Содержание к диссертации
Введение
1. Параметры тягового электродвигателя в системе импульсного регулирования напряжения 7
1.1. Общие положения 7
1.2. Схема замещения. Электромагнитные процессы в цепи двигателя 8
1.3. Определение параметров эквивалентной схемы замещения тягового двигателя 14
2. Импульсные регуляторы с цифровым управлением для тяговых электроприводов 33
2.1. Анализ схемных решений и принципов регулирования 33
2.2. Особенности цифрового управления тиристорными импульсными преобразователями 44
2.3. Граничные режимы работы цифровой системы с учетом процесса коммутации силовых тиристоров 47
2.4. Уточнение числа ступеней регулирования в цифровой системе 52
3. Структура автоматических систем цифрового (микропроцессорного) регулирования тяговых электроприводов 59
3.1. Обзор решений и обоснование расчетного метода 59
3.2. Структура систем регулирования тяговых электроприводов с цифровым управлением 62
3.3. Устойчивые автоколебания в тяговом электроприводе с идеальным цифровым регулятором 68
3.4. Особенности автоколебаний в тяговом электроприводе с идеальным цифровым регулятором при учете пульсаций тока, создаваемых импульсным преобразователем 75
3.5. Автоколебания в тяговом электроприводе с неидеальным цифровым регулятором 79
4. Статистическое моделирование процесса цифрового регулирования тяговых электродвигателей при наличии случайных автоколебаний и результаты моделирования 87
Основные выводы по работе 94
Литература 97
- Схема замещения. Электромагнитные процессы в цепи двигателя
- Особенности цифрового управления тиристорными импульсными преобразователями
- Структура систем регулирования тяговых электроприводов с цифровым управлением
- Особенности автоколебаний в тяговом электроприводе с идеальным цифровым регулятором при учете пульсаций тока, создаваемых импульсным преобразователем
Введение к работе
В настоящее время в электрической тяге на городском и железнодорожном транспорте широкое распространение получили электроприводы с двигателями постоянного тока при тиристорном или транзисторном импульсном управлении. Регулирование скорости электродвигателя в таких системах осуществляется изменением относительной продолжительности подключения нагрузки к источнику постоянного тока в течение времени импульсного цикла переключения тиристорного коммутатора (прерывателя) тока.
Такой метод регулирования позволяет осуществить безреостатный пуск, торможение в генераторном режиме и регулирование скорости двигателей при питании от источника постоянного тока для всего диапазона скоростей. Применение метода импульсного регулирования в электротранспортных устройствах позволяет не только улучшить регулировочные показатели тягового привода, но и обеспечивает определенную гарантированную экономию энергии за счет исключения пусковых и тормозных потерь. Эта экономия может достичь 16-22%, особенно в условиях наземного городского электротранспорта.
Системы тиристорного импульсного регулирования перспективны для тяговых электроприводов с питанием от контактной сети постоянного тока (трамвай, троллейбус, вагоны метро, электропоезда пригородного сообщения, электровозы), а также от аккумуляторов (электромобиль, электротрактор, электропогрузчик, электрокар). Опыт практической разработки и эксплуатации такого электроподвижного состава показал, что, во-первых, действительно достигается существенная экономия электроэнергии, но, во-вторых, требуется уточнить ряд расчетных положений по импульсным режимам работы тяговых двигателей и соответствующим расчетным параметрам для схем замещения этих двигателей.
Кроме того, возможность плавного регулирования средних значений напряжения и тока позволяет использовать более совершенные системы автоматики, а именно системы стабилизации тока и скорости. Техническая реализация этих систем управления целесообразна на основе цифрового принципа, т.е. на технической базе микропроцессорного регулирования с использованием серийных микроконтроллеров и микропроцессоров.
