Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технических характеристик и схемных решений приводов вспомогательных механизмов тягового подвижного состава 10
1.1. Общая характеристика систем охлаждения локомотивов 10
1.2. Классификация и основные характеристики приводов систем охлаждения энергетических установок тепловозов 14
1.3. Регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем вспомогательных механизмов тепловозов 17
1.4. Особенности регулируемых электроприводов вспомогательных механизмов электровозов переменного тока 31
1.5. Общие сведения об электроприводе с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор 37
1.6. Результаты анализа, постановка задач исследования 3 9
2. Разработка математической модели электропривода 42
2.1. Схема замещения электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, соответствующая статическим режимам работы 42
2.2. Выбор математической модели асинхронного электродвигателя, описывающей переходные процессы 46
2.3. Дифференциальные уравнения электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор 58
2.4. Дифференциальные уравнения вспомогательного электропривода поворота статора 68
Выводы 72
3. Разработка алгоритмов управления электроприводом с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор 73
3.1. Динамические свойства электропривода с поворотным статором 74
3.2. Анализ частотных характеристик 87
3.3. Синтез системы управления скоростью вращения электропривода с поворотным статором 91
3.4. Синтез системы управления электропривода поворота статора 102
Выводы 112
4. Экспериментальные исследования электропривода с поворотным статором 114
4.1. Экспериментальная установка для проведения исследований 114
4.2. Измерительные устройства и аппаратура 117
4.3. Разработка принципиальной схемы электропривода поворота статора 120
4.4. Результаты экспериментальных исследований и верификация математической модели 125
Выводы 133
5. Технико-экономическая оценка эффективности применения разработанного электропривода в системах охлаждения 134
Основные результаты и выводы 142
Список литературы 144
Приложения
- Общая характеристика систем охлаждения локомотивов
- Схема замещения электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, соответствующая статическим режимам работы
- Динамические свойства электропривода с поворотным статором
- Экспериментальная установка для проведения исследований
Введение к работе
Асинхронные двигатели, благодаря своим несомненным преимущест
вам, широко применяются на транспорте для привода вспомогательных агре
гатов — вентиляторов, насосов, компрессоров. В автоматических системах ре-
гулирования электропривод с асинхронным двигателем вместе с вспомога
тельными агрегатами выполняет функцию исполнительно-регулирующего
устройства. Поэтому кроме общетехнических требований к нему должны
предъявляться специфические требования какк элементу автоматики. Извест
но, что по своим технико-экономическим показателям автоматические систе
мы регулирования непрерывного действия выгодно отличаются от систем ре
лейного действия. Вместе с тем, применяемые в настоящее время на,подвиж
ном составе виды электропривода вспомогательных агрегатов не обеспечива
ют плавного изменения-регулирующих воздействий. Широкое использование
известных видов регулируемого^ электропривода с асинхронным двигателем,
разработанных в России и за рубежом, в настоящее время сдерживается в силу
ряда, причин. '
В связи с этим, задача разработки и, исследования регулируемого электропривода вспомогательных агрегатов подвижного состава на-'базе асинхронного электродвигателя, имеющего поворотный статор, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование регулируемого электропривода вспомогательных агрегатов с вентиляторным моментом сопротивления на базе асинхронного электродвигателя с поворотным статором для подвижного состава.
Достижение указанной цели определило следующие основные задачи диссертационной работы:
Общая характеристика систем охлаждения локомотивов
Одним из резервов повышения экономичности локомотива и увеличения мощности для тяги является снижение затрат мощности на вспомогательные нужды. Снижения затрат можно добиться, если повысить экономичность и надежность вспомогательных агрегатов или снизить потери в системе приводов, чтобы обеспечить наиболее экономичный режим работы вспомогательных систем в зависимости от условий работы тяговых агрегатов и энергетических установок локомотива.
