Двухуровневая система управления асинхронным тяговым приводом локомотива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Содержание

59

Таким образом, проведенными исследованиями было доказано, что конструктивная схема тележки, в которой роль межосевых связей выполняет горизонтально-упругая трехэлементная рама, позволяет приблизиться к динамическим показателям вагона на тележках с дополнительными связями осей в виде прямых рычагов.

2. Экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований

Результаты теоретических исследований были использованы при создании опытной тележки модели 18-1711 (ОАО «МЗТМ», Украина). Сравнительная оценка результатов ходовых динамических испытаний с результатами математического моделирования подтвердила достоверность разработанной математической модели движения вагона:

- наибольшее расхождение по величине рамной силы в порожнем и груженом режиме составило 11 %;

- наибольшее расхождение по коэффициенту вертикальной динамики по перемещениям в центральном подвешивании в груженом режиме составило 9,5 %, а в порожнем - 11,5 %.

Кроме того, сравнительными ходовыми динамическими испытаниями были установлены преимущества тележки модели 18-1711 перед тележкой модели 18-100, позволяющие улучшить ходовые качества (снижение

рамных сил в 1,5___2,0 раза), безопасность движения (вероятность схода

груженого вагона снижена в 1,5 раза, порожнего - как минимум в 3 раза), повысить усталостную прочность боковой рамы (в 1,3 раза), снизть воздействие на путь (поперечные и вертикальные динамические силы снижены в 1,5...3,0 раза) и износ колесных пар (как минимум в 2 раза).

3. Литература

Рудакова Е.А. Выбор жесткости тележки в плане на основе анализа собственных форм колебаний//Шаг в будущее: Межвуз. сб. научн. трудов. - ПГУПС. - СПб, 2003. -С.39-43.

Tuning von Guterwagendrehgestellen durch Radsatzkopplungen / A. Orlova, Y. Boronenko, H. Scheffel, R. Frohling, W. Kik // ZEV-Glasers Annalen 126 (2002), S 270-282.

УДК 629.423:621.3.027

ДВУХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ ЛОКОМОТИВА

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

60

А.Е. Шаговик

Аннотация

Предложена двухуровневая система управления асинхронным приводом магистрального локомотива при реализации частичных мощностей, с уменьшаемым уровнем потерь, приведены результаты расчета характеристик асинхронного тягового двигателя.

Ключевые слова: асинхронный привод; рациональное управление;

векторное регулирование; повышение КПД привода

Введение

В середине прошлого века началось внедрение асинхронного электропривода на железнодорожном транспорте. Несовершенство полупроводниковой элементной базы долгое время не позволяло создать надежный, совершенный и конкурентоспособный асинхронный тяговый привод (АТП) для магистральных локомотивов.

Важнейшими показателями совершенства тягового привода являются его тяговая и энергетическая характеристики локомотива.

Тяговую характеристику локомотива (рис. 1.) условно принято разделять на две зоны. Первая зона - поддержания постоянства момента Мэм = Const (зона I) и вторая зона (зона II) поддержания постоянства мощности P = Const.

В зоне пуска особенно важно быстродействие системы управления, поскольку в этой зоне тяговая характеристика наиболее приближена к ограничению по сцеплению. Проведенный анализ различных способов управления АТП локомотива показал, что для использования в этой зоне наиболее подходит способ векторного управления (Blaschke F., 1971), т.к. этот метод не использует допущения, принимавшиеся при использовании

скалярного управления (V = Const, — = 0 и М = Мзад).

dt

1. Применение векторного управления при работе тягового привода в зоне постоянства момента

Рис. 1. Тяговая характеристика ТПС

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

61

Используя данный метод удается точно контролировать момент асинхронной машины, быстрее восстанавливать сцепление колес с рельсами после срыва первых в боксование, что позволяет существенно повысить «жесткость» характеристик асинхронного тягового двигателя (АТД).

Векторное регулирование основано на независимом управлении величинами векторов, входящих в уравнение электромагнитного момента:

3 L -

M = 2 Zpir WJsq=

3zvW^d

2L„

-т.

(1)

где z - количество пар полюсов; Lm - взаимная индуктивность; Lr -индуктивность ротора; угй - вектор потокосцепления ротора

спроецированный на ось й; 1щ - вектор тока статора спроецированный на ось q; тг - частота токов ротора.

При этом управление электромагнитным моментом двигателя

производится изменением значения проекции тока статора г на ось q.

Опыт использования векторного управления АТД показал возможность уменьшение срывов колесных пар в боксование и более быстрое восстановление сцепления после срыва в боксование (Eiseele. M., 1995), благодаря чему удается снизить энергетические затраты связанные боксованием на 1 - 3 % (Клименко Ю.И., 2004).

Использование принципа векторного управления, при переходе на гиперболическую характеристику, не является энергетически оптимальным, а режимы работы на этой части характеристики являются продолжительными.

2. Рациональное управление по минимуму тока фазы на частичных мощностях

Зона II является удаленной от ограничения по сцеплению, поэтому незначительные отклонения параметров АТД не приведут к неизбежному

срыву в боксование. В этой зоне при ^раб. в тяге % работе на гиперболической

характеристике наиболее

целесообразно использовать метод управления по минимуму тока статора.