Актуальность проблемы определяется широкими распространением электроподвижного состава с двигателями постоянного тока, получающими электропитание от контактной сети постоянного тока. Недостаток этого подвижного состава связан с наличием значительных пусковых и тормозных потерь электроэнергии, которые можно исключить применением систем импульсного регулирования в сочетании с цифровым управлением.
Целью настоящей работы является уточнение методов расчета систем цифрового микропроцессорного регулирования применительно к режимам импульсного управления тяговыми двигателями в электроприводах электроподвижного состава городского и железнодорожного транспорта.
Для этого предполагается разработать соответствующие математические модели, учитывающие нелинейности объекта регулирования (тяговый электродвигатель) и специфические особенности, вносимые в процесс регулирования тока цифровыми системами. Этим условиям удовлетворяет обобщённая математическая модель непрерывно-дискретного типа.
Методы исследований базируются на использовании метода фазовой плоскости и вероятностно статистическом анализе квазистационарных процессов импульсного регулирования. При этом учитываются также особенности цифрового регулирования (дискретность и задержка управляющего сигнала из-за конечного времени расчета управляющего воздействия по заданной программе в процессоре).
Научная новизна работы заключается в обосновании и уточнении комплексной математической модели для системы импульсного регулирования
тягового электропривода с цифровым управлением. На этой основе показана возможность появления ряда новых эффектов, в частности непериодических или почти периодических автоколебаний. Предложена методика расчёта параметров этих автоколебаний.
Практическая ценность работы состоит в том, что обоснованы конкретные рекомендации по выполнению цифровых систем регулирования тяговых электроприводов, в том числе и на базе типовых процессоров.
Реализация работы выполнена путем передачи расчетной методики АЭК «Динамо» (г. Москва) и Демиховскому машиностроительному заводу, что дает возможность использовать основные результаты диссертации при проектировании систем управления для новых вагонов метро и для электропоездов пригородного сообщения.
Апробация работы выполнена путем доклада ее основных положений, рекомендаций и выводов на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга» МИИТа, а также на научно-технических конференциях по ресурсосбережению и по безопасности движения поездов (МИИТ, 2000-2003 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы.
Объем работы. Диссертация содержит 105 стр. и включает следующие разделы: введение, главы 1-4, заключение, список литературы.
Схема замещения. Электромагнитные процессы в цепи двигателя
В настоящее время в электрической тяге на городском и железнодорожном транспорте широкое распространение получили электроприводы с двигателями постоянного тока при тиристорном или транзисторном импульсном управлении. Регулирование скорости электродвигателя в таких системах осуществляется изменением относительной продолжительности подключения нагрузки к источнику постоянного тока в течение времени импульсного цикла переключения тиристорного коммутатора (прерывателя) тока.
Такой метод регулирования позволяет осуществить безреостатный пуск, торможение в генераторном режиме и регулирование скорости двигателей при питании от источника постоянного тока для всего диапазона скоростей. Применение метода импульсного регулирования в электротранспортных устройствах позволяет не только улучшить регулировочные показатели тягового привода, но и обеспечивает определенную гарантированную экономию энергии за счет исключения пусковых и тормозных потерь. Эта экономия может достичь 16-22%, особенно в условиях наземного городского электротранспорта.
Системы тиристорного импульсного регулирования перспективны для тяговых электроприводов с питанием от контактной сети постоянного тока (трамвай, троллейбус, вагоны метро, электропоезда пригородного сообщения, электровозы), а также от аккумуляторов (электромобиль, электротрактор, электропогрузчик, электрокар). Опыт практической разработки и эксплуатации такого электроподвижного состава показал, что, во-первых, действительно достигается существенная экономия электроэнергии, но, во-вторых, требуется уточнить ряд расчетных положений по импульсным режимам работы тяговых двигателей и соответствующим расчетным параметрам для схем замещения этих двигателей. Кроме того, возможность плавного регулирования средних значений напряжения и тока позволяет использовать более совершенные системы автоматики, а именно системы стабилизации тока и скорости. Техническая реализация этих систем управления целесообразна на основе цифрового принципа, т.е. на технической базе микропроцессорного регулирования с использованием серийных микроконтроллеров и микропроцессоров.