Расход мощности на привод вспомогательных агрегатов и механизмов локомотива (вентиляторы, компрессор, вспомогательный генератор, насосы и т. д.) составляет 9-12% и более общей мощности локомотива (табл. 1.1). В качестве примера систем охлаждения приведены системы охлаждения тепловоза ТЭП70 (рис. 1.1) и электровоза ВЛ85 (рис. 1.2). І Системы охлаждения энергетической установки и тяговых электрических машин локомотива рассчитывают на критический режим, при котором энергетическая установка и электрооборудование работают с полной отдачей мощности, а температура наружного воздуха 50 С [105]. Подобные режимы во время работы локомотива встречаются редко, поэтому для повышения экономичности работы охлаждающих устройств на промежуточных режимах их оборудуют системами автоматического регулирования температуры (САРТ).
Особенностью вентиляторов является увеличение потребляемой мощности при росте частоты вращения рабочего колеса, так как мощность, потребляемая вентилятором, зависит от частоты вращения в третьей степени, в то время как производительность пропорциональна частоте вращения рабочего колеса вентилятора. При снижении температуры окружающего воздуха по
Существуют тепловозы с приводами вентиляторов самых разных типов, конструкций и систем регулирования. Классификация основных систем регулирования охлаждающих устройств приведена на рис. 1.5.
Механический нерегулируемый привод применяется на маневровых тепловозах, например на тепловозе ТЭ1. Вентилятор получает вращениеот дизеля тепловоза при помощи клиноременной передачи. Включают и выключают вентилятор вручную - рукояткой, воздействующей на фрикционную муфту. Главный недостаток такого привода - отсутствие возможности регулирования скорости вращения вентиляторного колеса. Этот недостаток становится более существенным для магистральных тепловозов большой мощности [102]. і
Механический привод с ограниченным (ручным) регулированием, является релейным. В процессе совершенствования механического нерегулируемого привода в его конструкцию стали вводить фрикционные, электромагнитные и другие типы муфт, управляемых при помощи термореле и вручную. Подобный привод на тепловозе ТЭЗ имеет две скорости (зимний и летний режимы). Основной недостаток привода - значительный перерасход энергии на охлаждение, обусловленный периодическим включением / выключением регулятора. При ручном управлении вентилятором происходит снижение экономичности и моторесурса дизеля, усложнение работы машиниста, который за поездку включает и выключает вентилятор в среднем несколько десятков раз. Это приводит к преждевременному износу дисков муфты сцепления.
Применение электромагнитной порошковой муфты (ЭПМ) обеспечивает плавное нарастание частоты вращения вентилятора. В ней нет изнашивающихся дисков фрикционной муфты. Однако ЭПМ позволяет реализовывать только одну частоту вращения вентилятора. Для изменения частоты вращения необходимо устанавливать несколько муфт. В приводе вентилятора тепловоза ТЭ10 две ЭПМ и сложный редуктор: возможно автоматическое переключение с летнего режима на зимний.
Привод с гидродинамической муфтой имеет гидромуфту в качестве регулируемого звена привода вентиляторов охлаждения. Была изготовлена и испытана гидромуфта с переменным наполнением, которая послужила прототипом для муфт привода вентилятора холодильника тепловозов [58]. Применение гидромуфт повысило экономичность привода вентиляторов и автоматизировало процесс управления, однако не устранило недостатки в компоновке холодильников. Проходы в шахтах холодильника, как и на тепловозах ТЭЗ, остались занятыми валопроводами и редукторами, мешающими бригаде свободно двигаться.
Гидрообъемный привод является более удобным в монтаже, позволяет плавно регулировать скорость вращения; одновременно с этим он требует на личия специальных гидромашин, устройств, фильтрующих рабочие жидкости привода и управляющие их перепуском для регулирования скорости вращения.
Электропривод вспомогательных механизмов обладает многими положительными качествами: значительным сроком службы и большой надежностью электрических машин, удобством компоновки и монтажа электрооборудования на локомотиве, возможностью регулирования частоты вращения, простотой обслуживания и ремонта, малым износом деталей привода. При этом электропривод переменного тока проще, дешевле и надежнее электропривода постоянного тока.
Технический прогресс в области регулируемого электропривода с асинхронным двигателем стал возможным с появлением мощных полупроводниковых элементов — тиристоров (однооперационные и запираемые) и транзисторов (полевые и биполярные с изолированным затвором).
