Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Тенденции повышения использования силы сцепления колёс локомотива с рельсами. Состояние исследуемых вопросов и особенности управления 11
1.1 Тенденции повышения использования силы сцепления колёс локомотива с рельсами 12
1.2 Состояние исследуемых вопросов 16
1.3 Особенности управления тяговым электроприводом и его реализации при независимом возбуждении 18
1.4 Принятые концепции реализации силы тяги электровозов с двигателями независимого возбуждения 20
1.5 Выравнивание токов тяговых двигателей при независимом возбуждении 26
Постановка задач 33
Глава 2 Концепция управления коллекторным электроприводом не зависимого возбуждения электровозов переменного тока 36
2.1 Особенности механической характеристики двигателя постоянного тока 36
2.2 Отыскание целесообразного способа управления вращающим моментом тягового электропривода при независимом возбуждении 39
Выводы по главе 2 46
Глава 3 Алгоритм управления электромагнитным моментом тяговых электродвигателей с независимым возбуждением 48
3.1 Возможности адаптации тягового электропривода к изменяющимся условиям работы электровоза 48
3.2 Выбор системы независимого возбуждения 51
3.3 Оценка противобоксовочных свойств ЭПС с двигателями независимого возбуждения 54
3.4 Описание блок-схемы управления электромагнитным моментом тяговых электродвигателей с независимым возбуждением 56
Выводы по главе 3 61
Глава 4 Анализ особенностей многомоторного электропривода с независимым возбуждением тяговых двигателей на электровозах переменного тока 63
4.1 Увеличение силы тяги с помощью стабилизации магнитного потока тяговых двигателей
4.2 Преимущества и недостатки многомоторного электропривода с автономными возбудителями 77
4.3 Адаптация многомоторного электропривода к текущим условиям работы 79
4.4 Коррекция токов возбуждения и выравнивание нагрузок 83
4.5 Имитационная модель многомоторного электропривода с независимым возбуждением 85
Выводы по главе 4 89
Глава 5 Математическое моделирование управления электроприводом с тяговыми двигателями независимого возбуждения 91
5.1 Описание компьютерной модели тягового электропривода с независимым возбуждением
5.2 Методика и программа тестирования математической модели многомоторного тягового электропривода 103
5.3 Результаты тестирования математической модели тягового электропривода 104
Выводы по главе 5 118
Заключение 120
Список использованной литературы
- Особенности управления тяговым электроприводом и его реализации при независимом возбуждении
- Отыскание целесообразного способа управления вращающим моментом тягового электропривода при независимом возбуждении
- Выбор системы независимого возбуждения
- Преимущества и недостатки многомоторного электропривода с автономными возбудителями
Введение к работе
Дано математическое обоснование управления моментом коллекторного тягового электропривода при независимом возбуждении на электровозах переменного тока.
Аналитически показаны возможные случаи потери управления движением ЭПС при независимом возбуждении ТЭД при определённых сочетаниях напряжения на якоре, скорости и тока возбуждения, что в числе других причин приводило к неудачным попыткам применить это возбуждение на электровозах переменного тока.
Устойчивая работа тягового электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением в режимах тяги может быть обеспечена путём изменения напряжения на якорях тяговых двигателей, а цепь возбуждения используется для целей адаптации двигателей к условиям движения и напряжению в контактной сети.
Теоретически показано, что дифференциальный коэффициент передачи прямой цепи авторегулирования моментом посредством изменения напряжения на якоре при независимом возбуждении не зависит от параметров режима, а изменяется пропорционально току возбуждения.
При скорости движения, меньше номинальной, ток возбуждения достаточно удерживать неизменным на уровне номинального или максимально возможного значения по условиям нагрева обмотки возбуждения, а на большой скорости слежение за устойчивостью работы удобно вести по углу регулирования ВИПа.
Путём сравнения жёсткостей механических характеристик двигателей теперь и математически доказано значительное преимущество независимого возбуждения перед последовательным.
Групповое возбуждение тяговых двигателей в многомоторном электроприводе снижает суммарное тяговое усилие, приводит к перегреву отдельных двигателей и повышает вероятность боксования или юза наиболее нагруженных колесных пар, требует применения дорогостоящего дополнительного электрооборудования. Поэтому для выравнивания нагрузок целесообразно применение индивидуальных возбудителей для каждого тягового двигателя.
Индивидуальное возбуждение тяговых двигателей позволит выполнять цепи возбуждения с пониженным напряжением питания, вывести из силовых схем ряд дорогостоящего высоковольтного электротехнического оборудования и снизить материальные и энергетические затраты в обмотках возбуждения.