Актуальность проблемы определяется широкими распространением электроподвижного состава с двигателями постоянного тока, получающими электропитание от контактной сети постоянного тока. Недостаток этого подвижного состава связан с наличием значительных пусковых и тормозных потерь электроэнергии, которые можно исключить применением систем импульсного регулирования в сочетании с цифровым управлением.
Целью настоящей работы является уточнение методов расчета систем цифрового микропроцессорного регулирования применительно к режимам импульсного управления тяговыми двигателями в электроприводах электроподвижного состава городского и железнодорожного транспорта.
Для этого предполагается разработать соответствующие математические модели, учитывающие нелинейности объекта регулирования (тяговый электродвигатель) и специфические особенности, вносимые в процесс регулирования тока цифровыми системами. Этим условиям удовлетворяет обобщённая математическая модель непрерывно-дискретного типа. Методы исследований базируются на использовании метода фазовой плоскости и вероятностно статистическом анализе квазистационарных процессов импульсного регулирования. При этом учитываются также особенности цифрового регулирования (дискретность и задержка управляющего сигнала из-за конечного времени расчета управляющего воздействия по заданной программе в процессоре). Научная новизна работы заключается в обосновании и уточнении комплексной математической модели для системы импульсного регулирования тягового электропривода с цифровым управлением. На этой основе показана возможность появления ряда новых эффектов, в частности непериодических или почти периодических автоколебаний. Предложена методика расчёта параметров этих автоколебаний. Практическая ценность работы состоит в том, что обоснованы конкретные рекомендации по выполнению цифровых систем регулирования тяговых электроприводов, в том числе и на базе типовых процессоров. Реализация работы выполнена путем передачи расчетной методики АЭК «Динамо» (г. Москва) и Демиховскому машиностроительному заводу, что дает возможность использовать основные результаты диссертации при проектировании систем управления для новых вагонов метро и для электропоездов пригородного сообщения. Апробация работы выполнена путем доклада ее основных положений, рекомендаций и выводов на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга» МИИТа, а также на научно-технических конференциях по ресурсосбережению и по безопасности движения поездов (МИИТ, 2000-2003 гг.). Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы. Объем работы. Диссертация содержит 105 стр. и включает следующие разделы: введение, главы 1-4, заключение, список литературы.
Особенности цифрового управления тиристорными импульсными преобразователями
В настоящее время тяговый электрический привод характеризуется применением новых технологий, асинхронного вентильного электропривода, тиристорных импульсных методов регулирования напряжения на двигателях с использованием цифровых принципов управления, которые реализуются с помощью бортового компьютера. Существуют особенности построение систем управления для тягового электропривода, которые заключаются в выявлении граничных зон работы тиристорных импульсных преобразователей и их цифровых систем управления. Эти обстоятельства необходимо учитывать при разработке систем управления конкретным ЭПС с целью обеспечения устойчивой работы и исключения срывов коммутации тиристоров.
На рис. 2.1 показаны характерные структурные схемы для ЭПС постоянного тока при использовании коллекторных двигателей постоянного тока (рис 2.1, а) и асинхронных тяговых двигателей - ЛТД (рис 2.1, б), примером выполнения электропоездов первого типа являются ЭР2И, ЭР 12, ЭРЗО, ЭМ2И, вагоны метро «Яуза», трамвай РВЗ-7, Т7-В5 завода «Татра», 71-608КМ (Усть-Катавский вагоностроительный завод - УКВЗ). Примером второго типа является электропоезд ЭД6, электровозы ЭП2.