Схема замещения электропривода с асинхронным двигателем, имеющим поворотный статор, соответствующая статическим режимам работы
Основные успехи в теории электрических машин на всех ее этапах истории были связаны с развитием математических моделей [37]. Первый этап развития теории электромеханического преобразования энергии был связан с уравнениями установившихся режимов. Процессы преобразования энергии в электрических машинах в установившихся режимах описываются общеизвестными комплексными уравнениями [33, 36, 37, 116].
Без большой погрешности намагничивающую ветвь схемы рис. 2.1, а можно вывести на выводы напряжения сети; соответствующая этому допущению схема замещения фазы асинхронного электродвигателя представлена на рис. 2.1, б. Ошибка, вносимая этим допущением невелика потому, что в схеме рис. 2.1, б, не учитывается лишь влияние падения напряжения на сопротивлениях обмотки статора от намагничивающего тока /„ на определяемый схемой ток ротора [33].
Следующим шагом в развитии теории электромеханического преобразования энергии явилось создание математических моделей, описывающих; динамические режимы [21]. Дифференциальные уравнения синхронных машин появились еще в конце 30-х годов в работах Р. Парка и А.А. Горева. Важное значение имели работы Г. Крона, который в это же время написал уравнения динамики для обобщенной электрической машины [32, 37, 38]. Геометрическим образом уравнений электромеханического преобразования энергии является модель простейшей электрической машины, показанная на рис. 2.2.
Если к модели, показанной на рис. 2.2, добавить представление о том, что вся энергия магнитного поля в электрических машинах концентрируется в воздушном зазоре, а за счет сдвига токов во времени и обмоток в пространстве создается круговое поле, получается общая картина, отражающая процессы электромеханического преобразования энергии. Математическая модель на базе дифференциальных уравнений значительно богаче схем замещения и векторных диаграмм, и адекватно отражает процессы электромеханического преобразования энергии. Все напряжения и токи в ней образуют единую идеальную систему, которая при определенных условиях (пространственный сдвиг обмоток — 90 и временной сдвиг токов — 90 эл. град.) находится в электромеханическом резонансе, когда электрическая энергия преобразуется в механическую и обратно с максимальными энергетическими показателями. Любые произведения токов и напряжений в математической модели (рис. 2.2) имеют физический смысл [37]. Сумма произведений isausa +ispusp определяет активную мощность, потребляемую из сети (режим двигателя) или отдаваемую в сеть (режим генератора); разность произведений isnusa — isausn определяет реактивную мощность электрической машины. Дальнейшее развитие математических моделей связано с описанием процессов преобразования энергии для многофазной машины с бесконечным числом гармоник и бесконечным числом контуров на статоре и роторе. Была предложена математическая модель обобщенного электромеханического преобразователя (рис.2.3, а) [37].
Большинство двигателей является многофазными электрическими машинами, что усложняет математическое описание переходных процессов, так как увеличение числа фаз приводит к увеличению числа уравнений электрическо 49 го равновесия, что усложняет электромагнитные связи. Поэтому во всех случаях, когда это возможно, стремятся сводить анализ процессов в многофазной машине к анализу тех же процессов в эквивалентной двухфазной машине [33]. Обобщенная электрическая машина является упрощенной моделью реальной машины. В реальной машине обмотки уложены в пазах статора и ротора, а это вызывает несинусоидальность магнитодвижущих сил (мдс) обмоток, с одной стороны, и неравномерность воздушного зазора — с другой.
В обобщенной машине сосредоточенные в пазах проводники с током заменяются синусоидальными токовыми слоями, эквивалентными по мдс первым гармоникам мдс соответствующих реальных обмоток, а неравномерность, обусловленная пазами, не учитывается. При анализе динамических процессов в обобщенной электрической машине принимается, что магнитная цепь не насыщается. В основу математического описания модели асинхронного двигателя положены дифференциальные уравнения электрического и механического равновесия, а также уравнения преобразования электромагнитной энергии в механическую. Точное описание реальной асинхронной машины, представляющей собой совокупность сложных электрических цепей с различной магнитной проницаемостью, оказывается очень сложной задачей, так как определить электромагнитное поле в любой, даже самой простой машине практически невозможно. Расчеты электромагнитного поля базируются на основе уравнений Максвелла. При разработке моделей пользуются упрощенным представлением о физических процессах в машине, приближенно учитывая, а в некоторых случаях и вообще не рассматривая влияние меняющегося насыщения магнитной цепи, эффекта вытеснения тока, потерь в стали и других факторов. Уравнения, записанные с учетом таких допущений, являются приближенной математической моделью реальной машины, но в большинстве случаев они описывают явления в машине и ее поведение с достаточной для практических целей точностью, если правильно определены основные параметры машины. В зависимости от особенностей анализируемых явлений степень приближения может быть различной. Поэтому принятые допущения должны быть четко оговорены, а их приемлемость обоснована [21].