Дано математическое описание соотношений моментов, токов якорей, и токов возбуждения тяговых двигателей постоянного тока с индивидуальным возбуждением в многомоторном тяговом электроприводе.
Разработан и предложен алгоритм управления моментами тяговых двигателей с индивидуальным возбуждением в многомоторном тяговом электроприводе.
Актуальность темы. В условиях реформирования отрасли железнодорожного транспорта в настоящее время одной из важнейших целевых программ является «Стратегия развития транспортного машиностроения Российской федерации в 2007-2010 годах и на период до 2015 года», утвержденная приказам Минпромэнерго России от 18 сентября 2007 года № 391 на основании поручения Правительства РФ от 17 августа 2007 года № СИ-П9-4082, в которой определены конкретные требования к электроподвижному составу 2015 года: повышение производительности локомотива на 18,2%; увеличение межремонтного пробега локомотивов в 1,5 раза; сокращение удельного расхода электроэнергии на 5%.
При создании новых видов магистральных электровозов с бесколлекторными асинхронными и вентильными (синхронными) электроприводами выявился ряд проблем как в силовой части, так и в системах управления, подтверждением чего являются результаты испытаний скоростного электропоезда «Сокол», электропоезда ЭНЗ, электровозов ВЛ80В, ВЛ80А, ВЛ86Ф, промышленного электровоза НПМ2 с отечественными тяговыми преобразователями и системами управления, а также электровозов ЭП10 с импортными тяговыми преобразователями и системами управления.
В то же время отечественный электропривод с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД) в настоящее время не вызывает нареканий со стороны эксплуатации по надёжности работы, однако существует проблема повышения тяговых свойств электроподвижного состава (ЭПС). Одним из наиболее эффективных путей ее решения является использование локомотивов, имеющих жесткие характеристики ТЭД с независимым возбуждением (НВ), которые по данным различных литературных источников позволяют повысить тяговые свойства локомотивов на (20 -=- 60) %.
Опыт эксплуатации электровозов переменного тока ВЛ60К, ВЛ80Т, ВЛ80Р, ВЛ84, а также постоянного тока ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11, ВЛ12, ВЛ15, оборудованных системами независимого и смешанного питания обмоток возбуждения ТЭД показали высокие тягово-эксплуатационные качества этих электровозов, которые не могут быть достигнуты при сериесном возбуждении (СВ).
Вместе с тем испытания и эксплуатация этих электровозов указали на необходимость совершенствования системы НВ, о чём свидетельствуют и результаты исследований, выполненных МИИТ, ВНИИЖТ на электровозах ВЛ60К и ВЛ85, а также ВЭлНИИ на электровозе ВЛ85 с микропроцессорной системой управления в 1990 г.
В настоящей работе теоретически и с помощью математического моделирования проанализированы особенности ТЭД, как объекта управления в замкнутой системе электропривода и предложены новые алгоритмы управления силой тяги, моментом и скоростью движения, что составляет главную задачу управления ЭПС.
Цель и задачи исследования. Улучшение тягово-эксплуатационных ка-
честв и повышение производительности электроподвижного состава железных дорог благодаря применению новых эффективных способов управления коллекторными ТЭД с НВ.
Для ее достижения были поставлены и решены следующие задачи:
обосновать целесообразные алгоритмы управления силой тяги (моментом) и скоростью движения ЭПС при НВ ТЭД;
разработать методику математического моделирования управления моментом при НВ ТЭД;
провести на математических моделях компьютерное исследование статических и динамических процессов в системе тягового электропривода (ТЭП) при НВ, в пределах допустимых разбросов механических характеристик ТЭД;
определить наиболее эффективные способы управления электроприводом с НВ ТЭД;
- исследовать эффективность системы выравнивания нагрузок ТЭД.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением ЮРГТУ
(НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и ОАО «ВЭлНИИ» в рамках реформирования отрасли железнодорожного транспорта в соответствии с вышеуказанной целевой инвестиционной программой.
Методы исследований. Методической и теоретической базой диссертации являются публикации отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области ТЭП, применяемого на ЭПС железных дорог.
Поставленные в диссертации задачи решены с использованием методов теории электрических цепей, электрических машин, математического анализа, и компьютерного моделирования.
Научная новизна.
Теоретически обоснованы новые алгоритмы управления моментом ТЭП с коллекторными ТЭД независимого возбуждения на ЭПС переменного тока путём изменения напряжения на якорях ТЭД, а цепь возбуждения используется для целей адаптации электропривода к условиям движения.
Выявлены возможные случаи потери управления движением ЭПС при использовании НВ ТЭД, в частности при поддержании тока возбуждения равным току якоря на высоких скоростях движения.
