Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и тенденции развития тягового асинхронного электропривода современных локомотивов
1.1. Применение асинхронного тягового электропривода на отечественных локомотивах и локомотивах ведущих мировых фирм
1.2. Преимущества тягового асинхронного электропривода и экономическая целесообразность его внедрения на локомотивах
1.3. Обзор схем тяговых преобразователей частоты и систем управления
1.4. Постановка задачи и методика исследований 32
2. Математическое описание тягового электропривода и результаты моделирования
2.1. Модель тягового электродвигателя 34
2.2. Модель преобразователя частоты 44
2.3. Структурная схема системы управления 66
2.4. Параметрический синтез регуляторов системы управлния 70
2.5. Методика расчета рабочих характеристик асинхронных тяговых двигателей с учетом насыщения магнитной системы
2.6.Исследование работы привода на различных режимах работы тепловоза методом математического моделирования
2.7 Методика расчета тепловых потерь в тяговом 93
преобразователе
2.8. Выводы по главе 2 100
3. Идентификация параметров асинхронных тяговых двигателей
3.1. Задачи и способы идентификации 102
3.2. Алгоритм идентификации на кривой тока статора 104
3.3. Компьютерное моделирование процесса идентификации параметров асинхронных двигателей
3.4. Выводы по главе 3 117
4. Конструкция преобразователя и структура программного обеспечения
4.1. Силовая часть 118
4.2. Система управления 123
4.3. Прикладное программное обеспечение 127
4.4. Выводы по главе 4 128
5. Экспериментальные исследования тягового электропривода
5.1. Цель экспериментальных исследований 130
5.2. Исследование электрических процессов в силовых элементах преобразователя
5.3. Трогание локомотива с места, работа в режиме тяги и электрического реостатного торможения
5.4. Гармонический анализ фазных токов и электромагнитного момента
5.5. Проблема «длинного кабеля» при использовании преобразователя частоты
5.6. Экспериментальное определение тепловых потерь в силовых ключах инвертора
5.7. Выводы по главе 5. 143
Заключение 145
Приложение 148
Список литературы
- Преимущества тягового асинхронного электропривода и экономическая целесообразность его внедрения на локомотивах
- Параметрический синтез регуляторов системы управлния
- Алгоритм идентификации на кривой тока статора
- Исследование электрических процессов в силовых элементах преобразователя
Введение к работе
Актуальность темы. Основное требование рынка к современным железным дорогам-повышение их мобильности и экономичности. Это связано с изменением структуры производства: переходом от металлоемких изделий к наукоемким потребительским товарам, структуры собственности в рамках производителей и заказчиков новых локомотивов, образованием ОАО «РЖД».
Локомотивный парк железных дорог России в настоящее время данным требованиям не соответствует, поскольку он значительно устарел и подлежит в основной своей массе замене на новый. Утвержденный в 2002г. типаж перспективного подвижного состава [1] ориентирует разработчиков и производителей тепловозов на широкое внедрение технических решений с использованием тяговых приводов на основе бесколлекторных двигателей и статических преобразователей частоты с микропроцессорными системами управления. Основным типом тягового привода, заложенным в типаже для перспективных грузовых, пассажирских и маневровых тепловозов, является электропередача переменно-переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями (АТД). При решении данной задачи следует учесть, что в России в настоящее время отсутствуют тепловозы с АТД, за исключением нескольких опытных образцов маневровых тепловозов с электроприводом на базе инверторов тока. В связи с этим требуется выполнить комплекс сложнейших технических и наукоемких задач по разработке, исследованиям и испытаниям тягового преобразователя частоты и напряжения (ТП) для перспективных тепловозов нового поколения. Учитывая высокую стоимость комплектующего оборудования, следует отметить, что рациональное сочетание экспериментальных методов исследований и методов математического моделирования на стадии проектных разработок является необходимым условием для успешного решения поставленных задач, снижения сроков и стоимости разра-
боток. Поскольку в настоящее время начато проектирование тепловоза типа 2ТЭ25А с АТД и ТП на современной элементной базе, тема диссертации является актуальной и своевременной. Несмотря на широкое внедрение во всем мире тепловозов с асинхронным тяговым приводом, в России продолжаются дискуссии по поводу целесообразности его разработки и внедрения. По этой причине в данной работе коротко рассматриваются преимущества асинхронного привода и показана целесообразность его внедрения на локомотивах.