Динамические свойства электропривода с поворотным статором
Полученная ранее система дифференциальных уравнений (2.49) электропривода, описывающих его электромеханические свойства, является нелинейной, и решение ее для различных динамических режимов работы может быть выполнено с использованием численных методов. Нелинейность уравнений вызвана квадратичной зависимостью электромагнитного момента от напряжения, нелинейной связью между моментом и значением угла поворота статора, наличием в уравнениях произведения переменных даже при работе электропривода с постоянной скоростью.
Высокий порядок уравнений не является помехой при использовании численных методов. Вместе с тем при синтезе систем управления асинхронным электродвигателем целесообразно располагать простыми и наглядными динамическими моделями электродвигателя в виде передаточных функций или структурных схем. Вследствие характера своих нелинейностей электропривод с асинхронным двигателем может быть линеаризован только «в малом», когда предполагаются небольшие отклонения переменных величин от установившихся значений [6, 116]. При этом каждая переменная величина представляется в виде постоянного вектора и небольшого вектора приращения, а дифференциальные уравнения записываются в приращениях относительно заданной точки равновесия - определенной точки механической характеристики с координатами Ми s. Изучение динамических свойств замкнутых систем управления с асинхронным электродвигателем «в малом» представляет существенный интерес, так как этот режим является характерным для замкнутых систем, поддерживающих, стабилизирующих какой-либо параметр, в частности, скорость двигателя при изменении возмущающих воздействий (момент сопротивления Мс, кратковременное изменение напряжения статора щ, изменение частоты fs питающего напряжения), или отрабатывающих! небольшие приращения управляющих параметров (угол поворота статора ср).» Сравнительно простая структурная схема может быть получена, если пренебречь активным сопротивлением статорной цепи, т.е положить Rs — 0. Такое допущение применимо для систем с небольшим диапазоном регулирования скорости относительно синхронной скорости, для электродвигателей средней и большой мощностей [6, 15, 33,114, 123].
Известно немало работ, где приводятся передаточные функции асинхрон ного двигателя, линеаризованного в приращениях [43, 95; 121]. Все они отли чаются порядком уравнения, видом воздействия; выходной координатой, чаще всего они получены длякороткозамкнутого двигателя, работающего с около синхронной скоростью. I
В качестве исходных воспользуемся уравнениями обобщенного двигателя (2.40), записанными в синхронно вращающейся системе координат (а)к = й)0эл) Считаем, что модуль входной величины (угол поворота статора т, напряжение питания us, частота питающего напряжения , скорость вращения рото 77 pa со (со = cor /p„)) представляет собой сумму основного угла поворота статора ср, напряжения us, частоты питающего напряжения скорости вращения ротора со, обеспечивающего установившееся значение момента М, и приращений А р, Ли„ Afs, Лео, создающих переменный момент AM, который и определяет динамические свойства электропривода. При такой постановке задачи под передаточной функцией электропривода понимается отношение изображения скорости или момента к вызвавшему их приращению угла поворота статора, напряжения, момента сопротивления, частоты напряжения.
Кроме того, из системы (3.6) для установившегося режима работы (когда все производные равны нулю) определяем исходные значения потокосцепле-ний Vsiai V/sipi 4 s2a2 VS2p2 токов hahhpi соответствующих заданной точке равновесия.
