающих выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) тяговых машин. Из-за снижения ЭДС трансформатора действующее напряжение обмотки может меняться от 3,5% до 5,7% номинального значения [66, 67].
Второй причиной отклонения напряжения является падение напряжения в контурах первичной и вспомогательной обмоток трансформатора от тока электродвигателей вспомогательных машин и симметрирующих конденсаторов. По этой причине напряжение на вспомогательной обмотке может меняться до 7% от номинального значения [65].
Третьей причиной расширения диапазона отклонения напряжения в трехфазной системе напряжений вспомогательных машин является изменение гармонических составляющих несинусоидального переменного напряжения на токоприемнике в ходе управления тяговым и скоростным режимом электровоза, что вызывает изменение действующего значения напряжения первой гармоники. По Четвёртая причина обусловлена за висимостью действующего значения напряжения прямой последовательности основной частоты U1(1) (1.2) в трёхфаз ной системе напряжений от действующе го однофазного напряжения на вспомо гательной обмотке тягового трансформа тора электровоза из-за погрешности ра боты симметрирующих устройств.
Исследованию зависимостей электрических параметров (рис. 1.4, рис. 1.5), характеризующих работу вспомогательных машин электровозов от изменения этой причине отклонение напряжения на вспомогательной обмотке трансформатора может увеличиваться до 8% [93]. первой гармоники напряжения KU1 от действующего значения несинусоидального переменного напряжения Uэ действующего напряжения на вспомогательной обмотке тягового трансформатора посвящено большое количество научно-исследовательских работ Анисимова А.В., Балабанова В.Н., Водяника Г.М., Кондрашева В.Л., Курбасова А.С., Лиси-цина А.Л., Мирошниченко Р.И., Мугинштейна Л.А., Некрасова О.А., Нестерова А.М., Рахманинова В.И., Ребрика Б.Н., Рутштейна А.М., Феоктистова В.П. и др.
Длительное отклонение напряжения на обмотках статора трёхфазных асинхронных двигателей неблагоприятно отражается на работе электродвигателей в установившихся и динамических режимах, вызывая повышение тока в обмотках, дополнительный нагрев активных частей, ухудшение их энергетических показателей и сокращение срока службы. Наряду с этим у мотор-вентиляторов электровозов переменного тока при пониженном напряжении снижается частота вращения и расход охлаждающего воздуха уменьшается. Повышенное напряжение приводит к увеличению частоты вращения мотор-вентиляторов, повышению мощности на валу и тока, следовательно, к увеличению нагревания их обмоток. Законо мерности изменения параметров, характеризующих работу вспомогательных ма шин различных электровозов переменного тока, в зависимости от действующего напряжения на вторичной обмотке тягового трансформатора, различаются незна чительно. Активная мощность однофазной сети Рс определяется активными мощ ностями Р1, потребляемыми электродвигателями вспомогательных машин. Из-за достаточно большой жесткости рабочей ветви механической характеристики электродвигателей суммарная активная мощность Рс, потребляемая электродвига телями, изменяется в среднем на 17% [93] при повышении напряжения на обмот ке вспомогательных машин от 260 В до 470 В (рис. 1.6). Причем около 50% изме няющейся переменной составляющей активной мощности Рс обусловлено поте рями мощности в стали сердечников статора и ротора асинхронных машин за счет изменения намагничивающего тока.
Конструктивные особенности АВМ электровоза
В России и за рубежом различные системы автоматического регулирования производительностью вентиляторов разработаны, изготовлены и успешно эксплуатируются на электровозах переменного и постоянного тока. Экономическая целесообразность применения таких систем на отечественных магистральных электровозах доказана и неоднократно подтверждалась результатами теоретических и экспериментальных исследований, проведённых во ВНИИЖТе, ВЭлНИИ, Ир-ГУПСе, ОмГУПСе, ЗабИИЖТе и других организациях.