В связи с указанным, объектом предлагаемой работы является тяговый электропривод тепловозов с электропередачей переменно-переменного тока, выполненный с применением преобразователя частоты и напряжения на современной элементной базе (IGBT-транзисторах) и асинхронных электродвигателях.
Предметом исследований является выбор параметров тяговых преобразователей для перспективных тепловозов нового поколения с электропередачей переменно-переменного, разработка методик расчета и построения силовой части и системы управления.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
предложена структурная схема векторной двухзонной системы управления тяговым электроприводом тепловоза с ориентацией по вектору потокосцепления ротора и изменяющимся в широком диапазоне напряжением питания ТП;
разработана методика автоматизированного расчета рабочих характеристик тягового привода с учетом насыщения магнитной системы двигателя во всем рабочем диапазоне скоростей и напряжений;
разработан алгоритм векторной ШИМ-модуляции для ТП, выполненных как по двух-, так и по трехуровневой схемам и способ его практической реализации;
предложена методика расчета коэффициентов передачи регуляторов системы управления с учетом взаимных перекрестных связей по каналам управления, квантования сигналов по времени и амплитуде, нестабильности параметров объекта управления и воздействия помех;
разработана методика расчета тепловых потерь в ТП различной структуры;
разработана методика автоматизированного определения параметров АТД с целью коррекции параметров СУ в режиме реального времени.
Практическая значимость. Предлагаемые в работе математические модели позволяют дать количественную оценку электрических и тепловых нагрузок в основных силовых элементах привода на стадии проектирования, рассчитать параметры системы управления, оценить поведение привода в различных, в том числе нестационарных и аварийных режимах работы, что позволяет дать практические рекомендации для расчета, конструирования, изготовления и отладки ТП, снизить себестоимость проектных работ, ускорить доводку макетных образцов ТП до серийно выпускаемой продукции. Методики использованы при проектировании ТП тепловоза с электроприводом переменного тока 2ТЭ25А, при расчетах серии вспомогательных преобразователей для питания вспомогательных нагрузок, установленных на тепловозах 2ТЭ25К, ЧМЭЗ и для газотурбовоза.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и одобрены на научно-практической конференции «Транспортный электропривод-2001» (Санкт-Петербург, 2001г.), Всероссийской практической конференции «Частотно-регулируемый электропривод-высокоэффективный инструмент энергоресурсосбережения» (Екатеринбург, 2003г.), IV Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (Новочеркасск, 2003г.), научно-технической конференции «Новое в конструкции и технологии обслуживания локомотивов» (С-Петербург, 2003г.), Международной на-
учно-технической конференции «Современное состояние развития приборов силовой электроники и преобразовательной техники» (Саранск, 2004г.), Третьего Международного симпозиума «Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2005), неоднократно докладывались на секции тягового электропривода НТС ФГУП ВНИКТИ, опубликованы в периодической печати.
Преимущества тягового асинхронного электропривода и экономическая целесообразность его внедрения на локомотивах
Асинхронный тяговый двигатель на тепловозах нового поколения по зволяет решить задачу улучшения показателей железных дорог. Увеличение мощности АТД позволяет поднять расчетную скорость и частично силу тяги тепловозов и, следовательно, общую массу состава. Полная унификация ме 9 ханического и электрического оборудования в сочетании с простейшими АТД и бесконтактным преобразовательным оборудованием повысят надежность тепловозов, сократят сроки их технического обслуживания и ремонтных работ, позволят увеличить время суточной работы. Приведенные данные представляют прямой выход на возможность сокращения количества тепловозов для осуществления заданного объема работы, уменьшения количества и оборота вагонов, и таким образом, снижения капитальных и эксплуатаци-онных затрат [32, 33, 34, 35, 36].
