Содержание к диссертации
Введение
1. Сцепление колес с рельсами и технические средства его эффективного использования
1.1. Сцепление в зависимость от физических условий 15
1.2. Технические средства увеличения сцепления и защит от буксования колесных пар 27
1.3. Постановка задачи 46
2. Структурный анализ контуров регулирования и схем электропередач
2.1. Структура контура регулирования скорости по свободной мощности дизеля 52
2.2. Структура контура регулирования частоты вращения колесной пары 58
2.3. Структура силовых цепей электропередачи тепловоза 68
2.4. Выводы по второй главе 76
3. Математическое моделирование электрического привода 80
3.1. Математическая модель системы «синхронный генератор - выпрямительная установка -тяговый электродвигатель» 81
3.2. Моделирование регулирования тягового двигателя при буксовании 103
3.3. Выводы по третьей главе 116
4. Экспериментальные исследования тепловоза с изменяемой жесткостью тяговой характеристики 117
4.1. Цель экспериментального исследования тепловоза 117
4.2. Характеристики тепловоза при буксовании 118
4.3. Эксплуатационные испытания тепловоза 137
4.4. Выводы по четвертой главе 143
Заключение 147
Приложение 1 150
- Технические средства увеличения сцепления и защит от буксования колесных пар
- Структура контура регулирования частоты вращения колесной пары
- Математическая модель системы «синхронный генератор - выпрямительная установка -тяговый электродвигатель»
- Эксплуатационные испытания тепловоза
Введение к работе
Актуальность работы, В настоящее время сложилось критическое положение с пополнением локомотивного парка. К 2010 г. выработают срок службы 67,8 % грузовых электровозов постоянного тока, 35,4 % грузовых электровозов переменного тока, 90,3 % магистральных грузовых тепловозов и 69,0% маневровых тепловозов.
Современный уровень развития силовой полупроводниковой преобразовательной техники и средств автоматизации позволяет значительно улучшить технические параметры, как модернизируемых локомотивов, так и проектируемых на перспективу. Одним из основных параметров характеризующих техническое совершенство тепловоза, это его производительность. Сдерживающим фактором повышения весов перевозимых составов является сцепление колес с рельсами. Известно, что повысить эффективность использования сцепления можно путем увеличения жесткости тяговой характеристики двигателя при буксовании колесной пары. Для тепловозов с электрической передачей мощности при параллельном подключении тяговых двигателей к синхронному генератору имеется возможность подвод мощности осуществлять индивидуально к каждому электродвигателю последовательного возбуждения. Это позволяет каждую ось тепловоза загружать в соответствии с силами сцепления без опасения развития буксования. Средствами управления возбуждением тягового генератора и напряжением на каждом тяговом двигателе можно дополнительно перераспределять тяговые усилия между осями в зависимости от динамических нагрузок на них. Эти же решения применимы и при использовании электрических передач переменного тока на тепловозах и электровозах с асинхронными тяговыми двигателями и преобразователями частоты и напряжения при условии раздельного подвода мощности к каждому тяговому двигателю.
Работа посвящена исследованиюэлектро-
способов регулирования э
привода, позволяющих решить проблему улучшения тяговых свойств тепловоза и создания эффективных систем противобуксовочной защиты.
Цель работы. Улучшение тяговых свойств тепловозов с учетом ограничения по сцеплению путем автоматического управления жесткостью тяговой характеристики коллекторного электродвигателя последовательного возбуждения.