Создана обобщенная методика математического моделирования процессов в системе ТЭП при НВ ТЭД, отличающаяся тем, что двигатели на экипаже разделены на две группы: одну группу составляют несколько двигателей с идентичными характеристиками и представлены как один, имеющий суммарный тяговый момент; вторую составляет опорный двигатель, на котором удобно вводить отклонения параметров нагружения от номинальных значений.
Показана эффективность применения системы выравнивания нагрузок ТЭД на одном экипаже путём введения каналов коррекции токов якорей и канала адаптации параметров в магнитных системах, которые должны работать независимо друг от друга, а получившиеся значения используются для
регулятор возбуждения, который снижает ток возбуждения, а ток якоря при этом увеличивается вследствие уменьшения э.д.с. вращения якоря, достигая максимально разрешённого уровня 750 А. Так как влияние тока возбуждения на ток якоря значительно больше, чем напряжение на якоре, ослабление тока возбуждения приводит к увеличению момента, развиваемого двигателем, и ускорение скорости вращения якоря возрастает, достигая установленных порогов ограничения ~ 2 р/с2 и тока якоря 750 А. На рис. 5.4 представлены результаты тестирования, полученные на модели, не имеющей ограничений по токам якорей и ускорениям колёсных пар. Возникающие автоколебания можно подавить лишь двумя приёмами - снятием или уменьшением напряжения на якорях или подсыпкой песка под буксующие колёса. Как следует из кривых 1аЬ 1а2, Мь М2, C0i,a>2, Yi и у2 подсыпка песка может служить лишь временной мерой при кратковременном нарушении сцепления (yi и у2 - сигналы боксования колёсных пар).
Кривые на рис.5.3 и 5.4 свидетельствуют об адекватности предложенной матмодели управления ТЭП с ТЭД НВ. Всего было проведено 11 тестов, в том числе, когда отдельные двигатели из-за разброса параметров не нагружаются вовсе, а другие перегружаются. При значительном превышении напряжения на якорях характер процессов становится катастрофическим, могущим привести к тяжёлым авариям. Результаты этих тестов приведены в диссертации и [4].
Рис. 5.3. Результаты тестирования матема- Рис. 5.4 Результаты тестирования матема
тической модели многомоторного тягового тической модели многомоторного тягового
электропривода с параметрами: электропривода с параметрами:
Ua = 900B; 1а = 750А; 1в = 700 A Ua = 650 В; 1а = 750А; 1в = 700 А
Выполнено технико-экономическое сравнение целесообразности внедрения на ЭПС НВ тяговых двигателей.
Регулятор тока якоря Регулятор тока возбуждения Двигатель постоянного тока с НВ Модель нагрузки
Выделение из тока якоря сигнала боксования Модель ограничителя
Рис. 5.1 Типовая структурная схема математической модели тягового
электропривода
Uorp la
Т1 = 0 Т2 = 20s ТЗ = 100s Т4 = 400s
VI = 0
V2 = 0
V3 = 900 На другие
V4 = 900 регуляторы
Рис. 5.2 Фрагмент структурной схемы математической модели регулятора
тока якоря
В тесте с напряжением на якорях 900 В, рис.5.3 при достижении угловой частоты вращения якорей 90 ± 10 р/с вступает в действие автоматический
задания индивидуальным возбудителям.
5. Путем математического моделирования впервые выполнены исследования статических и динамических процессов в ТЭП при НВ ТЭД.
Практическая ценность заключается в следующем:
Разработана система автоматического регулирования электропривода ЭПС с ТЭД НВ, в которой основным каналом управления является напряжение на якоре, а канал возбуждения используется для адаптации объекта управления к текущим условиям его работы.
Показано преимущество индивидуального НВ ТЭД, которое позволяет реагировать на любые изменения напряжения в контактной сети, переходные электрические процессы в силовых схемах и сцепления колёсных пар локомотива с рельсами.
Разработаны методики исследований и математического моделирования систем НВ с индивидуальными возбудителями на каждый ТЭД.
Показано, что индивидуальное НВ ТЭД наряду с повышением тяговых свойств ЭПС, позволяет применить низковольтные многовитковые малоамперные катушки возбуждения, обеспечивающие существенное снижение расхода дорогостоящей электрической корпусной изоляции, а так же снижение пульсации вращающего момента ТЭД.
Обоснованы пути и средства существенно повысить веса поездов за счет значительного улучшения сцепления бандажей колесных пар с рельсами железнодорожного пути.