Знаменатель всех передаточных функций (3.32) - (3.34) представляет собой полином седьмой степени (это определяется степенью знаменателей всех передаточных функций (3.24) - (3.27)), в то время как числитель - пятой степени при действии возмущений со стороны напряжения питания и его частоты и шестой - при регулировании скорости углом поворота статора. Анализ по 85 лученных выражений свидетельствует о том, что большая степень числителя передаточной функции (3.32) определяется более высокой степенью числителя передаточной функции (3.24), а это объясняется изменением именно угла поворота статора. Так как в последние два уравнения системы уравнений (3.5) входят производные потокосцеплений, включающих в себя угол поворота статора, то это и приводит к появлению производной переменной угла поворота статора в уравнениях системы (3.6).
Экспериментальная установка для проведения исследований
Ориентация на методы численно-аналитического исследования без широко поставленного эксперимента недостаточна и не может обеспечить полноценных результатов при решении задач разработки математических моделей и проектирования новых систем управления [11, 12, 31].
Экспериментальные исследования электромеханических переходных процессов электропривода с асинхронным двигателем представляют особый интерес, поскольку теоретические исследования сопряжены с определенными трудностями, требуют принятия ряда допущения. Кроме того, экспериментальные исследования позволяют практически подтвердить адекватность разработанной модели, проверить правомерность принятых при анализе допущений и упрощенных расчетных схем, а также справедливость исходных положений теории.
С целью экспериментального исследования электропривода с поворотным статором на кафедре «Локомотивы» Брянского государственного технического университета с участием автора разработана и изготовлена экспериментальная установка, функциональная схема которой приведена на рис. 4.1, а общий вид показан на рис. 4.2.
В состав установки входят асинхронные электродвигатели ДІУПТ 012-06 (Ml и М2), цепи статоров которых подключены к общему источнику электроэнергии щ, цепи роторов соединены последовательно посредством сопротивлений R#, валы роторов соединены при помощи упругой втулочно-пальцевои муфты; нагрузочный механизм - центробежный вентилятор ВО; электропривод поворота статора (сервопривод), состоящий из двигателя постоянного тока Д (серводвигатель) и системы управления его выходной координаты. Регулирование скоростью и положением двигателя Д осуществляется за счет приме і
115 нения широтно-импульсного преобразователя ШИП, подключенного к выпрямителю В. Передача момента с вала ротора двигателя Д на поворотный статор асинхронного двигателя М2 происходит через понижающий цилиндрический редуктор ЦР и сегмент червячной передачи ЧР. Измеряемыми параметрами являются скорость вращения вала вентилятора (роторов двигателей Ml и М2), информация о которой поступает с датчика скорости ДС2; угол поворота статора машины М2, информация о котором поступает с фотоимпульсного датчика ФД; токи в фазах статоров и роторов асинхронных двигателей, информация о которых поступает с датчиков тока (на рис. 4.1 не показаны).
В процессе испытаний питание асинхронных двигателей осуществляется от синхронного генератора типа ДГС-92 мощностью 60 кВт с приводом от асинхронного электродвигателя. Перед пуском в обмотке генератора устанавливался ток возбуждения. Частота напряжения регулируется путем регулирования угловой скорости асинхронного электродвигателя, напряжение на статор которого поступает с полупроводникового преобразователя частоты Triol АТ005, реализующего алгоритмы скалярного управления.
Для повышения точности регулирования положения двигателя Д применена подчиненная система регулирования, для функционирования которой необходимо иметь сведения о токе, протекающем в обмотке якоря, и скорости вращения его вала. Для этих целей предусмотрены датчик тока ДТ и датчик скорости ДС1.
Для того чтобы автоматизировать испытания, в частности, изменять входные данные исследуемого электропривода, в экспериментальной установке используется ЭВМ. Воздействие на угол поворота статора оказывается за счет изменения напряжения на якоре двигателя Д, которое происходит посредством регулирования продолжительности открытого/закрытого состояния ключей ШИП, импульсы управления на которые поступают через драйверы, і
Сигналы с датчиков поступают на многофункциональную плату аналогово-цифрового преобразования JTA-2USB-12 (MF) производства ЗАО «Руднев -Шиляев» [14] и с нее на персональный компьютер. Данная плата содержит 32 однополюсных /16 дифференциальных аналоговых входов с максимальной частотой дискретизации 500 кГц, два канала аналогового вывода с разрешением 12 бит, 8 каналов цифрового ввода, 8 каналов цифрового вывода (цифровые линии ввода/вывода имеют ТТЛ совместимый уровень). Данное устройство не нуждается во внешнем источнике питания, так как запитывается по шине USB, по которой и осуществляется обмен информацией с компьютером.
