Содержание к диссертации
Введение
1. Актуальность темы исследований 14
1.1. Тяговый вентильно - индукторный электропривод. Устройство и принцип действия 14
1.2. Зарубежный и отечественный опыт разработок ВИЭП 18
1.3. Обзор научных работ по управлению ВИЭП. Актуальность задач исследования 23
2. Компьютерное моделирование процессов в вентильно-индукторном электроприводе в системе MathCAD 29
2.1. Система отсчета для параметров управления ВИЭП 29
2.2. Допущения. Расчетная схема замещения. Дифференциальные уравнения 30
2.3. Моделирование входного преобразователя 34
2.4. Моделирование инвертора напряжения 39
2.5. Моделирование реактивного индукторного двигателя 43
2.6. Расчетный алгоритм, реализующий математическую модель ВИЭП 45
2.6.1. Расчет токов в обмотках двигателя 47
2.6.2. Расчет электромагнитного момента 48
2.6.3. Результаты моделирования процессов в ВИЭП 51
2.7. Идентификация математической модели ВИЭП 56
2.8. Расчетно-экспериментальные методы определения электромагнитных связей 60
2.8.1. Измерение напряжения и тока в фазной обмотке при заторможенном роторе и построение матрицы потоко- сцепления 61
2.8.2. Измерение напряжения и тока в фазной обмотке при постоянной частоте вращения и построение матрицы потокосцепления 67
2.8.3. Сравнение расчетных и экспериментальных характеристик НТИ-350 71
Выводы 15
3. Пульсации момента в системе электропривода с РИД 77
3.1. Условия работы и требования, предъявляемые к тяговым передачам 77
3.2. Причины, вызывающие пульсации момента, и пути их сни -жения 80
3.3. Условия устранения пульсаций момента средствами управления 82
3.4. Снижение пульсаций момента в режиме токового ограни -чения 85
3.4.1. Пусковой режим 85
3.4.2. Работа двигателя на «низких» частотах вращения 95
3.5. Снижение пульсаций момента в одноимпульсном режиме 102
3.5.1. Режим работы РИД в области «средних» частот вра -щения 102
3.5.2. Режим работы РИД в области «высоких» частот вра -щения 106
3.6. Сравнение вариантов регулирования фазных токов 109
3.7. Динамические нагрузки в тяговой передаче электропоезда, вызванные пульсациями момента 113
Выводы 119
4. Исследование влияния параметров управления на характеристики ВИЭП 121
4.1. Подход к поиску эффективных параметров управления . 121
4.2. Выбор алгоритма формирования фазных токов РИД 123
4.3. Регулирование электромагнитного момента в режиме тяги 124
4.3.1. Алгоритм поиска углов управления 124
4.3.2. Классификация и анализ стратегий управления ВИЭП 132
4.4. Регулирование электромагнитного момента в режиме рекуперации 137
4.4.1 Использование ВИЭП для систем электрического торможения , 137
4.4.2 Анализ стратегий управления ВИЭП 139
4.5 Алгоритм формирования постоянства выходной мощности ВИЭП 150
4.6 Синтез законов управления электроприводом с РИД применительно к электропоезду 153
Выводы 160
Заключение 162
Литература 164
Приложения 182
- Зарубежный и отечественный опыт разработок ВИЭП
- Допущения. Расчетная схема замещения. Дифференциальные уравнения
- Условия устранения пульсаций момента средствами управления
- Классификация и анализ стратегий управления ВИЭП
Введение к работе
В развитых странах главным потребителем электрической энергии является электропривод (ЭП). Во многом глобальное энергопотребление определяют электромеханические системы с неуправляемыми или управляемыми простейшим образом асинхронными и коллекторными электродвигателями, широко применяемыми в промышленности, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве, в быту.
Традиционные методы регулирования скорости вращения двигателей не являются энергетически эффективными и направлены, главным образом, для поддержания требуемых значений технологических параметров. Поэтому современные энергетические и экологические нормы требуют применения автоматизированных электроприводов с управляемыми электрическими машинами (ЭМ).
В мировой практике регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энергосберегающих и ресурсосберегающих экологически чистых технологий. Уже сейчас около 40% выпускаемых за рубежом ЭМ выполняются управляемыми, и эта доля постоянно растет.
Электроприводы потребляют около 50% всей производимой в мире электроэнергии, и соответственно, являются основными ее потребителями. Поэтому в настоящее время достаточно остро стоит задача эффективного управления электроприводами не только с технологической точки зрения, но и с точки зрения экономии электроэнергии, в том числе и на электрифицированном железнодорожном транспорте, являющимся одним из основных потребителей электроэнергии в стране. Стоит упомянуть также о том, что в развитых странах мира введены законы, требующие экономии электроэнергии и выпуска энергосберегающего оборудования. Однако развитие современной техники предъявляет все более жесткие требования к электроприводу. Современные технологии требуют от электропривода повышения точности движения (как в статике, так и в динамике), быстродействия, надежности, эффективности привода, понижения вносимых приводом искажений в сете вое напряжение, а также поддержание определенного уровня напряжения на \Ч электроподвижном составе (ЭПС). Это в свою очередь требует применения как «новых» двигателей (бесколлекторных), так и новых, более сложных методов управления электроприводом, что в свою очередь влечет за собой применение новой элементной базы (силовой и управляющей), позволяющей реализовать данные алгоритмы.