Применение индивидуального НВ на ЭПС высвобождает ряд силовой и коммутирующей аппаратуры.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
заседании научно-технического совета ОАО «ВЭлНИИ» (2009 г.);
58-й научной конференции ЮРГТУ (ИЛИ) (2009 г.);
расширенном заседании кафедры «Электромеханика» ЮРГТУ (НПИ) (2010 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 8 печатных работ, в том числе в 4-х рецензируемых научных журналах из перечня ВАК. Получен 1 патент на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 73 наименований. Материал диссертации содержит 136 страниц основного текста, 34 рисунков и 3 таблиц.
Особенности управления тяговым электроприводом и его реализации при независимом возбуждении
В тяговых электроприводах электровозов переменного тока с коллекторными двигателями пульсирующего тока наиболее широкое применение получило сериесное включение обмоток возбуждения. При этом регулирование частоты вращения якоря производится путем изменения напряжения на якоре от нуля до номинального, а расширение диапазона используемых скоростей движения производится путем ступенчатого ослабления магнитного поля возбуждения. При этом решается ряд задач по обеспечению устойчивой работы тягового двигателя, а именно: большая индуктивность цепи якоря, включающая обмотку возбуждения, ослабляет броски тока при резких колебаниях напряжения контактной сети; включение обмотки возбуждения в цепь якоря создает сильную отрицательную обратную связь по току якоря, что облегчает задачу управления моментом, развиваемым двигателем, и стабилизирует процесс управления.
Однако, сериесное возбуждение обладает и рядом недостатков, приведенных в [1.1 - 1.10]. Мягкая (гиперболическая) электромеханическая характеристика тягового электродвигателя (ТЭД) при сериесном возбуждении не позволяет развивать большую силу тяги при высоких скоростях движения, а практически гиперболические кривые зависимости силы тяги на ободе ходовых колёс от скорости скольжения бандажей по рельсам способствует развитию разносного бок-сования, особенно при высоких скоростях движения, что существенным образом отрицательно сказывается на тяговых свойствах ЭПС, ограничивая весовые нормы грузовых и количество вагонов пассажирских поездов [1.1, 1.2, 1.8 — 1.10], снижает надежность работы ТЭД, а также увеличивает расход песка, подаваемого в зону контакта колеса и рельса для повышения сцепления. . Кроме того, для изменения направления вращения якоря необходимо производить переключения в его цепи, что требует применения сильноточных реверсоров, а ослабление поля производить путем шунтирования обмотки возбуждения достаточно сильноточными резисторами и катушками индуктивности, а также применения контакторов на токи примерно (50 — 60) % от тока якоря. Броски тока в цепи якоря и переменная составляющая выпрямленного тока создают трансформаторную ЭДС и соответствующие ей трансформаторные токи в коммутируемых секциях и в щеточном контакте, вызывая дополнительное искрение под щетками [1.1-1.13]. Это создает условия, вызывающие повышенный износ щеток и коллектора и провоцирующие электрические перебросы по коллектору (круговые огни). Для создания генераторных режимов при электрическом торможении обмотки возбуждения выводятся из цепи якоря и включаются по схеме независимого возбуждения от специального возбудителя, при помощи которого осуществляется управление режимом торможения.
Указанные недостатки можно устранить, управляя электромагнитным моментом ТЭП, посредством питания обмотки возбуждения в режиме тяги от автономного источника, используя ТЭД с независимым возбуждением [1.1, 1.2]. Однако при таком возбуждении для реализации необходимой силы тяги во всех режимах движения ЭПС ток независимого возбуждения необходимо регулировать в зависимости от силы тока якоря, т.е. ток возбуждения является функцией тока якоря и скорости движения. Поскольку на электровозах переменного тока тяговые двигатели включены в работу и в электрическом, и в механическом отношениях параллельно, то даже при незначительных отклонениях характеристик и диаметров бандажей колёсных пар экипажа параллельно работающих тяговых двигателей независимого возбуждения, некоторые из них оказываются недогруженными и даже переходящими в генераторный режим, а другие могут значительно перегружаться и выходить из строя из-за недопустимых перегревов их обмоток (см. [1.1, 1.2] и рис. 1.2). Кроме того, попытки реализовать независимое возбуждение в режиме тяги, предпринимавшиеся неоднократно [1.1 - 1.6, 1.13 - 1.23], пока успеха не имели, т.к. не удавалось обеспечить устойчивую работу тягового электро 20 привода на высоких скоростях движения особенно при глубодо ослабленном поле возбуждения. Например, неудачной оказалась попытка применить независимое возбуждение в режиме тяги на электровозе ВЛ85 № 061 [1.13].