Исследованию частотного управления трёхфазных асинхронных электродвигателей посвящены работы Вейнгера А.М., Глазенко Т.А., Кривицкого С.О., Сандлера А.С., Сарбатова Р.С., Сарварова А.С., Хрисакова В.И., Эпштейна И.И.. Разработаны математические модели и методы исследования свойств асинхронных машин, ориентированные на задачи автоматического управления с целью по 42 вышения устойчивости двигателей и оптимизации их режимов работы [26, 36, 42, 44, 56, 88, 89, 105].
Первая система частотно-управляемого привода мотор-вентиляторов отечественного производства разработана применительно к электровозу ВЛ80с. Для увеличения пускового момента электродвигателя, включаемого первым, в первую очередь мотор-компрессора, введено переключение симметрирующих конденсаторов с мотор-вентиляторов 3 и 4 на сборные шины системы на период пуска первой машины.
Разработаны и исследованы системы датчиков для управления переключением частоты вращения по тепловому состоянию и току тяговых двигателей. Один из вариантов – использование датчика теплового состояния тяговых двигателей, представляющего собой аналоговую или цифро-аналоговую модель тягового двигателя с релейным выходом. Входными сигналами для такой модели являются ток якоря тяговых двигателей, интенсивность и температура потока охлаждающего воздуха. Уставка по температуре обмоток тяговых двигателей принята с запасом на возможный разброс характеристик тяговых двигателей и погрешность модели, а также с учётом возможности реализации тяговыми двигателями необходимой мощности на расчётном подъёме.
Исследовались системы непосредственного измерения температуры обмоток добавочных полюсов тяговых двигателей. Разработанные в Ростовском инженерно-строительном институте такие устройства прошли всесторонние испытания, в том числе и на магистральных электровозах. Их основным недостатком является наличие высоковольтного вывода из тягового двигателя.
Наиболее простой является система управления мотор-вентиляторами по току тяговых двигателей, аналогичная применяемой на электровозах Sr1. При экспериментальных исследованиях уставка по току тяговых двигателей НБ-418к принималась 500 – 550 А, это значение соответствует превышению температуры в продолжительном режиме около 80С.
Включение мотор-вентиляторов возможно лишь при отсутствии тяговой нагрузки. В этой связи их пуск при автоматическом управлении осуществляется на пониженную частоту. Ток электродвигателей носит импульсный характер, напряжение на их фазах сохраняет импульсный характер лишь при пуске первой машины. Далее благодаря наличию ЭДС напряжение на сборных шинах системы становится близким к синусоидальному с искажением формы в период действия импульса тока.
Пуск мотор-вентиляторов на пониженную частоту вращения осуществляется по очереди с целью обеспечения максимального пускового момента электродвигателя, включаемого первым. Процессу пуска последующих машин содействует предварительно включенные машины так же, как и при процессах пуска на нормальную частоту вращения. В данной системе привода стабилизация напряжения обеспечивается в диапазоне от 60 до 80 В эффективного значения. Мощность, потребляемая электродвигателем привода вентиляторов, в этом случае равна около 2,2 кВт. Однако, устойчивая работа приводных электродвигателей при частоте питающего тока 16 Гц и мощности нагрузки на валу 1 кВт обеспечива-3 ется при напряжении питания 60 - 70 В. Таким образом, КПД электродвигателя при таком режиме питания не превышает 50%.
Система автоматизированного управления вентиляторами [86] регулирует расход охлаждающего воздуха изменением частоты вращения приводных двигателей вентиляторов в зависимости от теплового состояния силового оборудования электровоза и расхода охлаждающего воздуха. Асинхронные трёхфазные двигатели привода вентиляторов подключены через блоки контакторов к обмотке собственных нужд силового трансформатора электровоза или к выводу тиристорного преобразователя частоты в зависимости от режима работы. Данная система содержит датчики тока тяговых двигателей, включенные в их якорные цепи; датчики вентиляции, расположенные в канале системы вентиляции и подключенные своими выводами на входы микропроцессора управления, который подключен одним из входов к задатчику уставки переключения на номинальную или низкую частоту вращения вентиляторов, а выводами – к блокам контакторов и к преобразователю частоты.