В настоящее время наблюдается интенсивное развитие тяговых и про мышленных электроприводов с высокими технико-экономическими показа телями. Помимо электроприводов традиционного исполнения - асинхронных, синхронных и с двигателями постоянного тока активно развивается направ те ление вентильно-индукторных электроприводов (ВИЭП), известного за ру бежом как Switched Reluctance Drive (SRD), основой которого являются реак тивный индукторный двигатель (РИД) и полупроводниковый (вентильный) преобразователь.
С 1983 года фирма Task Drives (UK) выпускает регулируемый электропривод на основе SRM (Switched Reluctance Motor), С тех пор в промыш-ленно развитых странах отмечается повышенный интерес к электроприводам этого типа. Разработкой и внедрением их во многие сферы занимаются ведущие зарубежные электротехнические фирмы (Oulton (UK), Emerson Electric, General Electric Co., TRW, DANA (USA) и другие).
Активно ведутся разработки и отечественными организациями. С 60-х годов прошлого века ведутся научно-исследовательские работы в области индукторных электрических машин на кафедре электромеханики Южно- Российского государственного технического университета (НПИ), где эта машина получила название - реактивный индукторный двигатель. С 90-х го дов в этой области ведутся работы в ОАО Всероссийском научно- исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозо- f# строения (ОАО «ВЭлНИИ»), в Московском энергетическом институте (тех- ническом университете) (МЭИ), в Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) и ряде других. ^ В России серийный выпуск вентильно-индукторных приводов осуще- ствляет Научно-производственное предприятие «ЭМЕТРОН» (г. Новочеркасск). С 1996 г. выпущено более 40 тысяч приводов на базе однофазного РИД для бытового сепаратора-сливкоотделителя. С 2001 г. HI 111 «ЭМЕТРОН» осуществляет серийный выпуск и поставку в Новую Зеландию электроприводов интегрированного исполнения с корректором коэффициента мощности для деревообрабатывающих станков.
Основные отличительные особенности РИД заключаются в простоте конструкции магнитной системы статора, отсутствии обмоток на зубчатом f роторе и питании обмоток статора однополярными импульсами тока по сиг- налам датчика положения ротора (ДПР). По сравнению с двигателями других типов РИД конструктивно проще и технологичнее. Так, например, в сравнении с асинхронным двигателем стоимость изготовления на 25-30% ниже, при увеличении надежности в эксплуатации примерно в два раза [1].
Также следует отметить важную особенность энергетики РИД — поло-гость характеристики КПД в широком интервале изменения мощности при сохранении практически одинаково высоких значений КПД от пусковых режимов до скоростей, значительно выше номинальных, что особенно важно для электроподвижных единиц с частыми пусками (пригородные поезда, трамваи и т.д.) [2]. По сравнению с асинхронным двигателем КПД РИД минимум на 2-3% выше и, за счет этого, выше КПД привода в целом [3].
К недостаткам ВИЭП следует отнести, прежде всего, высокие пульсации момента РИД. Кроме того, внедрение ВИЭП в области тяговых электроприводов в значительной мере тормозится весьма сложной и не до конца отработанной процедурой проектирования электропривода для достижения высоких энергетических показателей. ff Применение ВИЭП на электроподвижном составе является пока еще мало изученной, но перспективной областыо потенциальных возможностей улучшения тягово-энергетических, эксплуатационных и экономических показателей электровозов и электропоездов.
Задача снижения энергозатрат наиболее актуальна для тяговых приводов, динамические режимы которых составляют большую часть рабочего цикла. Процессы пуска, торможения, перехода электромеханического преобразователя с одной частоты вращения на другую связаны со значительными затратами электроэнергии.
Для полноценного использования возможностей ВИЭП важно не только сформировать оптимальную геометрию зубцовой зоны РИД, выбрать рациональные электромагнитные нагрузки в активных частях электрической машины, но также разработать эффективные алгоритмы управления, которые бы позволили улучшить тягово-энергетические показатели привода и уменьшить пульсации вращающего момента двигателя.
Однако, поиск эффективных алгоритмов управления в условиях большого числа независимых переменных делают решение этой задачи практически невозможным без проведения серии упорядоченных вычислительных экспериментов, с разработкой алгоритмов поиска эффективных параметров управления на базе усовершенственной компьютерной модели. !
ВИЭП представляет собой достаточно сложную электромеханическую систему. Повышение уровня проектирования таких систем, возможность прогнозирования их поведения в сложных динамических условиях могут быть обеспечены на основе современных компьютерных моделей.
Основными задачами, стоящими при проектировании ВИЭП, являются: расчет мгновенных значений токов, напряжений, магнитных потоков, вращающего момента, потерь в силовых ключах, в стали и обмотках РИД и других компонентах системы. Для их решения необходимо получить возможно более полную и точную информацию об электрических, электромагнитных и электромеханических процессах во всех составных частях ВИЭП при различных режимах работы с учетом алгоритмов управления.