Для достижения указанной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
-
На основе проведенного анализа электрических передач и систем управления магистральных тепловозов обоснованы рациональная структура и функции перспективной системы управления тяговыми электродвигателями;
-
Разработана математическая модель тягового электропривода тепловоза, как нелинейной динамической системы автоматического управления для стационарных и нестационарных режимов работы;
-
Исследовано влияние динамических свойств системы синхронный генератор - выпрямитель - коллекторный электродвигатель последовательного возбуждения на процесс реализации касательной силы тяги при режимах буксования колесных пар;
-
Выполнена оптимизация функции управления по критерию реализации максимальной касательной силы тяги колесной парой и установлены возможности оптимизации алгоритмов динамического перераспределения касательной силы тяги между лимитирующими и компенсирующими колесными парами при буксовании;
-
Разработаны конструктивные и схемные решения системы управления тяговым электроприводом тепловоза, позволяющие повысить тяговые свойства тепловоза при плохих сцепных условиях колес с рельсами на 15%;
6. Проведены тттидокомасщтабные эксплуатационные исследования
I % «я пл <*>
предлагаемой системы на модернизированных тепловозах, сделаны выводы и рекомендации для тиражирования подобных систем.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теории автоматического регулирования и управления, теории электрических машин и теории локомотивной тяги. При теоретическом исследовании использовались методы имитационного математического моделирования. При натурных экспериментальных исследованиях использовались тепловозы 2ТЭ116 при тяговых испытаниях на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа, при эксплуатационных испытаниях на участке Ртищево - Ко-четовка Юго-Восточной железной дороги.
Научная новизна работы.
-
Проведено исследование тягового электропривода тепловоза как нелинейного объекта регулирования в режиме буксования колесных пар.
-
Проведен выбор функциональной структуры электропередачи и системы управления, законов регулирования, обеспечивающих реализацию максимального тягового усилия на рельсах с ухудшенными сцепными свойствами.
-
Установлены закономерности, эффективно предотвращающие буксования колесных пар при различных коэффициентах жесткости тяговой характеристики.
-
Предложены алгоритмы регулирования, обеспечивающие сохранение общего тягового усилия тепловоза при одновременном буксовании до трех колесных пар посредством перераспределения касательной мощности между компенсирующими и лимитирующими колесными парами.
Практическая ценность:
1. Предложена система регулирования частоты вращения колесных
пар, обеспечивающая устойчивую работу электропривода во всем скоро-
стном диапазоне работы тепловоза.
-
Разработаны эффективные алгоритмы регулирования электропередачей тепловоза, обеспечивающие максимально возможную реализацию тягового усилия при ухудшенных условиях сцепления;
-
Создана микропроцессорная система управления электропередачей мощности и частотой вращения колесных пар;
-
Определены основные параметры настройки регуляторов электрической передачи мощности и частоты вращения колесных пар в режиме тяги и буксовании.
Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы использованы при проведении модернизации 62 секций тепловозов 2ТЭ116К с продлением срока службы на Воронежском ТРЗ, создании тепловоза 2ТЭ116КМ №1135, разработке грузового тепловоза 2ТЭ70 на Коломенском тепловозостроительном заводе, разработке грузового тепловоза 2ТЭ25К на Брянском машиностроительном заводе.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на: Третьей Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы развития локомотивостроения» (г. Ворошиловград, 1990 г.). Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация управления локомотивов и их систем на базе микропроцессорной техники» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 1998 г.). Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование подвижного состава и его обслуживание» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 1999 г.). Научной конференции (г. Коломна, КИМГОУ, 1999 г.). Шестидесятой научно-технической конференции «Неделя науки-2000» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2000 г.). Третьей международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г. Новочеркасск, 2000 г.). Научно-техническом совете МПС РФ, заседание топливно-энергетической
секции (г. Москва, 2000 г.). Четвертой научно-практической конференции 6
«Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Москва, МИИТ, 2001 г.). Научно-техническом совете МПС РФ, заседание топливно-энергетической секции (г. Москва, 2000 г.). Научно-практической конференции «Транспортный электропривод 2001» (г. Санкт- Петербург, ОАО Электросила, 2001 г.).
Публикации, По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе два авторских свидетельств и четыре патента на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 128 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 188 страниц, в том числе 132 страниц машинописного текста, 58 страниц рисунков, 13 страниц списка литературы, 24 страницы приложений.