Обоснование передаточной функции исполнительного элемента на основе дифференциальных уравнений трёхфазной асинхронной электрической машины
Потери мощности в асинхронном двигателе зависят от нагрузки и способов регулирования частоты вращения вала . Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя достигает максимального значения при нагрузке, равной 75% от номинальной, при номинальном напряжении и частоте (рис. 2.10).
В зависимости от способа управления частотой вращения вала в режиме управления коэффициент полезного действия АД обычно снижается. Наиболее высокий КПД у АД
Расчётные выражения для энергетических характеристик и коэффициента мощности электропривода с полупроводниковыми преобразователями можно получить, приняв следующие допущения: потери мощности в преобразователе равны нулю; электромагнитные переходные процессы в цепях защиты силовых полупроводниковых приборов не учитываются; принимается мгновенным переход силовых полупроводниковых приборов (СПП) из непроводящего состояния в проводящее и наоборот; явления поверхностных эффектов из-за вытеснения тока под действием магнитных полей и вихревых токов в резисторах и проводниках отсутствуют; трёхфазные преобразователи являются симметричными по параметрам и во времени.
Для математического обоснования баланса мощностей можно воспользоваться гармоническим анализом, разложив несинусоидальные функции в ряд Фурье [2,3]. Эквивалентные расчетные схемы электропривода с преобразователями напряжения во время непроводящего (рис. 2.12) и проводящего (рис. 2.13) состояния СПП позволяют получить интегральные характеристики энергетического процесса.
Энергетические характеристики электропривода с преобразователями можно получить через мгновенные значения электрических величин, методом спектрального анализа или методами использования интегральных значений переменных. В расчетной схеме на интервале времени непроводящего состояния СПП то 73 ки через СПП и устройства их защиты принимаются равными нулю, поэтому падение напряжения на сопротивлении одной фазы электродвигателя ZН допускается равным нулю, а мгновенные значения напряжения на преобразователе uП (t) на данном интервале времени равны мгновенным значениям напряжения u(t) на входе.
Эквивалентная расчетная Рис. 2.13. Эквивалентная расчетная схема электропривода с схема электропривода с преобразователем во время преобразователем во время непроводящего состояния СПП проводящего состояния СПП На интервале времени проводящего состояния СПП форма и величина мгновенных значений тока i(t) определяется мгновенными значениями напряжения uВЫХ(t) , устройством преобразователя и активно-индуктивным сопротивлением одной фазы электродвигателя ZН . Падение напряжения на преобразователе принимается равным нулю, а мгновенные значения напряжения на нагрузке uВЫХ(t) на этом интервале времени равны мгновенным значениям напряжения u(t) на входе электропривода.
Составляющие мгновенного значения напряжения на входе электропривода во время непроводящего uП (t) и во время проводящего uВЫХ(t) состояния СПП преобразователя смещены во времени или по фазе друг относительно друга за период повторения ТП. Переменные электрические величины при известных способах управления СПП полупроводниковых преобразователей являются периодическими функциями с целым числом периодов основной частоты напряжения в системе электроснабжения. Периодические функции за период повторения имеют конечное число разрывов первого рода и конечное число максимумов и минимумов, то есть удовлетворяют условиям Дирихле [136].
Для электрических цепей (рис. 2.12 и рис. 2.13) мгновенные значения напряжения на входе преобразователя равны: где UИk (krot) - мгновенное значение напряжения k-ой гармоники на входе преобразователя во время проводящего состояния СПП; к - номер составляющих ряда Фурье, целые числа; ю - угловая частота гармонических составляющих ряда Фурье; liПk (к ю t) - мгновенное значение напряжения к–ой гармоники на входе преобразователя во время непроводящего состояния СПП; п - номер последней из учитываемой гармонической составляющей ряда Фурье (41). Равенство (2.40) можно записать, используя понятие действующих значений составляющих ряда Фурье. Действующее значение напряжения на входе электропривода с преобразователями U можно выразить через его составляющие UВЫХ, UП разложив каждую в ряд Фурье.
Методика экспериментальных исследований
Полученные зависимости превышения температуры позволяют выполнить расчёт передаточной функции изоляции тягового электрооборудования и оптимизировать алгоритм управления этим процессом системой регулирования с целью исключения увлажнения и перегрева обмоток ТЭД свыше предельного значения.