Дальнейший анализ выполнен для случая электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения, хотя основные результаты вполне применимы и для случая импульсного регулирования в системе питания АТД. На ЭПС возможно применение различных принципов тиристорно-импульсного регулирования напряжения на двигателях в процессе пуска и торможения. Для учета взаимосвязи параметров тиристорно-импульсных регуляторов (ТИР) с параметрами микроэлектронных систем управления (СУ), необходимо рассмотреть отличительные особенности построения наиболее характерных ТИР, применение которых возможно современном ЭПС. Из выражения (2.7) видно, что при неизменном значении Ш ср коэффициент структуры Кстр определяет собой кратность повышения частоты переключения тиристоров ТИР с конкретной структурой по отношению к традиционным схемам, имеющим tn min = 2tBoccT. Совокупность всех характерных особенностей, присущих конкретному ТИР, является базой для определения структуры системы управления, режимов ее работы, законов регулирования, характера связи с регулируемым параметром, которым для тягового электропривода, как правило, является ток тягового двигателя и, в ряде случаев, скорость движения, система диагностики. Причем при постоянной установке тока тягового двигателя между скоростью ЭПС (v) и коэффициентом заполнения ТИР (у) существует прямолинейная зависимость, т.е. изменяемая часть коэффициента заполнения у пропорциональна скорости v. При этом мощность, потребляемая из источника питания Po=Uo Іо без учета потерь в тиристорном импульсном преобразователе, равна мощности, потребляемой тяговыми двигателями, что является характерной особенностью импульсных методов регулирования напряжения на тяговых двигателях, позволяющих снизить потребление энергии при пуске до выхода на автоматическую характеристику двигателей (за счёт исключения пусковых реостатных потерь). Известно весьма большое количество схем ТИР, число которых продолжает расти. Однако, большинство из них можно объединить в характерные группы по ряду признаков, в частности, по принципам построения узла коммутации, влияющего на минимальную длительность импульса выходного напряжения, продолжительность которого контролируется СУ. Из известных схем можно выделить те наиболее характерные особенности ТИР, которые влияют на такой обобщенный показатель, как диапазон регулирования реализации маневровых режимов и соответствующих токов. Наиболее существенно отличаются между собой ТИР по диапазону регулирования; их можно разбить на пять характерных групп: - с предварительным перезарядом коммутирующего конденсатора в рабочем такте и использующие обратный перезаряд, зависимый от тока нагрузки (рис. 2.2, а); - использующие обратный резонанс перезаряд коммутирующего конденсатора (рис. 2.2, б); - без предварительного перезаряда коммутирующего конденсатора в рабочем такте (рис. 2.2, в); - с автоматическим предварительным перезарядом коммутирующего конденсатора (рис. 2.2, г); - с исключением перезаряда коммутирующего конденсатора через цепь нагрузки (рис. 2.2, д). Не рассматривается построение ТИР на базе полностью управляемых тиристоров, так как характер приложения напряжения к тяговым двигателям в этом случае, как и при транзисторах IGBT, мало отличается от рассматриваемых принципов. Это соображение относится и к пульсациям тока тягового двигателя.