Для повышения точности расчета и учета особенностей совместной работы двигателя, инвертора напряжения (ИН) с системой управления (СУ), входного выпрямительно-инверторного преобразователя (4q-S) с СУ необходим системный подход к моделированию, предполагающий рассмотрение системы как единого целого.
Целью работы является улучшение тягово-энергетических, эксплу-тационных и технико-экономических характеристик тягового вентильно-индукторного привода электропоезда на основе разработки эффективных алгоритмов управления приводом.
Достижение этой цели потребовало решения следующих задач: создание компьютерной модели ВИЭП электропоезда, позволяющей вести расчеты электрических процессов в системе «ВИП (4q-S) - ИН - РИД» по мгновенным значениям величин с учетом подмагничивания магнитной системы двигателя в режиме тяги и торможения с рекуперацией энергии в контактную сеть; разработать экспериментальные методы определения электромагнитных связей потокосцеплений обмоток с фазными токами; - исследовать влияние алгоритмов управления на пульсации вращающего момента трехфазного РИД; выполнить анализ динамических нагрузок в тяговой передаче электропоезда; разработать стратегию поиска алгоритмов управления, обеспечивающих минимизацию потребления электроэнергии, и исследовать влияние параметров управления на тягово-энергетические характеристики ВИЭП электропоезда в режиме тяги и рекуперации; экспериментально проверить работу РИД с подмагничиванием магнитной системы; разработать алгоритмы управления ВИЭП, обеспечивающие работу в ре- . жиме постоянства мощности на валу двигателя с низкими значениями пульсаций момента.
Методы исследований. Методологической основой исследования являются: * метод конечных элементов - для расчета магнитного поля в РИД; метод Рунге-Кугта - для решения системы дифференциальных уравнений; уравнение Лагранжа 2-го рода - для анализа динамических нагрузок в тяговой передаче.
Моделирование выполнено с использованием стандартной математической программы Mathcad.
Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными, полученными на полномасштабном макетном образце ВИЭП для электропоезда.
Основные научные результаты диссертационной работы:
Компьютерная модель, позволяющая комплексно выполнять расчеты и проводить исследования тягового вентильно-индукторного привода электропоезда с учётом электрических, электромагнитных и механических процессов в системе «выпрямительно-инверторный преобразователь - инвертор напряжения - реактивный индукторный двигатель» по мгновенным значениям величин, а также с учетом насыщения магнитной системы двигателя.
Способы формирования «траектории» сигнала уставки фазного тока в околостоповых режимах, позволяющие уменьшить пульсации вращающе- 'ф го момента РИД и повысить эксплуатационную надежность вентильно- индукторного привода благодаря снижению динамических нагрузок в механической части колесно-моторного блока.
3. Алгоритм управления ВИЭП электропоезда, обеспечивающий работу привода с повышенными значениями момента и КПД системы при наи меньших пульсациях момента на валу РИД.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Компьютерная модель вентильно-индукторного электропривода, учитывающая совместную работу ИН с фильтром и РИД, а также насыщение магнитной системы двигателя, дополнена моделью выпрямительно-инверторного преобразователя типа 4q-S. Это позволяет вести расчеты электромагнитных процессов в двигателе и электрических процессов в силовой схеме электропоезда «ВИП (4#-5) - ИН - РИД».
Для повышения адекватности компьютерной модели ВИЭП предложены экспериментальные методы определения электромагнитных связей пото-косцеплений с токами обмоток РИД, основанные на численном интегрировании приложенного к фазной обмотке напряжения.
На основе сравнительного анализа предложенных алгоритмов формирования «траектории» сигнала уставки фазного тока в околостоповом режиме сформулированы рекомендации по снижению пульсаций вращающего момента ВИЭП электропоезда.
Исследовано влияние углов управления на пульсации электромагнитного момента в трехфазном тяговом РИД в основных режимах работы с учетом влияния подмагничивания магнитной системы двигателя.
Выбор эффективных алгоритмов управления, обеспечивающих минимальное потребление электроэнергии, предлагается вести по двум условиям: обеспечение максимального вращающего момента и минимальных значений пульсаций момента.
Практическая ценность работы
1. Разработанная компьютерная модель системы «ВИП (4q-S) — ИН - РИД» позволяет проводить комплексные исследования работы тягового привода электропоезда, определять параметры силовых элементов ВИП и ИН, а также динамические нагрузки в трансмиссии тяговой передачи при различных алгоритмах управления.
Предложены рекомендации по снижению пульсаций электромагнитного момента тягового трехфазного двигателя, позволяющие уменьшить динамические нагрузки в трансмиссии электропоезда.
Предложенные методы экспериментального определения электромагнитных связей в РИД позволяют оперативно уточнять расчетные характеристики ВИЭП.
Результаты работы могут быть использованы при проектировании систем тяговых ВИЭП, питающихся от сети переменного и постоянного тока.
Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при создании полномасштабного макетного тягового ВИЭП электропоезда (350 кВт), изготовленного ООО ПК «НЭВЗ» и испытанного в ОАО «ВЭлНИИ».
Апробация работы. Основные положения научной работы докладывались и обсуждались на:
II Международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении», г. Ростов-на-Дону, ноябрь 2000 г.
III Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 21-24 ноября 2000 г.
Научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт- 2002», г. Ростов-на-Дону, апрель 2002 г. V Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», г. Новочеркасск, 18-20 декабря 2002 г.
IV Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г. XIII Международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта ", 22-26 сентября 2003 г., Крым. На заседаниях секций «Электрическая тяга» и «Электрические машины» НТС ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск, 2002-2004гг., а также на расширенном заседании кафедры «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) в 2004 г.
Работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском и проектно- конструкторском институте электровозостроения (ВЭлНИИ).
Основное содержание работы отражено в 13 научных статьях и 11 материалах докладов на научных конференциях. Получен 1 патент на способ управления РИД и 1 патент на полезную модель по схемному решению инвертора напряжения.
Зарубежный и отечественный опыт разработок ВИЭП
При обзоре научно-технической литературы наибольший интерес для автора данной работы представляют материалы, связанные с вопросами управления и выбора параметров управления ВИЭП. Научные статьи [38], [78] — [81], [91] -[106], посвящены этим вопросам.
При разработке эффективных законов управления вентильно-индукторными электроприводами и алгоритмов их реализации основной задачей является правильный выбор совокупности параметров управления для всех рабочих режимов работы ВИЭП.
В статье [97], написанной совместно немецкими и британскими учеными, дается хорошее освещение истории и современного состояния этой проблемы. В работе отмечается, что несмотря на простоту конструкции SRM, управление им не является простой задачей и исследования в этой области находятся в "стадии младенчества". Задача нахождения эффективных параметров управления является оптимизационной задачей. При этом основными критериями оптимизации являются величина вращающего момента ВИЭП и КПД [93], [95], [97], [99],[105], [107], [108]. Следует отметить, что поиск эффективных параметров управления осложнен рядом факторов.
Во-первых, для проведения расчетных исследований требуются совершенные компьютерные модели ВИЭП. Современные модели ВИЭП базируются на расчете электромагнитных связей потокосцеплений обмоток с токами РИД \y(i,Q), которые являются исходными данными для математической модели. Главным фактором, определяющим погрешность расчета электромеханических процессов и электромагнитного момента, является точность расчета электромагнитных связей потокосцеплений с токами [21], [109] — [114]. Однако существует множество попыток представить модель РИД в виде совокупности аналитических зависимостей. Такие зависимости имеют упрощенный характер. Зависимость индуктивности фазной обмотки от угла поворота ротора в [95] представлена в виде отрезков прямых линий, и для расчета вращающего момента используются соответствующие упрощенные аналитические формулы. В работе [115] и [116] индуктивность фазной обмотки представляется суммой постоянной и переменной составляющих. Такие упрощенные модели изначально обладают высоким быстродействием и по этому показателю пригодны для поиска совокупности параметров управления перебором большого количества вариантов. Но приведенные формы фазных токов РИД, например в [95], говорят о значительных погрешностях в расчетах, что не позволяет рассматривать их в качестве инструмента для исследования электромагнитных процессов в ВИЭП, требуемого для выбора эффективных параметров управления. Результаты исследований, приведенные в [117], показывают, что погрешность при определении пускового момента РИД без учета насыщения для тягового двигателя электровоза может достигать 400%. Это предопределяет необходимость учета насыщения при расчете момента. Компьютерные модели, обладающие высоким быстродействием и обеспечивающие высокую точность расчетов, недостаточно проработаны.
В связи с этим помимо расчетных исследований на основе компьютерного моделирования [94], [95], [97] и [99], встречаются попытки экспериментального определения оптимальных параметро в"управления [27], [107], [118].
Также следует отметить, что электромагнитные связи потокосцеплений обмоток с токами \і(ї$) определяются с некоторой погрешностью, поэтому периодически следует производить их уточнение на основе экспери ментов [119] — [121]. Это важно не только при проведении исследовательских работ и при производстве опытных образцов, но и при серийном производстве РИД. Проверка необходима потому, что работа РИД в значительной степени определяется нелинейными свойствами магнитной системы двигателя, а магнитные свойства стали после механической обработки, имеют разброс.
В [ПО] предлагаются методы экспериментального определения электромагнитных связей в РИД потокосцеплений с токами у(і,В), а в [122] тестовая измерительная система, с помощью которой можно получить информацию о электромагнитных связях \\ (i,Q). Для получения этих характеристик используется специальное измерительное оборудование. Получение характеристик ty(i,Q) отнимает много времени с большой погрешностью в обработке данных, и если в исследовании используется более одного двигателя, то время является критическим параметром.
Поэтому необходимы методы экспериментального определения электромагнитных связей потокосцеплений обмоток с токами \y(i,Q), которые бы позволили быстро и относительно точно без специального дополнительного измерительного оборудования получать информацию о магнитной системе РИД, как в опытном, так й в серийном производстве РИД.
Во-вторых, сложность задачи поиска эффективных параметров управления обусловлена большим количеством независимых параметров управления и параметров, определяющих режим работы ВИЭП (прежде всего частоты вращения). Максимум вращающего момента в [123] достигается варьированием формы фазного тока. В большинстве публикаций форма тока принимается фиксированной, 4 ограниченной сверху постоянным значением (уставкой), что, в свою очередь, упрощает задачу поиска. Особое внимание уделено поиску оптимальных углов подачи импульсов напряжения на фазные обмотки (углов управления).