Как показывает опыт

эксплуатации, значительную часть времени локомотив работает на частичных нагрузках. Об этом

Изве> стия Пе тербурхкого университета путей сообщения

2005/1

25

0,25

0,5

0,75

1,0

0

Содержание

62

свидетельствуют в частности результаты опытных поездок проведенные динамометрическим вагоном Октябрьской ж. д. (рис. 2). На рис. 2 приведено вероятностное распределение времени работы

тягового привода электровоза ЧС2т на различных мощностях.

Тяговый двигатель при

проектировании рассчитывается на минимум потерь при номинальной мощности, однако с уменьшением мощности КПД двигателя резко снижается, так как увеличивается доля потерь. Общее время работы привода в режимах не номинальной мощности, приближенно составляет 93 % от общего времени работы в тяге (рис. 2). Поэтому предлагается использовать способ рационального амплитудно-частотного управления по минимуму тока статора (Бурков А.Т., 1982).

Рис. 3. Характеристики Рис. 4. Характеристики

АТД НТА 1200 при АТД НТА 1200 при

Р = 0 25Р Р = 0 5Р

реализации 5 hiw реализации ’

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

63

Рис. 5. Характеристики АТД НТА 1200 при

Рис. 6. Характеристики АТД НТА 1200 при

реализации

U

1

Р - 0,75 Рн

ш / . , \\2 реализации

Р {(RR -со со [LL -L )) + (т LR + т LR)}

эмз U r s r s \ r s m M \ s s r r r s) У

f - p.

z mm L R

p м r m r

(2)

где Рэмз - заданная электромеханическая мощность; Rr - активное сопротивление ротора; Rs - активное сопротивление статора; ms - частота тока статора; Ls - индуктивность статора; Lm - взаимная индуктивность; юм - частота вращения вала ротора.

На основании использования данного способа были получены основные зависимости для двигателя НТА 1200 (электровоз ЭП10) при реализации различных мощностей (рис. 3 - 6).

Для примера взята точка А на рис. 4, при движении с равновесной скоростью 75 км/ч, за счет использования рационального управления, повышение КПД АТД составит 2,9 %. Уменьшение потерь для шестиосного локомотива составит 137 кВт или 3,1% от энергии расходуемой на тяговый привод. Как видно из рисунков применение данного способа приводит к уменьшению потерь в двигателе и увеличению КПД. Уменьшение тока в двигателе вызовет снижение потерь в других элементах тяговой электропередачи электровоза.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

64

Д 4QS -

ДРАЯЯ = 10,1кВт

бмот. статора 18,1кВ

ДРобтот. ротора = 15,6кВт

УДР

пот .встали

ДР

11,7кВт

2,9кВт

Рис. 7. Распределение потерь в тяговой передаче электровоза, в точке А, при обычном регулировании, отнесенное к одной оси

где ДРТТ - потери в тяговом трансформаторе; ДР4е5 - потери в четырехквадрантном преобразователе; ДРАИН - потери в АИН; ДРпотясъаж -

потери в еталщ ДРоб.ротора - потери в обмотке ротора; ^.„а - потери в обмотке статора.

ДРмех. = 11,7 кВт

^4qs = 22кВт ДРАИН = 9,9кВт

УДР

пот.встали

- 8,1кВт

Рис. 8 Распределение потерь в тяговой передаче электровоза, в точке А, при рациональном регулировании, отнесенные к одной оси.

Потери в АТД (точка А) при использовании рационального управления снижаются в обмотках статора и ротора АТД на 23,8 кВт несмотря на увеличение потерь в стали на 5,1 кВт. Использование рационального управления снизит потери в двигателе на 18,7 кВт.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1

Содержание

65

3. Заключение

Применение двухуровневой системы управления асинхронным тяговым приводом с переходом с векторного управления на рациональное управление при переходе на гиперболическую часть тяговой характеристики позволяет повысить КПД тягового двигателя магистрального локомотива на 1 - 5 % в режиме частичной мощности и снизить расход электроэнергии на тягу в зависимости от режимов до 3,1%.

4. Литература

Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Greundlage fur die transvektor - Regelung von asynchromaschilen. Siemens - Zeitschift. 1971. № 45. - s. 57-77.

Eiseele. M. Diesel locomotives with a three-phase drive for heavy cargo trains in the USA Glaser. Annalen, 1995 № 4, s. 112-121.

Клименко Ю.И. Исследование электропривода с изменяемой жесткостью тяговой характеристики. Дис. на соиск. учен. степени к.т.н. - ПГУПС 2004. - 187с.

Бурков А.Т. Управление электроэнергетическими процессами локомотивов с асинхронным приводом. Дис. на соиск. учен. степени д.т.н. - ЛИИЖТ 1982г. -470с.

УДК 629.463.62

ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ МОДЕРНИЗАЦИИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ

ВАГОНОВ-ПЛАТФОРМ

И.К. Шайтанова

Аннотация

За последние годы наблюдается динамика роста грузовых железнодорожных перевозок, возрастают объемы перевозок леса, контейнеров, труб и т. д. В настоящее время в запасе ОАО «РЖД» находятся универсальные вагоны-платформы. Срок службы таких вагонов еще не истёк и представляется возможность использовать их для дальнейшей эксплуатации после модернизации конструкции.

Ключевые слова: платформа; парк грузовых вагонов; прочность рамы; конструкция; модернизация; контейнер; лес

Введение

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/1