Технические средства увеличения сцепления и защит от буксования колесных пар
Швейцарскими федеральными дорогами (SBB) и BLS были сформулированы требования [41] , позволяющие повысить коэффициент тяги до 0.24-0.27 за счет выравнивания осевых нагрузок внутри одной тележки, использования жестких характеристик тягового двигателя, независимого управления частотой вращения ведущих колесных пар, избирательности противобуксовочной защиты в отношении отдельных колесных пар или хотя бы тележек. Для этих целей на электровозах RE 4/4 № 161 и GE 4/4 применены управляемые тиристорные выпрямители, обеспечивающие высокое использование сцепления. При испытании электровозов специалисты пришли к выводу, что одним из важнейших параметров является характеристики тяговых двигателей, причем требуемая жесткость тяговой характеристики зависит не от частоты вращения, а от проскальзывания. Если отсутствует механизм выравнивания осевых нагрузок, то первая по ходу движения колесная пара будет в худших сцепных условиях, что не позволяет использовать максимальный коэффициент тяги. Если нужно полностью использовать очищающее действие первой колесной пары, то должно быть индивидуальное регулирование каждой оси с помощью управляемого тягового выпрямителя. Отмечено, что механическое или электрическое соединение двух или более колесных пар улучшить использование сил сцепления. Однако такому соединению присущи недостатки. Так как сцепные условия сочлененных колесных пар не одинаковы, то у них разные реализуемые моменты на осях, а значит, возникают колебания в механической системе, приводящие к большим нагрузкам в элементах тягового привода.. Очищающий эффект первой колесной пары ограничен из-за малого скольжения. Если после проскальзывания первой колесной пары на ней снижается момент, то в силу неизменности нагрузки от поезда на других он возрастает. Это может привести, в конечном счете, к срыву в буксование всех колесных пар и значительным колебаниям вращающего момента. Поэтому групповой привод является альтернативой только для последовательного соединения тяговых двигателей. Отмечено, что повышение тяговых свойств локомотива надо стремится получить более тонкими настройками систем управления, применение песка является анахронизмом и оправдано лишь в экстремальных случаях. В целом сформулированы следующие требования к локомотивам: -уравновешивание моментов на кузове; -уравновешивание моментов на тележке; -радиальная самоустановка колесных пар; -раздельный привод колесных пар; -эффективная, быстродействующая система регулирования, обеспечивающая управление каждой колесной парой в отдельности; -гомокинетический привод с хорошей амортизацией, т.е. исключающий колебания между тяговым двигателем и колесной парой. - использование средств механической или химической очистки рельсового пути; -применение лубрикаторов смазки гребней бандажей; -использование возможности ручного управления локомотивом. Специалистами [8] разработана противобуксовочная система Super Series для тепловозов с электрической передачей переменно-постоянного тока с параллельно включенными тяговыми двигателями последовательного возбуждения. Цель данной системы - обеспечить в эксплуатации максимальный коэффициент сцепления, не допуская при этом сильной пробуксовки колеса. Система ограничивает частоту вращения самого быстроходного двигателя. Основной принцип работы заключается в установлении предельного напряжения тягового двигателя, которое ограничивает или регулирует максимальное значение крипа в зависимости от рабочих характеристик, частоты вращения и тока. Напряжение регулируется возбуждением тягового генератора по двигателю, имеющему максимальный крип при минимальном токе. Исследования показали, что максимум кривой сцепления может быть при уровнях крипа от 1 до 15% в зависимости от состояния рельсов. Поэтому в системе необходимо устройство, динамически изменяющее настройку на максимальный коэффициент сцепления с различным крипом. Н основе проведенных исследований сделан вывод, что при регулируемом повышенном крипе передней оси состояние рельс для задних осей может улучшиться в три раза. Отмечено, что сильное проскальзывание колес при высоком уровне сцепления при применении песка способствует возникновению крутильных колебаний, при низком уровне сцепления обычно их не бывает. Определена зона работы локомотива с повышенным крипом, не приводящая к крутильным колебаниям. Зона ограничивает уровень крипа при высоких коэффициентах сцепления, равный 5%, при низких коэффициентах - 15%.