В [97] для снижения количества вариантов и, соответственно, времени расчета оптимизация осуществляется с применением генетического метода и инверсной модели ВИЭП.! Функцией цели-являются одновременно два критерия: максимальный вращающий момент и КПД ВИЭП. Метод основан на аналогии с эволюционньтм;отбором: берутся несколько начальных вариантов со случайным набором параметров управления, после нахождения функций цели неудачные вариантыотбрасываются, заменяясь "новыми положениями" с наследованием признаков более удачных вариантов. При этом имеет место обмен признаками и "мутации". Поиск подобных нестандартных подходов подчеркивает трудности решения указанной задачи.
В [95] предлагается стратегия управления ЯД-электроприводом с оптимизацией по КПД. Поиск углов управления при различных частотах вращения предлагается осуществлять автоматически в процессе работы ВИЭП по критерию минимальной потребляемой мощности. Построены трехмерные зависимости вращающего момента и среднего тока фазы от угла подачи напряжения на фазную обмотку и длительности положительного импульса напряжения.
В работе [31] приведены результаты экспериментальных и расчетных исследований режимов работы тягового электропривода рудничного электровоза с РИД. Проведен сравнительный анализ способов регулирования при работе электропривода в зоне повышенных частот вращения. Предложен и реализован способ регулирования с подмагничиванием магнитной системы двигателя.
Допущения. Расчетная схема замещения. Дифференциальные уравнения
Таким образом, в полумостовом инверторе имеется возможность управляемой подачи на каждую фазную обмотку импульсов напряжения положительной полярности. В то же время условием подачи на обмотку отрицательного напряжения является открытое состояние обратных диодов, что возможно лишь в случае протекания в обмотке тока в положительном направлении. Следовательно, в полумостовой схеме невозможно вызвать протекание в обмотке отрицательного тока, В плечах полумостового инвертора исключены технологические короткие замыкания, что увеличивает надежность ИН для РИД.
Моделирование инвертора напряжения необходимо для расчета мгновенных значений напряжений на фазных обмотках щ, для повышения точности расчета за счет учета процессов в силовых элементах в ВИЭП, для определения параметров и выбора силовых ключей и обратных диодов ИН, а также для расчета потерь в них и КПД ВИЭП и определения размеров радиаторов как в ИН, так и в преобразователе 4q-S. Отдельно разработан вопрос вычисления потерь в силовых полупроводниковых приборах (транзисторах и диодах). Производится расчет потерь как кондуктивных (на проводимость), так и коммутационных (на включение и выключение). При этом используются паспортные характеристики приборов. Для вычисления потерь на проводимость используются вольт-амперные характеристики вентилей VCE=/OC)- Коммутационные потери транзисторов определяются в зависимости от токов, напряжений управления и времени включения и выключения транзисторов [135]. Расчет потерь в снаберных цепях произведен по методике [136].
Электрические процессы в ИН описываются дифференциальным уравнением - пятым уравнением системы (2.3).
Каждый полумост ИН, питающий к-ю фазную обмотку РИД, является цепью с переменной структурой. Параметр fK(t), характеризующий ее текущее состояние, для полумостового инвертора напряжения может принимать разные значения в зависимости от следующих состояний полупроводниковых вентилей в двигательном режиме: 1. Открыты транзисторы УТцК и VTLK фазы инвертора (рис. 2.1), ток фазы І нарастает под действием приложенного к обмотке напряжения. 2. Открыты транзистор УТцк и обратный диод VDLK или транзистор VTLK И обратный диод VDJIK, напряжение на фазной обмотке близко к нулю и ток фазы определяется ЭДС самоиндукции (как правило, медленно спадает). 3. Открыты обратные диоды VDi}K и VDLK , ток в фазе быстро спадает под действием приложенного обратного напряжения. 4. Все вентили фазы инвертора закрыты, ток в фазе не протекает (невозбужденная фаза). В генераторном режиме параметр fx(t) принимает следующие значения: 1. Открыты транзисторы VTUK И VTLK фазы инвертора, ток фазы / нарастает под действием приложенного к обмотке напряжения. 2. Открыты обратные диоды VDHK И VDLK , ток в фазе быстро спадает под действием приложенного обратного напряжения. 3. Все вентили фазы инвертора закрыты, ток в фазе не протекает (невозбужденная фаза). В каждом из этих случаев мгновенное напряжение на фазной обмотке вычисляется по формуле Изменение параметров состояний переменной структуры fK (t) и соответствующих значений щ вычисляется на каждом шаге интегрирования дифференциальных уравнений согласно алгоритмам управления. Решение системы дифференциальных уравнений осуществляется универсальной математической системой MaihCAD, которая имеет мощные средства для реализации численных методов расчета и математического моделирования в сочетании с возможностью выполнения многих операций символьной математики (компьютерной алгебры). Всё это дополняется развитыми средствами визуализации вычислений — от представления исходных данных и результатов вычислений в естественном математическом виде до наглядной графической интерпретации. При моделировании РИД необходимо учитывать нелинейные свойства магнитопровода, его значительное насыщение, дискретный характер распределения обмоток. Для расчета электромагнитных процессов в РИД использована идея совместного решения системы алгебраических уравнений (2.4), отображающих электромагнитные связи между токами и потокосцеплениями обмоток РИД, с системой дифференциальных уравнений (2.14). Наиболее серьезные требования по точности расчета должны быть предъявлены к определению электромагнитных связей tykOh)i которые являются исходными данными для математической модели. Именно корректность и точность их расчета предопределяет точность последующего нахождения токов и электромагнитного момента. Зависимости ц/=/(7,в) могут быть определены путем проведения серии полевых расчетов для разных угловых положений ротора и токовых нагрузок в расчетной области. В качестве расчетной области, в зависимости от конфигурации зубцо-вого слоя двигателя, берется сектор магнитопровода, включающий три смежных полюса, представляющий собой повторяющийся фрагмент магнитной системы в виде статорного полюса с охватывающей его обмоткой и соответствующего зубчатого участка ротора. Расчет проводился с помощью программы расчета плоскопараллельных магнитных полей методом конечных элементов [109],[129].