Основные достоинства асинхронного тягового привода определяют следующие его свойства: 1. Существенно повышается надежность и снижается трудоемкость обслуживания и ремонта локомотивов с асинхронным тяговым приводом. Техническое обслуживание локомотивов с коллекторными тяговыми двига телями требует больших затрат ручного, не поддающегося автоматизации труда для обслуживания щеточно-коллекторного узла. У асинхронных тяго вых двигателей нет щеточно-коллекторного узла, в связи с чем полностью исключена проблема кругового огня по коллектору. Они практически не тре буют ухода, кроме замены смазки подшипников якоря раз в год, имеют вы сокую надежность и большой ресурс - 1,5 млн. км пробега между капиталь ными ремонтами. Они конструктивно проще коллекторных двигателей по стоянного тока, вследствие чего их срок службы, исходя из опыта европей ских и американских железных дорог, может быть увеличен на 70-100 %.
По данным американской железной дороги Burlington Northern (BN) [37], при использовании на локомотивах АТД практически полностью устраняются повреждения тяговых двигателей. Только за счет повышенной надежности тяговых асинхронных двигателей BN экономит на ремонтных расходах до 40 тыс.долларов на локомотив в расчете на срок службы. Приобретение больших партий новых локомотивов позволило повысить эксплуатационную надежность парка тягового подвижного состава с 80 до 90 %. С повышением эксплуатационной надежности среднесуточный пробег локомотива достиг 432 км, а коэффициент использования - 85 %.
2. При применении асинхронного тягового привода резко сокращается число быстроизнашиваемых аппаратов, узлов и деталей, большое количество контакторов и переключателей замещается полупроводниковыми приборами, обеспечивается бесконтактная система реверса и торможения.
3. Из-за большой «жесткости» характеристик АТД более полно может быть реализовано развиваемое тяговым двигателем усилие при эффективном регулировании сил сцепления. Это способствует снижению расхода песка, сокращению износа бандажей и рельсов. 4. Осевая мощность может быть увеличена до 800-1000кВт.
5. Номинальная мощность тягового двигателя может быть использована практически во всем диапазоне скоростей вплоть до конструкционной включительно, вследствие чего локомотив становится универсальным. На ДПТ при высоких скоростях и номинальной мощности может появляться круговой огонь. Опыт железных дорог ФРГ показывает, что за счет этого парк локомотивов может быть уменьшен на 10%, а суточные пробеги увеличены, как минимум, на 35%.
6. Режим электродинамического (реостатного) торможения реализуется устойчиво в широком диапазоне нагрузок и скоростей практически до полной остановки состава (на тепловозе Blue Tiger до скорости 1 км/ч [30]) при более высоких, чем у тепловозов с коллекторными тяговыми двигателями, значениях КПД. У двигателей постоянного тока ограничение тормозных усилий в области высоких скоростей определяется потенциальными условиями на коллекторе. У АТД таких ограничений нет. Все это приводит к существенному снижению расхода тормозных колодок и времени на их замену.
7. Уменьшается расход ряда дорогостоящих материалов, применяемых при изготовлении и ремонте тяговых двигателей (меди примерно в 2,0...2,5 раза, изоляционных материалов примерно в 2 раза по сравнению с электродвигателями постоянного тока).
8. Возможно использование рекуперации энергии торможения для отопления и кондиционирования поезда и питания собственных нужд локомотива при использовании тепловозной тяги.