Неудачные попытки применить независимое возбуждение в режиме тяги на электровозах были обусловлены недостаточной изученностью коллекторного тягового двигателя как объекта управления в замкнутой системе регулирования и алгоритмов управления скоростью движения ЭПС (частотой вращения якорей). Более глубокий анализ механических характеристик ТЭД постоянного тока и аналитических взаимозависимостей частоты вращения якоря и развиваемого им электромагнитного момента показал необходимость разработки алгоритма и способа управления электромагнитным моментом ТЭД в функции скорости движения ЭПС, а не его скоростью движения [1.1-1.7].
Отыскание целесообразного способа управления вращающим моментом тягового электропривода при независимом возбуждении
Во всём диапазоне скоростей и нагрузок, ток якоря будет обеспечиваться в пределах 0 — 1атах- диапазоне невысоких скоростей движения (меньше номинальной) это условие реализуется легко путём поддержания тока возбуждения равным его номинальному или максимально возможному значению по условиям нагрева обмотки возбуждения. При этом (по данным ОмИИТа) улучшаются и энергетические показатели. При этом превышение максимального выходного напряжения ВИПа над Еда (ЭДС якоря) при работе на скорости больше номинальной необходимо выдерживать в пределах, не нарушающих работу электропривода в целом (на уровне АС/=25 - 100 В). До достижения Umax этот уровень также должен выдерживаться и должен быть равен падению напряжения в якорной цепи Ia -Ra. В таблице 2.1 и на рис. 2.2 приведены расчётные зависимости условий регулирования напряжения на якоре Ua и тока независимого возбуждения 1в применительно к тяговому двигателю НБ-514Б для обеспечения заданной скорости движения электровоза и необходимого вращающего момента двигателя, которые с приемлемой для практики точностью согласуются с приведенными выше теоретическими предпосылками и зависимостями на рис. 2.1.
При фиксированных значениях напряжения и частоты вращения в окрестностях точек экстремума М = f(Ie) (справа) уменьшению тока возбуждения соответствует увеличение вращающего момента двигателя, а увеличению тока возбуждения - его уменьшение и даже переходу в режим торможения, т.е. момент в окрестностях точек экстремума слева и справа слабо зависит от тока возбуждения, поэтому управление его величиной в этих точках и в области ниспадающей ветви параболы справа при помощи изменения тока возбуждения 1в оказывается невозможным. В результате такая особенность и приводила к потере возможности управления движением ЭПС и выходу из строя тяговых двигателей с независимым возбуждением в применявшихся до сих пор автоматических системах управления, основанных на изменении тока возбуждения при высоких скоростях движения (частотах вращения якоря) пропорционально току якоря.
Из (2.14) следует, что при постоянных значениях напряжения /и частоты вращения якоря п жёсткость функции М = f(Ie) снижается пропорционально двойному значению увеличения тока возбуждения. Поэтому управление моментом посредством увеличения тока возбуждения не может быть эффективным. Поскольку жесткость характеристики момента определяет устойчивость тягового электропривода против боксования, то из (2.15) очевидно, что при независимом возбуждении предпочтительна работа при максимально возможном токе возбуждения с соблюдением условия (2.11), что также следует из рис. 2.1.
С другой стороны, как следует из выражения (2.6), при постоянном (не изменяющемся) токе возбуждения и постоянной частоте вращения двигателя изменение момента зависит только от изменения напряжения на якоре, которое может служить для целей регулирования момента во всем диапазоне нагрузок.
Анализируя выражение для функций (2.6), (2.8), (2.9), (2.11), (2.13), (2.14) и (2.15) можно прийти к заключению, что управлять моментом целесообразно при помощи изменения напряжения на якоре, причем, независимо от варианта возбуждения тягового электродвигателя.
Для расширения области-применения двигателя в сторону больших частот вращения (выше номинальной) обычно используется какой-либо из известных способов воздействия на магнитную цепь двигателя.
Для широко распространенного тягового электропривода с двигателями постоянного тока и сериесным включением обмотки возбуждения эта цель достигается шунтированием обмотки возбуждения посредством резисторов ослабления поля. При питании обмоток возбуждения от автономного источника питания того же эффекта можно достигнуть более экономичным способом. При этом, как показал многолетний опыт эксплуатации тяговых электроприводов с сериесным включением обмоток возбуждения, потребности в частой коррекции параметров магнитной цепи путем включения или отключения дополнительных резисторов ослабления поля нет.
При питании обмотки независимого возбуждения от автономного источника возможна реализация электрической схемы тягового электропривода с разными способами возбуждения тяговых двигателей, причём при воспроизведении сериесной характеристики ток возбуждения является функцией тока якоря и частоты вращения и корректируется по отклонению напряжения в контактной сети от номинала, а при воспроизведении независимого возбуждения ток возбуждения должен быть функцией частоты вращения и корректироваться по отклонению напряжения в контактной сети от номинала. Согласно (2.14) момент можно сохранять постоянным, если при изменении скорости в процессе разгона или замедления удерживать произведение п-1в = const, причем, это справедливо при любом значении п-1в.