Структура систем регулирования тяговых электроприводов с цифровым управлением
Математические модели систем автоматического регулирования для тяговых электроприводов целесообразно представить в виде обобщенной семы по рис. 3.1. При этом теория и практика современного тягового подвижного состава (электровозы и электропоезда) показывает целесообразность выполнения аналоговых и цифровых систем авторегулирования как многоконтурных систем подчиненного регулирования с «вложенными» контурами. Соответственно можно различать 3 уровня автоматизации: - регулирование силы тяги-торможения или тока двигателей; - стабилизация скорости поезда; - обеспечение заданного времени прибытия поезда на следующую станцию, т.е. выполнение заданного графика движения. Внутренний контур в этих системах выполняется на базе интегрирующего звена, т.е. по принципам пропорционально-интегрального регулирования, с разделением его на ряд параллельно работающих контуров по числу групп тяговых двигателей или моторных вагонов или секций локомотива. Контур регулирования скорости представляет собой статический регулятор с линейным управляющим элементом, который обеспечивает вычисление заданного тока по имеющему место рассогласованию по скорости. Конкретное исполнение контуров 1-2-го уровней дано на рис. 3.2, а с детализацией и способом линеаризации переходной характеристики внутреннего контура (рис. 3.2, б), что позволяет перейти к схеме этой системы в общем виде (рис. 3.2, в). » Контур 3-го уровня обеспечивает вычисление параметров диаграммы скорости в функции пути, т.е. является чисто вычислительным звеном. Он практически реализован в системах типа «автомашинист». Особенности микропроцессорного исполнения внутреннего контура состоят в учете дискретности регулятора, которая определяется разрядностью процессора (обычно 7-18 бит) и наличием временной задержки управляющего воздействия за счет потерь машинного времени на работу программы в процессоре. При этом специфика цифрового регулирования проявляется в наличии почти периодических автоколебаний, появление которых возможно при определенных условиях. Параметры этих колебаний определяются методом фазовой плоскости, который развит применительно к тяговым приводам при учете нелинейностей силового преобразователя и тягового электродвигателя -исполнительного элемента и объекта регулирования. Соответствующие свойства системы описываются методами, характерными для теории вероятностей и математической статистики, а именно одно- и двумерными распределениями плотности вероятностей. Автоколебательность является существенным свойством микропроцессорного регулирования тяговых электроприводов; она важна потому, что эти колебания проявляются в конечном итоге в тяговом токе, протекающем по тяговой сети, в том числе и по рельсам, что может вызвать нарушения работы автоблокировки. Поэтому, определению амплитудно-частотных характеристик процесса регулирования уделено особое внимание. На рис. 3.3 показана диаграмма цикла регулирования электроподвижного состава, начиная от трогания и кончая переходом к режиму стабилизации скорости на заданном уровне V = Уъ с погрешностью АУХ = 1 ч-З км/ч. Современный уровень развития бесконтактных систем управления тяговыми электроприводами характеризуется все более широким применением цифровых схем в блоках регулирования, управления и защиты. Структурные и функциональные схемы соответствующих систем управления в цифровом исполнении остаются, в основном, такими же, как и при выполнении их на элементах непрерывного типа, но использование цифрового принципа регулирования приводит к ряду специфических особенностей систем авторегулирования и регулируемых процессов, которые не наблюдаются в системах непрерывного типа. Поэтому методика проектирования цифрового регулятора должна базироваться на рассмотренных выше методиках расчета регуляторов непрерывного типа с последующим учетом специфических особенностей и режимов, характерных для цифровых систем.
Сущность цифрового принципа регулирования в применении к импульсным преобразователям обычно сводится к реализации интегрирующего звена в сочетании с фазосмещающим устройством на двоичных регистрах и на реверсивных двоичных счетчиках. В ряде случаев применяется также сочетание двоичного счетчика с дешифраторно-логической схемой. Схемные решения в области цифровых датчиков, измерительных преобразователей и регуляторов тяговых электроприводов можно считать достаточно отработанными. Однако, теория цифровых систем проработана еще столь недостаточно, что ее основные положения не могут быть положены в основу исследования процессов в тяговых электроприводах.
Особенности автоколебаний в тяговом электроприводе с идеальным цифровым регулятором при учете пульсаций тока, создаваемых импульсным преобразователем
Анализ систем импульсного регулирования в процессе проектирования электрооборудования для перспективных электроприводов электропоездов пригородного сообщения и городского электротранспорта следует выполнять комплексно с учетом взаимодействия и взаимного влияния импульсного преобразователя, тяговых двигателей и питающей сети. На основе критериев обеспечения минимумов потерь энергии, установленной мощности преобразовательного оборудования, а также для улучшения электромагнитной совместимости следует принять структуру силовых цепей электропоезда с максимальным коэффициентом блочности по входу импульсного преобразователя и минимальным коэффициентом блочности по его выходу. Время использования импульсного преобразователя должно быть сведено к минимуму - только в области до выхода на естественную характеристику, для чего номинальное напряжение группы постоянно соединенных тяговых двигателей должно быть равно напряжению питающей сети.