Структура контура регулирования частоты вращения колесной пары
Существует множество способов косвенной оценки максимального значения коэффициента сцепления. В основном они основаны на измерении проскальзывания колесных пар, но существуют и другие методы. На Украине под руководством профессора А.П.Павленко [18] разработана система обнаружения предельных сил сцепления (СОПСС), основанная на измерении виброускорения в механической системе тяговый двигатель- привод- колесная пара- железнодорожный путь. Данная система, по утверждению автора, улавливает проскальзывания колесных пар на уровне 1,2-2% от угловой скорости. Применение такой системы обеспечивает увеличение тяговых свойств на 6-12%, снижение на 5-8% топливно-энергетических затрат и в 4-9 раз износа рельсов и бандажей колесных пар. Однако в [21] авторы признали, что такая чувствительность не нужна из - за ложного срабатывания системы на станционных стрелках и переездах, поэтому в эксплуатационных условиях система загрублена. Тем не менее, по утверждению авторов она срабатывает на 1,2-3,2 секунды раньше штатной, и обеспечивается прекращение буксования через 0,5- 0,8 с. Предлагается [19] повысить чувствительность обнаружения буксования посредством магнитометрических микропроцессорных систем, которые могут намагничивать участки рельсового пути, и считывать эти метки, либо считывать заранее созданную остаточную намагниченность зубьев ведомой шестерни. Этот способ рекомендован, в особенности на низких скоростях движения и при трогании локомотива, где остальные методы менее эффективны, включая методы на эффекте Доплера. В статье отмечено, что возможное время выхода колесных пар на предельное скольжение составляет 0,1с, соответственно требование к системе обнаружения скольжения колес - 0,01с. В работе [119] предлагается определять начало буксования по частоте и амплитуде релаксационных колебаний в резиновых элементах колесных пар (подрезиненные бандажи).
Для формирования жестких тяговых характеристик автор диссертационной работы выбрал датчик угловой частоты колесной пары, устанавливаемый на буксу. По мнению автора, использование датчика угловой скорости колесной пары более точно отражает причинно- следственную связь при возникновении буксования. Исследователи сцепления колес с рельсами в мировой практике оперировали зависимостями «коэффициент сцепления - угловая скорость движения или скорость скольжения» и связаны с силами трения качения или трения скольжения. Еще один аргумент за выбор - это то, что существует такой датчик, выпускаемый промышленностью специально для железнодорожного транспорта, в частности на базе синхронного генератора с постоянными магнитами. Выходной сигнал у такого датчика - трехфазное напряжение с изменяемой от частоты вращения уровнем и частотой напряжения. Однако коэффициент передачи частоты у него низкий, т.е. за один оборот колеса частота выходного напряжения меняется в шесть раз. С помощью электронных блоков эту частоту удалось увеличить еще в шесть раз. Это позволяет иметь информацию о состоянии колесо- рельс каждые 9см., по ободу колеса или линейного перемещения вдоль железнодорожного пути. Требования к быстродействию системы [20,97] : за 0,1 секунды колесо может достичь предельных значений по сцеплению и точность измерения не позволяет в данной системе мерить частоту вращения. Погрешность такого метода измерения определяется функциональной зависимостью от скорости:где К - коэффициент приведения системы единиц и преобразования трехфазного напряжения в импульсы;V- линейная скорость движения локомотива; Т- период между измерениями скорости. С ростом скорости погрешность падает, но процессы буксования наиболее вероятны при реализации максимальных тяговых усилий на низких скоростях. Время измерения скорости влияет на погрешность в обратной пропорции, что неприемлемо, т.к. необходимо иметь малые времена между измерениями из-за быстроты происходящих динамических процессов в механических системах при буксовании колесной пары. Расчетная погрешность измерения угловой скорости колесной пары по частоте для датчика
ТГС-12Э показана на рисунке 2.3. Расчет сделан для датчика имеющего 36 меток на оборот и для двух интервалов измерения угловой скорости 51 - 0.1с и 52- 1с. Из графика следует/ что данный метод не удовлетворяет требованиям быстрой реакции на динамические процессы буксования. Только увеличение количества импульсов на оборот может снизить погрешность, но это влечет технические дополнительные трудности в исполнении датчика. Существует множество способов прямого измерения угловой скорости [115] , но доминирующим обстоятельством при выборе датчика является его способность работы в жестких механических и климатических условиях.