Однако, так как ток возбуждения имеет ограничение 1в 1в тах по электрической и тепловой прочности конструкции тягового электродвигателя, то в области малых скоростей движения, меньше номинальной, ток возбуждения устанавливается максимально возможным, например, номинальным или необходимым при определённых условиях движения. Регулирование момента производится исключительно путем изменения U (напряжения на якоре). 1. Путем анализа процессов в тяговом электроприводе при двух системах возбуждения тяговых электродвигателей аналитически обоснованы преимущества независимого возбуждения. 2. Аналитически показаны случаи потери возможности управления движением ЭПС при независимом возбуждении ТЭД, обусловленное некоторыми сочетаниями напряжения на якоре, частоты вращения якоря и тока возбуждения двигателя, что в числе других причин также приводило к неудачным попыткам применить это возбуждение на электровозах переменного тока. 3. Устойчивая работа двигателей постоянного тока с независимым возбуждением в режимах тяги на высоких скоростях движения больше номинальной на электровозе переменного тока может быть обеспечена путем поддержания напряжения на якорях тяговых двигателей близком к напряжению ВИПа и регулированием тока возбуждения. 4. При наличии на электровозе автономного возбудителя тяговых двигателей, что всегда имеет место на электровозах с электрическим тормозом, можно реализовать практически любой алгоритм управления тягой теми же аппаратными средствами, что и в режиме рекуперации. Это позволяет отказаться от индуктивных шунтов, резисторов и контакторов в цепях обмоток возбуждения. Для выравнивания токов разных двигателей в режиме тяги могут быть использованы те же аппаратные средства и алгоритмы, которые применены на электровозах для выравнивания токов в режиме рекуперации. Таким образом, примене 47 ниє автономных возбудителей в тяге натаких электровозах не требует дополнительных аппаратных затрат. 5. Использование автономных возбудителей в режимах тяги и электрического торможения дает возможность перейти к тяговым двигателям с малоамперными обмотками возбуждения и пониженным на них напряжением, что повысит их надежность и снизит трудоемкость и стоимость изготовления.
Выбор системы независимого возбуждения
При питании обмоток возбуждения от автономного возбудителя цепь якоря имеет значительно меньшую индуктивность, чем при сериесном включении обмотки возбуждения, поэтому для защиты цепи якоря в переходных процессах при резких изменениях напряжения в контактной сети и для сглаживания пульсаций выпрямленного тока служат сглаживающие реакторы, имеющие большую индуктивность [3.1, 3.5, 3.8, 3.10]. Сглаживание пульсации тока в цепи возбуждения достаточно легко достигается путем шунтирования обмоток возбуждения «нулевыми» диодами [3.2, ЗЛО].
Поскольку тяговые двигатели постоянного тока на отечественных электровозах изначально разрабатывались для использования в сериесном включении, их обмотки возбуждения рассчитаны на значительные токи, до 1000 А. Поэтому для управления и удешевления автономного возбудителя на известных отечественных электровозах с независимым возбуждением, обмотки возбуждения всех двигателей включаются последовательно к общему возбудителю, а распределение нагрузок для каждого двигателя производится индивидуальной подрегулировкой возбуждения при помощи управляемых шунтирующих устройств, выполненных на тиристорах и резисторах, подключенных параллельно обмоткам возбуждения. Эти устройства работают в широтно-импульсном режиме с частотой пульсации выпрямленного тока и производят «отпитку» тока возбуждения, воздействуя таким образом на ток якоря, т.е. выполняют функцию корректировки параметров магнитной системы каждого двигателя [3.1]. Однако, в случае применения много-витковых малоамперных обмоток возбуждения более эффективным представляется применение индивидуальных автономных возбудителей для каждого двигателя.