В связи с тем, что в диссертационном исследовании предлагается ступенчатое регулирование производительности асинхронных вспомогательных машин, для выполнения тяговых расчётов, в случае проверки возможности вождения поездов локомотивами, оборудованными разработанной САУ мотор-вентиляторов, достаточно знать два значения постоянной времени нагрева Т при QНОМ и при том значении Q, на которое переключаются вентиляторы. В работе [87] получены значения постоянной времени нагрева Т обмоток якоря ТЭД НБ-418К для различных режимов охлаждения, учёт которых осуществлен в передаточной функции полупроводникового тиристорного преобразователя частоты и входного электрического сопротивления (таблица 3.9).
Полученные передаточные функции позволяют выполнить расчёты для оценки качества переходных процессов, определить мероприятия по повышению устойчивости асинхронных машин путём корректировки управляющих сигналов с учётом изменений параметров звеньев САУ (прил. 1).
Исследование устойчивости САУ и качества управления На современном уровне развития теории и практики проектирования и создания объектов и систем управления потребность в методах, позволяющих учитывать параметрические возмущения, весьма велика. Эти методы используются для широкого круга задач, основными из которых являются задачи анализа точности и устойчивости [94]. Отклонение параметров системы от номинала и влияние на систему дестабилизирующих воздействий обеспечивается функциональными свойствами системы [104].
Основными требованиями, предъявляемыми к системе автоматического управления, являются: точность, устойчивость за счёт компенсации возмущающих воздействий [40, 52, 77, 83, 84]. Устойчивость разработанной замкнутой системы автоматического управления мотор-вентиляторами, с контролем возмущающих воздействий отклонения напряжения в контактной сети, температуры окружающего воздуха и нагрева изоляции тягового электрооборудования электровоза выполнена при помощи совместного анализа характера амплитудной и фазовой частотной характеристики разомкнутой САУ. Частотные методы исследования устойчивости основаны на связи расположения корней характеристического полинома с годографом этого полинома на комплексной плоскости. В соответствии с частотным критерием устойчивости система автоматического управле 115 ния, устойчивая в разомкнутом состоянии, остаётся устойчивой и в замкнутом состоянии, если амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы находится правее точки (-1; j0), фазовый угол всегда остаётся больше угла – [141, 142, 148]. Так как параметры передаточной функции САУ изменяются при переходе с частоты 50 Гц на частоту 25 Гц и обратно, поэтому разработанная САУ исследована при различной частоте вращения вала асинхронной машины для определения запаса устойчивости по амплитуде и фазе. При помощи графического интерфейса LTI Viewer MatLab получены переходные и логарифмические частотные характеристики (ЛАЧХ) разработанной автоматизированной системы, выполнена оценка ключевых параметров системы, таких как время переходного процесса, перерегулирование и границы устойчивости. ЛАЧХ построена с помощью команды bode из пакета программы MatLab для контура при пониженной частоте вращения вала асинхронной машины (рис. 3.18).
Исследование устойчивости разработанной САУ выполнено при одном из алгоритмов её работы, а ошибка расчёта системы исключалась устранением блока Multiport Switch при Linear analysis.
Необходимое условие устойчивости замкнутой системы выполнено с помощью критерия Найквиста по амплитудно-фазовой характеристике разомкнутой системы. На рис.3.17 представлен график амплитудно-фазовой характеристики разработанной САУ при работе на пониженной частоте вращения вала асинхронного двигателя, полученный при помощи функции nyquist. Годограф Найквиста разработанной САУ при изменении частоты управляющего сигнала от 0 до не охватывает на комплексной плоскости критическую точку с координатами (-1; j0), поэтому выполняется необходимое условие устойчивости. Согласно условию устойчивости по критерию Найквиста, чем дальше АФЧХ от критической точки, тем больше запас устойчивости. Запас устойчивости по амплитуде характеризует удаление годографа Найквиста разомкнутой системы от критической точки в направлении вещественной оси и для контура с пониженной частотой вращения вала составляет 9,59 дБ. Запас устойчивости по фазе характеризует удаление годографа