Для управления драйверами используется цифровой порт платы ЛА 2USB-12. і Для сбора и хранения данных имеется поставляемое в комплекте с ЛА-2USB-12 программное приложение Saver2. Приложение позволяет осуществлять выбор каналов для сбора информации, изменять частоту по каналам, а также содержит осциллограф.
В качестве датчиков тока используем датчики тока ACS712 производства фирмы Allegro Microsystems. Датчики предназначены для измерения постоян 118 ного и переменного тока, частотой до 50 кГц, основаны на эффекте Холла, интегрированы в малогабаритный корпус SOIC8, имеют гальваническую развязку с напряжением пробоя 2,1 кВ, ошибка измерения - 1,5 % (при температуре ТА = 25 С). В качестве датчика обратной связи по току якоря сервопривода используем датчик тока, рассчитанный на номинальный ток 1н = 5 А ACS712ELCTR-05B, для измерения фазных токов обмоток асинхронных машин используем датчики, рассчитанные на 1н = 20 A ACS712ELCTR-20A.
Принципиальная схема электропривода поворота статора показана на рис. 4.8. Для привода поворота статора используется двигатель постоянного тока независимого возбуждения MSZ1520. Регулирование его координат осуществляется посредством широтно-импульсного преобразователя ШИП, состоящего из IGBTIRG4PC30FD. Напряжение на преобразователь поступает с трансформатора ТрЗ, во вторичную обмотку которого включен неуправляемый выпрямительный мост GB15M (VD5) и сглаживающий конденсатор С4. Обмотка возбуждения ML2 получает питание от трансформатора Тр2, во вторичную обмотку которого включен неуправляемый выпрямительный мост и сглаживающий конденсатор С9.
В систему управления широтно-импульсным преобразователем напряжения на якоре двигателя постоянного тока Ml Л входят драйверы полумоста IR2110 (DA1 и DA2), оптопары 4N32 (VL1, VL2), датчик тока ACS712ELCTR-05В-Т. Выходной каскад оптопары питается напряжением 15 В, предоставляемого источником питания собственных нужд, представляющего собой трансформатор ТПП-224-127/220-50 (Tpl), во вторичные обмотки которого включены неуправляемые выпрямительные мосты DB107 (VD2 - VD4) и сглаживающие конденсаторы С1 — СЗ. Это напряжение полностью развязано от напряжения, снимаемого с цифровых портов платы аналогово-цифрового преобразования.
Входные резисторы R2 и R3 оптрона рассчитываются исходя из предельно допустимого тока цифровых портов платы АЦП и минимально допустимого тока оптронов. Исходя из рекомендаций, приведенных в [14], принимаем величину тока, протекающего по цепи «цифровой вывод платы АЦП — вход оптрона» 3 мА.
Резисторы R6 - R9 являются ограничителями тока заряда входной емкости ключа. С учетом того, что амплитуда импульса управления составляет 15В, а максимальный выходной ток драйвера 2А, принимаем номиналы этих резисторов 10 Ом.
Емкости С5 - С8 принимают рекомендуемые производителем значения 1мкФ. Общий вид электропривода поворота статора и системы его управления показаны на рис. 4.9 и 4.10. В целях безопасности рабочее напряжение обмотки якоря и обмотки возбуждения ограничивалось на уровне 50 В.
При разработке программного обеспечения используется язык программирования C++. Программа работает по сигналам прерывания, поступающим с модуля АЦП. Частота прерываний фиксирована, составляет 60 кГц. С многофункционального модуля поступает информация о текущих значениях тока якоря, скорости поворота статора, скорости вращения вала ротора асинхронной машины и текущем положении угла поворота статора (фотоимпульсный датчик установлен на валу двигателя постоянного тока).