9. Удельная мощность асинхронного тягового двигателя, по сравнению с коллекторным, выше на 50% при большем на 1,0-2,5% КПД двигателя. Благодаря отсутствию коллектора АТД допускают более высокую частоту вращения ротора, что улучшает удельные показатели объема и массы двигателя. 10. Асинхронный привод позволяет эффективно осуществлять индивидуальное регулирование работы каждого тягового двигателя, получающего питание от отдельного АИН. Это улучшает тяговые и тормозные характеристики локомотива, так как устраняет влияние перераспределения осевых нагрузок, способствует также повышению надежности локомотива. Выход из строя одного инверторного модуля или тягового двигателя приводит к уменьшению мощности тепловоза на 1/6, но в большинстве случаев рабочие характеристики при этом не ухудшаются, так как микропроцессорная система управления автоматически переводит его в режим работы на пяти исправных тяговых двигателях.
Говорить об экономической целесообразности внедрения тягового асинхронного привода следует в совокупности с внедрением других технических решений, которые могут быть применены при этом. Применяемая схема питания тягового привода позволяет не снижать уровень питающего напряжения тягового генератора при трогании тепловоза. Это открывает широкие возможности по внедрению вспомогательных преобразователей для пассажирских тепловозов, преобразователей напряжения для отопления и кондиционирования вагонов, питаемых непосредственно от тягового выпрямителя. При этом за счет использования энергии рекуперации для питания указанных преобразователей при торможении поезда можно экономить до 10-15% топлива, что позволит окупить затраты на тяговый привод в течение 3-4 лет. Такой режим реализован на тепловозах фирмы Siemens Hercules [31]. Имеется возможность избавиться от стартер-генератора, применив для запуска дизеля тяговый генератор, питаемый от силового инвертора.
Параметрический синтез регуляторов системы управлния
От точности настройки регуляторов СУ зависит принципиальная работоспособность всего привода. Неправильная настройка может повлечь за собой автоколебательные и даже аварийные режимы работы привода. Поэтому вопрос о том, какие параметры регуляторов закладывать в СУ, является важнейшим при синтезе векторной СУ.
Синтез назван параметрическим [99], так как известна топология системы управления, структура звеньев, конкретизирована часть параметров и устанавливаются пределы изменения остальных. Задачей данного раздела является определение параметров регуляторов контуров тока по оси "х" (с регулятором РТх), тока по оси "у" (с регулятором РТу), тока намагничивания ротора 1 (с регулятором РТц) при выбранной заранее структуре регуляторов. Модель асинхронного двигателя, приведенная на рис.2.1, представляет собой многомерный (в частности двухмерный) объект управления с взаимными перекрестными связями между каналами управления. Указанное обстоятельство, а также нелинейности в системе управления (ограничительные звенья) не позволяют синтезировать данные регуляторы с применением обычных классических средств синтеза [99, 100,101,102, 103]. Методика, предложенная в [104, 105] частично решает данную проблему путем учета нелинейностей в системе, обеспечивает высокое быстродействие синтезированной системы и также, по мнению автора, наряду с предлагаемой методикой, является перспективной. В данной работе используется методика синтеза регуляторов с применением программы Nonlinear Control Design из пакета Matlab [86, 87] . Данная прикладная программа разработана специально для расчета нелинейных систем управления и реализует метод динамической оптимизации, при котором автоматически настраиваются заданные параметры моделируемой системы, основываясь на определенных пользователем ограничениях на временные характеристики назначенных переменных. Она является, по существу, специализированной программой для решения задач оптимизации при наличии ограничений в форме неравенств и использующей в качестве алгоритма оптимизации последовательное квадратичное программирование. В процессе оптимизации возможно учесть разброс параметров исследуемой системы, обеспечив тем самым робастность построенной системы управления и всего электропривода в целом, а также учесть влияние помех. Синтез регуляторов выполнен без учета влияния противо-ЭДС двигателя. Для контуров регулирования токов isx и isy данное ограничение практически не имеет какого-либо значения в силу их высокого быстродействия, в отличие от контура регулирования тока намагничивания ротора. По этой причине данный расчет для контура тока намагничивания ротора позволяет получить лишь первое приближение. Результат расчета должен уточняться в процессе практических испытаний.