Математическая модель системы «синхронный генератор - выпрямительная установка -тяговый электродвигатель»
Передаточная функция определяет э.д.с. на клеммах выпрямителя от напряжения возбуждения и выпрямленного тока. Связь между э.д.с. преобразователя и выпрямленным током осуществляется через нагрузку, т.е. тяговый двигатель последовательного возбуждения. Действие реакции якоря на структурной схеме показано в виде обратной связи по току нагрузки. Две составляющие тока нагрузки в обратной связи объясняются действием его продольной и поперечной составляющей. При этом поперечная составляющая имеет пропорциональную связь с током нагрузки, а продольная имеет инерционную связь с постоянной времени 1.3с, форсирующую составляющую с постоянной времени 0.264с, и направлена против действия потока возбуждения. Из структурной схемы видно, что на холостом ходу СГ. представлен инерционным звеном первого порядка с постоянной времени Td = 1.3 с по отношению к возбуждению. По мере нагружения СГ появляются форсирующая составляющая реакции якоря в обратной связи с передаточной функцией вида
Из структурной схемы и уравнений видно, что на холостом ходу поведение генератора в переходных режимах аналогично инерционному звену первого порядка. По мере нагружения его в переходных режимах аналогично дополнительному включению звеньев: усилительного и форсирующего. Такая трансформация передаточной функции генератора объясняется сильным действием реакции якоря. Для данной структурной схемы определены основные параметры генератора как динамической системы.
В системе регулирования электрической передачи предполагается использования контура регулирования напряжения тягового генератора. Этот контур в переходных режимах обеспечивает жесткие характеристики генератора, что повышает устойчивость тепловоза к буксованию [116]. Синхронный генератор имеет естественную внешнюю характеристику с низкой жесткостью (подобие дуги эллипса в первом квадранте). В традиционных системах тепловозов регулятором мощности ей предают форму гиперболы, у которой тоже низкая жесткость. Для повышения жесткости внешней характеристики можно использовать регулятор напряжения, тем самым преобразовав внешнюю характеристику в жесткую,, как у генераторов постоянного тока.
В качестве регулятора контура напряжения выбран пропорционально-интегральный: регулятор (ПИ-регулятор). Включение такого регулятора последовательно позволяет придать генератору качества астатической системы. Окончательное уточнение КР осуществляется непосредственно на тепловозе при настройке на реостатной станции.
Вопросом математического моделирования переходных процессов в тяговых двигателях последовательного возбуждения посвящено значительное число публикаций [88/ 90, 111, 112/ 113, 114]. В каждом конкретном случае анализ процессов, происходящих в цепях тягового двигателя, ведется с разной степенью упрощения в зависимости от поставленных целей.
В данном случае моделирование ведется с целью составления структурной схемы электрической передачи тепловоза с передачей переменно-постоянного тока. Структурная схема при этом должна служить целям создания законов управления электропередачей для получения наиболее выгодных условий реализации касательной силы тяги.
Исходя из поставленных целей, составлена структурная схема двигателя последовательного возбуждения. Наличие в якорной цепи двигателя обмотки возбуждения создает особое условие для переходных процессов в цепях. Чтобы избежать значительных ошибок при моделировании, необходимо учитывать влияние вихревых токов, наводящихся в полюсах и станине. Особенно важно учитывать вихревые токи при трогании поезда и во время буксования колесных пар, т.е. тогда, когда происходит быстрое изменение нагрузки, а значит и магнитного потока двигателя.
Следует иметь ввиду, что при значительном насыщении магнитной системы тяговых двигателей влияние вихревых токов снижается. Чтобы учесть специфику транспортных режимов тяговых двигателей и не вдаваться в исследования и детализацию электрических и магнитных процессов, учет влияния вихревых токов может быть осуществлен за счет добавления короткозамкнутои обмотки, имеющей условное число витков и обтекаемой вихревым током. При этом для простоты расчетов принимается допущение, что поток короткозамкнутои обмотки связан с потоком машины с коэффициентом связи, равным единице.