Зависимости y-f(i,B) для двигателя НТИ-350 представлены в виде квадратной матрицы потокосцепления \/ как функции тока / и углового положения ротора 9 размером NxN с равномерным шагом. Матрица потокосцепления у для использования в дальнейших расчетах либо задается непосредственно в окне документа MathCAD, как компонент «таблица», либо может храниться в виде текстового файла и загружаться в окно MathCAD одним из многочисленных способов. Размер матрицы определяет точность интерполяции и дальнейших расчетов. Для осуществления двумерной сплайн-интерполяции необходимо определить индексы матрицы x\j. Они задаются как ранжированные переменные i—O..N,j=O..N, где количество элементов N в переменных соответствует количеству элементов соответственно в строке и столбце матрицы \/. Далее задаются векторы тока і и угла поворота G как индексированные переменные ц =i-ml, 0, -j-mQ, где ml и тд -масштабные коэффициенты по току и углу поворота. Следующим этапом из векторов /, и Qj формируется матрица сетки значений аргументов размером Nx2. Выполняется это функцией augment(sort(i),sort( Q)), которая объединяет «бок о бок» два вектора в матрицу. Далее одной из трех вспомогательных сплайн-функций вычисляется массив вторых производных интерполируемой матрицы в узлах координатной сетки. Затем осуществляется интерполяция массива значений \/ и получение функции непрерывной и гладкой во всем заданном диапазоне изменения значений аргументов.
Условия устранения пульсаций момента средствами управления
Кроме этого, для двигателей НТИ-350 вместо холоднокатной электротехнической стали марки 2421 толщиной 0.27 мм с повышенным содержанием кремния применена имеющаяся на НЭВЗе анизотропная сталь марки 3413 толщиной 0.35 мм. Эта сталь с высоким содержанием кремния характеризуется наименьшими удельными потерями от вихревых токов, однако её магнитные свойства значительно различаются в направлении проката стали и в поперечном направлении. Поэтому поворот каждого последующего листа перед штамповкой для выравнивания магнитных свойств по полюсам приводит к их изменению по отношению к нормируемым свойствам на неопределённую величину. В результате используемая характеристика материала (основная кривая намагничивания стали 3413 - берется из справочных данных), которая является исходной для расчёта магнитного поля методом конечных элементов для различных угловых положений ротора и токовых нагрузок в расчётной области, может не соответствовать эквивалентной магнитной характеристике магнито провода НТИ-350.
Именно корректность и точность учета всех составляющих в расчете предопределяет точность последующего нахождения токов и электромагнитного момента. В связи с тем, что электромагнитное преобразование происходит в воздушном зазоре, то наиболее серьёзные требования по точности расчёта должны быть предъявлены к определению электромагнитных связей по-токосцеплений обмоток с токами.
Поскольку расчетные данные могут не соответствовать эксплуатационным данным, то периодически следует проводить проверку магнитных свойств материала двигателя. В связи с этим стоит задача определения реальных характеристик ц?=/(і,0) данного двигателя. Это важно не только при проведении исследовательских работ по выбору геометрии зубцовой зоны РИД, и электромагнитных нагрузок в активных частях электрической машины, но и при выборе эффективных алгоритмов управления РИД.
Выполненные предварительные расчетные исследования показали необходимость уточнения зависимостей f-ДіЗ) которые являются исходными данными для математической модели [21], [109], [ПО] - [114], [129], [122]. В [110] описаны три метода расчетно-экспериментального определения электромагнитных связей \/ =f(i,Q). Два метода основаны на измерениях при фиксированном положении ротора. В первом методе измеряется вращающий момент при питании одной фазы двигателя постоянным током и в дальнейшем определении электромагнитных связей VJ/ = f(i$). Во втором -характеристики \/ =f(i,Q) определяются при питании одной фазы двигателя переменным током. В третьем - ротор двигателя вращается с постоянной частотой вращения и питается постоянным током, для измерения индуцированного напряжения. В первых двух методах измерения и вычисления занимают продолжительное время с большими погрешностями в обработке данных, так как для получения точных характеристик, измерения необходимо повторять в большом количестве положений ротора. Кроме этого требуется специальное измерительное оборудование (силовой датчик, механическая система для зажима ротора в выбранном положении), а также должна быть известна характеристика \\f(i,Q) для положения «3 - П». В третьем методе для получения приемлемых характеристик vj/(7,9,) следует учитывать магнитные потери и пульсации частоты вращения, а также необходим сглаживающий реактор для устранения пульсаций тока.