Анализ вариантов структур системы импульсного регулирования показывает, что целесообразно раздельное регулирование с высоковольтным преобразователем регулирования напряжения и низковольтным преобразования регулирования поля. Эти преобразователи должны быть взаимно независимыми и они должны допускать шунтирование их контакторами по достижении естественной характеристики полного или ослабленного поля. Анализ схем переключения тягового-тормозного режимов показал, что все они могут быть отнесены к трем группам, различающимся по способу реверсирования обмоток двигателя, причем для практического применения в тяговых электроприводах рекомендуются схем без реверсирования обмоток.
Система автоматического регулирования тягового электропривода с импульсными преобразователями должна выполняться как 2-контурная система подчиненного регулирования с программным регулированием тока во внутренних параллельных контурах, количество которых равно числу групп тяговых двигателей и соответственно импульсных преобразователей, и с ограничением скорости поезда на заданном машинистом уровне во внешнем контуре. Задание предельных значений тока осуществляется авторежимными устройствами, измеряющими вертикальные нагрузки на моторные тележки, и программными регуляторами на основе ограничений по коэффициенту сцепления, использованию тяговых двигателей и продольной динамике. Для лучшей приспосабливаемости таких систем к меняющимся условиям движения целесообразно дополнить их элементами адаптивных систем.
Процессы регулирования тяговых двигателей, характеризующиеся сравнительно небольшим диапазоном изменения тока (8-15% от среднего значения), могут быть рассчитаны по линеаризированной модели, которая компонуется на основе линеаризированных моделей электропоезда как механической системы, тягового двигателя, импульсного преобразователя с фильтрами и регулятора. Указанная модель при ряде обоснованных в диссертации допущений позволяет выполнить совместной расчет электромагнитных и механических процессов в системе. Линеаризированная модель рекомендуется для выполнения вариантных расчетов на этапе эскизного проектирования и предварительной оценки качества регулирования. 5. На основе единого подхода к классификации структур систем управления тяговыми импульсными преобразователями реализован алгоритм указанных структур с двумя выходными каналами генерации управляющих импульсов применительно к конкретной постановке задачи. Для электропоездов рекомендована структура, реализующая астатической принцип регулирования с постоянной частотой и датчиком среднего значения тока в цепи обратной связи. 6. Комплексной расчет систем регулирования режимов работы электропоездов должен проводиться с учетом импульсного характера функционирования исполнительного элемента и нелинейностей тягового двигателя и регулятора. Соответствующая методика разработана на базе метода фазовой плоскости, реализуемого численно-аналитической математической моделью при помощи приближений, за основу формирования которых по достаточно простым расчетным формулам предложенные расчётные алгоритмы и могут быть положены в основу инженерных методов расчета. 7. Перспективные системы регулирования тяговых электроприводов целесообразно выполнять на цифровом принципе. Анализ цифровых регуляторов выявил специфические для цифровых систем эффекты - наличие нескольких состояний устойчивого равновесия и возникновение непериодических автоколебаний. Предложенная в работе методика статистического моделирования процессов цифрового регулирования дополнена в целях экономии машинного времени ЭВМ методом композиции вероятностных распределений, описывающих непериодические колебания в регуляторе и область возможных режимов работы тягового двигателя. В результате получены обобщенные распределения усеченного нормального вида, которые характеризуют функционирование цифрового регулятора во всем диапазоне возможных нагрузок и скоростей электропривода. 8. Предложенная методика позволяет выполнять компьютерное моделирование цифровых систем при существенном влиянии на процессы регулирования дискретности процессора и времени срабатывания управляющей программы.