Быстродействие системы управления возбуждением и распределением нагрузок двигателей должно быть относительно малым, так как эта система решает задачи сравнительно медленной адаптации тяговых двигателей к режимам работы и ограничивает появление больших трансформаторных токов в коммутирующих секциях. На всех современных электровозах с электроприводом постоянного тока применяется электрическое торможение с независимым возбуждением тяговых двигателей [3.1 - 3.17], получающем питание от автономных возбудителей. Поскольку при питании обмотки возбуждения от автономного управляемого возбудителя имеется возможность реализовать произвольно любую зависимость тока возбуждения от любого параметра режима и условий работы привода, то представляется целесообразным и в режиме тяги для реализации «сериесной», или любой другой характеристики привода также питать обмотки возбуждения тяговых двигателей от автономных возбудителей и выполнять эти обмотки с малыми рабочими токами и пониженным напряжением от корпуса. При этом решается целый ряд задач: - возбудители выполняются автономно индивидуально для каждого двигателя, что обеспечивает снижение установленной мощности полупроводниковых приборов в десятки раз; - отпадает необходимость в дорогостоящих шунтирующих устройствах подрегулировки и перераспределения нагрузок между двигателями, так как каждый из них управляется индивидуально; - можно значительно улучшить качество тока возбуждения, снизив его пульсации и повысив надежность работы тяговых двигателей; - существенно повышается живучесть привода в целом; - существенно снижается напряжение на обмотке возбуждения от корпуса, что позволяет уменьшить толщину и расход дорогостоящей электрической изоляции, а также улучшить отвод тепла от проводников обмотки возбуждения.
Питание обмоток возбуждения от автономных возбудителей позволяет легко имитировать сериесное возбуждение. Для этого достаточно, чтобы регулятор тока возбуждения «отслеживал» текущее значение тока якоря, т.е. 1в = /? 1а . При этом параметр (3 может выступать в качестве адаптирующего параметра, но в отличие от кондуктивного включения обмотки возбуждения в цепь якоря использование автономного возбудителя позволяет исключить перечисленные выше недостатки традиционного сериесного включения.
Условимся называть управление с независимым возбуждением, когда ток возбуждения управляется в функции скорости, но независимо от тока якоря, а управление сериесным возбуждением будем считать, когда ток возбуждения пропорционален току якоря или имеет другой закон, но является функцией тока якоря. При этом в обоих случаях обмотки возбуждения получают питание от автономного возбудителя.
В соответствии с этим оказывается целесообразным использовать ток возбуждения только в качестве адаптирующего параметра так, чтобы в генераторном режиме (режиме торможения) было соблюдено условие 2-Схп C/-U, а регулирование момента производить исключительно посредством изменения противо ЭДС трансформатора Ej. При малой скорости движения, ток возбуждения достаточно удерживать неизменным на уровне номинального или максимально возможного значения, при этом соотношение (3.3) выдерживается без затруднений, так как имеется большой запас регулирования. На большой скорости слежение за соотношением (3.3) удобно вести по углу регулирования ВИПа таким образом, чтобы он не отклонялся значительно от заданного значения, которое выбирается примерно (90 - 120) четвертой зоны регулирования ВИПа (для четырехзонного варианта, использованного на российских электровозах). При этом будет обеспечиваться возможность регулирования момента посредством напряжения Ua. По мере замедления движения ток возбуждения будет автоматически увеличиваться для удержания угла регулирования ВИПа на уровне уставки, равной (90 - 120) . При достижении тока возбуждения его номинального значения, регулятор переходит в режим стабилизации 1в = 1в н01/ и дальнейшее его влияние на угол регулирования автоматически прекращается, а регулирование момента производится исключительно путем изменения напряжения ия [3.18, 3.19].
Преимущества и недостатки многомоторного электропривода с автономными возбудителями
Тяговый многомоторный электропривод с двигателями постоянного тока, получающими возбуждение от индивидуальных (отдельных) возбудителей, обладает рядом преимуществ, обусловленных возможностью раздельного управления тяговым моментом каждого двигателя.
При этом обеспечивается возможность выравнивания электромагнитных моментов тяговых двигателей, работающих параллельно в механическом и электрическом отношениях на одном экипаже одновременно [4.1 - 4.9]. Однако, при этом имеют место некоторые особенности, заключающиеся в том, что при управлении тяговым моментом двигателя при его возбуждении от отдельного возбудителя в самом двигателе отсутствует отрицательная обратная связь по току якоря с полем возбуждения в отличие от таковой при сериесном включении обмотки возбуждения в цепи якоря, которое позволяет в некоторой степени стабилизировать механические характеристики двигателя. Вместе с тем, даже сериесное включение обмотки возбуждения в цепи якоря не обеспечивает полного совпадения характеристик параллельно работающих двигателей и разница в величинах развиваемых ими мгновенных значений моментов может достигать 20 + 25 % [4.1], особенно при малых скоростях движения. Это приводит к снижению расчетного суммарного усилия тягового многомоторного электропривода, перегреву обмоток отдельных двигателей, повышению вероятности боксования или юза наиболее нагруженных колёсных пар.