В [122] предлагается тестовая измерительная система, с помощью которой можно получить информацию о электромагнитных связях vj/(7,6) при фиксированном положении ротора. Для того чтобы получить точные характеристики у(і,&) в этой измерительной системе накладываются определенные ограничения к аппаратной части и программному обеспечению, которое служит для связи аппаратных средств и для обработки данных. Требуется специальное измерительное оборудование (модуль тензодатчика, шаговый двигатель для установки ротора в нужное положение, специальный блок питания).
Поэтому ниже рассмотрены методы определения указанных характеристик РИД, в основе которых лежит компьютерная обработка результатов специально поставленных экспериментов позволяющие относительно точно и быстро без использования дополнительного измерительного оборудования получать информацию о магнитной системе РИД. Описанные методы носят общий характер и могут быть применены для определения характеристик магнитной системы любого индукторного двигателя.
С целью определения электромагнитных связей потокосцепления с током, ротор исследуемой машины фиксируется в выбранном угловом положений Э с помощью специального устройства. На полумуфту двигателя установлен рычаг, который опирается на телескопическую стойку, имеющую несколько дискретных положений для смещения зубца ротора относительно полюса статора.
Для двигателей с симметричной формой зубцов ротора и статора достаточно проведения измерений в диапазоне от нуля эл. град, до 180: от положения "3 - П" до положения "3 - 3". Одна из трех фаз двигателя питается от инвертора напряжения однопо-лярными импульсами тока (рис. 2.21).
При формировании токов фазной обмотки управление силовыми приборами инвертора напряжения осуществлялось с использованием имитатора частоты вращения, который собран на 8-ми разрядном однокристальном микроконтроллере типа AT 89С2051 и подключен вместо датчиков положения ротора к системе управления (см. рис. 2.21). Система управления по сигналам имитатора частоты вращения осуществляет коммутацию силовых приборов с заданной частотой. Для уменьшения влияния потерь в стали на протекающие процессы, питание фазной обмотки желательно осуществлять низкой частотой [110]. В рассматриваемом случае имитатор был настроен на частоту 50 Гц. Амплитуда фазного тока ограничивалась напряжением питания фазы.
При поступлении сигнала от имитатора на включение питания фазы устройство управления обеспечивает подачу импульсов управления для одновременного отпирания полупроводниковых ключей VTH И VTI (см. рис. 2.21). Ток в обмотке начинает нарастать (рис 2.22). После отработки Уг периода устройство управления одновременно подает импульс на запирание обоих ключей и ток, протекая по обратным диодам VDH и VDL, спадает до нуля. На рис.2.22 представлены осциллограммы тока и напряжения обмотки для разных положений ротора угол «0» соответствует положению «3 - П». Осциллографирование мгновенных значений тока обмотки и напряжения осуществлялось аналого-цифровым преобразователем типа L-1250 с датчиков тока типа LTIO00-S1/SP5B и напряжения типа CF3-2000 (точность измерений в диапазоне температур от 0 до 70С - 0,5%)..
Классификация и анализ стратегий управления ВИЭП
Традиционно особенностью питания фазных обмоток двигателя считается наличие в каждом периоде временных пауз в подаче напряжения на фазную обмотку. В течение этой паузы в обмотке не протекает ток (см. рис. 2.34, 2.35).
При работе РИД на «средних» и «высоких» частотах вращения с ростом длительности положительного импульса напряжения р 180 происходит исчезновение безтокового промежутка между токовыми волнами соседних циклов работы любой из фаз. Это приводит к тому, что момент затухания тока совпадает с началом следующего токового цикла той же фазы, В результате этого исчезает безтоковый промежуток. Дальнейшее увеличение длительности положительного импульса напряжения (угла (3) приведёт к тому, что ток фазы в конце периода спадает не до нуля, а до какого-то значения, которое является начальным током следующего периода той же фазы. Таким образом, появляется ток подмагничивания магнитной системы, который вызывает повышение амплитуды тока в фазной обмотке до тех пор, пока ток не достигнет ограничительной уставки тока.