Эксплуатационные испытания тепловоза
Результаты моделирование процессов в тяговом генераторе и во всей системе передачи мощности выходят за рамки данной работы, однако во время практических испытаний тепловоза проводилась регистрация работы регулятора мощности. Фиксировались процессы нагружения дизеля посредством замеров выхода реек топливных насосов высокого давления, мощности тягового генератора как в стационарных режимах, так и при изменении заданий и при буксовании тепловоза. В связи с тем, что во время буксования жесткость тяговых характеристик менялась динамически в сторону увеличения, возникала опасность гармонических колебаний в колесно-моторном блоке, присущая электроприводам с жесткими характеристиками. В процессе изучения нежелательных последствий в электроприводе с жесткими тяговыми характеристиками автор данной работы ознакомился с результатами исследований [31,30,38,34], в которых проведен теоретический анализ явления. В [31] было определено, что в электропередаче с жесткими характеристиками наблюдаются низкочастотные автоколебания при буксовании колесных пар, причем частота колебаний зависит от жесткости характеристик. В статье теоретически показано, что автоколебания могут возникнуть при определенном соотношении между электрической и механической постоянными времени тягового двигателя и жесткостью его механической характеристики. Автор утверждает, что у двигателей с независимым возбуждением вероятность возникновения автоколебания выше, чем у двигателей последовательного возбуждения по причине разной жесткости механической характеристики. В [30] авторы указывают на необходимость учета упругостей в механической части электропривода и индуктивностеи в электропередачи при буксовании колесной пары, т.к. происходит обмен энергии между накопленной в индуктивно-стях электрической цепи и механической, накопленной в колесной паре и якоре тягового двигателя. На основе теоретических выкладок делают выводы, что двигатели последовательного возбуждения более склонны к автоколебаниям. В отличие от [30] автор [34] возникновения колебаний связывает с колебаниями тележек и, варьируя частотами колебаний тележки на модели в диапазоне частот 0.1 - 5 Гц, сделал следующие выводы. На всех частотах для двигателей с независимым возбуждением возникает только прерывистое буксование, для двигателей с последовательным возбуждением - разносное. С увеличением периода колебаний тележки растут максимальные скорости скольжения колесных пар при независимом возбуждении и интенсивность развития буксования при последовательном. В результате моделирования получено, что чтобы не возникало разносное буксование при колебаниях тележек с двигателями последовательного возбуждения, необходимо уменьшить максимальную силу тяги на 3-10%, что позволит ограничить скорость избыточного скольжения 1-1.2 км/ч. При использовании двигателей с независимым возбуждением при допустимости такого же уровня избыточного скольжения тяговое усилие, наоборот, возрастает на 20%.
В монографии [3 8] автор обстоятельно изучил причины возникновения автоколебаний при буксовании колесных пар при рассмотрении сложной системы «экипаж - тяговый привод - путь». Однако во всех моделях определения условий возникновения колебаний автор использовал безразмерную кривую сцепления колес с рельсами, которая имеет явно выраженный максимум, находящийся в очень узком диапазоне избыточных скоростей скольжения. Это, на взгляд автора диссертационной работы, является основной неточностью, которая снижает значимость полученных результатов. В дополнение, все упомянутые авторы, анализирующие возникновение автоколебаний, учитывают естественную жесткость тяговой характеристики двигателя. На самом деле, при регулировании жесткости она нелинейно зависит от избыточной скорости скольжения при снижении тягового усилия, и эта нелинейность - разная в динамике процесса. При росте избыточного скольжения жесткость растет пропорционально избыточной скорости и ускорению, при восстановлении сцепления жесткость снижается также пропорционально избыточной скорости и ускорению, и эти пропорции слабее, т.е. жесткость меняется и в зависимости от того, куда направлен процесс: на развитие буксования или на восстановление сцепления. На практике, как будет подтверждено осциллограммами, процесс колебаний или периодического буксования вызывается самим методом регулирования. Колесные пары удерживаются . в определенной зоне избыточного скольжения, где коэффициент сцепления максимален. Этот процесс -управляемый. Он может длиться от нескольких секунд до нескольких десятков минут в зависимости от условий сцепления. При том, что процесс колебаний управляемый, избыточные скорости скольжения не превышают 1 м/с, и процессы в электрической цепи достаточно плавные, ток двигателей изменяется при регулировании на 10-15%.