В многомоторном тяговом электроприводе, что всегда имеет место на электровозах, тяговые электродвигатели по различным причинам неизбежно имеют разброс характеристик и соответственно развивают различные по величине тяговые моменты и имеют различные токи якорей. Вследствие этого нагрев обмоток двигателей, установленных на одной и той же единице ЭПС оказывается разным; разная и вероятность развития боксования или юза. С целью уменьшить эти негативные явления необходимо принимать меры по выравниванию моментов и токов якорей двигателей, работающих совместно на одном электровозе. При наличии в схеме тягового электропривода отдельных возбудителей этого можно добиться путем Из (4.4) следует, что при равных моментах и равных токах возбуждения нужно, чтобы: = (5 . Для его определения необходимо проводить измерения токов якорей Iaj и 1а2, используя штатные средства измерения системы управления электропривода, при равных токах возбуждения для некоторой произвольно выбранной скорости движения электровоза. Такие измерения можно производить произвольно в процессе эксплуатации электровоза или при его испытаниях. Получившееся соотношение токов якорей дает нам значение для коэффициента коррекции j3B.
Применение индивидуальных возбудителей.для каждого; двигателя позволяет: избавиться практически от всех вышеперечисленных проблем. Кроме того, индивидуальные возбудители могут, быть электрически реверсивные, что позволяет обходиться без механических реверсов, а также сделать электрическую схему тягового электропривода простой и надёжной. Для; реализации такого электропривода целесообразно иметь тяговые электродвигатели с многовитковыми малоамперными обмотками возбуждения, что обеспечит возможность применить малоамперные возбудители на низкое напряжение (250- 400) Bj имеющие небольшую мощность, малые габаритные размеры, и массу. Кроме того, обмотка возбуждения тягового двигателя будет выполнена на низкое напряжение питания) что позволит значительно уменьшить: толщину корпусной изоляции, уменьшив её расход и расход обмоточной меди.
Вопросы адаптации ТЭП с тяговыми электродвигателелями постоянного тока с возбуждением от отдельных возбудителей. освещен в литературе весьма слабо, а практические результаты, полученные на опытных электровозах, свидетельствуют о недостаточной изученности двигателя постоянного тока как объекта управления для использования его в многомоторном тяговом электроприводе электровоза.
В [4.4 - 4.5] показано, что управление моментом тягового электродвигателя целесообразно производить только по цепи якоря, а цепь возбуждения при этом должна использоваться для адаптации двигателя к условиям его работы в текущем моменте, причем ток возбуждения должен устанавливаться таким, чтобы ЭДС якоря была в режиме тяги и в режиме рекуперации меньше на (25 - 100) В, чем максимальное выходное напряжение ВИПа при текущем напряжении в контактной сети. При этом во всем диапазоне скоростей и нагрузок ток якоря будет обеспечиваться в пределах 0 - 1атах.
В диапазоне невысоких скоростей движения (меньше номинальной) ток возбуждения должен удерживаться равным его номинальному значению или допускаемому больше номинального по условиям допускаемого нагрева обмотки возбуждения. На скорости движения большей номинальной ток возбуждения должен снижаться обратно пропорционально скорости движения электровоза.
Канал коррекции токов для выравнивания нагрузок тяговых двигателей и канал адаптации параметров в магнитных системах двигателей-к-текущим;условиям их работы должны работать независимо друг от друга, что вытекает из уравнений (4.4) и (4;8): Получившиеся -значения для-тока возбуждения и; для коэффициентов коррекции используются.для: задания- индивидуальным автономным возбудителям. При этом /один из; двигателей; обычно наиболее загруженный, т.е. имеющий? наибольший ток; якоря из. всех; назначается базовым и все коррекции производятся на остальных. Аналогично производится и поправка на износ бан-дажейколёсных пар, но при этом поправочные коэффициенты вычисляются относительно диаметра наименее изношенной колёсной,пары. Окончательные задания для автоматических возбудителей получается, путём умножения вычисленного текущего значения- тока возбуждения- на индивидуальные для каждой колёсной пары коэффициенты коррекции и коэффициенты износа бандажей.
При назначении базового двигателя управление многомоторным электроприводом упрощается, т.к., оно ведется, как если бы управляемый: двигатель был единственным. Остальные двигатели повторяют действия базового и получают в качестве задания; текущие значения параметров работы базового двигателя. Это, однако, не накладывает каких.либо жестких ограничений на задания для «ведомых» двигателей, так.как передача задания между, отдельными;электроприводами многомоторного тягового привода производится не в виде сигналов по кабельным; линиям с жесткой аппаратной структурой, а в виде информационных блоков по каналам связи между микропроцессорными контроллерами, посредством которых могут в задания вноситься-коррективы, учитывающие особенности и условия работы каждогоэлемента многомоторного привода.