На рис.2.38, 2.39 представлены осциллограммы токов и ДПР с подмаг-ничиванием магнитной системы двигателя — 1подм=\5 А (двигательный режим при 1тах=950 А, р=193), /пОй«=40 А (генераторный режим /тлх=850 А, Р=200) при «=1800 мин"1. в электроприводе с РИД в широком диапазоне мощностей, в том числе и с подмагничиванием магнитной системы двигателя, обладает высоким быстродействием. Расхождение расчетных и экспериментальных мгновенных значений напряжений, токов и электромагнитного момента не превышает 2...5%. Это позволяет использовать компьютерную модель для исследования влияния параметров и алгоритмов управления на характеристики ВИЭП и синтеза законов управления. 2. Решение системы дифференциальных уравнений осуществляется универсальной математической системой MathCAD, которая имеет мощные средства для реализации численных методов расчета и математического моделирования в сочетании с возможностью выполнения многих операций символьной математики (компьютерной алгебры). Всё это дополняется развитыми средствами визуализации вычислений - от представления исходных данных и результатов вычислений в естественном математическом виде до наглядной графической интерпретации. 3. Для минимизации погрешности расчета электромагнитных процессов в РИД предложено использовать экспериментальные методы определения зависимости потокосцепления от тока для разных значений углового положения ротора, которые позволяют уточнить электромагнитные связи потокосцеплений с токами обмоток двигателя для последующих расчетов. Отмечено, что для метода, при котором измеряется ток и напряжение фазы при вращающемся роторе с последующим нахождением потокосцепления, характерен компромисс между простотой реализации и точностью получаемых результатов расчета. 4. Моделирование процессов в ВИЭП позволяет определять параметры и производить выбор силовых электронных приборов 4q-S преобразователя и инвертора напряжения, дросселя 4q-S, конденсатора фильтра. Кроме этого, учет падения напряжения на силовых элементах повышает точность расчета процессов в ВИЭП. Пульсации электромагнитного момента относят к числу главных недостатков реактивного индукторного двигателя [25]. Электромагнитный момент, создаваемый одноименными фазными по люсами, имеет пульсирующий характер. Увеличение числа фаз РИД явля ется наиболее существенным фактором снижения величины пульсаций ре зультирующего момента. Однако сложный, зависящий от многих факторов, характер угловой зависимости фазного момента не позволяет только за счет подбора числа фаз решить проблему пульсаций. Кроме того, изменение по мере разгона двигателя формы тока, и как следствие, угловой зависимости магнитного потока полюса и развиваемого полюсом момента делает практически невозможным нахождение универсального решения проблемы пульсаций во всем диапазоне работы вентильно-индукторного электропривода. Особую актуальность проблема пульсаций приобретает в случае использования РИД в качестве тягового двигателя на электротранспорте. По-вышенныи уровень пульсаций ухудшает использование сцепного веса при трогании и может способствовать появлению резонансных явлений и усталостных разрушений элементов тяговой передачи. Настоящая глава посвящена разработке мер по снижению пульсации момента в разных режимах работы РИД. Условия работы тяговой передачи определяются рядом факторов. Во-первых, основное целевое назначение тягового привода — преобра зование и передача потока мощности от источника энергии к движителю. При этом основные показатели, определяющие нагрузку элементов передачи, непостоянны по абсолютному значению и во времени. В зависимости от режима ведения поезда мощность, реализуемая приводом, тяговый момент и частота вращения могут изменяться в широких пределах. Кроме того, в процессе работы тяговой передачи возможно изменение направления вращения и направление потока мощности. Первое наблюдается при изменении направления движения экипажа, второе - при переходе от тяги к электрическому торможению. Последовательная работа зуба зубчатой передачи то в режиме ведомого, то в режиме ведущего затрудняет, в частности, приработку его боковых поверхностей [124].
Во-вторых, уровень динамических нагрузок, как отмечается в [139], в тяговых зубчатых передачах локомотивов определяется взаимодействием двух основных групп силовых факторов, к которым относятся возникающие при движении локомотива в режиме тяги силы и моменты электромагнитного происхождения и воздействующие со стороны путевой структуры. Зубчатые передачи воспринимают воздействия обеих групп силовых факторов, так как к шестерне приложен активный момент тягового электродвигателя, а на зубчатое колесо непосредственно передаётся момент от касательного усилия в контакте "колесо - рельс".
В-третьих, реализация больших значений силы тяги сопровождается боксованием колесных пар, т.е. срывом сцепления колеса с рельсом, его развитием и восстановлением сцепления. Поскольку нагрузка, связанная с реализацией силы тяги, является полезной, то стремятся повысить её до значения, предельного по сцеплению, на что и должна быть рассчитана передача.
В процессе боксования возможны как апериодические, так и периодические динамические режимы, в том числе и с нагрузкой, превышающей предельную по сцеплению. Такой режим, как правило, возникает при трога-нии или на низких частотах вращения, когда тяговая характеристика двигателя позволяет развивать большие моменты. При неблагоприятном стечении обстоятельств этот режим может стать причиной повреждения тяговой передачи из-за высокого уровня нагрузок. В этом случае основным возмущающим фактором является электромагнитный момент, действующий на вал ротора, который передается через резинокордную муфту на шестерни и далее, через большие зубчатые колеса, на ось колесной пары. Вследствие того, что тяговая характеристика падающая, влияние этого фактора на общий уровень нагрузки с ростом скорости уменьшается. Но появляются возмущения другого рода, которые определяются, в первую очередь, пульсацией результирующего момента двигателя РИД, а точнее - амплитудой и частотой этих пульсаций, которые с ростом скорости увеличиваются. Динамические процессы, вызванные ими при условии постоянства скорости движения, носят в основном стационарный (устойчивый во времени) характер, а с ростом скорости, как правило, проявляются в большей степени. В силу высокой частоты пульсаций результирующего электромагнитного момента повторяемость их высока и они могут стать главной причиной усталостных разрушений элементов передачи [124].