Особенностью данного ПИ-регулятора является динамическое изменение уровня ограничения интегральной составляющей в зависимости от входной ошибки и, соответственно, пропорциональной составляющей. Чем больше пропорциональная составляющая, тем на меньшем уровне ограничивается величина интегральной составляющей и наоборот. Это позволяет максимально приблизить данный регулятор к его аналоговому прототипу. На схеме блок Mod_ATD представляет собой модель АТД, построенную в соответствии с рис.2.1. Блоки NCD_Outputl, NCD_Output2 представляют собой графический визуальный интерфейс, представленный на рис.2.15. Посредством данного интерфеса можно задавать поведение переходной функции (реакции на скачок) для любого интересующего разработчика процесса. В процессе расчета учитываются шумы в каналах измерения токов посредством включения в схему генераторов белого шума. Мощность шума составляет около 2% от максимального значения тока.
Алгоритм идентификации на кривой тока статора
Диалоговая техника идентификации параметров АТД основана на оценке траектории тока статора, которая является динамической реакцией асинхронного двигателя на последовательность переключения ШИМ.
Аналитическая модель двигателя функционирует параллельно реальному двигателю. Входные сигналы для нее - напряжение и ток статора, а также механическая частота вращения вала. Из полученного ряда образцов напряжений и токов фазы рассчитываются соответствующие вектора Us и Is. Их соответствующие компоненты сохранятся в памяти как функции времени.
Измеренные напряжения статора во время работы ШИМ используются как сигналы входа для аналитической модели двигателя. Уравнения модели используются при подсчете расчетной траектории is тока статора.
Отличие траекторий токов статоров модели и реальной машины есть ошибка, на основе которой в алгоритме идентификации изменяются параметры модели в направлении сближения траекторий и соответствующего снижения ошибки. Отметим существенную особенность данного метода. Модель использует алгебраические, а не дифференциальные уравнения, ко торые являются точным аналитическим решением соответствующих дифференциальных уравнений.
Для идентификации используется аналитическая модель АТД. Все переменные величины нормализованы относительно своих номинальных значений. Нормализованное время т = оооэлЪ где о)0эл - номинальная электрическая угловая частота питающего напряжения. Решая данную систему относительно токов статора и ротора получаем их значения в частотной области. Аналитическое решение во временной области определяется взятием обратного преобразования Лапласа и методом припасовывания решения от одного временного интервала к другому. Расчетные формулы траектории векторов тока статора и тока ротора применительно к каждому временному интервалу А т.
Цель идентификационного алгоритма - свести до минимума вероятность ошибки измеренной траектории тока статора по сравнению с расчетной траекторией тока. Параметры модели адаптируются в последовательности итераций (повторов) с использованием метода наименьших квадратов [127, 128]. Каждый итерационный цикл изменяет параметры модели так, что расчетная траектория тока статора перемещается в направлении измеренной траектории тока статора. Параметры модели принимают свои конечные значения, когда две траектории совпадают в пределах заранее заданной погрешности. На рис.3.2. показана измеренная траектория вектора тока статора Is и расчетная траектория тока is после одной из итераций. До первой итерации параметры модели установлены на свои расчетные номинальные значения.
Вектор тока статора Is и механическая скорость СО получены путем непосредственного измерения. Поскольку в АТД с короткозамкнутым ротором ток ротора не может быть измерен, на первой итерации он принимается равным нулю. Таким образом, получено нормальное уравнение Гаусса [127, 129]. Точного решения подобные уравнения не могут иметь по определению. Можно найти лишь его приближенное решение (псевдорешение) с использо ванием псевдообратной матрицы [130] : Ax = -pinv(I) dk Ku, (3.16) где Ku - коэффициент усиления (Ки 1), определяемый практически в результате пробных экспериментов для обеспечения устойчивости процесса идентификации.
Исследование электрических процессов в силовых элементах преобразователя
В настоящее время техника построения преобразователей с использованием IGBT-транзисторов достаточно хорошо проработана [134, 135]. Данные силовые приборы являются почти идеальными силовыми ключами. Они полностью управляемы (при этом для управления требуется малая мощность), имеют малое время переключения, относительно невысокие статические и динамические потери. Это позволяет без особых затруднений создавать преобразователи на мощности порядка 50-100кВт. Однако при мощностях порядка 400кВт и выше, а также при высоких рабочих напряжениях в звене постоянного тока возникают проблемы коммутации аварийных токов.
Из-за паразитных индуктивностей рассеяния и ошиновки при коммутациях в силовых ключах могут появляться импульсы перенапряжений, способные вывести их из строя. При этом вопросы технологии, конструкции силовой части преобразователя, играют важнейшее значение. В разделе 4 подробно описана конструкция тягового преобразователя, которая учитывает данные особенности. В данном разделе исследованы электрические процессы в силовых транзисторах, конденсаторах, ошиновке. Показаны осциллограммы токов и напряжений, формируемых преобразователем на различных скоростных режимах, работа тормозного регулятора в режиме защиты от перенапряжений и при электрическом торможении, сигналы с датчиков тока, напряжения, поступающих в систему управления для их последующей обработки. По результатам испытаний сделаны соответствующие выводы.
Для исследования перенапряжений на силовых транзисторах выполнен эксперимент по коммутации аварийного тока. Электрические процессы в IGBT-транзисторе в этом режиме показаны на рис.5 Л. Перенапряжение на транзисторе VT1 при отключении аварийного тока 1000А составляет не более 520В. На рис.5.2 показаны осциллограммы тока в силовом IGBT-транзисторе и напряжение на нем при выключении (а) и включении (б) в нормальном (не аварийном) режиме работы привода. Время включения составляет 500мкс, выключения 800 мкс, что соответствует рекомендациям фирмы-изготовителя. Перенапряжения на транзисторе не превышают 150 В. Эти результаты подтверждают возможность нормальной работы преобразователя без демпфирующих (снабберных) цепей.
Правильный выбор типа силового конденсатора имеет важное значение как по экономическим соображениям, так и с точки зрения надежной работы преобразователя. Важнейшим структурным элементом системы векторного управления тяговым преобразователем являются ПИ-регуляторы контуров регулирования реактивной составляющей тока статора, активной составляющей тока статора и тока намагничивания ротора. От качественной настройки данных регуляторов зависит принципиальная работоспособность и устойчивость привода. Для практической настройки вначале устанавливаются величины расчетных коэффициентов передачи пропорциональной и интегральной частей регуляторов. Для настройки контура регулирования реактивной составляющей тока статора іх в соответствии со структурной схемой рис.2.6 принудительно устанавливается угловое положение системы координат (х у) в ноль. При этом ротор АТД остается в неподвижном состоянии. Непосредственно на вход контура тока ix скачком подается управляющий сигнал еднничной амплитуды. На входе контура тока iy задание принудительно устанавливается в нулевое значение. Для обеспечения безопасной работы напряжение питания желательно установить примерно половину от максимального значения. Аналогично поступают с контуром регулирования iy. Далее в зависимости от вида переходной функции производится подстройка коэффициентов усиления интегральной и пропорциональной составляющих регулятора. Конечный результат должен соответствовать настройке контура на модульный оптимум (рис.5.6) [60, 61]. Как видно, быстродействие указанных контуров находится на уровне 20мс при напряжении питания, равном половине от номинального значения. При номинальном значении из-за увеличения коэффициента передачи по контуру оно составит около Юме. При этом конечные значения коэффициентов передачи регуляторов отличаются от рассчитанных по методике, приведенной в главе 2 не более чем на 12%.
